Тема: Характеристика біосинтетичної активності мікробних продуцентів органічних кислот та вплив на неї основних факторів (на прикладі обраної культури)

  • Вид работы:
    Контрольная работа
  • Предмет:
    Биология
  • Язык:
    Украинский
  • Формат файла:
    MS Word
  • Размер файла:
    9,16 Кб
Характеристика біосинтетичної активності мікробних продуцентів органічних кислот та вплив на неї основних факторів (на прикладі обраної культури)
Характеристика біосинтетичної активності мікробних продуцентів органічних кислот та вплив на неї основних факторів (на прикладі обраної культури)
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КПІ"

факультет біотехнології і біотехніки







ДОМАШНЯ КОНТРОЛЬНА РОБОТА

З КУРСУ "ЗАГАЛЬНА БІОТЕХНОЛОГІЯ-1"

Тема: "Характеристика біосинтетичної активності мікробних продуцентів органічних кислот та вплив на неї основних факторів (на прикладі обраної культури)"



Виконала:

студентка групи БТ-91

Шемендюк Олена Віталіївна

Перевірила:

доц. Тодосійчук Т.С.


Київ-2011

Лимонна кислота (СН2 - СООН - СОНСООН - СН2СООН) - трьохосновна оксикислота. Лимонна кислота була ідентифікована в якості продукту метаболізму цвільових грибів в 1893 році Вемером. У даний час ця кислота за обємами виробництва (більше 350 тисяч тонн на рік) займає перше місце серед всіх органічних кислот.

У мікроорганізмів синтез лимонної кислоти реалізується в циклі дикарбонових кислот і здійснюється в результаті конденсації кислоти із чотирма атомами вуглецю і двома карбоксильними групами, і кислоти з однією карбоксильною групою. Утворена в результаті гліколізу піровиноградна кислота звязується з вуглекислотою; синтезована при цьому щавелево-оцтова кислота реагує з оцтовою кислотою з утворенням лимонної кислоти, тобто утворення лимонної кислоти включає реакції гліколізу і ряд реакцій циклу Кребса. При кожному оберті циклу молекула щавелево-оцтової кислоти взаємодіє з оцтовою, утворюючи лимонну кислоту [1].

У промисловому виробництві лимонної кислоти в якості продуцента переважно використовують Aspergillus niger. Процес ферментації досить складний, тому що лимонна кислота - продукт первинного метаболізму грибів, і навіть незначне виділення даного продукту в навколишнє середовище свідчить про виражений дисбаланс клітинного метаболізму.

Ріст продуцента і синтез кислоти зазвичай регулюють складом середовища (цукру, P, Mn, Fe, Zn). Надсинтез лимонної кислоти реалізується при великих концентраціях цукрів у середовищі (14-24 %), що є наслідком реакції продуцента на дефіцит фосфору, а також інших металів, хоча їх роль до кінця не вияснена. Це, мабуть, і порушення анаболізму, і вплив на властивості поверхні і морфологію гіфів [2].

Оптимум рН на стадії кислотоутворення становить 1,7-2,0. У більш лужному середовищі процес зсувається в бік накопичення щавлевої і глюконової кислот. В якості основи середовища зазвичай використовують глюкозний сироп, гідролізати крохмалю або мелясу. Останню попередньо розбавляють до потрібного рівня цукрів і обробляють з метою зниження вмісту металів. Джерелом азоту служать солі амонію (0,2 %), концентрація фосфатів (0,01-0,02 %). Як піногасники використовують природні масла з високим вмістом жирних кислот.

У виробництві лимонної кислоти застосовують кілька варіантів процесу. Поверхневий спосіб реалізується на твердому сипучому середовищі і в рідкій фазі. При рідкофазній поверхневій ферментації поживне середовище розливають в кювети шаром від 8 до 18 см. Кювети розміщують на стелажах у попередньо простерилізованій парами формаліну бродильній камері. Через спеціальні повітроводи з потоком стерильного повітря поверхню середовища засівають вихідною музейною культурою. Як посівний матеріал використовують попередньо отримані і висушені спори (конідії) з розрахунку 50-75 мг конідій на 1 м2 площі кювет [3].

