Получение микробных ферментных препаратов в производстве спирта

Микроорганизмы способны синтезировать разнообразные ферменты. В зависимости от состава питательной среды и условий культивирования они легко переключаются с синтеза одного фермента на синтез другого. У микроорганизмов сравнительно короткий цикл развития (10-100 ч.), вследствие чего можно получать сотни «урожаев» в год.

Продуцентами ферментов могут быть бактерии, грибы, дрожжи и актиномицеты. Для промышленного получения ферментных препаратов используют как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных сред, так и мутантные, отселекционированные в результате воздействия на природные штаммы физических и химических мутагенов.

Микроорганизмы синтезируют одновременно комплекс ферментов, но некоторые из них, особенно мутантные штаммы, продуцируют один фермент в значительных количествах. Для лучшего использования крахмалсодержащего сырья в спиртовом производстве осахаривающие материалы должны содержать не только амилолитические ферменты, но и ферменты, гидролизующие другие углеводы сырья – целлюлозу и гемицеллюлозы. Для обеспечения дрожжей азотистым питанием имеют значение и протеолитические ферменты.

Несмотря на то, что для успешного осахаривания нужен комплекс ферментов, отбор микроорганизмов-продуцентов до сих пор проводился главным образом по высокой активности амилолитических ферментов – амилазы и глюкоамилазы.

Микроорганизмы – продуценты ферментов в получении солода

Наиболее часто в качестве продуцентов амилолитических ферментов в спиртовом производстве используют микроскопические грибы, реже – дрожжеподобные организмы и споровые бактерии.

Микроскопические грибы

Для получения амилаз широко применяют микроскопические грибы рода Aspergillus, видов: niger, oryzae, usamii, awamori, bata-tae, рода Rhizopus, видов: delemar, tonkinensis, niveus, japonicum и др., а также отдельные штаммы Neurospora grassa и Mucor.

Микроскопические грибы очень широко распространены в природе; основное место их обитания – почва. Несмотря на наличие многих родов и видов микроскопических грибов, все они характеризуются нитевидным строением тела и специфическим строением плодоносящих органов. Тело гриба состоит из длинных переплетенных нитей сероватого или белого цвета, называемых гифами. Они распространяются по поверхности питательного субстрата, образуя мицелий, и частично врастают в него. Некоторые гифы, поднимающиеся над поверхностью в виде легкого пушка, имеют более сложное строение и представляют собой органы плодоношения, называемые конидие- или спорангиеносцами. У мукоровых грибов на конце спорангиеносца находится шаровидное вздутие, окруженное оболочкой, внутри которого образуются споры. У аспергиллов конец конидиеносца имеет булавовидное утолщение, от которого отходят удлиненные клетки, называемые стеригмами; от стеригм отшнуровываются более мелкие круглые клетки – конидии.

Отделившиеся конидии или споры, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифы ветвятся, образуя мицелий; при истощении питательных веществ в среде гриб переходит в стадию споро- или конидиеобразования. Споры и конидии микроскопических грибов содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерную окраску.

Для осахаривания на спиртовых заводах чаще используют аспергиллы: при поверхностном культивировании – Asp. oryzae и Asp. awamori, при глубинном культивировании – Asp. awamori 446 и иногда ВУД-Т2. На спиртовых заводах США применяют высокоактивный штамм Asp. awamori NRRL-3112.

Аспергиллы – типичные аэрофилы, поэтому они могут развиваться только на поверхности твердой или жидкой среды или в жидкой, достаточно аэрируемой среде. Оптимальная температура для большинства аспергиллов 25-30°С, для некоторых – до 35°С. Большинство грибов при поверхностном культивировании могут переносить кратковременное повышение температуры до 40°С и даже 45°С без заметной потери активности ферментов. Оптимальная влажность среды для них около 65%.

Для питания аспергиллов необходимы углеводы, азотистые и минеральные вещества. В качестве источника углевода, кроме моносахаридов, многих олиго- и полисахаридов, могут служить спирты и органические кислоты, однако для накопления амилазы в среде обязательно должны присутствовать крахмал, декстрины или мальтоза. В средах, содержащих другие сахара, в том числе глюкозу, грибы не образуют амилазы. Источником азота могут быть белки и их гидролизаты, аммонийные соли и нитраты.

Среда должна содержать соединения, в состав которых входят сера, фосфор, калий, магний и микроэлементы. Большинство микроскопических грибов усваивают серу из сульфатов, а фосфор – из фосфатов. Аспергиллы не нуждаются в готовых витаминах и факторах роста, так как способны сами синтезировать их из более простых соединений, имеющихся в среде. Препараты ферментов из микроскопических грибов включают, как правило, широкий набор ферментов, поэтому могут полностью заменять зерновой солод.

