Когда мы говорим о витаминах, то сразу же вспоминаем, что лечащие врачи рекомендуют употреблять самые различные витамины в зависимости от диагноза заболевания. И мы порою не задумываемся: а как же получают витамины?
Витамины необходимы каждому организму, они — важные компоненты ферментов, без которых последние не могли бы выполнять свои биохимические функции.
В различных пищевых продуктах содержатся витамины, поступающие в организм с пищей, но некоторые из них (С, Д, группы В) получают с помощью микробов в заводских условиях.
При отсутствии того или иного витамина в пище возникают определенные заболевания.
Болезненные явления, вызванные недостатком витаминов
|
Витамин |
Заболевания |
|
A |
Нарушение кожного покрова, куриная слепота |
|
B1 |
Поражение периферических нервов (бери-бери) |
|
B2 |
Воспаление кожи вокруг глаз и рта (дерматиты) |
|
B12 |
Злокачественное малокровие (авитаминоз В12) |
|
PP (никотиновая кислота) |
Пеллагра (болезнь, поражающая кожу, пищеварительный тракт, нервную систему) |
|
C |
Цинга |
|
Д |
Недостаточный рост костей (рахит) |
|
K |
Нарушение способности свертывания крови, кровоточивость (гемофилия) |
В дрожжах содержится много витамина B1 (аневрин, тиамин). Этот витамин способствует росту, улучшает аппетит, помогает всасыванию и усвоению пищи, содействует обмену веществ, он необходим для нормальной деятельности нервных тканей. При отсутствии его развивается очень тяжелое заболевание бери-бери: появляются отеки, судороги, параличи, расстройство нервной системы, что приводит к смерти.
В дрожжах есть значительное количество витамина В2 (рибофлавина), B6 (пиридоксина), витамина РР (никотиновой кислоты). При облучении их ультрафиолетовыми лучами они образуют витамин Д (противорахитный). Из дрожжей удалось выделить более двадцати различных витаминоподобных веществ, получивших общее название ростовых веществ. Дрожжи — незаменимый лечебный препарат при целом ряде заболеваний, связанных с неправильным, односторонним питанием, особенно при истощении, малокровии и т. д. Сегодня микробиологи получают в широком промышленном масштабе витамины B12, В2, Д. Витамин В2 извлекают из продуктов жизнедеятельности дрожжей. Некоторые патогенные для растений грибы образуют его в больших количествах и избыток выделяют в виде кристаллов в среду. В 1 л жидкой культуральной среды этих микроскопических грибов содержится около 1 г рибофлавина — это столько, сколько в 500 л коровьего молока. Промышленность выпускает примерно 100 кг этого витамина каждые 4—5 дней. Недостаток рибофлавина в рационе птиц сказывается на приросте их массы. Добавление же его (от 1 до 3—4 мг) на каждый килограмм корма приводит к значительному повышению прироста массы и улучшению инкубационных качеств яиц. Источником витамина В2 служат отходы промышленного производства пенициллина и культуральная жидкость после выращивания дрожжеподобного грибка, где накапливается до 2500 мг рибофлавина на литр среды.
Витамин В12 используется для приготовления чистого медицинского препарата. Суточной его дозы (1/1000000 г) достаточно для обновления крови при некоторых видах малокровия. В неочищенном виде этот витамин вместе с некоторыми антибиотиками добавляют в корма домашних животных.
Биотин (витамин Д) вырабатывается дрожжами. Из них добывают эргостерин, облучая который ультрафиолетовыми лучами, получают витамин Д, широко применяемый в медицине для лечения рахита.
Витамин Д используют в сельском хозяйстве: добавляют в корм курам для повышения их яйценоскости. Он обогащает коровье молоко, молодняк животных предохраняет от заболевания рахитом. Микробы могут быть источником витамина А (каротина). Недостаток его тяжело отражается на молодняке свиней и крупного рогатого скота, его дефицит снижает прирост массы вследствие ослабления организма и содействует возникновению ряда различных заболеваний. Обычные источники витамина А — рыбий жир и печень крупного рогатого скота, а также трава, сено, силос, в которых содержится большое количество каротина, являющегося провитамином и превращающегося в витамин А в организме животного.
Образование витамина В12 происходит почти исключительно в клетках различных микробов. При добавлении к рациону небольших количеств этого витамина приросты массы животных повышаются на 10—20%, так как значительно улучшается усвоение белков и растительных кормов.
