Биотехнология в производстве витаминов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Биотехнология в производстве витаминов

Таблица 1. Классификация витаминов

Витамины (Табл. 1) представляют группу незаменимых органических соединений различной химической природы. Они необходимы любому организму в небольших концентрациях с целью выполнения в нем каталитических и регуляторных функций. Они не являются материалом для биосинтетических процессов, они не являются источниками энергии.

Что касается источника витаминов - это в первую очередь растения. Витамины поступают в организм человека с пищевыми продуктами. Недостаток витаминов может привести к различным заболеваниям (это цинга, различные анемии и так далее).

Использование витаминов:

1. это лечебные препараты

2. это компоненты сбалансированного питания

3. это компоненты парфюмерной продукции

4. это биологически активные добавки

5. это компоненты для интенсификации биотехнологических процессов производства.

Известно, что высокой биологической активностью обладают, как правило, не сами витамины, а их производные - коферменты. Открыты также коферменты, для которых не обнаружено витаминных аналогов.

Коферментные формы на основе различных витаминов обладают широким спектром действия и эффективно используются в медицинской практике.

Большинство витаминов либо выделяют из природных источников, либо синтезируют химическим путем. Однако, с помощью биотехнологии сегодня производят особо сложные по строению витамины В 2, В 12, в-каротин (провитамин А), РР и предшественники витамина Д (эргостерина).

Кроме того, в синтезе витамина С (аскорбиновой кислоты) используют микроорганизмы как селективные окислители D-сорбита в L-сорбозу.

Получение витамина В 2 (рибофлавин). Вначале этот витамин выделяли из природного сырья (в максимальных концентрациях он присутствует в моркови и в печени). Затем был разработан как химический, так и микробиологический способы промышленного синтеза. Для рибофлавина характерно функционирование в коэнзимных формах:

-флавиномононуклеотид (ФМН)

-флавинадениндинуклеотид (ФАД).

К источникам рибофлавина относятся:

-высшие растения

-дрожжи

-мицелиальные грибы.

Все они способны синтезировать рибофлавин.

Активным продуцентом рибофлавина являются культура дрожжеподобного гриба Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii.

Сверхсинтез рибофлавина можно получить, если действовать на дикие штаммы мутагенами, нарушающими механизм ретроингибирования синтеза витамина В 2, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды.

В состав среды для роста продуцентов рибофлавина входят:

-соевая мука

-кукурузный экстракт

-сахароза

-карбонат кальция

-хлорид натрия

-витамины

-технический жир.

Перед подачей в ферментер среду стерилизуют с помощью антибиотиков и антисептиков во избежание ее инфицирования. По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют, высушивают и смешивают с наполнителями. В 1983 году в институте генетики был сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillus subtilis, способный синтезировать в три раза больше по сравнению с Eremothecium ashbyii и этот продуцент более устойчив к экзогенной контаминации.

Получение витамина В 12

Этот витамин был открыт одновременно в США и в Англии. В 1972 г. В Гарвардском университете был осуществлен химический синтез витамина В 12, включающий 37 стадий его получения, что лишало возможности организовать промышленное производство этого витамина. С другой стороны это производство было необходимо, так как витамин В 12 очень важен в коррекции определенных нарушений в организме человека и животных. Он регулирует углеводный и липидный обмен, участвует в метаболизме незаменимых аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, стимулирует образование гемоглобина, применяется для лечения злокачественной анемии, лучевой болезни, заболеваний печени и в других случаях.

Сначала витамин В 12 получали исключительно из природного сырья (1 тонна печени - 15 милиграмм витамина). Единственный способ его получения в настоящее время - это микробиологический синтез в промышленном масштабе. Интересно, что обнаружение витамина В 12 как побочного продукта при производстве антибиотиков стимулировало поиск продуцентов этого витамина.

Продуцентом витамина В 12 являются пропионовокислые бактерии из рода Propionibacterium. Применение мутантов и добавление в среду предшественника витамина В 12 - 5,6 диметилбензимидазола (5,6 ДМБ) резко повышает продуктивность продуцента. Этому способствует также добавление в питательные среды кукурузного и мясного экстракта, соевой муки, рыбной муки. Выращивание пропионовых бактерий производится периодическим методом в анаэробных условиях на среде с кукурузным экстрактом, глюкозой, солями кобальта и сульфатом аммония. Образующиеся кислоты нейтрализуются щелочью. Через 72 часа после начала ферментации вносят предшественники - 5,6 ДМБ. Длительность ферментации - трое суток.

Полученную массу сепарируют, стабилизируют нитритом натрия, охлаждают, нейтрализуют, коагулируют белки и фильтруют. Очищают на ионообменной смоле, кристаллизуют и проводят химическую очистку продукта. Далее следует получение различных лекарственных форм поливитаминных препаратов. Для увеличения производства витамина В 12 перспективным является применение генной инженерии при получении гибридных штаммов и использовании методов иммобилизации на полимерах.

