Главная Обратная связь

Дисциплины:






Тема Т6. Поживні середовища в біотехнології



 

Субстрати й середовища які використовуються в біотехнології, досить різноманітні, і їхній спектр безупинно розширюється (табл. 6.1). З розвитком промислових процесів відбувається нагромадження нових видів відходів, які можуть бути знешкоджені й конвертовані в корисні продукти методами біотехнології. З одного боку Біотехнологічні промислові напрямки, що розвиваються бурхливими темпами зіштовхуються із проблемою вичерпання традиційних видів сировини, тому виникає необхідність у розширенні сировинної бази, з іншого, - збільшення обсягів відходів, що накопичуються, робить необхідним розробку нетрадиційних, у тому числі біотехнологічних способів їхньої переробки.

У цей час спостерігається ріст інтересу біотехнологів до природних поновлюваних ресурсів - продуктам фотосинтезу, біоресурсам світового океану. До складу середовищ для біотехнологічних процесів входять джерела вуглецю й енергії, а також мінеральні елементи й ростові фактори. Як джерела вуглецю й енергії в біотехнологічних процесах використають головним чином природні комплексні середовища невизначеного складу (відходи різних виробництв, продукти переробки рослинної сировини, компоненти стічних вод й ін.), у яких крім вуглецевих з'єднань утримуються також мінеральні елементи й ростові фактори. Досить широко включені в розряд біотехнологічних субстратів целюлоза, гідролізати полісахаридів і деревини. Останні роки використають для одержання білка одноклітинні організми.

Таблиця 6.1 - Найважливіші групи субстратів, біологічних агентів й продуктів, які утворюються у біотехнологічних процесах

Субстрати Біологічні агенти Продукти
Меляса, сік цукрового тростнику, гідролізати рослинних полімерів. Мікроорганізми, рослинні й тварини клітини, у тому числі генетичної інженерії. Біодобрива й біоінсектециди, мікробні біомаси, діагностикуми, вакцини.
Сахара, спирти, органічні кислоти. Парафіни нафти. Напівпродукти, попередники Біотрансформації. Природний газ, водень. Відходи с/г і лісової промисловості. Відходи промисловості, у тому числі переробки фруктів й овочів. Побутові відходи, стічні води. Молочна сироватка. Картопля, зерно. Зелена біомаса рослин. Віруси. Компоненти клітин: мембрани, протопласти, мітохондрії, ферменти. Позаклітинні продукти: ферменти, коферменти. Іммобілізовані клітини мікроорганізмів, рослин і тварин, їхні компоненти й позаклітинні продукти. Біогаз. Чисті продукти, медикаменти, диагностикумы. Гормони й ін. продукти біотрансформації Органічні кислоти. Полісахариди. Білок одноклітинних. Харчові продукти. Екстракти, гидролизаты. Спирти, органічні розчинники. Антибіотики Амінокислоти. Ферменти, вітаміни. Метали, неметали. Моноклональні антитіла.

 



Кислотний гідроліз деревини при 175-190°С забезпечує вихід у середовище до 45-50 % редукуючи речовин; при більше твердих режимах гідролізу ця величина зростає до 55-68 %. З більшим успіхом в останні роки стали застосовувати гідролізати торфу, це дозволяє знизити вартість, наприклад, препаратів амінокислот в 4-5 разів. Мінеральні елементи, необхідні для росту біологічних агентів, які входять до складу поживних середовищ підрозділяються на макро- і мікроелементи. Серед макроелементів на першому місці знаходиться азот, тому що потреби в ньому в біологічних об'єктів на порядок перевищують потреби в інших елементах (фосфорі, сірці, калії й магнії). Азот зазвичай використовується мікроорганізмами у відновленій формі (сечовина, амоній або їх солі). Часто азот уводиться в комплексі з іншими макроелементами - фосфором, сіркою. Для цього в якості їхніх джерел використовують солі (сульфати або фосфати амонію). Для ряду окремих продуцентів, однак, кращими є нітрати або органічні сполуки азоту. Істотне значення при забезпеченні азотного харчування продуцента має не тільки вид, але концентрація азоту в середовищі, тому що зміна співвідношення C:N, впливаючи на швидкість росту продуцента, метаболізм, викликає сверхсинтез ряду цільових продуктів (амінокислот, полисахаридів й ін.). Мінеральні елементи необхідні для росту будь-якого біологічного агента, але їхня концентрація в середовищі залежно від біології біообєкта, що використовуєтьмс й завдань біотехнологічного процесу різна. Так, концентрація макроелементів у середовищі (K, Mg, P, S) звичайно становить близько 10-3-10-4 г. Потреби в мікроелементах невеликі, і їхня концентрація в середовищах істотно нижче - 10-6 - 10-8 г. Тому мікроелементи часто спеціально не вносять у середовищі, тому що їхньої домішки в основних солях і воді забезпечують потреби продуцентів. Окремі продуценти в силу специфіки метаболізму або поживних потреб потребують для росту наявність у середовищі ростових факторів (окремих амінокислот, вітамінів й ін.). Крім чистих індивідуальних речовин такої природи, на практиці часто використають у якості ростових добавок кукурудзяний або дріжджовий екстракт, картопляний сік, екстракт проростків ячменя, зернових відходів і відходів молочної промисловості. Стимулююча дія даних ростових факторів багато в чому залежить від індивідуальних властивостей продуцента, що застосовується, складу основного середовища, умов ферментації й ін. Додавання ростових факторів здатно збільшити вихід цільового продукту, наприклад ферментів, у десятки разів.

