Вітаміни

На сьогодні за допомогою мікробного синтезу одержують такі вітаміни, як деякі вітаміни групи В: В₁₂, В₂, каротиноїди, вітамін D та ін.

Вітамін В ₁₂ (цианкобаламін). Особливістю вітаміну В₁₂ порівняно з іншими вітамінами групи В, є його синтез лише за участю мікроорганізмів. Молекула вітамину В₁₂складається з 2-х частин: кобальтвмісної і нуклеотидної.

У тканинах тварин концентрація вітаміну низька (у печінці бика 1 мг/кг) для того, щоб використовувати це джерело з промисловою метою. Хімічний синтез досить складний.

Синтезувати вітамін В₁₂ здатні оцтовокислі та пропіоновокислі бактерії, гриби. Найбільше промислове значення мають Propionibacterium і Pseudomonas (P. denitrificans).

Концентрат вітаміну В₁₂ призначений для збагачення кормів тварин. Для збагачення кисломолочних продуктів вітаміном В₁₂ використовують як біомасу пропіоновокислих бактерій, так і концентрат, приготовлений на молочній сироватці.

Вітамін В ₂ (рибофлавін) у незначних кількостях виділяють із природної сировини. Найбільші кількості містяться в моркві та печінці тріски. Із 1 т моркви одержують 1 г вітаміну, із 1 т печінки – 6 г.

Рибофлавін вперше був виділений у кристалічному вигляді в 1933 р. Продуцентами даного вітаміну є дріжджі, міцеліальні гриби і бактерії. Найбільш активні продуценти – гриби роду Eremothecium. Культивування проводять глибинним способом при добрій аерації. Максимальне накопичення вітаміну відбувається одночасно з максимумом накопичення біомаси на 2-гу добу, причому синтез рибофлавіну починається лише після фази інтенсивної асиміляції цукру.

Вітаміном В₂ збагачують деякі сорти білого хліба, його використовують для забарвлення харчових продуктів в оранжево-жовтий колір.

Каротиноїди – це попередники вітаміну А, серед яких найбільш активний b-каротин. В організмі людини каротиноїди не синтезуються, тому повинні надходити зовні. В печінці каротин перетворюється у вітамін А.

Продуцентами каротиноїдів можуть бути гриби і дріжджі. У промисловості b-каротин найчастіше одержують за допомогою міцеліальних грибів роду Blakeslea. Культивування проводять як поверхневим, так і глибинним способами на поживних середовищах складного складу. Під час ферментації середовище інтенсивно аерують. Утворення каротиноїдів у культурі мікроорганізмів не йде паралельно з утворенням біомаси. Інтенсивний синтез каротиноїдів починається, коли в середовищі вичерпаний весь азот, а ріст культури зменшується. В якості стимуляторів у поживні середовища додають екстракти цитрусових і дріжджів.

b-каротин використовують при виготовленні харчових продуктів як барвник. Його застосовують в технології ковбас з метою заміни нітриту натрію і забезпечення високої інтенсивності та стійкості кольору. Використовують при виробництві льодяників, харчових паст, кексів та інших кондитерських виробів. У багатьох країнах b-каротин застосовують для підфарбовування вершкового масла. Нагрівають до 30 °С, додають b-каротин, який при такій температурі добре розчиняється в маслі. В Італії каротиноїди використовують у виробництві макаронних виробів.

b-каротин застосовується для стабілізації кольору м´яса охолодженого і замороженого в тушах. З цією метою розчин b-каротину наносять на поверхню м´яса. Крім того, b-каротин володіє антиокислювальними властивостями, які використовують для продовження терміну зберігання продукту.

Таким чином, вітаміни, синтезовані мікроорганізмами, використовують не лише для підвищення харчової цінності продуктів харчування, але також в якості антиоксидантів, барвників і стабілізаторів кольору.

8.4. Полісахариди

Полісахариди – біополімери, високомолекулярні сполуки, які є для клітин резервними речовинами і синтезуються в специфічних умовах незбалансованого росту. Такими умовами, як правило, являються надлишок вуглеводного та енергетичного субстратів у середовищі та дефіцит окремих мінеральних елементів (азоту, фосфору, сірки, магнію і т.д.), які лімітують синтез азотвмісних компонентів і швидкість росту клітин.

Полісахариди (глікани) – полімери, побудовані не менш ніж із 11 моносахаридних одиниць. Ці сполуки є обов'язковими компоненетами всіх організмів, вони присутні як ізольовано, так і в комплексах із білками, ліпідами, нуклеїновими кислотами.

Полісахариди різноманітні за будовою, локалізації в клітинах і за своїми фізико-хімічними властивостями. Особливо різноманітні полісахариди, які синтезуються мікроорганізмами. Мікробні полісахариди поділяють на внутрішньоклітинні, локалізовані в цитоплазмі, та позаклітинні – полісахариди слизу, капсул, чохлів. Більшість полісахаридів біологічно активні та підвищують стійкість мікроорганізмів до вірусних та бактеріальних інфекцій, володіють протипухлинною дією, а також антигенною специфічністю. Тому вони знаходять все більш ширше використання в медицині та фармацевтичній промисловості в якості діагностикумів, замінників плазми крові та ін.

Надзвичайно широкі перспективи використання полісахаридів у зв'язку з їх гелеутворюючими та реологічними властивостями в якості згущувачів сиропів, для пакування продуктів тощо. Водні розчини окремих полісахаридів надзвичайно стабільні у широких межах рН і температури, тому знаходять використання при добуванні газу та нафти. Можливості полісахаридів розкриті далеко не повністю, тому їх вивчення веде до розширення сфери використання.

Більшість мікроорганізмів синтезують полісахариди із різних джерел вуглецю, які забезпечують їх ріст, – вуглеводів, спиртів, карбонових кислот, С₁-сполук. Природа та концентрація вуглецевого джерела в середовищі суттєво впливає на утворення полісахаридів, що полягає в утворені глікозидного зв'язку між моносахаридними одиницями (рис. 8.7); при цьому глікозильний донор передає глікозил на акцептор-затравку, звільняючись при цьому.

Акцепторами служать олігоцукри, у ряді випадків – недобудований полісахарид – «затравка». Полімеризація йде до утворення готового полісахариду за участю специфічних глікозилтрансфераз, які відщеплюють фрагменти лінійного ланцюга недобудовного глікана і переносять їх на той же чи аналогічний ланцюг у визначеному положенні.

Синтез полісахаридів визначається умовами культивування продуцента та складом поживного середовища, які визначають можливість та інтенсивність їх утворення, а також склад, структуру і, відповідно, властивості.

Рис. 8.7. Схема утворення глікозидного зв'язку.

Суттєве значення мають не тільки якісний склад вуглецевої сировини, яка використовується, але і концентрація, так як ефективний синтез полісахаридів здійснюється на середовищах із високим вмістом вуглецевого субстрату. Кількість та форма джерела азоту, не впливаючи на склад полісахаридів, чинить вплив на швидкість росту мікроорганізмів та кількісний вихід полісахаридів. Суттєвою також є роль фосфатів та іонів марганцю, магнію, кальцію, які являються кофакторами синтезу полісахаридів. рН та температура середовища впливають на накопичення гліканів по-різному. Суттєвим є достатній рівень аерації культури.

Виробництво полісахаридів є специфічним для кожного і визначається природою, локалізацією, властивостями та галуззю використання гліканів і, безумовно, фізіологічними особливостями продуцента. Ефективнішим є одержання внутрішньоклітинних екзополісахаридів, так як їх концентрація є вищою, менше проблем на стадії виділення та очищення, однак у ході ферментації виникають труднощі із транспортом кисню із газової фази у рідку (при підвищенні екскреції гліканів у середовище його в'язкість зростає). Наслідком цього є зниження росту клітин та затримання продукування полісахаридів. Тому середовище доводиться розбавляти у десятки разів і після видалення клітин продуцента – концентрувати.

Спектр промислових продуцентів та полісахаридів, які випускаються, досить різноманітний (табл. 8.1). Ведучими країнами-виробниками полісахаридів є США, Франція (ксантан, курдлан), Росія (декстран), Японія (пуллан, курдлан).

Таблиця 8.1

Промислові мікробні полісахариди (по Gruger, 1984)

Полісахарид	Продуцент
Ксантан Альгінат Курдлан Склероглюкан Пуллан Декстран	Xanthomonas campestris Pseudomonas aeruginoza, Azotobacter vinelandii Alcaligenes Sclerotium glucanicum, S. delphinii, S. rolfsii Pullularia pullulans Acetobacter sp., Leuconostoc mesenteroides, L. dextranicum, Streptococcus mutans

Декстран. Продуцентами декстранів є штами Leuconostoc mesenteroides, які ростуть на середовищі із високим вмістом сахарози (10-30 %), декстраном-«затравкою», дріжджовим екстрактом та мінеральними солями. Залежно від складу мінеральних солей та природи «затравки» синтезуються високомолекулярні (60-80 тис.) лінійні чи ті, які мають низьку молекулярну масу (20-30 тис.) розгалужені декстрани. Останні володіють найбільшою біологічною активністю. Із декстранів випускають плазмозамінники (клінічний декстран, поліглюкін, плазмодекс, хемодекс та ін.).

Типовий приклад ферментації – глибинна періодична культура, яка реалізується на першому етапі з метою утворення біомаси продуцента при надлишку цукрів та рН 6,5-8,0. Синтез декстрансахарози, який веде до утворення гліканів, найбільш інтенсивний при рН близько 7,0. Крім іонів магнію синтез декстранів стимулюється при заміні сахарози мелясою. Бактерії розчеплюють сахарозу з утворенням глюкози і фруктози. Остання зброджується по гетероферментативному шляху з утворенням молочної та оцтової кислот, маніту та вуглекислоти. Глюкоза швидко полімеризується в декстран. Процес завершується через 24 год. Виділення декстрану із культури проводять метанолом, для наступної очистки – багаторазово розчиняють у воді, переосаджують метанолом та фракціонують.

Декстрансахароза є екзоферментом, і її концентрація в культуральному середовищі значна. Тому можливий процес одержання полісахариду на основі розчинного ферменту. Культуральна рідина із декстрансахарозою при рН близько 5,0 та температурі 15 °С здатна близько 1 місяця проявляти високу ферментативну активність.

Реалізований процес на основі культурального середовища із ферментом, яке містить сахарозу та декстран-«затравку», – процес полімеризації завершується протягом 8 год. Цей спосіб значно спрощує процедуру ферментації та стадію виділення і очищення декстрану, і дозволяє у контрольованих умовах одержати продукт заданої молекулярної маси. Перспективи має також процес на основі іммобілізованої декстрансахарази. В середині 90-х років розпочато випуск кон´югатів модифікованого декстрану з ферментом стрептокіназою. Преперат являє собою пролонговану декстраном форму стрептокінази.

Ксантан. Ксантан, який продукується бактеріями Xanthomonas campestris, володіє унікальними реологічними властивостями. У низьких концентаціях утворює дуже в'язкі розчини і володіє псевдопластичністю; його розчини не змінюють свої реологічні властивості при зміні температури, рН, соленості в широких межах. Стуктурна формула ксантану наведена на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Структурна формула ксантану.

Ксантан використавують у харчовій промисловості в якості стабілізуючого агента при приготуванні деяких сортів сиру, для поліпшення смакових властивостей консервованих і заморожених продуктів, приправ, соусів, кремів, фруктових напоїв, при виготовленні хліба з низьким вмістом клейковини. З використанням ксантану розроблено також пакувальні матеріали для харчових продуктів. Об'єми виробництва ксантану – найбільш крупнотонажні, порівняно із іншими гліканами. Товарна назва продукту, який випускається – ксантан, келцан, келтрол.

Одержують ксантани в умовах періодичної глибинної культури на середовищах, які містять 1-5 % вуглеводів (кукурудзяний крохмаль, цукор-сирець, чи меляса), а також органічні сполуки азоту, двозаміщений фосфорнокислий калій, мікроелементи. Ферментація триває протягом 3 діб при 28 °С та рН 6,5-7,2 у дві фази: на першій відбувається ріст клітин та накопичення біомаси, на другій (при дефіциті азоту в середовищі) – відбувається утворення полісахариду. Осаджують полісахариди в культуральній рідині метанолом, одержаний осад висушують.

Альгінат. Даний полісахарид раніше виділяли із морської водорості Laminaria. Хімічна формула альгінату – (С₁₂Н₁₄О₁₂Х)n, де Х – це Са, Nа, К і т.д.

Альгінат володіє за певних умов чудовими гелеутворюючими, а також псевдопластичними властивостями у широкому діапазоні рН та температур, та використовується у кондитерській промисловості. Встановлено, що альгінат є кращим носієм для іммобілізації ферментів і, особливо, цілих клітин. Порівняно недавно серед бактерій ідентифіковані продуценти полісахариду, близького альгінату (Pseudomonas aeruginoza, Azotobacter vinelandii). Процес реалізований у промисловості на середовищах із надлишком вуглецю. Змінюючи концентрацію фосфату в середовищі, можна впливати на молекулярну масу полімеру, який синтезується, а при зміні концентрації кальцію змінюється співвідношення моносахаридів, які входять до складу даного глікану, і, відповідно, його властивості.

Курдлан. Бактерії Alcaligenes faecalis штам 10С3 синтезують курдлан, який являє собою полімер глюкози. Важлива властивість даного полісахариду – утворення термічностійких гелів. При нагріванні більше 64 °С відбувається гелеутворення курдлану; пружність гелю не змінюється в діапазоні температур 60-80 °С і помітно зростає при збільшенні температури до 120 °С, при цьому одинична спіраль переходить у потрійну. Курдлан нерозчинний у холодній воді. Хімічна формула курдлану – (С₆Н₁₀О₅)_n.

Ферментація проходить у глибинній періодичній культуріпротягом 80 год на середовищах, які містять 8 % глюкози; вихід полісахариду становить близько 40 г/л. У зв'язку із різноманітними властивостями даного продукту технологія його одержання інтенсивно удосконалюється.

Курдлан володіє протипухлинною активністю, тому використовується в медицині. Ацетильні похідні курдлану використовують в якості основи ультрафільтраційних напівпроникних мембран для розділення речовин з молекулярною масою 200-2000.

Пулулан. Полісахарид продукується мікроміцетом Aиerobasidium pullulans на середовищах, які містять 50 % глюкози протягом 80-100 год. В'язкість пулулану залежить від рН середовища: вона мінімальна при рН 4,0, молекулярна маса при цьому становить близько 200 тис., при збільшенні рН молекулярна маса збільшується. Пулулан використовують у якості біоруйнівного пакувального матеріалу для харчових продуктів; він володіє також антиокиснювальними властивостями.

Склероглюкан. Склероглюкан (товарна назва – політран) синтезують мікроміцети роду Sclerotium. Синтез даного полісахариду, на відміну від багатьох інших, максимальний на ранній лаг-фазі 48 год. культури. Процес розроблений на середовищах із глюкозою, у тому числі в проточному режимі, вихід полісахариду від асимільованої глюкози становить 50 %. За низьких концентрацій (1,5 % розчини) утворюють у воді пружні гелі, які не змінюють своїх властивостей в широкому інтервалі температур. Використовують у якості покриття насіння, пестицидів, а також при виготовленні латексів та барвників.

Задачею біотехнології є удосконалення мікробіологічних процесів одержання полісахаридів з використанням ефективних штамів-продуцентів, при розширенні сировинної бази за рахунок заміни дороговартісних цукрів більш доступними субстратами, а також модифікація фізико-хімічних властивостей самих гліканів.

Контрольні запитання

1. Які органічні кислоти використовують у харчовій промисловості, з якою метою?

2. Порівняйте біотехнологію одержання лимонної та молочної кислот.

3. У чому полягають переваги органічних кислот, одержаних мікробіологічним синтезом?

4. Назвіть продуцентів оцтової кислоти.

5. Які основні параметри культивування продуценту лимонної кислоти?

6. Як здійснюють ферментацію з метою одержання глюконової кислоти в промислових масштабах?

7. Які амінокислоти використовують у харчовій промисловості?

8. Яка мета застосування глютамінової кислоти та її солей у харчових технологіях?

9. Які амінокислоти використовують як поліпшувачі органолептичних показників м´ясних продуктів?

10. Які вітаміни, одержані мікробним синтезом, використовують у харчовій галузі і з якою метою?

11. Охарактеризуйте мікробіологічні процеси одержання полісахаридів.

12. Назвіть галузі використання полісахаридів у харчовій промисловості.

9. ГЕННО-МОДИФІКОВАНІ ДЖЕРЕЛА ХАРЧОВОЇ ПРОДУКЦІЇ

Можливості генетичної інженерії дозволяють створювати генетично модифіковані джерела харчової продукції. Рослини, тварини, мікроорганізми, одержані за допомогою генно-інженерної біотехнології, називають генетично зміненими, а продукти їх переробки – трансгенними харчовими продуктами, або генетично-модифікованими організмами (ГМО).