Биотехнология негіздері

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ  ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ

АҚМОЛА ТЕХНОЛОГИЯ ЖӘНЕ БИЗНЕС УНИВЕРСИТЕТІ

Технологиялық факультеті

 

Технология және стандарттау кафедрасы

 

 

 

 

 

 

 

Дәрістер 

«Биотехнология негіздері»

пәнінен

050727-«Азық-түлік өнімдердің технологиясы»,

050728-«Өндеу өндірісінің  технологиясы» мамандық студенттеріне   арналған

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана, 2008

 

1 Тақырып Кіріспе

 

Ең маңызды биоиндустрияның  өніміне келесі тағам өндірістерін жатқызуға болады (кең көлемде  дрождарды көбейту, ақуыз, аминқышқылдар, витаминдер, ферменттерді алу үшін көмірсулар мен бактерияларды қолдану); ауыл шаруашылығы (өсімдіктердің тұқымдарын  сорттау, биоинсектицид өндірісі, трансгенді жануарлар мен өсімдіктерді шығару); фармацевтік өндіріс (вакцина, синтезді гормондар, антибиотик, интерферен және жаңа дәрілердің жабдықтарын дайындау);  экология-қоршаған ортаны қорғау және бүлінудің алдын алу (су бастамаларын тазалау, шаруашылық қалдықтарын өңдеу, компостты дайындау және т.б.).

Биотехнология тамақ  өнімінде сүт өнімдерін, тамақ қышқылдарын, алкогольді напитоктарды алуда, дәстүрлі әдістермен шарықтап қана қоймайды, сонымен қатар синтезді полимер, жасанды қоспалар, метанол, этанол, биогазды және көмірсулар мен кейбір металдарды жаңа технологиямен өңдеуге негізделген.

 

Қоректі ақуыздың өндірісі

Тамақтану нормасы бойынша  адам тәулігіне тамақ өнімінен 60-120 г толық белоктарды қолдануы қажет. Ауылшаруашылық жануарлар аумақтарында әрбір қоректенбелі бірлігіне  110г кем емес толық белоктар қажет. Өмірлік функция организмін  қолдау үшін, клеткаларды тұрғызу үшін әртүрлі белоктардың  синтезі қажет.

Егер өсімдік және көптеген микроорганизмдер көмірқышқыл, су, аммиак және минералды тұздардан  барлқ ақуызды аминқышқылдарды  синтездей алатын болса, онда адам мен  жануарлар ауыстыруға келмейтін келесі аминқышқылдарды синтездей алмайды (валин, лейцин, изолейцин, лизин,  метионин, треонин, триптофан және  фенилаланин).

Бұл аминқышқылдары адам организміне дайын күйде түсуі қажет; олардың  болмауы адамдар ауыр ауру түрлеріне және ауылшаруашылықтарында  малдардң тағамдылық құндылығының  төмендеуіне әкеліп соқтырады.

Адам үшін аминқышқылдардың ең басты қайнар көзі  тағам құрамына кіретін жануар және өсімдікті ақуыздар, ол жануарлар үшін негізінен өсімдік  ақуыздары.

Барлық ауыстыруға келмейтін  аминқышқылдар  организмнің қажеттіліктеріне жауап беретіндей тамақ ақуызының  құрамында белгілі бір мөлшерде болуы қажет.

Егер өсімдік қорегінің  құрамында ақуыздар нормадан төмен  болса, аминқышқылдарының жоғарғы  қоспасымен этанолға қарағанда аминқшқыл  немесе ақуыз массасы қоректену құрамында шығынынан  құтылу және жануарлар өнімінің  жоғарлауы ақуыз санының қоректің құрамында өтеуіне әкеліп соқтырады. Сояның тұқымындағы ақуызда аминқышқылдар көбірек дағдыланған. Сонымен қатар биологиялық жоғарғы құндылықты бидайдың, күріштің және горохтың ақуыздарында да кездестіруге болады. Бидайдың тұқымының ақуызында лизин, метион және изолейцин қоспалары өзі кездеседі, ол жүгерінің ақуызында триптофан да өз  мөлшерде.Қоректі толықтыру  үшін (ең маңызды, қоспа-бидай болып табылатын) ақуыз  және ауыстыруға келмейтін аминқышқылдар бойынша концентрлі ақуыздар  қолданылады. Оларды дайындау үшін ет сүйекті  және балықты ұн, ет және сүт өнмдерінің қалдықтарын, майлы өсімдіктерді қолданады.

Тамақ өнімдерін дайындауда микроорганизмдерді ақуыз бен витаминдерден алу ең басты қызығушылық тудырады.

Экономикалық бағыттар мен мүмкіндіктер тағам өнімдерін  дайындау технологиясында келесі факторлармен ерекшеленеді:

1. Әр түрлі химиялық байланысты қолдану мүмкіндігі, сонымен қатар микроорганизмдердің өңдеуде өндіріс қалдықтары.
2. синтезді белоктардың жоғарғы қарқынымен.
3. барлық жыл мезгілдерінде микроорганзмдердің оңай технологиямен өңделуімен
4. Жоғарғы қосылысты белоктар мен витаминдердің қатысымен, сонымен қатар көмірсулар, липидтер және микробтар негізіндегі жабдықтармен.
5. Өсімдікті ақуыздарға қарағанда аминқышқылдары қосылыстың жоғарылауымен
6. Ақуызбен витаминдердің тағамдылық құндылығын арттыру мақсатында химиялық әрі гинетикалық микроорганизмдерді пайдалану.

Тағам өнімінде микробты ақуыздың қолданылуы өсімдік және жануар ақуыздарының үнемделуіне жол береді, сонымен қатар дайын тағам өнімдерінің биологиялық құндылығын  арттыруда кеңінен қолданылады.

Тағам  өнімінің өндіріснде және олардың микроорганизм негізінде  қолданылуы қатаң медико-биологиялық  зерттеулерді қажет етеді.

Тағам өнімдері микробтық  жабдықтармен өңделген жалпыжақтық  тексеруден өту керек. Ол тексеріс адам мен жануар ағзасында мутогендік, эмбриотроптың әсерін зерттейді. Токсикологиялық зерттеулер, микробты синтезді тағамдарда қолданылуы – ең басты технлогиялық өндіріс болып табылады.

 

Белоктар

Белоктардың жалпы сипаттамасы

Тіршілік –  материя қозғалысының ерекше, күрделі  формасы. Оның маңызды белгілері  – тітіркену, өсіп - өну, көбею. Материяның ең жоғарғы формасы – ойлау. Бұлардың барлығының негізінде зат алмасу жатады. Тіршіліктің мәнін құрайтын да – осы зат алмасу. Зат алмасу белоктармен және нуклеин қышқылдарымен тығыз байланысты. Белоктар – тіршіліктің негізгі нышаны. Белок жоқ жерде тіршілік те жоқ. Белоктар өмірдің материалдық негізі болып есептелінеді.

Белок деген ат ең алғаш  құс жұмыртқасының ақ затына берілген. Ол қыздырғанда ерімейтін ақ затқа  айналып ұйып қалады. Кейіннен дәл  сондай заттар  жануарлар мен  өсімдіктердің организмінен де бөліп  алынады.

1839 жылы голландия ғалымы  Мульдер бұл заттың тіршіліктегі аса маңызына көңіл аударып белокты «протеин» (грек. Protos – ең басты, ең маңызды) деп атауды ұсынды.

Белоктар немесе протеиндер деп молекуласы α – амин қышқылдарының  қалдықтарынан тұратын жоғары молекулалы органикалық қосылыстарды айтады.

Белок – организмдегі заттардың  ең күрделісі, ал оның элементтік құрамы айтарлықтай қарапайым болып  келеді. Онда 50-55% көміртек, 21-24 % оттек, 15-18 % азот, 6,5-7,5 % сутек, 0,3-2,5 % күкірт,1-2 % фосфор болады.

