Какие витамины получают с помощью микроорганизмов
Микробы — производители витаминов
Мы уже знаем, что витамины — важные компоненты ферментов, без которых последние не могли бы выполнять свои биохимические функции. Поэтому каждая клетка, каждый организм нуждаются в витаминах. Нуждаемся в них и мы. Отсутствие в пище хотя бы одного из витаминов приводит к нежелательным расстройствам организма, как это видно из таблицы 13.
Всем известно, что витамины находятся в различных пищевых продуктах, но мало кто знает, что некоторые витамины (С, D, группы В) получают в настоящее время заводским путем с помощью микробов.
Витамин В2 (рибофлавин) получают из продуктов жизнедеятельности дрожжей. Кроме них, для этой цели используются также грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossypii, паразиты хлопчатника и других растений. За свою «вредительскую» деятельность они расплачиваются с нами, производя столь необходимый нам рибофлавин.
В 1 л жидкой культуральной среды, в которой выращиваются эти микроскопические грибы, содержится около 1 г рибофлавина, столько же, сколько в 500 л коровьего молока. Теперь эти микробы — продуценты витамина В2 выращиваются в огромных 100 000-литровых емкостях, откуда через каждые 4–5 дней выделяют по 100 кг витамина. Достаточно сказать, что такое количество рибофлавина содержится в 50 миллионах литров молока.
Накопление новых данных о витаминах сопровождалось и расширением наших сведений об их влиянии на микроорганизмы. Во многих случаях микробы оказали помощь в выделении витаминов и в их химическом изучении. Приведем пример из недавнего прошлого, показывающий, каким образом микробы способствовали решению загадки, связанной со злокачественнным малокровием.
Злокачественное малокровие — болезнь, выражающаяся в пониженной выработке организмом красных кровяных телец (эритроцитов). Уже давно при лечении этой болезни применяли препараты, выделяемые из печени и содержащие химически неизвестное в те времена вещество. В 1948 году было обнаружено, что это вещество влияет на рост молочнокислых бактерий Lactobacillus lactis. Их размножение зависело от присутствия в питательной среде какого-то стимулирующего вещества. Констатация этого факта была первым шагом к тому, чтобы при помощи бактерий выделить из печени это вещество в чистом виде. Теперь-то мы знаем, что этим стимулятором является витамин В12.
Сведения о новом витамине постепенно пополнялись. Оказалось, что его продуцентами являются многие бактерии и актиномицеты; некоторые из них (как, например, упомянутые молочнокислые бактерии) должны получать его для своего роста и развития в уже готовом виде. Микробы, обитающие в одном из отделов желудка жвачных (в рубце), как нам уже известно, сами вырабатывают витамин В12.
Дальнейшие исследования показали, что некоторые актиномицеты — продуценты антибиотиков — образуют значительные количества этого витамина. В настоящее время в промышленном масштабе витамин В12 вырабатывается в основном при помощи этих микроорганизмов. Для его получения используют также микроорганизмы, живущие в осадках сточных вод.
Ученым удалось установить химический состав нового витамина. Строение его молекулы имеет много общего со структурой красящего вещества крови (гемоглобина) и хлорофилла. В состав молекул этих веществ входят атомы металлов: в молекуле гемоглобина содержится атом железа, в молекуле хлорофилла — атом магния, а в молекуле витамина В12 — атом кобальта (этот витамин иногда называют цианокобал амином).
Витамин В12 используется для приготовления чистого медицинского препарата, а в неочищенном виде его вместе с некоторыми антибиотиками добавляют к кормам домашних животных.
Микробы, вырабатывающие витамин В12, однако, не столь усердны, как продуценты рибофлавина. Но химикам стоит поработать над усовершенствованием метода выделения витамина В12 даже в том случае, если на миллион частей культуральной среды будет получено лишь пять частей витамина. Ведь важность витамина огромна: суточной его дозы (1 миллионная часть грамма) вполне хватает для обновления крови при некоторых видах малокровия, вызванных недостатком этого витамина или неспособностью организма получать его из пищи.
В последние годы началось промышленное производство еще одного витамина — биотина. Вырабатывают это вещество дрожжи из рода Sporobolo-myces. Биотин используется в медицине, а в неочищенном виде добавляется в корма.
Дрожжи Saccharomyces carlspergensis используются в биологическом производстве эргостерина, из которого при помощи ультрафиолетовых лучей получают витамин D. Эргостерин, как мы помним, был выделен еще в прошлом веке из зерен злаков, пораженных спорыньей. В 1927 году было установлено, что эргостерин под действием ультрафиолетовых лучей преобразуется в витамин D и приобретает свойства, очень важные для лечения рахита.
Образование подобных веществ характерно и для бактерий. Так, уксуснокислые бактерии применяются при производстве витамина С. Основным сырьем для его получения служит глюкоза, которая химическим путем превращается в соединение, называемое сорбитом. Затем сорбит при помощи уксуснокислых бактерий превращается в сорбозу, а из нее уже химическим путем получают витамин G.
Читайте также
Микробы в плену
Микробы в плену
Представьте себе обширный участок на левом берегу Дуная с грядками цветов, пальмами в оранжереях, с цветущей королевской викторией на глади небольшого озера. Это Братиславский ботанический сад. «Ботанический сад» микробиологов выглядит иначе: холодные
3. Микробы вблизи
3. Микробы вблизи
Если бы мы смогли рассмотреть человека под микроскопом, он показался бы нам огромным, как Монблан или Чимборасо. Но мелкие бактерии при таком колоссальном увеличении выглядят не больше точки или запятой.
Ф. Кон, 1872
Omnis cellula e cellula
В 1665 году Роберт Гук издал
5. Микробы в действии
5. Микробы в действии
Жизнь — это не что иное, как строго упорядоченное взаимодействие ферментативных процессов.
Р. Вильштеттер, 1929
Самая маленькая химическая фабрика
Клетку микроорганизма можно сравнить с микроскопически малой химической фабрикой. Она получает
Микробы и брожение
Микробы и брожение
Происходящее под влиянием микробов превращение глюкозы в спирт или молочную кислоту — процесс очень сложный. Глюкоза при участии ферментов преобразуется, проходя целый ряд этапов, в «ключевое» соединение — пиро-виноградную кислоту, в молекуле
Микробы и гниение
Микробы и гниение
Разложение сахаров, вызываемое микробами, мы назвали брожением. Но многие микробы участвуют и в разложении белков отмерших организмов или их выделений. Если в этом процессе используется кислород воздуха, белки распадаются на все более простые
Микробы и витамины
Микробы и витамины
Хорошо известно, что для нормального роста и развития человека и животных недостаточно пищи, содержащей только источники энергии и «строительного» материала. Животному организму необходимо еще небольшое количество веществ, названных польским врачом
Микробы в движении
Микробы в движении
Левенгук, сообщая Лондонскому королевскому обществу о наблюдаемых им «зверушках», писал, что они отличаются способностью очень быстро передвигаться. Мы уже рассказывали, что, по предположению Левенгука, микробы должны иметь ножки, хотя увидеть их ему
Микробы в воздухе
Микробы в воздухе
Воздух мы обычно считаем стихией птиц. Правда, существуют и другие животные, которые проводят в этой среде какое-то время. Например, летучие рыбы поднимаются над водой и пролетают по воздуху значительное расстояние, не имея даже крыльев. Однако воздух не
Микробы — вредители
Микробы — вредители
Древесина, в которой содержится достаточное количество влаги, становится объектом бурной деятельности микробов. В сырых квартирах, на судах и в шахтах на древесине растут в первую очередь различные виды микроскопических грибов, а нередко и бактерий,
Сражающиеся микробы
Сражающиеся микробы
Борьба за жизнь происходит и в мире микробов. Она идет обычно там, где возникает недостаток питательных веществ и организмы вынуждены получать их в условиях острой конкуренции с другими микробами. В этой борьбе за источники питания победителем
12. Молекулы наследственности и микробы
12. Молекулы наследственности и микробы
Каждая живая клетка представляет собой микрокосмос, в котором нуклеиновая кислота выступает в качестве диктатора, обычно к нам благоволящего; но в случае рака она становится деспотом-садистом, а в вирусных частицах —
Микробы и мутации
Микробы и мутации
Рассказ о трансформации, трансдукции и конъюгации должен был убедить читателя, что микроорганизмы действительно могут изменять свою природу. Во всех рассмотренных случаях микробиологи использовали влияние генетического материала (ДНК) одних микробов
15. Микробы атакуют
15. Микробы атакуют
«… и не убоишься ни грозной чумы, притаившейся во мраке, ни другой заразы, свирепствующей среди белого дня…»
Древнееврейская песнь
Грипп в наступлении
Грипп — распространенное инфекционное заболевание, поражающее главным образом дыхательные пути.
10. Как произошли микробы
10. Как произошли микробы
Мы видели, что в настоящее время на земле существуют самые разнообразные по своим свойствам и функциям микробы. Одних только видов грибов насчитывается до 80 тысяч, и большинство из них относится к микроскопическим организмам. Тысячи видов
Обмен витаминов
Обмен витаминов
Ни один из витаминов не осуществляет свои функции в обмене веществ в том виде, в котором он поступает с пищей. Этапы обмена витаминов:1. всасывание в кишечнике с участием специальных транспортных систем;2. транспорт к местам утилизации или депонирования с
Применение витаминов в клинической практике
Применение витаминов в клинической практике
Применение витаминов в профилактических и лечебных целях можно систематизировать следующим образом.В профилактических целях:1. Профилактика первичных гипо-авитаминозов, обусловленных:• недостаточным поступлением
Источник
Получение витаминов микробиологическим путем
Содержание
Витамины
Каротаноиды
Витамин D
Рибофлавин,
или витамин В2
Аскорбиновая
кислота, или витамин С
Витамины
Витамины
поставляются в организм с пищей или их назначают в форме лекарственных
препаратов при определенных патологических процессах. Из жиро-и водорастворимых
витаминов известны биотехнологические процессы производства витаминов а и D,
рибофлавина, аскорбиновой кислоты, цианкобаламина (В12).
Каротаноиды
— это изопреноидные
соединения, синтезирующиеся многими пигментными микроорганизмами из рода
Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium,
Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces и др. Всего
описано около 500 каротиноидов.
Из одной
молекулы -каротина при гидролизе образуются две молекулы витамина A. Это имеет
место, например, в кишечнике человека.
Каротиноиды
локализуются в виде сложных эфиров и гликозидов в клеточной мембране
микроорганизмов, либо в свободном состоянии — в липидных гранулах в цитоплазме.
Каротиноид «ретиналь» у галофильного вида — Halobacterium halobium —
соединен с белком через остаток лизина(опсинопо-добный белок); он участвует в
синтезе АТФ благодаря генерации транс мембранного потенциала. В целом, основная
функция каротиноидов — защитная. Их биосинтезу в клетках способствует свет.
В качестве
продуцентов каротиноидов можно использовать бактерии, дрожжи, мицелиальные
грибы. Более часто применяют зигомицеты Blakeslea trispora и Choanephora
conjuncta. Спаривающиеся ( + ) и (-) штаммы этих видов при совместном
культивировании могут образовать 3-4 г каротина на 1 л среды.
Питательные
среды для производства витаминов сложные и включают источники углерода, азота,
витаминов, микроэлементов, специальных стимуляторов (гидрол, кукурузно-соевая мука,
растительные масла, керосин, -ионон или изопреновые димеры).
Вначале
штаммы выращивают раздельно, а затем — совместно при 26?С и усиленной аэрации с
последующим переносом в основной ферментатор. Длительность ферментации — 6-7
дней. Каротиноиды извлекают ацетоном (или другим полярным растворителем),
переводят в неполярный растворитель. В случаях извлечения белково-каротиноидных
комплексов, применяют поверхностно-активные вещества в концентрации 1-2%. В
целях очистки и более тонкого разделения можно прибегать к методам
хроматографии или к смене растворителей. Витамин A из (3-каротина сравнительно
легко можно получить при гидролизе.
В случае
изготовления каротинсодержащей биомассы для скармливания животным и птицам
возможно ее сочетанное применение с витамином А или без него. В медицинских
целях витамин А изготавливают в капсулах для приема через рот.
Витамин D — это группа родственных соединений,
в основе которых находится эргостерин, который обнаружен в клеточных мембранах
эукариот. Поэтому, например, пекарские или пивные дрожжи применяют для
получения зргостерина, как провитамина, обладающего антирахитическим действием.
Содержание эргостерина в дрожжевых клетках колеблется в пределах 0,2-11%.
При
недостатке в организме гормона 1,25-дигидроксихолекальциферола,
предшественником которого является витамин D2 у детей развивается рахит (аналог
рахита у взрослых — остеомаляция).
Трансформация
эргостерина в витамин D2 (кальциферол) происходит под влиянием
ультрафиолетового облучения. При этом разрывается связь в кольце (позиции 9,10)
и образуется двойная связь в боковой цепочке (позиции 22, 23). Эта последняя
гидрирована в витамине D3 (холекальциферол). Физиологическая активность обоих
витаминов (D2 и D3) равноценна.
Кроме дрожжей
продуцентами эрогостерина могут быть мицелиальные грибы — аспергиллы и
пенициллы, в которых содержится 1,2-2,2% эргостерина. Замечено, что полиеновые
антибиотики, действующие на клеточную мембрану дрожжей, заметно стимулируют их
содержание в биомассе.
Получение
эргостерина в производственных условиях можно подразделить на следующие этапы:
размножения исходной культуры и накопление инокулюма, ферментация,
сепарирование клеток, облучение клеток ультрафиолетовыми лучами, высушивание и
упаковка целевого продукта.
Облученные
сухие дрожжи применяют в животноводстве; в промышленности их выпускают под
названием «кормовые гидролизные дрожжи, обогащенные витамином D2». В
таком препарате содержится не менее 46% сырого белка, незаменимые аминокислоты
(лизин, метионин, триптофан) и 5000 ME витамина D2 /г.
В случае
получения кристаллического витамина D2 клетки продуцента гидролизуют соляной
кислотой при 110?С, затем температуру снижают до 75-78?С и добавляют этанол.
Смесь фильтруют при 10-15?С, оставшуюся после фильтрации массу промывают водой,
высушивают, измельчают, нагревают до 78?С и дважды обрабатывают тройным объемом
этанола. Спиртовые экстракты объединяют и упаривают до 70%-го содержания сухих
веществ. Полученный «липидный концентрат» обрабатывают раствором
едкого натра. Эргостерин кристаллизуется из неомыленнной фракции концентрата
при 0?С. Его очищают повторной перекристаллизацией. Кристаллы высушивают,
растворяют в серном эфире, облучают УФЛ, эфир отгоняют, раствор витамина D2
концентрируют и кристаллизуют. «Кислотный фильтрат» обычно упаривают
до 50%-го содержания сухих веществ и применяют как концентрат витаминов.
Производят также масляный концентрат витамина D2.
Рибофлавин,
или витамин В2 —
содержится в клетках различных микроорганизмов, будучи коферментом в составе
флавопро-теинов (прежде всего — соответствующих ферментов из класса
оксидоредуктаз — ФМН, ФАД). Поэтому в качестве продуцентов рибофлавина
(флавопротеинов) могут быть бактерии, дрожжи и нитчатые грибы. Однако наиболее
заманчивыми являются те штаммы, которые образуют на жидких средах 0,5 г и более
рибофлавина в 1 л среды. К подобным организмам относятся Ashbyii gossypii,
Eremothecium ashbyii и Candida guilliermondii. Учитывая изменчивость активных
продуцентов названных видов по способности синтезировать витамин В2, необходим
систематический отбор культур в процессе их эксплуатации на производстве.
Обычно активные продуценты первых двух видов формируют яркооранжевые колонии на
агаризованных средах. Методами генной инженерии удалось получить штамм сенной
палочки, образующий около 6 г рибофлавина в 1 л среды, включающей мелассу,
белково-витаминный концентрат и его гидролизат.
Высокий выход
рибофлавина у Е.ashbyii коррелирует с азотом пуринов и другими азотистыми
источниками, содержание которых должно быть достаточным. В качестве источников
углерода применяют глюкозу или сахарозу, практикуют использование дрожжевого и
кукурузного экстрактов, соевой муки, масла (жира). Жидкие питательные среды для
получения инокулюма и для основной ферментации могут несколько различаться
между собой. Например, для получения посевного материала известна среда,
содержащая сахарозу, пептон, кукурузный экстракт, калия дигидрофосфат, магния
сульфат, подсолнечное масло, время выращивания продуцента на этой среде — 2
суток при 27-30?С (в зависимости от штамма). Ферментационная среда обычно
включает кукурузную и соевую муку, сахарозу, кукурузный экстракт, калия
дигидрофосфат, кальция карбонат, натрия хлорид и ненасыщенный жир.
Обычно
ферментацию проводят в течение 5 суток при рН 5,5- 7,7. После использования
сахарозы (примерно через 30 часов) начинает заметно накапливаться витамин В2,
вначале — в мицелии, а затем — в культуральной жидкости. Всю биомассу можно
подвергнуть высушиванию и полученный сухой продукт с остаточной влажностью 8%,
содержащий 1,5-2,5% рибофлавина, 20% белка, тиамин, никотиновую кислоту,
пиридоксин, цианкобаламин, микроэлементы и другие вещества, рекомендуют для
кормления животных.
В случае
высоких выходных показателей по рибофлавину, витамин можно выделять в индивидуальном
состоянии и, наряду с синтетическим рибофлавином, использовать в медицине.
Для Candida
guillierniondii важно регулировать содержание железа в питательной среде;
оптимальные концентрации колеблются, в среднем, от 0,005 до 0,05 мкг/мл. При
этом определенные штаммы дрожжей могут образовывать за 5-7 дней до 0,5 г/л и
более витамина. Однако для целей промышленного производства рибофлавина
предпочитают использовать более продуктивные виды и штаммы грибов — E.ashbyii и
Ashbyii gossypii.
Аскорбиновая
кислота, или витамин С — это противоцинготный витамин, имеющийся у всех высших растений и
животных; толькг человек и микробы не синтезируют ее, но людям она неотложно
необходима, а микробы не нуждаются в ней. И, тем не менее, определенные виды
уксуснокислых бактерий причастны к биосинтезу полупродукта этой кислоты —
L-сорбозы. Таким образом, весь процесс получения аскорбиновой кислоты является
смешанным, то есть химико-ферментативным.
Биологическая
стадия процесса катализируется мембраносвязанной полиолдегидрогеназой, а
последняя (химическая) включает последовательно следующие этапы: конденсация
сорбозы с диаде-тоном и получение диацетон — L-сорбозы, окисление диацетон
—L-сорбозы до диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты, подвергаемой затем
гидролизу с получением 2-кето-1,-гулоновой кислоты; последнюю подвергают
энолизации с последующей трас формацией в L-аскорбиновую кислоту.
Ферментацию
G.oxydans проводят на средах, содержащих сорбит (20%), кукурузный или дрожжевой
экстракт, при интенсивной аэрации (8-10 г О2/л/ч). Выход L-сорбозы может
достичь 98% за одни-двое суток. При достижении культурой log-фазы можно
дополнительно внести в среду сорбит, доводя его концентрацию до 25%. Также
установлено, что G.oxydans может окислять и более высокие концентрации
полиспирта (30-50%), создаваемые на последних стадиях процесса. Это происходит
благодаря полиолде-гидрогеназы, содержащейся в клеточной биомассе. Ферментацию
бактерий проводят в периодическом или непрерывном режиме. Принципиально
доказана возможность получения L-сорбозы из сорбита с помощью иммобилизованных
клеток в ПААГ.
Цианкобаламин,
или витамин В12—
получают только микробиологическим синтезом. Его продуцентами являются
прокариоты и, прежде всего, пропионовые бактерии, которые и в естественных
условиях образуют этот витамин. Мутанты Propionibacterium shermanii M-82 и
Pseudomonas denitrificans M-2436 продуцируют на жидкой среде до 58-59 мг/л
цианкобаламина.
Учитывая
важную функцию витамина в организме человека (он является противоанемическим
фактором), его мировое производство достигло 10 т в год, из которых 6,5 т
расходуют на медицинские нужды, а 3,5 т — в животноводстве.
Отечественное
производство цианкобаламина базируется на использовании культуры
P.freudenreichii var. shermanii, культивируемой в периодическом режиме без
доступа кислорода. Ферментационная среда обычно содержит глюкозу, кукурузный
экстракт, соли аммония и кобальта, рН около 7,0 поддерживают добавлением NH4OH;
продолжительность ферментации 6 суток; через 3 суток в среду добавляют
5,6-диметилбензимидазол — предшественник витамина Б12 и продолжают ферментацию
еще 3 суток. Цианкобаламин накапливается в клетках бактерий, поэтому операции
по выделению витамина заключаются в следующем: сепарирование клеток,
экстрагирование водой при рН 4,5-5,0 и температуре 85-90?С, в присутствии
стабилизатора (0,25% раствор натрия нитрита), Экстракция протекает в течение
часа, после чего водный раствор охлаждают, нейтрализуют раствором едкого натра,
добавляют коагулянты белка — хлорид железа трехвалентного и алюминия сульфат с
последующим фильтрованием. Фильтрат упаривают и дополнительно очищают,
используя методы ионного обмена и хроматографии, после чего проводят
кристаллизацию витамина при 3-4?С из в одноацетонового раствора.
Кристаллический
цианкобаламин можно получать с помощью резорцина или фенола, образующих с ним
аддукты, которые сравнительно легко разлагаются на составляющие компоненты.
При
реализации данного биотехнологического процесса не забывать о высокой
светочувствительности витамина В12, поэтому все операции необходимо проводить в
затемненных условиях (или при красном свете). На ацетонобутиловой и спиртовой
бардах с добавлением солей кобальта и метанола в нашей стране получают кормовой
препарат КМБ 12 — концентрат, содержащий витамин В12 и другие ростовые
вещества.
Съедобные водоросли
Народы Тихоокеанского
побережья с давних пор употребляют в пищу морские и океанские водоросли. Жители
Гавайских островов из 115 видов водорослей, обитающих в местных океанских
пространствах, используют в питании 60 видов. В Китае также высоко ценят
съедобные водоросли. Особенно ценятся сине-зеленые водоросли Nostoc pruniforme,
по внешнему виду напоминающие сливу и по вкусовым качествам причисленные к
китайским лакомствам. В кулинарных справочниках Японии встречается более 300
рецептур, в состав которых входят водоросли. На Дальнем Востоке весьма
интенсивно используют водоросли в пищевых целях и плантации не успевают
восстанавливаться естественным путем. В связи с этим все чаще водоросли
культивируют искусственно, в подводных садах. Выращивание аквакультур —
процветающая отрасль биотехнологии. Водоросли используют также в виде сырья для
промышленности.
В последнее время
внимание специалистов, занимающихся вопросами питания, привлекает сине-зеленая
водоросль спирулина (Spirulina platensis и Spirulina maxima), растущая в Африке
(оз. Чад} и в Мексике (оз. Тескоко). Для местных жителей спирулина является
одним из основных продуктов питания, так как содержит много белка, витамины А,
С, D и особенно много витаминов группы В. Биомасса спирулины приравнивается к
лучшим стандартам пищевого белка, установленным ФАО. Спи-рулину можно успешно
культивировать в открытых прудах или в замкнутых системах из полиэтиленовых
труб и получать высокие урожаи (примерно 20 г биомассы в пересчете на СВ с 1 м3
в сут).
Литература
Источник