Відомо кілька варіантів процесу: незмінний, незмінний із доливами і метод плівок. При незмінному режимі процес здійснюється на одному середовищі від моменту засіву спор до завершення стадії кислотоутворення. При використанні методу плівок, через 7 діб після завершення кислотоутворення, зброджений розчин меляси зливають з кювет, міцелій промивають стерильною водою і в кювети заливають нове середовище. Незмінний спосіб з доливами характеризується добавками меляси під плівку гриба на стадії кислотоутворення (30-35 % від початкового об'єму), так званий режим з підживленням субстратом. Це дозволяє підвищити вихід лимонної кислоти на 15-20 % з одиниці поверхні при скороченні витрат цукрів на 10-15 % в порівнянні з іншими методами.

В ході стадії ферментації на першому етапі (перші 24-36 год) відбувається інтенсивний ріст міцелію. Температура середовища в цей період стабілізується на рівні 32-34оС, інтенсивність аерації становить 3-4 м3 повітря за год/м міцелію. У період активного кислотоутворення подачу повітря збільшують в 5-6 разів. В результаті більш інтенсивного термогенезу температуру знижують до 30-32°С. У міру зниження процесу кислотоутворення режим аерації стає менш інтенсивним. Контроль процесу ведуть за показниками титруємої кислотності середовища. Процес вважають завершеним при залишковій концентрації цукрів близько 1-2 % і рівні титруємої кислотності 12-20 %. Вміст лимонної кислоти від рівня всіх кислот досягає 94-98 %. Зброджений розчин зливають у приймач і направляють на обробку; промитий міцелій використовують у кормовиробництві [4].

Умови ферментації Aspergillus niger в середовищі з вуглеводами: для виробництва лимонної кислоти потрібна висока концентрація цукру (140-240 г/л). При більш низьких концентраціях накопичується більше щавлевої і менше лимонної кислоти. Asp. niger не використовує сахарозу, але частина її розкладається під час стерилізації. Крім того, гриби містять позаклітинну, зв'язану з міцелієм інвертазу, активну в кислих умовах ферментації, яка каталізує швидкий гідроліз сахарози [5].

Найчастіше в якості джерела вуглецю і енергії використовують цукрову або очеретяну мелясу або сахарозу, картопляний крохмаль, гідролізати крохмалю, глюкозний сироп. Якщо використовують крохмаль, то його гідролізують власні амілази гриба або ті, які додаються ззовні [2].

Новий штам Aspergillus niger ВКПMF - 696 - продуцент лимонної кислоти, отриманий в процесі селекції із штаму, що зберігається в музеї ВНІІ ПАКК. Штам ВКПMF - 696 утворює округлі, конідії кремового забарвлення, середнього діаметру 3,8 мкм, стеригми двошарові довжиною 12,5 мкм і 6,8 мкм. Активно ферментує сахарозо-мінеральні поживні середовища та середовища, отримані в результаті гідролізу крохмалю. Володіє стійкою активністю кислотоутворення і стабільно високим (82,2-90 %) виходом лимонної кислоти від цукру протягом 12 місяців зберігання штаму [6].

У мелясі міститься близько 48-50 % сахарози, але також велика кількість зольних елементів. Мелясу розбавляють слабкою сірчаною кислотою до концентрації 15-20 % цукру, рН встановлюють 5,5-6,5. Перед стерилізацією меляси її обробляють гексаціанофератом Са або катіонними обмінниками для видалення металів [7].

Селекціонований штам Aspergillus niger ВКПМF - 719 володіє високою активністю утворення лимонної кислоти при глибинному культивуванні на середовищах зі згущеного соку сорго, утворюючи 18,0 - 18,7 г/дм3 на добу лимонної кислоти. При цьому конверсія цукрів поживного середовища в лимонну кислоту складає 79,2-80,1 % [8].

Як джерело азоту використовують солі амонію (2-2,5 г/л), переважно (NH4) 24; його утилізація супроводжується зниженням рН середовища нижче 2,0, що необхідно для синтезу лимонної кислоти.

