Ферменты И Токсины Микроорганизмов Реферат
Ферменты И Токсины Микроорганизмов Реферат
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Ферменты микроорганизмов
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТИТЕТ
Истоки современной
биотехнологии уходят глубоко в прошлое. С незапамятных времен получали пищевые
продукты и улучшали их качество с использованием биологических
процессов и агентов. В качестве биологических агентов применялись различные
организмы (от животных до микроорганизмов) На этом принципе основаны
общеизвестные древнейшие способы получения молока, изготовления вин, уксуса,
пивоварения, сыроделия, хлебопечения и т. д.
Хотя история
пищевых технологий насчитывает тысячелетия, тем не менее совершенствование
их постоянно продолжается. В последнее время наметились перспективы
принципиального сдвига в технологии получения и улучшения качества пищевых
продуктов. Это связано с переходом от использования целых биологических
организмов на клеточный и молекулярный уровни. Появилась возможность
конструировать биологические агенты, изменять структуру молекул, «резать» их
на части и соединять по усмотрению исследователя-биотехнолога, извлекать
биокатализаторы из естественного клеточного окружения и присоединять с помощью
ковалентных или других связей к специальным носителям (тем самым опять-таки
изменять структуру молекул) и т.д. В этом и заключается главное и
принципиальное отличие традиционных пищевых технологий и их традиционного
научного фундамента от современной биотехнологии. Следует, впрочем, иметь
в виду, что четкую грань между технической биохимией и биотехнологией провести
достаточно трудно.
Может возникнуть
вопрос, почему в разделе, посвященном промышленным процессам инженерной
энзимологии, речь идет в основном о получении пищевых продуктов. Дело в
том, что иммобилизованные ферменты и клетки в основном используют в получении
пищевых продуктов и в меньшей степени фармацевтических препаратов. Такое
ограничение вызвано весьма малой доступностью (в широких масштабах)
ферментов, способных катализировать реакции технологической значимости, например,
в органической или неорганической химии, нефтехимии, полимерной химии, фармацевтической
промышленности и т. д. Напротив, традиционное использование растворимых
ферментов в пищевой промышленности создало определенный фундамент для
дальнейшего совершенствования методов в этой области.
К настоящему
времени семь процессов с использованием иммобилизованных ферментов или клеток
нашли крупномасштабное промышленное применение в ряде развитых стран мира:
1. Производство
глюкозо-фруктозных сиропов и фруктозы из глюкозы.
2. Получение
оптически активных L-аминокислот из их рацемических смесей.
3. Синтез
L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты.
4. Синтез L-яблочной кислоты из фумаровой
кислоты.
5. Производство
диетического безлактозного молока.
6. Получение
Сахаров из молочной сыворотки.
7. Получение
6-аминопенициллановой кислоты (пенициллинового ядра) из обычного пенициллина
(пенициллина G) для последующего производства полусинтетических антибиотиков
пенициллинового яда.
Фруктоза, или
иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в
природе. Особенно богаты ей
яблоки и помидоры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из
фруктозы. По сравнению с обычным пищевым сахаром (в состав которого фруктоза
также входит, но в виде химического соединения с менее сладкой глюкозой)
фруктоза обладает более приятным вкусом, и согласно профессиональной
терминологии вкус фруктозы «медовый», а обычного
сахара — «приторный». Она на 60—70% слаще сахара и потреблять ее можно меньше,
а значит, меньше будет и калорийность продукта. Это важно с точки зрения
диетологии питания. Фруктозу в отличие от глюкозы и пищевого сахара могут
потреблять больные диабетом, так как замена сахара фруктозой существенно
снижает вероятность возникновения диабета. Это объясняется тем, что усвоение
фруктозы не связано с превращением
инсулина. Кроме того, она в меньшей степени вызывает заболевание зубов , чем
сахар.В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется (не засахаривается),
поэтому нашла широкое применение в производстве мороженого, кондитерских
изделий и т. д. Несмотря на неоспоримые преимущества фруктозы по сравнению с
обычным сахаром, вплоть до начала 70-х годов она не производилась промышленным
путем. В 1973 г. американской компанией «Клинтон Корн» был внедрен в
промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного
фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению
с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.
Фермент глюкозоизомераза
катализирует превращение глюкозы, получаемой при гидролизе крахмала
(кукурузного или реже картофельного), в смесь глюкозы и
фруктозы. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп содержит 42—43% фруктозы,
около 51% глюкозы и не более 6% ди- или олигосахаридов, по сладости
соответствует обычному сахару или инвертному сахару, получаемому кислотным
(или ферментативным) гидролизом сахарозы.
Для некоторых пищевых производств
(например, безалкогольных напитков типа кока-колы) употребляют
глюкозо-фруктозные сиропы с содержанием фруктозы 55 и 90%. Их в свою очередь
изготавливают из обычных (42%-ных по фруктозе) сиропов с использованием
разделительных процессов типа жидкостной хроматографии.
Глюкозо-фруктозная смесь поступает на
рынок в виде сиропов. Применяется при производстве тонизирующих и ацидофильных
напитков, мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консервированных фруктов и
т. д.
В литературе содержится немного
данных о технологических деталях процессов. Несмотря на то, что почти в каждом
процессе применяются ферменты или клетки различного происхождения, имеющие
неодинаковую каталитическую активность и полученные различными методами
иммобилизации, все процессы имеют общие черты.
Производство многих аминокислот, в
том числе и незаменимых, —крупнотоннажная отрасль химической промышленности. Однако
с помощью химических методов получается смесь оптических изомеров аминокислот,
иначе говоря, смесь L- и D- аминокислот, молекулы
которых в L- и D-форме представляют собой
зеркальные изомеры. В химических реакциях эти изомеры практически неразличимы,
однако человеческий организм усваивает лишь L-аминокислоты (за исключением
метионина). Для большинства биотехнологических процессов D- аминокислоты также
не представляют ценности.
Разделение смеси L- и D- аминокислот, так называемой рацемической
смеси, на составляющие их изомеры стало первым процессом в мире, осуществленным
с помощью иммобилизованных ферментов на промышленном уровне. Этот процесс был
реализован в Японии на предприятии, принадлежащем компании «Танабе Сейяку» в 1969 г. В течение 15 предшествующих лет данный процесс проводился с применением растворимого фермента
аминоацилазы, но он был недостаточно экономичен. После перехода на
иммобилизованную аминоацилазу экономическая эффективность процесса возросла в
полтора раза, и в настоящее время компания осуществляет на промышленном уровне
производство пяти L-аминокислот, из них четыре незаменимые (метионин, валин,
фенилаланин, триптофан).
В качестве исходного вещества
используются ацилированные D, L-аминокислоты, полученные с помощью обычного
химического синтеза. Фермент аминоацилаза гидролизует один ацил-L-изомер,
отщепляя от него объемную ацильную группу, и тем самым резко увеличивая
растворимость образующейся L-аминокислоты по сравнению с присутствующим в
реакционной системе ацил-Д-изомером. После этого вещества легко отделяются друг
от друга путем известных физико-химических методов. Так выделяется чистая
L-аминокислота.
Остающаяся ацил-О-аминокислота при
нагревании рацеми-зуется, т. е. переходит опять в смесь ацилированных D, L-аминокислот,
и процесс повторяют сначала. Таким образом, в итоге единственным продуктом
является L-аминокислота. Оказалось, что для аминоацилазы не имеет значения,
какую аминокислоту ей гидролизовать, важно лишь строение ацильной части, к которой
фермент имеет строгую специфичность. В результате этого одна и та же
реакционная колонна с иммобилизованной амино-ацилазой может быть применена в
производстве самых различных L-аминокислот.
Иммобилизованный фермент легко
готовить, так как он легко адсорбируется на специальной смоле, которую затем
помещают в реакционную колонну. Время полуинактивации иммобилизованного
фермента в промышленных условиях составляет 65 сут. Когда активность
катализатора падает ниже нормы, в колонну добавляют раствор свежего фермента (раз
в несколько месяцев), который опять адсорбируется на носителе. Устойчивость
полимерного носителя высокая; так, на предприятии японской компании «Танабе
Сейяку» он используется более 8 лет в одной и той же колонне без замены (I.
Chibata, 1978).
Аспарагиновая кислота не принадлежит
к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она находит
широкое применение в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой
аминокислотой — глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков
кислого или сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту можно получать с помощью
фермента аспартазы. В качестве исходных веществ для ферментативного синтеза
используются фумаровая кислота и аммиак — крупнотоннажные продукты
органического и неорганического синтеза. Протекающая реакция одностадийна
— в присутствии фермента молекула аммиака присоединяется
к фумаровой кислоте по месту двойной связи с образованием оптически активной L-аспарагиновой кислоты. В
этом процессе впервые в технологической практике были применены
иммобилизованные клетки микроорганизма, содержащие фермент в его естественной
микробной оболочке. Этот процесс был разработан японской фирмой «Танабе
Сейяку» в 1973 г.
Плотный гель с
иммобилизованными в нем микробными клетками, содержащими аспартазу, формуют в
кубики размерами 2—3 мм, набивают ими колонну объемом 1 м 3 и пропускают через нее раствор фумарата аммония. На выходе из колонны L-аспарагиновую кислоту
кристаллизуют, центрифугируют и промывают холодной водой. Процесс практически
полностью автоматизирован и осуществляется в непрерывном режиме. Масштабы
производства на фирме «Танабе Сейяку»—1700 кг чистой L-аспарагиновой кислоты в
сутки на реактор объемом 1 м 3 .
