Ім'я файлу: Розробка отримання глюкоізомерази із Lactobacillus brevis та її
Розширення: docx
Розмір: 553кб.
Дата: 26.06.2020
скачати
Розширення: docx
Розмір: 553кб.
Дата: 26.06.2020
скачати
1.6. Технологія виготовлення ГФС з використанням топінамбуру
Топінамбур (або земляна груша) - багаторічна рослина, що відбувається з Північної Америки. Є цінною кормою рослиною, досить широко застосовується і як харчове і технічне рослина. Досить широко культивується в США, Франції, Великобританії, Швеції, Норвегії. Бульби топінамбура містять інулін, їх використовують для отримання спирту, а також фруктози.
Фруктоза є моносахаридом з групи кетогексоз. Вона досить широко поширена в природі - у вільному вигляді міститься в зелених частинах рослин, плодах, меді, в фуранозной формі входить до складу олігосахаридів, а також полісахаридів. Фруктоза значно солодша інших цукрів. Для хворих на цукровий діабет фруктоза є найкращим типом використовуваних цукрів.
Технічний результат, що отримується в результаті реалізації технології, полягає в отриманні продукту підвищеної біологічної цінності.
Для отримання зазначеного технічного результату проводять подрібнення бульб останнього, екстракцію подрібненої маси гарячою водою, відділення екстракту, що містить полісахариди, від проекстрагірованной маси, ферментативний гідроліз полісахаридів, інактивацію ферменту, освітлення гідролізату і його концентрування, причому ферментативний гідроліз проводять пектофоетидином при перемішуванні середовища при 50 - 70 °С. і pH 4-7 протягом 45-90 хв з отриманням гідролізату, що містить не менше 70% моносахаридів від сухих речовин фруктозного сиропу, а також непрогідролізованние полісахариди. Переважно pH екстракту перед гідролізом встановлюють шляхом введення в гідролізат лимонної кислоти. Зазвичай освітлення фруктозного сиропу проводять шляхом пропускання його через адсорбент. Переважно в якості адсорбенту використовують активоване вугілля
Спосіб полягає в наступному. Бульби топінамбура миють в проточній воді. Вимиті бульби подрібнюють будь-яким відомим чином, зокрема на дзизі, і змішують з водою, що має температуру приблизно 80oC, причому співвідношення води і подрібнених бульб топінамбура вибирають таким чином, щоб зміст твердої фази склало приблизно 25 мас.%. Проводять екстракцію подрібненого топінамбура при перемішуванні і підтримці температури в межах 75-85 °С протягом 110 - 120 хв. У процесі екстракції протікає частковий гідроліз полісахаридів, в тому числі і інуліну, ферментами, що знаходяться в бульбах топінамбура.
При підвищенні температури відбувається інактивація цих ферментів. На вакуумному фільтрі відокремлюють екстракт від проекстраованої маси, який містить полісахариди, а також продукти часткового гідролізу, утворені дією зазначених ферментів бульб і гарячої води. Екстракт охолоджують до 50 - 70℃, при необхідності встановлюють pH від 4 - 7 дією харчової кислоти, переважно лимонної. Потім здійснюють ферментативний гідроліз полісахаридів пектофоетидином. Його вводять в екстракт в кількості переважно 7 г на 1000 г сиропу, що містить 70 мас. % сухих речовин. Гідроліз проводять при перемішуванні, 50-70℃ протягом 45 - 90 хв.
Використовуваний для ферментативного гідролізу пектофоетидин не здатний гідролізувати інулін і гідролізує тільки інші полі- і дисахариди. Це дозволяє отримати кінцевий продукт, збагачений не тільки фруктозою, а й інулін. Гідролізат містить не менше 70% моносахаридів від СР фруктозного сиропу і непрогідролізовані полісахариди. Потім при 85 - 95℃ протягом 20 хв проводять інактивацію ферменту. Гідролізат освітлюють шляхом пропускання його через колонку з активованим вугіллям і концентрують під вакуумом при 60-70 °С.до отримання фруктозного сиропу.
Продукт містить, мас.%:
| СР | 65 - 70 |
| Фруктоза (СР) | не менше 40-60 |
| ПР | 4-9 |
| Інулін | 2-20 |
| Білки | 6-7 |
| Жири | 0,4 - 0,5 |
| Зола | 1,5 - 3 |
Перспективним нетрадиційним напрямом у біологічній рекультивації техногенно порушених територій є фітомеліорація із використанням топінамбура.
