Размещено на http://www.allbest.ru/

13

Зміст

• Вступ 2
• Розділ 1. Біотехнологія харчових продуктів бродіння 3
• 1. Особливості рецептури карамельної маси. Принципова технологічна схема приготування льодяникової карамелі 3
• 1.2 Характеристика пива як напою (хімічний склад, поживність), основні сорти пива та оцінка їх якості 8
• 1.3 Основна сировина для виробництва лікеро-голірчаних напоїв та основні вимоги до неї 11
• Розділ 2. Біотехнологія і виробництво хімічних речовин 13
• 2.1 Біотехнологія виробництва розчинників 13
• 2.2 Виробництво органічних кислот 14
• 2.3 Синтез амінокислот за допомогою біотехнологій та їх застосування 18

2.4 Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів 22

• Висновки 30
• Список використаних джерел 31

Вступ

Біотехнологія може принести значні переваги у сферу охорони здоров'я. Збільшуючи поживну цінність їжі, біотехнологія може використовуватися для покращення якості харчування. Наприклад, зараз створюються сорти рису та кукурудзи з підвищеним вмістом білків. У майбутньому споживачі зможуть скористатися олією із зменшеним вмістом жирів, яку буде отримано з генетично модифікованих кукурудзи, сої, ріпаку. Крім того, генетична інженерія може використовуватися для виробництва продуктів харчування з підвищеним рівнем вітаміну А, що допоможе розв'язати проблему сліпоти у країнах, що розвиваються. Генетична інженерія також пропонує інші переваги для здоров'я, адже сьогодні створено методи, які дозволяють видаляти певні алергенні протеїни з продуктів харчування або уникати їх передчасного псування.

Біотехнологічні продукти, які створені та зареєстровані в Сполучених Штатах Америки відповідними регулюючими органами, є повністю безпечними. Наявна на сьогодні інформація свідчить про те, що продукти біотехнологій, які на сьогодні комерціалізовані, такі ж безпечні для людини та для довкілля, як і традиційні продукти харчування. Регулюючі органи в Сполучених Штатів Америки постійно вдосконалюють свої процедури щодо гарантування безпеки біотехнологічних продуктів, і якби були наукові докази того, що біотехнологічні продукти складають загрозу для здоров'я людини, то на сьогодні таких продуктів не було б на ринках.

Блокування торгівлі цілком безпечними сільськогосподарськими продуктами зменшує можливість вибору для споживача, змушує його сплачувати вищу ціну за основні продукти та затримує подальші наукові дослідження, спрямовані на розробку біотехнологічних продуктів, що мають нові переваги.

Розділ 1. Біотехнологія харчових продуктів бродіння

1.1 Особливості рецептури карамельної маси. Принципова технологічна схема приготування льодяникової карамелі

Карамель -- цукристий виріб, що складається з карамельної маси і начинки або без неї. Тепла карамельна маса аморфної структури, остигла --тверда, хрустка.

Карамельну масу готують із цукру і патоки у співвідношенні 1:0,5 з додаванням кислоти, барвників, есенції. Декстрини патоки підвищують в'язкість цукрового сиропу і утруднюють кристалізацію сахарози, а редукуючі цукри, крім запобігання зацукрюванню карамелі, сприяють збереженню вологості, її гігроскопічності. Із зменшенням частки глюкози в патоці стійкість карамелі при зберігання підвищується. Небажаними в патоці є азотисті сполуки, які внаслідок неферментативних реакцій підвищують кольоровість карамелі. Підвищена кислотність патоки зумовлює інверсію сахарози під час варіння карамельної маси.

На формування споживних властивостей карамелі впливають майже всі технологічні операції:

- утворення карамельного сиропу;

- його виварювання і одержання карамельної маси;

- охолодження, утворення карамельного батона;

- калібрування карамельного джгута;

- формування карамелі;

- охолодження;

- загортання;

- пакування.



Рис. 1. Способи формування джгута для карамелі:

а -- льодяникової;

б -- з густою начинкою;

в -- з начинкою середньої густини.

Для одержання карамельної маси сироп уварюють у вакуум-апаратах. Вакуум дає змогу швидко і при більш низьких температурах виділити вологу. Це запобігає розкладанню цукрів, а карамельна маса виходить світлою, стійкою при зберіганні. Вміст сухих речовин у готовій карамелі становить 96-99%.

Рідку карамельну масу охолоджують до температури 85-90° С, і вона переходить у в'язко-пластичний стан.

Споживні властивості, ціна на карамель залежать від багатьох чинників і в першу чергу від особливостей її складових частин.

Карамельну масу поділяють залежно від рецептурного складу, способу обробки і консистенції. За рецептурою маса буває звичайною (без наповнювачів), молочною, з наповнювачами (насіння кунжуту, подрібнений арахіс, солод, борошно соняшникове тощо), вітамінізованою, лікувальною. За способом обробки -- нетягнута, тягнута, із жилками, смужками різних кольорів; за консистенцією -- звичайна (тверда) і м'яка.

Начинки карамелі залежно від складу бувають одинарні (горіхові, молочні, помадковіта ін,), комбіновані (фруктово-лікерні, горіхово-молочні) і подвійні. Вони можуть бути розміщені суцільно або з перешаруванням карамельною масою.

Залежно від складу карамель випускають льодяниковою і з начинкою, а за зовнішними ознаками -- загорнутою і відкритою. Відкрита з урахуванням способу обробки поверхні буває глянсованою, дражированою, обсипаною цукром-піском, какао порошком, глазурованою шоколадною або жировою глазур'ю. Виходячи з розміру і умов реалізації, карамель поділяється на штучну і вагову. Вагова є велика (до 80 шт/кг), середня (до 200 шт/кг) і дрібна (понад 200 шт/кг). За призначенням розрізняють карамель для загального, десертного, дієтичного, лікувального, дитячого споживання.

Карамель льодяникову з врахуванням типових ознак можна поділити на декілька різновидів.

Карамель льодяникова загорнута виробляється в найбільшій кількості. Всі види типової форми і однакового розміру: прямокутної -- 220, овальної -- 140 шт у 1 кг (Барбарис, Дюшес, Злітна, Театральна, М'ятна). Вони відрізняються забарвленням і кислотністю. Поліпшений склад має карамель Грильяжна, до рецептури якої входить 10% арахісу смаженого подрібненого.

