Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

Контрольні питання

1. В яких галузях народного господарства використовуються

ферментні препарати?

2. Які існують джерела ферментів і які з них є перспективни

ми для налагодження крупнотоннажного їх виробництва?

3. Які переваги мають мікроорганізми як джерела ферментів?

4. Які елементи є необхідними для росту мікроорганізмів –

продуцентів ферментів?

5. Якими шляхами можна підвищити продуктивність штамів

продуцентів?

6. Чим відрізняються позаклітинні ферменти від внутрішньо

клітинних і індуковані від конститутивних?

7. Які методи використовуються для культивування мікроор

ганізмів–продуцентів ферментів?

8. Які переваги та недоліки має глибинний метод культиву

вання продуцентів?

9. Які переваги та недоліки поверхневого методу культиву

вання продуцентів ферментів?

10. Які основні етапи одержання товарних форм ферментних

препаратів?

11. Якими методами виділяють позаклітинні ферменти?

12. Як виділяють внутрішньоклітинні ферменти та які методи

застосовують для дезінтеграції (руйнування) клітин?

13. У яких виробництвах використовують неочищені фермент

ні препарати?

14. Якими методами можна одержати очищені ферментні пре

парати?

15. Якими методами проводиться концентрування ферментно

го препарату?

16. Що таке стандартизація ферментів?

17. Як ідентифікуються ферментні препарати?

18. Чим відрізняються технічні ферментні препарати від очи

щених і які сфери їх застосування?

19. Як класифікуються промислові ферментні препарати і де їх

застосовують?

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

440

Розділ 21.

БІОТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА

БІЛКА

Однією із першочергових є проблема білка, яка потребує

якнайшвидшого вирішення. Вона актуальна як для людей, так і

для тварин: якщо рослини мають здатність до синтезу аміноки

слот із неорганічних азотомістких речовин, то людина і тварина

мають одержувати білки у готовому вигляді разом з харчовими

продуктами та кормом.

Якщо нестачу харчової енергії в раціоні людини і тварини

можна певною мірою компенсувати зниженням рухливості, то ні

в людини, ні у тварини немає біологічних механізмів зменшення

потреби в білку. За нестачі білка знижується працездатність і ре

зистентність людини, а дефіцит білка в раціоні тварини не дає

змогу реалізувати генетичний потенціал продуктивності і забез

печити на належному рівні стан здоров’я та їх відтворювальну

здатність. Проблема поглиблюється тим, що потреба тварин у

білку збільшується при підвищенні рівня продуктивності і при

багатьох захворюваннях, а також у стресових ситуаціях.

Всередині ХХ століття стало очевидним, що задовольнити

зростаючу потребу людей і свійських тварин у білках традицій

ними шляхами нереально. Наприклад, у 1982 р. потреби тва

ринництва в білку задовольнялись лише на 70–75 %. Дефіцит

кормового білка призводить до зниження продуктивності тва

рин на 30–35 %, підвищення собівартості тваринницької про

дукції і витрати кормів приблизно у півтора раза.

Однак проблема не зводиться тільки до одержання з раціо

ном певної кількості білка. Необхідно, щоб у ньому була достат

ня кількість незамінних амінокислот у певному співвідношенні.

Традиційно основним джерелом білка у раціоні тварин є

зерна злакових культур, але в них мало білка і він є неповноцін

ним через недостатній вміст незамінних амінокислот. Джере

лом повноцінного білка є корми тваринного походження – ан

тиіди м’ясна, м’ясокісткова, рибна, молоко і відходи його

переробки. Але ці корми дефіцитні і мають високу вартість.

Найбільш розповсюдженим у світі способом балансування ра

ціонів за білком є добавка до них соєвої муки, білок якої за

своєю біологічною повноцінністю наближається до кормів тва

ринного походження. Але ця культура трудомістка, врожаї ще

досить низькі, а звідси висока її вартість. Головним постачаль

ником сої на світовий ринок є США, на долю яких припадає 2/3

світового її виробництва. Переважно на американській соєвій

муці базується інтенсивне тваринництво Америки, Західної

Європи і Японії.

21.1. ВИРОБНИЦТВО БІЛКІВ ОДНОКЛІТИННИХ

ОРГАНІЗМІВ

Альтернативним соєвому є білок, одержаний мікробіоло

гічним шляхом за допомогою мікроорганізмів.

Вперше вислів «білки одноклітинних організмів» (БОО)

використали в 60ті роки ХХ ст. стосовно мікробних білків, які

продукуються масовими культурами дріжджів або бактерій, що

використовуються у харчуванні людей або годівлі тварин. Пе

ревагою біотехнологічного виробництва білка є те, що воно не

залежить від погодних і кліматичних умов, не потребує посів

них площ, є високоінтенсивним і піддається автоматизації.

