Лекция 9
ПРОИЗВОДСТВО УКСУСНОЙ, ИТАКОНОВОЙ, ЯБЛОЧНОЙ И ГЛУТАМИНОВОЙ КИСЛОТЫ.
Пищевые кислоты: лимонная, молочная, уксусная, винная, иногда яблочная и глутаминовая.
Уксус в виде перекисшего вина был известен за 7 тыс. лет до нашей эры, но только в 1868 году Л. Пастер установил физиологическую природу уксуснокислого брожения, вызываемого уксуснокислыми бактериями.
Чтобы уксуснокислое брожение протекало нормально, надо чтобы сахар был превращен в этонал, поэтому:
уксуснокислому брожению предшествует спиртовое, но не теми штаммами, что используют в производстве этанола. в производстве уксуса спиртовое брожение лучше всего осуществляют селекционированные штаммы винных дрожжей (Saccharomyces ellipsoids), которые помимо этанола синтезируют побочные продукты метаболизма, улучшают вкус и аромат уксуса.Уксус, полученный микробиологическим путем (пищевая уксусная кислота, столовый уксус), как и вино, различается по сортам в зависимости от сбраживаемого субстрата. Известен яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса. Уксус, полученный при брожении, имеет приятный аромат и вкус, которые обусловлены побочными продуктами брожения: сложными эфирами (этилацетат и другие), высшими спиртами и органическими кислотами.
Уксусная кислота была первым микробиологическим продуктом, полученным с помощью иммобилизированных клеток. В течение длительного времени применяется адсорбирование уксуснокислых бактерий на древесной стружке, древесном угле, древесном коксе и других субстрактах.
Пропуская раствор этанола через генераторы с иммобилизированными бактериями, получают 10-15% раствор уксусной кислоты. Из 100л безводного этанола теоретически должно быть получено 103л уксусной кислоты. На практике из 100л этанола выход уксуса редко превышает 90л, что связанно с переокислением и неполным окислением этанола уксуснокислыми бактериями, а также с его испарением. Ежегодно в мире производят 100тыс. тонн уксусной кислоты ( половину получают химическим путем, в виде технической уксусной кислоты).
Уксусную кислоту широко применяют в пищевой промышленности. Техническую уксусную кислоту используют для производства ацетона, ацетилена, синтетических красителей, медицинских препаратов (аспирин, антипирин, фенацетин), ароматизирующих веществ (кумарин, ванилин), а также как субстрат для микробиологической биотрансформации.
Ферментацию сахарозных сред осуществляют в две стадии. На первой стадии с помощью дрожжевой инвертазы получают инвертазный сахар, на второй, при помощи Acetobacter xylinum – уксусную кмслоту. Вторая стадия длиться 60 часов, за это время углеводы (их содержится 6%) сбраживаются, рН снижается до 2, на поверхности жидкой фазы образуется продукт – биофильм.
Установлено, что продуцент уксусной кислоты из рода Acetobacter, развиваясь на поверхности среды, образует слизистую пленку, которая состоит из целлюлозы (на 90%) и клеток бактерий. Если эту пленку снять, высушить и соответственно обработать, можно получить достаточно прочные биофильмы медицинского назначения. Если ожоговые раны покрыть таким биофильмом, они заживают в течение7-8 суток.
Глутамат натрия широко применяется как вкусовое вещество в пищевой промышленности и в кулинарии. Из аминокислот – глутаминовая производится в наибольших количествах. Продуцентами её являются штаммы из родов Micrococcus, Microbacterium, Corynebacterium, Brevibakterium. В основе биосинтеза её лежит два биохимические принципа:
недостаток фермента б-кето-глутаратдегидрогеназы; блокировка биосинтеза биотина.Неспособность клеток синтезировать биотин приводит к увеличению проницаемости цитоплазматической мембраны, что повышает секрецию глутамана. Он образуется в результате аминирования б-кето-глутарата, неспособного к превращению в цикле трикарбоновых кислот.
Рис. Й.
При биосинтезе глутаминовой кислоты очень большое значение имеет концентрация биотина в среде. Его концентрация должна быть 1-5 мкг/л. В этом случае нарушается нормальный синтез фосфолипидов мембраны и последняя становится проницаемой для глуманата. При концентрации 15 мкг/л наблюдается интенсивный рост биомассы. Проницаемость может снизиться также за счёт пенициллина, при добавлении его в среду во время логарифмического роста. В этом случае фосфолипиды экстрагируются из мембраны и глутамат может транспортироваться в течении 40-50 часов.
Бактериальный биосинтез глутамана позволяет получить примерно 50% на выход продукта из сахара и накапливать в среде до 200г/л глутамана. Известны методы получения глутамана на энатольных средах (60г/л) или на ацетате (98г/л).
СХЕМА БИОСИТНЕЗА ГЛУАТМАТА
глюкоза
глюкоза-6-фосфат
СО2 фосфоэнолпируват
пируват
оксалоацетат СО2
ацетил
цитрат
цис-аконит
изоцитрат
СО2
б-кетоглутарат
NH4
глутаминовая кислота
Производство яблочной кислоты.
Фумаровая кислота:
В пищевой промышленности наряду с молочной, лимонной и глюконовой кислотами используют также яблочную кислоту. Как известно, в результате химического синтеза образуется рацемическая смесь ДL-яблочной кислоты. L - изомер яблочной кислоты начали получать из фумаровой кислоты при помощь иммобилизованной фумаразы. Этот фермент катализирует присоединение к фумаровой кислоте по двойной связи молекулы воды с образованием L-яблочной кислоты. Для этих целей требуется не изолированный фермент, а клетки, содержащие фумаразу.
Фирма «Танабе Сейяку» (Япония) в качестве носителя клеток использует гель каррагина – полисахарида морских водорослей. Гранулы иммобилизированных клеток загружают в колонку, через которую пропускают раствор фумаровой кислоты, и при выходе из колонки в растворе б-яблочная кислота. Период полуанакцивации фермента 160 суток.
РАСТВОРИТЕЛИ.
Органические растворители – ацетон и бутанол широко используются не только в химической, но и в других областях народного хозяйства.
Аценот-бутиловое брожение является анаэробами и вызывается бактериями Cl. acetobutylicum. Ацетон и бутиловый спирт получают сбраживая зерновые, меласно-зерновые заторы или мелассу. Если готовят из зерна (кукурузы), муку грубого помола сначала смешивают с водой (8кг муки +100л воды). Затем затор варят 2 часа под давлением 200кПа и стерилизуют. Охлажденную до 37-42ъ С массу сбраживают в течение 2-х суток при рН 5-7. В процессе брожения в первый период образуется уксусная и масляная кислоты, водород и СО2. Затем масляная кислота восстанавливается до бутилового спирта. Ацетон образуется из продукта конденсации уксусной кислоты – ацетоацетил СоА при декарбоксилировании.
В процессе брожения образуется смесь, содержащая 6 частей бутилового спирта, Йчасть этилового спирта и 3 части ацетона. Из 3 кг крахмала получается 1 кг органических растворителей. Во время брожения в среде накапливается рибофлавин, причём чем больше, тем интенсивнее образуется ацетон.
В настоящее время после отделения растворителей, ацетнобутиловую барду концентрируют десятикратно в вакуум выпарных аппаратах и выслушивают в распылительных сушилках. Получают сухой концентрат, содержащий 60-100 мкг/л рибофлавина, и используют как кормовую добавку.
Сейчас разработан метод биосинтеза органических растворителей на основе синтетического газа. Реализован двухступенчатый непрерывный процесс. Сначала из СО образуются органические кислоты с помощью Butyribasterium methylotropicum. Затем кислоты и водород газа превращается в бутанол, этанол, ацетон.
На первой стадии процесс регулируют изменением рН. Он должен быть в интервале 6,5-5,0. При более низком рН образуется больше бутанола, чем ацетона.
Получаем мутант, который дает выход растворителей 22,7% , концентрация бутанола в среде13г/л.
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ.
Ряд микроорганизмов в процессе жизнедеятельности образуют полисахариды. Бактерии из рода Leuconostos развиваясь в сахарных растворах, порой закупоривают трубопроводы, где циркулируют эти растворы. Слизеобразным продуктом этих бактерий является полисахарид декстран – полимер глюкозы.
Zytotonas mobilis в сахарных средах образуется полисахарид леван (до 90г/л), который является полимером фруктозы. К числу микробных полимеров относят поли-в-оксимасляную кислоту. Она накапливается в клетках Azotobacter, в количестве 50-70% и служит энергетическим резервом. Это перспективное сырье для биодеградируемых пластмасс.
Крупным масштабом достигло производство ксантана (сложный полимер глюкозы, её производных и бацетил-Д-маннозы). Ксантан используют в качестве стабилизатора и сгустителя (отвердителя) пищевых продуктов, фармацевтических средств, в косметике, при добыче нефти, в металлургии.
Полисахариды изменяют характеристики растворов. Они снижают разбрызгивают и улучшают прилипание моющих средств, сохраняют кислотность и щелочность растворов, повышают из вязкость.
Биосинтез различных экзополисахаридов сильно различается. Декстран и леван синтезируются внеклеточно из соответствующих мономеров глюкозы и фруктозы при участии декстансахаразы левансахаразы. Другие полисахариды, например ксантан, синтезируются внутри клетки с активацией исходных компонентов при помощи нуклеоитидтрифосфатов и модификаций до различных специфических соединений, которые полимеризуются с образованием специфических боковых цепей, а затем при помощи носителей липидной природы транспортируются из клетки в среду.
На образование полисахаридов и отделение их от клеточной поверхности сильное влияние оказывает рН и температура среды. Температура влияет на степень полимеризации. Так, при 35˚С образуется ксантан с меньшей молекулярной массой, чем при 30˚С.
Для выделения полисахаридов обычно сначала отделяют биомассу от КЖ, затем полисахарид осаждают, отделяют и проводят механическое обезвоживание с последующей сушкой. Для осаждения полисахаридов применяют этанол, метанол или ацетат. Для получения пищевого ксантана используют изопрапанол, для получения левана – этанол.