Карамель льодяникову таблеткову випускають без добавок (Спорт, Спорт м'ятна, Райдуга, Прозора) і з добавками (Спорт з крупкою арахісу, Соняшникова). Карамель Буратіно з молочної карамельної маси може бути у вигляді прямокутних брусків.

Карамель льодяникова фігурна буває штучною і ваговою: Фігурна, Фігурна молочна, Півники на паличці. Всі вироби мають привабливу форму і колір, обмежену вологість і переважно загорнуті.

Монпансьє льодяникове формують на валках, по бічній поверхні яких вигравірувані різні фігурки або частинки. Усі види монпансьє випускають незагорнутими, як правило, дрібного розміру, з нетягнутої або частково тягнутої карамельної маси і розрізняють за формою, забарвленням, ароматом.

Карамель з начинкою складається з оболонки, виготовленої з карамельної маси і начинки. Асортимент формується за рахунок начинок, їх особливостей, поліпшувачів карамельної маси, зовнішнього оформлення тощо.

Існують певні вимоги до якості карамелі. Карамель повинна мати смак і запах відповідно набору сировини, без сторонніх присмаку і запаху. У фруктово-ягідній начинці не допускається підгорілий присмак, а карамель, що містить жир, не повинна мати салистого, прогірклого або іншого неприємного присмаку.

Поверхня карамелі мусить бути сухою, без тріщин, украплин, гладенькою або з чітким рисунком. Не допускаються відкриті шви в карамелі і сліди начинки на поверхні. В карамелі з начинками, перешарованими карамельною масою, допускаються неясність рисунку, невеликі тріщини і сколення країв.

Форма карамелі передбачена для відповідних видів без деформації і перекошення шва. Допускається до 3% маси партії готової продукції напівзагорнутої і м'ятої карамелі.

Вологість карамельної маси не повинна перевищувати 3-4%. Масова частка редукуючих речовин обмежена в карамелі з введенням 0,6% кислоти -- 22, при додаванні більш як 0,6% кислоти -- 23, а карамелі виготовленої з лактозою, -- до 32%. Масова частка начинки залежить від кількості штук карамелі в 1 кг і виду карамелі. Масова частка цукру, що відділився від оболонки або іншого оздоблювального матеріалу, у відкритій карамелі не повинна перевищувати 2%.

Зберігати карамель треба в добре вентильованих приміщеннях, що не мають стороннього запаху, не заражені шкідниками хлібних запасів при температурі (18±3)° С, відносній вологості повітря не вище як 75% і без дії прямого сонячного світла. Ящики з карамельними виробами складають на стелажі штабелями не більш як 2 м заввишки.

Під час зберігання карамель переважно зволожується або зацукрюється. Внаслідок зволоження поверхня карамелі стає липкою, що призводить до злипання незагорнутих виробів або до прилипання підгортки, етикетки. Тривала сорбція вологи спричиняє грудкування виробів, а потім і виділення сиропу.

Зволожена карамель у разі зменшення відносної вологості повітря буде підсихати, а цукор з аморфного стану перейде в кристалічний. Карамель з тягнутою оболонкою зацукрюється швидше, оскільки капіляри сприяють проникненню вологи всередину.

При зберіганні карамелі з начинками, які містять жир, можлива прогірклість жиру, внаслідок чого карамель набуває неприємного смаку і запаху.

Тривале зберігання приводить до погіршення чи послаблення аромату внаслідок втрати і окислення ароматичних речовин.

У разі дотримання стандартних умов передбачені такі строки зберігання карамелі: декамінової -- 1 рік; льодяникової без добавки, відкритої, що упакована в металеві банки або коробки, чи загорнутої фігурної, з морською капустою, вітамінізованої, загорнутої з фруктово-ягідними, медовими і помадковими начинками -- 6 міс.; загорнутої з шоколадно-горіховими начинками і глазурованої шоколадною глазур'ю -- 4 міс.; молочної, з лікерними, молочними, збивними і масляно-цукровими начинками, загорнутої і відкритої із захисною обробкою поверхні (крім лікерних начинок) -- 3 міс.; льодяникової з додаванням, з желейними, горіховими начинками і з начинками із злакових, бобових і олійних культур, загорнутої, відкритої із захисною обробкою поверхні, з лікерними начинками, відкритої без захисної обробки поверхні в герметично закритих банках або в поліетиленових мішках -- 2 міс.; м'якої, напівтвердої, глазурованої шоколадною глазур'ю, загорнутої -- 1,5 міс.; глазурованої жировою глазур'ю -- 1 міс.; соломки і фігурної загорнутих -- 15 днів.

1.2 Характеристика пива як напою (хімічний склад, поживність), основні сорти пива та оцінка їх якості

Пиво - це слабоалкогольний напій, виготовленого із зернової сировини (в основному ячмінного солода) і хмелю шляхом бродіння спеціальними видами пивних дріжджів.

Частково зернова сировина може додаватися у вигляді нескладних зернових матеріалів і цукромістких продуктів. В залежності від сорту пива використовують ячмінне і знежирене кукурудзяне борошно, рис, рисова січка, цукор, глюкозу та ін.

Зовнішнім характерним показником різних сортів пива є його колір. За цим показником всі сорти пива поділяються на дві основні групи - світле і темне. Світле пиво має світло-жовте забарвлення різних відтінків, темне - темно ? коричневе забарвлення з рубіновим відтінком. Світле пиво до блиску прозоре, темнее ? менш прозоре.

Всі сорти пива мають у своєму складі алкоголь. В пиві яке сильно бродило міститься 6% алкоголю, а в пиві яке слабо бродило міститься приблизно 2%. Крім етилового спирту в пиві міститься у дуже малій кількості вищі спирти, різні альдегіди, ацетили і складні ефіри, які разом з хмелем і солодом надають пиву своєрідний аромат і смак.

Екстрактивні речовини пива, які не бродили мають у своєму складі розчинні вуглеводи, білки, амінокислоти, невелику кількість вітамінів, різних мінеральних солей і органічних речовин, які входять до складу зернової сировини і хмелю. В склад пива входить також розчинна вуглекислота.

