Биотехнология липидов

Введение

Основными источниками липидов для человека в настоящее время являются растительные и животные жиры. В организме человека жиры выполняют важные функции, благодаря чему их относят к основным пищевым веществам. Они необходимы организму точно так же, как белки и углеводы, так как являются носителями незаменимых веществ. Прежде всего, они имеют высокую энергетическую ценность, превосходя энергию белков и углеводов боле чем в два раза. В организме всегда должен быть определенный запас жиров. При их недостатке организм начинает перерабатывать белки и углеводы, в результате чего замедлится развитие организма в целом. Жиры участвуют в пластических процессах, они необходимы для нормального усвоения жирорастворимых витаминов — ретинола (витамина А), эргокальциферола (витамина В2), токоферола (витамина Е), филлохинонов (витамина К), некоторых микроэлементов, например кальция и магния. Они повышают вкусовые качества пищи, вызывают чувство длительной насыщаемости. Благодаря тонкой жировой пленке волосы выглядят блестящими и здоровыми, а кожа нежной и упругой. Жиры являются обязательной составляющей полноценного пищевого рациона человека. Безжировое питание или длительное ограничение жиров в питании может нанести вред организму, что выражается в нарушении функции нервной системы, почек, органов зрения. Кроме этого изменяется химический состав тканей, возникают заболеваний кожи, снижается физическая активность организма и его сопротивляемость болезням, укорачивается продолжительность жизни.

Наряду с потреблением огромного количества жиров для пищевых целей значительная их часть используется и в разных отраслях промышленности (медицинская, химико-фармакоцевтическая, лакокрасочная, шинная, производство мыла, лакокрасочная, смазки, металлургия и т. д.)

В настоящее время ведутся поиски новых источников жиров. И в качевстве реальной базы для их получения для технический целей могут стать микроорганизмы, которые уже зарекомендовали себя как своеобразные «фабрики» производства спирта, различных органических кислот, витаминов, белка, ферментов и т. д.

Для производства липидов микробного происхождения может быть использовано дешевое сырье, они в перспективе могут заменить жиры и масла растительного и животного происхождения, используемые для технических нужд. Таким дешевым сырьем являются гидролизаты древесины или торфа, а также продукты нефти.

1. Общая характеристика продукта Липиды — это жироподобные органические вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях (эфире, бензине, бензоле и др.) В процессе культивирования микроорганизмов на различных средах получаются три класса липидов: простые, сложные липиды и их производные.

Простые липиды — нейтральные жиры и воски. Нейтральные жиры (основные запасные компоненты клетки) — эфиры глицерина и жирных кислот, основная масса которых триацилглицериды (есть, впрочем ещё и монои диглицериды).

Общая формула триацилглицеридов Воски — эфиры жирных кислот или моноооксикислот и алифатических спиртов с длинной углеродной цепью. По структуре и свойствам близки к нейтральным липидам.

Наибольшее количество нейтральных липидов синтезируют дрожжи и мицелиальные грибы. Простые липиды находят применение как технологические смазки в процессах холодной и тепловой обработки металлов. Продуцентами сложных липидов являются в основном бактерии.

Сложные липиды делятся на две группы: фосфолипиды и гликолипиды. Фосфолипиды (фосфоглицериды и сфинголипиды) входят в состав различных клеточных мембран и принимают участие в переносе электронов. Их молекулы полярны и при рН 7,0 фосфатная группа несет отрицательный заряд.

Фосфатидилхолин Характеристика концентрата фосфолипидов приведена в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристика концентрата фосфолипидов

Концентрат фосфолипидов находит применение в качестве антикоррозийной присадки к маслам и как добавка при флотации различных минералов. Гликолипиды в отличие от фосфолипидов не содержат молекулы фосфорной кислоты, но также являются сильнополярными соединениями за счет наличия в молекуле гидрофильных углеводных групп (остатков глюкозы, маннозы, галактозы и др.). 1,2]

К производным липидов относят жирные кислоты, спирты, углеводороды, витамины Д, Е и К. Жирные кислоты представлены насыщенными и ненасыщенными с одной двойной связью кислотами нормального строения и четным числом углеродных атомов (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая). Среди диеновых жирных кислот можно выделить линолевую. Двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах микробных липидов часто располагаются так, что делят их на части, число углеродных атомов в которых кратно трем. Очищенные монокарбоновые кислоты с числом углеродных атомов 14−18 находят широкое применение в мыловаренной, шинной, химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Характеристика монокарбоновых кислот приведена в таблице 2.

Таблица 2 — Характеристика монокарбоновых кислот

2. Обзор возможных способов получения продукта Концентрация липидов в клетках микроорганизмов составляет до 75% сухой биомассы. В состав липидов микроорганизмов входит сравнительно много ненасыщенных жирных кислот. Так, в липидах плесневого гриба Penicillium soppii из жирных кислот содержатся пальмитиновая — 22%, стеариновая — 7,6%, олеиновая — 45,2% и линолевая — 20% от общего количества. Соотношение насыщенных и ненасыщенных кислот зависит не только от свойств продуцента, но и от условий культивирования. Низкая температура стимулирует синтез ненасыщенных жирных кислот у грибов. Общее количество и соотношение жирных кислот зависит и от присутствия K, Na, Mg и их соотношения в среде. Синтез липидов стимулирую ингибиторы углеводного обмена, например, арсенит натрия.

Технологический процесс получения микробных липидов, в отличие от получения белковых веществ, обязательно включает стадию выделения липидов из клеточной массы методом экстракции в неполярном растворителе (бензине или эфире). При этом получают одновременно два готовых продукта: микробный жир (биожир) и обезжиренный белковый препарат (биошрот). Сырьем для этого процесса являются те же среды, что и для производства кормовой биомассы, что вдвойне выгодно.

Способность к усиленному накоплению липидов имеет промышленное значение, ею обладают немногие микроорганизмы, в первую очередь дрожжи. Процесс образования липидов у большинства дрожжей состоит из двух четко разграниченных стадий: первая характеризуется быстрым образованием белка в условиях обильного снабжения культуры азотом и сопровождается медленным накоплением липидов (в основном фосфоглицеридов и нейтральных жиров); вторая — прекращением роста дрожжей и усиленным накоплением липидов (в основном нейтральных липидов).

Типичными липидообразователями являются дрожжи Cryptococcus terricolus, отличительная особенность которых — способность синтезировать большое количество липидов (до 60% от АСВ) в любых условиях, даже наиболее благоприятных для синтеза белка. Из других липидообразующих дрожжей промышленный интерес представляют дрожжи С. guiltiermondii, утилизирующие н-алканы, Lipomyces lipoferus и Rhodotorula gracilis, накапливающие большие количества липидов (50−60% от АВС) и активно развивающиеся на углеводных субстратах, в том числе и на мелассе, гидролизатах торфа и древесины. У этих видов дрожжей липогенез очень сильно зависит от условий культивирования.

Использование дрожжей С. guilliermondii, обычно применяемых для биосинтеза белковых веществ как продуцента липидов, содержание которых у данного вида составляет 16—20% от АСВ, является экономически оправданным, учитывая большие объемы производства БВК и возможность получения биожира параллельно с белком. Кроме того, все другие продуценты липидов накапливают значительные (до 70%) количества триацилглицеридов, в то время как С. guiltier mondii накапливают до 50% фосфолипидов.

Микроскопические грибы пока не получили широкого распространения как продуценты липидов, хотя жир грибов по своему составу приближается к растительным жирам и выход жиров у Asterreus. Ha углеводных средах достигает 51% от АСВ. Липидный состав грибов представлен в основном нейтральными жирами и фосфолипидами.

Особенность бактерий как продуцентов липидов заключается в своеобразии состава их липидов, включающих, в основном, сложные липиды (фосфои гликолипиды), тогда как нейтральные жиры составляют очень небольшую часть биомассы. Однако с учетом более разнообразного состава жирных кислот (от С10 до С20), входящих в жирорастворимую часть бактериальных клеток, вопрос о промышленном использовании липидов бактерий может возникнуть при необходимости получения специфических жирных кислот.

Водоросли представляются очень перспективными для культивирования их в качестве липидообразователей, так как они не нуждаются в органическом источнике углерода для биосинтеза белка, углеводов и жира. Химический состав водорослей сильно зависит от условий культивирования: меняя содержание азота в среде, можно получить клетки, имеющие 58% от АСВ белка и 5% от АСВ жира или всего около 8% от АСВ белка и до 85% от АСВ жира. Однако наличие таких недостатков, как малая скорость роста и накопление в клетках токсических соединений, ограничивает их промышленное применение.

Итак, основную роль в процессе биосинтеза липидов играют различные штаммы дрожжей. Они используют те же источники сырья, что и для получения кормового белка, причем от ценности углеродного питания зависят выход биомассы, количество и состав синтезируемых липидов. Для обеспечения направленного биосинтеза липидов в питательной среде употребляются легкоассимилируемые источники азота.

На сдвиг биосинтеза в сторону образования липидов или белка влияет соотношение углерода и азота в среде. Так, повышение концентрации азота вызывает снижение липидообразования, а недостаток азота при обеспеченности углеродом ведет к понижению выхода белковых веществ и высокому процентному содержанию жира. Установлено, что оптимальное соотношение N: С тем меньше, чем труднодоступнее для дрожжей источник углерода. Обычно для углеводородного сырья соотношение N: C = 1:30, а для углеводного — 1:40. Накопление липидов возможно только при наличии в среде фосфора. При его недостатке источники углерода используются не полностью, при избытке — накапливаются нелипидные продукты. На фракционный состав липидов изменение содержания фосфора влияния не оказывает.

Воздействие остальных элементов среды (микрои макроэлементов) сказывается на интенсивности роста дрожжей и скорости утилизации источника углерода, что влияет и на количество накопленных липидов, но не на их качество.

3. Обоснование целесообразности использования микробиологического способа производства Целесообразность получения липидов биотехнологическим методом заключается в том, что полученные таким образом, они представляют собой дополнительный сырьевой источник, имеющий техническое назначение, следовательно, позволяет сэкономить сырье растительного и животного происхождения, таким образом, получение липидов (так же как и белков) микробиологическим способом позволяет решить проблему продовольственной безопасности.

Более того, если предположить, что будет найден химический (или иной) способ производства данного продукта, то наверняка окажется более затратным, поскольку только в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности. Биотехнологические процессы по сравнению с химическими обычно более экологичны, имеют меньше вредных отходов, близки к протекающим в природе естественным процессам, протекают при относительно невысоких температурах и давлениях. Как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дёшевы.

Среди биотехнологических способов наивысший выход липидов обеспечивает культивирование дрожжей рода Lipomyces lipoferus на гидролизатах торфа, являющихся дешевым и возобновляемым сырьевым ресурсом. [5]

4. Описание технологических стадий и режимов в производстве продукта Эскизная схема получения микробных липидов приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Эскизная схема получения микробных липидов.

Стадия 1. Торф подвергается кислотному гидролизу при воздействии концентрированной серной кислоты и высокой температуры (120°C) Цель гидролиза — перевести углеводы торфа в простые сахара, которые станут доступными для питания дрожжей.

Стадия 2. Охлаждение гидролизата производится водой с температурой 18 °C с целью предотвращения гибели засевных дрожжей от высокой температуры.

Стадия 3. Гидролизат торфа подвергается нейтрализации до рН=6 с помощью известкового молока, поскольку данное значение кислотности является оптимальным для жизнедеятельности дрожжей.

Стадия 4. Получение засевных дрожжей.

Под чистой культурой в производстве следует понимать 100%-ную биомассу дрожжей, рекомендуемую производству для культивирования на перерабатываемом в данный период времени сырье.

Засевные дрожжи чистой культуры приготавливаются по особому режиму, начиная от лабораторной пробирки и кончая производственным дрожжерастильным аппаратом — ферментатором.

Процесс выращивания засевных дрожжей разбивается на ряд операций, основными из которых являются:

· выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях,

· выращивание засевных дрожжей в малой и большой дрожжанках,

· выращивание засевных дрожжей в малом дрожжерастильном аппарате.

Выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях осуществляется в несколько стадий в колбах или бутылях различной вместимостью. В качестве питательной среды на всех стадиях установки истой культуры применяют нейтрализованный гидролизат. Питательную среду приготавливают в специальном аппарате, так называемом стерилизаторе-нейтрализаторе, к которому подведены воздух, известковое молоко, водная вытяжка суперфосфата. Аппарат, заполненный нейтрализованным гидролизатом, с целью стерилизации среды нагревают до 80? С и дополнительно нейтрализуется до рН 5,5 — 5,8 при непрерывном воздушном или механическом перемешивании. При этом добавляются питательные соли, водная вытяжка суперфосфата, сульфат магния, хлористый калий. Питательную среду можно употреблять после отстаивания и охлаждения. Отстаивание обычно продолжается 5 — 8 ч. Для очистки от осадка в стерилизаторе-нейтрализаторе предусмотрены декантационные устройства, а для механической выгрузки осадка из аппарата — боковой и верхние люки.

Первая стадия выращивания засевных дрожжей в производственных условиях осуществляется в малой дрожжанке общей вместимостью 500 л. Вначале в дрожжанку набирают 180 л кипяченой воды, затем подают 40 л подготовенной питательной среды. В этот субстрат засевают выращенные в лаборатории дрожжи в количестве 120 — 140 г в пересчете на прессованные, вместе со средой, на которой они выращивались. Питательная среда в малой дрожжанке должна содержать РВ в пределах 0,4 — 0,5%.

Все содержимое дрожжанки интенсивно продувается воздухом в течение 12 — 14 ч с постепенной за это время добавкой питательной среды с таким расчетом, чтобы к концу периода объем жидкости был 310 л. При выращивании поддерживается рН 4,0 — 5,5 путем подачи аммиачной воды. На первой стадии за один цикл получают 3,5 — 4,5 кг биомассы дрожжей, содержащих 75% влаги.

Вторая стадия осуществляется в больщой дрожжанке общей вместимостью 4,5 — 5 м³. Весь процесс второй стадии аналогичен процессу первой стадии: в дрожжанку подается 1300 л кипяченой воды, 200 л питательной среды, все засевные дрожжи вместе с отработанной средой с первой стадии. Процесс протекает в течение 10 — 11 ч.

Третья стадия осуществляется в малом дрожжерастильном аппарате вместимостью 12 — 15 м³. Аппарат заполняют кипяченой водой (1500 л), засевными дрожжами вместе с отработанной средой со второй стадии (2500 л) и свежей средой (500 л). Засевных дрожжей должно быть не менее 7,5 — 15% от массы РВ. Процесс протекает в течение 8 — 9 ч. За это время в малом аппарате в соответствии с режимом дозировки питательной среды накапливается 6000 л среды с содержанием в ней до 90 -100 кг биомассы дрожжей. В 1 л среды накапливается 15 — 20 г дрожжей, содержащих 75% влаги.

При накоплении этого количества дрожжей начинается непрерывный отбор по 1 — 1,5 м³/ч засевных дрожжей вместе с отработанной средой из малого аппарата в производственный дрожжерастильный аппарат, где выращиваются товарные дрожжи. Одновременно в малый аппарат подается такое же количество свежей питательной среды. Непрерывная работа малого аппарата продолжается 5 — 7 сут. На восьмые сутки следует повторить процесс выращивания чистой культуры засевных дрожжей, начиная с лабораторного размножения отобранных наиболее эффективных производственных дрожжей, полученных от первого оборота. Этим приемом повторной селекции достигается получение высокоурожайной и устойчивой в производственных условиях культуры дрожжей.

Стадия 5. Засев питательной среды. Осуществляется путем помещения засевных дрожжей в количестве 10−15% от массы среды на подготовленную питательную среду. К среде добавляют дополнительно 0,1 г/л КН₂РO_4, 0,04 г/л МgSO_4, 0,04 г/л CaCl_2. Содержание азота в среде в гидролизате достаточно.

Стадия 6. Культивирование дрожжей. Производится при температуре 30 °C, в течение 5 суток. Динамика накопления биомассы и липидов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Динамика накопления биомассы и липидов.

Х — биомассы, L — липиды, t — продолжительность ферментации, сутки.

Содержание липидов в биомассе на 4−5 сутки составляет 50% по сухому веществу. В их состав входит 5−6% фосфолипидов, 4,8−6,5% стеринов, 2,1−10,7% - моно и диглицеридов, 2,3−9,6% - свободных жирных кислот, 70,7−75,1% - триглицеридов, 1,7−2,1% - эфиров стеринов и воска.

Стадия 7 — Промывка и отделение биомассы дрожжей.

