Біосинтез лікопіну

 Не дивлячись на те, що основні властивості лікопіну пов’язані з його антиоксидантною дією, є дані про його вплив на модуляцію міжклітинних взаємодій, ендокринну та імунну системи [3].

1.4 Галузі застосування та потреба на ринку

 У вигляді різних лікарських форм цю сполуку застосовують для комплексної профілактики ряду онкозахворювань, також при лікуванні катаракти, атеросклерозу, ішемічної хвороби серця.

  Однією із важливих проблем людства  є серцево-судинні захворювання.  Наукові дані свідчать, що окиснення ліпопротеїдів низької щільності, внаслідок якого до крові  потрапляє холестерин, викликає розвиток атеросклерозу та ішемічну хворобу серця. Дослідження показали, що вживання лікопіну допомагає знизити ймовірність появи цих захворювань. Це жиророзчинний антиоксидант  транспортується через ліпопротеїди, всмоктується та запобігає їх окисненню [5].

Куріння, забруднення навколишнього  середовища та радіація збільшують кількість  вільних раликалів до рівня, з  яким організм людини не може боротися самостійно. З віком природна здатність  захищати від цих сполук падає, тому курці та люди літнього віку знаходяться  в зоні ризику.

Рак простати досить поширене захворювання серед чоловіків. Ризик  його виникнення збільшується з віком. До зовнішніх факторів можна віднести спосіб життя, паління тощо. Тому дуже важливим є питання профілактики даного захворювання [4].

Після проведення ряду досліджень було виявлено, що споживання лікопінвмісних продуктів, зокрема помідорів, знижує ймовірність появи даного захворювання. При включенні їх до раціону хворих пухлинні утворення зменшуються  в розмірах та регресують.

Споживання помідорів, томатних паст, соків та соусів 2 рази в тиждень  зменшує ризик появи раку простати на 21-34%. Люди літнього віку, в раціоні яких є томати в 2 рази рідше помирають від онкозахворювань.

Серед ряду каротиноїдів лише лікопін здатен знизити ризик виникнення раку простати.

Серед жінок найрозповсюдженішим видом онкозахворювань є рак молочної залози. Вживання різноманітних фруктів та овочів допомагає боротися з хворобою. При регулярному споживанні томаті вможна попередити хворобу. Саме лікопін, що входить до складу цих овочів інгібує розвиток ракових клітин [5].

В Ізраїльському Університеті Бен Гуріон були проведені дослідження, які показали що лікопін ефективніше  гальмує розвиток захворювання ( перешкоджає переходу із однієї фази в іншу), ніж β-каротин.

Серцево-судинні захворювання все частіше зустрічаються серед  населення. Наукові дані свідчать про  те, що окиснення ліпопротеїдів низької  щільності,  при якому холестерин виділяється в кров грає важливу роль в розвитку атеросклерозу та ішемічної хвороби серця [5].

Лікопін є жиророзчинним  антиоксидантом, що транспортується  в крові через ліпопротеїди. Засвоєння  барвника дозволяє попередити окиснення  ліпопротеїдів низької щільності.

Лікопін також зупиняє  падіння зору у літніх людей.

Регулярне споживання продуктів, до складу яких входить ця сполука  зменшує рівень холестерину в  крові та попереджує розвиток атеросклерозу. При цьому важливим фактором для  засвоєння організмом є поєднання з жирами [5].

Окрім застосування в медицині, цей пігмент використовується як натуральний барвник в харчовій промисловості та в парфюмерії.

Лікопін – потужний антиоксидант, який забезпечує розрив ланцюгових вільнорадикальних  реакцій, захист макромолекул та біомембран клітин від пошкоджень. Ця сполука  посилює регенерацію багатошарового епітелію, що дає змогу використовувати  її в косметології, гінекології, дерматології. Він  також засвоюється при  безпосередньому нанесенні на шкіру, позитивно впливаючи на організм. Введення барвника до складу зубних паст, губних помад, шампунів, фарб для волосся  дозволяє запобігти старінню шкіри, усунути зморшки та подразнення, покращити загальний вигляд [8].

Вітчизняний ринок харчових продуктів наповнений імпортними синтетичними речовинами, які не мають поживної цінності. Незважаючи на малу токсичність, вони потенційно небезпечні як канцерогени та мутагени. Тому виникла потреба у речовинах натурального походження, які забезпечують такі ж властивості.

До ряду таких барвників належить і лікопін. Особливо велике значення він має при виготовленні ковбасних виробів, де  може замінити нітрит натрію [5] .

1.5 Потреби в цільвому продукті біосинтезу нині та на перспективу.

Організм людини не здатен синтезувати лікопін самостійно, тому ця сполука повинна надходити  із продуктами харчування. Добова норма  складає в середньому 5 мг. Занижений вміст лікопіну в крові викликає серцево-судинні захворювання, атеросклероз, тромбози.  Також ця сполука запобігає розвитку ряду онкозахворювань [10] .

Використання лікопіну в  якості барвника має ряд переваг. Він, на відміну від синтетичних  аналогів, не має канцерогенних властивостей. Лікопін – це жиророзчинна сполука. Поєднання цього каротиноїду з рослинними оліями чи жирами забезпечує  максимальну доступність для організму. Тобто забарвлені лікопіном продукти мають оздоровлювальну дію.

Перевагою використання антиоксиданту є також те, що він токсичний. При передузавані шкіра людини може набути помаранчевого кольору. Однак вона повертає своє природне забарвлення при виключенні цієї сполуки з раціону [4].

Як уже зазначалося, зниження рівня лікопіну в крові є причиною розвитку серцево-судинних захворювань.Тому доцільніше додатково включити його в раціон харчування, ніж застосовувати  хімічно синтезовані лікарські  препарати, які поряд з позитивним ефектом негативно впливають  на клітини печінки.

Особливої актуальності радіопротекторна, антимутагенна та антиканцерогенна дія лікопіну набуває у зв’язку з несприятливими умовами навколишнього середовища [3].

РОЗДІЛ 2. Порівняльна  характеристика методів одержання та промислових способів виробництва лікопіну.

2.1 Шляхи синтезу  цільового продукту

2.1.1 Добування  лікопіну шляхом хімічного синтезу

Нині виділяють декілька способів добування лікопіну. Першим є хімічний синтез, технологія якого була розроблена в 1950-1960 –х роках. Однак вона не була реалізована та не використовується нині. Це пов’язано з тим, що сполука отримана таким способом не стабільна, а виробництво є дуже вартісним [5].  Такий лікопін не сприймається організмом як натуральний і, виходячи з цього, не виконує своїх функкцій [11].

2.1.2 Добування  лікопіну шляхом екстракції з  рослин

Наступним способом є екстракція із рослинної сировини. Морква, перець, шипшина, кавуни містять цей барвник у своєму складі.Однак найвищий його вміст спостерігається  у томатах [1]. Лікопін локалізується у хромопластах помідорів. Виділення відбувається шляхом пресування томатів, та подальшого оброблення отриманого пюре органічними розчинниками, які потім випаровують. Отриманий екстракт являє собою суміш каротиноїдів, що є суттєвим недоліком виробництва. Крім того, вихід продукту дуже низький через те, що ця сполука є жиророзчинною.

 Такий лікопін використовують лише в якості барвника, адже використання в харчовій та фармацевтичній промисловості потребує додаткової очистки.

Недоліками використання такої технології також є сезонність виробництва, залежність від кліматиичних умов та висока вартість [1]. Додатковими факторами, які уповільнюють процес є велика площа земельних ділянок, які необхідні для вирощування томатів та використання пестицидів. Органічні розчинники які використовують для екстракції в слідових кількостях містяться в цільовому продукті, що погіршує якість останнього [10].

2.1.3 Мікробний  синтез

Виробництво каротиноїдів шляхом мікробного синтезу є прикладом конкуренції між хімічними та біологічними процесами.Продуцентами каротиноїдів, зокрема лікопіну, можуть бути різноманітні мікроорганізми.

Біосинтез каротиноїдів ціанобактеріями і водоростями

Біосинтез каротиноїдів у  аеробних фото синтезуючих мікроорганізмів  відбувається одночасно з накопиченням хлорофілу. У клітинах водоростей, в яких на ранніх стадіях заблоковано синтез каротиноїдів спостерігалося фотооксидативне пошкодження клітин і їх руйнування. Ця причина є суттєвою перепоною для накопичення колекції каротин синтезуючих мутантів ціанобактерій і водоростей.

Біосинтез каротиноїдів бактеріями

Біосинтез каротиноїдів виявлено у фото синтезуючих бактерій роду Rhodobacter, з яких вперше її були виділені ці сполуки. У цих бактерій склад каротиноїд них пігментів досить різноманітний. Пурпурові бактерії часто синтезують суміш, що нараховує більше 50 каротиноїдів. Тому для отримання лікопіну потрібно проводити додаткові маніпуляції [12].