Пиво ? складний продукт; в залежності від сорту і складу сировини, з якої воно вироблене, хімічний склад пива може змінюватись в наступних межах (в %):

- вода - 80-89;

- екстрактивні речовини - 5,5-10,7;

В тому числі:

- цукор - 2,7-5,0;

- вуглекислота - 0,3-0,35;

- спирт - 2,0-6,0;

- мінеральні речовини 0,14-0,38;

- органічні кислоти 0,15-0,4.

В число органічних кислот, які містяться у пиві входять: молочна, пировиноградна, яблучна, рідко щавельна та ін. Крім цього, знаходиться фосфорна кислота у формі неорганічних кислих солей і органічних сполук.

Наявність в екстрактивних речовинах пива цукру, білків, амінокислот і різних мінеральних солей робить його їстівним і досить калорійним напоєм. В екстракті пива, вільним від алкоголю, міститься біля 85-90% вуглеводів, біля 8% азотистих речовин і 3,5% мінеральних речовин.

Сполучення у пиві хмелевої гіркоти і аромату, гострого свіжого смаку від розчинної у ньому вуглекислоти, наявність поживних екстрактивних речовин і невеликої кількості алкоголю зробили пиво широко розповсюдженим напоєм.

В Україні виробляється велика кількість сортів світлого і темного пива. Крім загальноприйнятих сортів, в теперішній час в окремих регіонах та містах виробляються місцеві сорти пива.

Користуються великим попитом нові сорти високоякісного пива: Оболонь, Чернігівське, Славутич, Сармат, та ін.

Сорти світлого пива виробляються з світлого солода, для сортів темного пива використовують темний карамельний солод.

Складний і довгий процес виробництва пива складається з наступних стадій:

- виробництво солода з ячменю;

- отримання пивного сусла з солода;

- бродіння пивного сусла спеціальними пивними дріжджами;

- витримка пива;

- фільтрація і розлив пива.

- виробництво солода.

Виробництво солода включає декілька операцій:

- очистку і сортування ячменю;

- замочування його до вологи 42-45%;

- пророщування на протязі 6-8 діб;

- сушка солода до вологи 2-3,5%.

Додавання ячменю роблять при температурі від 13 до 19-22 градусів до тих пір, поки внутрішня частина зерна не стане рихлою і мучнистою, а корінці зерна, яке пророщується не досягнуть довжини яка перевищує в 1,5-2 рази довжину зерна. Зелений солод сушать в сушках, обладнаних доброю схемою вентиляції, з поступовим збільшенням температури від 25-80 градусів для сортів світлого пива і до 105 градусів сортів темного пива на протязі 24 або 48 годин.

В сучасних сушках солод висушують і за більш короткий термін.

Для замочування і пророщування ячменю і сошки солоду використовують спеціальне обладнання. При виробництві солода мають на меті розрихлити зерно, змінити його біохімічний склад і накопичити у ньому велику кількість ферментів, щоб на наступних стадіях виробництва отримати з крохмалю зерна цукор, з білків ? амінокислоти, а при сушці солоду? ароматичні речовини, зберігаючи при цьому ферменти в активному стані.

Для приготування солоду використовують зерно дворядних і частково шестирядних ячменів, які володіють високим пророщуванням ? не нижчим 95%. На солод відбирають крупне рівне зерно з середнім вмістом білка від 9-14%, з тонкою м'якою оболонкою. Такій ячмінь легко солодиться, дає солод з високою ферментативною активністю і дозволяє отримати великий вихід хорошого пивного сусла.

Зміст солода і вихід екстракту залежать від біохімічного змісту ячменю, особливо від змісту азотистих речовин і крохмалю. Ячмені з високим вмістом білка дають менший вихід екстракту, солод з такого зерна виходить підвищеного кольору, містить меншу кількість вуглеводів і значну кількість розчинних азотних речовин і амінокислот.

1.3 Основна сировина для виробництва лікеро-голірчаних напоїв та основні вимоги до неї

Міцні алкогольні напої -- питний спирт, горілка, лікеро-горілчані вироби, виноградні вина і коньяки містять достатньо високий відсоток етилового спирту, який негативно діє на організм людини, особливо нервову систему. Наслідками такої дії є народження неповноцінних дітей, зміна психіки людини, деградація особи. Проте населення недостатньо обізнано про шкоду алкоголю. З метою зменшення споживання алкогольних напоїв учені спільно з працівниками харчової промисловості розробляють рецептури слабоалкогольних напоїв, коктейлів. У світовій спільноті, особливо в розвинених країнах, спостерігається зниження споживання міцних алкогольних напоїв. Горілку, бальзам, пунш і інші міцні алкогольні напої вживають в розбавленому (з водою, мінеральною водою, сподіваємося, соками) вигляді, у складі коктейлів невисокої фортеці._

Лікеро-горілчаними виробами є міцні алкогольні напої, приготовані купажуванням ректифікованого етилового спирту, зм'якшеної води, цукру; плодово-ягідного, ефіромасличної або неароматичної рослинної сировини. Крім основної використовується допоміжна сировина -- органічні кислоти, мед, ефірні масла, фарбники. Лікеро-горілчані вироби класифікують за змістом етилового спирту і цукру, які в основному визначають органолептичні властивості напоїв і їх дію на організм.

Таблиця 1 Класифікація лікеро-горілчаних виробів за змістом спирту і цукру

Група	Вміст
	Спирту, % об.	Цукру , г/100 мл
Лікери: Міцні Десертні Креми	30-45 30-35 20	32-50 35-50 49-60
Наливки	18-20	28-40
Пунші	16-18	33-39
Настоянки Солодкі Напівсолодкі Гіркі слабкі Гіркі міцні	16-25 25-60 27-38 35-75	8-20 2-10 - -
Десертні напої	12-16	15 -30
Аперитиви	17-45	7-25
Бальзами	40-45	-

Лікери міцні готують з використанням ароматичних спиртів, відігнаних з ефіромасличної сировини. До цієї групи виробів входять лікери: Кристал, Анісовий, Бенедиктин, М'ятний, Апельсиновий і ін.

Лікери десертні при тому ж або меншому вмісті цукру і кислотності, що у міцних лікерів, містять менше спирту. Для їх виготовлення використовують плодово-ягідні спиртовані соки і морси, настій ефіромасличної сировини. Випускають лікери: Яблучний, Абрикосовий, Вишневий, Кавовий, Рожевий. Смак їх солодкий або кисло-солодкий з присмаком плодово-ягідної чи пряноароматичної сировини, какао, кави.

Розділ 2. Біотехнологія і виробництво хімічних речовин

2.1 Біотехнологія виробництва розчинників

карамель пиво амінокислота біотехнологія

До числа важливих виробництв розчинників на основі бродильних процесів відноситься добування ацетону і бутанолу. Вперше в промисловому масштабі вони були здійснені Вейсманом в місті Манчестері в роки першої світової війни. Низькоякісний ацетон виробляли з деревини, але коли став потрібен високоякісний ацетон, то був заснований бродильний процес на переробці крохмалю (концентрацією в 3,8 %) анаеробними спороутворюючими бактеріями Clostridium acetobutilicum. Перетворенню підлягає до 30 % субстрату в результаті чого утворюється суміш розчинників (60% бутанолу, 30 % ацетону і 10-15 ізопропанолу, етанолу). Залишок субстрату перетворювався на вуглекислий газ і водень (рис.1).

Рис.1. Схема реакцій ацетон-бутанольного бродіння

Оскільки утворювались великі об'єми газів при великомасштабному виробництві перемішування не було потрібно. Головні проблеми заключались в гасінні піни. В залежності від штамів відношення ацетон: спирт дещо варіювало. Розчинники відокремлюють від середовища перегонкою.

Велике значення має виробництво бутанолу. Його використовують при добуванні широкого кола речовин, включаючи гальмівну рідину, пластифікатори, карбамідну смолу, речовини з властивостями екстракції і добавки до бензину.

Після війни бродильне виробництво цих речовин скоротилось, так як відносна вартість нафтопродуктів, порівняно з вуглеводами, була нижчою. В наш час знову з'являється зацікавленість до ферментативного виробництва цих речовин.

Також цікавим отримання бутилен-2,3-гліколю за допомогою мікробіологічної конверсії. Для цього можна використати молочну сироватку. Вона може бути джерелом вуглецю при утворенні бутиленгілколю бактеріями Klebsiella pneumoniae або Enterobacter aerogenes. Бутиленгліколь потім йде на виробництво каучуку.

2.2 Виробництво органічних кислот

Однією з важливих органічних кислот є оцтова кислота. Вона використовується при виробництві багатьох хімічних речовин, включаючи каучук, пластмаси, волокна і інсектициди. В минулому основну її частину добували з етанолу шляхом мікробіологічного окислення. Мікробіологічне перетворення етанолу йде за допомогою Acetobacter і Gluconobacter в аеробних умовах і тому не являється процесом бродіння. Перетворення етанолу в оцтову кислоту за допомогою бактерій економічно вигідним є лише при добуванні харчового оцту.

Відомо, що термофільні бактерії мають властивість перетворювати целюлозу в оцтову кислоту тому є перспективними для використання їх в промисловому виробництві цієї речовини. Також можливо використовувати Acetobacter i Clostridium для синтезу її з СО₂ і Н₂.

Важливою також є молочна кислота. Її виробництво було одним з перших процесів з застосуванням часткової стерилізації середовищ нагріванням за участі мікроорганізмів з роду Lactobacillus bulgaricus i L. leischmanii (XIX ст.). Здійснювався цей мікроаерофільний процес при температурі 45-50?С. В ньому використовуються речовини, що містять крохмаль. Їх попередньо обробляють ферментами або за допомогою кислотного гідролізу.

Бактерії Lactobacillus bulgaricus зброджують лактозу, тому можна використовувати як субстрат молоко. Також для субстрату можна використати сахарозу (концентрація 12-18%, маса/об'єм). Процес конверсії іде 3-4 доби. При цьому виділяється СО₂ і створюються напіванаеробні умови.

Описані також способи конверсії 1,2-пропандіолу в молочну кислоту. Такі мікроорганізми, як Arthrobacter oxydans, Fusarium solani, Alcaligens faecalis, утворюють L(+) ізомер молочної кислоти, а Lactobacillus leischmanii синтезують D-ізомер.

Молочну кислоту використовують як добавку до безалкогольних напоїв, фруктових соків, джемів і сиропів, есенцій, в медицині, для декальцифікації шкір в дубильній промисловості. L(+)-форму молочної кислоти полімеризують в полілактат, який застосовують для виробництва пластикових обгорток.

Лимонна кислота. У цієї кислоти приємний смак і її широко використовують в харчовій, фармацевтичній і косметичній промисловості. Оскільки ця речовина зв'язує метали, її використовують для їх очистки.

Процес виробництва лимонної кислоти проходить за допомогою ферментації при участі грибів. Налагоджено його вперше в 1843 році. Основні проблеми цього процесу спочатку були зв'язані з мікробним забрудненням. Виявилось, що процес можна вести при низьких рН і в таких умовах утримувати стерильність простіше. За 1-2 тижні при високих концентраціях цукру, вихід лимонної кислоти становив 60 %. В 1950 році було освоєно глибинне культивування. Відомо, що стабільний процес глибинної ферментації можливий лише в тому випадку, якщо він здійснюється у дві стадії: на першій йде ріст міцелію, а на другій - утворення лимонної кислоти. Для цього процесу використовується сировина: меляса, крохмаль, глюкозний сироп.

Наявність іонів металів в вихідному середовищі приводить до різкого падіння виходу лимонної кислоти. Їх осаджують за допомогою гексаціаноферату, пропусканням через іонообмінні смоли, а також для ліквідації їх шкідливої дії цих домішок використовують метанол і інші спирти. В 60-х роках були запропоновані процеси для виробництва лимонної кислоти за допомогою штамів Corynebacterium, Arthrobacter, Brevibacterium, Candida.

В промисловому виробництві в основному використовують Aspergillus niger, A. Wentii. Надлишок продукції лимонної кислоти являється реакцією відповіді на недостачу фосфату, але при вираженій нестачі металів, лімітуючим фактором не обов'язково являється фосфат. Оптимум рН складає 1,7-2,0. В більш лужному середовищі проходить утворення помітних кількостей щавлевої та глюконової кислот. Таким чином, контроль за культуральним середовищем дозволяє обійти регуляторні системи обміну і створює оптимальний фон для утворення лимонної кислоти. Очевидно в цих умовах стимулюється гліколіз і забезпечується необмежене надходження вуглецю в реакції проміжного метаболізму.

В промисловому виробництві лимонної кислоти застосовується декілька варіантів процесу. Традиційним твердофазним варіантом являється процес Коджі. Він має багато спільного з поверхневою ферментацією. Глибинна ферментація є періодичною і безперервною. Безперервна дає найбільший вихід продукції, але його застосування в промисловості поки, що малоймовірно.

На першому етапі утворюється значна кількість продукту. На другому етапі ріст відсутній, а гранична кількість продукту залежить від концентрації біомаси. В кінці ферментації масу міцелію відокремлюють фільтруванням і промивають. Потім при рН<3,0 осаджують щавлеву кислоту в формі оксалату кальцію. Лимонну кислоту осаджують із рідкої фази в формі кальцієвої трьох заміщеної солі в комплексі з чотирма молекулами води. Осад відфільтровують, промивають і вільну кислоту отримують шляхом обробки сульфатом кальцію. Далі її очищають за допомогою активованого вугілля і іонообмінних смол. Можна також екстрагувати кислоту розчинником.

Розроблений ряд процесів добування інших органічних кислот - глюконової, яблучної, виннокам'яної, саліцилової, янтарної, піровиноградної, коєвої. В сьогоднішніх умовах здебільшого, їх виробництво не вигідно економічно. D-глюконову кислоту добувають з глюкози за участю Aspergillus niger. В деяких країнах сходу для її виробництва використовують чайний гриб. Натрієва сіль глюконової кислоти використовується для вилучення металів. Оскільки в присутності їдкого натру вона може зв'язувати кальцій, то використовується в складі лужних препаратів для миття посуду. Кальцієві і залізовмісні солі глюконової кислоти застосовуються як пероральні і внутрівенні препарати в медицині, а чиста кислота - як миючий засіб в молочній промисловості.

Виннокам'яна кислота являється звичайно побічним продуктом виноробства. Її можливо дістати і шляхом мікробної трансформації 5-оксиглюконової кислоти. Штами, які здатні перетворювати глюкозу в 5-оксиглюконат через глюконат, можуть шляхом подальшої ферментації утворювати тартат. Для цього використовують мутанти Acetobacter i Gluconobacter. Солі винної кислоти (тартати) знаходять застосування в харчовій промисловості, але методи біотехнології в її виробництві звичайно не використовуються.

Яблучну кислоту можна добувати з фумарової в харчовій промисловості за допомогою Paracolobactrum. Також можна її отримувати з н-парафінів за допомогою дріжджів і з етанолу за участю Schisophyllum commune.

З нафталіну за допомогою бактерій можливо синтезувати саліцилову кислоту і інші його похідні. Більшість диких штамів бактерій (Pseudomonas. Corynebacterium і ін.) які розщеплюють нафталін, рідко виробляють саліцилат в концентрації більшій за 1%. Але шляхом відбору штамів і зміни середовищ можна збільшити вихід цієї речовини. Для збільшення виходу саліцилової кислоти необхідні іони різних металів. Відомо також, що ферментація регулюється продуктом, що накопичується, тобто видалення саліцилату з середовища приводить до подальшого утворення його бактеріями.

2.3 Синтез амінокислот за допомогою біотехнологій та їх застосування

Всі амінокислоти, з яких складаються білки, являються L-?-амінокислотами.

Вони знаходять застосування як харчові добавки, приправи, посилювачі смаку, як сировина в парфумерній та фармацевтичній промисловості.

Їх можна добувати з інших природних продуктів, головним чином при гідролізі білків рослин, так і шляхом хімічного мікробіологічного або ферментативного синтезу. Якщо хімічний синтез дає продукт-рацемат, який потребує дальшої обробки, то останні два дають можливість оптично чисті амінокислоти. В цьому і полягає перевага біотехнологічних методів над хімічними.

Особливістю більшості виробничих процесів за участі мікроорганізмів, являється зміна умов середовища. За рахунок цього досягається синтез надлишкової кількості бажаного продукту. В основному для цього змінюють рН розчину, концентрацію продукту, концентрацію субстрату або шляхом встановлення критичних рівнів домішок (іонів металів, органічних домішок) в середовищі.

Бактерії для виробництва амінокислот стали застосовуватись з початку 50-х років 20 ст. Утворювати амінокислоти здатні бактерії багатьох родів, наприклад Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Escherichia, Aerobacter. Вони настільки продуктивні, що виробництво є рентабельним, що в наш час дуже важливо. Corynebacterium або Brevibacterium, які вирощують на вуглеводному середовищі, ацетаті, етанолі, при наявності певної кількості біотину, здатні синтезувати до 30 грам на літр глутамату.

Різними методами впливу можливо змінювати вихід амінокислот. Наприклад, шляхом зміни умов середовища, процес ферментації, у ході якого утворюється L-глутамат, може бути переключений на синтез L-глутамiну або L-проліну. При високій концентрації біотину та іонів амонію складаються сприятливі умови для створення L-проліну, а при більшій концентрації іонів цинку і амонію в слабо кислому середовищі посилюється синтез L-глутаміну. Для регуляції синтезу АК можна використовувати ауксотрофні мутанти багатьох штамів.

Цікавим і дуже ефективним є утворення амінокислот з використанням іммобілізованих в поліакріламідний (ПААГ) гель мікроорганізмів. Клітини кишкової палички, іммобілізовані в ПААГ можуть здійснювати перетворення фумарової кислоти в аспарагінову.

HOOC - CH = CH - COOH + NH₃ HOOC - CH - CH₂ - COOH

NH₂

Фумарова кислота L-аспарагінова кислота

Активність іммобілізованих клітин зберігалась при підвищеній температурі (37?С) в присутності іонів магнію (Mg²⁺) на протязі 40 днів при швидкості протікання через колонку об'ємом 10·100 см 0,5 мілілітрів за годину, причому вихід аспартату становив 95% з 1 М розчину фумарової кислоти. При використанні такої колонки в промисловості щоденний вихід кислоти був 1900 кг, або 57,5 т на місяць. Інший приклад промислового застосування мікроорганізмів для біоконверсії органічних сполук - це добування L-яблучної кислоти за допомогою іммобілізованих клітин Brevibacterium flavum.

