Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих процессов лежат реакции обмена веществ, происходящих при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
С помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты, органические кислоты и т.д.
Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, - бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по уравнению
C 6 H 12 O 6 ® 2CH 3 – CH – COOH + 75 кДж
В производстве ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гомоферментативные участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные, наряду с молочной кислотой, образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяется для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся молочная кислота подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ.
Маслянокислые бактерии превращают сахар в масляную кислоту по уравнению
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + H 2 + Q
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению
C 2 H 5 OH + O 2 ® CH 3 COOH + H 2 O +487 кДж
Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении вызывает порчу пива.
Дрожжи. Применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, в хлебопечении.
Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных клетки изолированы друг от друга, а у хлопьевидных клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. сerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей 25-30 0 С, а минимальная температура около 2-3 0 С. При 40 0 С рост прекращается, дрожжи отмирают, при низких температурах размножение приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относят большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.
Как известно, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всего сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента дрожжей b - фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде не остается глюкозы и фруктозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60 %, они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ® 6CO 2 + 6H 2 O + 2824 кДж
Так как процесс более энергетически богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под действием кислорода воздуха называют эффектом Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении.
В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Они должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата. Температура брожения 6-8 0 С.
В виноделии ценят дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.
Зигомицеты – плесневые грибы, они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоварении при частичной замене солода несоложеным сырьем и т.д.
В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, с другой - в пищевые производства попадает инфекция, т.е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве) и из окружающей среды попадают в производство.
Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.
Благодаря большому разнообразию синтезируемых ферментов микроорганизмы могут выполнять многие химические процессы более эффективно и экономично, чем если бы эти процессы проводились химическими методами. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов позволило подобрать условия для максимальной активности их как продуцентов различных полезных ферментов - возбудителей нужных химических реакций и процессов. Микроорганизмы все шире применяются в различных отраслях химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
В нашей стране создана и успешно развивается новая отрасль промышленности - микробиологическая, все производства которой базируются на деятельности микроорганизмов.
Микроорганизмы, с помощью которых производят пищевые продукты, называют культурными. Их получают из чистых культур, которые выделяют из отдельных клеток. Последние хранят в музейных коллекциях и снабжают ими различные производства.
В результате осуществляемых культурными микроорганизмами химических реакций растительное или животное сырье превращается в пищевые продукты. С помощью микроорганизмов получают многие жизненно важные продукты питания, и хотя изготовление их знакомо человеку с древних времен, роль в нем микроорганизмов открыта сравнительно недавно.
Хлебопекарное производство.
Хлебопечение основано на деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, развивающихся в тесте. Совместное действие этих микроорганизмов приводит к сбраживанию сахаров муки. Дрожжи вызывают спиртовое брожение, молочнокислые бактерии - молочнокислое. Образующиеся при этом молочная и другие кислоты подкисляют тесто, поддерживая оптимальный для жизнедеятельности дрожжей уровень рН. Углекислый газ разрыхляет тесто и ускоряет его созревание.
Применение культурных микроорганизмов в виде прессованных хлебопекарных дрожжей, сушеных или жидких заквасок улучшает вкус и аромат хлеба.
Производство сыра.
Сыроделие основано на деятельности многих видов микроорганизмов: молочнокислые (термофильный стрептококк), пропионовокислые бактерии и др. Под действием молочнокислых бактерий происходит накопление молочной кислоты и сквашивание молока, под действием других полезных микроорганизмов созревает сыр. Участвуют в этом процессе также некоторые плесневые грибы. Сычужный фермент и молочнокислые бактерии производят глубокое расщепление белков, сахара и жира. Различные бактерии вызывают накопление в острых сырах летучих кислот, придающих им специфический аромат.
Получение кисломолочных продуктов.
Творог, сметану, масло, ацидофилин, простоквашу приготовляют на чистых Культурах с применением различных заквасок. Молоко предварительно пастеризуют. Для производства творога и сметаны применяют мезофильные молочнокислые бактерии; ряженки, варенца и подобных продуктов - термофильные стрептококки и болгарскую палочку; ацидофилина - кислотовыносливые молочнокислые бактерии; кефира - многокомпонентные закваски, состоящие из дрожжей, молочнокислых и часто уксуснокислых бактерий. Для изготовления кислосливочного масла в пастеризованные сливки вносят закваску молочнокислых бактерий и выдерживают до требуемой кислотности.
Пивоваренное, спиртовое, ликеро-водочное и винодельческое производства.
