Использование дрожжей в качестве источника белка. Прокариот дрожжи
Дрожжи в биотехнологии | Kursak.NET
Введение
Чтобы описать сущность и перспективы развития науки о дрожжах – зимологии, следует в первую очередь дать определение самому объекту этой науки – дрожжевым организмам. Казалось бы, вопрос о том, что такое дрожжи, весьма простой: о дрожжах знает каждый, без них не приготовить кислого теста, вина, пива. И все же дать научное определение дрожжам и четко очертить границы этой группы микроорганизмов становится все труднее по мере расширения наших знаний об этих микроскопических существах, которые включают в царство Mycota.
То, что дрожжи – это грибы, стало понятным уже с начала первых научных описаний этих организмов, сделанных в первой половине прошлого века. Несмотря на одноклеточное строение, внешне более сходное с крупными бактериями, чем с мицелиальными грибами, дрожжи по ультраструктурной организации клетки и способам бесполого и полового размножения сразу же были отнесены к грибам. Однако изучали их, как правило, не микологи, а микробиологи. Причина этого заключается в том, что рост дрожжей на плотных средах очень сходен с бактериальным. Кроме того, человека всегда привлекало свойство дрожжей вызывать спиртовое брожение, и, следовательно, в работе с дрожжами преобладали физиолого-биохимические подходы и методы. Микологи же исторически были связаны с ботаниками, так как долгое время грибы считали низшими растениями, и поэтому в основе их изучения всегда были методы описательной морфологии, а не физиологии. Все это привело к тому, что дрожжи были искусственно оторваны от всех остальных грибов, и хотя им «повезло», что они были объектами работ таких корифеев микробиологии, как Луи Пастер, А. Клюйвер, Г. Надсон, в таксономическом отношении были допущены серьезные ошибки, которые и в наше время исправлять не просто. Под сильным влиянием бродильных свойств некоторых видов дрожжей, эту группу организмов долгое время ограничивали одноклеточными грибами, которые образуют аскоспоры и способны вызывать спиртовое брожение. Все другие грибы с одноклеточной стадией в жизненном цикле называли дрожжеподобными грибами. Только в самом конце XX в. наука о дрожжах полностью вернулась в микологию, а представление об объектах зимологии значительно расширилось.
Сейчас к дрожжам принято относить все те грибы, которые способны вегетативно размножаться в одноклеточной форме, независимо от того, имеют ли они мицелиальную фазу в жизненном цикле и родственны аскомицетовым или базидиомицетовым грибам. Среди дрожжей сейчас рассматривают даже гаплоидные одноклеточные стадии таких грибов, которые образуют макроскопические плодовые тела. При таком понимании дрожжей, их границы с мицелиальными грибами становятся расплывчатыми, а классификация сливается с общей системой грибов.
В связи с новым подходом к трактовке группы дрожжей существенно расширяется и поиск среди них тех биологических способностей, которые могут быть полезными для человека. Наряду с традиционными процессами использования дрожжей в бродильных производствах, в пищевой промышленности и для получения кормовых препаратов на разных источниках сырья, разрабатываются новые пути применения дрожжей для синтеза многих ценных веществ, таких как полисахариды, ферменты и коферменты, микоцины, витамины, органические кислоты, полиолы, каротиноиды и многие другие соединения. Дрожжи используются как векторные системы при разработке биотехнологических процессов производства инсулина, интерферона, гетерологичных белков.
Дрожжи в современной биотехнологии
Дрожжи как источник белка
Использование микробной биомассы для обогащения кормов белком и незаменимыми аминокислотами в условиях интенсивного животноводства – одна из важных проблем будущего, так как человечество развивается таким образом, что оно вряд ли сможет обеспечить себя пищей традиционными методами. Выращивание микроорганизмов не зависит от климатических и погодных условий, не требует посевных площадей, поддается автоматизации. Дрожжи – одна из наиболее перспективных групп микроорганизмов для получения белковых кормовых добавок. Содержание белка в клетках некоторых штаммов дрожжей составляет от половины до 2/3 сухой массы, на долю незаменимых аминокислот приходится до 10% (в белках сои, богатых лизином, его содержится не многим более 6%).
Впервые дрожжи стали рассматривать как источник питания в годы первой мировой войны в Германии, где их использовали в качестве добавки при изготовлении колбас. В первой половине XX в. возникла новая отрасль промышленности – производство белка одноклеточных организмов. В нашей стране производство кормовых дрожжей было начато в 30-х годах. Отходы сельского хозяйства, такие как солома, кукурузные кочерыжки, опилки, подвергали гидролизу серной кислотой, полученные гидролизаты нейтрализовали и использовали для выращивания дрожжей. Особенно привлекательным в этом производстве является использование возобновляемого сырья, особенно древесины, запасы которой в нашей стране пока достаточно велики. В большинстве этих отходов основным компонентом является целлюлоза, и в гидролизатах будет преобладать глюкоза, усваиваемая всеми без исключения видами дрожжей. Поэтому на гидролизатах можно выращивать самые разнообразные дрожжи, удовлетворяющие технологическим требованиям. В гидролизатах древесины присутствует также большое количество ксилозы, поэтому здесь желательно использование видов, утилизирующих пентозы. В то же время, транспорт сырья на гидролизные заводы оказывается дорогостоящим, поэтому в большинстве стран существуют только локальные мелкие производства кормовых дрожжей, что экологически и экономически более выгодно.
