Ugrás a tartalomhoz

Fermentációs biotechnológia

Dr. Kutasi József (2007)

Glia Kft.

2. fejezet - Klasszikus biotechnológiai módszerekkel előállított termékek

2. fejezet - Klasszikus biotechnológiai módszerekkel előállított termékek

Aminosavak

Aminosavakat nagyon széles körben alkalmazzák az élelmiszeriparban mint ízjavítókat, mint pl. a Na-glutamátot. A L-lizin, triptofán aminosavakat az aminosavakban szegény takarmányok feljavítására, míg más aminosavakat antioxidánsként alkalmazzák élelmiszerekben. Előállításuk lehetséges fonalas gombák fermentációjával közvetlenül, vagy aminosav prekurzorok, köztes termékek átalakításával élesztős vagy bakteriális fermentációval.

Nátrium-glutamát

A Na-glutamátot ízjavító hatása miatt Japánban az 1900-as évek elején szója és búzasikér hidrolizátumból kezdték előállítani. 50 évvel később a Corynebacterium (Micrococcus) glutamicum fermentációjával kezdték biotechnológiai úton is gyártani.

Micrococcus baktériumok mikroszkópos képe.

Diplo és tetracoccus típusú sejtek.

Micrococcus sp .baktériumok mikroszkópos felvétele.

Kémiai szintézissel is lehetséges, de többségében mikrobiálisan állítják elő, Corynebacterium, Brevibacterium, Microbacterium és Arthrobacter törzsekkel, de rekombinációval E. coli törzsek is képesek. Minden glutaminsav termelő törzs biotint igénylő keto-glutarát-dehidrogenáz blokkolt. A glutaminsavképző mikoorganizmusok az Embden – Meyerhof úton glükózból vagy akár acetátból citráton és izocitráton keresztül alfa-ketoglutársav keletkezik, miközben az izocitrát dehidrogenáz által NADPH2 keletkezik. A NADPH2 katalizálja az alfa-keto-glutarát glutamáttá alakítását glutaminsav dehidrogenáz segítségével (reduktív aminálás folyamata).

Folyamatábra az Embden-Meyerhof útról és glutamát bioszintézisről

Folyamatábra az Embden-Meyerhof útról és glutamát bioszintézisről

A sejt permeábilitása fontos tényezője a glutaminsavképzésnek. Ez növelhető biotinhiánnyal, olajsav-auxotrófokkal, zsírsavak vagy penicillin hozzáadásával, illetve glicerin-auxotrófokkal. A biotin hiánya növeli a sejtmembrán károsodását, a sejtmembrán foszfolipid tartalmának csökkenésével, így a sejtben intracellurálisan termelődő glutaminsav kiválasztódhat a fermentlébe. Ellenkező esetben a sejtben koncentrálódva feed-back gátlás alakul ki. Az olajsav – auxotrófok szintén a sejtmembrán foszfolipid tartalma szempontjából defektesek. A baktérium sejtfalszintézis gátló penicillin adagolásával még magas biotintartalom mellett is növekszik a termelés, így akár nagy biotin koncentrációjú melasz szénforráson is lehetővé vált 60-100 g/literes hozammal a fermentációs gyártás.

L-Lizin

A növényi takarmányok lizin hiányát régóta adalékanyagokkal (halliszt, húsliszt, takarmányélesztő) próbálják pótolni, majd az utóbbi években a biotechnológiai úton nagy tisztaságban előállított L-lizin hozzáadása került előtérbe.

Homoszerin vagy metionin-szerin kettős auxotróf mutánsok alkalmasak hatékony lizintermelő törzseknek, ennek magyarázata a lizin bioszintézise: a lizin baktériumokban az diamino-pimelinsav (DAP), a fonalas gombákban, élesztőkben és algákban amino-adipinsav úton szintetizálódik.

A lizin bioszintézis folyamatábrája

A lizin bioszintézis folyamatábrája

Amennyiben mutagénkezeléssel sikerül olyan baktérium telepeket izolálnunk, melyek nem képesek homoszerin (homoszerin auxotróf) vagy metionin és treonin (metionin és treonin auxotróf) előállítására, úgy az aminosavak szintézis útja a lizin felé terelődik. A homoszerin képző homoszerin – dehidrogenáz a bakteriális lizin termelés kulcsenzime. Ez az enzim treonin és metionin adagolással represszálható, kikapcsolható. Ugyanakkor a lizin szintézis köztitermékét előállító aszpartokináz enzimjeit a metionin a treonin, az izoleucin sőt, a lizin is represszálja, amennyiben túl sok van jelen a sejtekben (feed-back gátlás). A lizin szintézis specifikus enzimje a dihidro-dipikolinát-szintáz szintén feed – back gátlást mutat lizin jelenlétében. Ahhoz, hogy a lizin túltermelést el lehessen érni, ezeknek az enzimeknek a működését auxotróf mutánsok előállításával kell kikapcsolni.

A lizinfermentáció során egy magas termelőképességű Brevibacterium flavum vagy Corynebacterium glutamicum baktériumtörzset szaporítanak fel melasz, kukoricalekvár és ammónium-szulfát alapú tápoldaton. Az auxotróf törzsek igényesek, ezért a táptalajhoz adagolni kell treonin, homoszerin és metionin aminósavakat (szójaprotein-hidrolizátum) és a biotintartalomnak magasnak kel lennie (melasz). Megfelelő kevertetés és levegőztetés mellett a fermentáció ideje 72-96 óra, amelynek végén a fermentlé L-lizin tartalma 30-100 gramm/liter. A feldolgozás megkezdése előtt a lizint stabilizálják: a fermentlé pH-ját sósavadagolással 5.0-re állítjuk és nátrium-szulfitot adagolunk.

Élesztőgombákkal (pl. Crptococcus laurentii) a L amino-kaprolaktám enzimes átalakítása lehetséges lizinné. Az amino-kaprolaktám 10%-os oldatát élő vagy szárított sejtekkel keverik össze, így 24 óra alatt az amino-adipinsav út amino-kaprolaktám hidroláza szinte maradék nélkül L-lizint konvertál.

L-triptofán

A triptofán előállítása elsősorban kémiai szintézissel történik, valamint előanyagok (prekurzorok) fermentatív enzimes átalakításával.

Tipikus eljárás a Hansenula anomala élesztőtenyészethez adagolt antranilsav átalakítása vagy Bacillus subtilis indol konverziója. Lehetséges indol és L-szerin adagolt E. coli tenyészetek triptofán szintézise (triptofán - szintetáz reakció), vagy Proteus tenyészetek triptofanáz enzimjével indolból és piruvátból triptofán termelés.

A baktériumok által extracellulárisan a fermentlébe kiválasztott aminosavakat nem feltétlenül kell kinyerni, hanem préselt élesztő - praktikusan pék- vagy sörélesztő - hozzáadásával a fermentlevet besűríthetjük 15-20% szárazanyag- tartalomra, majd szeparálás és szűrés nélkül az összfermentlevet porlasztva szárítjuk. Az előállított magas aminosavtartalmú (200-400 gramm/kilogramm) élesztőpor takarmányadalékként közvetlenül felhasználható. Az eljárás előnye, hogy szemben a szintén mikrobiális úton előállított tisztított aminosavak gyártásával, környezetszennyező melléktermékek nem keletkeznek, valamint az ezeknél a portermékeknél gondot okozó higroszkóposság az élesztősítéssel megszűnik, és a termék szárítása és tárolása lényegesen egyszerűbb.