67 гостей
Розділ 15. Рослинна сировина
15.7.2. характеристика сировини 15.7.2.1. Речовини, необхідні для розвитку мікроорганізмів
В процесі своєї життєдіяльності мікроорганізми повинні отримувати з навколишнього середовища все ті речовини, які їм необхідні для синтезу структурних компонентів і для отримання енергії. Перелік елементів і їх функції в організмі наведені в табл. 15.7.2. Крім елементів мікроорганізмам необхідні і деякі речовини (ростові речовини), які включають до складу живильного середовища.
Таблиця 15.7.2
Макро- і мікроелементи мікроорганізмів і їх головні функції [26]
Елемент Джерело Функції Макроелементи: З Органічні речовини, СО2 Основні компоненти клітинного матеріалу Про Органічні речовини, О2, Н2О, СО2 Н Органічні сполуки, Н2, Н2О N Органічні сполуки, 
, 
, N2 S Органічні сполуки, 
Компонент цистеїну, метіоніну, тіамінпірофосфат, коферменту А, біотину та ін. P 
Компонент нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, нуклеотидів і ін. K K + Основний неорганічний катіон в клітці; кофактор деяких ферментів Mg Mg2 + кофакторами багатьох ферментів (наприклад, киназ); присутній в клітинній мембрані, в ефірах фосфорної кислоти, бере участь в аміноацилювання тРНК Ca Ca2 + кофакторами ферментів; присутній в екзоферменти (амілаза, протеаза, Са-діпіколінат), важливий компонент ендоспор Fe Fe2 +, Fe3 + Міститься в цитохромах, железопорфірінових ферментах, феридоксинів і інших железосеропротеіди; кофактор багатьох ферментів Мікроелементи: Zn Zn2 + Присутній в алкогольдегідрогеназу, лужної фосфатази, альдолази, РНК і ДНК-полімерази Mn Mn2 + Міститься в бактеріальної пероксид-дисмутази; кофактор деяких ферментів (фосфоенолпіруваткарбоксікіназа, цітратсінтаза і ін.) Na Na + Бере участь в мембранних процесах Cl Cl- Необхідний галофільні бактеріям Mo 
Міститься в нитратредуктаза, нитрогеназа, форміатдегідрогеназе, ксантиндегідрогенази і інших ферментах Se 
Присутній в гліцінредуктазе і форміатдегідрогеназе Co Co2 + Міститься в коферменти вітаміну В12 глутаматмутази, метілмалоніл-СоА-мутази і інших ферментах Cu Cu2 + Присутній в цитохромоксидази, оксигенази і ін. W 
Міститься в деяких форміатдегідрогеназах Ni Ni2 + Присутній в Уреаза; потрібно для автотрофного росту водневих бактерій
Джерела вуглецю [3, 26]
Найбільш важливими джерелами вуглецю і енергії є відновлювальна сировина і продукти його переробки, що містять моносахариди, цукор, крохмаль і, в меншій мірі, ліпіди. Типовими для промислового культивування є середовища, основу яких складають відносно дешеві субстрати (табл. 15.7.3): гидрол, гідролізат деревини, меляса, барда, зерновідходи і ін.
Таблиця 15.7.3
Порівняльна вартість деяких джерел вуглецю (1980-ті рр.) [3]
Джерело вуглецю Вартість 1 т (дол. США) Коефіцієнт конверсії в біомасу Метанол 230-260 0,50 Етанол 430-470 0,65-0,70 Оцтова кислота 600-675 0,50-0,70 Сахароза 500 0,40 Цукор -сирець 174 0,50-0,70 Цукор меляси 150 0,40 Цукор гідроля 80-100 0,40 Цукор гідролізатів целлолігніна - 0,40 Борошно сої 260-315 - Зерновідходи 120 0,20-0,30 Парафін 350 0, 50-0,90 Природний газ - 0,50-0,60
Характеристика вуглець сировини, що представляє собою відходи різних виробництв і використовуваних в мікробіологічних виробництвах, приведена в табл. 15.7.4 та 15.7.5.
