Мікроорганізми застосовуються. Роль мікроорганізмів у природі та сільському господарстві. Переробка та ліквідація відходів ферментації
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru
Вступ
Досягнення генетики та генної інженерії є основою для розвитку біотехнології - науки, що виникла на стику біології та технології. Сучасна біотехнологія спирається досягнення природознавства, техніки, технології, біохімії, мікробіології, молекулярної біології, генетики. Сучасна біотехнологія використовує біологічні методи у боротьбі із забрудненням навколишнього середовища та шкідниками рослинних та тваринних організмів. До досягнень біотехнології можна віднести застосування іммобілізованих ферментів, отримання синтетичних вакцин, використання клітинної технології в племінній справі.
Бактерії, гриби, водорості, лишайники, віруси, найпростіші життя людей відіграють значну роль. З давніх-давен люди використовували їх у процесах хлібопечення, приготування вина та пива, в різних виробництвах. В даний час у зв'язку з проблемами отримання цінних білкових речовин, збільшення родючості ґрунтів, очищення навколишнього середовища від забруднювачів, отримання біопрепаратів та іншими цілями та завданнями діапазон вивчення та використання мікроорганізмів значно розширився.
Головною ланкою біотехнологічного процесу є біологічний об'єкт, здатний здійснювати певну модифікацію вихідної сировини та утворювати той чи інший необхідний продукт. Як такі об'єкти біотехнології можуть виступати клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини та рослини, гриби, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин та окремі ферменти. Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв є мікробний синтез, тобто синтез різноманітних біологічно активних речовин за допомогою мікроорганізмів. На жаль, об'єкти рослинного та тваринного походження через низку причин ще не знайшли такого широкого застосування. Тому надалі доцільно розглядати мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології.
Нині відомо понад 100 тисяч різних видів мікроорганізмів. Це насамперед бактерії, актиноміцети, ціанобактерії. При такому великому розмаїтті мікроорганізмів дуже важливою, а найчастіше і складною проблемою є правильний вибір саме організму, здатний забезпечити отримання необхідного продукту, тобто. служити промисловим цілям.
1. Мікроорганізми як основні об'єкти біотехнології
В даний час мікроорганізми допомагають людям у виробництві ефективних поживних білкових речовин та біологічного газу. Їх використовують при застосуванні біотехнічних методів очищення повітря та стічних вод, при використанні біологічних методів знищення сільськогосподарських шкідників, при отриманні лікувальних препаратів, при знищенні сировини. Деякі види бактерій використовуються для регенерації цінних метаболітів та ліків, їх використовують з метою вирішення проблем біологічного саморегулювання та біосинтезу, очищення водойм. Мікроорганізми, і перш за все бактерії, – класичний об'єкт для вирішення загальних питань генетики, біохімії, біофізики, космічної біології. Бактерії широко використовуються під час вирішення багатьох проблем біотехнології.
Мікробіологічні реакції завдяки своїй специфічності широко використовуються в процесах хімічних перетворень сполук біологічно активних природних сполук. Відомо близько 20 типів хімічних реакцій, які здійснюють мікроорганізми. Багато хто з них (гідроліз, відновлення, окислення, синтез тощо) з успіхом використовуються у фармацевтичній хімії. Під час проведення цих реакцій застосовуються різні види бактерій, актиноміцетів, дріжджоподібних грибів та інших мікроорганізмів.
Промислове використання мікроорганізмів для отримання нових харчових продуктів сприяло створенню таких видів промисловості як хлібопекарська та молочна, виробництво антибіотиків, вітамінів, амінокислот, спиртів, органічних кислот та ін.
Роль мікроорганізмів для біотехнології.
1. Одноклітинні організми, як правило, характеризуються вищими швидкостями росту та синтетичних процесів, ніж вищі організми. Проте це властиво не всім мікроорганізмам. Деякі з них ростуть вкрай повільно, проте становлять відомий інтерес, оскільки здатні продукувати різні дуже цінні речовини.
2. Особливу увагу як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла. Частина з них (ціанобактерії та фотосинтезуючі еукаріоти) як джерело вуглецю утилізують СО2, а деякі представники ціанобактерій, до всього сказаного, мають здатність засвоювати атмосферний азот (тобто є вкрай невибагливими до поживних речовин). Фотосинтезуючі мікроорганізми є перспективними як продуценти аміаку, водню, білка та ряду органічних сполук. Однак прогресу в їх використанні внаслідок обмеженості фундаментальних знань про їхню генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми життєдіяльності, очевидно, не слід очікувати в найближчому майбутньому.
3. Певна увага приділяється таким об'єктам біотехнології як термофільні мікроорганізми, що ростуть при 60-80°С.
Це їхня властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори при відносно не стерильному культивуванні, тобто. є надійним захистом від забруднень. Серед термофілів виявлено продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Крім того, швидкість їх росту та метаболічна активність у 1,5-2 рази вища, ніж у мезофілів. Ферменти, які синтезуються термофілами, характеризуються підвищеною стійкістю до нагрівання, деяким окислювачам, детергентам, органічним розчинникам та іншим несприятливим факторам. У той самий час вони мало активні за нормальних температур. Так, протеази одного з представників термофільних мікроорганізмів при 20°С у 100 разів менш активні, ніж за 75°С. Останнє є дуже важливою властивістю деяких промислових виробництв. Наприклад, широке застосування генетичної інженерії знайшов фермент Tag-полимераза з термофільної бактерії Thermus aquaticus.
2. Мікроорганізми у фармації
Створено біотехнологічну промисловість для отримання антибіотиків, ферментів, інтерферону, органічних кислот та інших метаболітів, продуцентами яких є багато мікроорганізмів.
У фармації мікробіологічні трансформації застосовуються для одержання фізіологічно більш активних речовин чи напівфабрикатів, синтез яких суто хімічним шляхом досягається з великими труднощами чи взагалі неможливий. Мікробіологічні реакції використовуються щодо метаболізму лікарських речовин, механізму їх дії, а також для з'ясування природи та дії ферментів. Продуцентами біологічно активних речовин є багато найпростіших. Зокрема, найпростіші жуйних тварин, що мешкають в рубці, виробляють фермент целюлозу, що сприяє розкладанню клітковини. Найпростіші є продуцентами не тільки ферментів, а й гістонів, серотоніну, ліпополісахаридів, ліпополіпептидоглюканів, амінокислот, метаболітів, що застосовуються в медицині та ветеринарії, харчовій та текстильній промисловостях. Вони є одним із об'єктів, що застосовуються в біотехнології.
3. Мікроорганізми у харчовій промисловості
Ферментні препарати Aspergillus oryzae використовуються у пивоварній промисловості, а ферменти A.niger використовуються при виробництві та освітленні плодовоягідних соків та лимонної кислоти. Випікання хлібобулочних виробів покращується при використанні ферментів A.oryzae та A.awamori. Бактеріальні ферменти (Bac.subtilis) використовують для збереження свіжості кондитерських виробів і там, де небажаний глибокий розпад білкових речовин. Використання ферментних препаратів з Bac.subtilis у кондитерському та хлібобулочному виробництві сприяє покращенню якості та уповільненню процесу червстлення виробів.
Мікроорганізми широко використовуються в харчовій та бродильній промисловості. У молочній промисловості широко використовуються молочні дріжджі. З їхньою допомогою готують кумис, кефір. Ферментами цих мікроорганізмів молочний цукор розкладається до спирту та вуглекислоти, у результаті покращується смак продукту і підвищується його засвоюваність організмом. При отриманні молочнокислих продуктів у молочній промисловості широко використовуються дріжджі, які не зброджують молочний цукор і не розкладають білки та жир. Вони сприяють збереженню олії та збільшенню життєздатності молочнокислих бактерій. Плівчасті дріжджі (мікодерма) сприяють дозріванню молочнокислих сирів. Гриби Penicillum roqueforti використовують при виробництві сиру Рокфор, а гриби Penicillum camemberi - в процесі дозрівання закусочного сиру.
Багато мікроорганізмів, у тому числі дріжджоподібні та деякі види мікроскопічних грибів, здавна використовувалися при перетворенні різних субстратів для отримання різних видів харчових продуктів. Наприклад, використання дріжджів для одержання з борошна пористого хліба, використання грибів пологів Rhisopus, Aspergillus для ферментації рису та сої, отримання молочно-кислих продуктів за допомогою молочно-кислих бактерій, дріжджів та ін.
Використання в харчовій промисловості справжніх молочнокислих бактерій (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis та ін.) або їх комбінацій з дріжджами дозволяє отримувати не тільки молочнокислі, а й спипртомолочнокислі та кисневовочні продукти. До них відносяться кисле молоко, мацони, ряженка, сметана, сир, квашена капуста, квашені огірки та помідори, сири, кефір, кисле хлібне тісто, хлібний квас, кумис та інші продукти. Для приготування кислого молока і сиру застосовують Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum. При приготуванні олії використовують ароматизуючі бактерії та молочнокислі стрептококи Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.
4. Мікроорганізми у сільському господарстві
У сільському господарстві використовуються добрива та пестициди. Потрапляючи в природні умови, ці речовин негативно впливають на природні взаємини в біоценозах, а в кінцевому підсумку по кормовому ланцюжку ці речовини негативно впливають на здоров'я людей. Позитивну роль у руйнуванні цих речовин у воді грають аеробні та анаеробні мікроорганізми.
У сільське господарство застосовується біологічний захист рослин від шкідників. З цією метою використовуються різні організми – бактерії, гриби, віруси, найпростіші, птахи, ссавці та інші організми.
5. Інші властивості мікроорганізмів у біотехнології
Мікроорганізми можуть бути використані при видобутку вугілля з руд. Літотрофні бактерії (Thiobacillus ferrooxidous) окислюють сірчанокисле закисне залізо до сірчанокислого окисного заліза. Сірчанокисле окисне залізо у свою чергу окислює чотиривалентний уран, внаслідок чого уран у вигляді сульфатних комплексів випадає в розчин. З розчину уран витягується методами гідрометалургії. Крім урану з розчинів можуть вилуговуватися й інші метали, у тому числі і золото. Бактеріальне вилуговування металів за рахунок окислення сульфідів, що містяться в руді, дозволяє вести видобуток металів з бідних забалансованих руд.
Дуже вигідним та енергетично економічним шляхом перетворення органічної речовини на паливо є метаногенез за участю багатокомпонентної мікробної системи. Метанутворюючі бактерії спільно з ацетоногенною мікрофлорою здійснюють перетворення органічних речовин на суміш мета і вуглекислоти.
Мікроорганізми можна використовувати не тільки для одержання газоподібного палива, а й для підвищення видобутку нафти. Мікроорганізми можуть утворювати поверхнево - активні речовини, що знижують поверхневий натяг на межі між нафтою і водою, що витісняє її. Витискаючі властивості води посилюються зі збільшенням в'язкості, що досягається застосуванням бактеріального слизу, що складається з полісахаридів. При існуючих методах розробки нафтових родовищ витягується трохи більше половини геологічних запасів нафти. За допомогою мікроорганізмів можна забезпечити вимивання нафти із пластів та звільнення її з бітумінозних сланців. Бактерії, що окислюють метан, поміщені в нафтовий шар, розкладають нафту і сприяють утворенню газів (метану, водню, азоту) і вуглекислоти. У міру накопичення газів збільшується їх тиск на нафту і, крім того, нафта стає менш в'язкою. В результаті нафту зі свердловини починає бити фонтаном.
Необхідно пам'ятати про те, що застосування мікроорганізмів у будь-яких умовах, у тому числі і в геологічних, вимагає створення сприятливих умов для складної мікробної системи.
Внесення надлишкових антропогенних речовин веде до порушення природної рівноваги, що встановилася. На початкових етапах розвитку промисловості було досить розсіяти забруднюючі речовини у водотоках, у тому числі вони видалялися шляхом природного самоочищення. Газоподібні речовини розсіювали у повітрі через високі труби. Нині знищення відходів зросло дуже серйозну проблему.
В очисних системах при очищенні вод від органічних речовин використовується біологічний метод із застосуванням системи змішаної мікрофлори (аеробні бактерії, водорості, найпростіші, бактеріофаги, гриби), активного мулу, біоплівки, речовин, що окислюють. Представники мікробної суміші сприяють інтенсифікації природних процесів очищення води. Але при цьому слід пам'ятати, що умовою сталої роботи мікробного співтовариства є сталість складу довкілля.
Однією із завдань біотехнології є розробка технології отримання за допомогою мікроорганізмів білка з різних видів рослинних субстратів, з метану та очищеного водню, із суміші водню та окису вуглецю, з важких вуглеводнів нафти за допомогою метилотрофних дріжджів або бактерій, Candida tropicalis, метаноакисляючих інших бактерій.
Використання активних штамів видів мікроскопічних грибів сприяє збагаченню білками та амінокислотами таких кормів як комбікорм, жом, висівки. Для цієї мети використовують селекціоновані нетоксичні види термо- і мезофільних мікроміцетів Fusarium sp., Thirlavia sp., а також деякі види вищих грибів.
6. Селекція біотехнологічних об'єктів
мікробіологічний метаногенез органічний
Невід'ємним компонентом у процесі створення найцінніших і найактивніших продуцентів, тобто. при доборі об'єктів у біотехнології є їх селекція. Головним шляхом селекції є свідоме конструювання геномів кожному етапі відбору потрібного продуцента. Така ситуація не завжди могла бути реалізована внаслідок відсутності ефективних методів зміни геномів селектованих організмів. У розвитку мікробних технологій відіграли важливу роль методи, що базуються на селекції спонтанно виникаючих змінених варіантів, що характеризуються необхідними корисними ознаками. За таких методів зазвичай використовується ступінчаста селекція: кожному етапі відбору з популяції мікроорганізмів відбираються найактивніші варіанти (спонтанні мутанти), у тому числі наступному етапі відбирають нові, ефективніші штами, тощо. Незважаючи на явну обмеженість даного методу, що полягає в низькій частоті виникнення мутантів, його можливості рано вважати повністю вичерпаними.
Селекціоновані штами природного гіперсинтетика каротину гриба Blakeslee trispora використовують при промисловому одержанні каротину, що має важливе значення у процесах росту та розвитку тварин, підвищення їх стійкості до захворювань. Селекціоновані штами Trichoderma viride використовують при промисловому одержанні на їх основі препарату триходерміну для боротьби з фітопатогенними грибами, особливо при вирощуванні рослин в умовах закритого ґрунту (фузаріоз огірків, хвороб квіткових рослин). Фосфобактерин, отриманий із Baccilus megathrtium, є ефективним засобом підвищення врожайності кормового буряка, капусти, картоплі, кукурудзи. Під впливом цього препарату підвищується вміст розчинного фосфору в ризосферному грунті, а також фосфору та азоту у зеленій масі.
Розміщено на Allbest.ru
Подібні документи
Промислове використання біологічних процесів з урахуванням мікроорганізмів, культури клітин, тканин та його частин. Історія виникнення та етапи становлення біотехнології. Основні напрямки, завдання та методи: клонування, генна та клітинна інженерія.
презентація , доданий 22.10.2016
Основні завдання, розділи та напрямки сучасної біотехнології. Виробництво необхідних людині продуктів та біологічно активних сполук за допомогою живих організмів. Вивчення генетичної, клітинної та біологічної інженерії. Об'єкти біотехнології.
презентація , додано 06.03.2014
Особливості використання вуглеводневих мікроорганізмів для вирішення екологічних проблем. Сучасні методи боротьби з нафтовими забрудненнями води та ґрунту. Трансформації, що здійснюються спорами грибів та актиноміцетів. Соокислення та кометаболізм.
курсова робота , доданий 02.01.2012
Мікроорганізми як дрібні організми, що розрізняються лише під мікроскопом. Методи рекомбінування генів. Механізм селекції мікроорганізмів. Технологія синтезу гена штучним шляхом та введення в геном бактерій. Галузі застосування біотехнології.
презентація , доданий 22.01.2012
Водорості як компоненти бактеріальних добрив та як біологічні індикатори. Вітаміни, що містяться в них. Використання водоростей для біологічного очищення стічних вод. Їх застосування як харчові добавки. Виготовлення біопалива із водоростей.
презентація , додано 02.02.2017
Фізіолого-біохімічні особливості галофільних мікроорганізмів Галофільні мікроорганізми та їх застосування у промисловості. Виділення із проб води озера Мармурове галофільних мікроорганізмів, визначення їх чисельності. Результати дослідження.
курсова робота , доданий 05.06.2009
Характер та оцінка впливу різноманітних факторів зовнішнього середовища на мікроорганізми: фізичних, хімічних та мікробіологічних. Значення мікроорганізмів у сироробстві, розвиток відповідних процесів під час виробництва кінцевого продукту, етапи дозрівання.
реферат, доданий 22.06.2014
Огляд способів розмноження бактерій, актиноміцетів, дріжджів, цвілевих грибів. Вплив променистої енергії та антисептиків на розвиток мікроорганізмів. Роль харчових продуктів у виникненні харчових захворювань, джерела інфікування, заходи профілактики.
контрольна робота , доданий 24.01.2012
Мікрофлора готових лікарських форм. Об'єкти санітарно-бактеріологічного обстеження в аптеках. Визначення мікробної обсіменіння рослинної лікарської сировини. Мікробна обсімененість препаратів. Визначення патогенних мікроорганізмів.
презентація , доданий 06.03.2016
Вивчення можливості деяких мікроорганізмів деструктувати жирові речовини різної хімічної природи. Дослідження морфолого-культуральних та фізіологічних властивостей аборигенних мікроорганізмів, аналіз та особливості їх деструктивної активності.
З понад 100 тис. відомих мікроорганізмів у промисловості застосовуються лише кілька сотень видів, оскільки промисловий штам повинен відповідати ряду суворих вимог:
1) зростати на дешевих субстратах;
2) мати високу швидкість зростання або давати високий вихід продукту за короткий час;
3) проявляти синтетичну активність у бік бажаного продукту; утворення побічних продуктів має бути низьким;
4) бути стабільним щодо продуктивності та вимог умов культивування;
5) бути стійким до фагових та інших типів інфекцій;
6) бути нешкідливим для людей та навколишнього середовища;
7) бажані термофільні, ацидофільні (або алкофільні) штами, оскільки з ними легше підтримувати стерильність у виробництві;
8) інтерес представляють анаеробні штами, оскільки аеробні створюють труднощі при культивуванні - вимагають аерування;
9) продукт, що утворюється, повинен мати економічну цінність і легко виділятися.
На практиці застосовуються штами чотирьох груп мікроорганізмів:
– дріжджі;
– міцеліальні гриби (цвілі);
– бактерії;
- Аскоміцети.
Термін «дріжджі» у сенсі немає таксономічного значення. Це одноклітинні еукаріоти, що належать до трьох класів: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.
До аскоміцетів відносять, перш за все, Saccharomyces cerevisiae, певні штами якого використовуються в пивоварінні, виноробстві, виробництві хліба, етилового спирту.
Аскоміцети Saccharomyces lipolytica деградують вуглеводні нафти і використовуються для отримання білкової маси.
Дейтероміцет Candida utilis використовують як джерело білка та вітамінів та вирощують на нехарчовій сировині: сульфітних лугах, гідролізатах деревини та рідких вуглеводнях.
Дейтероміцет Trichosporon cutaneum окислює багато органічних сполук, у тому числі токсичних (наприклад, фенол), і використовується при переробці стоків.
Міцеліальні гриби використовують:
– в отриманні органічних кислот: лимонної (Aspergillus niger), глюконової (Aspergillus niger), ітаконової (Aspergillus terreus), фурмарової (Rhizopus chrysogenum);
– в отриманні антибіотиків (пеніциліну та цефалоспорину);
– у виробництві спеціальних видів сирів: камамберу (Penicillium camamberti), рокфору (Penicillium roqueforti);
- Викликають гідроліз в твердих середовищах: в рисовому крохмалі при отриманні саке, в соєвих бобах при отриманні темпеха, місо.
Корисні бактерії належать до еубактерій.
Промислове застосування з давніх-давен мають молочнокислі бактерії пологів Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.
Оцтовокислі бактерії пологів Acetobater, Gluconobacter перетворюють етанол на оцтову кислоту.
Бактерії роду Bacillus використовуються для виробництва шкідливих комах токсинів, а також для синтезу антибіотиків і амінокислот.
Бактерії роду Corynebacterium застосовуються для виробництва амінокислот.
З актиноміцетів найбільш представницькими є роди Streptomyces і Micromonospora, які використовуються як продуценти антибіотиків. При зростанні на твердих середовищах актиноміцети утворюють тонкий міцелій з повітряними гіфами, які диференціюються в конідіоспор.
В даний час за допомогою мікроорганізмів синтезують такі сполуки:
- алкалоїди,
– амінокислоти,
- антибіотики,
- антиметаболіти,
- Антиоксиданти,
- білки,
- Вітаміни,
- Гербіциди,
- інгібітори ферментів,
- інсектициди,
- іонофори,
- коферменти,
- Ліпіди,
- нуклеїнові кислоти,
- нуклеотиди та нуклеозиди,
- окислювачі,
- Органічні кислоти,
- пігменти,
- поверхнево активні речовини,
- полісахариди,
- протиглистові агенти,
- Протипухлинні агенти,
- Розчинники,
- ростові гормони рослин,
- цукру,
– стерини та перетворені речовини,
- фактори транспорту заліза,
– фармакологічні речовини,
- ферменти,
- емульгатори.
2 ВИРОБНИЦТВО БІЛКІВ ОДНОКЛІТИННИХ
ОРГАНІЗМІВ
^
2.1 Доцільність використання мікроорганізмів для
виробництва білка
Відповідно до норм харчування людина повинна щодня отримувати з їжею від 60 до 120 г повноцінного білка.
Для підтримки життєвих функцій організму, побудови клітин та тканин необхідний постійний синтез різних білкових сполук. Якщо рослини та більшість мікроорганізмів здатні синтезувати всі амінокислоти з вуглекислого газу, води, аміаку та мінеральних солей, то людина та тварини не можуть синтезувати деякі амінокислоти (валін, лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан та фенілаланін). Ці амінокислоти називаються незамінними. Вони мають надходити з їжею. Їх недолік викликає тяжкі захворювання людини та знижує продуктивність сільськогосподарських тварин.
Нині світовий дефіцит білка становить близько 15 млн.т. Найбільш перспективним є мікробіологічний синтез. Якщо для великої рогатої худоби потрібно 2 місяці для подвоєння білкової маси, для свиней – 1,5 місяці, для курчат – 1 місяць, то для бактерій та дріжджів – від 1 до 6 годин. Світове виробництво харчових білкових продуктів з допомогою мікробного синтезу становить понад 15 тис. т на рік.
Розглянемо приклад: час подвоєння кишкової палички становить 20 хв, тоді через 20 хв із однієї клітини утворюється дві дочірніх, через 40 хв – чотири «онуки», через 60 хв – вісім «правнучок», через 80 хв – 16 «праправнучок». Через 10 год 40 хв з однієї бактерії буде утворено понад 6 млрд. бактерій, що відповідає населенню Землі, а через 44 год з однієї бактерії масою 110 -12 г утворюється біомаса в кількості 61024 г, що відповідає масі Землі.
Використання різних мікроорганізмів як джерела білка і вітамінів обумовлено такими факторами:
А) можливістю використання для культивування мікроорганізмів різноманітних хімічних сполук, зокрема відходів виробництв;
Б) щодо нескладної технології виробництва мікроорганізмів, яке може здійснюватися цілий рік; можливістю його автоматизації;
В) високим вмістом білка (до 60...70%) та вітамінів, а також вуглеводів, ліпідів у мікробіальних препаратах;
Г) підвищеним вмістом незамінних амінокислот у порівнянні з рослинними білками;
Д) можливістю спрямованого генетичного впливу на хімічний склад мікроорганізмів з метою вдосконалення білкової та вітамінної цінності продукту.
Для промислового виробництва харчових продуктів на основі мікроорганізмів потрібні ретельні медико-біологічні дослідження. Такі продукти повинні пройти всебічну перевірку для виявлення канцерогенної, мутагенної, ембріотропної дії на організм людини та тварин. Токсикологічні дослідження, засвоюваність продуктів мікробного синтезу – основні критерії доцільності технології виробництва.
Для отримання білків використовуються дріжджі, бактерії, водорості та міцеліальні гриби.
Перевагою дріжджів перед іншими мікроорганізмами є їхня технологічність: стійкість до інфекцій, легкість відокремлення від середовища завдяки великим розмірам клітин. Вони здатні накопичувати до 60% білка, багатого лізином, треоніном, валіном та лейцином (цих амінокислот мало в рослинних кормах). Масова частка нуклеїнових кислот становить до 10%, що шкідливо діє організм. В результаті їх гідролізу утворюється багато пуринових основ, що перетворюються потім на сечову кислоту та її солі, які є причиною сечокам'яної хвороби, остеохондрозу та інших захворювань. Оптимальна норма добавок дріжджової маси до корму сільськогосподарських тварин становить від 5 до 10 % від сухих речовин. Дріжджі застосовуються для харчових та кормових цілей.
Перевагами бактерій є висока швидкість росту та здатність синтезувати до 80 % білка. Отриманий білок містить багато дефіцитних амінокислот: метіоніну та цистеїну. Недоліками є невеликі розміри клітин та низька їх концентрація в культуральному середовищі, що ускладнює процес виділення. У деяких бактеріальних ліпідах можуть бути токсини. Масова частка нуклеїнових кислот до 16%. Використовуються лише для кормових цілей.
Перевагами водоростей є високий вміст повноцінного за амінокислотним складом білка, що накопичується в кількості 65%, легке виділення водоростей із культурального середовища, низький вміст нуклеїнових кислот – 4% (для порівняння – у вищих рослин 1…2%). Водорості використовуються для харчових та кормових цілей.
Міцеліальні гриби традиційно використовуються в якості харчового продукту в країнах Африки, в Індії, Індонезії, Китаї та ін. кишечнику тварин. Масова частка нуклеїнових кислот становить 25%.
З 1985 р. мікробіальний білок використовується в харчовій промисловості для виготовлення різних продуктів і напівфабрикатів.
У виробництві харчових продуктів розглядаються три основні форми використання мікробного білка:
1) цілісна маса (без руйнування клітинних стінок);
2) частково очищена біомаса (передбачається руйнування клітинних стінок та видалення небажаних компонентів);
3) виділені із біомаси білки (ізоляти).
ВООЗ (Всесвітня організація охорони здоров'я) зробила висновок, що білок мікроорганізмів можна використовувати в продуктах харчування, але допустима кількість нуклеїнових кислот, що вводяться разом із білком у дієту дорослої людини, не повинна перевищувати 2 г на добу. Введення мікробіального білка не викликає негативних наслідків, але трапляється прояв алергічних реакцій, шлункові захворювання тощо.
Головною ланкою біотехнологічного процесу, що визначає всю його сутність, є біологічний об'єкт, здатний здійснювати певну модифікацію вихідної сировини та утворювати той чи інший необхідний продукт. Як такі об'єкти біотехнології можуть виступати клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини та рослини, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин та окремі ферменти.
Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв досі є мікробний синтез, тобто синтез різноманітних біологічно активних речовин за допомогою мікроорганізмів. На жаль, об'єкти рослинного та тваринного походження через низку причин ще не знайшли такого широкого застосування.
Незалежно від природи об'єкта, первинним етапом розробки будь-якого біотехнологічного процесу є отримання чистих культур організмів (якщо це мікроби), клітин чи тканин (якщо це складніші організми – рослини чи тварини). Багато етапів подальших маніпуляцій з останніми (тобто з клітинами рослин або тварин), по суті, є принципами та методами, що використовуються в мікробіологічних виробництвах. І культури мікробних клітин, і культури тканин рослин та тварин з методичної точки зору практично не відрізняються від культур мікроорганізмів.
Світ мікроорганізмів дуже різноманітний. В даний час
відносно добре охарактеризовано (або відомо) понад 100 тисяч різних видів. Це насамперед прокаріоти (бактерії, актиноміцети, рикетсії, ціанобактерії) та частина еукаріотів (дріжджі, нитчасті гриби, деякі найпростіші та водорості). При такому великому розмаїтті мікроорганізмів дуже важливою, а найчастіше й складною, проблемою є правильний вибір саме організму, здатний забезпечити отримання необхідного продукту, т. е. служити промисловим цілям. Мікроорганізми діляться на промислові та непромислові, це ті мікроорганізми, які використовуються у промисловому виробництві – промислові, а ті, що не використовуються – непромислові.
Основою промислового виробництва є нечисленні, але глибоко вивчені групи мікроорганізмів, що є модельними об'єктами при дослідженнях фундаментальних життєвих процесів. Решта мікроорганізмів генетиками, молекулярними біологами і генними інженерами не вивчалися зовсім чи вивчалися дуже обмеженою мірою. До перших відносяться кишкова паличка (E. coli), сінна паличка (Bac. subtilis) і пекарські дріжджі (S. cerevisiae).
У багатьох біотехнологічних процесах використовується обмежена кількість мікроорганізмів, які класифікуються як GRAS (“generally recognized as safe” зазвичай вважаються безпечними). До таких мікроорганізмів відносять бактерії Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, інші види бацил та лактобацил, види Streptomyces. Сюди також відносять види грибів Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus і дріжджів Saccharomyces та ін.
Мікробіологічна промисловість сьогодні використовує тисячі штамів із сотень видів мікроорганізмів, які первинно були виділені з природних джерел на підставі їх корисних властивостей, а потім (здебільшого) покращені за допомогою різних методів. У зв'язку з розширенням виробництва та асортименту продукції в мікробіологічну промисловість залучаються все нові і нові представники світу мікробів. Слід усвідомлювати, що в найближчому майбутньому жоден з них не буде вивчений так само, як E.coli і Bac.subtilis. І причина цього дуже проста – колосальна трудомісткість і висока вартість таких досліджень.
Найчастіше біотехнологічними об'єктами є:
Бактерії та ціанобактерії;
Водорості;
Найпростіші;
Культури клітин рослин та тварин;
Рослини – нижчі (анабена-азолла) та вищі – ряскові.
Субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК).
Бактерії та ціанобактерії
Біотехнологічні функції мікробів різноманітні.
Оцтовокислі бактерії, пологи Gluconobacter та Acetobacter.
Грамнегативні бактерії, що перетворюють етанол на оцтову кислоту, а оцтову кислоту на вуглекислий газ і воду.
Представники роду Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis використовуються для отримання пробіотиків, речовин, які мають антибіотичну дію на інші мікроорганізми, а також на комах (B.thuringiensis). Належать до грампозитивних бактерій, що утворюють ендоспори.
B.subtilis – суворий аероб, а B.thuringiensis може жити і в анаеробних умовах.
Анаеробні, що утворюють суперечки бактерії, представлені родом Clostridium. C.acetobutylicum зброджує цукру в ацетон, етанол, ізопропанол та n-бутанол (ацетобутанолове бродіння), інші види можуть також зброджувати крохмаль, пектин та різні азотовмісні сполуки.
До молочнокислих бактерій відносяться представники пологів Lactobacillus, Leuconostoc і Streptococcus, які не утворюють суперечки, грампозитивні та нечутливі до кисню.
Гетероферментативні бактерії роду Leuconostoc перетворюють вуглеводи на молочну кислоту, етанол та вуглекислий газ.
Гомоферментативні бактерії Streptococcus роду продукують тільки молочну кислоту.
Представники роду Lactobacillus дають поряд із молочною кислотою низку різноманітних продуктів.
Представник роду Corynebacterium, нерухомі грампозитивні клітини С.glutamicum є джерелом лізину і глютамату натрію.
Інші види коринебактерій використовуються для мікробного вилуговування руд та утилізації гірничорудних відходів.
Широко використовується така властивість деяких бактерій, як діазотрофністьтобто здатність до фіксації атмосферного азоту.
Виділяють 2 групи діазотрофів:
Симбіонти: без кореневих бульбочок (в основному лишайники), з кореневими бульбочками (бобові);
Вільноживучі: гетеротрофи (азотобактер, клостридіум, метилобактер), автотрофи (хлоробіум, родоспірилум і амебобактер).
Бактерії також використовують у генноинженерных цілях.
Ціанобактерії мають здатність до азотфіксації, що робить їх досить перспективними продуцентами білка. У цитоплазмі клітин відкладається препарат, близький до глікогену.
Такі представники ціанобактерій, як ніс, спіруліна, триходесміум їстівні і безпосередньо вживаються в їжу. Ність утворює на безплідних землях скоринки, які набрякають при зволоженні. У Японії місцеве населення використовує в їжу пласти носка, що утворюються на схилах вулкана і називає їх ячмінним хлібом Тенг (Тенгу - добрий гірський дух).
Спіруліна (Spirulina platensis) походить з Африки – району озера Чад.
Spirulina maxima росте у водах Тескоко озера в Мексиці. Ще ацтеки збирали її з поверхні озер та вживали в їжу.
Зі спіруліни робили галети, що являли собою висушену масу спіруліни.
Аналіз показав, що у спіруліні міститься 65% білків (більше, ніж у соєвих бобах), 19% вуглеводів, 6% пігментів, 4% ліпідів, 3% волокон та 3% золи. Для білків характерний збалансований вміст амінокислот. Клітинна стінка цієї водорості добре перетравлюється.
Спіруліну можна культивувати у відкритих ставках або замкнутій системі з поліетиленових труб. Врожайність дуже висока: одержують до 20 г сухої маси водорості з 1 м 2 на день, це вище, ніж вихід пшениці, приблизно в 10 разів.
Вітчизняна фармацевтична промисловість випускає препарат Сплат на основі ціанобактерії Spirulina platensis. Він містить комплекс вітамінів і мікроелементів і застосовується як загальнозміцнюючий та імуностимулюючий засіб
Escherichia coli
Escherichia coli– один із найбільш вивчених організмів. За останні п'ятдесят років вдалося отримати вичерпну інформацію про генетику, молекулярну біологію, біохімію, фізіологію та загальну біологію Escherichia coli. Це грамнегативна, рухлива поличка завдовжки менше 10 мкм. Середовищем її проживання є кишечник людини і тварин, але вона також може мешкати у ґрунті та у воді. Зазвичай, кишкова паличка не патогенна, але за певних умов може викликати захворювання людини та тварин.
Завдяки здатності розмножуватися простим розподілом на середовищах, що містять тільки іони Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ,NH 4 + , Cl - , HPO 4 2- та SO 4 2- , мікроелементи та джерело вуглецю (наприклад, глюкозу ), E. coliстала улюбленим об'єктом наукових досліджень про.
При культивуванні E. coliна збагачених рідких живильних середовищах, що містять амінокислоти, вітаміни, солі, мікроелементи та джерело вуглецю, час генерації (тобто час між формуванням бактерії та її наступним поділом) у логарифмічній фазі росту при температурі 37°С становить приблизно 22 хв.
E. coliможна культивувати як в аеробних (у присутності кисню), так і в анаеробних (без кисню) умовах. Однак для оптимальної продукції рекомбінантних білків E. coliзазвичай вирощують в аеробних умовах.
Якщо метою культивування бактерій у лабораторії є синтез та виділення певного білка, то культури вирощують на складних рідких живильних середовищах у колбах. Для підтримки потрібної температури та забезпечення достатньої аерації культурального середовища колби поміщають у водяну баню або кімнату, що термостатується, і безперервно струшують. Такої аерації достатньо для розмноження клітин, але не завжди для синтезу певного білка.
Зростання клітинної маси та продукція білка лімітуються не вмістом у живильному середовищі джерел вуглецю або азоту, а вмістом розчиненого кисню: при 20°С воно дорівнює приблизно дев'яти мільйонним часткам. Це особливо важливо при промисловому отриманні рекомбінантних білків. Для забезпечення умов, оптимальних для максимальної продукції білків, конструюють спеціальні ферментери та створюють системи аерації.
Для кожного живого організму існує певний температурний інтервал, оптимальний для його зростання та розмноження. За дуже високих температур відбувається денатурація білків і руйнування інших важливих клітинних компонентів, що веде до загибелі клітини. При низьких температурах біологічні процеси суттєво уповільнюються або зупиняються внаслідок структурних змін, які зазнають білкових молекул.
Виходячи з температурного режиму, який віддають перевагу тим чи іншим мікроорганізмам, їх можна підрозділити на термофіли (від 45 до 90°С і вище), мезофіли (від 10 до 47 °С) і психрофіли (від -5 до 35 °С). мікроорганізми, що активно розмножуються лише у певному діапазоні температур, можуть бути корисним інструментом для вирішення різних біотехнологічних завдань. Наприклад, термофіли часто є джерелом генів, що кодують термостабільні ферменти, які застосовуються в промислових або в лабораторних процесах, а генетично видозмінені психротрофи використовують для біодеградації токсичних відходів, що містяться в грунті та воді, при знижених температурах.
Крім E. coliУ молекулярній біотехнології використовують безліч інших мікроорганізмів (табл. 1). Їх можна розділити на дві групи: мікроорганізми як джерела специфічних генів та мікроорганізми, створені генноінженерними методами для вирішення певних завдань. До специфічних генів відноситься, наприклад, ген, що кодує термостабільну ДНК-полімеразу, яка використовується в широко застосовуваної полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Цей ген був виділений з термофільних бактерій і клонований у E. coli. до другої групи мікроорганізмів відносяться, наприклад, різні штами Corynebacterium glutamicum, які були генетично модифіковані для підвищення продукції промислово важливих амінокислот.
Таблиця 1. Деякі генетично модифіковані мікроорганізми, що використовуються у біотехнології.
|
Acremonium chrysogenum Bacillus brevis Bacillus subtilis Bacillus thuringiensts Corynebacterium glutamicum Erwinia herbicola Escherichia coli Pseudomonas spp. Rhizoderma spp. Trichoderma reesei Xanthomonas campestris Zymomonas mobilis |
На сучасному етапі виникає проблема розробки стратегії та тактики досліджень, які б з розумною витратою праці витягти з потенціалу нових мікроорганізмів усе найбільш цінне при створенні промислово важливих штамів-продуцентів, придатних до використання в біотехнологічних процесах. Класичний підхід полягає у виділенні потрібного мікроорганізму із природних умов.
1. З природних місць проживання гаданого продуцента відбирають зразки матеріалу (беруть проби матеріалу) і виробляють посів в елективне середовище, що забезпечує переважний розвиток мікроорганізму, що цікавить, тобто отримують так звані накопичувальні культури.
2. Наступним етапом є виділення чистої культури з подальшим диференціально-діагностичним вивченням ізольованого мікроорганізму та, у разі потреби, орієнтовним визначенням його продукційної здатності.
Існує й інший шлях підбору мікроорганізмів-продуцентів – це вибір потрібного виду з наявних колекцій добре вивчених та досконало охарактеризованих мікроорганізмів. У цьому, звісно, усувається необхідність виконання низки трудомістких операцій.
Головним критерієм під час виборів біотехнологічного об'єкта (у разі мікроорганізму-продуцента) є здатність синтезувати цільової продукт. Однак крім цього, в технології самого процесу можуть закладатися додаткові вимоги, які часом бувають дуже важливими, щоб не сказати вирішальними. Загалом мікроорганізми повинні:
Володіти високою швидкістю зростання;
1.Одноклітинні організми, як правило, характеризуються більш високими швидкостями росту та синтетичних процесів, ніж вищі організми. Проте це притаманне не всім мікроорганізмам. Існують такі з них (наприклад, оліготрофні), які ростуть вкрай повільно, проте вони становлять відомий інтерес, оскільки здатні продукувати різні дуже цінні речовини.
Утилізувати необхідні для їхньої життєдіяльності дешеві субстрати;
2. Особливу увагу як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла. Частина з них (ціанобактерії та фотосинтезуючі еукаріоти) як джерело вуглецю утилізують СО2, а деякі представники ціанобактерій, до всього сказаного, мають здатність засвоювати атмосферний азот (тобто є вкрай невибагливими до поживних речовин).
Фотосинтезуючі мікроорганізми є перспективними як продуценти аміаку, водню, білка та ряду органічних сполук. Проте пpогpecка в їх використанні внаслідок обмеженості фундаментальних знань про їхню генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми життєдіяльності, очевидно, слід очікувати не в найближчому майбутньому.
Бути резистентними до сторонньої мікрофлори, тобто мати високу конкурентоспроможність.
3. Певна увага приділяється таким об'єктам біотехнології, як термофільні мікроорганізми, що ростуть при 60-80 ° С. Ця їх властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори при відносно не стерильному культивуванні, тобто є надійним захистом від забруднень. Серед термофілів виявлено продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Крім того, швидкість їх зростання та метаболічна активність у 1,5–2 рази вища, ніж у мезофілів. Ферменти, які синтезуються термофілами, характеризуються підвищеною стійкістю до нагрівання, деяким окислювачам, детергентам, органічним розчинникам та іншим несприятливим факторам. У той самий час вони мало активні за нормальних температур. Так, протеази одного з представників термофільних мікроорганізмів при 200 ° С в 100 разів менш активні, ніж при 750 ° С. Останнє є дуже важливою властивістю для деяких промислових виробництв.
Все перераховане вище забезпечує значне зниження витрат на виробництво цільового продукту.
Селекція
Невід'ємним компонентом у процесі створення найбільш цінних та активних продуцентів, тобто при підборі об'єктів у біотехнології є їх селекція. А генеральним шляхом селекції є свідоме конструювання геномів кожному етапі відбору потрібного продуцента. У розвитку мікробних технологій свого часу відіграли (та й зараз ще продовжують грати) дуже важливу роль методи, що базуються на селекції спонтанно виникаючих змінених варіантів, що характеризуються необхідними корисними ознаками. За таких методів зазвичай використовується ступінчаста селекція: кожному етапі відбору з популяції мікроорганізмів відбираються найактивніші варіанти (спонтанні мутанти), у тому числі наступному етапі відбирають нові, ефективніші штами.
p align="justify"> Процес селекції найбільш ефективних продуцентів значно прискорюється при використанні методу індукованого мутагенезу.
Як мутагенних впливів застосовуються УФ, рентгенівське та гамма-випромінювання, певні хімічні речовини та ін. Однак і цей прийом також не позбавлений недоліків, головним з яких є його трудомісткість та відсутність відомостей про характер змін, оскільки експериментатор веде відбір за кінцевим результатом.
Таким чином, тенденцією сьогоднішнього дня є свідоме конструювання штамів мікроорганізмів із заданими властивостями на основі фундаментальних знань про генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми здійснення основних функцій організму.
Селекція мікроорганізмів для мікробіологічної промисловості та створення нових штамів часто спрямовані на посилення їхньої продукційної спроможності, тобто. утворення того чи іншого продукту. Вирішення цих завдань тією чи іншою мірою пов'язане зі зміною регуляторних процесів у клітині.
Зміни швидкості біохімічних реакцій у бактерій можуть здійснюватися принаймні двома шляхами. Один з них дуже швидкий (що реалізується протягом секунд або хвилин) полягає у зміні каталітичної активності індивідуальних молекул ферменту. Другий, повільніший (реалізується протягом багатьох хвилин), полягає у зміні швидкостей синтезу ферментів. В обох механізмах використовується єдиний принцип управління системами - принцип зворотного зв'язку, хоча існують і простіші механізми регуляції активності метаболізму клітини. Найпростіший спосіб регуляції будь-якого метаболічного шляху ґрунтується на доступності субстрату чи наявності ферменту. Зниження кількості субстрату (його концентрації у середовищі) призводить до зниження швидкості потоку конкретної речовини через метаболічний шлях. З іншого боку, збільшення концентрації субстрату призводить до стимулювання метаболічного шляху. Тому, незалежно від якихось інших факторів, наявність (доступність) субстрату слід розглядати як потенційний механізм будь-якого метаболічного шляху. Іноді ефективним засобом підвищення виходу цільового продукту є збільшення концентрації у клітині певного попередника.
Найбільш поширеним способом регуляції активності метаболічних реакцій у клітині є регуляція за типом ретроінгібування.
Біосинтез багатьох первинних метаболітів характеризується тим, що з підвищення концентрації кінцевого продукту даного біосинтетичного шляху пригнічується активність однієї з перших ферментів цього шляху. Вперше про наявність такого регуляторного механізму було повідомлено в 1953 р. A. Novik та L. Szillard, які досліджували біосинтез триптофану клітинами E. coli. Заключний етап біосинтезу даної ароматичної амінокислоти складається з кількох стадій, що каталізуються індивідуальними ферментами.
Вказаними авторами було виявлено, що в одного з мутантів E. coli з порушеним біосинтезом триптофану додавання даної амінокислоти (що є кінцевим продуктом цього біосинтетичного шляху) різко гальмує накопичення одного з попередників – індолу гліцерофосфату в клітинах. Вже тоді було висловлено припущення, що триптофан пригнічує активність якогось ферменту, що каталізує утворення індолу гліцерофосфату. Це було підтверджено.
Мікроорганізми широко використовуються в харчовій промисловості, домашньому господарстві, мікробіологічній промисловості для одержання амінокислот, ферментів, органічних кислот, вітамінів та ін. Наприклад, виноробство, пивоваріння та виробництво дріжджового тіста неможливі без використання дріжджів, широко поширених у природі.
Історія індустріального виробництва дріжджів почалася в Голландії, де в 1870 р. було засновано першу фабрику, яка випускала дріжджі. Основним видом продукції стали пресовані дріжджі вологістю близько 70%, які могли зберігатися лише кілька тижнів. Тривале зберігання було неможливо, оскільки клітини пресованих дріжджів залишалися живими, зберігали свою активність, що й призводило до їхнього автолізу та загибелі. Одним із способів промислового консервування дріжджів стало висушування. У сухих дріжджах при низькій вологості дріжджова клітина знаходиться в анабіотичному стані і може зберігатися тривалий час. Перші сухі дріжджі з'явилися 1945 р. У 1972 р. з'явилося друге покоління сухих дріжджів, звані інстантні дріжджі. З середини 1990-х років з'явилося третє покоління сухих дріжджів: пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae,які поєднали переваги інстантних дріжджів з висококонцентрованим комплексом спеціалізованих хлібопекарських ферментів в одному продукті. Ці дріжджі дозволяють не лише покращити якість хліба, а й активно протистояти процесу черствіння.
Пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiaeвикористовуються і у виробництві етилового спирту.
Виноробство використовує безліч різних рас дріжджів, щоб отримати унікальну марку вина з тільки властивими йому якостями.
Молочнокислі бактерії беруть участь у приготуванні таких харчових продуктів, як квашена капуста, солоні огірки, мариновані маслини та багато інших маринованих продуктів.
Молочнокислі бактерії перетворять цукор на молочну кислоту, яка оберігає харчові продукти від гнильних бактерій.
За допомогою молочнокислих бактерій готують величезний асортимент молочнокислих продуктів, сир, сир.
Однак багато мікроорганізмів відіграють негативну роль у житті людини, будучи збудниками хвороб людини, тварин і рослин; вони можуть викликати псування харчових продуктів, руйнування різних матеріалів тощо.
Для протистояння з такими мікроорганізмами були відкриті антибіотики – пеніцилін, стрептоміцин, граміцидин та ін., які є продуктами метаболізму грибів, бактерій та актиноміцетів.
Мікроорганізми дають людині потрібні ферменти. Так, амілазу використовують на підприємствах харчової, текстильної, паперової промисловості. Протеаза викликає розкладання білків у різних матеріалах. На Сході протеазу з грибів застосовували кілька століть тому для приготування соєвого соусу. В даний час її використовують при виробництві миючих засобів. При консервуванні фруктових соків застосовують такий фермент, як пектиназ.
Мікроорганізми використовують для очищення стічних вод, переробки відходів харчової промисловості. При анаеробному розкладанні органічної речовини відходів утворюється біогаз.
Останніми роками виникли нові виробництва. З грибів отримують каротиноїди та стероїди.
Бактерії синтезують багато амінокислот, нуклеотидів та інших реактивів для біохімічних досліджень.
Мікробіологія є наукою, що швидко розвивається, досягнення якої багато в чому пов'язані з розвитком фізики, хімії, біохімії, молекулярної біології та ін.
Для успішного вивчення мікробіології потрібне знання перерахованих наук.
У цьому курсі переважно розглядається мікробіологія харчових продуктів. Багато мікроорганізмів живе на поверхні тіла, в кишечнику людини і тварин, на рослинах, на харчових продуктах і на всіх предметах навколо нас. Мікроорганізми споживають найрізноманітнішу їжу, надзвичайно легко пристосовуються до умов життя, що змінюються: теплу, холоду, нестачі вологи тощо. Вони дуже швидко розмножуються. Без знання мікробіології не можна грамотно та ефективно керувати біотехнологічними процесами, зберегти високу якість харчових продуктів на всіх етапах його виробництва та запобігти споживанню продуктів, що містять збудників харчових захворювань та отруєнь.
Слід особливо наголосити, що мікробіологічні дослідження харчових продуктів, не тільки з точки зору технологічних особливостей, але і, що не менш важливо, з точки зору їхньої санітарно-мікробіологічної безпеки, є найскладнішим об'єктом санітарної мікробіології. Це не лише різноманітністю і розмаїттям мікрофлори у продуктах харчування, а й використанням мікроорганізмів у виробництві багатьох із них.
У зв'язку з цим, при мікробіологічному аналізі якості та безпеки продуктів харчування слід розрізняти дві групи мікроорганізмів:
- Специфічна мікрофлора;
- Неспецифічна мікрофлора.
Специфічна– це культурні раси мікроорганізмів, які використовуються для приготування того чи іншого продукту та є обов'язковою ланкою у технології його виробництва.
Така мікрофлора використовується у технології отримання вина, пива, хліба, всіх кисломолочних продуктів.
Неспецифічна– це мікроорганізми, які потрапляють у харчові продукти із довкілля, забруднюючи їх. Серед цієї групи мікроорганізмів розрізняють сапрофітні, патогенні та умовно-патогенні, а також мікроорганізми, що викликають псування продуктів.
Ступінь забруднення залежить від безлічі факторів, до яких слід віднести правильність заготівлі сировини, її зберігання та переробки, дотримання технологічних та санітарних режимів виробництва продуктів, їх зберігання та транспортування.
Мікробіологічні процеси широко застосовують у різних галузях народного господарства. В основі багатьох процесів лежать реакції обміну речовин, що відбуваються при зростанні та розмноженні деяких мікроорганізмів.
З допомогою мікроорганізмів виробляють кормові білки, ферменти, вітаміни, амінокислоти, органічні кислоти тощо.
Основні групи мікроорганізмів, що використовуються у харчовій промисловості
Основні групи мікроорганізмів, що використовуються в галузях харчової промисловості, - бактерії, дріжджові та плісняві гриби.
Бактерії.Використовують як збудники молочнокислого, оцтовокислого, маслянокислого, ацетонобутилового бродіння.
Культурні молочнокислі бактерії використовують при отриманні молочної кислоти, хлібопеченні, іноді в спиртовому виробництві. Вони перетворюють цукор на молочну кислоту за рівнянням
C 6 H 12 O 6 ® 2CH 3 – CH – COOH + 75 кДж
У виробництві житнього хліба беруть участь справжні (гомоферментативні) та несправжні (гетероферментативні) молочнокислі бактерії. Гомоферментативні беруть участь тільки в кислотоутворенні, а гетероферментативні, поряд з молочною кислотою, утворюють леткі кислоти (в основному оцтову), спирт та діоксид вуглецю.
У спиртової промисловості молочнокисле бродіння застосовується для підкислення дріжджового сусла. Дикі молочнокислі бактерії несприятливо впливають на технологічні процеси бродильних виробництв, погіршують якість готової продукції. Молочна кислота, що утворюється, пригнічує життєдіяльність сторонніх мікроорганізмів.
Маслянокисле бродіння, що викликається маслянокислими бактеріями, використовують для виробництва олійної кислоти, ефіри якої застосовують як ароматичні речовини.
Маслянокислі бактерії перетворюють цукор на масляну кислоту за рівнянням
C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + H 2 + Q
Оцтовокислі бактерії використовують із отримання оцту (розчину оцтової кислоти), т.к. вони здатні окислювати етиловий спирт в оцтову кислоту за рівнянням
C 2 H 5 OH + O 2 ® CH 3 COOH + H 2 O +487 кДж
Оцтовокисле бродіння є шкідливим спиртового виробництва, т.к. призводить до зниження виходу спирту, а в пивоваренні викликає псування пива.
Дріжджі.Застосовуються як збудники бродіння при отриманні спирту і пива, у виноробстві, у виробництві хлібного квасу, у хлібопеченні.
Для харчових виробництв мають значення дріжджі – цукроміцети, які утворюють суперечки, та недосконалі дріжджі – несахароміцети (дріжджоподібні гриби), що не утворюють суперечки. Сімейство цукроміцетів ділиться на кілька пологів. Найбільш важливе значення має рід Saccharomyces (сахароміцети). Рід поділяється на види, а окремі різновиди виду називають расами. У кожній галузі застосовують окремі раси дріжджів. Розрізняють дріжджі пилоподібні та пластівці. У пилоподібних клітини ізольовані одна від одної, а у пластів'подібних клітини склеюються між собою, утворюючи пластівці, і швидко осідають.
Культурні дріжджі відносяться до сімейства цукроміцетів S. сerevisiae. Температурний оптимум для розмноження дріжджів 25-30 0 З, а мінімальна температура близько 2-3 0 З. При 40 0 З зростання припиняється, дріжджі відмирають, за низьких температур розмноження зупиняється.
Розрізняють дріжджі верхового та низового бродіння.
З культурних дріжджів до дріжджів низового бродіння відносять більшість винних та пивних дріжджів, а до дріжджів верхового бродіння – спиртові, хлібопекарські та деякі раси пивних дріжджів.
Як відомо, у процесі спиртового бродіння з глюкози утворюється два основних продукти – етанол і діоксид вуглецю, а також проміжні вторинні продукти: гліцерин, бурштинова, оцтова та піровиноградна кислоти, ацетальдегід, 2,3-бутиленгліколь, ацетоїнові ефіри та ефіри , ізопропіловий, бутиловий та інші спирти).
Зброджування окремих цукрів відбувається у певній послідовності, обумовленої швидкістю їхньої дифузії в дріжджову клітину. Найшвидше зброджуються дріжджами глюкоза та фруктоза. Сахароза, як така, зникає (інвертується) у середовищі ще на початку бродіння під дією ферменту дріжджів b – фруктофуранозидази, з утворенням глюкози та фруктози, які легко використовуються клітиною. Коли в середовищі не залишається глюкози та фруктози, дріжджі споживають мальтозу.
Дріжджі мають здатність зброджувати дуже високі концентрації цукру - до 60%, вони виносять також високі концентрації спирту - до 14-16 об. %.
У присутності кисню спиртове бродіння припиняється і дріжджі одержують енергію за рахунок кисневого дихання:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ® 6CO 2 + 6H 2 O + 2824 кДж
Оскільки процес більш енергетично багатий, ніж процес бродіння (118 кДж), то дріжджі витрачають цукор значно економніше. Припинення бродіння під впливом кисню повітря називають ефектом Пастера.
У спиртовому виробництві застосовують верхові дріжджі виду S. сerevisiae, які мають найбільшу енергію бродіння, утворюють максимум спирту і зброджують моно-і дисахариди, а також частину декстринів.
У хлібопекарських дріжджах цінують швидкорозмножувальні раси, що мають гарну підйомну силу і стійкість при зберіганні.
У пивоварінні використовують дріжджі низового бродіння, пристосовані до порівняно низьких температур. Вони повинні бути мікробіологічно чистими, мати здатність до пластівців, швидко осідати на дно бродильного апарату. Температура бродіння 6-80С.
У виноробстві цінують дріжджі, що швидко розмножуються, мають властивість пригнічувати інші види дріжджів і мікроорганізми і надавати вину відповідний букет. Дріжджі, що застосовуються у виноробстві, відносяться до виду S. vini, енергійно зброджують глюкозу, фруктозу, сахарозу та мальтозу. У виноробстві майже всі виробничі культури дріжджів виділені з молодих вин у різних місцевостях.
Зигоміцети- плісняві гриби, вони відіграють велику роль як продуценти ферментів. Гриби роду Aspergillus продукують амілолітичні, пектолітичні та інші ферменти, які використовують у спиртовій промисловості замість солоду для оцукрювання крохмалю, у пивоварінні при частковій заміні солоду нескладеною сировиною тощо.
У виробництві лимонної кислоти А. niger є збудником лимоннокислого бродіння, перетворюючи цукор на лимонну кислоту.
Мікроорганізми у харчовій промисловості грають двояку роль. З одного боку, це культурні мікроорганізми, з іншого - харчові виробництва потрапляє інфекція, тобто. сторонні (дикі) мікроорганізми. Дикі мікроорганізми поширені в природі (на ягодах, плодах, у повітрі, воді, грунті) та з навколишнього середовища потрапляють у виробництво.
Для дотримання правильного санітарно-гігієнічного режиму на харчових підприємствах ефективним способом знищення та придушення розвитку сторонніх мікроорганізмів є дезінфекція.
Статті на тему
