Получение Бета-каротина
Лекция № 10
Тема: Получение β-каротина (провитамин А) и витамина D2
План: 1. Характеристика и получение β-каротина (провитамин А).
2. Характеристика и получение витамина D2 .
Ключевые слова: каротины, кальциферол.
Витамины – низкомолекулярные органические соединения, присутствующие в клетке в малых количествах и обладающие биологической активностью. Биологическая активность витаминов определяется тем, что они входят в состав активных центров ферментов в качестве кофакторов. Поэтому недостаток витаминов понижает биокаталитическую активность ферментов, влияет на обменные процессы, рост и развитие организма. Витамины делятся на водорастворимые и жирорастворимые. Все водорастворимые и жирорастворимый витамин К являются коферментами биохимических реакций. Витамины А, D, Е участвуют в регуляции генетического аппарата клетки. Потребность взрослого организма в витаминах (в зависимости от вида) составляет от нескольких мкг до десятков мг в сутки. Водорастворимые витамины в организме не накапливаются, кроме В12 , поэтому необходимо их ежедневное поступление. Жирорастворимые витамины накапливаются в тканях (это индукторы синтеза белков, структурные компоненты клеточных мембран).
В естественных условиях биосинтез витаминов осуществляют растения и микроорганизмы. Однако, при обработке растительной пищи наблюдается потеря витаминов, к примеру, при получении муки высшего сорта теряется 80-90% витаминов.
Витамин А - циклический, непредельный одноатомный спирт, образуемый в слизистой кишечника и печени из провитаминов: α-, β-, γ-каротинов под воздействием фермента каротиноксидазы. Наибольшей активностью обладает β-каротин, так как образует две молекулы ретинола; другие - только одну. Каротиноиды - широко распространенная группа природных пигментов, образуемых высшими растениями, водорослями и некоторыми микроорганизмами. В организме человека и животных каротины не образуются. Основные источники β-каротина для животных – растительные корма, человек получает β-каротин также из продуктов животного происхождения. β-Каротин можно получить из ряда растительных объектов – моркови, тыквы, облепихи, люцерны.
В начале 60-х годов ХХ века разработана схема микробиологического синтеза β-каротина, которая стала основой промышленного способа его получения. Среди микроорганизмов β-каротин синтезируют фототрофные бактерии, актиномицеты, плесневые грибы, дрожжи. При этом, содержание β-каротина у микроорганизмов во много раз превышает содержание этого провитамина у растений. Так, в 1 г моркови присутствует всего 60 мкг β-каротина, в то время как в 1 г биомассы мицелиального гриба Blakeslea trispora – 3-8 тыс.мкг.
Рекомендуемые материалы
Микробиологический синтез основан на использовании Blakeslea trispora, в качестве субстрата применяется пшеничная или рисовая мука, растительное масло (хлопковое, кукурузное или подсолнечное). Вносятся стимуляторы синтеза β-каротина В-ионон или цитрусовая меласса, тиамин, а также свет, обладающий стимулирующим эффектом.
Вначале (+) женские и (-) мужские штаммы мицелия выращивают раздельно. Затем их смешивают в биореакторе, непосредственно перед ферментацией. Соотношение (+) и (-) штаммов должно быть 1/15, т.е. мужские штаммы должны преобладать в 15 раз. При слиянии разнополого женского (+) и мужского (-) мицелия образуется зигота, которая синтезирует в 5-17 раз больше бета-каротина, чем каждый штамм в отдельности. Ферментация сопровождается аэрацией и перемешиванием. Длительность ферментации - 6-7 дней. Накопление бета-каротина наблюдается во второй фазе развития, после прекращения роста мицелия. В культуральной среде уменьшается концентрация липидов вследствие их активной переработки в бета-каротин. Концентрация бета-каротина достигает 2000мг/л.
По окончании ферментации биомасса сепарируется, подвергается распылительной сушке до 7% остаточной влаги. Далее в зависимости от назначения, цели применения используются различные технологии:
- если необходим в качестве кормового концентрата – после сушки порошок смешивается с наполнителем и гранулируется;
- для применения в качестве пищевой добавки – экстрагируется маслом, концентрируется, промывается этанолом. В результате получают каротин в масле (подсолнечное или другое) с содержанием 2,0-2,5 г/кг провитамина. Используется как пищевая добавка к хлебу, маслу;
- для медицинских целей – экстрагируют фреоном, очищают от органических примесей и получают кристаллы оранжево-красного цвета. Выпускается в капсулах для приема через рот.
Витамин D (кальциферол)
Впервые кальциферол был выделен из рыбьего жира в 1936 г. А. Виндаусом и применен при лечении рахита. Различают два родственных соединения жирорастворимого витамина D – D2 и D3 . D2 - эргокальциферол(кальциферол - в переводе «несущий кальций») получают путем облучения эргостерина ультрафиолетовыми лучами.
D3 - холекальциферол образуется из 7-дегидрохолестерина. В организме человека и животных кальциферол регулирует усвоение кальция и фосфора из пищи и отложение их в костной ткани.
В настоящее время кальциферол производят из эргостерина с применением УФ-облучения биотехнологическим методом. В процессе преобразования эргостерина в эргокальциферол принимают участие микроорганизмы. Особенно богаты эргостерином клетки дрожжей всех видов и плесневые грибы. В сухой биомассе дрожжей содержится 5--10% эргостерина.
В качестве промышленного источника эргостерина используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae вследствие высокого содержания в них эргостерина. В анаэробных условиях культивирования происходит накопление в клетках дрожжей сквалена (предшественника эргостерина). Индукция синтеза эргостерина начинается при строго определенной концентрации кислорода от 0,03 до 2%. При этом среда должна содержать избыток углеводов и малое количество азота. По окончании процесса спиртового брожения дрожжи отделяют от барды и вносят в питательную среду необходимое количество источников углерода, азота и фосфора. Ферментацию ведут в аэробных условиях 12 -- 20 часов, по окончании которой клетки дрожжей отделяют от культуральной жидкости, добавляют антиоксиданты и сушат. Обычно в такой биомассе содержание эргостерина достигает 1,5%. Полученную биомассу гидролизуют раствором соляной кислоты, затем очищают спиртом, концентрируют и облучают ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 280-300 нм. Это излучение возбуждает отдельные химические связи в углеродных циклах и вызывает превращение эргостерина в витамин D2 .
Для получения масляной формы витамин после фильтрации растворяют в растительном масле и используют как пищевую добавку.
Для получения кристаллического препарата витамина дрожжи подвергают кислотному гидролизу при 1100 С. Витамин D2 экстрагируют спиртом, фильтруют, фильтрат упаривают и несколько раз промывают спиртом. Спиртовой экстракт сгущают до 50%-й концентрации сухих веществ, омыляют щелочью. Образовавшиеся кристаллы витамина очищают перекристаллизацией и сушат в эфире, отгоняя последний. Кристаллический осадок растворяют в масле . Препарат используют в медицинских целях. Эргостерин служит также исходным продуктом для получения ряда стероидных гормонов, пищевых и лекарственных препаратов.
Использованная литература:
1. Медицинская биотехнология. К.Х.Алмагамбетов. // Астана. – 2009. – 236с.
2. Молекулярная биотехнология. Б. Глик, Дж.Пастернак. // Москва «Мир». – 2002. – 589с.
3. Биотехнология. Н.В.Загоскина, Л.В.Назаренко и др. // Москва. – «Оникс». – 2009. – 496с.
4. Основы биотехнологии. Т.А.Егорова, С.М.Клунова, Е.А.Живухина. // Москва. – «Академия». – 2008. – 208с.
5. Биотехнология микроорганизмов. Алмагамбетов К.Х. // Астана. – 2008. – 244с.
Контрольные вопросы:
1. Характеристика витаминов
2. Характеристика витамина А.
3. Характеристика витамина D2 .
4. Характеристика микроорганизмов, синтезирующих витамины.
"Рекламные кампании" - тут тоже много полезного для Вас.
5. Микробиологический синтез β-каротина.
6. Микробиологический синтез эргостерина.
7. Характеристика способов очистки при микробиологическом синтезе.
8. Использование витаминов А и D2 в медицине.
9. Использование витаминов А и D2 животноводстве.
10. Использование витаминов А и D2 пищевой промышленности.