Кейбір белоктарда өте  аз мөлшерде (0,3-0,00001 %) темір, мыс, йод, марганец, бром, кальций, мырыш және т.б. кездеседі.

Организмде белок алуан  түрлі қызмет атқарады. Белоктың ең басты қызметі – жеделдету (катализаторлық). Себебі, барлық тірі организмдерде  зат алмасу реакциялары ферменттердің  барлығы белоктардан құралған.

Көпшілік гормандар белоктар болып келеді. Мысалы, оған жататындар : ұйқы безінің гормоны – инсулин, қалқанша безінің гормоны – тироксин, бүйрек үсті безінің гормондары –  адреналин, ми қабатының гормондары – соматотропин, окситоцин, вазопрессин және т.б.

Заттарды тасымалдауда да белоктын маңызы зор. Заттардың клетка мен органоидтар ішінде қозғалуын  белок реттеп отырады, яғни оларды активті  түрде тасымалдайды. Соңғы кезде  клетка мембранасының құрамында  түрлі тасымалдаушы белоктардың (АЦБ) болатыны анықталды.

Белок қорғаныштық қызмет атқарады. Ол организмнің иммундық (ауруға төтеп беру) қасиеттерін  жүзеге асырады.

Қанның ұюы да белоктың қорғаныстық қасиетіне мысал  бола алады. Қанның сарысуындағы фибриноген белогы фибринге өзгеріп, ақыры – фибрин шөгіп ұйыққа айналады. Сөйтіп, жарақаттанған қан тамыры түтігін бітеп, организмнің қансырауына жол бермейді.

Гемоглобин  және миоглобин белоктарының арқасында  өкпедегі және тканьдегі газалмасу, яғни тыныс алу және тыныс шығару жүзеге асырылады.

Белоктар –  энергияның көзі. 1 г белок тотыққанда 17,2 кДж (4,1 ккал) энергия босап шығады. Сонымен бірге белоктың тағы бір маңызды қызметінің бірі – оның құрылыс материалдары ретінде пайдаланылуы. Олар тіреу, бұлшықет және жабын тканьдерінің (сүйек, шеміршек, сіңір, тері) негізін құрайды.

 

Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері

Белоктардың физикалық  және химиялық қасиеттері организмнің  тіршілік әрекетінің негізін құрайды.

Белоктар –  жоғары молекулалы органикалық қосылыстар. Табиғатына байланысты белоктардың молекулалық массасы барынша өзгере алады. Кең таралған белоктардың молекулалық массасын мына сандармен межелеуге болады: инсулин – 35000, пепсин – 39000, гемоглобин – 68000, жұмыртқа альбумині – 40500.

Белоктар ерітіндісі коллоидтық сипатта болады. Көп белоктар суда, тұз ерітіндісінде және қышқылдарда ериді. Белоктардың барлығы дерлік сілтілерде жаксы ериді, ал органикалық еріткіштерде ерімейді. Белоктар лиофильды (грек. лио – ерітінді, филио- сүйемін) коллоидтық ерітінді құрады.

Коллоидты ерітінділерге молекулярлы – кинетикалық, оптикалық, электрлі кинетикалық қасиеттер тән.

Молекулярлы –  кинетикалық қасиеттері коллоидты  бөлшектердің мөлшеріне, ерітіндінің  рН мәніне, сыртқы температураға және т.б. байланысты. Белоктардың коллоидтық ерітінділері ең төмен (диффузия коэффициентіне, төмен осмос қысымына 0,273 – 0,364 Па), бірақ жоғары салыстырмалы тұтқырлық пен ісіну дәрежесіне ие болып келеді. Организмдегі судың 80 – 90 % -і белоктармен байланыста болады.

Коллоидты ерітінділерді  алудың негізгі екі жолы болады:

1. ірі бөлшектерді ұнтақтау, немесе дисперстеу әдісі. Дисперстеу әдістері: механикалық, электрлік, ультра дыбыспен дисперстеу және пептизация әдістері болып төртке бөлінеді.
2. атомдарды немесе молекулаларды агрегациялау, яғни өзара біріктіріп, ірілендіру жолы. Бұл әдісті конденсациялау деп атайды.

Конденсация әдісімен коллоидты жүйелерді алудың мынадай  жолдары бар: дисперсионды ортаны алмастыру  әдісі немесе конденсациялау және химиялық әдіс.

Белоктардың коллоидтық ерітінділерінің электрлі – кинетикалық қасиеті олардың бөлшектеріндегі қос электрлік зарядымен анықталады. Коллоидты бөлшегі ядродан, адсорбциялық және диффузиялық қабаттан тұрады. Ядро және адсорбциялық қабатты гранула, ал бүтін бір бөлшекті мицелла деп атайды.

Адсорбциялық және диффузиялық  қабаттағы қарсы иондардың арасында дзета – потенциал нольге тең болса, белок молекуласы электр өрісінде қозғалмайды. Белок зарядын жоғалтады. Белоктың бұл күйін изоэлектрлік күйі дейді. Ал, белок изоэлектрлік күйге рН – тың белгілі бір мәнінде түседі: жұмыртқа белогы 4,8, гемоглобин 6,7, лизин 5 т.т. Оң және теріс зарядтар теңесетін реакциялық ортаны, яғни изоэлектрлік күйге түсетін әр белоктың өзіне тән белгілі рН мөлшерін изоэлектр нүктесі деп атайды. Белоктардың изоэлектрлік нүктесінің нәтижесі (рН) олардың құрамындағы амин қышқылдарына байланысты.

Коллоидты ерітінділердегі  бөлшектердің өзара бірігіп іріленуін коагуляция (ұю) деп атайды. Ұю басталғанда жүйе әуелі лайланады. Іріленген бөлшектер ауырлық (салмақ) күшінің әсерінен тұнбаға түседі, яғни сидементация процесі жүреді, шөгінді пайда болады.

Коагуляция қайтымды және қайтымсыз болып екі түрге  бөлінеді. Егер коллоидты бөлшектің  тек сольватты (гидратты) қабаты ғана бұзылса, онда оны қайтымды коагуляция дейді. Ал, белок құрылымының өзгеріп, ерімейтін күйге айналуын қайтымсыз коагуляция, немесе денатурация деп атайды.

Белгілі жағдайда белок молекулуласын  гидраттаудан гельдер пайда болады. «Су – желатина» жүйесі мысал  бола алады.

Белоктар амин қышқылдары сияқты амфотерлік қасиетке ие. Құрамында  карбоксил тобымен қатар, амин тобы болғандықтан, олар қышқыл немесе негіз сияқты диссоциацияланады. Белоктар судағы ерітіндісінде ионданған түріне өтеді.

 

R       CH        COOH                     R       CH      COO^- 

         

          NH₂                                                  NH₃⁺

 

Белоктардың ерітіндісі қышқылдық  ортада оң зарядталады да, реакцияға  катион ретінде қатысады :

 

R      CH       COO^- +H⁺                       R       CH      COOH

                                                

         NH₃⁺                                                     NH₃⁺

 

Сілтілік (негіздік) ортада теріс зарядталады да, реакцияға  анион ретінде қатысады:

 

R      CH     COO^-+OH^-                         R     CH     COO^-+H₂O

                                                            

         NH₃⁺                                            NH₂

 

Белок еріткіштің реакциясына байланысты қышқыл секілді (сілті ерітіндісінде), немесе сілті  сияқты (қышқыл ерітіндісінде) диссоциацияланады. Осыған орай белок ерітіндісі арқылы электр тоғын жіберетін болсақ, онда сілті ерітіндісінде белок молекуласы анодқа, ал қышқылда катодқа қарай жылжиды. Белоктардың осы бір қасиеті, оларды электрофорез әдісімен бөлуге мүмкіндік береді. Электр өрісі әсерінен дисперсті фаза бөлшектерінің катодқа, немесе анодқа бағытталып қозғалуын электрофорез деп атайды.

Белоктарды  анықтауда бір қатар түрлі  – түсті реакциялар бар.