Промывка водой требуется для отделения дрожжей от гидролизата. Последующее отделение биомассы от воды и остатков гидролизата осуществляется в 2 стадии. Первая — флотация, которая позволяет сгустить суспензию до концентрации дрожжей 60−120 г/л, вторая сепарирование — при прохождении трех ступеней сепараторов дрожжевая суспензия сгущается до концентрации 400−750 г/л.

Стадия 8. Экстракция липидов из клеточной биомассы осуществляется диэтиловым эфиром. Из 1 т торфа можно получить 40−50 кг липидов.

Стадия 9. Эфир отделяется от липидов путем перегонки смеси. Перегонка осуществляется при 50 °C, поскольку такая температура обеспечит полное удаление диэтилового эфира (температура кипения которого составляет 34,6°C). После отгонки эфира получаем готовый продукт. [6]

Стадия 10. Рафинация — это процесс очистки от сопутствующих примесей. К примесям относятся следующие группы веществ: сопутствующие триглицеридам вещества, переходящие из доброкачественного сырья в процессе извлечения; вещества, образующиеся в результате химических реакций при извлечении и хранении жира; собственно примеси — минеральные примеси, частицы мезги или шрота, остатки растворителя или мыла.

Все методы рафинации делятся на: физические — отстаивание, центрифугирование, фильтрация, которые используются для удаления механических частиц и коллоидно-растворенных веществ; химические — сернокислая и щелочная рафинация, гидратация, удаление госсипола, которые применяются для удаления примесей, образующих в маслах истинные или коллоидные растворы с участием удаляемых веществ в химических реакциях; физико-химические — отбеливание, дезодорация, вымораживание, которые используются для удаления примесей, образующих в маслах истинные растворы без химического изменения самих веществ.

5. Химический состав и физико-химические свойства сырья Торф (нем. Torf) — горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Содержит 50—60% углерода.

По разным оценкам в мире от 250 до 500 млрд т. торфа (в пересчете на 40% влажность), он покрывает около 3% площади суши. При этом в северном полушарии торфа больше чем в южном, заторфованность растёт при движении к северу. В России, доля занятых торфяниками земель достигает 31,8% в Томской области (Васюганские болота) и 12,5% в Вологодской. Также большое количество залежей торфа есть в центре России (особенно в Рязанской, Московской, Владимирской областях). Из вышесказанного следует, что торф является весьма распространенным и к тому же возобновляемым источником, что делает его несомненно привлекательным для получения кормовых дрожжей. Стомость 1 т торфяных брикетов составляет 325 руб.

Гидролизаты торфа считаются перспективными источниками сырья дляполучения кормовых дрожжей. При этом наибольшее значение имеет верховой торф, содержащий в своем составе до 50% полисахаридов.

Гидролиз торфа проводят разбавленной серной кислотой (0.5−0.7%) при температуре 120 °C.

Торф, содержащий значительные количества азота и фосфора в легкоусвояемой форме, после предварительной подготовки может служить хорошим сырьем для производства кормовых дрожжей.

Химический состав и свойства торфа тесно связаны с его типом, ботаническим составом и степенью разложения. Элементный состав (% на органическую массу): С — 48−65%, О — 25−45%, Н — 4,7−7%, N — 0,6−3,8%, S до 1,2%, реже до 2,5%. В компонентном составе органической массы содержание битумов (бензольных) 1,2−17 (максимум у верхового торфа высокой степени разложения), водорастворимых и легкогидролизуемых веществ 10−60 (максимум у верхового торфа моховой группы), целлюлозы 2−10, гуминовых кислот 10−50 (минимум у слаборазложившихся верховых и максимум у сильноразложившихся торфов всех типов), лигнина (негидролизуемый остаток) 3−20. Содержание макрои микроэлементов в торфе зависит от зольности и ботанического состава. Содержание в торфе оксидов достигает (средний %): Si и Ca — 5, Al и Fe 0,2−1,6, Mg 0,1−0,7, R 0,05−0,14; микроэлементов (мг/кг): Zn до 250, Cu 0,2−85, Со и Mo 0,1−10, Mn 2−1000. Максимальное содержание этих элементов выявлено в торфе низинного типа. Содержание общего азота в органической массе торфа варьирует от 0,6 до 2,5% (верховой тип) и от 1,3 до 3,8% (низинный тип).