Традиційно склад поживного середовища оптимальний для біотехнологічного процесу, визначається методом тривалого емпіричного підбора, у ході якого на перших етапах визначається якісний і кількісний склад середовища. Було зроблено багато спроб обґрунтування складу середовищ із позицій фізіології й біохімії продуцента, але тому що потреби в поживних речовинах видо- і навіть штаммоспецифічні, у кожному конкретному випадку доводиться підбирати оптимальний для конкретного продуцента склад середовища. В останні 20-25 років усе ширше використовують математичний метод планування експериментів, математичне моделювання біотехнологічних процесів; це дозволяє обґрунтовано підходити до конструюванню поживних середовищ зробити їх економічними.

Основною вимогою, яка висувається до складу поживного середовища, є її повноцінність для росту продуцента й забезпечення синтезу цільового продукту. Мікроорганізмам потрібні з'єднання, що містять вуглець, азотисті речовини, водень, кисень. До складу середовища повинні входити такі мінеральні речовини, як магній, кальцій, фосфор, сірка, залізо, калій і деякі інші. Склад середовища для того або іншого мікроорганізму різний, однак всі продуценти засвоюють вуглець переважно у вигляді органічних сполук, водень - у вигляді води й у складі органічних сполук, кисень - з основного складу середовища й у молекулярному виді. Поживні речовини середовища витрачаються мікроорганізмами не тільки на побудову зростаючої клітки, але й на забезпечення енергією основних життєвих процесів.

Мікроорганізми дуже чутливі до складу середовища, на якому ростуть, причому одні сполуки вони споживають інтенсивно, а інші залишаються майже невикористаними. Варто пам'ятати, що не завжди інтенсивне зростання мікроорганізму сприяє максимальному нагромадженню продукту.

Оскільки переважна більшість мікроорганізмів-продуцентів являються аеробами, майже всі вуглеводи споживаються ними шляхом окислювання й основними продуктами метаболізму являються двоокис вуглецю й вода. Проміжні продукти окислювання, що накопичуються в процесі росту культури, такі, як кетокислоти, ди- і трикарбонові кислоти, альдегіди, слугують в міру споживання вуглеводів основним джерелом вуглецю в середовищі. Якщо склад середовища підібраний вірно й процес ведеться правильно, то надлишкового нагромадження проміжних продуктів не відбувається. Гарним джерелом вуглецю в середовищі можуть бути жири й масла. Це варто пам'ятати при використанні жирових піногасників. Споживанню жирів передує їх розщеплення на гліцерин і жирні кислоти. Мікроорганізми споживають також органічні кислоти й спирти.

Джерелом азоту для мікроорганізмів-продуцентів можуть слугувати складні органічні речовини, їх гідролізати й мінеральні солі. Багаті азотними речовинами кукурудзяний екстракт, соєве й пшеничне борошно, гідролізат казеїну й т.п. Мінеральний азот у середовищі звичайно представлене амонійними солями й нітратами. Органічні сполуки й амонійні солі містять азот у відновленій формі, тому він легко й швидко споживається. Азот же нітратів повинен бути спочатку відновлений і потім уже засвоєний мікроорганізмами. Цим пояснюється більша швидкість споживання амонійного азоту, чим нітратного, при їхній спільній присутності в складі середовища. Введення амонійних солей приводить до підкислення середовища, тому що в розчині залишається аніон кислоти; при введенні нітратів середовище підлужнюється за рахунок катіона, що залишається в розчині, солі. Для кожного продуцента джерело азоту варто підбирати індивідуально з урахуванням умов біосинтезу необхідного продукту.

