«ТЕХНИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ Республика Казахстан 1 Алматы 2014 УДК 663.18 ББК 30.16 я 7 Б 59 Бияшев К.Б., Тулемисова Ж.К., Орынтаев К.Б. Б59 Техническая микробиология – Алматы, 2014г. ISBN 978-601-241-184-4 Техническая ...»

Обратные мутации могут происходить путем истинной реверсии, например восстановлением первоначальной пары оснований. Если прямая мутация произошла в результате замены АТ на ГЦ, то реверсия сводится к обратной замене ГЦ на АТ. Такие организмы называются ревертантами.

Однако мутанты могут ревертровать к дикому типу и в результате вторичной мутации, произошедшей в другом, отдаленном от первой мутации участке ДНК. Такая мутация может оказать подавляющее (суперссорное) действие на свойство, возникшее в результате первой мутации. Такие мутации называются суперсорными. В противоположность истинным реверсиям образовавшиеся таким путем ревертанты фенотипически отличаются от организмов дикого типа меньшей выраженностью исходных функций.

стабильны. У делеционных мутантов ни истинные, ни суперссорные реверсии невозможны.

Рекомбинации. Наследственные изменения возникают не только в комбинации генов). Последние представляют собой рекомбинации (изменения комбинации генов). Последние представляют собой сложный процесс обмена фрагмента ДНК донорной клетки с гомологичным участком ДНК реципиентной клетки.

трансдукции и конъюгации. Эти три разных механизма, обеспечивающие заканчиваются рекомбинацией. В итоге формируются рекомбинанты, обладающие свойствами реципиентной и донорной клетки.

Однако ни в одном из этих процессов не происходит истинного генетического материала клетка-донора передается клетке-реципиенту.

Реципиент таким образом, становится диплоидным, потому что часть его генетического материала дополнилась генетическим материалом донора.

Обмен сегментами происходит немедленно после переноса.

Трансформация (превращение, перестройка) – это изменение генома бактерии-реципиента под влияние поглощенной из среды свободной ДНК, выделенной из бактерии-донора. Трансформацию может осуществлять только ДНК, включившаяся в геном реципиента. Ее источником могут быть свежеубитые бактерии или чистые препараты, экстрагированные из бактерий. Поэтому для получения трансформантов реципиентные бактерии выращивают на средах, содержащих чистую ДНК или убитые клетки доноров.

Трансформация была открыта в 1928 г. английским ученым Гриффитсом. Он установил превращение бескапсульного пневмококка Rтипа в капсульный вирулентный S-тип. Заражая мышей смешанной взвесью живых бескапсульных авирулентных пневмококков и убитых нагреванием капсульных вирулентных пневмококков, Гриффитс наблюдал гибель животных, из крови которых выделял наряду с бескапсульными и бескапсульные варианты приобрели способность образовывать капсулу под влиянием капсульных пневмококков, несмотря на то, что последние были мертвыми. Однако природу трансформирующего вещества Гриффитс не установил. Он считал, что ответственными за образование капсулы являются полисахариды капсульных пневмококков S-типа.

Хотя трансформацию бескапсульных пневмококков наблюдали многие исследователи, природа трансформирующего агента оставалась неизвестной. И только в 1944 г. Эвери с сотрудниками выделил трансформирующее вещество из капсульных убитых пневмококков и исследовал его свойства. Оно оказалось чувствительным к ДНК-азе.

Применение высокоочищенного препарата ДНК-азы показало, что он подавляет активность трансформирующего вещества. Это явилось неоспоримым фактом того, что трансформацию вызывает ДНК.

Установление трансформирующей роли ДНК явилось решающим аргументом в пользу того, что генетическая информация находится в ДНК, а не в белке, как предполагали.

Бактериальные клетки различаются по способности к трансформации.

Это зависит от их генетических особенностей: от выделения ДНК-азы, образования капсулы, препятствующей проникновению ДНК; от состава среды, влияющей в свою очередь на физиологическое состояние клеток и др.

Процесс трансформации разделяют на ряд стадий: 1) контакт ДНК с реципиентной клеткой; 2) проникновение ДНК в клетку; 3) соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом ДНК реципиента; 4) рекомбинация ДНК донора и реципиента; 5) репликация новой информации.

Путем трансформации передаются разные свойства: образование капсул, устойчивость к антибиотикам, способность к синтезу аминокислот, факторов роста и др.

Конъюгации (спаривание) – это передача генетического материала от донорной к реципиентной клетке путем их непосредственного контакта.

Контакт клеток является необходимым условием конъюгации, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются обычно с помощью конъюгационных мостиков (половые ворсинки – пили, через которые происходит обмен генетическим материалом).

Открытие конъюгации бактерий принадлежит Ледербергу и Татуму (1946). Конъюгация – однонаправленный, или асимметричный процесс, т.е. перенос генетического материала происходит в одном направлении – от донорной (мужской) клетки к рецепиентной (женской). Следовательно, в конъюгацию могут вступать только клетки разного пола: мужские донорные клетки F+ и женские ренипиентные клетки F-.

Возможность клетки стать донором определяется наличием специфического полового фактора F(от лат. fertility – плодовитость).

Половой фактор F, представляет собой фрагмент ДНК, обуславливает образование на поверхности клетки одной или двух так называемых фимбрий или pili, принимающих участие в конъюгации. Половой фактор F представляет собой фнехромосомный фактор наследственности – называемый эписомами. Через половые фимбрии или pili хромосома передается от доноров к реципиентам. Обычно при конъюгации передается не вся хромосома, а только часть ее.

Трансдукция – это перенос генетического материала из одной клетки в другую фактериофагом. Трансдукция была открыта в 1952 г. Циндером и Леденрберном.

Фаг может переносить гены, ответственные за различные свойства клетки: устойчивость к антибиотикам, токсинообразование, прототрофность. При трансдукции, как и при трансформации, переносятся только небольшие фрагменты ДНК – не более 1/100 длины бактериальной хромосомы.

Трансдуцирующими свойствами обладают только некоторые умеренные фаги, а именно: фаги, которые несут в составе своего генома фрагмент бактериальной хромосомы. Эти фаги дефективны: они не содержат полный набор собственных генов. Часть их генов остается в хромосоме бактерии (вместо взятых генов хромосомы).

Различают три типа трансдукции: общую или неспецифическую, специфическую или абортивную.

Общая трансдукция осуществляется умеренными фагами, которые при лизогенизации бактерий включаются в любой участок хромосомы и переносят затем любой фрагмент хромосомы-донора в реципинтную клетку. Фаги, обеспечивающие общую трансдукцию, могут передавать гены, контролирующие питательные потребности, ферментативную активность, устойчивость к лекарственным препаратам, подвижность, серологические и вирулентные свойства, т.е. любые свойства донорной клетки.

Специфическая трансдукция осуществляется фагами, геном (ДНК) которых при лизогенизации соединяется только с определенным участком хромосомы бактерии, т.е. фаг имеет определенную точку прикрепления на хромосоме. Поэтому при освобождении такой фаг захватывает только рядом расположенную строго определенную область хоромосомы бактерий и передает ее реципиентной клетке.

Абортивная трансдукция происходит так же, как и неспецифическая, но фрагмент хромосомы донора, привнесенный фагом в реципиентную клетку, не включается в хромосому и не реплицируется, а располагается в цитоплазме клетки. Этот фрагмент при делении клетки передается только одной дочерней клетке, и только эта клетка несет новое свойство, контролируемое привнесенным геном донорной клетки.

Трансдукцию необходимо отличить от фаговой конверсии. При инфицированных фагом клетках, в которые была внесена ДНК бактерийдоноров, т.е. которые были инфицированы трансдуцирующими фагами.

Это весьма небольшое количество бактериальной популяции. Изменения, вызванные трансдуцирующими фагами, очень стойкие, передаются потомству и сохраняются даже тогда, когда клетка теряет фаг.

Фаговая, или лизогенная конверсия – это изменения фенотипа (свойств клетки), обусловленные заражением клетки фагом. Изменения здесь вызывают гены фага. Они могут непосредственно контролировать синтез отдельного фермента или, взаимодействуя с бактериальными генами, приводить к изменению фенотипа клетки. Чаще всего фаговая конверсия затрагивает синтез или активность ферментов, контролирующих образование клеточных компонентов, что сопровождается изменениями морфологии колоний. Так, лизогенизация шероховатых штаммов микробактерий приводит к образованию гладких колоний. Изменение испытывают все инфицированные фагом клетки (при трансдукции – одиночные). При фаговой конверсии изменения фенотипа бактерий сохраняются до тех пор, пока в клетке присутствует фаг. Практическое применение мутантов микроорганизмов.

закрепленными полезными свойствами имеет большое значение для практической микробиологии. Такая возможность впервые была открыта Г.А.Надсоном. Он явился основоположником радиационной Г.С.Филипповым, воздействуя лучами Рентгена на низшие грибы, он получил новые расы, отличающиеся морфологическими признаками, стойко сохраняющимися в ряде поколений.

Однако широкое признание исследования Надсона получили лишь в 40-х годах, когда в результате воздействия рентгеновскими и УФ-лучами на продуцент пенициллина – Pen.chysogenum были получены штаммы, обладающие в 2 раза большей продуктивностью по сравнению с исходным штаммом. Дальнейшее применение мутагенных факторов в сочетании с тщательным отбором позволило в 100 раз повысить продуктивность гриба.

Если самые продуктивные из диких штаммов Pen.chysogenum в оптимальных условиях давали около 100 ед/мл пенициллина, то мутантные штаммы этого гриба, применяемые в последние годы в производстве антибиотика, образуют до 100000 ед/мл пенициллина.

Кроме повышения биосинтетической способности продуцента, применение УФ-лучей дало возможность получить его беспигментный мутант. Это сыграло большую роль в пенициллиновой промышленности, так как существенно облегчило процесс химической очистки готового продукта.

Значительное увеличение продуктивности антибиологической промышленности достигнуто при селекции других продуцентов антибиотиков, таких, как Act.strepomycini – продуцент стрептомицина, Act.strepomycini – продуцент хлортетрациклина и др.

В настоящее время почти все антибиотики вырабатываются путем применения мутантных штаммов. Успехи мутационной селекции продуцентов антибиотиков легли в основу разработки новых методов селекции других полезных форм микроорганизмов: продуцентов аминокислот, витаминов, ферментов. Только в Японии в 1963 г. благодаря применению высокоактивных мутантных штаммов Micrococcus glutamicus микробиологическим методом было получено 48000 т кристаллической глутаминовой кислоты. Среди продуцентов аминокислот особое место занимает биохимический мутант продуцента лизина. Он синтезирует в 300-400 раз больше лизина, чем обычные естественные штаммы, в то время как самые лучшие из изученных природных штаммов в оптимальных условиях ферментации синтезируют не более 0,4-0,6 мг лизина на 1 мл среды.

