Биотехнология получения аминокислот

Тема: Биотехнология получения первичных метаболитов (незаменимых аминокислот и белков)

П л а н:

1. Классификация продуктов биотехнологии и потребности в первичных метаболитах.

2. Промышленное производство аминокислот.

2.1. Микроорганизмы – продуценты аминокислот.

2.2. Производство лизина.

2.3. Получение глутаминовой к-ты, аргинина, глутамина, треонина, пролина.

2.4. Производство триптофана в промышленных масштабах.

2.5. Получение аминокислот химико-ферментативным способом.

 Определение понятия

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

Отсюда и их название: Амино-Кислоты. 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 объему производства среди соединений, производимых биотехнологическими способами, аминокислоты стоят на первом месте, а по стоимости – на втором, уступая в этом только антибиотикам.

Объем мирового производства аминокислот составляет более 500 тыс. т. в год. Из них – 300 тыс. т. – глутамат натрия, 100 тыс. т. – лизин, 140 тыс. т. – метионин. Однако эти объемы – лишь небольшая часть требуемого.

По данным ВОЗ мировая потребность в наиболее востребованных аминокислотах составляет:

1. Лизин - 5 млн. т.

2. Метионин - 4 млн.т.

3. Треонин - 3,7 млн.т.

4. Триптофан - 2 млн. т.

Об аминокислотах как структурной единице белков

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

 Недостаток каждой из них в пищевом рационе приводит к нарушению обмена, замедлению роста и развития.

Пищевая ценность белка определяется долей незаменимых аминокислот в пище при сравнении с таким же показателем при адекватном питании. Наиболее сопоставимыми с идеалом являются белки молока и яиц.

Белки растительного происхождения характеризуются дефицитом некоторых незаменимых аминокислот. Так, белки пшеницы и риса обеднены лизином и треонином, а белки кукурузы – лизином и триптофаном.

Введение незаменимых аминокислот в кормовые концентраты позволяет сбалансировать корма сельскохоз. животных. Добавление в рацион 3-4 дефицитных аминокислот к 1 т комбикорма приводит к уменьшению общего расхода кормов на 15-20%. Выход продукции при этом увеличивается на 20%.Таким образом, обогащение кормов незаменимыми аминокислотами очень выгодно.

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:

1. Гидролизом природного белковосодержащего сырья.

2. Химическим синтезо.

3. Микробиологическим синтезом.

4. Биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-микробиологический метод).

При гидролизе отходы пищевой и молочной промышленности нагревают с растворами кислот или щелочей при 100-105 С в течение 20-48 час. Чаще всего используют 20% р-р соляной к-ты, обеспечивающий глубокий гидролиз белка. Лучшим способом уменьшения потерь белка при гидролизе является проведение его в вакууме или в атмосфере инертного газа, а также соблюдение высокого соотношения количества к-ты, взятой для гидролиза и массы белка (200:1). Раньше методом гидролиза получали аминокислоты исключительно для фармацевтических и научных целей. Сейчас сфера использования белковых гидролизатов существенно расширилась. Их применяют в медицине, животноводстве, пищевой и микробиологической промышленности.

Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиологический синтез аминокислот. Более 60% всех производимых в настоящее время высокоочищенных препаратов аминокислот получают этим способом. Главное преимущество которого состоит в возможности получения аминокислот на основе возобновляемого сырья. Промышленное производство аминокислот стало возможным после открытия способности некоторых микроорганизмов выделять в культуральную среду значительных кол-в какой-либо одной аминокислоты. При этом было подмечено, что продуктивные штаммы можно улучшать посредством селекции мутантов с измененной генетической программой. Это роды Brevibacterium, Micrococcus, Corinebacterium, Arthrobacter.

Производство лизина

Для культивироания штаммов микроорганизмов при производстве аминокислот как источники углерода наиболее доступны углеводы – глюкоза, сахароза, реже фруктоза и мальтоза. Для снижения стоимости питательной среды в качестве источников углерода используют вторичное сырье – свекловичную мелассу, молочную сыворотку, гидролизаты крахмала, сульфитные щелока. В качестве источников азота применяют мочевину, соли аммония (сульфаты и фосфаты). Для успешного роста микроорганизмы нуждаются в стимуляторах роста, в качестве которых выступают экстракты кукурузы, дрожжей и солодовых ростков, гидролизаты отрубей и дрожжей, витамины группы В. В питательную среду добавляют некоторые макро- и микроэлементы: P, Ca, Mg, Mn, Fe и др. На процессы биосинтеза существенное влияние оказывает аэрация, при этом степень снабжения воздухом индивидуальная для каждой конкретной аминокислоты.