11319 (Биотехнология глутамата натрия)

Содержание

Применение продукта

Характеристика продукта

Характеристика продуцента

Состав питательной среды

Механизм биосинтеза

Условия биосинтеза

Описание процесса биосинтеза

Выделение продукта

Активаторы и ингибиторы процесса

Возможности генной инженерии

Выход продукта

Определение стехиометрических коэффициентов и теплового эффекта реакции

Список используемой литературы

Применение продукта

Глутамат натрия применяют для усиления природных вкусовых свойств пищевых продуктов, сохранения вкусовых качеств пищевых продуктов при длительном хранении, восстановления первоначального вкуса в продуктах, которые подвергаются термической обработке.

Она применяется при изготовлении блюд из мяса, рыбы, птицы, овощей, бобовых, усиливая их природные вкусовые особенности. Специфический "мясной" вкус глутамата натрия ощущается при концентрации от 0,03% и более. Его используют при приготовлении изделий из низкосортного и мороженого мяса, которое при хранении частично утратило свои первоначальные свойства, а также при применении соевых белков и других заменителей мяса.

Количество глутамата натрия при производстве колбасных изделий, продуктов из свинины, говядины, баранины, конины, полуфабрикатов и др. составляет 0,05-0,15% к массе сырья. Для консервированных море- и рыбопродуктов его расходуется больше - от 0,1 до 0, 5%. Глутамат натрия может добавляться в продукт вместе с солью. При этом дозировку соли уменьшают на 10%.

"Глутаминовый эффект" лучше всего проявляется в слабокислой среде - при рН 5 - 6, 5. В более кислой среде эффект усиления вкуса снижается, а при рН 4 теряется вовсе.

Глутамат натрия изобретен давно. В начале XX века японский ученый Кикунае Икеда, занимаясь изучением соевого соуса и других продуктов, характерных для Юго-Восточной Азии, пытался ответить на вопрос, почему пища, сдобренная некоторыми сушеными водорослями, становится более вкусной и аппетитной. Оказалось, такой эффект дает содержащаяся в них глутаминовая кислота. В 1909 году ученому был выдан патент на способ производства пищевых препаратов. По этому способу была получена соль глутаминовой кислоты - глутамат натрия. А в 50-х годах прошлого века выяснили, что глутамат мононатрия (на иностранных продуктах пишут - MSG) удивительным образом помогает производить запахи и вкусы, подобные мясу.

С тех пор усилитель вкуса - глутамат натрия - стал широко применяться и завоевал популярность во всем мире. Его ежегодное потребление на планете достигло 200 тысяч тонн.

Характеристика продукта

Глутамат натрия (monosodium glutamate - лат., сокращенное наименование - MSG) - мононатриевая соль глутаминовой кислоты. Широко используется в качестве дешевой пищевой добавки для усиления вкусовых ощущений. В наибольшей степени глутамат усиливает горький и соленый вкус, в то время как сладкий вкус усиливается в наименьшей степени. Усиление вкуса других продуктов происходит за счет воздействия на глутаматные рецепторы языка. Регистрационный номер - E621. Представляет собой хорошо растворимый в воде белый кристаллический порошок, по форме и вкусу напоминающий поваренную соль. Вкус глутамата называется "umami" ("умами", так называемый "пятый вкус" - вкус белковой пищи). Глутамат натрия получают как из натуральных ресурсов, так и посредством химических реакций.

Характеристики и свойства, которыми обладает глутамат натрия:

высокая растворимость в воде;

низкая гигроскопичность;

отличная стабильность при высоких температурах и свете;

не влияет на цвет и на структуру пищевых продуктов;

внешний вид: мелкие кристаллы;

вкус: слегка соленый;

цвет: белый;

содержание: мин. 94%;

pH: 6,7-7,2;

соль: максимум 0,4%;

содержание натрия: макс. 12,3%;

срок хранения: 5 лет;

упаковка: мешки по 25кг.

Глутамат натрия всасывается и метаболизируется как обычная аминокислота. Поэтому качественный глутамат натрия, используемый в регламентированных дозах, не может вызывать никаких болезненных симптомов. Употребление технического, недостаточно очищенного глутамата натрия, вызывает мигрени, тошноту, сонливость, нарушение пищеварения, ускоренное сердцебиения, астму, и даже — анафилактический шок. Отдельные исследователи убеждены, что патогенные примеси недоочищенного синтетического глутамата действуют непосредственно на кору головного мозга. Отсюда – ухудшение состояния больных бронхиальной астмой, заострение глаукомы и разрушение сетчатки глаз.

В сочетании с витамином Е глутамат натрия вызывает оксидативное повреждение клеток организма, при этом повреждая ДНК. При частом употреблении возможна постепенная утрата вкусовых ощущений из-за постепенного атрофирования вкусовых рецепторов.

Характеристика продуцента

В производстве соли монозамещенной глутаминовой кислоты используются штаммы бактерий, относящиеся к роду Coryn. Glutamicum. Принадлежит к группе аэробных бактерий с высоким содержанием гуанина и цитозина. Форма может быть разнообразной, но чаще встречаются вытянутые стержни с булавовидными концами. Быстрорастущая бактерия, не патогенная и не образует спор.

Царство: Bacteria

Тип:Actimobacteria

Класс:Actimobacteria

Семейство:Corynebacteriaceae

Род:Corynebacterium

Вид:C. glutamicum

Рис. 1: C. glutamicum под микроскопом

Рис. 2: Основные показатели культуры Corynebacterim glutamaticum при синтезе глутаминовой кислоты. 1-глюкоза, 2-кетоглутаровая кислота, 3-биомасса, 4-глутаминовая кислота.

Состав питательной среды

В качестве углеродного питания используют глюкозу, сахарозу, гидролизаты крахмала, мелассу, гирол. Кроме углеводов в качестве сырья могут быть использованы углеводороды (метан, этан, н-парафины нефти), а также уксусная, фумаровая кислоты и др.

В качестве источника азота используют мочевину в количестве 1,5 – 2,0%. Реже применяют как дополнительный к мочевине источник азота сульфат аммония (NH₄)₂SO₄, хлорид аммония NH₄Cl в количестве до 0,5% или водный раствор аммиака.

Для нормального роста культуры в среду необходимо вводить в десятых и сотых долях процента калий (в виде KH₂PO₄), магний (MgSO₄*7Н₂О), марганец (MnSO₄*4H₂O), а также мел.

Механизм биосинтеза

Процесс начинается с гидролиза сахарозы:

Фруктоза

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование, т.е. перенос остатка ортофостфата на глюкозу за счет АТФ. Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии системы. Каталитическая активность фермента, гексокиназы, повышается в присутствии Mg²⁺. Переносчиком группы РО₃Н₂ является аденозинтрифосфат, который превращается в АДФ.

Второй рекцией является превращение глюкозо-6-фосфата под действием изомеразы во фруктозо-6-фосфат. Равновесная система состоит на 70-75% из фосфата глюкозы и на 30-25% из фосфата фруктозы.

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента происходит расщепление на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры реакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов.

Пятая реакция – это реакция изомеризации триозофосфатов. Катализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фофат в присутствии фермента дегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается своеобразному окислению с образованием 1,3-биофосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАД (НАДН):

1,3-Биофосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение. Механизм действия дегидрогеназы сводится к следующему: в присутствии неорганического фосфата НАД⁺ выступает как акцептор водорода, отщепляющегося от глицеральдегид-3-фосфата. В процессе образования НАДН глицеральдегид-3-фосфат связывается с молекулой фермента за счет SН-групп последнего. Образовавшаяся связь богата энергией, но она непрочная и расщепляется под влиянием неорганического фосфата, при этом образуется 1,3-биофосфоглицериновая кислота.

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты:

Т.о., благодяря действию двух ферментов (глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы глицеральдегид-3-фосфата до карбоксильной группы, запасается в форме энергии АТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования образование АТФ из высокоэнергетических соединений называется субстратным фосфорилированием.

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Реакция легкообратима, протекает в присутствии ионов магния:

Девятая реакция катализируется ферментом енолазой, при этом 2-фосфоглицериновая кислота в результате отщепления молекулы воды переходит в фосфоенолпировиноградную кислоту, а фосфатная связь в положении 2 становится высокоэргической. Енолаза активируется катионами Mg²⁺ и Mn²⁺ и ингибируется фторидом.

Десятая реакция характеризуется разрывом выскоэргической связи и переносом фосфатного остатка от фосфоенолпирувата на АДФ. Катализируется ферментом пируваткиназой:

Для дествия пируваткиназы необходимы Mg²⁺ , а также одновалентные катионы щелочных металлов.