Биотехнологическая схема получения бета-каротина состоит из нескольких основных производственных этапов: приготовление и стерилизация питательной среды, получение посевного материала мицелия гриба Blakeslea trispora, основная ферментация, выделение целевого продукта. Следует подчеркнуть несовершенство данной технологии по некоторым параметрам. Объясняется это тем, что недостаточно изучен используемый продуцент. Гриб Blakeslea trispora достаточно требователен к условиям культивирования, составу питательной среды. Доза, возраст и качество посевного материала осуществляют большое влияние на ход микробиологического процесса. Эти факторы оказали значительное влияние на производительность гриба Blakeslea trispora при производстве микробиологического бета-каротина. Поэтому получение качественного посевного материала в достаточном количестве является эффективным направлением совершенствования данного процесса. Качество посевного материала проявляется на всех последующих этапах производства, начиная от сусло-агаровых косяков в маточных колбах, далее до посевных аппаратов и до конечного этапа производственного культивирования.
По существующей технологии посевной материал получают отдельным выращиванием (+) и (-) штаммов на неизменных питательных средах в последовательности: сусло-агаровые косяки, маточные колбы, посевные аппараты. Поверхностную культуру Blakeslea trispora получают выращиванием на агаризованных средах, основным компонентом которых является пивное сусло. В маточных колбах используется питательная среда, которая содержит соевую и кукурузную муку (2,3% и 4,7% соответственно). В посевных аппаратах используют среду, в состав которой входят кукурузный экстракт (6,3%) и зеленая патока (4,5%). Данная среда не содержит кукурузное масло. Производственная среда в своем составе имеет экстракт и патоку в тех же количествах, что и среда для посевных аппаратов и 3,6% кукурузного масла.
В таких условиях после инокуляции посевных аппаратов гриб Blakeslea trispora вынужден перестраивать ферментные системы, что приводит к чрезмерному затягиванию лаг-фазы и непродуктивному использованию оборудования. Кроме того, требуются и более глубокие исследования физиолого-биологических свойств продуцента. Не исследовано влияние качества питательной среды на качество посевного материала на всех стадиях производственного процесса (косяки, маточные колбы, посевной аппарат). Не выявлено влияние возраста на качество посевного материала на следующую стадию производственного культивирования. Решение этих вопросов позволит оптимизировать производственный процесс на стадиях получения посевного материала Blakeslea trispora и основной ферментации. А оптимизация условий культивирования способствует максимальному синтезу бета-каротина культурой гриба Blakeslea trispora, что в свою очередь, способствует повышению производительности и интенсификации данного производства в целом.
Пищевой препарат микробиологического бета-каротина получают путем периодического культивирования смешанной культуры (+) и (-) промышленных штаммов гетероталличного гриба Blakeslea trispora. Чтобы выход бета-каротина был максимальным необходимо получить качественный посевной материал.
Процесс получения посевного материала разрабатывается на стадии поверхностного культивирования продуцента на агаризованной питательной среде, а затем в маточных колбах на качалках. Поверхностное культивирование гриба Blakeslea trispora заключается в отдельном выращивании (+) и (-) форм гриба на агаризованных экстрактивно-паточных косяках. На стадии поверхностного культивирования гриба Blakeslea trispora для подсчета спор используют метод количественного подсчета микроорганизмов в счетной камере Горяева.
Процесс получения посевного материала имеет 3 стадии и на этих стадиях используются разные по содержанию питательные среды. Культивирование продуцента на питательных средах близкого состава способствует интенсификации производственного процесса в целом. В таких условиях сокращается период адаптации (лаг-фаза) микроорганизмов к новым компонентам питательных сред, которые используют на следующем этапе культивирования.
Так, посевной материал в производстве бета-каротина получают выращиванием продуцента на трех последовательных стадиях. На каждой стадии используют различные питательные среды: на первой — пробирки со скошенным сусло-агаром, на второй — маточные колбы со средой, содержащего муку. На последней третьей стадии выращивания используют экстрактивно-паточную среду. Кукурузный экстракт является источником азотного питания и представляет собой смесь аминокислот. Аминокислотный состав кукурузного экстракта следующий (г / кг СВ): глицин — 18,17; аланин — 24,70; валин — 19,64; лейцин — 35,38; изолейцин — 6,57; серин — 17,65; трионин — 14,05; аспарагиновая кислота — 26,88; глутаминовая кислота — 64,95; лизин — 16,72; аргинин — 14,81; цистеин — 0,26; метионин — 6,60; фенилаланин — 12,77; пролин — 33,08; гистидин — 14,36; тирозин — 8,28. Зеленая патока является источником углеродного питания. Состоит из смеси сахаров: мальтоза — 0,21%; фруктоза — 0,17%; арабиноза — 0,12%; глюкоза — 2,66%; рамноза — 0,006%. Кукурузный экстракт и зеленая патока являются отходами кукурузного производства, что имеет явные экономические преимущества.
Гриб Blakeslea trispora имеет высокую природную и индуцированную изменчивость. Отдельные партии культуры проявляют разную биосинтетическую активность. Установлено, что спорообразующая способность продуцента Blakeslea trispora также очень варьирует. В поверхностной культуре на агаризованной питательной среде споры могут отсутствовать или же образовываться в больших количествах. При этом способность к спорообразования (+) и (-) форм изменяется не пропорционально, о чем свидетельствуют данные таблицы 1.
Мицелиальные микроорганизмы при погруженном выращивании растут в виде гранул, которые образуются в результате разрастания отдельных точек роста или их агломератов. Такими точками роста являются споры или жизнеспособные фрагменты мицелия. Структура гранул определяются многими факторами: морфологией гиф, скоростью роста мицелия, составом среды, количеством и качеством посевного материала. Размер гранул, их морфология и внутренняя структура определяются интенсивностью массообмена клетки с питательной средой, прежде всего массопередачи кислорода. В слишком больших и плотных гранулах, вследствии градиента концентрации питательных веществ проходит автолиз, что снижает эффективность процесса биосинтеза. При неизменных других условиях структура гранул биомассы гриба Blakeslea trispora, и конец ферментации определяется числом точек роста в посевном материале. Т.е. качество посевного материала играет важную роль в производстве микробиологического бета-каротина.
Таблица 1 — Интенсивность спорообразования Blakeslea trispora
| Количество спор, шт/ см2 | |
|---|---|
| (+) штам | (–) штам |
| 9,9*104 | 1,2*105 |
| 3,3*106 | 1,8*106 |
| 2,0*105 | 1,2*105 |
| 3,0*105 | 7,0* 105 |
| 4,0*105 | 4,0*105 |
| 1,0*106 | 1,8*106 |
| 1,1*106 | 5,0*105 |
| 7,0* 105 | 8,0*105 |
| 1,7*106 | 5,0*105 |
| 5,0*105 | 3,0*105 |
| 3,0* 105 | 2,0*105 |
| 2,3*106 | 1,8*106 |
| 3,0*107 | 5,6*106 |
Продолжение статьи: Качество посевного материала. Часть 2
Автор статьи: ст. гр БТ «УГХТУ » Кашитская Альбина
Автор фото в статье: Ляпустина Е.В.