Мікроорганізми – продуценти білків відзначаються дуже

високою інтенсивністю накопичення біомаси, яка в 500–5000

разів вище, ніж у рослин або тварин. Мікробні клітини здатні

накопичувати дуже великі кількості білка (дріжджі – до 60 %,

бактерії – до 75 % за масою). Коливання вмісту білка у сухій ре

човині біомаси мікроорганізмів може складати від 19 до 90 %

(табл. 21.1). У мікробіологічному виробництві за рахунок висо

кої специфічності мікроорганізмів відсутня багатостадійність, а

сам процес біосинтезу відбувається у м’яких умовах при темпе

ратурі 30–45

С, рН 3–6 і тиску ∼ 0,1 МПа, він менш трудоміст

кий порівняно з одержанням сільськогосподарської продукції і

органічним синтезом білків.

Мікроорганізми як продуценти білка мають перевагу і в то

му, що можуть використовувати як субстрат різноманітні речо

вини, які в основному є відходами інших виробництв. Джере

лом сировини для них є рідкі парафіни нафти, метан

природного газу і біогазу, метиловий і етиловий спирти, рос

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

442

линна сировина, відходи і побічні продукти сільського госпо

дарства і промисловості (солома, корзинки соняшника після

видалення насіння, костриця льону, коноплі, гичка, дерев’яна

тирса, стружка, целюлоза, меляса, молочна сироватка, гнойова

біомаса тощо).

Із мікроорганізмів для одержання білка найчастіше викори

стовують як продуценти дріжджі, бактерії, мікроскопічні гриби,

одноклітинні водорості. Різноманітність типів живлення мікро

організмів і їх видового складу дозволяє вибирати сировину,

яка найбільше підходить для біосинтезу, і кращі штами – проду

центи білка.

Одноклітинні організми характеризуються високим вмі

стом білка – від 40 до 80 % і більше. Білок одноклітинних

містить усі (10) незамінні амінокислоти (табл. 21.2), багатий на

лізин, який визначає його біологічну повноцінність. Добавка

біомаси одноклітинних до дефіцитних за лізином рослинних

кормів дає можливість наблизити їх амінокислотний склад до

оптимального. Недоліком біомаси одноклітинних є дефіцит сір

ковмісних амінокислот, в першу чергу метіоніну. В одноклітин

них його приблизно удвічі рази менше, ніж у рибній муці. Од

нак цей недолік має і білок сої.

Багата білками біомаса одноклітинних з високою ефектив

ністю засвоюється сільськогосподарськими тваринами. Так, 1 т

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

443

Таблиця 21.1.

Вміст білка в клітинах деяких бактерій і грибів,

% від сухої маси (Єлінов Н.П., 1995)

кормових дріжджів дає можливість одержати 0,4–0,6 т свинини,

до 1,5 т м’яса птиці, 25–30 тис. яєць і заощадити 5–7 т зерна. Це

має велике народногосподарське значення, оскільки майже

80 % площ сільськогосподарських угідь у світі відведено для ви

робництва кормів.

Шляхом селекції можна відібрати найбільш продуктивні

штами мікроорганізмів–продуцентів, які здатні ефективно ви

користовувати нові джерела сировини. Широкі можливості да

ють біотехнології рекомбінантних ДНК, завдяки яким можливо

удосконалювати або одержувати нові продуценти.

Усі ці переваги і визначили швидкий розвиток технології

одержання мікробного білка, яка є найбільш крупнотоннажною

галуззю біотехнології. Уже в 1980 р. провідним у світі виробни

ком білків одноклітинних організмів став Радянський Союз.

Виробництво білків у країні тоді досягло 1,1 млн т на рік.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

444

Таблиця 21.2.

Вміст незамінних амінокислот у білку мікробного, рослинного

і тваринного походження, % (Хазін Д.А., 1987).

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

445

21.2. МІКРООРГАНІЗМИ–ПРОДУЦЕНТИ БІЛКА

Дріжджі використовуються у різноманітних мікробіоло

гічних процесах і є дуже перспективними продуцентами білка.

Для одержання кормової білкової біомаси використовують різ

ні раси дріжджів, але найчастіше – культури родів Candidia,

Torulopsis i Saccharomyces. Ці роди мають здатність використо

вувати як гексози, так і пентози й органічні кислоти. У процесі

виробництва вони швидко адаптуються до токсичних та інгі

буючих речовин. Добре ростуть при рН 4,2–4,4.

При виробництві дріжджів використовується легкодоступ

на і дешева сировина. Традиційними для культивування дріж

джів є вуглецеві субстрати (меляса, гідролізати деревини,

молочна сироватка, відходи крохмального виробництва і сіль

ського господарства). Нетрадиційна сировина – дистиляти

нафти, налкани, синтетичний етанол і метанол тощо.