Великий вплив на синтез ферментів має присутність у середовищі мінеральних елементів, які необхідні мікроорганізму в макро- і мікрокількостях. Для мікроорганізмів необхідні фосфор і сірка, що входять до складу найважливіших речовин клітин - нуклеотидів, білків, ліпідів, вітамінів. Фосфор бере участь у багатьох реакціях обміну речовин у клітині. Такі елементи, як залізо, цинк, мідь, кобальт і деякі інші, потрібні для синтезу ряду ферментів і білків у мізерно малих кількостях. Підвищений зміст мікроелементів часто приводить до гальмування нормального росту й життєвих процесів клітини. Більша частина мікроелементів вноситься в середовище з водою й органічними добавками - з борошном, кукурудзяним екстрактом, макухою й т.п. Макрокількості мінеральних елементів можуть бути уведені до складу середовища у вигляді мінеральних солей, але при цьому треба враховувати, що всі вони містяться в природних продуктах, що входять до складу середовищ.

Дуже часто при складанні рецептури в середовища вносять крейду, роль якої зводиться до зв'язування кислот, що утворюються, і регулюванню кислотності середовища. Крім того, вона може служити додатковим джерелом мікроелементів, які звичайно присутні в ній у значних кількостях.

Оптимальний склад середовища для кожного продуцента може бути визначений двома способами: методом емпіричного підбору й з використанням математичних методів планування експериментів. Перший спосіб був донедавна широко розповсюджений у всіх галузях промисловості, що використовують мікроорганізми. Знання фізіологічних особливостей мікроорганізмів дозволяло біологам методом підбору й зміни якого-небудь із факторів на незмінному тлі інших компонентів підібрати гарне й продуктивне поживне середовище, бо такий спосіб дуже тривалий. Більш прогресивним у біологічних дослідженнях є використання математичних методів планування експериментів, які дозволяють значно швидше знайти й обґрунтувати оптимальний склад поживного середовища.

Більшість математичних методів планування експериментів має на меті одержання математичної моделі процесу. Обробка експериментальних даних ведеться в чіткій послідовності обчислювальних операцій і може бути виконана вручну. Статистичний аналіз значимості коефіцієнтів отриманого рівняння і його адекватності досліджуваному процесу в досліджуваному діапазоні зміни параметрів процесу дозволяє з достатньою впевненістю знаходити оптимальний склад середовища й оптимальні умови культивування по отриманій математичній моделі процесу.

Середовища залежно від складу діляться на синтетичні й комплексні. Синтетичними є середовища, що складаються із цілком певних по кількісному складі індивідуальних речовин. Джерелами вуглецю в таких середовищах можуть бути вуглеводи, спирти, органічні кислоти; джерелами азоту - солі, що містять із, амінокислоти, пептиди певного складу, сечовина й т.д..

У комплексні середовища звичайно входять різні природні продукти, багаті органічними сполуками, і відходи ряду виробництв. Комплексні середовища значно дешевше, більше доступні й тому частіше використовуються в промисловості. Їхніми компонентами можуть бути дерть, борошно різних злаків, меляса, гідрол, кукурудзяний екстракт, вижимки плодів і овочів, різні макухи, замкові води, барда спиртових заводів, картопляна мезга та інші відходи картоплі і кукурудзокрохмального виробництва, а також інших харчових виробництв.

Так, для поверхневого культивування, використовують пшеничну дерть; вона повинна бути крупнолопастною, без гіркого або кислуватого присмаку. Дерть містить від 16 до 20% крохмалю, 10-12% білка, у тому числі найважливіші амінокислоти (в %): метіонін - 0,19; цистеїн - 0,30; аргінін - 1,0; лізин - 0,60; триптофан - 0,30; жир - 3,0-4,0; клітковина - 10- 30; зольні елементи (Na - 0,09, К - 1,00, Са - 0,16, Р - 0,94); мікроелементи й деякі інші речовини. Пшенична дерть - сировина дорога, тому їх можна частково заміняти іншими компонентами. Додатковий компонент, що вводиться, може відігравати роль розрихлювача середовища або ж збагачувати його відсутніми ростовими й поживними речовинами. Такими компонентами являються солодові паростки, лушпайка круп'яних культур, бурякові вижимки, тирса , вижимки плодів, овочів і ягід.