У зв’язку зі зростаючим попитом на екологічно чисті продукти харчування, топінамбур може виявитися однією з небагатьох культур, що відповідають цим вимогам.
Практично у всіх зонах вирощування топінамбура у нього немає шкідників і хвороб (за винятком невеликих вогнищ склеротинії), що дозволяє обходитись без пестицидів. Бульби топінамбура мають низький коефіцієнт накопичення нітратів та радіонуклідів.
Топінамбур є перспективною біоенергетичною культурою. Із тонни коренеплодів при переробці можливо отримати 100 л спирту-етанолу, який відповідає всім вимогам і стандартам.
Топінамбур у своїй будові містить вуглеводи в формі інуліну, що відноситься до типу складно молекулярних цукрів. Інулін легко гідролізується неорганічними й органічними кислотами, а також спеціальним ферментом - інулазою. Оцукрення маси на основі інуліну може відбуватися за 24 год., тоді як виробництво спирту з крохмалю потребує 60-72 год. Тому витрата пари та палива на одиницю виробництва спирту з топінамбура в декілька разів менші, ніж для виробництва з крохмалескладової сировини, оскільки виключається операція підготовки солоду та терміну бродіння
ОПИС ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ФЕРМЕНТНОГО
ПРЕПАРАТУ ГЛЮКОІЗОМЕРАЗИ
Класифікація ферментів основана на механізмі їхньої дії й включає 6 класів. Ферменти – біокаталізатори володіють рядом унікальних властивостей, наприклад, таких як висока каталітична активність і вибірковість дії. У ряді випадків ферменти мають абсолютну специфічність, каталізуючи перетворення тільки однієї речовини. Для кожного ферменту існує свій оптимум рН, при якому його каталітична дія максимальна. При різкій зміні рН ферменти інактивуються шляхом необоротної денатурації. Прискорення реакції при підвищенні температури також лімітовано певними межами, оскільки вже при температурі 40 – 50°С багато ферментів денатурують. Ці властивості ферментів доводиться враховувати при розробці технології нового препарату.
Оскільки ферменти – речовини білкової природи, у суміші з іншими білками їх кількість визначити практично неможливо. Наявність ферменту в препараті може бути встановлена лише за протіканням тієї реакції, яку каталізує фермент. При цьому кількісну оцінку вмісту ферменту можна дати, визначивши або кількість продуктів реакції, які утворилися, або кількість субстрату, що витратився. За одиницю активності ферменту приймають ту його кількість, яка каталізує перетворення одного мікромоля субстрату за 1 хвилину при заданих стандартних умовах – стандартна одиниця активності.
За рішенням Міжнародного біохімічного союзу активність вирішено визначати при температурі 30°С за початковою швидкістю реакції, коли концентрація насичення ферменту й тимчасова залежність близька до кінетики реакції нульового порядку. Інші параметри реакції індивідуальні для кожного ферменту. Активність препарату, який випускається – найважливіший нормований показник якості.
Протеази знаходять широке застосування в різних галузях промисловості: м'ясна – для пом'якшення м'яса; шкіряна – пом'якшення шкір; кіновиробництво – розчинення желатинового шару при регенерації плівок; парфумерна – добавки в зубну пасту, креми, лосьйони; виробництво миючих засобів – добавки для видалення забруднень білкової природи; медицина – при лікуванні запальних процесів, тромбозів і т.д.
Існує ряд факторів, які впливають на біосинтез ферментів. У першу чергу, до них відноситься генетичний. Склад і кількість синтезованих ферментів спадково детерміновані. Застосовуючи мутагени можна змінити генетичні властивості мікроорганізмів й одержати штами з необхідними для промисловості властивостями. До мутагенних факторів відносяться іонізуюче й неіонізуюче випромінювання, ізотопи, антибіотики, інші хімічні сполуки, які перетворюють спадкоємні елементи клітини. Незважаючи на визначальну роль генетичного фактора в біосинтезі ферментів, продуктивність біотехнологічних процесів залежить і від складу поживного середовища При цьому важливим є не тільки наявність джерел основних поживних речовин, але й речовин, що відіграють роль індукторів або репресорів біосинтезу даного конкретного ферменту або його груп. Механізм цього явища ще не цілком вивчений, але сам факт повинен ураховуватися при виборі технології.