Вспомогательные материалы.

Известковое молоко. Известковое молоко представляет собой суспензию гидроксида кальция в воде. По хизико-химическим показателям должен соответствовать нормам, указанным в таблице 3.

Таблица 3 — Физикохимические показатели гидроксида кальция (ч.д.а)

Серная кислота. В дрожжевом производстве применяют серную кислоту техническую контактную улучшенную (ГОСТ 2184—67) и аккумуляторную (ГОСТ 667—73) с содержанием моногидрата 92,5 — 94,0%, мышьяка не более 0,0001%.

Суперфосфат калия.

Дигидроортофосфат калия (дигидрофосфат калия, монофосфат калия) — калиевая соль ортофосфорной кислоты; порошок белого цвета плотностью 2,34 г/см?.

При температуре 252,6° разлагается: KH2PO4 = KPO3 + H2O.

Растворимость в воде следующая: при 20 °C в 100 мл растворяется 22,6 г, при 90 °C — 83,5.

Однозамещённые ортофосфаты используются при производстве фосфорных удобрений, в фармацевтической промышленности. Кристаллы однозамещённых ортофосфатов — ценные сегнетои пьезоэлектрические материалы.

Монофосфат калия используется в качестве фосфорного и калийного удобрений в растворённом виде для корневых и внекорневых подкормок.

Дигидрофосфат калия используется при приготовлении фосфатного буфера.

Физико-химические показатели суперфосфата калия приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Физико-химические показатели суперфосфата калия (ч)

Сульфат магния (сернокислый магний) MgSO4 — бесцветные кристаллы плотностью 2, 66 г/см3.

Растворимость в воде составляет 33, 7 г. в 100 г. воды при 20 °C. Насыщенный раствор кипит при 108 °C и содержит 75 гр. MgSO4 на100 гр. воды. Криогидратная точка — 3, 9 °C (при 17, 0% MgSO4).

Сульфат магния образует кристаллогидраты с 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 12 молекулами воды. При комнатной температуре из водных растворов кристаллизуется MgSO4. 7H2O давно известной под названием горькой или английской соли, употребляемой как слабительное. Легко получается из магния и серной кислоты, выделяется при испарении морской воды и воды многих солёных источников. Кристаллы MgSO4. 7H2O имеют орторомбическую (гр. оrthos прямой, правильный) решётку, а = 11, 94 ?, b = 12, 03 ?, с = 6,865? плотностью 1, 68 г/см3.

При температуре выше 48 °C получается MgSO4. 6H2O, который в интервале 87 — 92 °C плавится с образованием метастабильныхMgSO4. 5Н2О и MgSO4. 4Н2О. Твёрдый MgSO4. 4Н2О при 106 °C переходит в MgSO4. 3Н2О, а последний при 122 — 124 °C — в MgSO4.2Н2О, который при 161 — 169 °C превращается в MgSO4. Н2О. Из водных растворов стабильный моногидрат кристаллизуется выше 67, 5 °C. Таким образом, между водой и MgSO4 может существовать несколько определённых более или менее устойчивых равновесий.

Обезвоживание моногидрата наблюдается при 320 — 330 °C. Безводный MgSO4 при 1100 — 1200 °C разлагается с заметной скоростью на MgO, SO2, и О2. В присутствии восстановителей (C, S, H2, CO, CH4) температура термического восстановления снижается. Известны основные соли сульфата магния: MgSO4. 3MgO. 11H2O; MgSO4. 5MgO. 8H2O.

Одна из особенностей солей магния образовывать двойные соли с солями аммония. Если смешать насыщенные растворы MgSO4 и (NH4)2SO4, то осаждается кристаллическая двойная соль Mg (NH4)2(SO4)2. 6H2O. Даже раствор NH4Cl даёт с MgSO4 эту соль. Её удельный вес 1, 72 г/см3. В производстве дрожжей используется сульфат магния отвечающий требованиям ГОСТ 4523–77.

Хлорид кальция. Хлоримд камльция, CaCl2 — кальциевая соль соляной кислоты. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E509. Считается безвредным (как добавка). Бесцветные кристаллы плотностью 2,51 г/см?, tпл 772 °C. Обладает высокими гигроскопическими свойствами. Растворимость (г на 100 г H2O): 74 (20 °C) и 159 (100 °C). Водные растворы хлорида кальция замерзают при низких температурах (20%-ный — при ?18,57 °C, 30%-ный — при ?48 °C).

