Биотехнологическое получение аминокислот

               РЕФЕРАТ ПО БИОТЕХНОЛОГИИ

 

            Биотехнологическое получение аминокислоты

• 1. классификация продуктов биотехнологии и потребности в первичных метаболитов
• 2. промышленное производство  аминокислот
• 3. микроорганизмы-продуценты аминокислот
• 4. производство лизина
• 5. производство триптофана в промышленных производствах
• 6. получение аминокислот химико-ферментативным способом

 

 

содержание:

• Аминокислоты - это органические соединения, содержащие одновременно щелочную аминную группу (NH2-) и кислотную карбоксильную (СООН-).

 

• Важным свойством аминокислот является их способность к поликонденсации и образованию полимеров в виде полиамидов, в том числе пептидов, белков, нейлона, капрона, энанта. Из определённого класса аминокислот (альфа-аминокислоты) собираются молекулы природных белков.

 

• По данным ВОЗ мировая потребность в наиболее востребованных аминокислотах составляет:
• Лизин - 5 млн. т.
• Метионин - 4 млн.т.
• Треонин - 3,7 млн.т.
• Триптофан - 2 млн. т.

 

• Незаменимые аминокислоты (для человека):
• Валин - 14 мг\кг
• Гистидин - 10
• Изолейцин - 12
• Лейцин - 16
• Лизин - 12
• Метионин - 10
• Цистеин - 10
• Фенилаланин - 16
• Тирозин - 16
• Треонин - 8
• Триптофан - 3

 

Помимо применения в качестве пищевых добавок, биодобавок (БАДов), приправ и усилителей вкуса аминокислоты используются как сырье в химической, парфюмерной и фармацевтической промышленности и при производстве других веществ:

• - глицин - как подсластитель, антиоксидант, бактеориостатик,
• - аспарагиновая кислота – усилитель вкуса, сырье для синтеза аспартама (подсластителя),
• - гистидин – противовоспалительное средство,
• - глутаминовая кислота - усилитель вкуса, препарат для лечения психических заболеваний,
• - метионин – пищевая и кормовая добавка,
• - треонинин триптофан - пищевая и кормовая добавка,
• - триптофан - пищевая и кормовая добавка,
• - цистеин – фармацевтический препарат,
• - фенилаланин – сырье для получения аспартама,
• - лизин – пищевая и кормовая добавка, сырье для получения искусственных волокон и пленок.

 

В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:

 

• Гидролизом природного белковосодержащего сырья.
• Химическим синтезом.
• Микробиологическим синтезом.
• Биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).

 

 

                        

 

                              

 

 

 

 

 

 

 Замещение галогена на аминогруппу в соответствующих галогензамещенных кислотах:

• H + NH3      H2N–CH2–CH2–COOH

Присоединение аммиака к α, β- непредельным кислотам с образованием β-аминокислот:

• CH2=CH–COOH + NH3      H2N–CH2–CH2–COOH

Восстановление нитрозамещенных карбоновых кислот (применяется обычно для получения ароматических аминокислот):

• O2N-C6H4-COOH + 3H2      H2N-C6H4-COOH + 2H2O

 

Биотехнологический способ получения чистых α- аминокислот в виде индивидуальных оптических изомеров. Этот способ основан на способности специальных микроорганизмов вырабатывать в питательной среде определенную аминокислоту.

 

Получение аминокислот

 

 

 