Витамин В12 (кобаламин) получают при выращивании продуцента антибиотика стрептомицина на среде, содержащей кобальт. В этом случае на литр среды выделяется около 1 мг витамина.
Метанообразующие бактерии растут на дешевом сырье — барде — и содержат витамин В12 в своих клетках в большом количестве (0,3 мг в 1 г сухой бактериальной массы). Предварительные расчеты показали, что при переработке в сутки 1000 т мелассной барды можно получить 300 кг витамина, что полностью удовлетворило бы потребности животноводства страны в этом витамине.
Широко используются пропионовокислые бактерии для промышленного получения витамина В12. Его в основном получают при выращивании бактерий некоторых актиномицетов — продуцентов антибиотиков. Используются также микроорганизмы, живущие в осадках сточных вод — метанообразующие бактерии.
В засоленных водоемах Крыма растет особая одноклеточная водоросль, которая накапливает очень много каротина, а среди так называемых «лучистых грибков» есть отличные продуценты каротина, используемые микробиологической промышленностью.
Действительно велика деятельность «невидимок»! Какими мощными резервами обладает эта крошечная живая клеточка, а ведь мы часто не задумываемся и не отдаем должного нашим помощникам — неутомимым спутникам человечества, жителям «третьего царства живой природы».
Промышленное производство витаминов возникло несколько раньше производства антибиотиков, а микробиологический синтез наиболее дешев, а потому и выгоден.
Аминокислоты, витамины и антибиотики широко применяют в сельском хозяйстве как добавки в корма в виде так называемых концентрированных активных добавок, или премиксов, которые применяются в небольших количествах (витамин B12, например, 5 мг на 1 т). Премиксы составляются из нейтральных наполнителей — муки, отрубей и т. п.— и добавляются в корма в количестве 250—300 г на 1 т.
Помимо витаминов микроорганизмы образуют в процессе своей жизнедеятельности большое количество ферментов, необходимых для всех живых существ.
В организме постоянно происходят сложные биохимические реакции, которые регулируются биологическими катализаторами. Ферменты входят в состав клеток всех животных, растений и микроорганизмов. Они обладают строгой специфичностью и при выделении из клетки не теряют своей химической активности. В настоящее время открыто и описано более 800 индивидуальных ферментов, из них 20% выделено в очищенном и кристаллическом состоянии. Ферменты, полученные из микробов, восточные народы издавна использовали для различных целей. Сейчас промышленное получение ферментов из микроорганизмов в ряде производств вытесняет препараты животного и растительного происхождения. Микробные клетки очень быстро размножаются: в течение 20—30 мин появляется новое поколение, тогда как урожай растений собирают 1—2 раза в год, а для получения потомства животных требуется 2—3 года.
Микробы вырабатывают самые разнообразные ферменты, питаясь отходами пищевых и химических производств, что делает их весьма выгодными. Использование ферментов в народном хозяйстве дает большой экономический эффект. Сфера применения их быстро расширяется: это спиртовая, пивоваренная, соковая, винодельческая, мясная, рыбная, сыродельная, хлебопекарная, крахмало-паточная, кожевенная, текстильная промышленность.
В сельском хозяйстве обработка кормов ферментами увеличивает усвояемость их животными, что ведет к повышению прироста их живой массы. Обрабатывая ферментами солому, камыш, хлопковую шелуху, получают богатые сахаром и легкоусвояемые животными корма. Использование их в птицеводстве увеличивает яйценоскость кур и приросты массы бройлеров; в прачечном деле улучшает качество стирки белья; в здравоохранении они применяются в хирургии, терапии, дерматологии; не обходится без ферментов производство ткани, бумаги, кожи.
Отечественная ферментная промышленность начала создаваться после второй мировой войны, а широкое развитие получила с 1962 г. после выхода в свет соответствующих правительственных решений о строительстве заводов ферментных препаратов и организации ВНИИ ферментной и спиртовой промышленности. В стране много мощных заводов по выработке микробных ферментов, оснащенных современным оборудованием. Какие же ферменты продуцируют микробы? Плесневые грибы Аспергиллюс оризэ и Аспергиллюс авамори, выращенные на пшеничных отрубях, образуют большое количество протеолитических ферментов и амилаз, которые расщепляют белки, а также сложный полисахарид крахмал — на более простые вещества.
На спиртовых заводах ферменты плесневых грибов частично или полностью заменяют зерновой солод, поскольку крахмал из ячменных зерен превращается в сусло.
Использование грибов увеличивает выход спирта на 75%, сокращает расход зерна. Амилазу получают и при глубинном выращивании бактерий Бациллюс субтилис на кукурузном крахмале, соевой муке и других продуктах отхода промышленности.