Кристаллогидраты хлорида кальция

CaCl2 образует гидрат CaCl2· 6H2O, устойчивый до 29,8 °C; при более высоких температурах из насыщенного раствора выпадают кристаллогидраты с 4, 2 и 1 молекулами H2O. При смешении CaCl2*6H2O (58,8%) со снегом или льдом (41,2%) температура понижается до —55 °C (криогидратная точка). В производстве дрожжей приеняется хлорид кальция, отвечающий требованиям ГОСТ 450–77. Воздух. В дрожжевом производстве для аэрации бродящей жидкости используется большое количество воздуха, который может содержать значительное количество микроорганизмов (до нескольких тысяч в 1 м³). В связи с этим забор воздуха должен производиться выше конька крыши завода. Воздух необходимо очищать фильтрами и охлаждать. Недостаточная очистка воздуха, подаваемого на производство, может явиться причиной увеличения численности бактерий в культуральной жидкости. Воздух производственных помещений, обычно обсемененный бактериями и дрожжевыми клетками, служит причиной попадания микроорганизмов в производственные среды и готовую продукцию.

6. Расчет теоретического выхода целевого продукта

Cубстрат — гидролизат торфа Примем, что основным углеродсодержащим компонентом является сахароза

(С₁₂Н₂₂О₁₁), Мr=342г/моль Формула С — моля сахарозы — CH_1,8O_0,9,

Mr С — моля сахарозы = 12+1,8+14,4=28,2 г/моль Формула С — моля биомассы ;

CH_1,8O_0,5N_0,2 (формула Стоут — Хамера)

Mr С — моля = 12+1,8+0,5* 16+0,2* 14=24,6 г/моль Продукты метаболизма — СO₂, Н₂O

Теоретический выход продукта (биомассы дрожжей):

Y = (Mr С — моля биомассы/ Mr С — моля субстрата)* 100% =

= (24,6 /28,2)*100%=87%

Стехиометрическое уравнение процесса в общем виде:

х_S[S]+ х₀₂[O₂]+ х_N[NH₃]> x + х_CO2[CO₂]+ х_H2O[H₂O]

Выход дрожжей с 1 кг гидролизата торфа (содержание сахарозы 46%) составляет 100−120 г.

Количество потребленной сахарозы:

G_S = 460 г Количество образовавшейся биомассы дрожжей:

G_X = 120 г Разделим данные величины на соответствующие Mr:

G_S/Mr=460/28,2=16,3 моль

G_X/ Mr=120/24,6=4,87 моль Пересчитаем коэффициенты на С — моль биомассы:

Получим уравнение: 3,83[S]>x+0.5[P]

Найдем из системы уравнений элементарных балансов другие стехиометрические коэффициенты.

С: х_S*m_S = l + х_CO2

Н: х_S*n_s+ х_NH3*3 = 1,8+ х_H2O*2

О: х_S*p_S+ х_O2*2 = 0,5+ х_CO2*2+ х_H2O

N: х_S*q_s+ х_NH3 = 0,2

Для сахарозы С₁₂H₂₂O₁₁:

m_S = 12

n_S = 22

p_S = H

q_S = 0

C: 3.83*12 = 1 + х_CO2

H: 3.83*22+ х_NH3*3 = l, 8+ х_H2O*2

O: 3.83*11+ х_O2*2 = 0,5+ х_CO2*2+ х_H2O

N: 3.83*0+ х_NH3 = 0,2

Из (1): х_CO2 = 45

Из (4): х_NH3 = 0,2

Из (2): х_H2O = 41.53

Из (3): х_O2= 44.95

Стехиометрическое уравнение примет вид:

3.83[С₆Н₁₂О₆]+ 44.45[О₂]+ 0,2[NH₃] > CH_1,8O_0,5N_0,2 + 45[СO₂]+ 41.53 [Н₂O]

7. Применение микробных липидов в пищевых производствах Микробные липиды имеют в основном техническое назначение, а именно: используются для производства корма для скота, в косметической и фармацевтической промышленности. Но попутно с микробными липидами могут синтезироваться в зависимости от штамма продуцента и условий культивирования жирорастворимые витамины А, D, E, которыми обогащаются продукты функционального питания. Кроме того, в дрожжах накапливаются липолитические ферменты, которые могут быть использованы в кондитерской промышленности.

