- •020209.65 «Микробиология»
- •Глава 1. Характеристика микроорганизмов - объектов биотехнологических производств
- •1.1. Строение прокариотической (бактериальной) клетки
- •1.2. Размножение бактерий
- •1.3. Строение эукариотической клетки
- •1.4. Характеристика наиболее важных представителей различных классов грибов, их размножение
- •1.5. Дрожжи. Их формы, размеры. Размножение дрожжей. Принципы классификации дрожжей
- •Глава 2. Метаболизм. Принципы регуляции обмена веществ микрорганизмов
- •Глава 3. Генетика микроорганизмов. Пути совершенствования микробиологических производств методами генной инженерии
- •3.1. Генотип и фенотип микроорганизмов
- •3.2. Формы изменчивости микроорганизмов
- •3.3. Типы мутантных штаммов продуцентов
- •3.4. Способы получения мутантных штаммов микроорганизмов
- •3.4.1. Селекционные методы получения мутантов
- •3.4.2. Генетическая модификация микроорганизмов
- •3.4.3. Методы генной инженерии
- •3.4.4. Конструирование рекомбинантной днк
- •3.4.4.1. Встраивание днк в вектор
- •3.4.4.2. Генетическая трансформация клеток бактерий
- •3.4.4.3. Экспрессия чужеродных генов в клетках бактерий
- •Глава 4. Культивирование микроорганизмов
- •4.1. Рост и развитие микроорганизмов
- •4.2. Оптимальные условия культивирования
- •4.3. Промышленные способы культивирования микроорганизмов
- •Глава 5. Общие принципы биотехнологических производств
- •5.1. Основная схема технологического процесса
- •Х ранение
- •5.2. Этапы технологического процесса
- •5.2.1. Приготовление питательной среды
- •5.2.2. Подготовка посевного материала
- •5.2.3. Ферментация (культивирование)
- •5.2.4. Выделение целевого продукта
- •5.2.5. Очистка целевого продукта
- •Глава 6. Производство микробной биомассы
- •6.1. Получение и использование биомассы одноклеточных
- •6.1.1. Получение дрожжевого белка
- •6.1.2. Получение бактериальной биомассы
- •6.1.3. Получение грибного белка (микопротеина)
- •Получение водорослевого белка
- •6.2. Получение энзиматически активной биомассы
- •6.2.1. Получение хлебопекарских дрожжей
- •6.2.2. Получение заквасок молочной промышленности
- •6.2.3. Получение бактериальных удобрений
- •6.3. Получение и использование микробных инсектицидов
- •6.3.1. Получение бактериальных энтомопатогенных препаратов
- •6.3.2. Получение грибных энтомопатогенных препаратов
- •6.3.3. Получение вирусных энтомопатогенных препаратов
- •6.4. Получение и использование вакцин
- •Глава 7. Производство ферментных препаратов
- •7.1. Технология получения ферментов микроорганизмов
- •7.2. Иммобилизованные ферменты
- •7.3. Иммобилизация клеток
- •7.4. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток
- •Глава 8. Получение продуктов микробиального синтеза
- •8.1. Биотехнология получения первичных метаболитов
- •8.1.1. Производство аминокислот
- •8.1.2. Производство витаминов
- •8.1.3. Производство органических кислот
- •8.2. Биотехнология получения вторичных метаболитов
- •8.2.1. Получение антибиотиков
- •8.3. Биотехнология получения метаболитов, с использованием генномодифицированных микроорганизмов
- •Глава 9. Использование микроорганизмов в пищевой промышленности
- •9.1. Производства, основанные на спиртовом брожении
- •9.1.1. Хлебопекарное производство
- •9.1.2. Производство пищевого спирта
- •9.1.3. Производство пива
- •9.1.4. Производство вина
- •9.2. Производства, основанные на молочнокислом брожении
- •9.2.1. Производство кисломолочных продуктов
- •9.2.2. Производство сыров
- •Глава 10. Использование микроорганизмов в охране окружающей среды
- •10.1. Биологическая обработка органических отходов
- •10.1.1. Биологическая очистка сточных вод
- •10.1.2. Биологическая обработка твердых отходов
- •10.2. Биоремедиация загрязненных почв и грунтов
- •Глава 11. Использование микроорганизмов в технологии металлов
Глава 7. Производство ферментных препаратов
Ферменты как биологические катализаторы нашли широкое применение в практике. Их использование в промышленности выгодно с экономической и экологической точек зрения, поскольку они нетоксичны, работают в мягких условиях, используют доступное сырье (в том числе и отходы).
По объему производства ферменты занимают третье место после аминокислот и антибиотиков. Основная часть ферментов, поступающих на мировой рынок, приходится на долю гидролаз, из которых 60 % составляют пептидогидролазы (в основном щелочные и нейтральные протеазы), использующиеся в качестве детергентов в производстве синтетических моющих средств, а 30 % – гликозидазы, применяющиеся в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков. Ферменты находят применение в текстильной, кожевенной, целлюлозобумажной, медицинской, химической промышленности (табл.7.1). Основным потребителем ферментов является пищевая промышленность. Главное место среди энзимов, применяемых в пищевой промышленности, занимают глюкоизомераза и глюкоамилаза и составляют около 50 % рынка пищевых энзиматических препаратов.
Ферменты широко используют в медицине, например в заместительной терапии в составе лечебных препаратов. Эффективно применение протеиназ в энзимотерапии злокачественных новообразований. Это объясняется большей проницаемостью мембран раковых клеток для гидролитических
Таблица 7.1.