Первый в мире крупный завод кормовых дрожжей мощностью 70 000 т. в год. был пущен в 1973 г. в СССР. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы и несколько видов дрожжей, способных к быстрому росту на углеводородах: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. В дальнейшем именно отходы от переработки нефти служили главным сырьем для производства дрожжевого белка, которое быстро росло и к середине 80-х гг. превысило 1 млн. т. в год, причем в СССР кормового белка получали вдвое больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых. Этому способствовала организация большой научно-исследовательской работы. Были подробно изучены специфические особенности окисления и ассимиляции углеводородов, кинетические параметры роста, разработана технология их культивирования в крупных ферментерах объемом в сотни кубических метров. Однако в последующем масштабы производства дрожжевого белка на углеводородах нефти резко сократились. Это произошло как в результате экономического кризиса 90-х гг., так и из-за целого ряда специфических проблем, с которыми связано это производство. Одна из них – необходимость очистки готового кормового продукта от остатков нефти, имеющих канцерогенные свойства.
Другой пригодный вид сырья для производства микробного белка – метанол. На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Однако, более выгодным считается выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. Поэтому при росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот – дегидрогеназой. Ведутся генноинженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.
В последнее время интенсивно изучаются дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами и способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит избежать дорогостоящую стадию гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Известно более 100 видов дрожжей, которые хорошо растут на крахмале как на единственном источнике углерода. Среди них особенно выделяются два вида, которые образуют как глюкоамилазы, так и α-амилазы, растут на крахмале с высоким экономическим коэффициентом и могут не только ассимилировать, но и сбраживать крахмал: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. Оба вида – перспективные продуценты белка и амилолитических ферментов на крахмалсодержащих отходах. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у нескольких видов, например у Trichosporon pullulans, однако активность этих ферментов низкая и о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится. Дрожжи из рода Kluyveromyces хорошо растут на инулине – основном запасном веществе в клубнях топинамбура – важной кормовой культуры, которая также может быть использована для получения дрожжевого белка.
Еще один субстрат, пригодный для получения кормового белка – молочная сыворотка, побочный продукт сыроварения. Молочная сыворотка содержит до 4% лактозы. Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов β-глюкозидазы.
Производство этанола
Этанол широко применяется в химической промышленности как исходное соединение для синтеза многих веществ, как растворитель, экстрагент, антифриз и т.п. Вероятно, у этанола большое будущее и как топлива в двигателях внутреннего сгорания: этанол – гораздо более экологически чистое топливо, чем бензин.
В принципе этанол можно получать из любого источника углеводов, которые сбраживаются дрожжами. Разнообразие потенциальных продуцентов тоже велико: более 200 видов дрожжей способны сбраживать глюкозу.
Крупномасштабное получение этанола в качестве топлива осуществляется в основном в Бразилии и других странах Южной Америки. В качестве источника углеводов используется сахарный тростник и маниока, в качестве продуцента этанола – Saccharomyces cerevisiae.
Перспективным сырьем для получения спирта являются отходы целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Однако, гидролизаты древесины содержат большое количество пентоз. До середины 70-х годов XX в. вообще не были известны дрожжи, активно сбраживающие пентозы. Сейчас такие виды найдены: Pachysolen tannophilus и Pichia stipitis (анаморфа – Candida shehatae). Им прочат большое будущее в производстве спирта из гидролизатов древесных отходов, соломы, торфа и т.п.
В небольших масштабах этанол можно получать и из других субстратов, например из молочной сыворотки, используя сбраживающие лактозу дрожжи из рода Kluyveromyces.
Различные продукты, получаемые из дрожжей
В последние десятилетия разнообразие биотехнологических процессов, в которых используются дрожжи, резко увеличилось. Еще более разнообразны перспективы использования дрожжей: в различных разработках, патентах и т.п. упоминается более 200 видов. Сейчас дрожжи используются для получения различных ферментных препаратов, органических кислот, полисахаридов, многоатомных спиртов, витаминов и витаминных добавок, а также во множестве других мелкомасштабных процессах.
Промышленно важные органические кислоты, продуцируемые микроорганизмами, являются либо конечными продуктами (молочная, масляная, пропионовая кислоты у анаэробных бактерий), либо интермедиатами метаболизма. Последние можно получать с помощью дрожжей. В наибольших масштабах производится лимонная кислота, в основном с помощью Aspergillus niger, с использованием в качестве субстрата мелассы. Однако, ее можно получать и с помощью дрожжей на более дешевых субстратах, таких как парафины нефти или этанол. Сейчас разработаны технологии получения и многих других кислот, например, изолимонной из Candida catenulata, фумаровой из Candida hydrocarbofumarica, яблочной из Pichia membranaefaciens и др.
Из дрожжевых полисахаридов наиболее известен пуллулан, который получают из дрожжеподобного гриба Aureobasidium pullulans. Он представляет собой β-глюкан, в котором мальтотриозные остатки соединены между собой β (1→6) гликозидными связями. Пуллулан используется в основном в пищевой промышленности в качестве пленочного покрытия. Возможно получение разнообразных по строению и свойствам полисахаридов и из других видов дрожжей. Особенно много внеклеточных полисахаридов образуют дрожжи Cryptococcus, Rhodotorula, Lipomyces.
Многоатомные спирты (глицерин, ксилит, эритрит, арабит) – широко применяются в химической и пищевой промышленности. Перспективным считается способ получения сахароспиртов, таких как глицерин, эритрит и ксилит, с использованием ксеротолерантных дрожжей рода Zygosaccharomyces. Эти дрожжи способны расти в средах с высоким осмотическим давлением, синтезируя при этом большое количество внутриклеточных полиолов, которые служат осмопротекторами. Другой способ касается получения ксилита – важного полиола для пищевой промышленности. Ксилит накапливается как побочный продукт при сбраживании ксилозы дрожжами Pachysolen tannophilus.