Оптимальний склад поживного середовища для кожного продуцента може бути визначений двома способами: емпіричним і побудовою математичної моделі з використанням комп'ютера. Останній, природно, переважніше. За характером культивування всі технологічні процеси виробництва ферментних препаратів діляться на дві групи: глибинний і поверхневий методи.
2.1. Глибинний метод виробництва
У цьому випадку мікроорганізми вирощуються в рідкому поживному середовищі Технічно цей метод більш досконалий, ніж поверхневий, тому що легко піддається автоматизації й механізації. Концентрація ферменту в середовищі при глибинному культивуванні зазвичай значно нижча, ніж у водних екстрактах поверхневої культури. Це викликає необхідність попереднього концентрування фільтрату перед його виділенням.
При глибинному культивуванні продуцентів ферментів виділяють, як й у будь-якому біотехнологічному процесі, 5 етапів:
1. Готування поживного середовища залежить від складу компонентів. Деякі попередньо подрібнюють, відварюють або гідролітично розщеплюють. Готові до розчинення компоненти подають при постійному помішуванні в ємність для готування середовища в певній послідовності. Стерилізацію середовища проводять або шляхом мікрофільтрації за допомогою напівпроникних мембран, або за допомогою високих температур. Час обробки в цьому випадку залежить як від інтенсивності фактора, так і від рівня забрудненості сторонніми мікроорганізмами об'єкта. Стерилізуються також всі комунікації й апарати. Повітря очищається до й після аерування. До початку, тому що містить частки пилу органічної й неорганічної природи, після – тому що несе клітини продуцента.
2. Одержання засівного матеріалу. Для засівання поживний матеріал середовища готують також глибинним методом. Вид його залежить від продуцента: для грибів це міцеліальна вегетативна маса, для бактерій – молода ростуча культура на початковій стадії спороутворення. Одержання посівного матеріалу складається в збільшенні маси продуцента в 3 – 4 стадії. Обсяг посівного матеріалу залежить від фізіологічних особливостей продуцента. Якщо продуцент розмножується тільки вегетативно, він різко росте (до 5 – 20%). Якщо ж відбувається швидке спороутворення – скорочується до 1%.
3. Виробниче культивування. Біосинтез ферментів у глибинній культурі протікає протягом 2 – 4 діб при безперервній подачі повітря й перемішуванні. Висока концентрація поживних речовин на перших етапах може гальмувати ріст біомаси продуцента, тому часто свіже середовище або деякі його компоненти вводяться у ферментер на стадії активного росту. Температурний оптимум перебуває в інтервалі 22 – 32°С. У сучасних технологічних процесах ведеться безперервне автоматичне визначення вмісту в середовищі вуглеводів, кількості метаболітів, що утворилися, і концентрації клітин. Дані надходять у комп'ютер, що визначає стратегію корекції процесу й автоматично регулює його. Цим досягається максимальна продуктивність і найкраща якість продуктів.
4. Виділення. У міцелії тридобової культури залишається не більше 15% ферментів. Інші виділяються в навколишні клітини або рідке середовище. У цьому випадку препарати ферментів виділяють із фільтратів після відділення біомаси.
5. Одержання товарної форми.
2.2. Поверхневий метод виробництва
При поверхневому методі культура росте на поверхні твердого зволоженого поживного середовища Міцелій повністю обволікає й досить міцно скріплює тверді частки субстрату, з якого одержує поживні речовини. Оскільки для дихання клітини використовують кисень, то середовище повинно бути пухким, а шар культури-продуцента невеликим.
Вирощування виробничої культури відбувається в асептичних умовах, але середовище й кювети необхідно стерилізувати. Перед кожним новим завантаженням також необхідна стерилізація устаткування.
Переваги поверхневої культури: значно більша висока кінцева концентрація ферменту на одиницю масу середовища (при оцукрюванні крохмалю 5 кг поверхневої культури заміняють 100 кг культуральної рідини), поверхнева культура відносно легко висушується, легко переводиться в товарну форму.
Посівний матеріал може бути трьох видів:
культура, що виросла на твердому поживному середовищі;
споровий матеріал;
міцеліальна культура, вирощена глибинним способом.
У три етапи одержують і посівну культуру. Спочатку вихідну культуру продуцента висівають на 1 – 1,5 г зволожених стерильних пшеничних висівках у пробірці й вирощують у термостаті до надлишкового спороутворення. Другий етап – аналогічний, але в колбах, третій – у судинах з 500 г середовища.