Фосфор - важлива поживна речовина, що має значення в регуляції синтезу лимонної кислоти. Якщо підтримується ліміт металевих іонів, то ефект Р мало виражений, в протилежному випадку ліміт по фосфору дає хороший ефект. При високій концентрації фосфору акумулюється багато цукрових кислот замість лимонної.

Якщо вміст мікроелементів збалансований, то інші фактори (концентрація цукру, Р та ін) проявляють незначні ефекти. Asp. niger вимагає для росту всі мікроелементи, але ліміт за деякими, особливо для глибинної ферментації, має критичне значення. Певний вплив мають іони Zn, Fe і Мn. Останній в концентрації 3 мг/л сильно знижує вихід лимонної кислоти. Іони Сu служать противагою не Fe-іонам, як раніше вважали, а Mn-іонам. Сu служить інгібітором поглинання, який вважається критичним металом і діє на рівні синтезу білка. Для максимального синтезу цитрату достатньо 0,05 - 0,2 ppm Fe. Zn2+ виконує регулювання процесу ферментації (1 ppm = 10-12 М). При концентрації 1-2 мкмоль він сприяє проходженню ростової фази, але при концентрації менше 1 мкмоль обмежує ріст. Додавання Zn2+ в надлишку до культури, яка продукує цитрат, обертає ферментацію в першу фазу. Вважають, що дефіцит Zn2+ служить сигналом для культури про перехід з ростової фази в продуктивну. Припускають також, що Zn2+ має непряме значення для функціонування циклічного AMP (сАМР). Якщо додавання сАМР під час виробничої фази посилює утворення цитрату, то внесення Zn2+ затримує синтез кислоти. Велика частина лимонної кислоти утворюється клітинами, що не ростуть [1].

У період ідіофази значення рН потрібно підтримувати нижче 2,0, щоб пригнітити утворення щавлевої і глюконової кислот. Остання утворюється під дією глюкозооксидази, активність якої збільшується при підвищенні рН > 4,0, але при рН < 2,0 фермент інактивується. Під час трофофази початковий рН ~ 5,0 [3].

Новий штам гриба Aspergillus niger ВКПМF - 718 - продуцент лимонної кислоти з високою активністю кислотоутворення. Використання нового штаму у виробництві лимонної кислоти дозволяє вести процес при більш низьких значеннях pH середовища, що істотно знижує ризик виникнення інфекції в середовищі, при цьому вихід лимонної кислоти зростає в середньому на 10 %. Крім того, штам адаптований до ферментації в безперервному режимі [9].

Аерація має критичне значення для глибинної ферментації. Пропускання чистого О2 збільшує утворення лимонної кислоти, але це дорого; газова фаза може рециркулювати, якщо при цьому поглинається СО2. Переривання аерації на короткий час може мати згубний вплив на синтез лимонної кислоти, але якщо при цьому підвищити рН з 3,0 до 4,0, то ферментація може розпочатися знову [3].

Гексаціаноферат (HCF) підтримують у розчині в невеликому надлишку. При цьому він не тільки зв'язує іони металів, а й дещо обмежує ріст гриба. Зазвичай вносять 10 - 200 мг HCF на один літр у залежності від якості та сорту сировини і проводять обробку гарячого розчину. Занурена культура Asp. niger менш стійка до HCF, ніж поверхнева.

Поряд з Сu2+ і HCF нижчі спирти - метанол, етанол, n-пропанол, ізопропанол і метилацетат в концентрації від 1 до 5% - відносять до важливих добавок середовищ, виготовленних з природньої сировини [2].

Новий штам гриба Aspergillus niger ВКПМ F - 722 - продуцент лимонної кислоти, який здатний синтезувати лимонну кислоту з 80 % виходом від етилового спирту, що міститься в середовищі, 110 % - вим від суміші етилового спирту і сахарози. Використання штаму дозволяє застосовувати в якості вуглецевовмісного субстрату цукровмісні середовища з підвищеним вмістом етилового спирту [10].

Природні масла, особливо ті, які містять багато ненасичених жирних кислот, сприяють збільшенню виходу цитрату. Жири часто використовують як антиспінювачі. Під час ферментації рекомендують підтримувати 0,05 - 0,3 % жирних кислот.