Под действием УФ-лучей и радиоактивного кобальта были получены ауксотрофные мутанты Bac.Subtilis и M.glutamicus, обладающие высокой способностью к биосинтезу данной аминокислоты (до 25 г/л). Широкое применение в производстве мутанта M.glutamicus (ауксотрофный по гомосурину) привело к значительному снижению себестоимости лизина, и его начали использовать в качестве добавки в растительные корма животных. Применение мутантов в производстве аминокислот микробиологическим методом вытесняет старые промышленные методы химического синтеза и выделения их из гидролизатов белков.

В последнее время индуцированные мутанты начинают занимать ведущее место в микробиологической промышленности.

6.2 Генетическая инженерия.

vitro) генетических структур и наследственно измененных организмов, т.е.

создания искусственных генетических программ, с помощью которых направленно конструируются молекулярные генетические системы вне организма с последующим их введением в живой организм. Обычно употребляют два названия данного научного направления - генетическая инженерия и генная инженерия, являющиеся как бы синонимами. Однако их смысловое содержание неодинаково: генетическую инженерию связывают с генетикой, а генная имеет отношение только к генам. Кроме того, генетическая инженерия точнее раскрывает содержание дисциплины - создание генетических программ, основная задача которых - создание in vitro молекул ДНК посредством соединения фрагментов ДНК, которые в естественных условиях чаще не сочетаются благодаря межвидовым барьерам (рекомбинантные ДНК). Молекула рекомбинантной ДНК представляет собой соединенные в бесклеточной системе два компонента:

вектор, обеспечивающий механизм репликации и экспрессии, и фрагмент исследователя генетические элементы. Согласно определению национальных институтов здоровья США, «рекомбинантными ДНК»

называют молекулы ДНК, полученные вне живой клетки путем соединения природных или синтетических фрагментов ДНК с молекулами, способными реплицироваться в клетке». Генетическая инженерия возникла на стыке многих биологических дисциплин: молекулярной генетики, энзимологии, биохимии нуклеиновых кислот и др. Первая рекомбинантная ДНК получена в 1972 г. (П. Бергом с сотр.) и была составлена из фрагмента ДНК обезьяньего вируса ОВ40 и бактериофага X dvgal с галактозным опероном Е. coli. Формально 1972 г. следует считать датой рождения генетической инженерии.

Генетическая инженерия имеет яркую историю благодаря тому общественному резонансу, который она вызвала с самых первых своих Гордоновской конференции (1973) президиуму АН США, в котором говорилось о возможной опасности технологий рекомбинантных ДНК для признавались с самого начала, но разногласия по данной проблеме не затихли и сейчас.

родительского поколения организмов дочерним особям и определяющие наследственные свойства организмов, осуществляют свою функцию путем контроля реакций биосинтеза ферментативных белков, при этом один ген контролирует структуру одного ферментативного белка. Ген представляет собой отрезок ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), несущий информацию, необходимую для синтеза одного белка. При делении клетки происходит удвоение молекул ДНК, и каждая дочерняя клетка получает функциональных единиц — генов.

Отрезок ДНК, соответствующий одному гену, служит матрицей для синтеза так называемой мРИК. (информационной, или матричной, рибонуклеиновой кислоты). При этом генетическая информация, закодированная в структуре ДНК, как бы переписывается в структуре мРНК. Этот процесс получил наименование транскрипции. Молекула мРНК служит непосредственно в качестве матрицы для синтеза соответствующего ферментативного белка (процесс, называемый трансляцией).

Гены в клетках функционируют не все одновременно — часть генов находится в активном (функциональном) состоянии, а часть — в репрессированном состоянии. В каждой дифференцированной клетке в активном состоянии находятся только те гены, которые определяют ее специфическую структуру и функцию. В разных типах клеток в активном состоянии находятся разные участки генома (разные гены), причем эти участки генома по своей относительной величине невелики — в каждый момент времени большая часть генов в клетке находится в репрессированном состоянии. В. клетках имеется специальный механизм регуляции функции генов, в котором определенные участки генома представлены регуляторными генами. В регуляторной части генома закодирована программа индивидуального разви- тия организма. Отсюда следует: для того чтобы придать организму новое наследственное свойство, необходимо ввести в него соответствующий ген (группу генов) и добиться его функционирования в соответствующих клетках, его подключения к их регуляторной системе.

Решение такой задачи средствами генетической инженерии изменяемый организм; 3) включение внесенных генов в генетический аппарат клетки, закрепление их в ней. Рассмотрим эти этапы в отдельности.

генетический материал (ген или группа генов) может быть получен путем его выделения из генома клеток, используемых в качестве доноров, или же, путем синтеза. Синтез соответствующих образцов ДН'К может быть осуществлен химическим путем или с помощью матричной РНК и специального фермента, называемого обратной транскриптазой, или ревертазой.

Примером химического синтеза гена являются поразившие весь научный мир работы группы X. Кораны (США), которая, проделав титанический труд, впервые химическим путем синтезировала индивидуальный ген, а именно ген аланиновый транспортной РНК пекарских дрожжей (1970).

изолированию генов [5-галактозидазы (1969) у кишечной палочки.

Названный ген контролирует способность организма усваивать молочный сахар, содержащий галактозу.

2. Введение (перенос) генетического материала. Для введения в клетку генетического материала (генов) используются три пути:

трансформация, т. е. перенос генетической информации посредством препаратов ДНК, свободных от примесей, с последующим замещением фрагментами экзогенной ДНК гомологичных участков генома в клеткереципиенте;

трансдукция, т.е.перенос генетического материала (генов) посредством вирусов;

микроорганизмов (и простейших).

Открытие явления трансформации у микроорганизмов, как известно, имело решающее значение для доказательства положения о том, что ДНК играет роль носителя наследственности и что ген представляет ферментативного белка. В генетическом отношении трансформация представляет собой особый способ осуществления рекомбинации генов неполовым путем, за счет переноса и включения фрагментов ДНК из клеток - доноров в геном клетки-реципиента. При этом гомологичные участки эндогенной ДНК исключаются из генов, а фрагменты экзогенной ДНК, включившиеся в геном реципиента, передаются всем потомкам трансформированной клетки.

Трансдукция как способ переноса генетического материала является естественным и распространенным среди микроорганизмов процессом получения генетических рекомбинаций, который отличается от трансформации только тем, что ДНК в первом случае переносится с помощью вируса ( фага).Явление трансдукции широко используют в генетической инженерии микробов, для которых такой способ переноса генов выработан самой природой.

Конъюгации (спаривание) – это передача генетического материала от донорной к реципиентной клетке путем их непосредственного контакта.

Контакт клеток является необходимым условием конъюгации, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются обычно с помощью конъюгационных мостиков (половые ворсинки – пили, через которые происходит обмен генетическим материалом).

3. Включение новых генов в генетический аппарат клетки. Третья группа проблем генетической инженерии связана с изучением возможностей функционирования гена в чужеродной среде. Дело не только в том, чтобы ввести в клетку определенный фрагмент ДНК.

Необходимо, чтобы этот фрагмент был включен в функционирующую ДНК, т. е, химически встроился в молекулу ДНК клетки. Он должен также органически слиться с генетической системой клетки, сохраняя при этом свою биохимическую активность. Это значит, что введение гена должно регуляторным механизмам, которые присущи генетической системе клетки. В противном случае ген работать не может. При введении гена у микроорганизмов используются фаги и специальные клеточные структуры-плазмиды.

4. Технология рекомбинантных ДНК включает набор как новых методов, так и заимствованных из других дисциплин, в частности из генетики микроорганизмов. Эти методы существенно расширяют возможности генетических исследований. Используя технологию рекомбинантных ДНК, получают даже минорные клеточные белки в больших количествах и проводят тонкие биохимические исследования структуры и функций белков, а также осуществляют детальный химический анализ генетического материала. К наиболее важным методам биотехнологии рекомбинантных ДНК следует отнести следующие:

нуклеазами, что в значительной степени ускоряет выделение различных генов и манипуляции с ними.

Быстрое секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, позволяющее определить точные границы гена и кодируемую им аминокислотную последовательность полипептида.

Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая с большой точностью выявить специфические нуклеотидные последовательности на основе их способности связывать комплементарные основания.

Клонирование ДНК, суть которого сводится к введению ДНКфрагмента в самореплицирующийся генетический аппарат (плазмиду или Бактериальная клетка после трансформации способна воспроизводить этот фрагмент во многих миллионах идентичных копий.

модифицированные версии генов и затем внедрять их в клетки или организмы.

Технология рекомбинантных ДНК оказала существенное воздействие на всю клеточную биологию, позволяя решать такие задачи, как определение строения и функций не только белков, но и индивидуальных доменов, а также расшифровывать механизмы регуляции экспрессии генов, получать многие белки, участвующие в регуляции обменных процессов, клеточной пролиферации и развитии организма.

Расщепление ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей осуществляется особыми ферментами рестрикцирующими нуклеазами, способными разрушить чужеродную ДНК.

Все ферменты условно можно разделить на следующие группы:

используемые для получения фрагментов ДНК;

синтезирующие фрагменты ДНК на матрице РНК;

фрагментов ДНК;

применяемые для приготовления гибридизационных проб.

опознает в ней специфическую последовательность из 4-6 нуклеотидов.

Соответствующие последовательности в геноме бактерий замаскированы метилированием остатков с помощью метилаз.

Согласно номенклатуре, предложенной X. Смитом и Д. Натансоном, название рестриктазы складывается из трех букв: первая обозначает родовое название, две последующие — первые буквы вида. Например, фермент из Е. coli обозначают как Есо или из Haemophilus influenzae — Hin и т.д. Типовая или штаммовая идентификация следует за родо-видовой, например, EcoRI или Hindll и т.д. В настоящее время различные фирмы выпускают более 100 разнообразных ферментов, опознающих различные последовательности нуклеотидов. Для каждого конкретного фермента они различаются по длине, первичной структуре и способу разрыва молекулы двунитевую ДНК с образованием серии фрагментов, называемых рестрикционными (или рестриктами; с тупыми концами.

Многие рестриктазы вносят разрывы в две цепи ДНК со смещением на (Hindlll) несколько нуклеотидов и образованием на концах фрагментов коротких одноцепочечных участков. Они способны образовывать комплементарные пары оснований с любым другим одноцепочечным участком, полученным с помощью того же фермента (липкие концы).

Липкие концы позволяют легко соединить два любых фрагмента ДНК в одно целое. Полученный фрагмент ДНК (любого происхождения) можно встроить в очищенную ДНК плазмиды или бактериального вируса.

соответствующего участка генома набором рестриктаз позволяет построить рестрикционную карту, отражающую расположение определенной последовательности нуклеотидов в данном участке.

Сравнением таких карт можно оценить степень гомологии между отдельными генами (участками) без определения их нуклеотидной последовательности. Рестрикционные карты важны для клонирования ДНК, решения эволюционных и филогенетических задач.

Для успешного решения задач генетической инженерии очень важно быстро секвенировать (определить последовательность нуклеотидов) информации о последовательностях ДНК столь велик, что для хранения и анализа данных о фрагментах, целых геномах необходимы новые рекомбинантных ДНК обычно используют два различных метода секвенирования ДНК: химический и ферментативный. Оба метода чрезвычайно надежны, быстры в исполнении и результативны. Результаты секвенирования позволяют также на основе генетического кода определить аминокислотную последовательность белка в соответствии с нуклеотидной последовательностью в соответствующем гене.

Генетическая инженерия сулит новые, порой граничащие с фантастикой возможности нашего вмешательства в наследственность, открывает перспективы более эффективного решения некоторых практических вопро-\ сов медицины и сельского хозяйства. В частности, станет возможным получение рекомбинантных генотипов для целей селекции не путем скрещивания растений и животных, а с помощью хирургических приемов — пересадки генов или слияния протопластов у растений. С развитием этих методов могут быть, значительно ускорены начальные этапы селекции, устранены многие нежелательные побочные явления, свойственные простому скрещиванию организмов.

сельскохозяйственных животных, в том числе крупного рогатого скота, путем пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки, лишенные ядер, может, по всей видимости, привести к существенному улучшению методов племенной работы.

В принципе возможен перенос генов из микроорганизмов в растения для придания последним новых ценных свойств, например, способности фиксировать атмосферный азот. Еще более актуальны задачи переноса генов высших растений в микроорганизмы для создания принципиально новых продуцентов, способных обеспечить медицину, сельское хозяйство, пищевую и легкую промышленность продуктами, в настоящее время получаемыми только в сельскохозяйственном производстве.

В будущем возможны значительные успехи в области борьбы с недостающего или замены неполноценного гена. Развитие исследований по генетической инженерии обещает открыть принципиально новые злокачественных наследственных изменений в соматических клетках, а также вооружить человека новыми средствами в борьбе за долголетие.

Вопросы для самопроверки Понятие о наследственности Понятие о изменчивости Генетическая инженерия Глава 7. Технология бродильных процессов Микроорганизмы имеют особое значение а технологии пищевых продуктов. Древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. Брожения, осуществляемые микроорганизмами, имеют большое значение в природе и широко используются в процессе жизнедеятельности человека. Они лежат в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения, квашения овощей, силосования, переработки молока и кисломолочные продукты и т.д. Каждый тип брожения вызывает особые группы микроорганизмов.

Производство кисломолочных напитков. Молочнокислое брожение было известно человеку с древности, но причины его были объяснены лишь Луи Пастером в 1857 году. В настоящее время изучено большое количество видов молочнокислых бактерий, среди которых, имеются кокки и палочки.

Молочнокислое брожение - это анаэробный процесс разложения сахара молока под действием молочнокислых бактерии до молочной кислоты. В зависимости от характера образующихся при брожении продуктов различают типичное (гомоферментативное) и нетипичное (гстероферментативое) брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают молочнокислый стрептококк, сливочный стрептококк, болгарская палочка, ацидофильная палочка, сырная палочка. Конечным продуктом брожения является молочная кислота. Гетероферментативное молочнокислое брожение вызывают ароматообразующие молочнокислые стрептококки (диацетилактис, цитроворус, апетоиникус) и молочнокислые палочки — бетабактерии. Конечными продуктами их брожения являются не только молочная кислота, но и ряд других побочных продуктов этиловый спирт, уксусная кислота, лимонная кислота, диацетил, ацетоин, диоксид углерода и т.д. Молочнокислое брожение широко используют в разных отраслях практической деятельности человека; в молочной промышленности, хлебопечении, при силосовании кормов, для промышленного производства молочной кислоты, при сквашивании овощей.

В каждой стране имеются свои национальные кисломолочные продукты, которые обладают высокой пищевой ценностью, диетическими и лечебными свойствами. Производство кисломолочных продуктов основано на молочнокислом брожении (творог, сметана, простокваша) или совместном молочнокислом и спиртовом брожении (кефир, кумыс.) В последние годы значительно увеличился выпуск кисломолочных продуктов с плодово-ягодными и другими наполнителями.

Кисломолочные продукты получают путем сквашивания пастеризованного молока чистыми культурами молочнокислых бактерии. Процесс коагуляции (свертывания) казеина молока с образованием сгустков определяет характер консистенции кисломолочных продуктов. Она зависит от бактериальных заквасок, режимов пастеризации, продолжительности свертывания белков молока и т.д.

Закваска - основной источник внесения желаемой микрофлоры в пастеризованное молоко. Для заквашивания молока издавна применяли кислое молоко, простоквашу. Такие закваски, называются естественными.

Они не гарантировали получения продукта высокого качества, т.к. часто загрязнялись случайной посторонней микрофлорой. С конца XIX века для маслоделия начали применять чистые культуры специально подобранных микроорганизмов. В дальнейшем закваски на чистых культурах стали применять при производстве кисломолочных продуктов и сыров.

Состав микрофлоры заквасок подбирают таким образом, чтобы обеспечить для каждой группы продуктов необходимые вкус, запах и консистенцию. В зависимости от состава микрофлоры заквасок Кисломолочные продукты делят на следующие группы:

1)приготовляемые с применением многокомпонентных заквасок кефир, кумыс;

2)вырабатываемые с применением мезофильных молочнокислых стрептококков - творог, сметана, простокваша;

3)изготовляемые с использованием термофильных молочнокислых бактерии - ряженка, йогурт;

4)вырабатываемые молочнокислых бактерии - любительская сметана, напитки;

5)приготовляемые с использованием ацидофильных бактерии ацидофилин.

В настоящее время в молочной промышленности применяются закваски, высушенные сублимацией (высушивание из замороженного состояния под высоким давлением), а также жидкие закваски, изготавливаемые в лабораторных условиях.

Процесс сыроделия также основан на использовании микробиологических процессов. Сыр - высокопитательный продукт, содержащий белок, жир, соли кальция, фосфора и витамины. Технология производства сыра состоит из следующих процессов:

1) свертывание молока - производится с помощью молочнокислых бактерии и сычужного фермента. Закваску в зависимости от вида сыра вносят в количестве 0,2-1%. В результате свертывания казеин молока выпадает в виде водонерастворимых хлопьев;

2) прессование - в зависимости от технологии сыроварения молочную сыворотку полностью или частично отделяют на фильтр-прессе;

3) посолка сыра - осуществляется при низких температурах в ваннах, содержащих 30% раствора соли;

4) созревание сыра - длится от нескольких педель до нескольких месяцев (для сыра Чеддер - 8 мес).

(молочнокислых бактерии) в массе сыра увеличивается и достигает нескольких сотен миллионов на 1 г массы сыра, потом их число снижается.

В соответствии с сортом получаемого сыра его дополнительно засевают отдельными культурами микроорганизмов (плесневые грибы, актиномицеты). Под влиянием выделяемых микроорганизмами ферментов химический состав и физические свойства сыра существенно меняются.

Так, острый привкус сыра Рокфор обусловлен действием липазы плесени фермента, расщепляющего жиры молока с образованием жирных кислот.

Формирование рисунка («глазки») в сырах происходит под влиянием пропионовокислых бактерии, разлагающие накопившуюся молочную кислоту с выделением углекислого газа.

Пропионовокислое брожение является продолжением молочнокислого брожения, Пропионовокислые бактерии сбраживают молочную кислоту с образованием пропионовой, уксусной кислот и диоксида углерода. Эти бактерии встречаются вместе с молочнокислыми в молоке, куда они попадают из почвы и с растений. Пропионовокислым бактериям принадлежит значительная роль в созревании сыров. После молочнокислого брожения в созревающем сыре следует стадия пропионовокислого брожения, сопровождающаяся сбраживанием молочной кислоты в уксусную и пропионовуго (придаёт вкус сырам), а образуемая обуславливает появление рисунков сыра, т.е. «глазков».

7.2 Производство алкогольных напитков. Явление спиртового брожения также давно известно человечеству (5000-6000 лет назад).

Пастером (1859) было доказано, что спиртовое брожение результат жизнедеятельности дрожжей. Промышленное значение дрожжей состоит в том, что они способны сбраживать сахара, превращая их в спирт и углекислый газ. Это свойство дрожжей используют при производстве хлеба, спирта, вин, пива, кваса, кефира, кумыса. Клетки дрожжей в 10 раз крупнее бактерий. Дрожжи, которые используют в пищевой промышленности, называют культурными дрожжами. Вследствие их жизнедеятельности создастся букет вин, происходит осветление пива и т.д. «Дикие» дрожжи распространены в природе - на цветах, листьях, стеблях растений, особенно в большом количестве на плодах, в почве и в воздухе. Попадая на пищевые продукты, они придают им нежелательный привкус и запах, вызывая порчу продуктов. Дрожжи являются факультативными анаэробами. В аэробных условиях они размножаются, в анаэробных условиях - осуществляют спиртовое брожение. Поэтому для получения большой массы дрожжей питательную среду, в которой происходит их размножение, аэрируют. Дрожжи в соответствии с продуктом изготовления делят на хлебные, пивные, винные (различаются по расположению клеток и их форме).

Классификация дрожжей основана на способе их размножения (почкование, деление) и способности вызывать брожение. Из них наибольшее практическое значение имеют дрожжи рода Sассhаraтусеs ( Sасch. сеrеvisiае - пивные или хлебные, Sаcch.vini, Sасch. еllipsoides винные) и рода Тоrи1а (Тоrulа kеfir- кефирные дрожжи, Тоrula utilis кормовые дрожжи). Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды рН 4-5). Не все сахара сбраживаются дрожжами. Перед сбраживанием более сложные сахара под влиянием ферментов дрожжевой клетки распадаются на моносахариды, т.к. дрожжи не сбраживают полисахариды (крахмал, клетчатка и т.д.) в чистом виде. Поэтому на многих заводах для спиртового брожения используют крахмал, предварительно подвергая его солодованию, а клетчатку - кислотному гидролизу.

Различают верховые и низовые дрожжи. Верховые дрожжи используют для брожения протекающего при 18-30° С. В этих условиях обычно отмечают обильное выделение углекислоты и пенообразование, а сами дрожжи поднимаются на поверхность бродящей жидкости (используются в виноделии и хлебопечении). Низовые дрожжи применяют для брожения при пониженной температуре 4-10° С. При этом брожение совершается спокойно, и масса дрожжевых клеток остаётся на дне сосуда (используют в пивоварении).

Уксус в виде прокисшего вина был известен за 7 тыс. лет до н.э., но только в 1868 г. Мастер установил физиологическую природу уксуснокислого брожения, вызываемого уксуснокислыми бактериями Асеtоbасtеr.

Чтобы уксуснокислое брожение протекало нормально, сахар, содержащийся в сбраживаемом субстрате, должен быть превращен в этиловый спирт, поэтому уксуснокислому брожению предшествует спиртовое. В сельском хозяйстве уксуснокислое брожение используется при силосовании кормов.

При масляиокислом брожении происходит распад углеводов до масляной кислоты (прогоркание масла, порча консервов, овощей и т.д.).

Виноделие. По уровню реализации производство алкогольных напитков стоит на первом месте в мире среди видов промышленности, основанных на использовании микробиологических процессов.

Виноделие - это процесс спиртового брожения, осуществляемого дрожжами, продуктом которого является этиловый спирт. Виноделие является классическим биотехнологическим процессом, основанным на сбраживании ягодных или фруктовых соков штаммами дрожжей рода Sассhаraтусеs. Основным сырьём в виноделии является виноград.

Виноделие включает сбраживание фруктового сока, содержащего глюкозу. Суть этой технологии заключается в следующем: из винограда получают сок, этот сок пастеризуют и засевают культурой винных дрожжей S. Vini. Первые 3-4 дня сок в емкостях аэрируют, чтобы произошло размножение дрожжей. Затем емкости плотно закрывают, т.е. создают анаэробные условия и оставляют и теплом месте. В течение 1 месяца идет процесс спиртового брожения. В виноградном соке и соке плодов фруктов глюкозы содержится столько, сколько необходимо для образования 10-15% спирта. На размножение дрожжей влияет концентрация этилового спирта в среде - при содержании 15% спирта рост их задерживается. Этим объясняется, почему натуральные вина не содержат большего, чем 15% количества спирта. Спиртовое брожение невозможно, если концентрация сахара в жидкости превышает 30% и прекращается при накоплении спирта в количестве 15%. По окончании брожения вино разливают' по бутылкам и пастеризуют для хранения (5-20 лет). При дозревании идут ферментативные процессы, и вино приобретает соответствующие плодам и фруктам вкус, цвет, запах.

Коньяк - это спирт, полученный из винограда. Его заливают в готовые дубовые бочки и выдерживают несколько лет, при этом в спирт экстрагируются компоненты из дуба.

Виноделие в большинстве регионов мира остаётся специфическим процессом, в котором традиционные навыки и способы культивирования способствуют приготовлению вина с особыми свойствам. Совершенствуется техника приготовления и хранения вин, с помощью генной инженерии создаются новые высокопродуктивные штаммы дрожжей для разработки непрерывного процесса сбраживания.

Пивоварение. Пиво варят из ячменного солода (з меньшей степени для этого пользуются другими злаками). Соложение активизирует в семенах ячменя ферменты, которые позднее ведут к гидролизу крахмала. Солод готовятся из проросшего ячменя, при прорастании крахмал превращается в глюкозу, затем ростки отделяют от зерен. В дальнейшем ячменный солод размельчают и смешивают с водой, при температуре 65°С происходит гидролиз крахмала. Затем водный экстракт (сусло) кипятят вместе с хмелем.

Б процессе кипячения прекращается ферментативная активность, осаждаются белки из сусла и экстрагируются вкусовые компоненты хмеля.

Затем в сусло засевают штамм пивных дрожжей, которые сбраживают сахара в спирт и СО2. При этом образуется ряд других соединений, придающих пиву особенный вкус. По окончанию брожения дрожжи отделяют от пива и после необходимого периода созревания фильтруют и пастеризуют.

При производстве пива обычно используют специально селекционированные штаммы дрожжей Sасh. сеrеvisiaе, а также дрожжи Sаch.

саr1sbеrgеnsis. Большинство видов пива в настоящее время получают при помощи дрожжей, которые оседают па дно ферментера. Такие дрожжи низового брожения в 1880 году были выведены в чистую культуру датским ботаником Хансеном, работавшим в Карлсбергском университете в Копенгагене. Для производства пива с повышенной концентрацией спирта используют Sасh. сеrеvisiaе. Пиво должно быть светлым, темное пиво (бархатное) содержит в большом количестве углеводы. 22% углеводов (декстраны) из пивного сусла после гидролиза крахмала ферментами ячменного солода не ассимилируются пивными дрожжами (темные сорта пива). Поскольку сейчас популярны светлые сорта пива (с низким содержанием углеводов) генетики пытаются создать пивные дрожжи, способные ассимилировать декстраны. Для упрощения технологии пивоварения поставлена задача получить рекомбинантные пивные дрожжи, способные перерабатывать крахмал непосредственно в этанол. В результате получен новый штамм Sасh. сеrеvisiaе с трансплантированным геном бактерии Bacillus subtilis, ответственного за расщепление крахмала. Новый штамм не требует предварительного солодовапия ячменя.

Производство сакэ (рисовой водки) в Японии больше похоже на пивоварение, чем па виноделие, поскольку сбраживаемым углеводом также является крахмал. Последний превращается в сбраживаемые сахара под действием плесени Аsреgillus. Размолотый и сваренный рис смешивают со спорами и инкубируют 5-6 дней при 35°С (гидролиз крахмала). Приготовление сакэ - сложный и труднорегулируемый процесс, требующий освоения различных способов брожения и последовательного регулирования микробных популяции: сначала плесени Аsреgillus, затем молочнокислых бактерии ( Lactobacillus) и наконец дрожжей ( Sасh. сеrеvisiaе ). К концу брожения сакэ содержит не менее 20% спирта.

7.3 Производство хлебопекарных изделий. В основе хлебопечения лежит процесс спиртового брожения. При замешивании муки происходит гидролитический распад крахмала под действием амилазы до моносахаров.

Затем моносахара сбраживаются дрожжевой клеткой до образования этилового спирта и СОг, Спирт при выпечке хлеба испаряется, а углекислый газ разрыхляет тесто (создает норы). Хлеб должен быть мелкопористым.

Кроме дрожжей в тесто попадают естественным путем молочнокислые бшетерии, которые разрушают моносахара до молочной кислоты. Вкус, цвет, запах, аромат, хрустящую корочку хлебу придают продукты жизнедеятельности молочнокислых бактерий.

Хлебопекарные дрожжи известны человеку уже 4 тыс. лет. В настоящее время хлебопекарные дрожжи выращивают в биореакторах на мелассной среде аэробным глубинным методом при рП 4,4-4,5 по так называемому проточному методу. В аппарат вводят 10% мелассу на теплой воде (степень заполнения биореактора 70-80%), добавляют растворы солей, устанавливают оптимальную рН среды и температуру. Затем в среду вносят посевной материал. В течение первого часа ере ту не добавляют, а в последующие 10 часов ее вводят непрерывным потоком в количестве 5-10% в час от общего количества среды. В течение всего времени ферментации идет усиленная аэрация. После ферментации дрожжи отделяют от среды путем центрифугирования и фильтрации па фильтр - прессе. Для длительного сохранения хлебопекарные дрожжи высушивают до содержания влаги 8-9%.

7.4 Производство органических кислот. В 1868 г. Пастер установил физиологическую природу уксуснокислого брожения, вызываемого уксуснокислыми бактериями Асеtobacter которому предшествует спиртовое брожение. В производстве уксуса спиртовое брожение лучше всего осуществляют селекционированные штаммы винных дрожжей, которые помимо этанола синтезируют побочные продукты метаболизма, микробиологическим путем (пищевая уксусная кислота, столовый уксус), как и вино, различаются по сортам в зависимости от характера сбраживаемого субстрата. Известны яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса. Пропуская раствор этанола через генераторы с иммобилизованными бактериями, получают 10-15% раствор уксусной кислоты. Пищевой уксус применяют в пищевой промышленности. Техническая уксусная кислота используется при производстве резины, пластмасс, инсектицидов, ацетона, ацетилена, синтетических красителей, медпрепаратов.

Лимонная кислота встречается в плодах цитрусовых, ананасов, груш, брусники, клюквы. Лимоны и апельсины были главными источниками естественной (растительной) лимонной кислоты, которую производили преимущественно в Италии. Для получения лимонной кислоты путем микробного синтеза наиболее подходящим оказался плесневый гриб рода Aspergillus.

производственных штаммов Aspergillus niger для биосинтеза лимонной кислоты. Максимальный выход лимонной кислоты получается при биосинтезе из сахарозы, поэтому в качестве сырья используют мелассу. В последнее время успешно завершены эксперименты по биосинтезу лимонной кислоты дрожжами рода Сandidа из этанола. Общий выпуск лимонной кислоты в мире составляет 400 тыс.тонн в год. Лимонную кислоту широко используют безалкогольных напитков, мармелада, вафель и т.д. Лимонная кислота включена в рецептуры некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. Натриевые соли лимонной кислоты стимулируют вспенивание и механическую устойчивость пены, поэтому лимонную кислоту применяют для изготовления шампуней и моющих средств.

Молочная кислота всегда присутствует в кислом молоке. Для промышленного получения этой кислоты используют глюкозу, мальтозу, сахарозу, лактозу, крахмал, т.к. молочнокислые бактерии трансформируют эти углеводы в молочную кислоту. Для сбраживания углеводов используют штаммы Lactobacillus delbruecki. В большинстве производств молочную кислоту получают из мелассы, используют в пищевой промышленности для приготовления кондитерских изделий, безалкогольных напитков, в производстве витаминов, пластмасс, медицинской промышленности.

промышленности и ряде других отраслей. В основе их получения лежит ацетон об ути л овое брожение, в результате которого в качестве основных конечных продуктов трансформации углеводов получают ряд цепных веществ: бутиловый спирт, ацетон, изопропиловый спирт. Возбудитель этого брожения – Сlostridium acetonobutilicum. Ацетон и бутиловый спирт получают, сбраживая кукурузную муку или мелассу. Муку высшего помола смешивают с водой (6-8 кг муки на 100 л воды), затем варят 2 часа и стерилизуют. Охлажденную до 37-42°С массу сбраживают в течение 2 суток при рН 5-7. В начале брожения образуется уксусная и масляная кислоты.

Затем масляная кислота восстанавливается до бутилового спирта, а ацетон образуется из продукта конденсации уксусной кислоты - ацетоуксусной кислоты. В процессе брожения образуется смесь, содержащая 6 частей бутилового спирта, 1 часть этилового спирта и 3 части ацетона. Практически из 3 кг крахмала получается 1 кг органических растворителей. Разработаны методы получения ацетона и бутилового спирта из сульфитного щелока и гидролизатов древесины.

Ацетон применяют для производства искусственного шелка и кожи, фотографических пленок и т.д. Бутиловый спирт используют в производстве лаков.