Біосинтез дріжджами

Дріжджі також характеризуються різноманіттям синтезу каротиноїдів. Здатність до їх утворення мають базидіоміцетні дріжджі родів Rhodosporidium, Cystofilobasidium, Sporidiobolus. Ці культури визначаються високою питомою продуктивністю синтезу.  Пігментовані дріжджі зустрічаються в різноманітних природних субстратах: рослинних, грунтових і водних. При цьому наявність пігментів для цих мікроорганізмів пояснюється захисною реакцією на дію сонячного випромінювання [12].

Біосинтез лікопіну мукоровими грибами

Еукаріотичні мікроорганізми мукорові гриби утворюють широкий спектр каротиноїдів її накопичують достатню кількість біомаси на дешевих субстратах, що важливо для перспектив практичного застосування мікробного синтезу [12].

Neurospora crassa ще на початку 40-х років минулого століття стала об’єктом досліджень біохіміків, генетиків та молекулярних біологів. Досліджено, що утворення каротиноїдів у мукорових грибів відбувається на стадії формування конідій, яке можна індукувати шляхом освітлення клітин спектром синього кольору видимого світла, або кисневим голодуванням.

Накопичено велику кількість  експериментальних даних щодо шляхів біосинтезу бета-каротину у Blakeslea trispora. Відомо, що цей гриб здатен синтезувати лікопін за умови інгібування ферменту лікопінциклази. Цей фермент відповідає за утворення бета-іононових кілець, що і приводять до утворення бета-каротину[12].

Для збільшення виходу цільового  продукту створюють мутантні штами, які не потребують додаткового внесення в середовище інгібіторів та стимуляторів. Одним з таких є  штам Blakeslea trispora lyc26(-). Даний штам був отриманий в результаті мутагенезу та селекції з використанням 1-метил-3-нітрозогуанідину та гамма випромінювання як мутагенних факторів. Батьківським штамом є Blakeslea trispora 111(-). При вирощуванні разом з найбільш прийнятним (+) штамом даного виду, кількість лікопіну становить 70%, порівняно з іншими каротиноїдами. Мутанти культивують на середовищах з високим вмістом цукрі в яякості джерела вуглецю. При культивуванні отримують хімічно чистий лікопін, вихід якого становить 1,3-1,5 г/л [2].

Таким чином перевагами біотехнологічного шляху синтезу лікопіну з використанням Blakeslea trispora є:

• Можливість отримання хімічно чистого антиоксиданту;
• Високий вихід продукції;
• Можливість збільшення виходу, шляхом використання мутантних штамів;
• Можливість використання цільового продукту у формацевтичній та харчовій промисловості;
• Відносно дешевий  спосіб;
• Можливість збільшення виходу шляхом зміни умов культивування.[10]

2.2  Вплив основних факторів і параметрів  на хід і результати технологічних процесів.

На процес ферментації  впливають багато різноманітних  показників. Все залежить від того, яка саме культура є об’єктом біотехнологічних досліджень. В разі вирощування гетероталічного  мукорового гриба Blakeslea trispora регуляції піддається температура культивування, рН, ступінь аерації, склад поживного середовища, фізіологічний стан культури,  кількісне співвідношення «+» та « - » форм продуцента, та інші показники.

Так як Blakeslea trispora – аеробний мікроорганізм, то  дуже важливим параметром є ступінь аерації культуральної рідини, адже він впливає на загальний рівень біомаси, абсолютну та питому швидкість росту, інтенсивність споживання субстратів і накопичення цільових продуктів. Дослідження останніх років показали, що збільшення ступення аерації культуральної рідини дозволяє прискорити процеси росту та розмноження клітин посівного матеріалу. Тобто відбувається приріст біомаси. Збільшення витрати повітря припадає на період лаг-фази [13] .

Наступними показниками, які контролюються під час  процесу, є значення температури  та рН.

Blakeslea trispora – мезофільний мікроорганізм, тому температура культивування повинна бути в межах 22-29 ⁰С. В процесі ферментації цей показник контролюють на двох стадіях. На першій стадії встановлюють таке значення, при якому буде спостерігатись максимальне накопичення біомаси. На другій стадії підтримують температуру, при якій спостерігається синтез цільового продукту ( у нашому випадку – лікопіну).Температура утворення лікопіну  буде нижчою, ніж температура накопичення біомаси. рН не є критичним показником. Його підтримують в межах 6,2-8,4 [11] .

        Компоненти  поживного середовища повинні  бути доступними та легкозасвоюваними  для мікроорганізмів, сприяти  накопиченню біомаси та цільового  продукту та бути у оптимальному  співвідношенні. Так, скажімо, в  якості джерела вуглецю повинні  виступати декстроза, глюкоза,  фруктоза, або сиропи із високим  вмістом мальтози, а джерелами  азоту можуть бути органічні  та неорганічні речовини.