Синтез амінокислот за допомогою ферментів.

Процеси застосування ферментів при синтезі АК бувають одно- і багатостадійними, а методи, які використовуються, різноманітними. В залежності від цього виділяють 5 класів ферментів:

1. Гідролітичні ферменти (гідролази). Наприклад 2-аміно-тіазолін-4-карбоксигідролаза яка відповідає за синтез L-цистеїну (рис2.), або L-?-аміно-?-капролактам-ліаза, яка відповідає за синтез L-лізину. Для використання неочищених ферментів, цілі клітини обробляють поверхнево-активними речовинами, що викликають зміни проникності і можуть використовувати мутантні штами, в яких продукт не використовується в обміні речовин.

Рис. 2. Застосування гідролітичних ферментів для виробництва цистеїну

2. Ліази. Відповідають за реакції дезамінування. Для утворення L-аспартату із фумарату амонію може використовуватись аспартаза або L-аспартат-аміак-ліаза. В якості донорів амонію, крім цього, може виступати гідразин або гідроксиламін.

2. Ферменти, що містять пірідоксальфосфат. Це звичайні коферменти, що беруть участь в метаболізмі амінокислот. Вони каталізують багато реакцій: рацемалізацію, трансамінування, реакції заміщення і елімінації. Мабуть роль цих коферментів полягає в активації АК, що полегшує їх взаємодію з апоферментом. Наприклад L-тирозин - фенол-ліаза (?-тирозиназа) каталізує реакцію ?-елімінації, в якій тирозин розпадається з утворенням піровиноградної кислоти, фенолу і аміаку. Цей фермент може синтезувати мікроорганізм Erwinia herbicola. Прикладом широко поширеного в природі ферменту, який здійснює дезамінування, може служити L-триптофан - індол-ліаза (триптофаназа). Цей фермент характеризується широкою субстратною специфічністю. Каталізує реакції ?, ?-елімінації і ?-заміщення.

3. Дегідрогенази амінокислот, наприклад лейциндегідрогеназа і аланіндегідрогеназа. Каталізують оборотні реакції синтезу АК з кето-аналогів. Їх застосовують в неперервних реакціях синтезу АК із відповідних кето аналогів.

4. Глутамінсинтетаза. Каталізує АТФ-залежну реакцію амінування глутамату, яка спряжена з зброджуванням цукру дріжджами. Енергія, що звільняється йде на синтез глутаміну. АТФ, яка утворюється при розпаді фруктозо-6-дифосфату, необхідна для забезпечення енергією ендоергічної реакції, яка каталізується синтетазою.

2.4 Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів

Антибіотики - група речовин мікробного походження, застосовуються як протимікробні й протипухлинні препарати.

Нині відомо більше 3000 речовин антибіотиків, виділених з різних організмів. Їх поділяють на класи згідно з хімічною структурою: пеніциліни, цефалоспорини, тетрацикліни, антрацикліни, аміноглікозиди, макролідні антибіотики тощо.

З їх допомогою контролюється ріст рослин і ведеться боротьба з хворобами. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів: гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних антибіотиків. В деяких країнах дозволено використовувати антибіотики медичного призначення або синтезовані для захисту рослин в чистому вигляді або в суміші з фунгіцидами.

Деякі зарубіжні фірми вже випускають препарати антибіотиків спеціально для захисту рослин: бластоцидин, касугиміцин, поліоксин, валідаміцин та інші. В нашій країні найбільш поширенішими антибіотиками є трихотецин, фітобактеріоміцин і фітолавін-100.

Всі антибіотики були виділені за рахунок мікроорганізмів, число їх було суттєво збільшено шляхом хімічної модифікації. Цілі модифікації:

1. Розширення спектра дії і підвищення ефективності антибіотиків.

2. Зниження токсичності і позбавлення їх побічної дії.

3. Створення аналогів, які стійкі до розщеплення мікробами.

4. Удосконалення способів їх введення.

Цикл розвитку продуцентів антибіотиків, як правило, складний. Більшість антибіотиків являється вторинними речовинами. В екологічному плані утворення антибіотиків розглядається як фактор адаптації: здатність до утворення антибіотиків важлива для продуцента не постійно, а лише коли виникають несприятливі умови для росту цих мікроорганізмів, наприклад при контакті з специфічними продуктами життєдіяльності іншого мікроорганізму.

Для налагодження виробництва антибіотиків за допомогою біотехнологій, потрібно знати про генетичну детермінацію утворення антибіотиків. Інформація про генетичний контроль біосинтезу важлива для розробки технологій, які дозволяють людині впливати на утворення антибіотиків на генетичному рівні. Відомо, що в утворенні антибіотиків може бути включено до 1% генів продуцента (наприклад в роду Streptomyces) і ця частина ДНК не втрачається під час селекції в природних умовах, хоч її експресія може затримуватись на тривалі періоди. Цим підкреслюється еволюційне значення антибіотиків. Також за синтез антибіотиків відповідають деякі плазміди. Але наявність в плазмідах структурних генів для ферментів біосинтезу антибіотику доведена лише для метиленоміцину. Тому в більшості випадків плазмідам приписується роль регуляторів процесів синтезу. При виробництві антибіотиків в ферментерах може відбуватись процес втрати плазмід міцелієм через механічні впливи на нього. Це призводить до зменшення утворення антибіотиків і швидкого росту непродуктивного міцелію в ферментерах. Але відомо також, що у ряду промислових продуцентів плазміди не знайдені.

Період ферментації на багатих поживними речовинам середовищах поділяються на трофофазу і ідіофазу. Відомо, що під час трофофази антибіотики у значних кількостях не утворюються. Це обумовлено або репресією ферментів їх синтезу, або ж посттрансляційним контролем. Але молекулярні механізми регуляції біосинтезу антибіотиків складом поживного середовища (вуглеводними, фосфорними та азотовмісними компонентами) ще далеко не вивчені. Дуже вірогідно, що майбутній прогрес в області біосинтезу може бути пов'язаний з використанням ще мало вивчених плейотропних біологічних регуляторів первинного метаболізму типу високо фосфорильованих нуклеотидів, від яких залежить інтенсивність синтезу макромолекул і відповідно рівень внутрішньоклітинного фонду низькомолекулярних метаболітів.

Особливо успішно модифікація антибіотиків мікроорганізмами проходить в наступних процесах.

При ферментативному гідролізі пеніциліну з утворенням 6-амінопеніцмлланової кислоти (6-АПК), яка являється цінним вихідним продуктом при виробництві деяких напівсинтетичних, важливих для медицини аналогів пеніциліну. В промисловості 6-АПК, ядро молекули пеніциліну або бензилпеніциліну при участі штамів, які з високим виходом утворюють в ході ферментації пеніцилін азу. Для цієї ж цілі також використовують іммобілізовану пеніциліназу. На основі 6-АПК дістали біля 40000 напівсинтетичних пеніцилінів. Можливий також процес перетворення бензилпеніциліну в ампіцилін (рис. 3). При цьому спочатку проводять гідроліз бензилпеніциліну здійснюють за допомогою мутантного штаму Kluyvera citrophila, після чого в ферментер вносять мутант Pseudomonas melanogenum і метиловий ефір DL-фенілгліцину. В ролі каталізатора виступає ацилаза, яка утворюється мутантом P. Melanogenum.

Рис.3. Синтез ампіциліну

У медицині широко застосовуються аміноглікозидні антибіотики (стрептоміцин, неоміцин, канаміцин, гентаміцин). Бактерії, які здатні їх інактивувати, були виділені не тільки від хворих, але й як самостійні штами, що утворюють антибіотики. Їх ферментативна активність може бути частиною механізму детоксикації, за допомогою якого продуценти захищають себе від шкідливої дії вироблених ними антибіотиків. Встановлення механізму модифікації дозволило планувати і здійснювати хімічний синтез нових аналогів, стійких до такої інактивації. Відомо, що при інактивації антибіотиків проходять модифікації, до числа яких відносяться N-ацетилування, О-фосфорилювання, О-нуклеотидування.

Інактивація антибіотиків по іншому механізму, включаючи гідроліз, гідроксилювання, епоксидування, фосфорилювання, або відновлення, звичайно призводить до утворення повністю, або частково неактивних похідних. Їх вивчення дозволяє синтезувати нові аналоги, виявити ті ділянки молекул, які відповідають за антибіотичну активність, а також створити раціональні основи „конструювання” антибіотиків і удосконалення їх виробництва. В деяких випадках отримати корисні попередники за допомогою бактерій не вдається. Так, при виробництві цефалоспорини в основному утворюється цефалоспорин С, який далі гідролізують до 7-аміноцефалової кислоти і її використовують як субстрат для добування нових цефалоспоринів.

В випадку прямої ферментації використовуються мікроорганізми, які використовують антибіотик для синтезу біологічно активних сполук в присутності деяких попередників або інгібіторів метаболізму. Наприклад, Penicillium chrysogenum не тільки синтезує пеніцилін, але й включає феніл оцтову кислоту в бензилпеніцилін, а інші попередники - в аналоги пеніциліну. Цей принцип знаходить широке застосування, наприклад, при отриманні нових блеоміцинів шляхом додавання амінів до культури S. verticillus і нових актиноміцинів - шляхом додавання 4-метилпроліну до середовища для вирощування S. parvulus.

Мутантні мікроорганізми-продуценти іноді утворюють біологічно активні проміжні продукти якого-небудь визначеного шляху біосинтезу антибіотиків або сполуки, які можуть виявитись попередниками при створенні нових антибіотиків. „Блоковані” мутанти цього типу не здатні утворювати потрібний антибіотик, я що в середовищі відсутній метаболічний попередник, який в нормі утворюється при участі ферменту, який діє услід за блокованою ланкою метаболізму. Оскільки ферменти, які беруть участь у вторинному метаболізмі, часто володіють відносно низькою субстратною специфічністю, аналоги попередників антибіотиків можуть бути відносно легко перетворені мутантом в аналоги самого антибіотика. Цей процес називається мутаційним біосинтезом. Наприклад Nokardia mediterranei синтезує біля 20 різних рифаміцинів.

Крім антибіотиків, важливе значення для медицини та різних галузей народного господарства має біосинтез алкалоїдів. Алкалоїди представляють собою дуже важливу групу біологічно активних речовин, основу багатьох лікарських препаратів. До алкалоїдів відносять речовини природного походження, які, як правило, містять азот і мають достатньо складну структуру.

Алкалоїди синтезуються в основному рослинами, грибами, бактеріями і актиноміцетами. Велика увага приділяється саме мікроорганізмам, як джерелам цих речовин. Знання фізіолого-біохімічних особливостей мікроорганізмів-продуцентів, механізмів біосинтезу алкалоїдів дає можливість керувати процесом отримання алкалоїдів безпосередньо в ході їх синтезу. Методами селекції і генетики на основі диких штамів можуть бути отримані високоактивні продуценти алкалоїдів. Тобто є цілий ряд переваг отримання антибіотиків за допомогою мікроорганізмів в порівнянні зі способами добування їх з рослинного матеріалу.

Найбільший інтерес в якості продуцентів в зв'язку з перспективою їх використання в промисловості представляють гриби, і в першу чергу аскоміцети з родів Сlaviceps i Penicillum, які мають здатність синтезувати ергоалкалоїди.

Все більший інтерес до ергоалкалоїдів пояснюється унікальним спектром їх біологічної активності, який може різко змінюватись в залежності від структури. Якщо спочатку для в медицині використовували неочищені грубі екстракти алкалоїдів, то тепер все більш широке застосування знаходять напівсинтетичні похідні, в якості вихідних для яких виступають природні ергоалкалоїди. Такі похідні характеризуються меншою токсичністю, простотою синтезу і є більш ефективними.

Ергоалкалоїди і їх похідні використовують для профілактики і лікування мігрені, в якості препаратів, які регулюють кров'яний тиск, для лікування різних порушень гормонального обміну, наприклад хвороби Паркінсона.

В промисловості застосовують глибинне культивування Claviceps purpurea (ріжки). Цей спосіб вперше був здійснений Абе з співробітниками і розвинений Чейном і іншими групами дослідників із різних країн.

Для ергоалкалоїдів характерна наявність тетрациклічної ерголенової або ерголінової системи (рис. 4.).

Рис. 4. Типові представники ергоалкалоїдів:

а -- эрголін; б -- лізергінова кислота; в -- агроклавін.

Механізм біосинтезу ергоалкалоїдів у різних культур може мати свої особливості, але основні його етапи являються для всіх вивчених продуцентів спільними. Попередниками ергоалкалоїдів являються триптофан і ?,?-диметилалліпірофосфат. Перша стадія біосинтетичного шляху - утворення 4-?,?-диметилаллітриптофану (ДМАТ) - каталізується ферментом ДМАТ-синтетазою. Наступна стадія - метилування ДМАТ з наступним декарбоксилуванням, модифікацією ізопреноїдного бічного ланцюга з замиканням кільця С. Кінцевим продуктом цих перетворень являється ханоклавін-1, із якого через ханоклавін-1-альдегід, агроклавін і елімоклавін утворюється лізергінова кислота, попередник алкалоїдів лізергінової кислоти - амідів лізергінової кислоти і пептидних ергоалкалоїдів.

Висновки

Біотехнологія надає можливість отримувати сорти, захищені від певних різновидів вірусів. Шляхом перенесення маленької частки ДНК від вірусу до генетичної структури рослини, дослідники отримують сорти, у яких є імунітет до певних хвороб.

Захищені від хвороб сорти надають сільськогосподарські, економічні переваги фермерам, та не забруднюють навколишнє середовище. Фермери зможуть боротися з комахами, які розповсюджують вірусні хвороби, та, таким чином, захистити свої врожаї. Фермери мають можливість вирощувати вищі врожаї на тій же площі, та зменшувати витрати ресурсів, таких як: робоча сила, добрива, пестициди, насіння та обладнання. Ці переваги дозволяють фермерам обробяти додаткові площі, або збільшувати врожай на одиницю площі і, як наслідок, дозволяє їм збільшити законсервовані площі.

Використовуючи біотехнологію, дослідники сьогодні працюють, щоб захистити люцерну, диню мускусну, кукурудзу, огірки, виноград, картоплю, сою, гарбузи і томати від вірусних хвороб, а також перець та томати від грибкових захворювань.

Мільйони років життя розвивається у різноманітних структурах, формах та функціях. Біля 300 000 різних видів рослин й більш ніж мільйон видів тварин відомі сьогодні, і не існує двох подібних. Однак доведено, що в середині таксономічних родин є схожі риси.

Ми сприймаємо як належне, що діти повторюють своїх батьків та що живі істоти виявляють схожість, яка переходить із покоління в покоління. Родинна схожість є настільки явним і природним явищем, що ми рідко замислюємося над цим. Протягом віків фермери та селекціонери використовували родинну подібність для підвищення продуктивності рослин і тварин. Наприклад, за допомогою селекції рослин, що були найбільшими, найсильнішими, найменш схильними до хвороб, фермери та селекціонери створювали поліпшені гібриди. Вони про це не здогадувались, але те було практикою елементарних форм генної інженерії -- основоположного процесу, який використовується у біотехнології.

Закони, на яких базується перенесення генетичних рис, були загадкою ще 150 років тому, коли Грегор Мендель вперше почав вивчати спадковість культурних рослин. Досліджуючи ретельно підготовлені експерименти та математичні обрахунки, Мендель прийшов до висновку, що певні невидимі частинки зберігають спадкові риси, та що ці риси переходять з покоління у покоління. Вчений світ виявив неспроможним усвідомити дивовижність мендельського відкриття ще деякий час після смерті великого вченого, але його праці лягли в основу біотехнології.

У 1950-х рр. біологи здобули великих успіхів у вивченні спадковості. Завдяки з опису структури ДНК Джеймсом Вотсоном і Френсісом Кріком, вчені прийшли до висновку, як генетична інформація зберігається у живих клітинах, як ця інформація залишає відбиток і як вона передається з покоління до покоління.

У медицині біотехнологічні прийоми і методи грають головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антибіотики -- найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено геноінженерні штами кишкової палички, дріжджів, що культивуються клітин ссавців та комах, використовувані для одержання ростового гормону, інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин. Змінюючи нуклеотидну послідовність у генах, що кодують відповідні білки, оптимізують структуру ферментів, гормонів і антигенів (так звана білкова інженерія). Найважливішим відкриттям стала розроблена в 1975 Р. Келером і С. Мільштейном техніка використання гібридом для одержання моноклональних антитіл бажаної специфічності. Моноклональні антитіла використовують як унікальні реагенти, для діагностики і лікування різноманітних захворювань.

Список використаних джерел

1. Валуйко Г.Г., Домарецький В.А., Загоруйко В.О. Біотехнологія харчових продуктів. - К.: Центр навчальної літератури, 2008.

2. Домарецький В.А. Біотехнологія органічних кислот. Підручник для студентів вищих навчальних закладів. - К.: ІНКОС, 2009.

3. Домарецький В.А., Остапчук М.В., Українець А.І. Технологія харчових продуктів: Підручник / За ред. д-ра техн. наук, проф. А.І. Українця. - К.: НУХТ, 2009.

4. Михайлов М.Г. Технологія екстрактів, концентратів і напоїв із рослинної сировини: Підручник для студентів вищих навчальних закладів. - Вінниця, "Нова книга", 2005.

5. Технология пищевых производств: Учебник для вузов /Под ред. Л.П. Ковальской // Ковальская Л.П., Суходол В.Ф., Куц А.М. и др. - М.: Колос, 2007.

6. Біотехнологія. Підручник для студентів вищих навчальних закладів / В.О. Маринченко, П.Л. Шиян та ін. // За ред. В.О. Маринченко. - Вінниця.: Поділля-2008.

7. Простаков Г.А. Біотехнологія. Вінниця, "Нова книга", 2009.

8. Ситник П.В. Біотехнологія: Проблеми і перспективи. К., 2004.

9. Ящур В.А. Біотехнологія. Львів, "Нова книга", 2009.

Размещено на Allbest.ru

...