В производстве шоколада, карамели, ириса, сливочного крема применяют липазы. Под действием липаз образуются свободные жирные кислоты, которые усиливают аромат полученных сахаристых изделий. При низких уровнях свободных жирных кислот аромат изделий усиливается, но новые ароматы не образуются; средний уровень свободных жирных кислот придает аромат масла; высокий — аромат сыра. Подобные ароматические вещества могут быть получены путем модификации масел или жиров с применением препаратов липаз различного происхождения (животных, микробных, растительных).

липид пищевой микробный жир

Список используемых источников

1. Рогов И. А. Пищевая биотехнология. Кн.1: Основы пищевой биотехнологии: учебник / И. А. Рогов, Л. В. Антипова, Г. П. Шуваева. — М.: КолосС, 2004. — 439 с

2. Бирюков В. В. Основы промышленной биотехнологии: учебное пособие для вузов / В. В. Бирюков. — М.: КолосС, 2004. — 296 с.

3. Клунова С. М. Биотехнология: учеб. пособие для вузов / С. М. Клунова, Т. А. Егорова, Е. А. Живухина. — М.: Академия, 2010. — 207 с.

4. Рогов И. А. Пищевая биотехнология. Кн.1: Основы пищевой биотехнологии: учебник / И. А. Рогов, Л. В. Антипова, Г. П. Шуваева. — М.: КолосС, 2004. — 439 с.

5. Интернетресурс http://www.biotechnolog.ru/prombt/prombt7₁.htm

6. Боборенко Э. А. Получение и выделение дрожжей / Э. А. Боборенко // - М.: Лесная промышленность, 1970 — 300 с.

Глоссарий Биомасса — клеточная масса, образующаяся в результате жизнедеятельности живых организмов (или органическое вещество, которое может использоваться как источник энергии или химических соединений).

Витамины — низкомолекулярные органические соединения, присутствующие в живых клетках в низких концентрациях и являющаяся компонентами энзимотических систем (ферментов), ответственных за различные биохимические реакции, а также являющиеся продуктами метаболизма (микробного синтеза) некоторых микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов — процесс выращивания микроорганизмов на питательной среде, в результате которого происходит размножение и накопление биомассы микроорганизмов и продуктов метаболизма микроорганизмов.

Липиды — (от греч. лЯрпт, lipos — жир) — широкая группа органических соединений, включающая жирные кислоты, а также их производные, как по радикалу, так и по карбоксильной группе.

Липолитические ферменты — ферменты, разлагающие жиры (триглицериды).

Микробиологический синтез — промышленный способ получения химических соединений и продуктов, осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток.

Посевной материал — биомасса клеток биологического агента в виде чистой культуры, небольшое количество которой требуется для биотехнологической стадии.

Рафинация — это процесс очистки от сопутствующих примесей. К примесям относятся следующие группы веществ: сопутствующие триглицеридам вещества, переходящие из доброкачественного сырья в процессе извлечения; вещества, образующиеся в результате химических реакций при извлечении и хранении жира; собственно примеси — минеральные примеси, частицы мезги или шрота, остатки растворителя или мыла.

Редуцирующие вещества (РВ) — часть сухих веществ сахаров, которая способна к реакции окисления солями поливалентных металлов. К такой реакции способны альдегидные и кетонные (карбонильные) группы различных Сахаров (глюкозы, фруктозы, мальтозы, лактозы и т. п.)

Торф (нем. Torf) —горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот.

Субстрат — Питательная среда для прикрепленных к ней организмов.

Среды питательные — субстанции, содержащие различные вещества, необходимые для размножения и роста микроорганизмов и культур клеток Флотация — (франц. flottation, англ, flotation, букв.- плавание на поверхности воды), разделение мелких твердых частиц и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость — газ (очень редко твердые частицы — жидкость).

Экстрамкция (от лат. extraho — извлекаю) — процесс извлечения вещества из раствора с помощью подходящего растворителя, который не смешивается с раствором, но в котором вещество растворяется лучше, чем в первом растворителе.