В таблице указаны некоторые ферменты, образуемые микроорганизмами.
|
Фермент |
Микроорганизмы-продуценты |
Промышленное применение |
|
Амилазы (гидролизуют крахмал) |
Аспергиллюс, Бациллюс |
Приготовление хлеба, пива, виски, обработка текстильного волокна, получение сиропов, лечебные препараты |
|
Протеиназы (гидролизуют (белки) |
Аспергиллюс, Бациллюс |
Осветление пива, приготовление виски, обработка кож, выпечка хлеба, сухого печенья, обработка мяса (мягчение), коммунально-хозяйственные моющие средства |
|
Пектиназы (гидролизуют пектин) |
Аспергиллюс |
Производство соков, осветление фруктовых соков |
|
Липаза |
Ризопус, Аспергиллюс оризэ |
Лечебный препарат |
|
Целлюлаза |
Ненроспора |
Крахмало-паточная промышленность, производство фруктовых соков, соевого белка, добавление в корма с.-х. животным |
|
Глюкоамилаза |
Аспергиллюс нигер |
Крахмало-паточная, микробиологическая (введение в среды) промышленность, хлебопечение |
|
Инвертаза |
Сахаромицес церевизиэ |
Кондитерская, хлебопекарная промышленность |
В пивоваренной промышленности для повышения стойкости пива и увеличения сроков его хранения применяются протеолитические ферменты (глюкозоксидаза).
Широкое применение нашли пектолитические ферменты при производстве различных соков из клубники, сливы, плодов, которые трудно отдают сок при прессовании. Ферменты ускоряют в 2 раза срок отстаивания соков, устраняют помутнение и способствуют большему их выходу (60—80%) из плодов и ягод, потери спирта снижаются на 2,5—7%. Очищенные ферменты (пектиназу) используют в виноделии для увеличения выхода виноматериала, особенно при обработке сортов винограда, плохо отдающих сок в обычных условиях. Расходуют их в количестве 0,03—0,05% к массе сырья. Выход сусла в этом случае увеличивается на 5—7%. В мясной промышленности ферменты применяют для придания мясу нежности и ускорения его созревания. Такое искусственное созревание мяса сокращает сроки, необходимые для получения мяса повышенного качества. В связи с этим в несколько раз уменьшается площадь холодильных камер. Добавление ферментных препаратов при посоле и мариновании свежемороженой рыбы ускоряет созревание сельди, содействуя расщеплению белковых веществ, что приводит к размягчению ее мяса.
Ферментные препараты (в основном протеолитические) необходимы в сыроделии для ускорения созревания сыра и улучшения его качества. Для созревания сыра берут липолитические ферменты, расщепляющие жиры — липиды.
В хлебопекарной промышленности при выпечке ржаного заварного хлеба («Московского» и «Бородинского») применяют протеолитические и амилолитические ферменты гриба Аспергиллюс оризэ, штамм 3—9—4 в виде препарата оризин ПК. Не обходится без ферментов и кондитерская (конфеты, шоколад) и крахмало-паточная промышленность (выработка различных крахмало-продуктов, в частности, глюкозные сиропы, карамельная патока). На текстильных предприятиях они необходимы при расшлихтовке тканей (ферменты амилолитические бактериального происхождения), что способствует повышению производительности труда, улучшает качества продукции.
В производстве кожи наиболее трудоемкая операция — удаление волос. С давних времен с этой целью применяли водные растворы извести и сульфиды, но едкие щелочи отрицательно влияли на качество снимаемого шерстного покрова. В нашей стране и за рубежом применяют сейчас препарат оризин П, изготовленный из культуры Аспергиллюс оризэ, который наносится на кожевенное сырье в виде пасты или сиропа (3—5% массы сырья). Установлено, что этот протеолитический фермент на 25—30% увеличивает выход снятой шерсти. Протео- и липолитические ферменты используют в шелковой промышленности для частичного удаления белка-серицина с нитей кокона и обезжиривания холстов. Шелковая нить, разматываемая с кокона, содержит до 30% белка-серицина и 0,7—3,4% жира. Поэтому важнейшая операция — обезжиривание сырья.
Для удаления серицина применяют препарат мезентерии ГК, оризин ПК и др.
Велика роль ферментных препаратов при изготовлении косметических средств.
Ферментными препаратами пользуются при стирке белья, загрязненного белковыми веществами, а также для удаления пятен с материалов при химической чистке. Содержание ферментов в моющих средствах достигает средней концентрации 0,4—0,5%.