Многие дрожжи служат источниками для получения ферментных препаратов, которые используются в современной пищевой и химической промышленности. Из дрожжевого осадка, образующегося как отход пивоварения, получают фермент β-фруктофуранозидазу (инвертазу), расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Препараты инвертазы широко применяются в кондитерской промышленности для предотвращения кристаллизации сахарозы, для приготовления инвертных сиропов. С помощью культур Kluyveromyces marxianus получают β-галактозидазу, которая применяется в молочной промышленности. Дрожжи Yarrowia lipolytica используются для получения липолитических ферментов, представляющих большой интерес для многих отраслей хозяйства. Липазы используются в сыроварении, в косметической промышленности, при выделке мехов и кож, в моющих средствах. В последние годы разработано множество способов получения самых различных ферментов из дрожжей: пектиназ из Saccharomycopsis fibuliger, амилаз из Schwanniomyces occidentalis, ксиланаз из Cryptococcus laurentii, гидролаз L-α-амино-ε-капролактама из криптококков, алкогольоксидазы из Pichia burtonii, оксидазы D-аминокислот из Trigonopsis variabilis, фенилаланинаммиаклиазы из Rhodotorula glutinis. Это лишь немногие примеры получения дрожжевых ферментных, спектр которых в последние годы постоянно расширяется.
Применение дрожжей как источников витаминов началось в 1930-е годы. Одним из первых промышленных процессов получения витаминов было выделение эргостерина из Saccharomyces cerevisiae с последующим облучением ультрафиолетом для перевода в витамин D. Затем у дрожжей была открыта способность к сверхсинтезу некоторых витаминов группы В, в частности рибофлавина. Некоторые красные дрожжи используются для получения каротиноидов, в частности β-каротина, служащего предшественником витамина A, астаксантина, используемого в качестве кормовой добавки в рыбоводстве. Кроме производства индивидуальных витаминов уже много лет в мире практикуется получение автолизатов и гидролизатов дрожжей, питьевых дрожжей, которые используются как источник витаминов и как вкусовые добавки.
kursak.net
Использование дрожжей в качестве источника белка
Использование микробной биомассы для обогащения кормов белком и незаменимыми аминокислотами в условиях интенсивного животноводства - одна из важных проблем будущего, так как человечество развивается таким образом, что оно вряд ли сможет обеспечить себя пищей традиционными методами. Выращивание микроорганизмов не зависит от климатических и погодных условий, не требует посевных площадей, поддается автоматизации. Дрожжи - одна из наиболее перспективных групп микроорганизмов для получения белковых кормовых добавок. Содержание белка в клетках некоторых штаммов дрожжей составляет от половины до 2/3 сухой массы, на долю незаменимых аминокислот приходится до 10% (в белках сои, богатых лизином, его содержится не многим более 6%).
Впервые дрожжи стали рассматривать как источник питания в годы первой мировой войны в Германии, где их использовали в качестве добавки при изготовлении колбас. В первой половине XX в. возникла новая отрасль промышленности - производство белка одноклеточных организмов. В нашей стране производство кормовых дрожжей было начато в 30-х годах. Отходы сельского хозяйства, такие как солома, кукурузные кочерыжки, опилки, подвергали гидролизу серной кислотой, полученные гидролизаты нейтрализовали и использовали для выращивания дрожжей. Особенно привлекательным в этом производстве является использование возобновляемого сырья, особенно древесины, запасы которой в нашей стране пока достаточно велики. В большинстве этих отходов основным компонентом является целлюлоза, и в гидролизатах будет преобладать глюкоза, усваиваемая всеми без исключения видами дрожжей. Поэтому на гидролизатах можно выращивать самые разнообразные дрожжи, удовлетворяющие технологическим требованиям. В гидролизатах древесины присутствует также большое количество ксилозы, поэтому здесь желательно использование видов, утилизирующих пентозы. В то же время, транспорт сырья на гидролизные заводы оказывается дорогостоящим, поэтому в большинстве стран существуют только локальные мелкие производства кормовых дрожжей, что экологически и экономически более выгодно.
Первый в мире крупный завод кормовых дрожжей мощностью 70 000 т. в год. был пущен в 1973 г. в СССР. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти h-алканы и несколько видов дрожжей, способных к быстрому росту на углеводородах: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. В дальнейшем именно отходы от переработки нефти служили главным сырьем для производства дрожжевого белка, которое быстро росло и к середине 80-х гг. превысило 1 млн. т. в год, причем в СССР кормового белка получали вдвое больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых. Этому способствовала организация большой научно-исследовательской работы. Были подробно изучены специфические особенности окисления и ассимиляции углеводородов, кинетические параметры роста, разработана технология их культивирования в крупных ферментерах объемом в сотни кубических метров. Однако в последующем масштабы производства дрожжевого белка на углеводородах нефти резко сократились. Это произошло как в результате экономического кризиса 90-х гг., так и из-за целого ряда специфических проблем, с которыми связано это производство. Одна из них - необходимость очистки готового кормового продукта от остатков нефти, имеющих канцерогенные свойства.
Другой пригодный вид сырья для производства микробного белка - метанол. На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Однако, более выгодным считается выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. Поэтому при росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот - дегидрогеназой. Ведутся генноинженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.
В последнее время интенсивно изучаются дрожжи, обладающие гидролитическими ферментами и способные расти на полисахаридах без их предварительного гидролиза. Использование таких дрожжей позволит избежать дорогостоящую стадию гидролиза полисахаридсодержащих отходов. Известно более 100 видов дрожжей, которые хорошо растут на крахмале как на единственном источнике углерода. Среди них особенно выделяются два вида, которые образуют как глюкоамилазы, так и α-амилазы, растут на крахмале с высоким экономическим коэффициентом и могут не только ассимилировать, но и сбраживать крахмал: Schwanniomyces occidentalis и Saccharomycopsis fibuliger. Оба вида - перспективные продуценты белка и амилолитических ферментов на крахмалсодержащих отходах. Ведутся поиски и таких дрожжей, которые могли бы расщеплять нативную целлюлозу. Целлюлазы обнаружены у нескольких видов, например у Trichosporon pullulans, однако активность этих ферментов низкая и о промышленном использовании таких дрожжей говорить пока не приходится. Дрожжи из рода Kluyveromyces хорошо растут на инулине - основном запасном веществе в клубнях топинамбура - важной кормовой культуры, которая также может быть использована для получения дрожжевого белка.( Роуз Э).
