Производство аминокислот

Среди биотехнологических продуктов по объему производства аминокислоты занимают первое место, а по стоимости второе (после антибиотиков).

Объем мирового производства более 500 тыс. т.

Однако это не удовлетворяет потребность человечества. Потребность (млн т):

  • • в лизине — 5;
  • • в метионине — 4;
  • • в треонине — 3,7;
  • • в триптофане — 2.

В организме человека и животных аминокислоты участвуют в биосинтезе ферментов, гормонов, витаминов. Они являются структурными элементами белков. Но почти половина из них в организме не синтезируется и поступает с пищей.

Наиболее ценными белками являются белки яиц и молока. Растительные белки обеднены по разным аминокислотам.

Поэтому целесообразно вводить а.к. в корм животных. Это сокращает расход кормов и увеличивает выход животноводческой продукции.

А.к. используются не только как пищевые добавки, приправы и усилители вкуса, но и для других целей: как подсластители, антиоксиданты, лекарство от психических заболеваний, воспалений, а также как сырье для производства других веществ.

В промышленности белковые аминокислоты получают разными методами:

  • • гидролиз природных белков;
  • • химический синтез;
  • • биотехнология:
  • — микробный синтез;
  • — биотрансформация предшественников аминокислот (химико-микробиологический метод).

Методом гидролиза получаются не все незаменимые а.к. Кроме того, в процессе гидролиза они подвергается разрушению и рацемизации.

В химическом способе также получаются рацематы. Несте- реоизбирательным является лишь метионин.

Поэтому биотехнологический способ — самый перспективный.

Продуценты а.к. Каждая а.к. продуцируется определенным микроорганизмом. Перспективные штаммы постоянно улучшают путем селекции. Продуцентами являются м.о. родов Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter.

Для разработки технологии получения отдельной а.к. необходимо знать пути и механизмы регуляции биосинтеза этой кислоты.

Методы производства аминокислот

Лизин. Белки злаковых культур по лизину несбалансированны приблизительно на 50 %. Для потребностей животноводства производство лизина было налажено вначале в России, а затем в Испании, Франции, Японии и США.

Лизин синтезируется в микроорганизмах из аспарагиновой кислоты и является конечным продуктом разветвленного пути биосинтеза, общего для трех а.к. — лизина, метионина и треонина.

Для того чтобы накопить лизин, необходимо блокировать пути синтеза двух других а.к. — метионина и треонина (рис. 4.1).

Метаболический путь синтеза L-лизина открывает фермент аспартаткиназа. Он чувствителен к ингибированию по принципу обратной связи при совместном действии треонина и лизина. Накапливание этих а.к. останавливает их синтез. При пониженной концентрации любой из них процесс активизируется.

Для биосинтеза лизина используют мутанты двух типов.

Мутанты первого типа являются ауксотрофами по гомосерину, т. е. синтезируют самостоятельно треонин и метионин. Поэтому если культуральная среда содержит лимитирующие концентрации метионина и треонина, они способны образовывать избыточные количества лизина.

Схема микробиологического синтеза незаменимых

Рис. 4.1. Схема микробиологического синтеза незаменимых

аминокислот

Мутанты второго типа дефектны по гену, который определяет конформацию аспартаткиназы. Этот фермент теряет чувствительность к высоким концентрациям лизина, и он может накапливаться в значительных количествах.

Большое значение в данном синтезе имеет проницаемость клеточных мембран. Она должна быть достаточно большой. Для ее увеличения используются мутанты или соответствующий состав питательной среды.

В культуральной среде создают дефицит биотина (1—5 мкл/л), добавляют пенициллин (2—4 мкг/л), детергенты (твин-40 и твин-6), а также производные высших жирных кислот (паль- митаты, стеараты). Биотин влияет на проницаемость мембран, контролируя содержание липидов, а пенициллин нарушает синтез клеточных стенок бактерий.

Для производства лизина в состав культуральной жидкости вводят, в качестве источников углерода, глюкозу, сахарозу, иногда фруктозу и мальтозу. С целью экономии применяются свекловичная меласса, молочная сыворотка, гидролизаты крахмала, сульфитные щелока.

Разработаны дешевые среды на основе уксусной кислоты, пропионовой, метанола, этанола и н-парафинов. В качестве источников азота применяют мочевину и соли аммония.

Для стимулирования роста используют экстракты кукурузы, дрожжей и солодовых ростков, гидролизаты отрубей и дрожжей, витамины группы В. В питательную среду добавляют микроэлементы — Р, Са, Mg, Mn, Fe и др.