Вопросы для самопроверки 1.Получение кисломолочных напитков 2. Получение алкогольных напитков 3. Виноделие 4. Пивоварение 5.Производство хлебопекарных изделий 6. Производство органических кислот Глава 8. Производство микробной биомассы К важнейшим отраслям биоиндустрии следует отнести некоторые отрасли пищевой промышленности (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов, ферментов); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, антибиотиков, интерферонов, новых лекарственных препаратов); сельское хозяйство (клонирование и селекция сортов растений, производство биоинсектицидов, выведение трансгенных животных и растений); экологию - защиту окружающей среды и устранение загрязнений (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста и др.).

Биотехнология призвана не только совершенствовать традиционные производстве молочнокислых продуктов, сыра, пищевых кислот, алкогольных напитков, но и создавать современные технологии для синтеза полимеров, искусственных приправ, сырья (текстильная промышленность), для получения метанола, этанола, биогаза и водорода, для извлечения некоторых металлов из руд.

8.1 Производство белка.

Белки являются обязательными компонентами клеток любого живого организма, выполняющими жизненно важные функции: каталитические, регуляторные, транспортные, биоэнергетические, защитные от инфекции и действия стрессовых факторов; структурные, запасные и др. В вегетативной массе растений на долю белков приходится 5—15 % сухого вещества, в зерне злаков — 8—18%, семенах масличных растений — 16— 28 %, зерне зернобобовых культур — 20—40 %. В различных тканях организма человека и животных содержание белков обычно от 20 до 80 % их сухой массы.

Исходя из этого совершенно очевидно, что для образования клеток и тканей организма, а также поддержания его жизненных функций должен осуществляться постоянный синтез структурных и других форм белков.

Для синтеза белковых молекул все живые организмы используют аминокислот и два амида (аспарагин и глутамин). Однако после синтеза белков их молекулы могут подвергаться модификациям, вследствие чего в составе белков обнаруживают до 26 аминокислот.

Растения и большинство микроорганизмов способны синтезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ — углекислоты, воды и минеральных солей, тогда как в организме человека и животных некоторые аминокислоты не могут синтезироваться и должны поступать в организм в готовом виде как компоненты пищи. Такие аминокислоты принято называть незаменимыми, к ним относятся валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям человека, а недостаток их в кормах снижает продуктивность сельскохозяйственных животных.

В связи с необходимостью обеспечения человека и животных незаменимыми аминокислотами разработаны научно-обоснованные нормы их суточного потребления. Так, ежедневная потребность человека в незаменимых аминокислотах составляет (г): валин — 5,0; лейцин — 7,0, изолейцин— 4,0, лизин — 5,5, метионин — 3,5, треонин — 4,0, триптофан — 1,0, фенилаланин — 5,0.

Главными источниками незаменимых аминокислот для человека являются белки животного или растительного происхождения, входящие в состав пищи, а для сельскохозяйственных животных — главным образом растительные белки. Поступающие с пищей или кормом белковые вещества под действием ферментов желудочного сока гидролизуются до аминокислот, которые затем используются для образования белковых молекул человеческого или животного организма. При этом первостепенное значение имеют незаменимые аминокислоты, недостаток которых вызывает прекращение синтеза белков и, следовательно, задержку роста и развития организма.

Следует также учитывать, что все незаменимые аминокислоты должны содержаться в белках пищи в определенных соотношениях, отвечающих потребностям данного организма. Если хотя бы одна аминокислота окажется в недостатке, то другие аминокислоты, оказавшиеся в избытке, не будут использоваться для синтеза белков (в соответствии с механизмом синтеза белков). В таких условиях для обеспечения дальнейшего синтеза белковых веществ и поддержания жизнедеятельности организма потребуется дополнительное количество пищевого или кормового белка, вследствие чего увеличивается расходование пищи или корма. Последнее особенно важно учитывать в животноводстве, так как несбалансированность кормовых белков по содержанию незаменимых аминокислот приводит к значительному перерасходу кормов и существенному повышению себестоимости животноводческой продукции.

контролировать, с одной стороны, сбалансированность белков корма по содержанию незаменимых аминокислот, а с другой стороны, количество белка в корме. Для оценки аминокислотного состава белков определяют показатели, характеризующие их биологическую питательную ценность.

незаменимых аминокислот, называют биологически полноценными белками.

В результате обобщения многочисленных данных по изучению аминокислотного состава белков Международной организацией по продовольствию и сельскому хозяйству (ФАО), образованной при ООН, разработаны рекомендации, в которых дается оптимальное содержание незаменимых аминокислот в пищевых и кормовых белках. Эти нормативы используются в качестве эталона при оценке биологической питательной ценности различных белков. Например, если принять за 100 % биологическую ценность эталонного по рекомендациям ФАО белка, то биологическая ценность большинства животных белков составляет 90— 95%; белков зерна зернобобовых и семян масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей, вегетативной массы многих травянистых растений — 60—85 %; белков зерна большинства злаковых культур — 60—70 %; особенно низкая биологическая ценность белков зерна кукурузы — 52—58 %.

8.1.1 Получение пищевого белка.

Как известно, взрослому человеку при умеренной физической нагрузке ежедневно с пищей необходимо получать около 12,5 кДж (3000 калорий).

Эту потребность в энергии могут покрыть 75 г. сахара. Но пища обеспечивает нас не только калориями. Организму нужен материал для роста и регенерации устаревших клеток и тканей, поэтому пища должна содержать белки, жиры, углеводы, витамины. В соответствии с нормами питания человек должен ежедневно получать с пищей от 60 до 120 г полноценного белка. По самым скромным подсчетам в масштабах планеты дефицит пищевого белка оценивается в 15-25 млн.т. в год, что связано с нехваткой и неполноценностью продуктов питания. Интенсификация животноводства также требует резкого увеличения производства кормового белка, поскольку высокопродуктивное молочное стадо, так же и эффективные откормочные комплексы нуждаются в дополнительных источниках белка, компенсирующих его недостатки в растительных кормах.

Основным путем снижения и ликвидации этого дефицита является производство белков с помощью микробного синтеза, имеющие следующие преимущества: 1) микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы (500 кг дрожжей за сутки дают 80 т. белка, тогда как для быка того же веса за тот же период прирост белка составляет 400- гр.); 2) микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи - до 60%, бактерии - до 75% по массе); 3) процесс микробного синтеза менее трудоемок и экономически выгоден по сравнению с химическим синтезом белков.

Улучшение вкуса и запаха продуктов питания при одновременном повышении содержания белка при помощи микроскопических грибов плесеней уже давно используется при получении пищи (мисо, суфу, темпех), употребляемой в азиатских странах. В пище жителей Азии и Дальнего Востока доминирует крахмал и не хватает белков. Для обогащения крахмалсодержащих продуктов белками и придания им вкуса мяса в этих странах уже с древних времен на растительных продуктах выращивают специально подобранные и естественным путем селекционированные виды плесневых грибов. Одним из исходных продуктов служат соевые бобы. В Индонезии соевые лепешки употребляют в пищу обросшими плесневыми грибами рода Rhizopus -темпех, который содержит до 55% белка и по вкусу напоминают мясные изделия. Производство темпеха занимает 2-3 дня.

Сначала соевые бобы лущат (для удаления шелухи), затем кипятят в течение получаса чтобы разрушить ингибиторы трипсина желудочного сока, которые делают сырые соевые бобы несъедобными для человека.

Затем бобы высушивают и засеивают спорами плесени Rhizopus oligosporus. Брожение длится 36-38 ч при 30°С. В итоге получается компактный светло-коричневый шрот (бобовое пюре). Темпех обычно употребляют в пищу в виде лепешки, обжаренный в кокосовом масле.

Содержание белка возрастает, достигая 50-55% по сравнению с 20-25% в соевых бобах. Темпех считается самой высокопитательный и легко усваиваемой пищей.

Среди других восточных блюд, получаемых при помощи плесеней, можно выделить японское мисо, которое приготавливают из соевых бобов с Aspergillus orisae, китайское суфу - напоминающий сыр продукт, получаемый при выращивании соевых бобов с плесенью рода Мисоr.

Незаменимую приправу восточной кухни - соевый соус готовят с использованием плесневого гриба Aspergillus orisae, молочнокислых бактерии Pediococcus, дрожжей Saccharomyces, Torula. В результате продукт обогащается молочной и другими кислотами, этанолом и приобретает специфический вкус и аромат. Американские ученые приспособили производственный процесс получения индонезийского темпеха для хлебных злаков. Так, пшеница, ферментируемая той же плесенью Rizopus в течение 20 часов при 30°С, превращается в продукт, содержащий в 6-7 раз больше белка, чем обычная пшеница. Ими же разработан метод обогащения белком другого пищевого крахмалсодержащего продукта - маниока на основе роста плесени Aspergillus. После 30 ч ферментации при 38°С, содержание белка в продукте возрастает с 5% до 18%, а содержание углеводов падает с 65% до 28%.

Для получения пищевого белка активно используются также другие микроорганизмы - водоросли. Народы Тихоокеанского побережья с давних времен употребляют в пищу морские и океанские водоросли. Жители Гавайских островов из 115 видов водорослей, обитающих в местных океанских просторах, используют в питании 60 видов. В Китае особенно ценят синезеленые водоросли Nostoc, по внешнему виду напоминающие сливу и по вкусовым качествам причисленные к китайским лакомствам.

Однако весьма интенсивное использование водорослей в пищевых целях не позволяет плантациям восстанавливаться естественным путем. В связи с этим водоросли стали культивировать искусственно в подводных садах. Выращивание аквакультур - процветающая отрасль биотехнологии.

Внимание специалистов, занимающихся вопросами питания, привлекает синезеленая одноклеточная водоросль спирулина - растущая в Африке (озеро Чад) и в Мексике (озеро Тескоко). Местные жители употребляют их в высушенном виде - галеты или дихэ. Продукт характеризуется очень высоким содержанием белка - до 70%. Озеро Тескоко и озеро Чад - единственные в мире щелочные озера (рН до 11). При такой рН спирулина бурно разрастается и растет как монокультура. Анализ образцов спирулины в лабораторных условиях показал содержание белков до 70% и углеводов С 1967 г. мексиканская компания «Тескоко» вплотную занялась сбором урожая спирулины и превращения ее в муку. В настоящее время производство муки из спирулины достигает 1000 т. в год и она импортируется в США, Японию и европейские страны для компаний, специализирующихся сбытом белковых концентратов и диетических продуктов питания. Биомасса спирулины приравнивается к стандартам пищевого белка, установленного ФАО ВОЗ.

Дрожжи как источник пищевого белка человек применяет только в экстремальных условиях (альпинисты, мореплаватели), как компонент сухого пайка. Одной из причин является сравнительно толстая клеточная оболочка дрожжей, препятствующая его усвоению организмом человека.

При переработке в пищевой белок биомассу дрожжей тщательно очищают.

С этой целью клеточные оболочки дрожжевых клеток разрушают с помощью механической, щелочной, кислотной или ферментативной обработки и затем экстрагируют гомогенную дрожжевую массу органическим растворителем. После очистки от органических и минеральных примесей полученный дрожжевой продукт обрабатывают щелочным раствором для растворения белков, затем белковый раствор отделяют от оставшейся массы дрожжей и направляют на диализ. В процессе диализа из белкового раствора удаляются низкомолекулярные примеси.

Очищенные диализом белки осаждают, высушивают и полученную белковую массу используют в качестве добавок в различные пищевые продукты: сосиски, студни, паштеты, мясные и кондитерские начинки.

Белки дрожжей находят также применение при получении искусственного мяса, для этого проводится текстурирование белков — нагревание с последующим быстрым охлаждением или продавливание белковой пасты через отверстия малого диаметра. Для улучшения свойств в белковую пасту добавляют полисахариды и другие компоненты.

Гидролизаты белков используются в качестве вкусовых приправ, для приготовления медицинских препаратов и лечебного питания.

8.1.2 Получение кормовых белков.

Для правильного кормления сельскохозяйственных животных необходимо, чтобы в их кормовом рационе в расчете на каждую кормовую единицу содержалось 100—120 г хорошо переваримого и полноценного белка. Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления сельскохозяйственных животных, ниже, чем требуется по нормам, то во избежание перерасхода кормов и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют путем добавления белковых концентратов. По такому же принципу контролируют содержание в кормовом белке незаменимых аминокислот.

Недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокислот или белковой массы, имеющей более высокое содержание данной аминокислоты по сравнению с принятым эталоном.

Микроорганизмы в качестве источников кормового белка имеют ряд преимуществ по сравнению с растительными и даже животными организмами. Они отличаются высоким (до 60 % сухой массы) и устойчивым содержанием белков, тогда как в растениях концентрация белковых веществ значительно варьирует в зависимости от условий выращивания, климата, погоды, типа почвы, агротехники и др. Наряду с белками в микробных клетках образуются и другие ценные в питательном отношении вещества: легкоусвояемые углеводы, липиды с повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот, витамины, макро- и микроэлементы.

При использовании микроорганизмов на ограниченной площади можно организовать промышленное производство и получать большое количество кормовых концентратов в любое время год, причем микробные клетки способны синтезировать белки из отходов сельского хозяйства и промышленности и, таким образом, позволяют одновременно решать другую важную проблему — утилизацию этих отходов в целях охраны окружающей среды.

способность очень быстро наращивать белковую массу. Например, растения сои массой 500 кг в фазе созревания семян способны в сутки синтезировать 40 кг белков, бык такой же массы — 0,5—1,5 кг, а дрожжевые клетки массой 500 кг — до 1,5 т белков. В качестве источников кормового белка наиболее часто используются различные виды дрожжей и бактерий, микроскопические грибы, одноклеточные водоросли, белковые коагуляты травянистых растений.

Кормовые дрожжи. Дрожжи впервые стали использовать как источник белка для человека и животных в Германии во время первой мировой войны, когда была разработана промышленная технология культивирования пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), целлюлозосодержащего растительного сырья, которые при гидролизе образуют легкоусвояемые для микроорганизмов формы углеводов. В настоящее время биотехнологической промышленностью на основе гидролиза растительного сырья производится значительный объем кормовых дрожжей для сельского хозяйства.

В качестве исходного сырья при такой технологии получения деревообрабатывающей промышленности, солома, хлопковая шелуха, корзинки подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, свекловичная меласса, картофельная мезга, виноградные выжимки, пивная дробина, верховой малоразложившийся торф, барда спиртовых производств, отходы кондитерской и молочной промышленности.

Измельченное растительное сырье, содержащее большое количество клетчатки, гемицеллюлоз, пентозанов, подвергается кислотному гидролизу при повышенном давлении и температуре, в результате чего 60—65 % содержащихся в них полисахаридов гидролизуются до моносахаридов.

Полученный гидролизат отделяют от лигнина, избыток кислоты, применяемой для гидролиза, нейтрализуют известковым молоком или аммиачной водой. После охлаждения и отстаивания в гидролизат добавляют минеральные соли, витамины и другие вещества, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов. Полученная таким образом питательная среда подается в ферментерный цех, где осуществляется выращивание дрожжей.

Для культивирования на гидролизатах растительных отходов наиболее эффективны дрожжи родов Candida, Torulopsis, Saccharomyces, которые способны использовать в качестве источника углерода гексозы, пентозы и органические кислоты. При оптимальных условиях из 1 т отходов хвойной древесины можно получить 200 кг кормовых дрожжей.

Для получения кормовых дрожжей применяется технология их глубинного выращивания в специальных аппаратах – ферментерах, в которых обеспечивается режим постоянного перемешивания суспензии микробных клеток в жидкой питательной среде и оптимальные условия аэрации. В целях поддержания заданного температурного режима в конструкции ферментера предусматривается система отвода избыточного тепла. Рабочий цикл выращивания культуры дрожжей длится около 20 ч.

По окончании рабочего цикла культуральная жидкость вместе с суспендированными в ней клетками дрожжей выводится из ферментера, а в него вновь подается питательный субстрат и культура дрожжевых клеток для выращивания.

Выведенная из ферментера суспензия микробных клеток далее подается на флотационную установку, с помощью которой производится отделение биомассы дрожжей от культуральной жидкости. В процессе флотации происходит вспенивание суспензии, при этом микробные клетки всплывают на поверхность вместе с пеной, которая отделяется от жидкой фазы декантацией. После отстаивания дрожжевая масса концентрируется с помощью сепаратора. Для достижения лучшей перевариваемости дрожжей в организме животных проводится специальная обработка микробных клеток (механическая, ультразвуковая, термическая, ферментативная), обеспечивающая разрушение их клеточных оболочек. Затем дрожжевая масса упаривается до необходимой концентрации и высушивается, влажность готового продукта не должна превышать 8—10%.

В сухой дрожжевой массе содержится 40—60% сырого белка, 25— % усвояемых углеводов, 3—5 % сырого жира, 6—7 % клетчатки и зольных веществ, большое количество витаминов (до 50 мг%). Посредством обработки дрожжей ультрафиолетовыми лучами проводится их обогащение витамином D2, который образуется из содержащегося в них эргостерина. Для улучшения физических свойств готового продукта кормовые дрожжи выпускают в гранулированном виде.

На основе ферментации гидролизатов растительного сырья наряду с производством кормовых дрожжей получают также этиловый спирт. В этом случае особенность технологии заключается в том, что вначале проводится спиртовое брожение, в результате которого происходит утилизация содержащихся в гидролизате гексоз. После отгонки спирта остается неиспользованный субстрат - барда, содержащая в основном пентозы. Эта послеспиртовая барда используется далее как питательная среда для выращивания кормовых дрожжей. Таким образом, из гидролизатов растительных отходов одновременно мо1ут быть получены два вида ценной продукции.

получения кормовых дрожжей из н-парафинов нефти. Дрожжевые клетки могут использовать в качестве источников углерода для их роста неразветвленные углеводороды с числом углеродных атомов от десяти до тридцати. Они представляют собой жидкие фракции с температурами кипения 200—320°С, которые выделяют из нефти путем ее перегонки.

Очищенные фракции углеводородов нефти, используемые для выращивания дрожжей, могут быть получены тремя методами:

низкотемпературной кристаллизации, карбамидной депарафинизации и адсорбции на молекулярных ситах. В соответствии с первым из этих методов проводится кристаллизация высококипящих фракций после растворения их в смеси органических растворителей при постоянном охлаждении. Затем очищенные путем кристаллизации продукты используются для приготовления питательной среды микроорганизмов.

Второй метод основан на способности н -парафинов нефти образовывать прочный комплекс с молекулами карбамида, который после отделения от остальных фракций легко разлагается при нагревании, в результате чего с помощью перегонки можно получить очищенную фракцию w-парафинов.

Третьим методом производится адсорбция нужных фракций углеводородов нефти на молекулярных ситах (цеолитах), после чего проводят их десорбцию, и таким образом удается выделить фракции высокой степени очистки.

При выращивании микроорганизмов на н-парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты, а в качестве источника азота аммиачную воду. В процессе культивирования дрожжей в ферментере поддерживается оптимальный температурный режим и режим аэрации. Наиболее эффективны для выращивания на н-парафинах нефти отселекцированные штаммы дрожжей Candida guilliermondii. Выделение и сушка дрожжевой массы проводится примерно по такой же технологии, как и в гидролизном производстве. Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК) для кормления сельскохозяйственных животных, содержащий до 50—60 % белковых веществ. Содержание остаточных углеводородов допускается не более 0,1 %.

В целях более полного использования сырья и снижения в товарном продукте остаточных углеводородов разработаны усовершенствованные технологии получения БВК, включающие двухступенчатую ферментацию и последующую экстракцию из дрожжей остаточных углеводородов бензином. При этом содержание сырого белка в дрожжевой массе может быть повышено до 58—65 % в расчете на сухую массу, а содержание остаточных углеводородов снижено до 0,05 %.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрожжей — молочная сыворотка, являющаяся производственным отходом при переработке молока. В 1 т молочной сыворотки в среднем содержится 10 кг полноценного белка и 50 кг дисахарида лактозы, который легко утилизируется микроорганизмами. Для выделения из молочной сыворотки белков разработана эффективная технология с применением метода ультрафильтрации низкомолекулярных веществ через мембраны.

Получаемые таким способом белки используются для приготовления сухого обезжиренного молока или в качестве пищевой белковой добавки.

Остающиеся после отделения белков жидкие отходы (пермеат), культивирования дрожжей в обогащенные белками кормовые продукты.

предварительного выделения из нее белков, при этом выращиваются специальные расы кормовых дрожжей из рода Torulopsis. На основе дрожжевания молочной сыворотки производится три вида кормовых белковых продуков: заменитель цельного молока для кормления молодняка сельскохозяйственных животных - «БИО - ЗЦМ»; жидкий белковый продукт «Промикс» с содержанием белков в 2,5-3 раза выше, чем в исходной молочной сыворотке; сухой обогащенный дрожжевыми белками продукт «Провилакт», применяемый как заменитель сухого обезжиренного молока.

Кроме углеводов и углеводородов в качестве источников углерода дрожжевые клетки могут также использовать низшие спирты - метанол и этанол, которые обычно получают из природного газа или растительных отходов. Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, отличается высоким содержанием белков (56—62 % от сухой массы) и в ней меньше содержится вредных примесей, чем в кормовых дрожжах, выращенных на «-парафинах нефти.

Как показывают опыты по изучению питательных свойств кормовых дрожжей, они достаточно хорошо перевариваются в организме животных (переваримость белков 80—90 %), по сумме незаменимых аминокислот близки к эталону ФАО, а по содержанию в белках лизина, треонина, валина и лейцина существенно превышают эталон ФАО. Вместе с тем белки дрожжей частично не сбалансированы по метионину и в них мало содержится других серосодержащих аминокислот.