Применение ферментов (по Т.А. Егорова, 2003)
Название |
Источники фермента |
Химический и биотехнологический процессы. Область использования фермента |
Амилазы |
Бактерии, грибы (Bacillus, Aspergillus niger, A. oryzae) |
Гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы. Спиртовая, пивоваренная промышленность, хлебопечение, получение патоки, глюкозы |
Глюкоизомераза |
Более 80 видов микроорганизмов (Bacillus, Streptomyces albus, S.griseus) |
Изомеризация D-глюкозы в D-фруктозу. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, хлебопечение |
Глюкооксидаза и каталаза |
Penicillium chrysogenum, P.casei, P.nigricans, P. notatum, P.vitale. Aspergillus niger, Corynebacterium
|
Удаление кислорода и глюкозы (из яичного порошка, мясных и других продуктов). Виноделие, пивоваренная, консервная, безалкогольная промышленность |
Липазы |
Поджелудочные железы животных, семена растений, микроорганизмы (Candida lipolytica, Streptomyces flavogriseus, Aspergillus, Saccharomyces lipolytica) |
Гидролиз жиров и масел. Пищевая, легкая, медицинская промышленность, сельское, коммунальное хозяйства, бытовая химия |
Пектиназа |
Многие микроорганизмы (Aspergillus, Fusarium, Penicillum и др.) |
Гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков |
Пептидогидролазы |
Поджелудочные железы и слизистая желудка животных; плоды, и побеги, отходы переработки некоторых растений (дынное дерево, инжир, ананас), микроорганизмы (Ваcillus, Aspergillus, Penicillium, Streptomyces, Pseudomonas) |
Лизис белка. Получение аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных рыбных изделий, выделка кожи, активизация пищеварения. Пивоварение, виноделие, хлебопечение, пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина |
Целлюлазы |
Микроорганизмы (Clostridium, Trichoderma reesei, Т. viridae, Alternaria tenuis, Aspergillus oryzae, Fusarium culmorum)
|
Гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых белковых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратная промышленность, хлебопечение, кормопроизводство |
Фруктофуранозидаза |
Микроорганизмы (Aspeigillus, Penicillium, Fusarium, Cercospora beticola, Bacillus subtilis, Е. coli, Saccharomyces cerevisiae, Streptococcus mutans) |
Инверсия сахарозы Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, сиропопроизводство |
ферментов в сравнении с нормальными клетками, благодаря чему опухолевые клетки быстро лизируются при введении смеси протеиназ (препарат «папайотин»). Протеолитические ферменты – плазмин и активирующие его стрептокиназу и урокиназу используют для растворения тромбов в кровеносных сосудах; коллагеназу – для рассасывания рубцовых образований; эластазу – для задержки развития атеросклероза; лизоцим – для лечения конъюнктивитов; дезоксирибонуклеазу из стрептококка (стрептодорназа) – для лечения заболеваний верхних дыхательных путей и роговицы глаза.
Важнейшую область применения ферментов в медицине составляет энзимодиагностика – тестирование патологии того или иного органа человека по уровню активности фермента или соотношению его множественных форм и изоферментов. Так, аспартатаминотрансфераза, изоцитратдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа и альдолаза служат для выявления инфаркта миокарда; аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза и лактатдегидрогеназа – для диагностики заболеваний печени; глутамилтрансфераза – для блокировки отторжения органов при их пересадке и т.д.
Большее развитие получают технологические процессы с участием сложных энзиматических систем, включающих коферменты.
Разработаны системы разделения рацематов посредством стереоспецифического активного транспорта.
Для деградации и модификации антропогенных органических соединений, поступающих в окружающую среду, используют ферменты разных классов и в том числе лигниназу, тирозиназу, монооксигеназу, диоксигеназу и др. Перспективна для очистки сточных вод новая технология, основанная на использовании реакции пластеинообразования. Сущность пластеинообразования заключается в синтезе белковоподобных веществ (пластеинов) под действием ряда протеолитических ферментов. Данная технология нацелена на производство в промышленных масштабах кормовых белков из аминокислот и пептидов сточных вод.
Источники ферментов. В качестве источников ферментов используют природные объекты в которых содержание искомого энзима составляет не менее 1 %:
растительные организмы только на определенной фазе их развития (проросшее зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы ряда растений);
отдельные ткани и органы животных (поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных);
микроорганизмы (бактерии, грибы, дрожжи), содержащие набор большинства известных в настоящее время энзимов, количество которых можно повысить в десятки и сотни раз методами мутагенеза, селекции и индукции биосинтеза.
Существует ряд факторов, влияющих на биосинтез ферментов. В первую очередь, к ним относится генетический. Состав и количество синтезируемых ферментов наследственно детерминированы. Несмотря на определяющую роль генетического фактора в биосинтезе ферментов, производительность биотехнологических процессов зависит и от состава питательной среды. При этом важно не только наличие источников основных питательных веществ, но и веществ, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп (теория Ф.Жакоб и Ж.Моно). Например, при разработке процесса биосинтеза α-амилазы культурой Asp.oryzae замена сахарозы (как источника углерода) на крахмал увеличила активность фермента в 3 раза, добавление солодового экстракта (из проросших семян злаковых) ещё в 10 раз, а повышение концентрации основных элементов питательной среды на 50 % – ещё в 2 раза.