Большое значение имеет снабжение кислородом воздуха, индивидуальное для каждой аминокислоты.

Необходимо учитывать кинетику процесса. Лизин появляется в культуральной жидкости с середины экспоненциальной фазы роста культуры. Поэтому вначале в специальных посевных аппаратах выращивают биомассу в течение суток (pH 7,0—7,2; температура 28—30°С), а затем массу передают в ферментер с питательной средой. Через 25—30 ч после начала ферментации в культуральную жидкость начинает поступать лизин. По окончании ферментации жидкую фазу отделяют фильтрованием, затем фракционируют методом ионообменной хроматографии на катионите.

Для этого с помощью обработки соляной кислотой лизин переводится в катион:

Сорбированный на катионитной смоле лизин затем элюируется раствором гидрокисида аммония 0,5—5 % после выхода других катионов.

Элюат концентрируют в вакууме при 60°С; аминокислоту переводят в монохлоргидрат, высушивают и перекристал- лизовывают. Кроме высокоочищенного лизина, выпускают и другие товарные формы лизина: жидкий концентрат лизина ЖКЛ, кормовой ККЛ и высококонцентрированные препараты с малой степенью очистки.

Метионин. Получают химическим способом. По значимости среди получаемых аминокислот он занимает второе место.

Триптофан. Содержание триптофана в стандартных продуктах — молоко, рыба, дрожжи в три раза ниже нормы. Его получают микробиологическим способом. Подобно лизину триптофан получают многоступенчатым синтезом вместе с тирозином и фенилаланином. Однако в данном случае две сопутствующие аминокислоты на синтез триптофана не оказывают ингибирующего действия.

Образование всех трех аминокислот идет через шикимовую и хоризмовую кислоты. Из хоризмовой кислоты триптофан получается под действием антранилатсинтетазы. При этом вначале, в качестве предшественника получается антранило- вая кислота.

Поэтому на первом этапе в производстве триптофана получают антраниловую кислоту химическим способом. А затем с помощью энзиматической системы мутантных дрожжей Candida utilis эту кислоту переводят в триптофан.

При выращивании в культуральной жидкости, содержащей свекловичную мелассу, мочевины и минеральные компоненты получают концентрацию триптофана до 6 г/л.

Аналогично, с помощью предшественников получают гистидин, изолейцин, метионин, серин, треонин.

Выпускаемой кормовой концентрат, кроме триптофана, содержит белки и витамины. После ионообменной очистки и кристаллизации получают чистый триптофан с содержанием 99 % основного вещества.

Производство безотходное: все осадки и промывные воды после выпаривания и высушивания используют для кормовых целей.

Аргинин, глутаминовая кислота, глутамин, треонин, про- лин — эти аминокислоты являются конечными продуктами неразветвленных метаболических путей. Ауксотроф- ные мутанты здесь не используются. Применяются мутанты с дефектами регуляции биосинтеза кислоты, т. е. регуляторные мутанты.

Успешный синтез стимулируется условиями внешней среды — содержание биотина, солей аммония, ионов цинка.

Методом генетической инженерии получен очень высокопродуктивный штамм Е. coli с амплификацией оперонов треонина для синтеза треонина на свекловичной мелассе.

Химико-ферментативные способы получения аминокислот

В этом способе используются энзимы, получаемые разными методами.

Процессы могут быть одностадийными и многостадийными. Источником ферментов могут быть энзимы интактных (не растущих), высушенных и лизированных клеток, клеточные экстракты, препараты иммобилизованных клеток и ферментов.

L-лизин получают стереоспецифическим ферментативным гидролизом (конверсией) D, L-a-амино-е-капролактама, который получают химическим путем из циклогексена. С помощью фермента лактамазы рацемат лактама превращается в L-лизин.

Оставшаяся непрореагировавшая часть (D-форма лактама) переводится под действием рацемазы в смесь антиподов лактама.

Фермент лактамаза найдена у некоторых дрожжей, например, у Candida laurentii. Фермент рацемаза — у бактерий Alcaligenes оЪае. Для получения неочищенных ферментов целые клетки обрабатывают с помощью ПАВ. Разработаны иммобилизованные формы, созданы высокопродуктивные мутанты.

Триптофан получают методом прямой конденсации индола, аммиака и пировиноградной кислоты.

Реакцию катализирует фермент триптофаназа. Выход 63 г/л.

Химико-энзиматическим способом получают многие аминокислоты. Метод специфичен, не требует сложной очистки продукта и стоков. Но по себестоимости продукта он уступает микробиологическому способу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >