Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Тема 15. Мікробіологічний синтез органічних кислот



15.1 Окислювальне зброджування

 

Органічні кислоти в культурах мікроорганізмів утворюються в результаті зброджування або процесів неповного окислювання субстрату. До зброджування відносяться ті процеси одержання енергії, при яких відщеплюємий від субстрату водень переноситься в остаточному підсумку на органічні акцептори. Зброджування відрізняється від анаеробного дихання. Останнє протікає також під час відсутності кисню, але при цьому водень передається через дихальний ланцюг на такий кінцевий акцептор, як нітрат або сульфат. Залежно від кінцевих або переважних продуктів розрізняють спиртове, молочнокисле, маслянокисле, ацетонобутанолове й деякі інші види зброджувань. У результаті неповних окислювань утворюються оцтова, лимонна, глюконова, ітаконова й ряд інших кислот. Іноді ці процеси називають окислювальними зброджуваннями, однак слово "зброджування" носить тут не біохімічний, а технологічний характер.

Лимонна кислота. Отримання лимонної кислоти шляхом зброджування є одним з найбільш старих мікробіологічних виробництв. Здійснює процес, як правило, культура Aspergіllus nіger, спеціально відселектована для одержання високих виходів продукту. У виробництві в рівній мірі можуть використовуватися як поверхневі, так і глибинні культури. У якості вуглець- місткого компоненту поживного середовища використовують звичайно мелясу. Крім вуглеводного компоненту меляса містить ряд органічних кислот глюконову, яблучну, бурштинову, адипінову, фумарову й цукрову, частина яких зберігається але ходу процесу. До кінця зброджування із цих кислот крім лимонної були виявлені адипінова, глюконова, цукрова, щавлева. Залежно від вихідного хімічного складу застосовуваних меляс у зброджуваних розчинах були виявлені яблучна, малонова, фумарова, аконітова, бурштинова й молочна кислоти .

При використанні сахарози зброджені розчини за складом органічних кислот відрізняються від зброджених розчинів меляси. Застосування сахарози приводило до нагромадження в середовищі меншої якісної розмаїтості кислот. Тут ідентифікувалися крім лимонної щавлева, глюконова й цукрова кислоти, а в деяких випадках незначні кількості винної кислоти.

Біохімічний механізм синтезу лимонної кислоти добре відомий. Утворюється вона в результаті функціонування циклу Кребса. Рівною мірою це відноситься до всіх інших зазначених вище кислотам, які входять у цикл Кребса. Схема утворення щавлевої й малонової кислот, які присутні у бродильному середовищі, наведена нижче.

Інший шлях - через функціонуючий у продуцента гліоксилатний шунт:

В останній реакції коензим А передається на бурштинову кислоту з утворенням сукциніл-КоА. Реакція оборотна, тому синтезована щавлева кислота може через гліоксилатний шлях вступити в цикл Кребса. Щавлева кислота звичайно накопичується в той період, коли рН середовища ближче до нейтрального значення. Процес зброджування з утворенням лимонної кислоти протікає при низькому значенні рН. Це має безсумнівні технологічні вигоди: у кислому середовищі (рН 3-4) досить незначна активність ферментів, які можуть синтезувати небажані побічні продукти, стороння повітряна бактеріальна мікрофлора, потрапивши в середовище, не здатна рости.

Малонова кислота може утворитися шляхом ферментативного окислювального декарбоксилювання щавлевооцтової кислоти:

В останні роки розроблені технологічні прийоми отримання лимонної кислоти при культивуванні дріжджів і мікроміцетів на вуглеводнях. Біохімічні основи отримання лимонної кислоти нічим не відрізняються від її отримання на вуглеводах. Вуглеводні, перетворюючись в жирні кислоти, піддаються β-окисленню та включаються в цикл Кребса. Основною фізіологічною умовою надсинтезу лимонної кислоти є дефіцит азоту в середовищі. В культурі Candida lipolytica одночасно з лимонною кислотою відбувається накопичення ізолимонної.

Ітаконова кислота. Отримання ітаконової кислоти шляхом мікробіологічного синтезу – порівняно новий технологічний процес. Здійснює його культура Asp. terreus на середовищах, які містять різні джерела вуглецю, в першу чергу різні меляси або технічні вуглеводвміщуючі продукти, наприклад гідрол та ін. Ітаконова кислота утворюється результаті функціонування циклу Кребса. Безпосереднім її джерелом слугує цис-аконітова кислота.

Оцтова кислота. Отримання оцтової кислоти є одним із найдавніших харчових виробництв. В якості сировини можуть бути використані найрізноманітніші продукти, економічно вигідні в тій або іншій місцевості. Перевагу віддають тим видам сировини, які крім вуглеводів містять ароматичні й смакові компоненти. Наприклад, у США широко розповсюджений яблучний оцет, а в районах вирощування винограду в Європі - виноградний. Серед джерел сировини можуть бути названі також абрикоси, персики, інжир, фініки й т.і. Для виробництва оцту потрібні два різних мікробіологічних процеси. Сировина спочатку піддається спиртовому зброджуванню, а етиловий спирт, що потім утворився, окисляється до оцтової кислоти. Спиртове зброджування проходить за класичною, широко відомою схемою. Крім етанолу серед продуктів зброджування в незначних кількостях можуть бути присутніми гліцерин, мурашина, оцтова, молочна і бурштинова кислоти, ацетилметилкарбінол, а також кислоти й ефіри, характерні для конкретного виду сировини, пігменти, пентозани і т.п. Іншим способом одержання оцтової кислоти є безпосереднє окислювання етанолу, що здійснює культура Acetobactеr і ряд інших бактерій. В обох випадках утворення оцтової кислоти з етанолу відбувається в такий спосіб:

Відомий у ряду бактерій інший шлях:

Щойно зброджений продукт має різкий запах і смак. Звичайно його піддають витримці в бочках і чанах, так званому старінню. При цьому відбуваються ряд додаткових реакцій, які сприяють поліпшенню смакових показників. Однією з найпоширеніших реакцій є етерифікація, зокрема утворення ацетоетилового ефіру.

Глюконова кислота. Накопичується в культурах багатьох мікроорганізмів, як прокаріотів, так і еукаріотів. Промислове значення для отримання глюконової кислоти мають переважно культури Aspergillus niger . Основний технологічний процес здійснюється, по суті, двома ферментними системами. Одна із них – флавопротеїн-глюкозооксидаза перетворює β-D-глюкопіранозу в D-глюконо-δ-лактон. Друга – глюконолактоназа здійснює ферментативний гідроліз лактону до глюконової кислоти. Утворений в ході реакції перекис водню розкладується каталазою.

Культивацію здійснюють при незначній концентрації азоту та високому вмісті глюкози у середовищі, у кислій зоні рН, яка є оптимальною для дії ферменту. Знаходять застосування натрієва і кальцієва солі глюконової кислоти.

 

15.2 Молочнокисле зброджування

 

Молочнокисле зброджування здійснюють бактерії, які відносяться до родів Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pedicoccus. Морфологічно вони гетерогенні, відрізняються складними потребами в ростових речовинах, вітамінах, амінокислотах, тому більшість цих бактерій використовується в якості індикаторних культур. Жодна з культур молочнокислих бактерій не здатна рости на мінеральному середовищі з глюкозою у якості єдиного джерела вуглецю та з сіллю амонію як єдиного джерела азоту. Основною властивістю молочнокислих бактерій, за якою їх об’єднують в окрему групу, є здатність синтезувати молочну кислоту в якості головного продукту зброджування. Відрізняють гомоферментативне та гетероферментативне зброджування.

Гомоферментативне зброджування. Формально характеризується тим, що єдиним продуктом зброджування є молочна кислота. В загальному вигляді реакція може бути записана наступним чином (виходячи з глюкози):

При цьому вихід продукту може складати 98%. Такий високий вихід обумовлений тим, що процес зброджування вуглеводів знаходиться в досить незначному зв’язку з процесами конструктивного обміну. Вуглеводи дуже мало або зовсім не використовуються в конструктивному обміні, оскільки останній в основному побудований на використанні готових амінокислот субстрату. Таким чином, в умовах гомоферментативного молочнокислого зброджування конструктивний та енергетичний обміни на протилежність більшості інших зброджувань в матеріальному відношенні найбільш розмежені один від одного. За даним типом зброджування глюкоза включається в метаболізм за класичним шляхом гліколізу за схемою Ембдена-Мейергофа.

Від стереоспецифічності лактатдегідрогенази й від наявності лактатрацемази залежить, який утвориться продукт D (-), L ( + ) або DL-молочна кислота

Гетероферментативне зброджування. Характеризується тим, що утворюється не тільки молочна кислота, але й ряд інших продуктів, наприклад оцтова кислота, етанол й ін., що мають родинний біогенетичний зв'язок з піровиноградною кислотою. Бактерії, для яких характерне гетероферментативне зброджування, здійснюють початкове розщеплення глюкози винятково по пентозофосфатному шляху. У них відсутня фруктозо-би фосфат-альдолаза, активність якої забезпечує утворення 3-фосфогліцеринового альдегіду й диоксиацетонфосфату з фруктозо-1,6-дифосфата. Немає також триозофосфатізомерази, ферменту, що забезпечує взаємоперетворення 3-фосфогліцеринового альдегіду й диоксиацетонфосфату. 3-фосфогліцериновий альдегід утворюється в них із ксилулозо-5-фосфату. Каталізує реакцію фосфокетолаза:

Ацетилфосфат віддає фосфат на АДФ, перетворюючись в оцтову кислоту. 3-фосфогліцериновий альдегід піддається ферментному перетворенню в піровиноградну кислоту, як й у схемі Ембдена - Мейергофа. З останньої утвориться як молочна кислота, так і етанол.

Промисловими джерелами вуглеводного компонента при молочнокислому зброджуванні є меляса, гідрол, патока, молочна сироватка.

Крім одержання молочної кислоти молочнокислі мікроорганізми застосовуються для одержання сирів, кисломолочних продуктів і т. п. У сільському господарстві молочнокислі бактерії, що живуть на рослинах, відіграють велику роль при силосуванні кормів.

 

 

15.3 Зброджування, викликуванні клостридіями

 

Спороутворюючі бактерії, що відносяться до роду Clostrіdіum, викликають різні бродильні процеси. Всі вони відбуваються в анаеробних умовах. В аеробних умовах культури не ростуть. Токсичну дію кисню пов'язують із відсутністю в клостридій цитохромів і каталази й з високим вмістом флавінових ферментів. Останні переносять водень від субстратів на кисень із утворенням перекису, що накопичується в токсичних концентраціях. При зброджуванні утворюються в різних співвідношеннях кислоти (масляна, оцтова, молочна), спирти (бутанол, етанол, ізопропанол), а також ацетон і гази (водень й CO2). Субстратами зброджувань служать глюкоза, деякі полісахариди, органічні кислоти й спирти. Клостридії розщеплюють глюкозу гліколітичним шляхом.

У відновних реакціях, де бере участь водень, безпосереднім донором служить відновлена форма НАД, утворена при перетворенні 3-фосфогліцеринового альдегіду в 1,3-фосфогліцеринову кислоту.

 

 

Синтез того або іншого продукту залежить в основному від культури, однак деякі здвиги в напрямку процесу можна викликати, змінюючи фізіологічні умови культивування. Так, в Clostridium acetobutilicum при зброджуванні глюкози спочатку утворюється масляна кислота. Однак при підкисленні середовища проявляють активність ферменти, відповідальні за утворення ацетону й бутанола, - ацетатацегатдекарбоксилаза й фермент, який дегідрує бутанол. При шумуванні в лужному середовищі, наприклад у присутності СаСО3, співвідношення між продуктами реакції змінюється.

Контрольні питання:

1. Розкрити особливості окислювального зброджування

2. Охарактеризувати біосинтез лимонної, оцтової, малонової, ітаконової, глюконової кислот

3. Охарактеризувати особливості молочнокислого зброджування

4. Охарактеризувати особливості клостридіального зброджування

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.