При обробці кукурудзяного зерна в крохмале-патоковому виробництві в замкові води переходить до 8% сухої речовини. Кукурудзяний екстракт - це замкові води, упарені у двох-, трьохкорпусних вакуум-випарних апаратах до вмісту сухої речовини 48-50%. Він не має постійного складу, що являється його недоліком. Кукурудзяний екстракт містить велику кількість меланоїдинів і тому має темно-коричневий колір. Він стабільний при зберіганні й широко застосовується у ферментній промисловості. Кукурудзяний екстракт є джерелом азотистих речовин, які становлять 40-50 % загального змісту сухої речовини в екстракті. Вуглеводи є нестабільним компонентом екстракту й можуть під дією молочнокислих бактерій повністю перетворюватися в молочну кислоту, зміст якої при цьому зростає до 25%. В екстракті в більших кількостях утримуються фосфор, калій і магній. Зміст зольних елементів становить 15-20% сухої речовини екстракту, а зміст фосфору може досягати 5%. Екстракт містить всі необхідні для мікроорганізмів мікроелементи, вітаміни групи В, ростові речовини й біостимулятори.

Крохмаль картопляний і кукурудзяний випускається чотирьох сортів (вищий, І, ІІ й ІІІ). Основна сортова відмінність крохмалів полягає в вмісті зольних елементів, що підвищується від вищого сорту до ІІІ з 0,35 до 1,20%. Підвищується також кислотність на суху речовину (у мл 0,1 н. розчину НС1) з 18 до 30, збільшується число зруйнованих крохмальних зерен. Кукурудзяний крохмаль у своєму складі має (в %): крохмаль - 98,5-98,8; білок - 0,60-0,35; жир - 0,62-0,70; зола - 0,17- 0,12; розчинні речовини - 0,01-0,05; інші сухі речовини - 0,10-0,13.

Гідрол є відходом виробництва глюкози із крохмалю. Він являє собою густий темний сироп, що містить від 67 до 72 % цукрів, що редукують. Гідрол не стандартний по складу. Основним цукром гідролу є глюкоза, зміст якої досягає до 80 % загальної суми цукрів, що редукують. Гідрол містить деяка кількість органічних кислот, рН гідролу близько 4,0, зольність близько 7%. У мінеральний склад гідролу входять фосфор, магній, натрій, залізо.

Соєве борошно випускається трьох видів: незнежирена, напівзнежирена й знежирена. Соєве борошно є багатим джерелом азотистих речовин, особливо білків. У ній утримується близько 25 % вуглеводів; крохмалю й глюкози майже немає (0,5- 1,0 %), але є сахароза (5-10 %), пентозани, мальтоза, раффіноза, геміцелюлози, декстрини. Мінеральний склад соєвого борошна багатий і різноманітний, зольні елементи становлять 4,5-6,5 %o У їхнє число входять калій, магній, кальцій, натрій, залізо, кремній, сірка, хлор, мідь, марганець, цинк, нікель, фосфор. У соєвому борошні втримуються вітаміни групи В, D і А. Склад кукурудзяного борошна залежить від сорту переробляємої кукурудзи. Кукурудзяне борошно містить 67-70 % крохмалю й близько 10 % інших вуглеводів (цукру, клітковина, пентозани й т.п. ). Білка в кукурудзяному борошні порівняно мало - 10-12 %, зольні елементи становлять тільки 0,3-1,0 %, а жир - близько 4 %.

Солодові ростки виходять у процесі обробки від сушеного солоду в пивоварстві. Вони містять значну кількість вільних амінокислот, азотистих речовин (до 24%), зольних елементів (близько 8%), клітковини (14%), екстрактивні безазотисті речовини становлять 42 %. У їхній склад може входити також до 5-6 % зернових домішок, що представляють собою рештки зерен солоду. Солодові ростки можна вносити в середовища безпосередньо або у вигляді їхніх екстрактів.

