Биотехнология получения первичных метаболитов

Производство органических кислот

В настоящее время рынок органических кислот составляет 800 млн долларов в год. Потребность в этих соединениях постоянно повышается. Сегодня микробиологическим способом получают около 60 органических кислот и их производных.

Пищевыми принято называть 4 органические кислоты: лимонную, молочную, уксусную и винную. Иногда к ним причисляют яблочную и глутаминовую. Первые три пищевые кислоты получают с помощью микробного синтеза.

Получение лимонной кислоты

Лимонная кислота (С6Н8О7) - трехосновная оксикислота, широко распространена в природе, относительно много ее содержится в некоторых ягодах, фруктах, особенно в цитрусовых (в лимоне 5-10 %), в листьях и стеблях некоторых растений.

Ранее лимонную кислоту выделяли в виде лимоннокислого кальция из продуктов переработки листьев хлопчатника, стеблей махорки, хвои ели и в значительных количествах из плодов лимонов. Однако это производство является крайне дорогим и небольшим по объему. Поэтому лимонная кислота была дефицитным и дорогим продуктом.

В настоящее время лимонная кислота по объему производства является одним из главных продуктов микробного синтеза, ее общий выпуск в разных странах достигает до 400 тыс. тонн в год.

В начале нашего столетия рядом исследователей было замечено, что некоторые плесневые грибы обладают способностью образовывать заметные количества органических кислот. В дальнейшем путем отбора и направленной селекции были выделены активные продуценты органических кислот.

Для получения лимонной кислоты используют микроскопические грибы родов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Ustina и др. В настоящее время основными продуцентами лимонной кислоты являются различные штаммы гриба Aspergillus niger, которые отличаются большой скоростью роста, легкостью культивирования и высоким выходом лимонной кислоты по отношению к массе окисляемого углевода. Они устойчивы к внешним воздействиям и имеют обильное конидиеношение. Споры грибов для получения лимонной кислоты хранят только в сухом виде.

Образование лимонной кислоты осуществляется в цикле трикарбоновых кислот в результате конденсации оксалоацетата и ацетил-КоА при участии фермента цитрат-синтетазы (рис.

4.3.1.).

Необходимые для реакции оксалоацетат и ацетил Ко А образуются из двух молекул пирувата: одна молекула пирувата подвергается декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, вторая - карбоксилируется, давая оксалоацетат. Пируват образуется по фруктозо-бифосфатному пути (пути гликолиза, Эмбдена, Майергофа-Парнаса). Все ферменты этого пути, а также пируватдегидрогеназа, пируваткарбоксилаза и цитрат-синтетаза обнаружены у A. niger. В результате рассмотренной реакции одна молекула сахара (C6Hi2O6) превращается в одну молекулу лимонной кислоты (С6Н8О7).

Лимонная кислота - обычный метаболит ЦТК и в небольшом количестве присутствует в клетках разных микроорганизмов. Грибы рода Aspergillus niger способны синтезировать огромные количества этой кислоты. Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании роста грибов-продуцентов минеральными компонентами среды и одновременном избыточном содержании источника углерода. В условиях лимитирования роста гриба недостатком одного или нескольких минеральных компонентов (Fe, Мп, N, Р, S) после полного поглощения из среды дефицитного элемента он прекращает рас-76 ти, однако продолжает потреблять имеющийся в среде источник углерода. При этом в клетках гриба начинает накапливаться лимонная кислота, которая в дальнейшем выделяется в среду.

