Министерство образования и науки Республики Казахстан
Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова
Кафедра технологии производства продуктов животноводства
Доклад
на тему: «Классификация продуктов биотехнологического производства»
Дисциплина: Биотехнология молочных и мясных продуктов
Специальность 5В070100 - Биотехнология
Выполнила: Досова А.Д., студентка 4 курса
очной формы обучения
Проверил: Бермухаметов Ж.Ж., м.т.н.
Костанай-2016
План
1.Классификация продуктов биотехнологических производств
2. Общая схема биотехнологического производства продуктов
микробного синтеза
3. Биотехнология получения первичных метаболитов
3.1.Производство аминокислот
3.2.Производство витаминов
3.3.Производство органических кислот
4.Биотехнология получения вторичных метаболитов
4.1.Получение антибиотиков
4.2.Получение промышленно важных стероидов
Список использованных материалов
биотехнология синтез микробный метаболит
1. Классификация продуктов биотехнологических производств
I. В зависимости от количества.
1. Продукты тонкого биологического синтеза - от 100 кг до 1000 т в год - вакцины, витамины, антибиотики для медицины. основная стоимость связана с очисткой и анализом.
2. Продукты маломасштабного биосинтеза - до 20 тыс. тонн в год - аминокислоты для пищевой промышленности, напитки, продукты получаемые ферментацией, антибиотики для с/х.
3. Крупномасштабный биологический синтез - сточные воды после биологической очистки, биополимеры для отдельных отраслей промышленности - полисахариды для извлечения остатков нефти, выщелачивания Ме из руд. Основное условие - дешевизна. Более 20 тыс. тонн в год.
II. По товарным формам.
1. Биопрепараты - основной компонент - жизнеспособные клетки м/о или др. организмы закваски, бактериальные удобрения.
2. Инактивированная биомасса м/о - белок одноклеточных организмов.
3. Биопрепараты на основе очищенных метаболитов - ферменты, витамины, гормоны, антибиотики.
III. Образование биотехнологических продуктов в зависимости от стадии роста биологических объектов.
1. Первичные метаболиты.
2. Вторичные метаболиты.
Биотехнологические производства основаны на использовании жизнедеятельности микроорганизмов. Чтобы управлять микробиологическим процессом, необходимо знать физиологию применяемых культур микроорганизмов. Это позволит контролировать процессы, протекающие в клетке, условия культивирования и влияние основных факторов окружающей среды на направленный биосинтез.
Продуктами биотехнологических производств являются природные макромолекулы - белки, ферменты, полисахариды, полиэфиры, выделенные из клеток микроорганизмов, тканей и органов растений и животных.
где 1 - биомасса; 2 - продукт
Рисунок 1 - Динамика изменения биомассы и образования первичных (А) и вторичных (Б) метаболитов в процессе роста организма.
По отношению к процессам роста низкомолекулярные продукты метаболизма живых клеток делятся на первичные и вторичные метаболиты.
Первичные метаболиты - это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 Да), необходимые для роста микроорганизмов. Одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, растворители и витамины.
Вторичные метаболиты - это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Ко вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины.
Спектр продуктов, образующихся методами биотехнологии, необычайно широк и разнообразен. Одноклеточные организмы используют для получения биомассы, являющейся источником кормового белка. Клетки, особенно в иммобилизованном состоянии, выступают в роли биологических катализаторов для процессов биотрансформации.
Процессами биотрансформации называют реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. В последние годы высокая специфичность процессов биотрансформации и эффективность иммобилизованных ферментов нашли широкое применение для крупномасштабного производства аминокислот, антибиотиков, стероидов и других промышленно важных продуктов.
Продуктами биотехнологических производств являются природные макромолекулы - белки, ферменты, полисахариды.
Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. К ним относятся структурные единицы биополимеров - аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, а также витамины, коферменты, органические кислоты и другие соединения. Вторичные метаболиты (антибиотики, пигменты, токсины) - низкомолекулярные соединения, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста.
Центральное звено биотехнологического процесса - живая клетка, в которой одномоментно синтезируется великое множество разнообразных соединений. В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечивается сложнейшей системой регуляции обмена веществ. Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посредством нарушения регуляторных систем метаболизма в нем.
2.Общая схема биотехнологического производства продуктов микробного синтеза
Процессы биотехнологических производств разнообразны, но все они имеют пять основных стадий:
1) приготовление питательной среды;
2) подготовка посевного материала;
3) культивирование микроорганизмов;
4) выделение целевого продукта;
5) очистка целевого продукта.
Принципиальная биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза показана на рисунке 3.
Приготовление питательных сред. Среда должна отвечать двум основным требованиям. Во-первых, она должна быть полноценной для питания и недорогой. Углерод и азот в усвояемой форме требуются для биосинтеза белка; фосфор необходим для синтеза ДНК и АТФ; микроэлементы требуются для образования ферментов, также для нормальной жизнедеятельности нужны факторы роста и витамины. Во-вторых, среда должна быть стерильной, что достигается температурной, ультрафиолетовой, ультразвуковой и другими видами обработки.
Получение посевного материала (инокулята) проводится по следующей схеме:
Качество полученного посевного материала контролируют путем микроскопирования.
Рисунок 2 - Принципиальная биотехнологическая схема производства продуктов микробного синтеза
Культивирование (ферментация) представляет собой совокупность последовательных операций от внесения в заранее приготовленную питательную среду посевного материала до завершения процессов роста и биосинтеза вследствие исчерпания питательных веществ среды. Существует два основных типа ферментаций: получение биомассы микроорганизмов и получение метаболитов.
3. Биотехнология получения первичных метаболитов
3.1 Производство аминокислот
В промышленности аминокислоты получают:
1) гидролизом природного белоксодержащего сырья;
2) химическим синтезом;
3) микробиологическим синтезом;
4) биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).
Для гидролиза могут быть использованы отходы мясоперерабатывающей промышленности (отходы обработки животного сырья, кровь и т.д.), яичный белок, казеин молока, клейковина пшеницы, соевый шрот и т.д. При гидролизе белоксодержащее сырье нагревают с растворами кислот и щелочей, при температуре от 100 до 105 єС в течение 20…48 часов. При этом аминокислоты переходят в гидролизат, и для выделения отдельных аминокислот необходима сложная многостадийная очистка. Кроме того, само сырье считается дефицитным и дорогим, поэтому аминокислоты имеют высокую себестоимость. Кроме того, может разрушиться часть аминокислот, таких как триптофан, цистеин, метионин, тирозин, а также происходит рацемизация.
Химический синтез аминокислот достаточно эффективен, однако его недостатком является то, что в процессе синтеза образуется смесь из биологически активной L-формы и D-изомера аминокислоты. D-форма является балластом, так как не усваивается животными и человеком, а некоторые D-формы аминокислот обладают токсическими свойствами. Разделение изомеров - дорогая и трудоемкая процедура. Синтетически производится незаменимая аминокислота метионин.
Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиологический синтез аминокислот; 60 % высокоочищенных препаратов аминокислот получают именно этим способом. Преимущество его состоит в возможности получения L-аминокислот на основе возобновляемого сырья.
В последние годы широко используется биотрансформация предшественников аминокислот, полученных химическим синтезом с помощью клеток микроорганизмов или иммобилизированных ферментов.
Среди продуцентов аминокислот используются дрожжи (30 %), актиномицеты (30 %), бактерии (20 %).
Brevibacterium flavum и Corynebacterium glutamicum более трети сахаров превращают в лизин.
Для селекции продуцентов используются микроорганизмы, относящиеся к родам Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter.
Глутаминовая кислота - первая аминокислота, полученная микробным синтезом. Глутаминовая кислота относится к заменимым кислотам, обладает приятными органолептическими свойствами и находит самое широкое применение. Ее продуцентами являются бактерии Corinebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum и др.
Лизин образуют многие микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, сине-зеленые водоросли, некоторые виды микроскопических грибов. В нашей стране в качестве продуцентов лизина используют бактерии родов Corinebacterium (С. glutamicum), Micrococcus, Brevibacterium.
Триптофан образуют микроорганизмы бактериального и грибного происхождения: родов Micrococcus sp., Candida utilis, Bacillus subtilis.
Основными потребителями аминокислот являются сельское хозяйство и пищевая промышленность. Аминокислоты, чаще всего лизин, используют в качестве обогатителей кормов и пищевых продуктов растительного происхождения для повышения их питательной ценности и для сбалансирования пищи по незаменимым аминокислотам. Использование 1 т лизина в комбикормовой промышленности позволяет экономить от 40 до 50 т фуражного зерна.
Некоторые аминокислоты используют в качестве приправ, так как они обладают определенными вкусовыми свойствами и могут сообщать продукту приятные аромат и вкус. Большое распространение имеет глутаминовая кислота и ее натриевая соль (глутамат натрия), которая является эффективным усилителем вкуса мясных и овощных блюд. Данную аминокислоту добавляют во многие продукты при консервировании, замораживании и длительном хранении.
Для улучшения органолептических показателей мясных продуктов, придания им специфического приятного вкуса и аромата используют цистин, лизин, гистидин. Цистеин и цистин с глутаматом натрия создают имитацию запаха и вкуса мяса, что используется при приготовлении приправ.
Многие аминокислоты: лизин, аланин, пролин, валин и другие могут снимать неприятные запахи и используются в качестве дезодорантов пищевых продуктов.
Аминокислоты обладают оригинальным вкусом и участвуют в образовании вкусовых особенностей пищевых продуктов. Например, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, кислые на вкус, в нейтральных растворах имеют очень приятный оригинальный вкус, глицин обладает характерным вкусом «освежающей» сладости, которая по интенсивности близка к сахарозе.
Особый интерес представляет подсластитель аспартам, молекулу которого образуют две аминокислоты - фенилаланин и аспарагиновая кислота. Эти аминокислоты синтезируются микробиологическим путем, а аспартам из этих мономеров - с помощью ферментов. Сладость аспартама в 200 раз превышает сладость сахарозы.
3.2 Производство витаминов
Витамины представляют собой группу незаменимых органических соединений различной химической природы, необходимых любому организму в ничтожных концентрациях и выполняющих в нем каталитические и регуляторные функции. Витамины не образуются у гетеротрофов. Способностью к синтезу витаминов обладают лишь автотрофные организмы.
Микробиологическим способом можно получить практически все известные витамины. Однако экономически более целесообразно получать витамины выделением из природных источников или с помощью химического синтеза. С помощью микроорганизмов целесообразно получать сложные по строению витамины: в-каротин (провитамин А), В2, В12 и предшественники витамина D.
Витамин В12 (цианокобаламин). В тканях животных концентрация витамина очень низкая (в печени быка 1 мг/кг) для того, чтобы использовать этот источник для промышленных целей. Химический синтез очень сложен. Синтезировать витамин В12 способны уксуснокислые бактерии, грибы и пропионовокислые бактерии. Наибольшее промышленное значение имеют Рго-pionibacterium и Pseudomonas (P. denitrificans).
Концентрат витамина B12 предназначен для обогащения кормов животных. Для обогащения кисломолочных продуктов витамином B12 используют пропионовокислые бактерии, как в чистом виде, так и в виде концентрата, приготовленного на молочной сыворотке.
Витамин В2 (рибофлавин) можно в небольших количествах выделять из природного сырья. В наибольшем количестве он содержится в моркови и печени трески. Наиболее активными продуцентами витамина B2 являются дрожжеподобные грибы рода Eremothecium ashbyii, входящие в класс аскомицетов, а также бактерии Bacillus subtilis. Витамином В2 обогащают некоторые сорта белого хлеба, его используют для окраски пищевых продуктов в оранжево-желтый цвет.