Вино, пиво, квас, водку и другие напитки приготовляют с применением дрожжей, вызывающих спиртовое брожение сахарсодержащих жидкостей. В результате брожения жидкости (сусла, бражки, сока и т. п.) образуется алкоголь, СО 2 и незначительные количества побочных продуктов. Подсобную роль выполняют молочнокислые бактерии: они подкисляют среду и облегчают деятельность дрожжей (например, при производстве кваса). В производстве спирта и пива для осахаривания заторов применяют также ферментные препараты грибного и бактериального происхождения.
Квашение и соление.
Сущность этого способа консервирования состоит в создании условий для преимущественного развития одних микроорганизмов - молочнокислых бактерий и подавления развития других - гнилостных бактерий. Заквашивают капусту, огурцы, помидоры, яблоки, арбузы. Применяют этот способ также при закладывании на длительное хранение корма для скота - заквашивается зеленая масса из трав, растительных остатков и др. Этот процесс носит название силосования кормов.
Получение органических кислот.
Уксусную, молочную и лимонную кислоты производят также с помощью микроорганизмов. Молочную кислоту получают способом брожения из сахарсодержащего сырья - патоки, крахмала, молочной сыворотки и др.
Молочнокислые бактерии выращивают на средах, содержащих до 15 % сахара. Выход молочной кислоты достигает 60-70 % массы содержащегося в заторе сахара.
Промышленное получение уксуса для пищевых целей основано на уксуснокислом брожении. Уксуснокислые бактерии в специальных чанах на буковых стружках окисляют поступающую питательную среду - уксусно-спиртовой раствор - до уксусной кислоты.
Лимонную кислоту раньше получали из плодов цитрусовых. В настоящее время ее также получают путем брожения. Возбудителем брожения является гриб Аспергиллус нигер, основное сырье - черная патока. Брожение происходит в растворе с содержанием 15 % сахара в аэробных условиях при температуре около 30 °С. Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, кулинарии и медицине.
Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
История применения микроорганизмов
Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти.древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана. Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов, их биохимических свойств и возможностей применения в данной области. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности и, по всей видимости, сможет полностью удовлетворить потребности в энергосберегающих, не оказывающих вредного влияния на окружающую среду технологиях.
Несколько менее известно, но столь же важно использование микроорганизмов в горнодобывающей промышленности для извлечения металлов из растворов. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц «из моечных вод, остающихся от переработки руд. О способности микроорганизмов накапливать металлы известно уже давно, и энтузиасты издавна мечтали об использовании микробов для получения ценных металлов из морской воды. Проведенные исследования рассеяли некоторые надежды и в значительной степени определили области применения микроорганизмов. Извлечение металлов при их участии остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов.
Давно известно и о способности микроорганизмов синтезировать полимерные соединения; в самом деле, большинство компонентов клетки - это полимеры. Однако на сегодняшний день менее 1% всего количества полимерных материалов производит микробиологическая промышленность; остальные 99% получают из нефти. Пока биотехнология не оказала решающего влияния на технологию полимеров. Возможно, в будущем с помощью микроорганизмов удастся создавать новые материалы специального назначения.
Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.
Современные сферы применения
Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.
1 группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.
2 группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.
3 группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.
Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бесклеточная биотехнология.
Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.
Другие сферы применения
В медицине
Традиционные методы производства вакцин основаны на применении ослабленных или убитых возбудителей. В настоящее время многие новые вакцины (например, для профилактики гриппа, гепатита В) получают методами генной инженерии. Противовирусные вакцины получают, внося в микробную клетку гены вирусных белков, проявляющих наибольшую иммуногенность. При культивировании такие клетки синтезируют большое количество вирусных белков, включаемых впоследствии в состав вакцинных препаратов. Более эффективно производство вирусных белков в культурах клеток животных на основе технологии рекомбинантных ДНК.
В нефтедобыче:
В последние годы получают развитие методы увеличения нефтеотдачи с применением микроорганизмов. Их перспектива связана, в первую очередь, с простотой реализации, минимальной капиталоемкостью и экологической безопасностью. В 1940 - х годах во многих нефтедобывающих странах были начаты исследования по применению микроорганизмов для интенсификации притока в добывающих скважинах и восстановления приемистости нагнетательных скважин.
В пищевой и хим. промышленности:
К наиболее известным промышленным продуктам микробного синтеза относятся: ацетон, спирты (этанол, бутанол, изопропанол, глицерин), органические кислоты (лимонная, уксусная, молочная, глюконовая, итаконовая, пропионовая), ароматизаторы и вещества, усиливающие запахи (глутамат натрия). Спрос на последние постоянно увеличивается из-за тенденции к употреблению малокалорийной и растительной пищи, для придания вкусу и запаху пищи разнообразия. Ароматические вещества растительного происхождения можно производить путём экспрессии генов растений в клетках микроорганизмов.
производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.
В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.
Создание среды . Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино - из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред - ревниво оберегаемым секретом.
Стерилизация . Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным. Получение культуры . Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1-10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.
Рост в промышленном ферментере (биореакторе) . Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста - постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.
В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями
Acetobacter . Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера. Выделение и очистка продуктов . По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения - экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации. Переработка и ликвидация отходов ферментации . При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ. Микробная биомасса . Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л
. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс - получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов. Продукты метаболизма . После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.
Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов - сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения - организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).
В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.
Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин - иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) - вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин - препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин - антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.
Ферменты микробного происхождения . В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации. Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов. Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа. Рекомбинантные продукты . Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты - соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор
VIII . До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие - повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.
Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, - технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин. Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.
Биотрансформация веществ . Микроорганизмы можно использовать для превращения тех или иных соединений в структурно сходные, но более ценные вещества. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические. Наиболее известный процесс биотрансформации - получение уксуса в результате превращения этанола в уксусную кислоту. Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. ЛИТЕРАТУРА Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии (специальный выпуск журнала « Scientific American »). М., 1984Биотехнология. Принципы и применение . М., 1988
В предыдущих разделах вы уже познакомились с некоторыми приемами работы с микроорганизмами и имели возможность испробовать эти приемы на опыте. При переходе от масштаба лаборатории к промышленному масштабу биотехнологи должны решать множество проблем, касающихся в различных отраслей науки, включая биоинженерию, химию и биологию. При принятии решений в сфере промышленного производства бактерий важно учитывать как экономические, социальные, так и этические аспекты. В данном разделе мы коснемся некоторых практических сторон крупномасштабного производства, а в последующих разделах рассмотрим конкретные примеры микробиологического производства и связанные с ним проблемы.
Использование микроорганизмов
в промышленном производстве возможно по следующим причинам:
1) микроорганизмы имеют простые питательные потребности;
2) в ферментерах (больших сосудах, в которых растут микроорганизмы) можно очень точно контролировать условия роста;
3) микроорганизмы отличаются высокими скоростями роста;
4) реакции можно проводить при более низких температурах, чем на обычных химических заводах; соответственно уменьшается плата за энергию;
5) микроорганизмы обеспечивают более высокий выход продукта и более высокую его специфичность, чем обычное химическое производство;
6) можно использовать и производить широкий спектр химических соединений;
7) можно производить некоторые сложные химические соединения, такие как гормоны и антибиотики, которые трудно получить другими методами, а также специфические изомеры (такие как L-аминокис-лоты);
8) генетика микроорганизмов относительно проста, и методы генетических манипуляций с ними постоянно развиваются.
Однако необходимость применения особых методов, таких как методы стерилизации и сложные методы разделения, может повлечь за собой существенное повышение технических требований к процессу.
Скрининг
Мы знаем, что для микроорганизмов характерно огромное разнообразие химических реакций, которые они могут осуществлять, и продуктов, которые они образуют. Однако лишь небольшая часть их потенциала используется в промышленном производстве. Коммерческими компаниями, в особенности производящими лекарственные препараты, ведется постоянный поиск микроорганизмов, которые могут оказаться полезными. В надежде открыть новые коммерчески важные продукты или более эффективные способы получения имеющихся продуктов собирают и культивируют микроорганизмы со всего света, из самых разных мест обитания. Очень часто это чисто эмпирическая работа в том смысле, что существенную роль в любом открытии играет случай. Проверка микроорганизмов таким путем называется скринингом. Хороший пример - это постоянный скрининг, который проводится с целью обнаружения новых антибиотиков. Первый антибиотик был открыт в 1928 г. Александром Флемингом и назван пенициллином по названию гриба РепкШшт, который его вырабатывает. Природные антибиотики - это химические вещества, синтезируемые микроорганизмами и убивающие другие микроорганизмы или подавляющие их рост. Начиная с 1928 г. из микроорганизмов было выделено более 5000 различных антибиотиков, включая ряд различных пенициллинов, слегка различающихся по структуре и активности. Большинство из обнаруженных антибиотиков непригодно для медицинских целей, главным образом из-за их высокой токсичности. Однако представители рода Streptomyces оказались чрезвычайно богатым источником различных антибиотиков, включая стрептомицин.
Антибиотики используются для лечения бактериальных или грибковых заболеваний человека и домашних животных. Некоторые из них подавляют также рост раковых опухолей. По-видимому, антибиотики являются продуктами вторичного метаболизма. При систематическом скрининге всегда есть надежда найти новое «чудо-лекарство» или микроорганизм, который продуцирует известный антибиотик, но с улучшенными свойствами.