Яблочная кислота
находит спрос в качестве заменителя лимонной кислоты в продуктах питания и
фармацевтических препаратах. Химическим путем (гидролизом ангидрида яблочной
кислоты) производят только рацемическую смесь оптических изомеров яблочной
кислоты, в то время как оптически активный L-изомер, получаемый микробиологическим способом,
пока слишком дорог для промышленного производства.
L-яблочную кислоту
получают ферментативным путем, так же как и L-аспарагиновую кислоту, из фумаровой кислоты.
Здесь в качестве катализатора используют иммобилизованные в гель клетки,
содержащие фермент фумаразу. В присутствии этого фермента происходит
присоединение воды по двойной связи молекулы фумаровой кислоты. В остальном
реакция протекает так, как и в случае L-аспарагиновой кислоты. В обычных (интактных)
клетках время полуинактивации фумаразы составляет 6 сут, в иммобилизованных в
полиакриламидный гель — 55 сут, а в иммобилизованных в гель на основе
каррагинана — полисахарида из морских водорослей—160 сут
Лактоза, или
молочный сахар, содержится в достаточно больших количествах в молоке и
молочной сыворотке. Этот сахар характеризуется малой сладостью и низкой
растворимостью, в его присутствии происходит кристаллизация мороженого и других
молочных изделий и продуктов, что является причиной неприятных вкусовых
ощущений.
Молекулы лактозы
распадаются на глюкозу и галактозу при гидролизе под действием лактазы, или β-галактозидазы.
Молоко после такой обработки приобретает новые диетические качества, поскольку
определенная часть населения не может употреблять молоко из-за наличия в нем
лактозы. Это свойство организма получило название лактазной недостаточности.
Первый
промышленный процесс получения безлактозного молока с использованием иммобилизованной
лактазы был осуществлен итальянской фирмой «Сентрале дель Латте» в Милане. Получаемое
диетическое молоко несколько слаще по сравнению с обычным, поскольку глюкоза
более сладкая, чем лактоза, однако это не мешает его употреблению. Стабильность
иммобилизованного фермента достаточно высока, и после 50 сут работы он сохраняет
80% первоначальной активности.
Молочная
сыворотка содержит в своем составе большое количество лактозы — около 5% в жидкой
и 75% в высушенной сыворотке. Ферментативный гидролиз лактозы в сыворотке
открывает новые возможности получения сахаристых веществ из нетрадиционного
сырья, вносит определенный вклад в решение кормовой проблемы и в проблему
охраны окружающей среды, поскольку сыворотка большей частью не утилизуется.
Первый промышленный процесс гидролиза лактозы в молочной сыворотке с помощью
иммобилизованной лактазы был реализован в 1980 г. совместно английской, французской и американской компаниями одновременно в Англии и Франции.
Перед введением в
колонный реактор с иммобилизованным ферментом сыворотку пастеризуют, подвергают
ультрафильтрации и пропускают через ионообменник, чем добиваются ее деминерализации.
Мощность установки составляет около 1000 л при степени конверсии лактозы 80%. Установка полностью автоматизирована. Получаемые при этом сахара (глюкоза и
галактоза) по сладости в полтора раза превышают сладость пищевого сахара в расчете
на одинаковые экономические затраты.
По данным
итальянской компании «Снам Проджетти», продолжительность работы
иммобилизованного фермента в реакторе с молочной сывороткой существенно зависит
от качества сыворотки и время полуинактивации фермента изменяется от 60 (при
обработке депротеинизованной и деминерализованной сыворотки) до 8 сут (для
необработанной кислой сыворотки), о связи с этим в промышленных условиях
ежедневно по полчаса производят очистку колонны (с иммобилизованной лактазой)
Разбавленной уксусной кислотой. Время работы подобной системы в лабораторных
условиях составляет около двух лет
Проведение
химического деацилирования бензилпенициллина, обычно являющегося исходным
сырьем для получения 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК), представляет
трудную задачу из-за наличия в его молекуле чрезвычайно лабильного β-лактамного
кольца. Поэтому в промышленности до недавнего времени обрабатывали
бензилпенициллин бактериальной массой Е. coli , содержащей
фермент пенициллинамидазу, который специфически и без побочных реакций
расщеплял именно ту амидную связь, которая необходима для образования 6-АПК.
В результате
применения иммобилизованных бактериальных клеток, содержащих пенициллинамидазу,
а затем и самой иммобилизованной пенициллинамидазы, удалось значительно повысить
продуктивность и экономичность промышленного процесса получения 6-АПК. В 1975 г. процесс получения 6-АПК с использованием иммобилизованной пенициллинамидазы был внедрен в
нашей стране. В настоящее время значительная доля 6-АПК в Италии и вся 6-АПК, выпускаемая
в РФ, производится с помощью иммобилизованных ферментов.