Пивна дробина є відходом пивоварства. Її вихід становить 22 % сухої маси сировини, що надходить у варильне відділення. Вона може використовуватися безпосередньо у вологому стані (вологість 83 %), якщо виробництво біопрепаратів організовано при пивоварному заводі, або ж у сухому виді. Дробина має жовто-коричневий колір, приємний свіжий запах. Вона містить значну кількість білкових речовин (26-27%), жир (7-8%), клітковину (17-18%), зольні елементи (4-5%), безазотисті екстрактивні речовини (близько 44 %)o

Інший відхід пивоварства - осадові пивні дріжджі. Їхній вихід при вологості 85 % становить 1,5-2 л на 10 дал пива. Відвар дріжджів або їх автолізат може служити прекрасним збагачувачем поживних середовищ, джерелом біологічно активних і легкозасвоюваних речовин. Пивні дріжджі багаті білковими речовинами (45-55%) і вуглеводами (30-40 %)., вони містять значну кількість мінеральних солей (зольність 7-9%). При використанні пивних дріжджів як компонента середовищ для ферментної промисловості потрібно їхнє обов'язкове очищення від хмелевих гірких речовин.

В якості сировини також можна використовувати біомасу інших мікроорганізмів, наприклад плазмолізовані кормові дріжджі, пропіонові бактерії (відхід виробництва вітаміну В12), екстракти з міцеліальних мас і т.п. Склад цих компонентів досить близький, але різниться змістом і набором ростових речовин і стимуляторів. Намітилася тенденція використовувати гідролізати біомас мікроорганізмів, які одержують різними способами. Для готування поживних середовищ можна використовувати відхід спиртового виробництва - фільтрат барди. Для цього фільтрат збагачують борошном або заторною масою й додають крейда для нейтралізації зайвої кислотності; фільтрат барди є нестандартним продуктом.

Для готування поживних середовищ може використовуватися здрібнена картопля або її відвар. Картопля містить велику кількість вологи (до 75 %), а основна частина сухої речовини доводиться на крохмаль. Залежно від року, сорту й умов вирощування картоплі вміст крохмалю може бути від 8 до 27%, у середньому 18-19%. У картоплі азотистих речовин порівняно мало, не більше 2 %, клітковини втримується 1 -1,5%; зольні елементи становлять 0,8-1 % (К, Na, Mg, Ca, Fe, Sі й ін.) У малих кількостях знайдені мікроелементи - марганець, мідь, кобальт, нікель, йод і т.п. Картопля містить вітаміни С, Аu цілий ряд інших речовин у сумі 2,2- 2,5%.

Бурякові вижимки являють собою здрібнений цукровий буряк після витягу з нього сахарози й деяких інших речовин на дифузійних установках цукрових заводів. Склад вижимок багатокомпонентний, основну його масу становлять безазотисті екстрактивні речовини (66%), у які входять пектинові речовини, геміцелюлози. У вижимках міститься білок (близько 8%), клітковина (22%), зольні елементи (4%).

До числа рідко використовуваних компонентів поживних середовищ можна віднести казеїн і його гідролізат, рибне борошно, рисову дерть, картопляну мезгу, вижимки плодів, ягід і овочів і т.д..

Для піногасіння використовують жири й масла, які також можуть бути джерелом харчування для мікроорганізмів. Найчастіше використовують тваринні жири, олеїнову кислоту, соняшникове, соєве, бавовняне, кукурудзяне масла. Із всіх перерахованих піногасників раціональніше всього вводити при вирощуванні олеїнову кислоту, тому що інші масла мають харчову цінність і використовуються в харчовій промисловості. Поступово вони заміняються синтетичними піногасниками.

Джерела вуглецю. Вуглець украй необхідний мікроорганізмам, тому що він визначає основні метаболічні шляхи будь-якого організму. Джерелами вуглецю можуть бути всілякі органічні сполуки, вони можуть бути використані як кістяковий матеріал при побудові клітинної речовини і як джерело енергії.

Пектинвмісна сировина (відходи переробки плодів і овочів, яблучний і буряковий пектини, а також гідролізати цих відходів) є прекрасними джерелами вуглецю при вирощуванні продуцентів пектолітичних і геміцелюлазних ферментів. При цьому, варіюючи складом середовища й концентрацією пектинвмісної сировини, можна досягати певного співвідношення окремих ферментів пектиназного й геміцелюлазного комплексу. Сприятливий вплив на біосинтетичну здатність мікроорганізмів робить лактоза, що вводиться в середовище в кількості 1,5-3 %. Наприклад, за даними А. Г. Лобанка (1978), лактоза, уведена у вигляді молочної сироватки, стимулює біосинтез целюлолітичних ферментів. У присутності лактози зростає також біосинтез пектиназ культурою A. awamorі 16 і біосинтез р-галактозидаз будь-якими продуцентами. Вибір джерела вуглецю залежить від фізіології продуцента й виду утвореного продукту, тому оптимальне дозування джерела вуглецю вибирається індивідуально для кожного мікроорганізму.

Джерелами азоту в поживному середовищі при глибинному культивуванні можуть бути мінеральні солі й азот органічних сполук. У процесі біосинтезу протеїназ джерело азоту відіграє роль не тільки необхідного компонента харчування, але й активатора процесу біосинтезу. Найкращий стимулюючий ефект виходить при введенні до складу середовища білків або продуктів їхнього гідролізу. До органічних джерел азоту ставляться різні тваринні білки (пептон, казеїн, гемоглобін, желатин, яєчний альбумін), білки рослинної сировини (знежирена соя, кукурудзяний екстракт), біомаси мікроорганізмів, а також гідролізати білків (кислотні, лужні й ферментативні), окремі амінокислоти і деякі інші з'єднання.

Як неорганічні джерела азоту використовуються різні солі азотної кислоти й амонійні солі. При виборі джерела неорганічного азоту треба насамперед обертати увагу на фізіологічний вплив аніона або катіона при виборчому споживанні азоту. Зміна рН середовища, тобто її підлужування у випадку споживання аніона або підкислення при утилізації катіона може викликати значні зміни в біосинтетичній діяльності мікроорганізму.

За даними багатьох дослідників, додавання органічних джерел азоту в багатьох випадках є більше ефективним, чим тільки неорганічних, а спільне введення в середовище азоту солей і органічних сполук може привести до їх синергетичної дії. Однак єдиної рекомендації зі складання середовищ дати неможливо й необхідно експериментальне визначення складу середовища для кожного продуцента.

Співвідношення вуглецю й азоту в середовищі. Велике значення для біосинтезу продуктів має співвідношення вуглецю й азоту в середовищі, тобто збалансованість поживного середовища по вуглецю й азоту. Дефіцит одного із цих компонентів у середовищі не може бути компенсований надлишком іншого.

Варто пам'ятати, що встановлення кращого відношення С : N при деякому незмінному рівні одного з них може не привести до досягнення оптимальної ефективності процесу й тому встановлювати оптимальне відношення С: N треба при одночасному варіюванні рівнів С и N у середовищі.

Фосфор вноситься в середовище у вигляді солей фосфорної кислоти, рідше - у вигляді органічних сполук, наприклад фітину. Фосфор може бути уведений у середовище з різними природними субстратами: відварами рослинних тканин, борошном, кукурудзяним екстрактом і т.п. Фосфор є дуже важливим елементом поживного середовища: він входить до складу АТФ, АДФ, АМФ, які забезпечують енергетичний обмін у клітині, а також здійснення найголовніших біосинтетичних процесів (синтез білків, нуклеїнових кислот, гліколіз і інші біохімічні перетворення). Фосфор інтенсивно споживається із середовища в логарифмічній фазі росту культури, що відповідає найбільш інтенсивному плину біосинтетичних процесів і утворенню клітинної речовини. Звичайно в цей період росту в біомасу із середовища переходить до 83-91 % фосфору. Потреба культури у фосфорі можна приблизно визначити шляхом аналізу золи мікробної маси продуцента.

Фосфор стимулює біосинтез протеаз, амілаз, пектолітичних ферментів. Найкращі результати виходять, якщо фосфор додатково вноситься у вигляді солей фосфорної кислоти (одно- і двохзаміщених солей натрію, калію й амонію) у середовища, що містять природні рослинні відвари, що містять фосфор.

Без вітамінів, ростових речовин, іонів металів обмін речовин у мікробній клітині малоймовірний. Але не всі мікроорганізми вимагають введення цих сполук у середовище й залежно від цього мікроорганізми діляться на два типи: ауксоавтотрофи, не потребуючі введення в середовище вітамінів і синтезуючі їх самостійно, і ауксогетеротрофи, нездатні синтезувати ряд вітамінів і потребуючі їхній обов'язкового введення до складу середовища.

Якщо продуцентом є ауксоавтотрофний мікроорганізм, введення до складу середовища ростових речовин і вітамінів не впливає на їхній ріст і розвиток. Якщо ж продуцент - ауксогетеротроф, то введення навіть невеликих кількостей ростових речовин помітно прискорює його ріст і розвиток. На жаль, багато продуцентів є ауксогетеротрофними й для них потрібне наявність у середовищі комплексу вітамінів групи В (B1, B3, В5, В6, В8), тобто біотину, інозиту, пантотенової кислоти, тіаміну, піридоксину й інших, що беруть участь у процесах біосинтезу ферментів.

Біотин бере участь у реакціях перетворення амінокислот, входить в активний центр ряду ферментів, каталізуючих процес карбоксилювання й декарбоксилування жирних кислот. Інозит, з'єднуючись із шістьма молекулами фосфорної кислоти, утворить інозитфосфорну кислоту, що сприяє росту дріжджів. Пантотенова кислота входить до складу КоА, при участі якого відбуваються найважливіші перетворення в клітці.

Джерелом вітамінів і ростових речовин у поживних середовищах звичайно являються мікробні маси й різні рослинні відходи, що входять до складу середовищ. Найбільш багатими джерелами цих сполук являються автолізати мікробних мас, у цей час для цих цілей часто використовують кормові дріжджі, плазмолізовані або піддані кислотному або ферментативному гідролізу. Багаті вітамінами й ростовими речовинами кукурудзяний екстракт, спиртова барда, відвари борошна, вижимки плодів і овочів. Але тому що ці компоненти середовища служать одночасно джерелами вуглецю, азоту, фосфору і їхня кількість у середовищі найчастіше визначається саме цими елементами, зміст вітамінів і ростових речовин у середовищах буває достатнім і не потрібно їхнього додаткового введення. Якщо ж середовище для культивування використовується синтетична, то виникає необхідність спеціального дослідження з виявлення потреби продуцента в цих з'єднаннях.

Макро- і мікроелементи являються невід'ємною частиною складу поживних середовищ. Багато іонів металів входять в активний центр ферментів або беруть участь у підтримці просторової структури ферментів й забезпечують - ензиматичну діяльність організму, обмін речовин у ньому. Більше чверті відомих у наш час ферментів відносяться до металоферментів. Вони активують процеси дихання, окислювально-відновні реакції, синтез амінокислот, жирних кислот, Цукрів, нуклеотидів, пирамідинових основ, регулюють утворення біополярних молекул білків, глікогену, нуклеїнових кислот, їхню трансформацію й розпад.

В окислювально-відновних процесах беруть участь ферменти, що вимагають присутності заліза, міді, марганцю, цинку, бору й молібдену. Активність дихання й інтенсивність розщеплення органічних субстратів залежать від специфічної активації ферментів тим або іншим металом. Таким чином, метали і їхні комплексні з'єднання є не випадковими домішками, а біологічно важливими компонентами. Мікроелементи можуть регулювати обмінні процеси в організмі й змінювати напрямок ферментативних реакцій. Синтез амінокислот каталізують ферменти, на які впливають марганець, молібден, залізо, кобальт; білки синтезуються при участі молібдену, цинку, міді, бору; на синтез ліпідів впливає наявність бору, міді, марганцю, кобальту.

Залежність потреби в мікроелементах від швидкості росту мікроорганізмів і від утворення ними ферментів встановити важко, тому що кількості мікроелементів, у яких потребують мікроорганізми, дуже малі. Про потребу в мікроелементах для біосинтезу клітинної речовини судять на підставі аналізу складу з біомаси мікроорганізму.

Потреба мікроорганізмів у макроелементах звичайно компенсується введенням відповідних солей, а мікроелементи вносяться в необхідній кількості з водопровідною водою, реактивами й рослинними відварами.

Відомо, що ріст і розвиток мікроорганізмів пов'язані зі здійсненням численних ферментативних реакцій, що протікають за законами конкурентного й неконкурентного інгібування. У поживних середовищах неминуче є присутньою деяка кількість металів, що гальмує швидкість ферментативних реакцій. При цьому залежно від концентрації ті самі метали можуть виступати як стимулятори і як інгібітори процесу. Додавання до синтетичних середовищ білків і екстрактів рослинної сировини помітно послаблює токсичну дію міді, очевидно, у результаті здатності цих речовин утворювати з міддю комплексні з'єднання.

Токсичний вплив на життєдіяльність багатьох мікроорганізмів вчинює присутність у середовищі хлору, галогенів, формальдегіду, фенолу, толуолу, бензолу й ряду інших речовин. Установлено, що для повного придушення росту багатьох мікроорганізмів досить присутності в природному поживному середовищі однієї з наступних сполук у мільйонних частках у межах: ртуть - 40-50, хлор - 125-200, формальдегід - 225- 250, кадмій - 350-500, мідь - 400-500, двоокис сірки - 1250- 1500, фенол - 2000-2500 і т.д..

Таким чином, для забезпечення процесу росту мікроорганізмів і біосинтезу ними відповідної продукції необхідно, щоб у складі поживного середовища були джерела вуглецю, азоту, фосфору, вітамінів, ростових речовин, макро- і мікроелементів у певних кількостях. Середовище повинне мати певне значення рН; для цього необхідно передбачити, щоб у процесі культивування зміна рН не позначалося негативно на життєдіяльності мікроорганізму.

Сухі компоненти для готування поживних середовищ зберігають в основному виробничому будинку чи спеціальному складському приміщенні. Поживне середовище для поверхневого культивування готують у стерилізаторі або спеціальній ємності із пристроями, що перемішують, куди дозують окремі компоненти й змішують їх з водою або водяним розчином збагачувачів (розварена маса, солі, кислоти, кукурудзяний екстракт). При глибинному способі культивування готування середовища здійснюється в спеціальній ємності. Якщо виробництво невелике, то готування середовища і її стерилізацію можна здійснювати в одному приміщенні. Але з позиції ведення раціональної технології, особливо на великих підприємствах, цех готування поживного середовища потрібно ізолювати від інших виробничих приміщень, щоб запобігти потраплянню нестерильної, забрудненої мікроорганізмами сировини в основне виробництво. Стадії готування поживного середовища й з її стерилізацією роз'єднані в різних цехах.

Методи готування різних поживних середовищ залежать від складу вхідних у середовище компонентів. Для одних компонентів потрібна попередня обробка: здрібнювання, дроблення, відварювання, екстрагування й т.п. Ці підготовчі операції проводять у спеціальних ємностях і в спеціальних апаратах. Підготовлені компоненти середовища (здрібнена макуха, глютен, картопля, розчинена в гарячій воді, і частково розведений кукурудзяний екстракт) подають при постійному перемішуванні через дозуючі пристрої в ємність для готування середовища. Залежно від властивостей компонентів середовище можна готовити шляхом їхнього розчинення або суспендування в холодній або підігрітій воді.

Ємності для готування поживного середовища можуть бути відкритими й закритими, циліндричної форми зі сферичним дном, з мішалкою і барботажними пристроями для повітря та пари й дозуючих пристроїв. Виготовляються апарати з нержавіючої сталі або з матеріалів з антикорозійним покриттям.

Останнім часом з'явилася тенденція складання поживних середовищ на основі різних гідролізатів (гідролізати рослинних відходів, мікробних мас, крохмалю й т.п.). У цьому випадку необхідні спеціальні ємності для проведення процесів гідролізу, апарати для відділення твердої негідролізуємої фракції й насоси для перекачування гідролізатів у ємність для змішування всіх компонентів. Розробляються лінії безперервного гідролізу компонентів середовища, безперервного змішування й передачі на стадію стерилізації.

Кожна партія сировини, що надійшла (дерть, макуха, паростки, бурякові вижимки і ін.) піддається мікробіологічному контролю на визначення обсім’яненності мікроорганізмами, аналізуються його біохімічний склад, вологість і т.п..

У лабораторії проводиться контрольне вирощування продуцента на новому виді сировини й уточнюється методика готування середовища: порядок дозування компонентів, їхня обробка й режими змішування.

 

 

Контрольні питання до теми Т6:

1. Наведіть класифікацію поживних середовищ.

2. Як підібрати склад поживного середовища для виробництва певного продукту?

3. Чим представлена сировинна база біотехнології?

4. Які речовини виступають в ролі ростових факторів?

 





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...