Перекис водню стимулює утворення лимонної кислоти, очевидно, за рахунок збільшення О2 в середовищі при своєму розкладанні. Крім зазначених сполук стимулюючу дію на вихід лимонної кислоти грибами надають 4-метил-беліферон, четвертинні амонійні основи, аміноксими, крохмаль, ЕДТА, ПАРи, вермикуліт [4].

Новий штам продуцент лимонної кислоти - Aspergillus niger BKPM F - 681. Штам отриманий шляхом селекції, має чорне забарвлення колоній, конідії діаметром 3,4 - 4,6 мкм. Відрізняється високою продуктивністю біомаси, утворює 11,8 - 18,7 г лимонної кислоти на 1 г повітряно-сухого міцелію [11].

Типовий склад основного середовища для синтезу цитрату Asp. niger наступний: загальна кількість редукуючих цукрів (меляса, сахароза) - 14-15 %; джерело N - 0,25 %; КН2РО4 - 0,10-0,15 %; MgSО4∙7H2О - 0,02-0,25 %; рН: мелясні середовища - 5,0-6,0, сахарозні середовища - 2,0-3,0 [5].

лимонна кислота синтез ферментація

Список використаної літератури

. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология / Л.И. Воробьева. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 294 с.

. Карклиньш Р.Я. Биосинтез органических кислот / Р.Я. Карклиньш, А.К. Пробок - Рига, 1972. - 278 с.

. Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. Общая технология микробиологических производств. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 264с.

. Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов по спец. "Микробиология" и "Биология" / З.А. Аркадьева, А.М. Безбородов, И.Н. Блохина и др. / Под ред.Н.С. Егорова. - М.: Высш. шк., 1989. - 688 с.

. Пат. 2078810 Россия, МПК C 12 N1/14, C 12 P7/48, C 12 N1/14, C 12 R1: 685. Штамм гриба Aspergillus niger - продуцент лимонной кислоты / Щербакова Е.Я., Никифорова Т.А., Галкин А.В., Жданова В.Н., Финько В. М.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых ароматизаторов, кислот и красителей. - № 94031050/13; заявл.02.08.94; опубл.10.05.97.

. Биосинтез лимонной кислоты дрожжевыми организмами / С.В. Камзолова, А.Р. Фатыхова, И.Г. Моргунов // Биотехнология. - 2008. - №5. - С.50-58.

. Пат. 2088658 Россия, МПК C 12 N1/14, C 12 P7/48, C 12 N1/14, C 12 R1: 685. Штамм гриба Aspergillus niger - продуцент лимонной кислоты / Красикова Н.В., Никифорова Т.А., Галкин А.В., Финько В.М., заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых ароматизаторов, кислот и красителей. - № 95116715/13; заявл.27.09.95; опубл.27.08.97.

. Пат. 2091485 Россия, МПК C 12 N1/14, C 12 P7/48, C 12 N1/14, C 12 R1: 685. Штамм гриба Aspergillus niger - продуцент лимонной кислоты / Авчиева П.Б., Яшина В. Н.; заявитель и патентообладатель Государственный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ. - № 95116989/13; заявл.21.09.95; опубл.27.09.97.

. Пат.2103346 Россия, МПК C 12 N1/14, C 12 P7/48. Штамм гриба Aspergillus niger - продуцент лимонной кислоты / Винаров А.Ю., Сидоренко Т.Е., Сметанина С.Е., Яшина В. Н.; заявитель и патентообладатель Государственный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ. - № 96113685/13; заявл.27.06.1996; опубл.27.01.1998.

. Пат. 2089615 Россия, МПК C 12 P7/48, C 12 N1/14, C 12 N1/14, C 12 R1: 685. Штамм гриба Aspergillus niger - продуцент лимонной кислоты / Щербакова Е.Я., Никифорова Т.А., Галкин А.В., Жданова В. Н.; Мушникова Л. Н.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых ароматизаторов, кислот и красителей. - № 93048665/13; заявл. 21.10.93; опубл. 10.09.19.

Похожие работы

 

Не нашел материала для курсовой или диплома?
Пишем качественные работы
Без плагиата!