Дріжджі як продуценти білка мають низку переваг порівня

но з іншими мікроорганізмами: спосіб їх культивування в про

мислових умовах достатньо відпрацьований; клітини дріжджів

більші за клітини бактерій, що полегшує сепарацію; поживна

цінність і гігієнічні якості біомаси добре вивчені.

Вміст поживних речовин у дріджовій біомасі залежить від

виду дріжджів, умов культивування і субстрату. Кількість білка

коливається від 40 до 60 % від сухої речовини біомаси. За які

стю білка дріжджі, як і інші мікроорганізми, значно перевершу

ють рослинні корми і прирівнюються до білків тваринного по

ходження. Так, кормові дріжджі містять у 5 разів більше білка

(в тому числі лізину – в 10, метіоніну – у 5 разів і триптофану –

тричи), ніж ячмінь.

Особливу цінність кормовим дріжджам надає наявність в

них комплексу вітамінів групи В, які беруть участь в розще

пленні вуглеводів з виділенням енергії. За вмістом цих вітамінів

дріжджі перевершують усі протеїнові корми рослинного і тва

ринного походження.

Поряд з позитивними якостями дріжджі мають і деякі недо

ліки. Білок дріжджів бідний на сірковмісні амінокислоти (вміст

метіоніну удвічітричі менший, ніж у м’ясному білку) і містить

порівняно велику кількість (3–6 %) нуклеїнових кислот. Кліти

ни дріжджів мають міцну оболонку, що ускладнює доступ хар

чотравних ферментів до поживних речовин клітин і їх потрібно

дезінтегрувати (руйнувати).

Джерелом азоту для дріжджів є солі амонію або нітрати. Ву

глець вони одержують із різноманітних органічних субстратів.

Перетворення неорганічного азоту в білок і асиміляція різних

органічних субстратів як джерела вуглецю – це основні проце

си, які сприяли виробленню білка дріжджами у промисловому

масштабі.

Непатогенні бактерії. Бактерії як продуценти білка

привертають увагу великою швидкістю росту: вони ростуть у

середньому в 4 рази швидше дріжджів і майже в 30 разів швид

ше водоростей. Перевагою також є більш високий вміст білка

порівняно з іншими мікроорганізмами – 60–83 % від сухої речо

вини, а також амінокислот метіоніну і цистіну порівняно з дріж

джами. Стінки клітин бактерій легше руйнуються.

До основних недоліків бактерій можна зарахувати високий

рівень в білку нуклеїнових кислот (до 25 %), наявність в кліти

нах низку компонентів, нешкідливість яких для тварин викли

кає сумнів (циклопропанові і мультирозгалужені жирні кисло

ти, поліβ−оксимасляна кислота, αамінокислоти тощо); більш

низький коефіцієнт виходу біомаси і порівняно складний про

цес виділення її з культурального середовища через малий роз

мір клітин.

Плісняві гриби невибагливі до умов культивування і рос

туть у різних умовах кислотності, температури і осмотичного

тиску. Відмінною особливістю мікроскопічних грибів є їх здат

ність синтезувати комплекс гідролітичних ферментів, які мо

жуть утилізувати складні поліцукри і лігнін, що є малодоступ

ними для інших мікроорганізмів. Це створює можливість

прямої трансформації целюлозо і крохмалевмісних субстратів

у білок і робить мікроскопічні гриби перспективними проду

центами мікробного білка з відходів сільського і лісового госпо

дарства та деяких галузей харчової промисловості.

Як продуценти білка, амінокислот, вітамінів та інших біоло

гічно активних речовин використовують гриби родів Aspergil

lus, Fusarium, Trichoderma тощо.

Грибний білковий продукт має низку переваг: він містить

ароматичні речовини, які надають йому приємного запаху; нит

часта природа грибного білка забезпечує відносно легке відо

кремлення біомаси під час промислового виробництва; аміно

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

446

кислотний склад відзначається більш високим рівнем сірковміс

них амінокислот і наближається до амінокислотного складу

м’яса; грибний білок містить незначні кількості (1–4 %) нуклеї

нових кислот; клітинна стінка грибів тонка, завдяки чому білок

легко перетравлюється без попередньої обробки. Перспективні

як продуценти для одержання кормових білків. Грибні препара

ти використовуються для підвищення перетравності грубих кор

мів і збагачення їх різними біологічно активними речовинами.

До недоліків грибів належить порівняно низький рівень

протеїну, який коливається в широких межах (20–60 % від су

хої речовини) і відносно повільний ріст – швидкість подвоєння

біомаси грибів складає 4–16 год, дріжджів – 2–3 год.

Мікроводорості. Одноклітинні водорості є фототроф

ними мікроорганізмами й потребують для росту відмінних

умов, порівняно з іншими мікроорганізмами – продуцентами

білків. Для їх росту необхідно: світло, достатня кількість вугле

кислого газу, мінеральних речовин і певний температурний ре

жим, а сам процес потребує значних об’ємів води.

Серед великої кількості видів одноклітинних водоростей

найбільш прийнятними продуцентами є зелені протококові во

дорості роду Chlorella i Scenedesmus, а також синьозелена спі

ралеподібна водорость Spirulina. Розмір спіруліни приблизно в

100 разів більший, ніж хлорели і сценедесмуса – 500 мкм. Вона

добре росте в лужному середовищі з рН 9–11, а хлорела і сцене

десмус – у середовищі, близькому до нейтрального. Протококо

ві водорості мають міцну целюлозну оболонку, а у спіруліни її

немає.

Мікроводорості у штучних умовах культивують в основно

му на мінеральних середовищах, але вони добре ростуть і на

стічних водах, гнойовій біомасі, у солоних, прісних і лужних во

доймищах (спіруліна).

Мікроводорості належать до організмів з активним біосин

тезом білків, вітамінів, жироподібних та інших біологічно ак

тивних речовин. Вміст білка у зелених водоростей складає

45–55 %, а у спіруліни – 60 %. Білок мікроводоростей має у

своєму складі усі (10) незамінні амінокислоти. За вмістом цих

амінокислот його можна порівняти з білком кормових дріжджів

і сої. Натомість білок водоростей має низький вміст сірковміс

них амінокислот, а білок спіруліни ще й низький вміст лізину і

досить високий вміст нуклеїнових кислот.

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

447

Світовий досвід показує, що біомаса водоростей за вмістом

протеїну перевищує соєву дерть (40–65 % проти 35–40 % відпо

відно), але поступається перед соєю за вмістом жиру (2–15 %

проти 15–20 % відповідно). Але рівень збалансованості протеї

ну біомаси водоростей за амінокислотами виявився нижчим по

рівняно з білком сої. Перетравнісь протеїну протококових водо

ростей коливається в межах 45–46 % через міцну їх оболонку, а

спіруліни – 70 %.

Біомаса мікроводоростей багата каротином (1500 мг/кг су

хої біомаси, що у 7–9 разів більше, ніж у трав’яній муці вищої

якості з люцерни), містить багато вітамінів, макро і мікроеле

ментів.

Хімічний склад мікроводоростей лабільний і визначається

значною мірою умовами їх культивування. Змінюючи склад по

живного середовища й інші умови (температуру, освітлення)

можна підвищувати в мікроводоростях вміст білка від 8 до 60 %,

вуглеводів – від 6 до 37 %, ліпідів – від 5 до 85 %.

Серед мікроводоростей більш перспективною для одержан

ня білка є спіруліна, біомаса якої містить в середньому 65 % біл

ка, однак у білку міститься мало лізину.

21.3. ПРИНЦИПОВА ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА

ОДЕРЖАННЯ МІКРОБНОГО БІЛКА

Незалежно від виду сировини, яка використовується, тех

нологія одержання білка шляхом накопичення біомаси мікро

організмів (дріжджів, бактерій, мікроскопічних грибів) має за

гальну технологічну схему (рис. 21.1). Основною серед етапів

технології є стадія ферментації, а головним апаратом є фермен

тер, у якому відбувається ріст і розвиток мікроорганізмівпро

дуцентів. Під ферментацією мають на увазі всю сукупність по

слідовних операцій від внесення у заздалегідь підготовлене

живильне середовище продуцента і до завершення процесів

росту, біосинтезу або біотрансформації внаслідок вичерпування

поживних елементів середовища, припинення біосинтезу, втра

ти активності культурою або з інших причин.

У ферментер з культурою мікроорганізмів постійно пода

ється органічна сировина (джерело вуглецю), розчини міне

ральних солей, аміак і повітря, а з ферментера відбирається

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

448

Розділ21.Біотехнолоіївиробництвабіла

449

Рис. 21.1. Принципова технологічна схема одержання кормової

біомаси

(за В.А. Биковим та ін., 1987).

С"шіння

Гран"ляція

іс"шіння

Фас"вання

і"па"вання

Одержанняарячоо

повітря

Аміачнавода

З"щенняс"спензії

мірооранізмів

Комприм"вання

повітря

Зберіанняіпідо-

товасировини

Одержання

засівної"льт"ри

Приот"вання

розчинів

поживнихсолейі

міроелементів

Технолоічнавода

Термооброба

с"спензії

Концентр"вання

біомаси

Основна

ферментація

Сладотовоопрод"т"

Стерилізація

ВКР

Очищення

азоповітряних

виидів

Очищення

азоповітряних

виидів

наочищення

Ватмосфер"

пара