Таблиця 15.7.4
Побічні продукти, які використовуються в якості основної сировини в мікробіологічної промисловості [26]
Сировина Характеристика Продукти Сульфітний луг СВ 4,0-4,5%, в т. Ч. РВ 3,3-3,5% Кормові дріжджі, етанол Картопляна барда СВ 4,3-4,5%, в т. Ч. РВ 2,0-2,2% Кормові дріжджі Зернова барда СВ 7,3-8,1%, в т. ч. РВ 2,5-2,9% Кормові дріжджі Гідрол СВ 76-78%, в т. ч . 50% зброджуваний цукрів Дріжджі, антибіотики, етанол Солодове сусло СВ 4,0-4,5%, в т. ч. РВ (мальтоза, декстрини) 8-12%, вітаміни Дріжджі, бактерії, мікроміцети депротеінізований сік рослин СВ 5 8%, в т. ч. РВ 0,8-2,0%, амінокислоти, вітаміни Кормові дріжджі депротеінізований картопляний сік СВ 4-5%, в т. ч. РВ 0,5-1,0%, вітаміни, амінокислоти Хлібопекарські дріжджі, антибіотики Гідролізат деревних відходів СВ 6-9%, в т. Ч. РВ 3-4%, органічних кислот 0,3-0,4% Кормові дріжджі, етанол гідролізат торфу СВ 48-52%, в т. ч. РВ 26-33%, гумінові речовини Кормові дріжджі Пшеничні висівки СВ 90-92%, в т. ч. екстрактивних речовин 48-50%, крохмалю 25-30%, білків 11-13%, жирів 2,5-3,0%, целюлози 15-17% Ферменти
Таблиця 15.7.5
Склад відходів переробки рослинної сировини, використовуваного для ферментації [2]
Сировина Зміст, мас. % Сухої речовини протеїну вуглеводів ліпідів клітковини золи Бурякова меляса 77,0 6,7 65,1 0,0 0,0 5,2 Буряковий жом 90,0 8,9 59,1 0,6 18,3 3,1 Очеретяна меляса 78,0 3,0 54,0 0,4 - 9,0 М'якоть цитрусових (висушена) 90,0 6,0 62,7 3,4 13,0 6,9 Кукурудзяне борошно 93,0 22.6 53,2 1, 9 9,5 3,3 Кукурудзяна глютеновая борошно (60%) 90,0 62,0 20,0 2,5 1,6 1,8 Кукурудзяний екстракт 50,0 24,0 5,8 1,0 1,0 8 , 8 Сухий кукурудзяний екстракт 95,0 48,0 - 0,4 - 17,0 Борошно насіння бавовни 94,0 41,0 28,9 3,9 13,5 6,7 Висушена барда 92,0 26,0 45, 0 9,0 4,0 8,0 Льняна мука 92,0 36,0 38,0 0,5 9,5 6,5 Рисові висівки 91,0 13,0 45,0 13,0 14,0 16,0 соєве борошно 90,0 42,0 29,9 4,0 6,0 6,5 Знежирена соєве борошно 90,0 45 , 0 32,2 0,8 6,5 3,0
Перспективним компонентом живильного середовища є депротеінізований сік рослин. При фракціонуванні отжатием подрібненої зеленої маси з різних рослин можна отримати натуральний, так званий «зелений сік», вихід якого становить, мас. % Від загальної маси: конюшина - 65, люпин - 70, ріпак - 76, райграс - 50, люцерна - 56. З зеленого соку після термічної обробки і центрифугування (або Декантірованіе) отримують білковий кормовий концентрат і депротеінізований сік, який використовується для культивування мікроорганізмів.
В якості сировини застосовують біомасу інших мікроорганізмів, наприклад, плазмолізірованние кормові дріжджі, пропіонова бактерії (відхід виробництва вітаміну В12), екстракти з міцеліальних мас.