Еще один субстрат, пригодный для получения кормового белка - молочная сыворотка, побочный продукт сыроварения. Молочная сыворотка содержит до 4% лактозы. Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов β-глюкозидазы.
Этанол широко применяется в химической промышленности как исходное соединение для синтеза многих веществ, как растворитель, экстрагент, антифриз и т.п. Вероятно, у этанола большое будущее и как топлива в двигателях внутреннего сгорания: этанол - гораздо более экологически чистое топливо, чем бензин.
В принципе этанол можно получать из любого источника углеводов, которые сбраживаются дрожжами. Разнообразие потенциальных продуцентов тоже велико: более 200 видов дрожжей способны сбраживать глюкозу.
Крупномасштабное получение этанола в качестве топлива осуществляется в основном в Бразилии и других странах Южной Америки. В качестве источника углеводов используется сахарный тростник и маниока, в качестве продуцента этанола - Saccharomyces cerevisiae.
Перспективным сырьем для получения спирта являются отходы целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. Однако, гидролизаты древесины содержат большое количество пентоз. До середины 70-х годов XX в. вообще не были известны дрожжи, активно сбраживающие пентозы. Сейчас такие виды найдены: Pachysolen tannophilus и Pichia stipitis (анаморфа - Candida shehatae). Им прочат большое будущее в производстве спирта из гидролизатов древесных отходов, соломы, торфа и т.п.
В небольших масштабах этанол можно получать и из других субстратов, например из молочной сыворотки, используя сбраживающие лактозу дрожжи из рода Kluyveromyces.
В последние десятилетия разнообразие биотехнологических процессов, в которых используются дрожжи, резко увеличилось. Еще более разнообразны перспективы использования дрожжей: в различных разработках, патентах и т.п. упоминается более 200 видов. Сейчас дрожжи используются для получения различных ферментных препаратов, органических кислот, полисахаридов, многоатомных спиртов, витаминов и витаминных добавок, а также во множестве других мелкомасштабных процессах.
Промышленно важные органические кислоты, продуцируемые микроорганизмами, являются либо конечными продуктами (молочная, масляная, пропионовая кислоты у анаэробных бактерий), либо интермедиатами метаболизма. Последние можно получать с помощью дрожжей. В наибольших масштабах производится лимонная кислота, в основном с помощью Aspergillus niger, с использованием в качестве субстрата мелассы. Однако, ее можно получать и с помощью дрожжей на более дешевых субстратах, таких как парафины нефти или этанол. Сейчас разработаны технологии получения и многих других кислот, например, изолимонной из Candida catenulata, фумаровой из Candida hydrocarbofumarica, яблочной из Pichia membranaefaciens и др.
Из дрожжевых полисахаридов наиболее известен пуллулан, который получают из дрожжеподобного гриба Aureobasidium pullulans. Он представляет собой β-глюкан, в котором мальтотриозные остатки соединены между собой β (1>6) гликозидными связями. Пуллулан используется в основном в пищевой промышленности в качестве пленочного покрытия. Возможно получение разнообразных по строению и свойствам полисахаридов и из других видов дрожжей. Особенно много внеклеточных полисахаридов образуют дрожжи Cryptococcus, Rhodotorula, Lipomyces.
Многоатомные спирты (глицерин, ксилит, эритрит, арабит) - широко применяются в химической и пищевой промышленности. Перспективным считается способ получения сахароспиртов, таких как глицерин, эритрит и ксилит, с использованием ксеротолерантных дрожжей рода Zygosaccharomyces. Эти дрожжи способны расти в средах с высоким осмотическим давлением, синтезируя при этом большое количество внутриклеточных полиолов, которые служат осмопротекторами. Другой способ касается получения ксилита - важного полиола для пищевой промышленности. Ксилит накапливается как побочный продукт при сбраживании ксилозы дрожжами Pachysolen tannophilus.
Многие дрожжи служат источниками для получения ферментных препаратов, которые используются в современной пищевой и химической промышленности. Из дрожжевого осадка, образующегося как отход пивоварения, получают фермент β-фруктофуранозидазу (инвертазу), расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Препараты инвертазы широко применяются в кондитерской промышленности для предотвращения кристаллизации сахарозы, для приготовления инвертных сиропов. С помощью культур Kluyveromyces marxianus получают β-галактозидазу, которая применяется в молочной промышленности. Дрожжи Yarrowia lipolytica используются для получения липолитических ферментов, представляющих большой интерес для многих отраслей хозяйства. Липазы используются в сыроварении, в косметической промышленности, при выделке мехов и кож, в моющих средствах. В последние годы разработано множество способов получения самых различных ферментов из дрожжей: пектиназ из Saccharomycopsis fibuliger, амилаз из Schwanniomyces occidentalis, ксиланаз из Cryptococcus laurentii, гидролаз L-α-амино-ε-капролактама из криптококков, алкогольоксидазы из Pichia burtonii, оксидазы D-аминокислот из Trigonopsis variabilis, фенилаланинаммиаклиазы из Rhodotorula glutinis. Это лишь немногие примеры получения дрожжевых ферментных, спектр которых в последние годы постоянно расширяется.