Витамин В 3 (пантотеновая кислота). Способ получения - тонкий органический синтез и микробиологический синтез с использованием иммобилизованных клеток бактерий, актиномицетов (основной метод).

Витамин РР. Используется биотехнологический метод, метод экстракции из микроорганизмов, обычно из пекарских дрожжей с добавлением предшественников. Используется штамм - Brevibacterium ammoniagenes.

Аскорбиновая кислота. Здесь применяется в основном химический синтез и лишь одна стадия осуществляется биотехнологическим способом с применением уксусно-кислых бактерий, проводящих реакцию трансформации D -сорбита в L-сорбозу. Для получения сорбозы культуру продуцента Gluconobacter oxydans выращивают в ферментерах периодического действия с мешалкой, барботером, усиленной аэрацией в течение 20-40 часов. Выход сорбозы достигает 98% от начального сорбита. Питательная среда: кукурузный дрожжевой экстракт до 20%. Сорбозу выделяют из культуральной жидкости. Развитие микробиологического метода получило развитие в производстве 2-кето L - гулоновой кислоты - это промежуточный продукт синтеза витамина С.

Продуценты: Acetobacter, Erwinia, Gluconobacter. Перспективно создание генноинженерных штаммов продуцентов.

Жирорастворимые витамины.

Эргостерин (витамин Д 2)

Эргостерин - это основной компонент стеринов дрожжеподобных грибов рода Candida, использующих углеводы. Есть несколько вариантов выращивания дрожжей - продуцентов эргостерина.

Продуценты - это дрожжи, плесени, особенно Saccharomyces cerevisiae.

Питательная среда должна содержать источники углерода, азота, фосфора.

Ферментация идет в аэробных условиях около 12-20 часов. Для получения кристаллического витамина Д 2, биомассу гидролизуют, охлаждают, фильтруют, делают спиртовые экстракты, которые омыляют (обрабатывают щелочью), кристаллизуют, очищают, растворяя в эфире, удаляют эфир, а затем эргостерин облучают ультрафиолетовыми лучами (УФ-облучение), так как витамин Д 2 из эргостерина образуется только после ультрафиолетового облучения (УФ-облучения).

Источником получения эргостерина может служить и мицелий грибов, который остается как отход (побочный продукт) антибиотической промышленности. Микроорганизмы Cryptoccocus curvatus на средах с отходами молочной промышленности и при переработке хлопка синтезируют значительные количества эргостерина. Это все относится к вопросу рентабельности и экологичности биотехнологического производства.

в-каротин. Каротиноиды (политерпены) - это природный пигмент. Общий путь биосинтеза из изопреновых единиц. Источник - это высшие растения, водоросли, микроорганизмы. Получение - это тонкий органический синтез (химический способ) и биотехнология (использование мицелиальных грибов).

Питательная среда - кукурузно-соевая среда. Процесс получения многостадийный. в-каротин экстрагируется подсолнечным маслом и используется в виде масляных препаратов. Если используют химический синтез, то более рентабельно после экстракции его кристаллизовать.

Витамин РР - в его производстве используется биотехнологический метод, применяя способ экстракции из микроорганизмов, обычно это пекарские дрожжи. В качестве штамма используется Brevibacterium ammoniagenes. витамин каталитический иммобилизованный

Убихиноны (коферменты Q) - 2,3 диметокси, 5-метилбензохинон.

Эти соединения синтезируются в организме животных и человека.

Участие убихинона в метаболических процессах проявляет регуляторный эффект, он же принимает участие в тканевом дыхании, октслительном фосфолирировании, в переносе электронов.

Получение убихинонв - это биотехнология на основе каллусных культур риса или опухолевой ткани. Продуценты - бактерии, дрожжи и дрожжеподобные микроорганизмы. Сухая масса грибов рода Candida содержит смесь убихинонов. Это один из примеров, когда биотехнология совмещает в едином процессе получение убихинонов и эргостерина из микробных липидов. Применение убихинонов - при ишемической болезни сердца и при повышенных нагрузках.

Уксуснокислые бактерии, используемые при окислении сорбита в сорбозу (при получении витамина С) содержат убихинон Q с десятью изопреновыми единицами в боковой цепи, который является коферментом организма человека.

Заключение

1. Применение генной инженерии при синтезе витамина В 2 и витамина С - открыло новые возможности селекции высокоактивных продуцентов.

2. Внедрение непрерывного способа ферментации в производстве сорбозы увеличило скорости образования этого сахара почти в два раза.

3. Дробная подача компонентов в питательные среды обеспечило высокий уровень ферментации в производстве витамина В 12 и сорбозы.

4. Применение иммобилизованных клеток при получении витаминов В 12 и В 3 привело к разработке новых конструкций биореакторов.

5. Утилизация различных промышленных отходов существенно снижает себестоимость получаемой продукции - витаминов В 2, В 12 и в-каротина, улучшает экологию производства.

Таким образом, получение этих важных биологически активных веществ (БАВ) свидетельствует о существенном вкладе биотехнологии и в этом секторе фармацевтической промышленности.

Размещено на Allbest.ru