Основа складу поживного середовища – пшеничні висівки – джерело необхідних поживних і ростових речовин. Крім того, вони створюють необхідну структуру середовища. Для підвищення активності ферментів до них можна додавати бурячний гніт, соєвий шрот, крохмаль, рослинні відходи. Стерилізують середовище водяною парою при помішуванні (температура – 105 – 140°С, час 60 – 90 хвилин). Після цього середовище засівають і розкладають рівним шаром у стерильних кюветах. Кювети поміщають у ростові камери. Культивують протягом 36 – 48 годин.
Ріст ділиться на три періоди, приблизно рівних за часом. Спочатку відбувається набрякання конідій й їхнє проростання (температура не нижче 28°С), потім ріст міцелію у вигляді пушка сірувато-білого кольору (необхідно виводити надлишкове тепло) і утворення конідій. Для створення сприятливих умов росту й розвитку продуцента необхідні аерація й підтримка оптимальної вологості (55 – 70%).
Культура, яка виросла на нерухомому шарі при поверхневому культивуванні представляє корж із набряклих часток середовища, міцно зв'язаних зрослим міцелієм. Масу подрібнюють до гранул 5 мм. Культуру висушують до 10 – 12% вологості при температурах не вище 40°С, не більше 30 хвилин. Іноді препарат застосовують прямо в неочищеному вигляді – у шкіряній і спиртовій промисловості. У харчовій й особливо медичній промисловості використовуються ферменти тільки високого ступеня очищення.
Схема очищення зводиться до наступного:
видалення нерозчинних речовин;
видалення супутніх розчинних речовин;
фракціонування (хроматографічними методами).
Для виділення ферменту з поверхневої культури необхідна екстракція. Як правило, екстраген – вода. При цьому в розчин переходять цукри, продукти гідролізу пектинових речовин і целюлози. Стадію виділення й очищення завершує сушіння. Після сушіння препарат повинен містити не більше 6 – 8% вологи, тоді він може в герметичній тарі зберігатися до року без втрати активності.
Стандартизація ферментного препарату – доведення активності ферменту до стандартного, який відповідає вимогам держстандарту. Для цього використовуються різні нейтральні наповнювачі – крохмаль, лактоза й ін.
З огляду на величезні перспективи застосування ферментних препаратів у різних галузях промисловості й сільського господарства, медицині, можна зробити висновок про необхідність розширення досліджень у цій області для оптимізації технології й гарантійного одержання високоактивних і стабільних препаратів мікробних ферментів.
2.3. Технологічна лінія виробництва ферментного препарату глюкоізомерази
З огляду на перспективність зупинимося на глибинному способі культивування та розглянемо стадії виробництва. Виробництво ферментних препаратів глибинним способом на рідких поживних середовищах можна розділити на наступні стадії:
приготування, стерилізація та охолодження живильного середовища;
приготування посівного матеріалу і вирощування виробничої культури;
відділення і сушка біомаси;
фасування відходів і відділення фільтрату;
концентрування і сушіння концентрату;
осадження, сушка та стандартизація препарату;
фасування препарату.
Характеристика комплексів устаткування. Лінія починається з комплексу устаткування, до складу якого входять циклон-розгружувач, екстрактори, осаджувач, шнек-прес, стрічковий вакуум-фільтр, змішувач, а також нагрівальна колонка і теплообмінники.
До складу лінії входить комплекс обладнання, що складається з інокулятора і ферментатора.
Наступний комплекс обладнання представляють камерний фільтр-прес і барабанна сушарка.
Далі слідує комплекс обладнання для фасування та пакування ферментних препаратів, а також сепаратори.
Провідним є комплекс обладнання, що включає вакуум-випарні апарати і розпилювальні (сублімаційні) сушарки.
Завершальний комплекс обладнання лінії складається з установки безперервного осадження, апарату обсушування препарату, центрифуги, барабанної вакуум-сушки, установки для подрібнення і змішування.
Фінішним комплексом обладнання є фасувальні машини.
Машинно-апаратурна схема лінії виробництва ферментних препаратів глибинним способом на рідких поживних середовищах представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. - Машинно-апаратурна схема лінії виробництва ферментних препаратів глибинним способом на рідких поживних середовищах
1 2 3 4 5