По сравнению с растительными источниками белков кормовые дрожжи имеют повышенное содержание нуклеиновых кислот (4—6 % от сухой массы), которые в такой концентрации оказывают вредное воздействие на организм. В результате их гидролиза образуется много пуриновых оснований, превращающихся затем в соли мочевой кислоты, которые откладываясь в организме, могут быть причиной мочекаменной болезни, остеохондроза и других заболеваний. Вследствие этого сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5—10% от сухого вещества или 10-20 % дрожжевого белка от общего количества белка в кормовом рационе.

Кормовые дрожжи, культивируемые на питательной среде из нпарафинов нефти, могут содержать многие вредные примеси — производные бензола, D-аминокислоты, аномальные липиды, различные токсины и канцерогенные вещества, поэтому их подвергают специальной очистке (экстракция бензином).

При организации производства кормовых дрожжей во избежание газообразных и жидких отходов, в связи с чем ведется работа по созданию экологически чистых безотходных технологий с замкнутым циклом водоиспользования.

Кроме совершенствования производственной технологии, важное значение имеет создание высокопродуктивных штаммов дрожжей, способных накапливать много белка, быстро наращивать биомасссу и эффективно использовать субстрат для своей жизнедеятельности. Для создания новых штаммов микроорганизмов применяются как методы обычной селекции, так и генноинженерная биотехнология.

Белковые концентраты из бактерий. Наряду с получением кормовых дрожжей важное значение для кормопроизводства имеют также бактериальные белковые концентраты с содержанием сырого белка 60— % от сухой массы. Известно более 30 видов бактерий, которые могут быть использованы в качестве источников полноценного кормового белка.

Бактерии способны наращивать биомассу в несколько раз быстрее дрожжевых клеток и в белке бактерий содержится значительно больше серосодержащих аминокислот, вследствие чего он имеет более высокую биологическую ценность по сравнению с белком дрожжей. Источником углерода для бактерий могут служить различные газообразные продукты (природный и попутный газы, газовый конденсат и др.), низшие спирты (метанол и этанол), водород.

При использовании в качестве сырья газообразных продуктов, основным компонентом которых является метан, питательную смесь под давлением подают в специальный ферментер струйного типа (рис. 7.2). В целях лучшей утилизации сырья микроорганизмами в таком ферментере предусматривается рециркуляция газовой смеси. Для обеспечения необходимой аэрации культуры бактерий производится продувка питательных средах выращивают бактерии рода Methylococcus, способные при оптимальных условиях утилизировать до 85—90 % подаваемого в культивированием бактерий в газовой среде, требуют точного контроля за составом этой среды и оснащения производственных установок герметизированным, взрывобезопасным оборудованием.

По окончании ферментации клетки бактерий осаждают и отделяют от питательной среды на сепараторе. Полученную бактериальную массу затем подвергают механической или ультразвуковой обработке с целью разрушения клеточных оболочек, после чего высушивают и используют для приготовления кормовых белковых концентратов.

В связи с тем, что газовая среда из метана и воздуха взрывоопасна и для лучшей утилизации метана бактериями требует постоянной рециркуляции, производство кормового белка из газообразных продуктов является довольно сложным и дорогим. Более широкое применение находит технология выращивания бактериальной белковой массы на метаноле, который можно легко получить путем окисления метана. При культивировании на питательной среде, содержащей метанол, наиболее эффективны бактерии родов Methylomonas, Pseudomonas, Methylophillus.

Выращивают эти бактерии в обычном ферментере с использованием жидкой питательной среды.

Широкомасштабное производство кормовых белков на основе использования метанола впервые было организовано в Англии. Концерном «Ай-Си-Ай» выпускается кормовой белковый препарат с коммерческим названием «Прутин». В России также разработана технология получения бактериальной белковой массы из метанола, коммерческое название препарата — «Меприн». Он содержит в своем составе до 70—74 % от сухой массы белков, до 5 % липидов, около 10 % минеральных веществ, 10—13 % нуклеиновых кислот. На основе культивирования бактерий рода Acinetobacter разрабатывается технология получения кормового белка из этанола (название препарата «Эприн»), который может иметь также и пищевое назначение.

Высокой интенсивностью синтеза белков характеризуются водородокисляющие бактерии, способные накапливать в своих клетках до 80% сырого белка в расчете на сухое вещество. Эти бактерии используют энергию окисления водорода для утилизации углекислоты, а некоторые штаммы и для усвоения атмосферного азота. Для культивирования водородокисляющих бактерий в составе газовой среды обычно содержится 70—80 % водорода, 20—30 % кислорода и 3—5 % углекислоты. Высокую эффективность при выращивании на такой газовой среде имеют бактерии родов Pseudomonas, Alcaligenes, Achromobacter, Corinebacterium и др.

Обычно водород для производства белковой массы получают из воды путем ее электролитического (электролиз) или фотохимического разложения. Углекислота может быть использована из газообразных отходов каких-либо промышленных производств, а также топочных газов, что одновременно решает проблему очистки газовой среды. Производство кормового белка на основе водородокисляющих бактерий может быть также организовано вблизи химических предприятий, где в качестве побочного продукта образуется водород.

Обычно кормовой белок бактериального происхождения добавляют в комбикорма в количестве 2,5—7,5 % от белка рациона, при кормлении взрослых свиней — до 15 %. Основное препятствие, которое не позволяет его использовать в большей концентрации, — повышенное содержание нуклеиновых кислот (10—25 %). Кроме того, в бактериальной массе наряду с полезными компонентами в значительном количестве синтезируются трудно усвояемые формы липидов; сложнее и дороже методы выделения и очистки бактериальных белковых препаратов.

Кормовые белки из водорослей. В России и ряде других стран для производства кормового белка используются одноклеточные водоросли Chlorella и Scenedesmus, а также сине-зеленые водоросли из рода Spirulina, которые способны синтезировать белки и другие органические вещества из углекислоты, воды и минеральных веществ за счет усвоения энергии солнечного света. Для их выращивания необходимо обеспечивать определенные режимы освещения и температуры, а также требуются большие объемы воды. Чаще всего в естественных условиях водоросли выращивают в южных регионах с использованием бассейнов открытого типа, однако разрабатываются и технологии их культивирования в закрытой системе.

Водоросли хлорелла и сценедесмус требуют для своего выращивания нейтральной среды, их клетки имеют довольно плотную целлюлозную оболочку, вследствие чего хуже перевариваются в организме животных.

Для лучшей их переваримости проводится разрушение целлюлозных оболочек посредством специальной обработки.

Клетки спирулины в 100 раз крупнее хлореллы, однако они не имеют прочной целлюлозной оболочки и поэтому лучше перевариваются в организме животных. Выращивается спирулина в щелочной среде (pH 10при естественных условиях в щелочных озерах.

По интенсивности накопления биомассы водоросли, хотя и уступают кормовым дрожжам и бактериям, значительно превосходят сельскохозяйственные растения. При их выращивании в культиваторах открытого типа с 1 га водной поверхности можно получать до 70 т сухой биомассы в год, тогда как при возделывании пшеницы — 3—4 т, риса — т, сои — 6 т, кукурузы — 7 т.

Содержание белков в клетках хлореллы и сценедесмус составляет 45в расчете на сухую массу, а в клетках спирулины достигает 60—65 %.

Белки водорослей хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот, недостаточно содержится лишь метионина. Наряду с высоким содержанием белковых веществ в клетках водорослей довольно много синтезируется полиненасыщенных жирных кислот (являющихся, как и некоторые аминокислоты, незаменимыми) и провитамина А каротина (до 150 мг%). Каротина в биомассе водорослей в 7—9 раз больше, чем в травяной муке из люцерны, отличающейся наиболее высоким содержанием этого провитамина среди кормовых трав.

Содержание нуклеиновых кислот в одноклеточных водорослях значительно ниже (4—6 %), чем у бактерий, однако несколько выше по сравнению с растительными источниками белка (1—2 %).

Технология получения белковой массы из клеток водорослей включает выращивание промышленной культуры в культиваторах открытого или закрытого типа, отделение водорослей от массы воды, приготовление товарного продукта в виде суспензии, сухого порошка или пастообразной массы. Процесс отделения клеток водорослей от массы воды энергоемкий, так как необходимо перерабатывать большие объемы жидкости.

Вначале отстаивают клеточную суспензию, затем клетки водорослей отделяют от воды декантацией. Для ускорения осаждения клеток часто применяется метод химической флоккуляции, вызывающий быструю коагуляцию частиц. После осаждения клеточной биомассы ее пропускают через сепаратор, в результате чего происходит концентрирование суспензии до необходимой концентрации. Если требуется получить пастообразный препарат, то полученную белковую массу высушивают.

Для улучшения переваримости биомассы клеток хлореллы и сценедесмус проводится их обработка с целью разрушения клеточных оболочек.

В нашей стране наиболее распространено выращивание хлореллы, которая применяется для кормления сельскохозяйственных животных в виде суспензии (1,5 г/л сухого вещества) или сухого порошка. Суточная норма суспензии хлореллы при кормлении молодняка крупного рогатого скота - 3-6 л, взрослых животных — 8—10 л. При добавлении в корм жвачных животных муки хлореллы допускается замена 50% растительного белка белком водоросли.

животноводческих комплексов, так как в этих случаях наряду с получением кормового белка одновременно решаются проблемы, связанные с защитой окружающей среды. Так, например, выращивание культуры сценедесмус или хлореллы на стоках животноводческих комплексов в течение 15 сут позволяет почти полностью очистить их от органических веществ, исчезает запах и цвет. При культивировании водорослей на промышленных стоках или стоках тепловых станций используется отводимый с этих объектов избыток теп ла, а также утилизируется углекислота, образуемая как побочный продукт технологических процессов и в результате сжигания различных отходов.

Культиваторы для выращивания водорослей открытого типа имеются во многих странах. Крупнейшая фирма по выращиванию хлореллы «Хлорелла Сан Компани» имеется в Японии. В Болгарии на водах термальных источников культивируются водоросли хлорелла и сценедесмус, причем болгарским ученым удалось получить штаммы хлореллы без целлюлозной оболочки, вследствие чего биомасса таких клеток хорошо переваривается в организме животных. В значительном количестве белковые концентраты из водоросли спирулины производятся в странах центральной Африки и Мексике, где имеются щелочные озера.

Крупнейшим производителем различной продукции из биомассы и белков спирулины является фирма «Соса Текскоко» (Мексика). В Италии разрабатывается технология выращивания клеток спирулины на морской воде и в культиваторах закрытого типа.

В связи с тем, что биомасса водорослей рода Spirulina легко переваривается ферментами желудочного сока и характеризуется высоким содержанием белков (до 70% сухой массы), хорошо сбалансированных по приготовления продуктов питания, главным образом кондитерских изделий, обогащенных белком.