Применение дрожжей как источников витаминов началось в 1930-е годы. Одним из первых промышленных процессов получения витаминов было выделение эргостерина из Saccharomyces cerevisiae с последующим облучением ультрафиолетом для перевода в витамин D. Затем у дрожжей была открыта способность к сверхсинтезу некоторых витаминов группы В, в частности рибофлавина. Некоторые красные дрожжи используются для получения каротиноидов, в частности β-каротина, служащего предшественником витамина A, астаксантина, используемого в качестве кормовой добавки в рыбоводстве. Кроме производства индивидуальных витаминов уже много лет в мире практикуется получение автолизатов и гидролизатов дрожжей, питьевых дрожжей, которые используются как источник витаминов и как вкусовые добавки.
biofile.ru
| 1 Морфология, строение, размножение и классификация Клетка представляет собой элементарную целостную структурированную систему - наименьшую жизнеспособную единицу живого. По строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» – прокариоты (буквально, доядерные), «ядерные» – эукариоты. В группу прокариот входят все бактерии и сине-зеленые водоросли, а в группу эукариот – грибы, растения, животные. Прокариотические клетки – это наиболее примитивные, очень просто устроенные. Прокариоты м.б. палочковидной или шаровидной формы, средние размеры прокариот лежат в пределах 0,5…3 мкм. Химический состав клеток живых организмов в принципе одинаков. В прокариотной клетке содержатся: вода75 – 85%; СВ – 15 -25% и они представлены белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и углеводами; и минеральные соли. По химическому составу белки прокариот почти не отличаются от белков эукариот. В состав белков прокариот входят 20 аминокислот. Основным энергетическим материалом прокариот являются углеводы, на долю которых приходится от 10 до 30% сухой массы. Количество липидов в клетке бактерий варьируется от 5 до 40%. В клетке прокариот содержатся и минеральные соединения, составляющие от 1,3 до 13,9% сухой массы. По форме бактерии делят на три группы: шаровидные, палочковидные и извитые. Шаровидные (кокковые) микробы — кокки (Coccus): Моноккоки – располагаются одиночно, диплококки – сцепление 2-х кокков, в виде цепочек, тетракокки – кокки сцепленные по 4, стрептокикки – кокки расположенные в виде цепочки, сарцины – соединения 8 – 16 и более кокков в виде тюков, стафилококки – беспорядочные скопления кокков, напоминающие виноградную гроздь. Палочковидные, или цилиндрические, формы принято делить на бациллы и бактерии. Бактерии - палочковидные формы, не образующие спор. Бациллы – палочковидные формы, образующие споры. Извитые формы подвижны и имеют жгутики. Вибрионы (род Vibrio) напоминают по форме запятую. Спириллы (род Spirillum) – извитые формы, образующие до 3…5 завитков. Спирохеты (род Spirochaeta) – тонкие длинные извитые формы с множеством завитков. Структуры прокариотной клетки. Различают основные структуры — клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с различными цитоплазматическими включениями и нуклеоид, временные структуры, которые клетка несет лишь на определенных этапах жизненного цикла, — капсулу, жгутики, фимбрии, у некоторых представителей бактерий — эндоспоры (рисунок 2). Микробная клетка окружена оболочкой. Роль оболочки огромна: она придает клетке определенную форму, защищает ее от неблагоприятных воздействий, через нее осуществляется обмен веществ между клеткой и окружающей средой. У некоторых микроорганизмов вокруг клеточной стенки образуется слизистый слой – капсула. Клеточная стенка - основная структурная единица оболочки микробной клетки. Основным компонентом клеточной стенки бактерий является муреин, относящийся к классу пептидогликанов. По содержанию муреина и специфике дополнительных компонентов, включенных в муреиновую сеть, все бактерии подразделяются на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Цитоплазматическая мембрана расположена между клеточной стенкой и цитоплазмой, представляет собой относительно плотное образование. Мембрана состоит из фосфолипидного бислоя и белковых глобул. Мембрана обеспечивает постоянство внутриклеточного осмотического давления, избирательную проницаемость разных веществ. В ней находятся ферменты, регулирующие процессы метаболизма клетки с окружающей средой. Темпы роста цитоплазматической мембраны обычно превышают темпы роста клеточной стенки, в результате чего мембрана часто образует многочисленные инвагинации (впячивания) различной формы, называемые мезосомами. Цитоплазма — это содержимое клетки, за исключением ядра, окруженное цитоплазматической мембраной. Рибосомы – рибонуклеопротеиновые частицы цитоплазмы, количество которых в одной клетке достигает несколько тысяч. Рибосомы – место биосинтеза белка. Нуклеоид (генофор) – ядерное вещество прокариотической клетки, в отличие от ядер эукариотов, не имеет ядерной мембраны. Включения бактериальной клетки: гранулеза и гликоген – полисахариды, резервные вещества микробной клетки. Волютин является основным энергетическим запасом бактериальной клетки и представлен полифосфатами. Жгутики – органы передвижения у микробов. Они представляют собой тонкие спиральные нити, превышающие по длине размеры клетки. Они могут быть расположены следующим образом:
Споры (эндоспоры) образуются в конце экспоненциальной фазы роста, когда истощается питательная среда и накапливаются продукты жизнедеятельности. Характеристика вирусов. Объекты живой природы, неклеточные формы жизни, проникают в клетки высокоорганизованных существ, где производят себе подобных. Вирусы не растут на искусственных питательных средах, способны размножаться только внутри клеток восприимчивого организма или в культуре тканей. Вне организма живой клетки вирус инертен, в таком состоянии он сохраняется длительное время. Фаги относятся к бактериальным вирусам. От всех живых организмов вирусы отличаются кардинальными признаками: 1) содержат только один тип нуклеиновой кислоты, РНК или ДНК, в то время как все прокариоты и эукариоты содержат и ДНК, и РНК; 2) не содержат белок-синтезирующих систем и используют белок-синтезирующий аппарат клетки-хозяина, которую они поражают; Размножение бактерий. Большинство бактерий размножаются путем равновеликого бинарного поперечного деления клетки. При таком симметричном делении образуются две одинаковые дочерние клетки. Почкование является разновидностью бинарного деления. 