*1 – Asp. otyzae; 2 – Asp. awamori; 3 – Penicillium; 4 – Mucor; a – мицелий; б – конидие-носцы; в – конидии и споры

На спиртовых заводах стали широко применять высокоактивный по глюкоамилазе штамм Asp. Awamori 466 и ВУД-Т2, выращиваемые на концентрированном кукурузном сусле (18% сухих веществ). Готовая культура имеет активность до 250 ед. ГлА на 1 мл, других ферментов образует мало.

Дрожжеподобные организмы

Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы родов Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces.

В спиртовом производстве нашли применение End. bispora и End. Species 20-9, выращиваемые глубинным способом и продуцирующие главным образом активную глюкоамилазу; α-амилазная активность проявляется слабо. Высокоактивный End. bispora имеет разветвленный мицелий, образует бластоспоры; гифы – септированные, зернистые; на твердых агаризованных средах образуют колонии с воздушным серовато-белым мицелием, на жидких питательных средах – гифы и некоторое количество бластоспор.

Дрожжеподобные грибы в спиртовом производстве самостоятельно не применяют, так как они не содержат других ферментов, необходимых для нормального осахаривания сусла из крахмалсодержащего сырья. Обычно их используют в смеси с ферментными препаратами из микроскопических грибов или бактерий.

Бактерии

Активные амилазы способны синтезировать многие бактерии: Вас. subtilis, Вас. diastaticus, Вас. mesentericus, Вас. macerans и Вас. polymycus и др.

Бактерии – продуценты амилолитических ферментов представляют собой палочки длиной 1,2-1,3 мкм и диаметром 0,6-0,8 мкм. Палочки соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Цикл развития бактерий короче, чем микроскопических и дрожжеподобных грибов. Например, культуру Вас. diastaticus выращивают в глубинных условиях при температуре 60°С в течение 10-12 ч.

Бактерию Вас. subtilis-82, применяемую в настоящее время на спиртовых заводах как продуцент α-амилазы в смеси с препаратами глюкоамилазы, выращивают в течение 48-60 ч. при температуре 30-35°С.

Особенность бактерий – их способность образовывать высокоактивную термостойкую α-амилазу, необходимую для разжижения и декстринизации крахмального клейстера на стадии подваривания замесов и осахаривания сусла.

Номенклатура ферментных препаратов в производстве спирта

Ферменты микробного происхождения применяют в спиртовом производстве в виде естественной культуры – сухой поверхностной или жидкой глубинной, а также в виде концентрированных препаратов. При определении названия ферментного препарата учитывают только основной фермент, активность которого в препарате превалирует. Название каждого препарата образуется из сокращенного названия этого фермента, вида микроорганизма-продуцента и оканчивается во всех случаях на «ин». Например, если продуцентом глюкоамилазы является Asp. batatae или Asp. awamori, то препарат называется соответственно глюкобататин или глюкаваморин; если продуцент α-амилазы – Asp. oryzae или Вас. diastaticus, то препарат называется амилоризин или амилодиастатин. Для препарата, полученного глубинным культивированием, после названия ставится буква «Г», при поверхностном – «П».

Условно количество фермента в стандартной глубинной или поверхностной культурах обозначается буквой «х». При этом под «стандартной культурой» понимается готовая культура продуцента, обладающая строго определенной активностью на единицу массы. Так, глубинную культуру End. bispora называют глюкоэндомикопсин Гх, а поверхностную культуру Asp. Oryzae – амилоризин Пх.

Цифры перед буквой «х» в наименовании препарата показывают степень очистки фермента: Пх и Гх – это стандартная исходная культура продуцента без какой-либо очистки; П2х и Г2х – жидкий концентрат растворимых веществ исходной культуры, освобожденный от нерастворимой фазы, с содержанием сухих веществ 40-50%; ПЗх и ГЗх – сухие ферментные препараты, полученные высушиванием экстракта из поверхностной культуры или культуральной жидкости при глубинном культивировании; ШОх и ПОх – сухие препараты, полученные осаждением ферментов из водных растворов органическими растворителями или высаливанием; Ш5х и П5х – препараты ферментов, очищенных различными методами; П25х и Г25х – высокоочищенные, но не кристаллические ферментные препараты, содержащие до 20-25% балластных веществ.

Применение высокоочищенных препаратов от 10х до 25х в спиртовой промышленности нецелесообразно, так как они слишком дороги. Для осахаривания разваренной массы используют естественную культуру Гх или Пх или практически неочищенные концентрированные жидкие или сухие препараты П2х, Г2х, ПЗх и ГЗх.

содержание .. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ..