Лекция 1- кіріспе. Микробиология пәні мен биотехнология сабақтастығы

.
Лекция 9 – Микроорганизмдер көмегімен түрлі органикалық қосылыстарды алу технологиясы (микробты белок және амин қышқылдарының өндірісі)

2.Микробты белок алу

3. Амин қышқылдарын алу

Белоктар кез келген ағзаның міндетті компоненттердің бірі б.т. Олар аса маңызды өмірлік функцияларды атқаратыны белгілі. Өсімдіктердің вегетативті массасының 5-15% белоктар үлесіне тисе, астықтұқымдастардың дәнінде ол көрсеткіш 8-18 %, майлы дақылдар дәнінде 16--28 %, бұршақтұқымдастарда 20--40% құрайды. Адам және жануарлар ағзасынынң құрғақ затында белоктың массалық үлесі 20-80% жетеді. Демек, клеткалар мен тканьдердің түзілуіне және тіршілікке маңызды функцияларды іске асыру үщін ұдайы белоктардың синтезі қамтамасыз етіліп тұруы қажет.Белокты молекулаларды түзу үшін ағзалар 18 амин қышқылы мен 2 амидті қосылысты пайдаланады. Бірақ белок биосинтезі кезінде амин қышқылдарының құрылымы өзгеріске түскендіктен, ағзада 26 түрлі амин қышқылы кездеседі. Өсімдіктер мен МО тіршілігіне қажетті аминқышқылдарын өздері түзеді, ал адам және жануарлар ағзасында кейбір амин қышқылдары түзілмейді, сондықтан ол тамақтан түсіп отыруы тиіс.Ондай амин қышқылдары ауыстырылмайтын а.қ. д.а., оларға валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фениланин жатады.

Құрамындағы витаминдері жағынан ашытқылардан алынған жем қоспасы басқаларынан жоғары тұрады. Сонымен бірге ашытқы клеткаларында микроэлементтер және майлар болады. Азықтық ашытқыларды малға беру арқылы алынатын өнім сапасы және шығымы арта түседі.

Құрамында гидролитикалық ферменттері бар полисахаридті ортада алдын ала гидролизсіз өсетін ашытқы түрлері қызығушылық туғызады. Ондай ашытқы түрлерін пайдалану құрамында полиқанттары бар қалдықтарды алдын ала ыдырату кезеңін қысқартуға мүмкіндік береді. Көміртек көзі ретінде крахмалды ғана пайдаланатын 100 шақты ашытқы түрі белгілі. Олардың ішінде глюкоамилаза және β-амилаза түзіп крахмалды сіңіріп қана қоймай, оны ашыта алатын Schwanniomyces occidentalis және Saccharomycopsis fibuliger ашытқылары жоғары экономикалық коэфицент көрсетеді. Екі ашытқы түрі крахмалды қалдықтарда өсетін белок және амилолитикалық ферменттердің продуценттері б.т. Сондай-ақ целлюлозаны ыдыратуға қабілетті штамдар іздестірілуде. Клеткасында целлюлаза ферменті бар МО Trichosporon pullulans жатады, бірақ фермент мөлшері өте төмен болғандықтан ол МО өндірістік ауқымда қолдану тиімсіз.

Соңғы жылдары белок продуценттері ретінде бактерияларды пайдалануға болатыны анықталды. Олар тез өсіп, биомассасында 80 % дейін белок болады. Бактериялар селекцияға оңай түскендіктен, өнімділігі жоғары штамдар алуға мүмкіндік бар. Бірақ белок өндірісінде белоктарды пайдалану кемшілігіне олардың тұнбаға қиын түсуі, фагты инфекцияларға сезімталдылығы, биомасса құрамында НҚ көп болуы жатады. НҚ көп болуы оларды адам тамағына пайдалануды тиімсіз етеді, себ. НҚ несеп қышқылына айналып, түрлі аурулардың себебі болуы мүмкін.

Белок продуценттерініңтағы бір тобы-саңырауқұлақтар. Олар құрамы алуан түрлі органикалық шикізатты, меласса, сүт сарысуын, өсімдік сөлін, лигнинді және целлюлозды қатты қалдықтарды ыдырата алады. Саңырауқұлақ мицелийі белокты заттарға бай және амин қышқылдық құрамы жағынан соя белоктарына жақындайды. Онымен қатар саңырауқұлақ мицелийінде астық дақылдарында кездеспейтін лизин амин қышқылы болады. Саңырауқұлақ белогының биол. құндылығы жоғары және тез сіңіріледі. Сондай-ақ саңырауқұлақ мицелийінің құрылысы талшықты болғандықтан жасанды ет алуға қолданылады.

Саңырауқұлақтар субстрат ретінде глюкоза және басқо қор. заттарды пайдаланады, азоттың жалпы көзі ретінде аммиак және аммоний тұздары алынады. Ферментация кезеңі біткен соң культураны РНҚ арылту үшін термоөңдеуден өткізеді де мицелийді вакуумді фильтрлеу арқылы бөліп алады.

Белокты заттардың көзі ретінде балдырлар да бола алады. Фототрофты қоректену және биомассаны түзу барысында балдырлар атмосфераның көмірқышқыл газын пайдаланады. Балдырларды тоғандардың беткі жағында өсіріп, 0,1 га ауданнан алынатын белок мөлшері 14 га бұршақ алқабынан өндірілген белок мөлшеріне теңеседі. Балдырлардан алынған белок азықтық әрі тағамдық мақсатқа жарамды.

Зат пен энергия көзі ретінде микроорганизмдер алуан түрлі субстраттарды пайдалана алады. Өндірісте МО өсіру үшін көміртекке бай әрі арзан субстрат болу тиіс. Бұл талапқа мұнайдың тармақталмаған парфиндері жауап береді. Мәселен МО 1 кг мұнайды өңдеп 1 кг белок түзсе, 1 кг қанттардан 500г белок шығады, яғни өнім шығымы субстратқа қатысты 1/1 қатынаста болады. Өнім сапасы парафиндердің тазалық дәрежесіне байланысты. Мұнай қалдықтарында өсірілген биомассаны парафин қалдықтарынан арылту – біршама күрделі мәселе. Парафиндер таза болса, оларда өскен биомасса жануарлар рационында қолдануға болады. Мұнай парафиндерінде жақсы өсетін МО- Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica жатқызамыз.

Белок продуценттерін дақылдауда көміртектің перспективті көзі ретінде метил спиртін атауға болады. Метанолды микробты синтез жолымен ағаш, сабан, қала қалдықтары негізінде өндіруге болады. Алайда метанолды субстрат ретінде қолдану химиялық құрамына байланысты қиыншылық туғызады. Себебі көпшілік органикалық қосылыстар синтезі 2көміртекті молекулалар арқылы іске асады, ал метанол молекуласында тек 1 ғана С молекуласы бар. Метанолды субстраттарда ашытқылардың 25 түрі өседі, соның ішінде Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Белокты метанолды пайдалана отырып өндіру тазартылған н-парафиндер негізіндегі өндіріске қарағанда 10-15% арзанға түседі. Сонымен бірге метанолға минералды тұздар қосқан жағдайда бактерияларды да өсіруге болады. Белок продуценттері ретінде Methylomonas туысының бактерияларын атайды. Метанолда Methylophilus methylotrophus бактерияларын өсіру тиімді, себебі олар бір көміртекті қосылыстарды жеңіл игереді. Метанолда өскен бактериялар биомассасының мөлшері ашытқыларға қарағанда көп. Себебі ашытқыларда метанолдың тотығуын оксидазалар катализдесе, бактерияларда дегидрогеназалар катализдейді. Соған орай бактериялар ферментін ашытқыларға енгізуге бағытталған, яғни ашытқылардың жоғары технологиялылығына бактериялардың өсу эффективтілігін телу мақсатындағы зерттеу жұмыстары жасалуда.

Субстрат ретінде этанолды пайдалану биомассаны зат алмасу процестерінің аномалды өнімдерінен тазарту қажеттігін төмендетеді. Ондай өндіріс бағамы біршама жоғары.

АҚШ, Жапония, Канада, Германия, Ұлыбритания елдерінде биогаз негізінде белок өндіру технологиялары жетілдірілген. Ол жағдайда биомасса шығымы субстраттың 66% құрайды. Ол мақсатта метанды қорытатын Methylomonas бактериялары, метанолды ыдырататын Hypomicrobium және Pseudomonas бактериялары және метилотрофты емес бактерияларының аралас культуралары қолданылады. Ол культураға жоғары өсу жылдамдығы мен өнімділігі тән. Метанда өсетін бактериялар қышқыл ортаға төзімді, демек инфекцияларға төзімді келеді.

Микробты синтез субстраты ретінде сондай-ақ минералды көміртек – көмірқышқыл газы да бола алады. Тотыққан көміртегі микробалдырлар көмегімен күн энергиясының әсерінен және сутектотықтырғыш бактериялармен сутек қатысында тотықсызданады. Малға азықтық қоспа етіп балдырлар суспензиясын берсе тиімді.

Белокты сутектотықтырғыш бактериялар көмегімен алу тиімді тәсілдердің бірі. Ондай бактериялар сутекті ауадағы оттек әсерінен тотықтыру нәтижесінде дамиды. Пайда болған энергия көмірқышқыл газын игеруге жұмсалады. Биомасса өндірісінде әдетте Hydrogenomonas бактерияларын қолданады.

Микробты синтез үшін қолжетімді әрі арзан көміртек көзі деп өсімдік биомассасын атауға болады. Кез келген өсімдіктер бойында қанттар болады. Целлюлоза глюкоза молекулаларынан тұрады. Гемицеллюлоза арабиноза, галактоза, манноза, фруктоза қалдықтарынан құралған. Ағаштың полисахаридтері өзара ыдырамайтын лигниннің қатты оксифенилпропанды буындары арқылы қосылған. Сондықтан ағаш гидролизі тек қана катализатор мин. қышқыл қатысында, жоғары температурада өтеді. Ол кезде моноқанттар – гексозалар және пентозалар түзіледі. Сұйық гидролизат фракцияларында ашытқылар өсіріледі. Бірақ ағаштың қышқылды гидролизі кезінде қажетсіз өнімдер (фурфурол, меланиндер) түзіліп, жоғары температурада қанттардың карамелизациясы жүреді. Аталған заттар ашытқы клеткаларының өсіп дамуына кедергі жасайды. Сондықтан гидролизат тазартылып барып субстрат ретінде қолданысқа түседі. Целлюлозада өсетін белок продуценттері ретінде Candida scotti и C.tropicalis айтуға болады.

Фотосинтез өнімдерінің саңырауқұлақтар көмегімен белокқа айналуының жолы, яғни тура биоконверсия әдістері ерекше қызығушылық туғызады. Бұл ағзалар күрделі өсімдік субстраттарын алдын ала өңдеусіз, өзінің ферментативтік жүйелерінің арқасында ыдыратады. Бірақ бұл МО кең ауқымды өндірісте қолдану технологиялары көп кездеспейді. Микробты саңырауқұлақтардың ішінен белок өндірісінде целлюлоза ыдыратушы қасиеті бар Chaetomium cellulolyticum түрін пайдаланса болады, оның биомассасын беттік және тереңдік дақылдау әдісі арқылы алады. Ақырғы өнімдегі белок мөлшері 45% жетеді.

Көптеген сүт өндіруші елдерде сарысуды утилизациялау әдісі ретінде жануарларға беру б.т. Сарысу белогының конверсия дәрежесі жоғары болмайды -1 кг жануар белогын алу үшін 1700кг сарысу қажет. Сүт сарысуының лактозасы белокты биомасса синтезі үшін таптырмайтын субстрат бола алады. Барлық МО ішінде сарысу белогын конверсиялау көрсеткіші жоғары болатын ағзалар түрі – ашытқылар. Ашытқылардың барлық түрлерінің 20% лактозаны сіңіре алады. Лактозаның белсенді катаболизмі Kluyveromyces ашытқыларына тән. Оларды сүт сарысуы негізінде белок, этанол және β-глюкозидаза препараттарын алу үшін қолдануға болады. Алғашқы кезде сүт сарысуында ашытқыларды Германияда өсіре бастады. Продуценттер ретінде сахаромицеттердің түрлі штамдары алынды. Қазіргі кезде продуцент етіп Candida, Trichosporon, Torulopsis ашытқылары пайдаланылады. Құрамында ашытқылары бар сарысу бастапқы шикізаттан биологиялық құндылығы жағынан жоғары болғандықтан сүт алмастырғышы ретінде қолданса болады.