В данной работе рассматривается и предлагается два способа получения лизина. В первом способе лизин получают на среде, содержащей молотую массу или сок свеклы.  
Новизной научно-технической проблемы является то, что производство аминокислот методом микробного синтеза проводят более, чем 40 лет, но предложений специалистов использовать в качестве сырья молотую массу и / или сок свеклы не было. Это решение оказалось неочевидным в ситуации, когда, с одной стороны, сахара, используемые в качестве сырья, и патока, кроме технического, имеют соответственно пищевое или кормовое значение и их ресурсы являются ограниченными и, с другой стороны, молотая масса и сок свеклы является сравнительно недорогими и их можно получать в достаточных объемах.  
Целью исследования является расширение базы сырья и интенсификация процессов получения незаменимых аминокислот. Расширение базы сырья обусловлено тем, что в процессе производства аминокислот используется новый вид сырья – продукты переработки сахарной свеклы, масштабы которого достаточно велики. При этом сырье может использоваться частично или полностью в безводном виде. Интенсификация процессов производства аминокислот происходит в связи с высоким содержанием в сахарной свекле и продуктах его переработки – молотой массе и сока – веществ, используемых продуцентами, и в культуральной жидкости накапливается больше аминокислот и сырого протеина за более короткий промежуток времени. 
Упрощается технология производства, поскольку для получения эквивалентного и даже большего количества аминокислот и сырого протеина не нужна операция твердофазного культивирования продуцента. Улучшение качества конечного продукта возникает за счет повышенного содержания в нем аминокислот и сырого протеина.  
Сахарную свеклу перерабатывают на молотую массу и сок любым способом. К полученным продуктам добавляют необходимые источники азота, фосфора, хлора, калия, а также стимуляторы роста в виде минеральных солей, кукурузного экстракта и гидролизата дрожжей, а также воду в оптимальном количестве для биосинтеза отдельной аминокислоты. В среду вносят 5% посевного материала в виде суспензии Brevi bacterium sp. (Штамм С-7) с оптической плотностью 0,3. Биосинтез проводят при (30±1)ºС, рН 7,2±0,2 объема воздуха на объем среды за одну минуту. После 68 часов глубинного культивирования в среде накапливается 3,75% лизина и в пересчете на сухое вещество 40,6% сырого протеина. 
Этот способ упрощает технологию получения лизина, повышает качество продукции, увеличивается выход конечного продукта в 1,5 раза, снижает затраты энергоемкости, что, в свою очередь, приводит к удешевления конечной продукции, а также снижает загрязнение окружающей среды. 
Целью второго способа получения лизина является снижение стоимости за счет увеличения выхода продукта с единицы оборудования на стадии биосинтеза. При этом применяют новый штамм продуцента L-лизина Brevi bacterium sp. 90 Н, который хорошо растет на глюкозе, сахарозе, мальтозе, фруктозе, этаноле. Brevi bacterium sp. 90 Н – это аэроб, что растет при температуре и на среде с рН от 6 до 8,5. Этот штамм устойчив к бактериофагам.  
При использовании мелассы из свеклы в культуральной жидкости накапливается бетаин – вещество, содержащее азот, которое не усваивается продуцентами лизина и полностью сохраняется в готовом продукте.  
Так, кормовой препарат содержит от 7,5% до 14% бетаина.

Использование микроорганизмов как биологических агентов для получения биомассы, органических кислот, спиртов, аминокислот, ферментов, гормонов и других соединений, трансформации органических веществ (получение биогаза, очистка сточных вод и др.) является важной составной частью биотехнологии. Уникальность микробной клетки заключается в высокой интенсивности микробного метаболизма. Скорость образования белка у бактерий на много порядков выше, чем у растений и в 10 раз выше, чем у животных (А.Г.Лобанок и др.,1988). Это позволяет относительно дешево производить многие ценные продукты (белки, витамины, жиры, ферменты, антибиотики и др.). Субстратом для таких производств могут служить отходы сельского хозяйства, промышленности, что играет важную роль в охране окружающей среды. Микробиологическое производство ряда продуктов менее энергоемко в сравнении с химическим, а некоторые природные соединения получить на основе химического синтеза невозможно. Главными направлениями использования биотехнологии микроорганизмов является получение полезных продуктов, энергии и защита окружающей среды. 
Эффективность биотехнологии микроорганизмов за последнее время повышается в связи с созданием на основе методов генной и клеточной инженерии штаммов с новыми полезными свойствами.

• Получение аминокислот
• По значению для м/организма аминокислоты подразделяют на заменимые и незаменимые. К незаменимым относят те аминокислоты, которые не синтезируются в человеческом и животном организме. Для человека- 8 аминокислот: изолейцин, лейцин, лизин, метиония, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. М/организмы сами синтезируют аминокислоты из аммиака и нитратов. Потребность в аминокислотах велика. В мире производится 500 тыс.тонн в год аминокислот. Широко используются в пищевой промышленности как питательные добавки. В больших количествах аминокислоты применяют как добавку к растительным кормам. Также применяют в медицине-4%, косметике. По объему .и по значимости первое место занимает- метионин.
• Технология получения аминокислот базируется на принципах ферментации продуцентов и выделении вторичных метаболитов. Размножают маточную культуру вначале на агаризованной среде в пробирках, затем на жидкой среде в колбах, посевных аппаратах, затем в головных ферментаторах.

Если аминокислота предусмотрена в качестве добавки к кормам, то биотехнологический процесс кормового продукта включает следующие стадии:

• ферментацию

• стабилизацию

Известны 2 способа получения аминокислоты:

• одноступенчатый

• двухступенчатый

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики — самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Созданы генноинженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так называемая белковая инженерия). Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.

 

Биотехнология в медицине

Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов.

 

Производство аминокислот

 

Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium.

 

С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получаются в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная, яблочная, янтарная. Эти пищевые кислоты используются как регуляторы кислотности и консерванты. Лимонную кислоту получают с помощью Yarrowia lipolytica, Aspergillus niger, молочную – Endomycopsis fibuligera, Rhisopus oryzae, 
Lactobacillus casei, янтарную – Anaerobiospirillum succiniproducens. Уксусную кислоту получают путем микробиологической конверсии водорода и углекислого газа бактериями Acetobacterium woodi и Clostridium aceticum.