Учитывая важное значение вводимых в промышленную культуру водорослей как дополнительного источника полноценного белка для кормления сельскохозяйственных животных и питания людей, учеными разных направлений — селекционерами, генетиками, биохимиками — проводятся исследования по улучшению существующих промышленных штаммов одноклеточных водорослей и получению новых генотипов, которые должны сочетать в себе высокую интенсивность фотосинтеза, холодоустойчивость, хорошую переваримость, способность синтезировать большое количество белка лучшего качества (повышенное содержание незаменимых аминокислот) и полнее утилизировать субстрат. Важная роль в реализации таких исследований отводится методам генетической инженерии.

Белки микроскопических грибов. Ценным источником хорошо сбалансированных по аминокислотному составу белков являются клетки мицелия многих микроскопических грибов. По своим питательным свойствам белки грибов приближаются к белкам сои и мяса, вследствие чего могут использоваться не только для приготовления кормовых концентратов, но и как добавка в пищу человека. Сырьем для промышленного выращивания микроскопических грибов обычно служат растительные отходы, содержащие клетчатку, гемицеллюлозы, лигнин.

При этом одновременно решаются две важные задачи — получение деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, которые могут быть источниками загрязнения окружающей среды.

Особенно важно найти активные штаммы микроорганизмов, способные утилизировать углерод лигнина, обладающего высокой устойчивостью к разложению микрофлорой. В природе лигнин разлагается лишь грибами коричневой и белой гнили из родов Stropharia, Pleurotus, Ihortiporus, Coriolus, Stereum и др. В настоящее время в процессе исследований отобраны атоксичные быстрорастущие штаммы мезо- и термофильных грибов для промышленного культивирования из родов I'inicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichoderma. Клетки мицелия этих грибов имеют тонкую клеточную оболочку, вследствие чего очень хорошо перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. Они содержат и споем составе комплекс ароматических веществ, улучшающих их вкусовые качества, богаты витаминами и легкоусвояемыми липидами. По сравнению с дрожжевыми белки микроскопических грибов отличаются повышенным содержанием серосодержащих аминокислот и лучшей усвояемостью. Концентрация нуклеиновых кислот в грибном мицелии (I % от сухой массы) почти такая же, как в тканях растительного организма.

Вместе с тем в биомассе грибов значительно меньше, чем в дрожжах синтезируется белков (20—60 % от сухой массы) и у них относительно медленней происходит рост биомассы (удвоение биомассы через I 16 ч, тогда как у дрожжей через 2—3 ч).

Низшие мицелиальные грибы, культивируемые на целлюлозо- и лигнинсодержащих растительных отходах, вследствие их способности синтезировать комплекс гидролитических ферментов разлагают целлюлозу к мигнин до простых веществ, из которых образуются аминокислоты и белки. В целях ускорения роста грибов проводится предварительная обработка растительного сырья, повышающая доступность его компонентов для утилизации микроорганизмами. Чаще всего применяют кислотно-щелочный способ обработки целлюлозо- и лигнинсодержащих отходов, отпаривание под давлением, обработка аммиаком и каустической содой. После такой обработки происходит полное или частичное разложение трудногидролизуемых полисахаридов и лигнина, что обеспечивает ускоренный рост грибной массы и сокращение сроков промышленного культивирования грибов (до 7—8 сут).

В зависимости от способа подготовки растительного сырья для соответствующие технологии их выращивания. Для культивирования грибов на твердой мигательной среде разработан метод твердофазной ферментации, который включает измельчение и обработку растительного сырья парами воды и аммиака, обогащение этого сырья минеральными веществами, посев и выращивание мицелия грибов в заданном режиме аэрации и поддержания оптимальной температуры. Однако при такой технологии культивирования грибов коэффициент использования растительного сырья невысокий, что предопределяет и сравнительно невысокий уровень содержания белка в выращиваемой грибной массе (20—30 % от сухой массы), Так, прямое культивирование низших мицелиальных грибов на соломе и других отходах растениеводства обеспечивает включение углерода из этих источников в органическое вещество грибного мицелия ца 17—25 %.

достигается при выращивании грибов на гидролизатах растительных отходов и жидких отходах деревообрабатывающей и целлюлознобумажной промышленности, для этих целей применяют метод глубинного культивирования, как и при выращивании кормовых дрожжей.

Содержание белков в грибной массе, выращенной на жидкой питательной среде, может достигать 50—60 % от сухой массы. В целях более полного использования также практикуется совместное культивирование грибов и бактерий. Наряду с использованием растительных отходов разработаны технологии по переработке в грибной белок торфа, навоза, экскриментов животных.

Хорошая переваримость грибной белковой массы в организме животных, а также низкий уровень содержания нуклеиновых кислот позволяют ее использование в качестве кормовой добавки в значительно большей концентрации, чем кормовые дрожжи. Обычно при кормлении молодняка животных допускается введение в кормовые рационы грибного белка в пределах 15—20 % от белка корма, а при кормлении взрослых животных возможна замена в корме 50% растительного белка на грибной.

Получение незаменимых аминокислот. Получение кормовых белковых концентратов с повышенным содержанием незаменимых аминокислот позволяет балансировать корма сельскохозяйственных животных главным образом по уровню белка, тогда как оптимальный балансирования полностью не достигается. По некоторым аминокислотам почти всегда требуется для доведения их концентрации в кормовом рационе до оптимума добавление препаратов чистых аминокислот, полученных промышленным способом. В мире ежегодно производится не менее 300 тыс. тонн кормовых препаратов незаменимых аминокислот.

Возможны три способа промышленного получения незаменимых аминокислот: гидролиз белков растительного и микробного происхождения, микробиологический, а также химический синтез. Более аминокислот получают путем микробиологического синтеза. На втором месте по объему производства находится химический синтез. Основным недостатком химического синтеза является получение смеси аминокислот, состоящей из изомеров, относящихся как к D-, так и к L-ряду, тогда как биологической активностью в организме человека и животных обладают лишь L-формы. D-Формы аминокислот не превращаются ферментными системами этих организмов, а некоторые из них токсичны для человека и животных. Исключением в этом отношении является аминокислота метионин, у которой биологически активны как D-, так и L-формы, в связи с чем данная аминокислота производится преимущественно методом химического синтеза. Технологически получение аминокислот за счет гидролиза белков экономически менее выгодно, поэтому не получило широкого распространения.

Путем микробиологического синтеза образуются L-аминокислоты, являющиеся продуктами жизнедеятельности специально подобранных и отселектированных штаммов микроорганизмов, которые способны накапливать в культуральной жидкости до 150 г/л синтезируемой аминокислоты. Чаще всего для микробиологического синтеза аминокислот используются ауксотрофные мутантные штаммы, которые получают методами обычной селекции или генной инженерии. С помощью мутагенных факторов у таких ауксотрофных штаммов индуцируется мутация, в результате которой прекращается или ингибируется синтез одного из продуктов, оказывающих регуляторное воздействие на аминокислоты, в результате чего концентрация этой аминокислоты в клетках мутанта и в культуральной жидкости повышается.

На основе культивирования микроорганизмов с целью получения чистых препаратов аминокислот применяются промышленные технологии, включающие одноступенчатый и двухступенчатый синтез аминокислот.

При одноступенчатом синтезе в промышленных культиваторах выращивают ауксотрофные мутанты, являющиеся сверхпродуцентами тех выращивания производится отделение культуральной жидкости от клеток микроорганизмов, сгущение культуральной жидкости и получение из нее товарного продукта с высокой концентрацией синтезированной микробами аминокислоты. В процессе двухступенчатого синтеза аминокислоты вначале получают ее предшественник (часто наиболее дешевым химическим синтезом), а затем с помощью ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, производится превращение предшественника в аминокислоту, при этом образуются только L-форма. В качестве источника микроорганизмов, либо полученный после разрушения этих клеток ферментный раствор.

Микробиологический синтез лизина. В основу производства положены технологии с использованием одноступенчатого микробиологического синтеза, которые включают промышленное культивирование ауксотрофных мутантов бактерий из рода Corynebacterium, способных к сверхсинтезу этой аминокислоты. Обычно у диких штаммов, из которых получены ауксотрофные мутанты, сверхсинтеза лизина не наблюдается, так как у них действуют механизмы саморегуляции. В клетках бактерий аминокислота лизин синтезируется из аспарагиновой кислоты через ряд промежуточных этапов, связанных с образованием полуальдегида аспарагиновой кислоты, дигидропиколиновой кислоты и а,едиаминопимелиновой кислоты, являющейся непосредственным предшественником лизина. Полуальдегид аспарагиновой кислоты является также одним из предшественников в синтезе аминокислот- треонина, метионина и изолейцина..

Процесс синтеза всех указанных аминокислот (лизина, треонина, метионина и изолейцина) начинается фосфорилированием аспарагиновой кислоты с участием фермента аспартаткиназы, активность которого ингибируется совместным действием двух аминокислот — лизина и треонина, если они накапливаются в клетках бактерий в избыточной концентрации. Если каким-либо путем понизить концентрацию одной из этих аминокислот, то синтез другой будет осуществляться даже при условии, когда она накапливается в довольно высокой концентрации.

В процессе производства лизина кроме основного продукта полезное применение находят также побочные продукты и отходы. Так, после отделения культуральной жидкости в осадке остаются клетки бактерии продуцентов, фосфаты и другие компоненты питательной среды, которые после их высушивания могут быть использованы в качестве кормовой белковой добавки. С другой стороны, технологические стоки и промывные растворенном состоянии аминокислоты, другие ценные компоненты культуральной жидкости, остаточный лизин, объединяют и полученную смесь упаривают, а затем высушивают с наполнителем до влажности 10 %, в результате получают кормовой препарат с высоким содержанием белков (до 40 %) и незаменимых аминокислот.

В ряде стран (Япония, США) для получения лизина применяется химико-энзиматический метод, позволяющий создать высокоэффективные технологии, сочетающие достоинства химического и микробиологического синтеза.

высокоочищенных препаратов другой незаменимой аминокислоты триптофана. Для производства этой аминокислоты применяется как одноступенчатый синтез с помощью бактериальных ауксотрофных мутантов с нарушенной регуляцией, так и двухступенчатый синтез, включающий вначале получение предшественника триптофана, а затем его ферментативное превращение в конечный продукт - триптофан.

В целях промышленного получения незаменимой аминокислоты ауксотрофных мутантов бактерии Bacillus subtilis с нарушенным синтезом фенилаланина и тирозина. Все технологические процессы организованы примерно по такой же схеме, как и получение лизина с помощью мутантов коринебактерий. Ферментация длится 48 ч при 37°С, концентрация триптофана в культуральной жидкости достигает 10 г/л. После отделения высушивается при 110—120°С. Высушенный продукт называют кормовым концентратом триптофана (ККТ).

8.2 Кормовые витамины.