С6Н12О6

Глюкоза

СН3 - СО - СООН СНз - со - соон

Пируват Пируват

- СО2 + СО2

СНз - СО - S - КоА + НООС - СН2 - СО - СООН

Ацетил КоА Оксалоацетат

I—,----1

Н2С - соон

но - с - соон

I

Н2С - соон

Лимонная кислота

Рис. 4.3.1. Схема синтеза лимонной кислоты

Общая технологическая схема производства лимонной кислоты включает следующие этапы:

  • 1. Подготовка питательной среды. Мелассу загружают в варочный котел, разбавляют водой до определенной концентрации углеводов (16 %), добавляют источники азота, фосфора и микроэлементы. Устанавливают необходимое значение pH среды (6,8-7,2) добавлением кислоты или щелочи. Для осаждения солей тяжелых металлов (железа, магния и т.д.), находящихся в мелассе, ее раствор обрабатывают желтой кровяной солью. Затем среду стерилизуют и охлаждают до температуры ферментации.
  • 2. Получение посевного материала. В отдельном цехе выращивают посевной материал в виде спор (конидий) Aspergillus niger. Затем размножают его в три стадии: в пробирках, колбах и алюминиевых кюветах. Длительность каждой стадии - 2-4 сут при 32 °C. Для выращивания в пробирках используют твердую агаризованную питательную среду, а в колбах и кюветах - жидкую.
  • 3. Ферментация может осуществляться поверхностным или глубинным способом. Заводы небольшой или средней мощности используют поверхностный способ. Глубинный способ экономически выгоден тогда, когда мощность завода превышает 2500 т лимонной кислоты в год.
  • 3.1 При поверхностном способе ферментация проводится на открытых металлических кюветах высотой 7-20 см, в которых мицелий продуцента развивается на поверхности среды. Кюветы размещаются на многоярусных стеллажах, в специальных камерах. На каждом стеллаже помещается 8-10 кювет, расстояние между которыми (по вертикали) 30-40 см. Кюветы изготавливают из нержавеющей стали или чистого алюминия - материалов, не подвергающихся коррозии и не загрязняющих среду ионами железа. В растильные камеры подают стерильный кондиционированный воздух. Температура поддерживается около 28-30°С, цикл брожения заканчивается через 8-9 суток.
  • 3.2 При глубинном способе мицелий гриба погружен в питательную среду в ферментаторах, туда же подается стерильный воздух. Длительность культивирования - 5-9 суток.
  • 4 Сепарация. По окончании ферментации мицелий отделяют от культуральной жидкости. При глубинной ферментации -фильтрованием на фильтрах. При поверхностной ферментации - вручную, предварительно слив жидкость с кювет. Мицелий промывают, высушивают и направляют для использования в качестве добавки к животным кормам. Фильтрованная культуральная жидкость (фильтрат) представляет собой водный раствор лимонной кислоты. В 1 литре фильтрата содержится 40-50 г лимонной кислоты.
  • 5 Выделение лимонной кислоты. Лимонную кислоту выделяют из культуральной жидкости в виде плохо растворимой соли - цитрата кальция, которая образуется при точном добавлении 1 части гидротированной извести на 2 части жидкости, pH 7,2±0,2 и повышении температуры до 95°С. Перевод лимонной кислоты в свободное состояние достигается при добавлении строго определенного количества H2SO4:
  • 6Н8О7 + ЗСа(ОН)2_____k Са36Н5О7)2 +6Н2О

лимонная известковое цитрат вода

кислота молоко кальция

Са36Н5О7)2 + 3H2SO4-----? 2С6Н8О7 + ЗСа SO4

цитрат серная лимонная гипс

кальция кислота кислота

Гипс удаляют фильтрованием. Раствор лимонной кислоты осветляют активным углем, упаривают, сливают в кристаллизаторы, в которых постепенно снижают температуру. Выделившиеся кристаллы центрифугируют, промывают водой, сушат, фасуют.

Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности для подкисления карамели, пастилы, вафель, так как она хорошо подчеркивает фруктовый вкус. Данную органическую кислоту в целях подкисления добавляют в мороженое, пищевые концентраты, маргарин, некоторые сорта колбас и сыра.

Лимонную кислоту применяют для торможения образования меланоидинов в сгущенном молоке с сахаром, раствором ее промывают и дезодорируют жировое сырье, обрабатывают перед холодным хранением свежее мясо, рыбу, фрукты с целью стабилизации их цвета, вкуса и запаха. Соли лимонной кислоты 79

используют для изготовления шампуней и других моющих средств, так как они стимулируют вспенивание и обеспечивают механическую устойчивость пен.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >