Производство витаминов

Витамины (от лат vita – жизнь) – «амины жизни» – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в малых количествах, обеспечивают нормальное протекание биохимических процессов. Витамины – незаменимые факторы питания.

Изучение физиологии и генетики микроорганизмов – продуцентов витаминов, выяснение путей биосинтеза каждого из них позволили создать теоретические основы получения микробиологическим способом практически всех известных витаминов. Однако биотехнологическими методами целесообразнее производить лишь особо сложные по строению витамины: В₂, В₁₂, β-каротин и предшественники витамина D. Остальные витамины либо выделяют из природных источников, либо синтезируют химическим путем.

Получение витамина В₂ (рибофлавин). Вплоть до 30-х годов прошлого столетия рибофлавин выделяли из природного сырья. В наибольшей концентрации он присутствует в моркови и печени трески. Из 1 т моркови можно изолировать лишь 1 г рибофлавина, а из 1 т печени – 6 г. В 1935 г. обнаружен активный продуцент рибофлавина – гриб Eremothecium ashbyii, способный при выращивании на 1 т питательной смеси синтезировать 25 кг витамина В₂. Сверхсинтеза рибофлавина добиваются действием на дикие штаммы мутагенов, нарушающих механизм ретроингибирования синтеза витамина В₂, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В₂ – розеофлавину.

Технология получения. В состав среды для роста продуцентов витамина В₂ входят соевая мука, кукурузный экстракт, сахароза, карбонат кальция, хлорид натрия, гидрофосфат калия, витамины, технический жир. Грибы чувствительны к изменению состава среды и подвержены инфицированию. Перед подачей в ферментер среду подвергают стерилизации, добавляя к ней антибиотики и антисептики.

В качестве посевного материала используют споры Е. ashbyii. Процесс ферментации грибов для получения кормового рибофлавина длится 3 суток при температуре 28 – 30 °С. Концентрация рибофлавина в культуральной жидкости может достигать 1,4 мг/мл. По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют в вакууме, высушивают на распылительной сушилке (влажность 5 – 10 %) и смешивают с наполнителями.

Методами генной инженерии сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillus subtilis, характеризующийся увеличенной дозой оперонов, которые контролируют синтез рибофлавина и способный синтезировать втрое больше по сравнению с Е. ashbyii количество рибофлавина за 40 ч ферментации.

Получение витамина В₁₂. Витамин В₁₂ открыт в 1948 г. одновременно в США и Англии. Первоначально витамин В₁₂ получали исключительно из природного сырья, но из 1 т печени можно было выделить всего лишь 15 мг витамина. В 1972 г. в Гарвардском университете был осуществлен химический синтез предшественника витамина В₁₂. Химический синтез корнестерона – структурного элемента корринового кольца витамина, включающий 37 стадий, в крупных масштабах не воспроизведен из-за сложности процесса. 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.

Единственный способ получения витамина В₁₂ в настоящее время – микробиологический синтез. Его продуцентами являются прокариоты и, прежде всего, пропионовые бактерии, которые и в естественных условиях образуют этот витамин. Выделено 14 видов пропионовокислых бактерий, продуцирующих витамин В12. Мутанты Propionibacterium shermanii и Pseudomonas denitrificans продуцируют в жидкой среде до 58 – 59 мг/л цианкобаламина.

Технология получения. Для получения высокоочищенных препаратов витамина В₁₂ пропионовокислые бактерии культивируют периодическим способом без доступа кислорода на средах, содержащих глюкозу, казеиновый гидролизат, витамины, неорганические соли, хлорид кобальта. Уровень рН ферментационной среды поддерживают около 7,0 добавлением NH₄OH; продолжительность ферментации 6 суток; через 3 суток в среду добавляют 5,6-диметилбензимидазол. Добавление в среду предшественника 5,6-диметилбензимидазола по окончании первой ростовой фазы (5 – 6 суток) стимулирует быстрый (18 – 24 ч) синтез витамина с выходом последнего до 30 мг/л.

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 ^оС, в присутствии стабилизатора (0,25 % раствор натрия нитрита), Экстракция протекает в течение часа, после чего водный раствор охлаждают, нейтрализуют раствором едкого натрия, 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 ^оС из в одноацетонового раствора.

При реализации данного биотехнологического процесса не забывать о высокой светочувствительности витамина В₁₂, поэтому все операции необходимо проводить в затемненных условиях (или при красном свете).

Получение β-каротина. β-Каротин – это изопреноидные соединения, из одной молекулы β-каротина при гидролизе образуются две молекулы витамина A. Каротиноиды можно выделить из ряда растительных объектов – моркови, тыквы, облепихи, люцерны, а также они синтезируются многими пигментными микроорганизмами из родов Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter, Fusarium, Halobacterium, Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces и др. Характерно, что содержание β-каротина у микроорганизмов во много раз превышает содержание этого провитамина у растений. Так, в 1 г моркови присутствует всего 60 мкг, в то время как в 1 г биомассы гриба Blaneslea trispora – 3 – 8 тыс. мкг.

Каротиноиды локализуются в виде сложных эфиров и гликозидов в клеточной мембране микроорганизмов, либо в гранулах цитоплазмы.

Технология получения. Питательные среды для производства β-каротина включают источники углерода, азота, витаминов, микроэлементов, специальных стимуляторов (кукурузно-соевая мука, растительные масла, керосин, -ионон или изопреновые димеры). В качестве продуцентов каротиноидов можно использовать бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы. Более часто применяют зигомицеты Blakeslea trispora и Choanephora conjuncta. При совместном культивировании штаммы этих видов могут образовать 3 – 4 г каротина на 1 л среды. Па первом этапе получения каротиноидов штаммы культивируют раздельно, а затем – совместно при 26 ^оС и усиленной аэрации с последующим переносом в основной ферментатор. Длительность ферментации – 6 – 7 дней. Каротиноиды извлекают ацетоном или другим неполярным растворителем. В целях очистки и более тонкого разделения используют методы хроматографии. Витамин A из β-каротина сравнительно легко можно получить при гидролизе.

Получение витамина D₂. Витамин D – это группа родственных соединений, в основе которых находится эргостерин, который обнаружен в клеточных мембранах эукариот. Содержание эргостерина в дрожжевых клетках колеблется в пределах 0,2 – 11 %. Кроме дрожжей продуцентами эрогостерина могут быть мицелиальные грибы – аспергиллы и пенициллы, в которых содержится 1,2 – 2,2 % эргостерина. 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).

Технология получения. В качестве продуцентов эргостерина микробиологическим способом используют культуры дрожжей, которые получают на средах, обеспечивающих полноценное развитие клеток. Основная среда содержит источник углерода и пониженное количество азота (высокое значение C/N), обогащается ацетатом (активатором биосинтеза стеринов). Культивирование дрожжей проводят при температуре, близкой к оптимальной для конкретного штамма, и выраженной аэрации. Спустя 3 – 4 суток, в зависимости от ростовых характеристик и биосинтетической активности культуры, клетки сепарируют и подвергают вакуум-высушиванию. Затем сухие дрожжи облучают ультрафиолетовыми лучами – УФЛ (длина волны 280 – 300 нм) в течение оптимального по продолжительности времени. Облучение дрожжей можно проводить до сепарирования клеток в тонком слое 5 % суспензии, учитывая малую проникающую способность УФЛ.

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 в 1 г.

В случае получения кристаллического витамина D₂ клетки продуцента гидролизуют соляной кислотой при 110 ^оС, затем температуру снижают до 75 – 78 ^оС и добавляют этанол. Спиртовой экстракт упаривают до 70 %-го содержания сухих веществ. Полученный «липидный концентрат» обрабатывают раствором едкого натрия. Эргостерин кристаллизуется из неомыленнной фракции концентрата при 0 ^оС. Его очищают повторной перекристаллизацией. Кристаллы высушивают, растворяют в серном эфире, облучают УФЛ, эфир отгоняют, раствор витамина D₂ концентрируют и кристаллизуют.

8.1.3. Производствоорганических кислот

Получение лимонной кислоты. Лимонная кислота впервые была выделена из сока лимона и перекристаллизована Шееле. В лимонах содержится 7 – 9 % этой кислоты; в Италии и Испании до сих пор ее получают из лимонов, но на 99 % ее продукция основана на микробиологическом синтезе. Объем мирового производства цитрата составляет 400 тыс. т/год.

Большая часть лимонной кислоты (70 %) используется в пищевой промышленности, около 12 % в фармацевтической промышленности и около 18 % – для технических целей. Использование лимонной кислоты в пищевой промышленности обусловлено ее хорошей растворимостью, низкой токсичностью и приятным кислым вкусом. Лимонная кислота образует хелаты с металлами, поэтому ее применяют для их очистки.

Способность грибов образовывать лимонную кислоту при росте на средах с углеводами впервые была установлена немецким ученым Вемером в 1893 г. Для промышленного производства лимонной кислоты используют главным образом культуру гриба Aspergillus niger, а также A. wentii.

Метаболический путь. Лимонная кислота – обычный метаболит цикла трикарбоновых кислот, в небольшом количестве присутствует в клетках разных микроорганизмов. Некоторые грибы (в первую очередь A. niger) способны синтезировать огромное количество этой кислоты. Накопление в культуральной среде существенных количеств цитрата – промежуточного соединения цикла Кребса – невыгодно для организма и является следствием дисбаланса метаболизма или нарушения его генетической природы. Сверхсинтез лимонной кислоты происходит при лимитировании роста грибов-продуцентов минеральными компонентами среды и одновременном избыточном содержании источника углерода. В условиях лимитирования роста гриба недостатком одного или нескольких минеральных компонентов (Fe, Mn, N, Р или S) после полного поглощения из среды дефицитного элемента он прекращает расти, однако продолжает потреблять имеющийся в среде источник углерода. При этом в клетках гриба начинает накапливаться лимонная кислота, которая в дальнейшем выделяется в среду.

Технология получения. В настоящее время получение лимонной кислоты биотехнологическими способами широко применяется в промышленности. Разработаны технологии получения лимонной кислоты как поверхностным, так и глубинным способами. Основной питательной средой в обоих случаях служит меласса – отход сахарного производства, она содержит 48 – 50 % сахара. Для хорошего роста и развития гриба среда должна содержать минеральные соли: NH₄Cl, KH₂PO₄, ZnSO₄. В мелассе содержатся соли тяжелых металлов, угнетающие рост гриба и образование лимонной кислоты. Для осаждения этих солей к мелассе добавляют желтую кровяную соль K₄[Fe(CN)₆].

Процесс ферментации, ведущий к образованию лимонной кислоты, проводят при низких значениях рН (3 – 4), что облегчает поддержание стерильных условий ферментации и уменьшает возможность образования побочных продуктов. Предполагают, что в кислой среде стимулируется гликолиз, что обеспечивает направление потока углерода в цикл Кребса. В щелочной среде происходит накопление щавелевой и глюконовой кислот. В процессе ферментации можно выделить две фазы: 1) активного роста гриба и 2) интенсивного кислотообразования, рост мицелия в этот период становится незначительным.

На первой стадии идет рост мицелия, а на второй, после выхода культуры в стационарную фазу – интенсивный синтез лимонной кислоты. В конце ферментации массу мицелия отделяют путем фильтрования и промывают. Затем при рН < 3,0 в виде кальциевой соли осаждают щавелевую кислоту, а из маточного раствора выделяют лимонную кислоту в форме средней соли, кристаллизующейся в комплексе с четырьмя молекулами воды. Свободную кислоту выделяют из промытых кристаллов соли после их обработки сульфатом кальция. Высокоочищенные препараты лимонной кислоты получают после дополнительной процедуры очистки методом ионообменной хроматографии. Выход продукта составляет 85 %.