Итальянская
компания использует иммобилизованную пенициллинамидазу, полученную включением
фермента в волокна триацетата целлюлозы. При этом эмульсию, образованную при
смешивании раствора фермента с раствором триацетата целлюлозы в
метиленхлориде, подвергают экструзии в нити. Волокна закрепляют вдоль
термостатируемой колонны и пропускают через нее 6%-ный раствор
бензилпенициллина до степени конверсии последнего 97% или выше. По данным итальянских
ученых, общий выход 6-АПК составляет 85% с чистотой 96% и выше.
По технологии
компании «Танабе Сейяку», использующей бактериальные клетки, иммобилизованные в
полиакриламидный гель (с временем полуинактивации 42 сут при 30°С или 17 сут
при 40°С), общий выход 6-АПК составляет около 80%. На советском производстве
употребляют пенициллинамидазу, иммобилизованную в полиакриламидном геле,
модифицированном глутаровым альдегидом.
Целлюлоза построена из звеньев
D-глюкозы, которые соединены 1-4-β-глюкозидными связями (по типу «голова
к хвосту») в длинные, вплоть до тысяч глюкозных единиц, цепи, уложенные в
плотную упаковку со своеобразной кристаллической структурой. Прочность
упаковки обусловлена главным образом тем, что цепи поперечно «прошиты»
водородными связями, которые по отдельности относительно слабы, но в совокупности
с тысячами других образуют, можно сказать, монолитный блок. В результате
целлюлоза не только нерастворима в воде, но ее кристаллические участки
непроницаемы практически для любых химических агентов, в том числе и для
сильных кислот. Но там, где плотная упаковка глюкозных цепей нарушена (на
поверхности целлюлозы, в местах поворота цепей, а также после специальной обработки
целлюлозы, например с помощью интенсивного измельчения), образуются «аморфные
области», куда могут проникать и растворители, и механические агенты. Это
свойство используется при промышленном получении так называемой
микрокристаллической целлюлозы, которая широко применяется для специальных
химических целей. Природную целлюлозу обрабатывают кислотой, аморфные участки
легко расщепляются и уходят в раствор, оставляя мелкие микрокристаллиты, чрезвычайно
стойкие к химическим реагентам.
Однако эти процессы протекают весьма
медленно. Для того чтобы пень в лесу полностью сгнил, нужны годы. Если же отделить
от микроорганизма ферменты целлюлазы, сконцентрировать их и добавить к целлюлозе,
процесс значительно ускорится. При этом образующаяся глюкоза не потребляется
грибками, а накапливается в реакционной смеси. Кроме того, если в качестве
субстрата использовать не чистую целлюлозу, а целлюлозосодержащие отходы
промышленности или сельского хозяйства, то можно решить и еще одну важную
проблему — утилизацию отходов. Полученная глюкоза в зависимости от ее чистоты и
экономической эффективности процесса может найти применение в медицине, пищевой
промышленности, тонкой химической технологии или технической микробиологии.
Глюкозу, как известно, можно сбраживать в этанол и затем употреблять как
«жидкое топливо» в качестве заменителя части нефтепродуктов. Наконец,
дегидратация энатола дает этилен — основу современной «большой химии».
Целлюлоза на нашей планете — самое
«крупнотоннажное» из всех возобновляемых видов сырья. Ежегодный естественный
прирост целлюлозы составляет около 100 млрд. т. Использование человеком части
этого сырья приводит к накоплению значительного количества целлюлозосодержащих
отходов. Если даже малую долю этих отходов превращать ферментативным путем в
полезные продукты, это даст ощутимый (и возобновляемый!) источник пищевых
углеводов и заменителей нефти. Поэтому данной проблемой в последние годы столь
упорно занимаются и исследователи, и технологи всего мира.
Благодаря высокой скорости роста, сравнительно простому строению клеток и несложной структуре генетического аппарата бактерии стали одним из наиболее удобных объектов в биохимических исследованиях низших организмов. Многие бактериальные культуры хорошо известны как активные продуценты внеклеточных гидролаз и применяются при промышленном получении ферментов. Практическое использование бактериальных ферментов в значительной степени способствовало интенсификации
исследований по изучению условий их продуцирования, а также локализации.
Ферменты микроорганизмов . Реферат . Биология. 2008-12-09
Реферат на тему " Ферменты микроорганизмов " скачать...
Фермент . Ферменты бактерий . Регуляторные...
Дыхание бактерий . Ферменты и токсины бактерий . — Студопедия
Ферменты микроорганизмов
Кого Я Считаю Великой Личностью Сочинение
Средства Спортивной Тренировки Реферат
Банки Банковская Система Курсовая
Количество Слов Для Эссе По Английскому Егэ
Эссе Об Инвестициях Скачать Fb2