3 Молочнокислые бактерии: классификация, морфология, физиология. Химизм молочнокислого брожения и его практическое значение. Брожение – ОВП превращения УВ и других органических соединений в анаэробных условиях при участии м/мов. По характеру самого процесса и образующимся конечным продуктам различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение.В основе первого лежит гликолитический цикл сбраживания гексозы с двух молекул пировиноградной кислоты. Энергетической выход гомоферментативного молочнокислого брожения невелик и составляет всего две молекулы АТФ на одну молекулу сброженной глюкозы: C6h22O6 2Ch4CHOHCOOH + 94 кДж Для роста нуждаются в обогащенных питательных средах, содержащих различные аминокислоты, компоненты нуклеиновых кислот, витамины группы В и другие соединения. Источником углерода для них служат молочные или растительные сахара (глюкоза, лактоза, мальтоза) и редко некоторые пентозы, сахароспирты и органические кислоты. Пентозофосфатный путь сбраживания гексоз или пентоз с образованием молочной кислоты и ряда других продуктов — уксусной кислоты, этилового спирта, глицерина и углекислого газа лежит в основе гетероферментативного молочнокислого брожения. Различные виды молочнокислых бактерий способны развиваться в широких температурных пределах от 7…10 до 40…42 °С, имея оптимум 25…30 °С. Возбудителями м/к брожения м.б. бактерии на 2 групп: гомоферментативные, образующие молочную кислоту, и гетероферментативные, которые кроме молочной образуют летучие кислоты, С2Н5ОН, СО2, Н2 и др. продукты. Среди возбудителей типичного молочнокислого брожения различают шаровидные и палочковидные формы. Шаровидные формы молочнокислого стрептококка. Типичный представитель молочнокислого брожения - Streptococcus lactis. Форма клеток молочнокислого стрептококка овальная; их соприкосновение происходит суженными концами. Стрептококк окрашивается по Граму положительно, спор и капсул не образует. Факультативный анаэроб. Он хорошо растет на молочных средах, а также на средах с добавлением молочных продуктов (агаре из гидролизованного молока или молочной сыворотки). Оптимальная t роста 30-35°С. Через 10-12 ч молочнокислый стрептококк свертывает молоко; при этом накапливается около 0,8-1,0% молочной кислоты. Палочковидные формы. Типичные молочнокислые палочки, по своему составу неоднородны. В эту группу входят болгарская палочка, ацидофильная палочка, палочка из сыра, палочки из кефира, кумыса. Все они тонкие, длинные, бесспоровые, грамположительные В отличие от шаровидных форм палочковидные растут при более высокой температуре (40-45°С) и относятся к термофилам, обеспечивают накопление до 3,0-3,5% молочной кислоты. Нетипичное (гетероферментативное) молочнокислое брожение вызывают гетероферментативные молочнокислые стрептококки. К ним относят такие, которые кроме молочной образуют летучие кислоты, ароматические вещества, СО2. Нетипичные молочнокислые бактерии слабые кислотообразователи. Они свертывают молоко не менее суток, а в некоторых случаях - даже через неделю. Под воздействием молочной кислоты бактерий мясные продукты зеленеют и ослизняются. Зеленеют в результате выделения молочно-кислыми бактериями воды, которая вступает в реакцию с пигментом мяса. Молочнокислые бактерии вызывают бомбаж банок с рыбными пресервами, так как в результате жизнедеятельности выделяют СО2.. Развиваясь в диффузионном соке в сахарном производстве молочнокислые бактерии вызывают потери сахара, путём его разложения. На спиртовых заводах снижают выход спирта, повышают содержание в нём растворимых веществ. Вызывают скисание пива и заболевания вин - скисание, помутнения, превращение лимонной и винной кислот в молочную кислоту, летучие кислоты и СО2. | 2 Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы (абиотические и биотические факторы). Формы изменчивости микроорганизмов, их характеристика. Фенотипические и генотипические изменения. Под влиянием условий среды у организмов часто появляются новые признаки, которые могут быть временными или постоянными, передающимися по наследству. Абиотические факторы-факторы не живой природы (t, pH, состав среды). Биотические факторы – факторы живой природы (взаимоотношение организмов. Морфологические изменения. Температура, состав среды вызывают изменения формы микробов. Палочки принимают округлую форму, становятся более длинными и толстыми, образуют вздутия. Культуральные изменения. Одни и те же микробы при одинаковых условиях могут иметь разные культуральные признаки. Отношений м/у организмами проявляются в виде симбиоза, метабиоза, антоганизма. Симбиоз – отношения м/мов, при которых м/у 2 симбионтами получают взаимопользу. Метабиоз – взаимоотношения м/мов, при которых продукты метаболизма одних м/мов служат питательными веществами для других. Антогонизм – форма конкурентных взаимоотношений, при которых один м/м угнетает или вызывает гибель другого. Характерны два типа изменчивости: генотипическая (наследственная) и фенотипическая (модификационная). Фенотипическая изменчивость возникает как ответная реакция организма на изменение условий окружающей среды и проявляется у большинства особей в популяции. Она не является наследственной и не приводит к изменению генетического аппарата бактерий. Фенотипическая изменчивость носит адаптационный характер. Модификации бактерий проявляются лишь временно, в период непосредственного действия фактора, и исчезают при его устранении. Модификации бактерий могут быть стабильными или лабильными, иногда сохраняются в течение нескольких поколений. Генотипическая изменчивость прокариот проявляется в виде мутаций и рекомбинаций и осуществляется в результате изменений в первичной структуре генетического аппарата. Мутация (от лат. mutatio — изменение) — термин, употребляемый в двух смыслах: возникновение изменения в структуре генетического материала и само изменение. Механизм мутаций заключается в выпадении, вставке или замене одной пары нуклеотидов либо группы нуклеотидов в молекуле ДНК, а также в изменении последовательности их расположения. Различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации возникают в популяциях прокариот без видимого внешнего воздействия и проявляются в самопроизвольном изменении их генома. Они носят случайный, ненаправленный характер и возникают до воздействия какого-либо селекционирующего фактора. Индуцированные мутации вызывают экспериментально действием какого-либо фактора — химического соединения или различного рода излучениями (рентгеновские, ультрафиолетовые и гамма–лучи). Выделяют генные и хромосомные мутации по количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК. Генные мутации затрагивают только один ген и чаще всего являются точковыми. Последние представляют собой выпадение, вставку или замену одной пары нуклеотидов. Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Они носят характер крупных перестроек в отдельных фрагментах ДНК и проявляются в виде делеции — выпадении меньшего или большего числа нуклеотидов, инверсии — повороте участка ДНК на 180°, дупликации — повторении какого-нибудь фрагмента ДНК. В результате рекомбинации генетического материала за счет частичного объединения геномов двух клеток наблюдается генотипическая изменчивость прокариот. Трансформация (от лат. transformatio — преобразование) — изменение генома, а, следовательно, и свойств бактерий в результате переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в клетку. Трансдукция - перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Конъюгация - направленный перенос генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент при непосредственном контакте бактериальных клеток. 4. Спиртовое брожение и его возбудители. Химизм спиртового брожения и его промышленное использование. Брожение – ОВП превращения УВ и других органических соединений в анаэробных условиях при участии м/мов. Возбудители спиртового брожения явл дрожжи делят на 3 класса:
Температурный оптимум для размножения дрожжей 25 - 30°С, при 40°С рост их прекращается и дрожжи погибают, низкие тем – ры они переносят хорошо, хотя при этом не размножаются. Различают дрожжи верхового и низового брожения. Дрожжи верхового брожения в период интенсивного брожения скапливаются на поверхности бродящей среды в виде рыхлого слоя пены. Дрожи низового брожения во время брожения не скапливаются на поверхности среды, а в конце брожения оседают в виде плотного осадка. Выделяют хлопьевидные и пылевидные дрожжи. Пылевидные – во время брожения находятся во взвешенном состоянии и клетки их изолированы друг от друга, а хлопьевидные представляют собой скопления дрожжевых клеток в виде хлопьев. Пылевидные дрожжи относят с к дрожжам верхового брожения, а хлопьевидные – низового. По гликолитическому пути до образования пировиноградной кислоты проходит процесс спиртового брожения. Далее при участии ключевого фермента спиртового брожения – пирувадекарбоксилазы – происходит декарбоксилирование пировиноградной кислоты. В результате образуется ацетальдегид и углекислый газ. Конечным акцептором водорода выступает образовавшийся ацетальдегид, который под действием НАД – зависимой алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этилового спирта. Донором водорода служит 3 – фосфоглицериновый альдегид: СН3-СОН + НАД Н2= СН3СН2ОН + НАД+ + Н+ Процесс спиртового брожения можно выразить следующим уравнением: С6Н12О6 + 2Ф + 2АДФ=2 СН3СН2ОН +2СО2 + 2АТФ + 2Н2О + Н+ На одну молекулу сброженной глюкозы энергетический выход процесса составляет 2 молекулы АТФ. Суммарно спиртовое брожение выражается уравнением: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 118 кДж В основе ряда промышленных производств: виноделия, получения спирта, пивоварения, хлебопечения – лежит спиртовое брожение. |
studfiles.net
строение, размер и копийность. Организация нуклеоида прокариот.
Бактериальная хромосома состоит из одной двунитевой молекулы ДНК кольцевой формы. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. Размеры бактериальной хромосомы варьируют от 3 х 10 8 до 2,5 х 10 9 Д. Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы всегда сопровождается ее делением. Каждая прокариотная клетка содержит 1 хромосому.
Нуклеоид (ядерная область) — компартмент неправильной формы внутри клетки прокариот, в котором находится генетический материал. ДНК нуклеоида имеет замкнутую кольцевую форму. Нуклеоид состоит в основном из ДНК (примерно 60 %), а также содержит РНК и белки. Последние два компонента представляют собой в основном матричную РНК и белки, регулирующие экспрессию генов бактериального генома. В состав нуклеоида входят также структурные белки, которые способствуют компактизации ДНК, то есть несут функцию, схожую с функцией гистонов в эукариотических клетках.
7. Биологический цикл железа.
Железо активно вовлекается в биологический круговорот, так как входит в состав многих ферментов и гемоглобина крови. Для немногих гетеротрофов характерно использование соединений железа в качестве источника питания. В этом отношении уникальны железобактерии, окисляющие двухвалентное железо с
образованием лимонита. Диатомовые водоросли способны усваивать железо из коллоидов. После отмирания организмов и их минерализации часть железа закрепляется в почве и может вновь включаться в биологический круговорот. Растворимые формы выносятся в океаны.
Круговорот железа в природе происходит за счет жизнедеятельности железобактерий. Они широко распространены в водоемах, содержащих закись железа. Аутотрофные железобактерии используют растворимые закисные соли железа как источник получения энергии для биосинтетических процессов в клетке. Они переводят закисное железо в окисное. Образующийся гидрат окиси железа откладывается в виде чехла в их слизистой оболочке. После отмирания железобактерий образуются болотные или озерные руды. Иногда большое количество железобактерий, находящихся в просветах водопроводных труб, может сужать их. Накапливаясь в водоемах, железобактерии могут вызвать гибель молодняка рыб. Среди железобактерий имеются и гетеротрофные микроорганизмы.
8. Брожение.
Брожение - способ получения энергии, при котором АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфолирования.
Субстраты брожения: углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины.
Продукты брожения: органические кислоты: молочная, масляная, уксусная, муравьиная, спирты: этиловый, бутиловый, пропиловый; ацетон, СО2, Н2
2 стадии любого брожения:
1ст - окислительная:
С6Н12О6->2СН3СОСООН+[4Н]
углевод пируват
2ст - восстановительная: атомы водорода используются для восстановления пирувата или образованных из него соединений.
3 пути образования пирувата из углеводов:
1) Путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (Фруктозо-бисфосфатный путь или гликолиз)
C6h22O6->2Ch4COCOOH+2ATF+2НАД*h3
2)Cхема Варбурга-Диккенса-Хореккера (пентозо-фосфатный цикл, гексозо-монофосфатный путь, фосфокетолазный путь, 6-фосфоглюконатный)
3) Путь Этнера-Дудорова (КДФГ - путь)
Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы. Отношение микроорганизмов к излучению, температуре, гидростатическому и осмотическому давлению, магнитному полю, pH, молекулярному кислороду, влажности.
Микроорганизмы распространены повсеместно, поэтому они подвергаются воздействию различных физико-химических факторов, что приводит к выработки соответствующих механизмов защиты. Некоторые микроорганизмы способны существовать в условиях широкого спектра различных факторов.
Температура роста:
Психрофилы – min -36, опт 20, max 25
Мезофилы 15, 25-30, 40
Термофилы 40-50, 65, 70-80
Экстремальные термофилы 50-60, 80-110, 113
Температура.По отношению к температуре выделяют:
1.Психрофилы
- Облигатные (истинные) психрофилы Pseudomonas, Vibrio, Cchromobacter, Flavobacterium, Cytophaga,
дрожжи, мицеальные грибы.
- Факультативные психрофилы (психротрофные, психроактивные) – способны расти при 0°С, хотя их оптимум 20-30°С. Из-за них портятся продукты в холодильнике.
2. Мезофилы сапрофиты и почти все патогенные микроорганизмы
3.Термофилы археи
- Облигатные - постоянно требуют таких высоких температур для роста.
- Факультативные - могут расти как при высоких температурах, так и при низких (ниже 50 °C).
- Термотолерантные - термотолерантный микроорганизм способен размножаться с почти одинаковой скоростью как при обычной температуре (37 °С), являющейся оптимальной для мезофильных штаммов, так и при более высокой (на 3—7° выше) температуре. Термотолерантный микроорганизм как бы безразличен к такому изменению температуры. максимальной температурой роста, равной 45—48°С
- Экстремально термофильные
- Гипертермофильные - некоторые экстремальные термофилы, для которых оптимальные температуры выше 80 °C.
Осмотическое давление
Отношение к осмотическому давлению среды: Осмотолерантные, осмофильные, галофильные.
- слабогалофильные (2-5% NaCl) – морские микроорганизмы.
- умеренные галофилы (5-20% NaCl) – пр. микроводоросли, Paracoccus, Vibrion.
1. Нейтрофилы ph 6-8 опт, возможен рост – 4-9
- кислотоустойчивые – 6-7, 1-9
- щелочеустойчивые – 6-7, 4-11
2. Ацидофилы –(Археи, Helicobacterpylori, Candida, Bacillus, Sulfolobus, Thermoplasma)
- факультативные ацидофилы – 2-4, 1-9
- облгатные экстремальные ацидофилы 2-4, 1-5
3. Алкалофилы – опт 9-10,5 (Цианобактерии, Уробактерии, Nitrobacter, гнилостное бактерии рода Bacillus, пурпурные водоросли рода Ectothirhodospira)
- Факультативные алкалофилы – возможен рост – 5-11
- блигатные алкалофилы – 9, 0 -10,5, 8,5 -11
Молекулярный кислород.
Аэробы
- Облигатные – требуют О2, аэробное дыхание, кожа, пыль.
- Факультативные – не требуют О2, но при наличии растут лучше, тип метаболизма – аэробное дыхание или брожение, пример E.Coli, место обитания - толстый кишечник.
- микроаэрофилы – требуют, но в концентации ниже атмосферной, аэробное дыхание, озерная вода
Анаэробы
- Аэротолерантные – не требуют, рост не стимулируют, брожение, верхние дыхательные пути, молчные продукты.
- Облигатные – угнетает рст или приводит к гибели, брожение или анаэробное дыхание, пр- атаногены, сульфидогены, ацетогены, ил и болота.
Облигатные строгие анаэробы.
Ист. Энергии:
Брожение (субстр. Фосфолирование)
Анаэробное дыхание
Аноксигенный фотосинтез
Примеры: метанообразующие, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые.
Гидростатическое давление
- Баротолерантные (факультативне) при давлении 100-500 атм
- Барофильные
Пьезофильные (облигатные) – растут при давлении 400-500 атм.
- Экстремальные барофилы – растут при давлении свыше 500 атм.
Излучение
Микроорганизмы весьма существенно различаются по устойчивости к радиации, некоторые из них выделены из облученных продуктов и воды . Устойчивость связана с высокой эффективностью репарационных систем, но для большинства ультрафиолетовое и ионизирующие излучение в определенных дозах губительно.
Магнитное поле.
Существует несколько видов анаэробных бактерий (магнетотактических бактерии Aquaspirillum mangetotacticum) способных реагировать на внешние магнитные поля. Они содержат органеллы – магнетомсомы, в мембранах которых содержаться кристаллы магнетита или мельниковита, иногда они вместе. Магнетотактические бактерии являются природными компасами, которые ориентируются вдоль направления магнитного поля Земли.
Влажность
Микроорганизмы могут жить и развиваться только в среде с определенным содержанием влаги. У различных микроорганизмов потребность в воле не одинакова. Бактерии относятся в основном к влаголюбивым, при вланость среды ниже 20% их рост прекращается. Для плесеней нижний предел составляет 15%, а при значительной влажность воздухы и ниже. Оседание водяных паров на поверхность продукта способствует размножению микроорганизмов.
studfiles.net
 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
 Пример видео 3 |  Пример видео 2 |  Пример видео 6 |  Пример видео 1 |  Пример видео 5 |  Пример видео 4 |
Администрация муниципального образования «Городское поселение – г.Осташков»