Джерела азотного харчування [15, 26]
У бактеріальних клітинах міститься до 12% азоту в перерахунку на суху біомасу, в міцеліальних грибах - до 10%. Мікроорганізми можуть використовувати як органічні, так і неорганічні джерела азоту.
Продуктивність по біомасі в залежності від джерела азоту не завжди збігається з продуктивністю цільового метаболіти і залежить також від умов культивування (табл. 15.7.6).
Таблиця 15.7.6
Вплив мінеральних джерел азоту на ріст біомаси та біосинтез лимонної кислоти мутантом А. nigег [26]
Джерело азоту Поверхневе культивування Глибинне культивування АСБ * , Г / л лимонна кислота, г / л АСБ, г / л лимонна кислота, г / л (NH4) 2SO4 6,2 40 12 82 (NH4) 2HPO4 4,2 59 15 95 NH4Cl 5,5 60 14 101 KNO3 5 , 0 30 11 30 Ca (NO3) 2 3,5 35 9 30 NH2CONH2 6,9 58 15 88
Більшість дріжджів добре засвоюють аміачні солі - сульфат амонію, фосфат амонію, а також аміак з водного розчину. Часто в якості джерела азоту до складу середовищ включають сечовину.
При вирощуванні біомаси в концентрації 30-40 г / л потреба в добавках азотовмісних солей зазвичай не перевищує 0,3-0,4 об. % Від обсягу середовища. У періодичних режимах культивування споживання азоту закінчується протягом перших 6-12 год росту (в першій половині експоненційної фази). При направленому біосинтезі азотвмісних метаболітів потреба в азоті істотно зростає.
В якості органічних джерел азоту використовуються соєве борошно, а також білковий гідролізат, одержувані з дріжджів і тваринної сировини [27].
Пептонами [27], на противагу хімічним гідролізату, прийнято називати ферментативні протеолізати. Для отримання часткових гідролізатів зазвичай використовують пепсин (ММ пептидів не більше 2000 Да). Для виготовлення комерційних препаратів пептона індивідуальні білки або білковий матеріал (м'язову тканину, фібрин, рубці великої рогатої худоби або овець і ін.) Піддають розщепленню пепсином або іншими ендопротеаз. Вітчизняні препарати комерційного пептона виготовляють з різної сировини як пептическим, так і двохстадійною гідролізом: пепсином - 12-18 год; потім трипсином або панкреатином - 3-4 ч. Частка високомолекулярних пептидів в останніх гидролизатах нижче, а вміст вільних амінокислот вище (до 12-15%) в порівнянні з пептическим. Пептиди є постачальниками амінокислот і, так само як останні і незалежно від них, азоту, вуглецю і сірки. При цьому в якості джерела амінокислот вони більш ефективні, ніж синтетичні суміші.
Інші елементи [15, 26]
Джерела фосфору. Фосфор, як відомо, входить до складу нуклеїнових кислот, фосфоліпідів та інших важливих компонентів клітини. Іноді фосфор накопичується в клітці у вигляді поліфосфатів. Невелика частина засвоєного фосфору існує в формі макроергічних сполук - АТР.
Як джерела фосфору й азоту широко використовуються ортофосфорна кислота (Н3РО4), фосфати амонію: моноамонійфосфат - NH4H2PO4, діаммоній фосфат - (NH4) 2HPO4, тріаммонійфосфат - (NH4) 3PO4.
Джерела макро- і мікроелементів. Підвищена потреба мікроорганізмів в мікроелементах виникає, якщо цільової метаболіт містить мікроелемент. Так, при біосинтезі вітаміну B12 до складу живильного середовища включають кобальт; молібден і бор стимулюють біосинтез тіаміну в клітинах бульбочкових бактерій; мідь присутня в ряді ферментів, що переносять електрони від субстрату до кисню (табл. 15.7.6).
Джерелами інших макроелементів є такі сполуки: карбонат калію (K2СО3), технічна назва - поташ; сульфат калію (K2SO4); хлорид калію (KCl); сульфат магнію (MgSO4), технічне назви кристаллогидрата (MgSO4 × 7Н2О) - епсоміт, після зневоднення якого отримують кізерит (MgSO4 × Н2О); сульфат марганцю (MnSO4); сульфат заліза (FeSO4), назва кристаллогидрата (FeSO4 × 7Н2О) - залізний купорос; сульфат цинку (ZnSO4), назва кристаллогидрата (ZnSO4 × 7Н2О) - цинковий купорос.
Мінеральний склад живильного середовища формує розподіл електричних зарядів на поверхні клітин. Зазвичай клітини мікроорганізмів мають негативний потенціал (16-20 мВ). При додаванні в середу електролітів він знижується, причому тим сильніше, чим вище валентність додається протівоіона. Збільшення вмісту K + або Na + до 500 мг / л зменшує величину потенціалу клітин до 10-12 мВ. Введення в середу 60-80 мг / л Са2 +, Fe2 + або Сu2 +, так само як і 5 мг / л Аl3 +, може привести клітини в електронейтральних стан. На відміну від бактерій дріжджі і міцеліальні гриби не перезаряджаються і не набувають позитивний потенціал. Зміна електричного потенціалу клітин може змінити їх фізіологічну діяльність, впливати на селективність клітинної мембрани, викликати флокуляцію або флотацію клітин.
Ростові фактори [3, 26]
Деякі мікроорганізми потребують додаткових стимулюючих факторах для свого зростання (табл. 15.7.7). Тому до живильного субстрату часто додають багатокомпонентні органічні субстрати.
Сильним стимулюючою дією на ріст і біохімічну активність мікроміцетів надає кукурудзяний екстракт. Це пояснюється наявністю в ньому різних органічних сполук, а також мінеральних елементів в легкозасвоюваній формі.
Кукурудзяний екстракт є упаренную рідина, яка залишається після вимочування кукурудзяних зерен при виробництві кукурудзяного крохмалю і глюкози з кукурудзяного крохмалю (див. Розд. 15.6.2.3). Під час замочки зерна відбувається частковий мікробний ферментолиз білків; в результаті молочнокислого бродіння екстракт збагачується органічними кислотами та іншими мікробними метаболітами (вітамінами, ферментами). Для зменшення процесів бродіння під час транспортування і зберігання екстракту його обробляють сірчистим газом. Кількість діоксиду сірки в товарному екстракті не повинно перевищувати 0,5 об. %. Кукурудзяний екстракт додають в живильний субстрат в невеликих кількостях: близько 0,05-1,5 об. % Від обсягу середовища в розрахунку на утримання СВ екстракту.
Таблиця 15.7.7
Зміст ростових факторів у живильному середовищі і їх функції в метаболізмі клітини [26]
Ростової фактор Функція Концентрація, мкг / л мінімальна оптимальна Вітамін K Попередник менахінон - переносника електронів (наприклад, в фумаратредуктази) 0,001-0,01 0,01-0,5 Біотин Входить до складу простетичної групи ферментів, які каталізують реакції карбоксилювання 0,002-0, 01 0,01-1,00 Фолієва кислота бере участь в перенесенні одноуглеродних груп як кофермент 0,02 0,03-0,5 п -Амінобензойная кислота Те ж 0,01 0,2 Тіамін (вітамін В1) Тіамінпірофосфат служить простетичної групою декарбоксилаз, трансальдодаз і транскетолази 0,01-0,03 1-100 Пиридоксин ( вітамін B6) Піридоксальфосфат - кофермент трансамідаз і декарбоксилаз амінокислот 0,1 10-1000 Ціанкобаламін (вітамін В12) бере участь в реакції перегрупувань (наприклад, глутаматмутаза) як кофермент 0,1 5-1000 Пантотеновакислота Попередник коферменту А і простетичної група ацілпереносящіх білків 4 20 -1000 Рибофлавін (вітамін В2) Попередник флавінмононуклеотіда і флавінаденіндінуклеотіда простетических груп флавонуклеотідов 5 10-1000 Нікотинова кислота Попередник NAD і NADP - коферментів багатьох дегідрогеназ 5-10 100-1000 Холін бере участь ует в синтезі ліпідів, входить до складу лецитину і ацетилхоліну 20 1000-2000 Інозит Бере участь в вигляді инозиновой кислоти в синтезі пуринових підстав 1000 2000-6000 Пуринові і піримідинові підстави Входять до складу рибонуклеотидов 1000 5000-10000
Картопляний, або клітинний, сік є відходом картопляно-крохмального виробництва (табл. 15.7.8). У необробленому соку міститься 3-6% високоякісного білка, який можна використовувати в тваринництві. Депротеінізований клітинний сік картоплі містить 2,5-3,5% СВ, зокрема білки, амінокислоти (табл. 15.7.9), вітаміни (табл. 15.7.10), мінеральні речовини (табл. 15.7.11).
Таблиця 15.7.8
Загальна характеристика кукурудзяного екстракту і картопляного соку [3]
Компоненти Зміст, мас. % Кукурудзяний екстракт Картопляний сік Сухі речовини 45-55 40-45 Сахара 0,1-11 2,5-5,0 Загальний азот 2,7-4,5 2,5-5,0 Амін азот 1,2-2, 0 1,0-1,5 Молочна кислота 5,0-11,5 Летючі кислоти 0,1-0,5 0,15-0,6 Зола 1,5-4,5 3-5
Таблиця 15.7.9
Амінокислотний склад кукурудзяного екстракту і картопляного соку [3]
Амінокислота Зміст, мг / г СВ Кукурудзяний екстракт Картопляний сік Аланин 24-59 10-14 Аргінін 10-24 8-10 Аспарагінова кислота 10-27 15-20 Цистин 2-4 2-5 Глутаминовая кислота 35-88 20-30 Глицин Сліди 2-4 Гистидин 2-4 3-4 Изолейцин 35-42 30-42 Лейцин 27-42 Метіонін 2-6 1-3 Фенілаланін 8-13 6-8 Пролин 16-20 16-20 Серін 4-11 11-16 Треонин 5-10 4-11 Тирозин 5-10 5-10 Триптофан 8-10 4-6 Валін 8-18 8-11 Лізин 16-37 8-11
Таблиця 15.7.10
Вітамінний склад кукурудзяного екстракту і картопляного соку [3]
Вітамін Зміст, мкг / г СВ Кукурудзяний екстракт Картопляний сік Рибофлавін 7-12 1-16,8 Тіамін 80-100 8-20 Пантотеновакислота 80-140 50-60 Біотин 15-55 0,5-1,0 Нікотинова кислота 120- 180 120-190
Таблиця 15.7.11
Зміст мінеральних речовин в кукурудзяному екстракті і картопляному соку [3]
Елемент Зміст, мас. % Від маси золи Кукурудзяний екстракт Картопляний сік Калій 25-35 19-21 Кальцій 12-18 20-28 Магній 10-15 1,2-1,4 Натрій 4-6 1,6-1,9 Залізо 1-2 2, 2-2,4 * Фосфор (Р2О5) 0,3-0,5 0,7-0,9 Цинк 0,2-0,5 0,05-0,1 Марганець 0,2-0,6 0,03-0,05 Мідь 0 , 05-0,1 Сліди Алюміній 0,4-0,5 0,02-0,03
Висівки та інші зерновідходи можуть бути використані в мікробіологічної промисловості в якості джерела поживних речовин і біостимуляторів. До складу висівок входять,%: крохмаль - 25-30, екстрактивні речовини - 48-50, білок - 11-13, жири - 2,5-3,0, целюлоза - 15-17, зола - 6-8.
З зерноотходов багатим джерелом ростових факторів є екстракти солодових паростків.