Ферментные препараты микробного происхождения пользуются заслуженной популярностью в медицине при лечении многих заболеваний. В основном это протеиназы, целлюлазы, различные виды амилаз, липазы с высокой степенью очистки. Применение находит лизоцим, глюкозоксидаза, цитохром и многие другие.
Больным, страдающим отсутствием в организме определенных пищеварительных ферментов, чаще всего назначают амилолитические и протеолитические препараты.
Для удаления холестериновых бляшек со стенок кровеносных сосудов в клиниках Японии используют липопротеинлипазу, а при лечении сердечно-сосудистых заболеваний применяют высокоочищенные ферментные препараты цитохрома, который восстанавливает деятельность мышц, парализованных при кровоизлиянии в мозг.
Ферменты находят применение в хирургии, стоматологии, в клиниках уха, горла и носа в качестве противовоспалительных средств. Расширение производства ферментов предполагает в перспективе использование ферментных препаратов для переработки отходов и другого непищевого сырья для биосинтеза белковых веществ. Это связано с новым направлением получения белковых веществ из макулатуры и различных сельскохозяйственных отходов без предварительного гидролиза или другой химической переработки. Отходы лишь размалываются и разводятся в среде с ферментами.
Как уже упоминалось, в сельском хозяйстве ферментные препараты способствуют повышению усвояемости питательных веществ кормов различными животными и птицей. Известно, что у жвачных животных сложный желудок, так называемый рубец, где находятся микроорганизмы, образующие ферменты. Они облегчают расщепление в грубых кормах питательных веществ. Особенно эффективно применять ферменты при кормлении молодняка. Добавление оризина ПК, аваморина ПК, тирозина ПК в количестве 0,4—0,6% к массе корма позволило повысить приросты живой массы на 6—9% против контрольных. Как видим, ферменты увеличивают питательную ценность кормов и способствуют сокращению их расходов.
Важно отметить, что при промышленном производстве ферментов берется дешевое сырье (пшеничные отруби, картофельная и зерновая барда, свекловичный жом и другие пищевые отбросы). Выращивают микробы поверхностным или глубинным способом с соблюдением стерильности условий. На заводах есть соответствующее оборудование, проводится систематический микробиологический контроль за производственным процессом. Особенно сложно получить очищенные ферменты. Этот процесс проходит несколько стадий: экстрактацию фермента, очистку экстракта, осаждение и сушку фермента. В нашей стране создана крупная база промышленного получения ферментов микробиологического синтеза. Взят курс на строительство предприятий-гигантов мощностью от 50 до 300 тыс. т продукции в год. За 15 лет с момента организации отрасли среднегодовые темпы прироста промышленного производства составили более 11%.
Перед отраслью стоят сложные научные проблемы. В их решении наряду с институтами Главмикробиопрома принимают участие исследовательские учреждения Академии наук СССР, министерств и ведомств.
Микробы могут быть источниками жиров (возможно, скоро наступит время, когда мы будем пользоваться мылом, изготовленным из микробов), так что в перспективе жиры микробного происхождения заменят жиры и масла растительного и животного происхождения, используемые для технических нужд.
Микробные клетки могут содержать в своей биомассе огромное количество жиров — до 50% по сухому веществу. Интересно то, что микробы могут не только накапливать их в своей клетке, но и выделять в культуральную жидкость. Микробные жиры намного дешевле, так как их получают при выращивании микроорганизмов на недорогом сырье (гидролизаты древесины или торфа, продукты нефти и т. д.).
Большими способностями накапливать жиры обладают дрожжи и микроскопические грибы. Полагают, что можно вырабатывать микробные жиры, близкие по составу к подсолнечному, кукурузному, касторовому, оливковому, даже пальмовому маслу.
Многие органические кислоты (уксусную, молочную, лимонную, янтарную, итаконовую, фумаровую, глюконовую, 2-кетоглютаровую и др.) получают при непосредственном участии микроорганизмов, использующих спирты, углеводы, углеводороды.
Органические кислоты широко применяются в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. Продуцентами этих кислот могут быть бактерии, плесневые грибы или дрожжи. Очень часто при употреблении мясных блюд мы добавляем уксус. Это не что иное как 5—9%-ный раствор уксусной кислоты СН3СООН в воде. Существуют особые уксуснокислые бактерии, которые, попадая в вина, окисляют спиртовый раствор в уксусную кислоту. Уксусная кислота используется в пищевой промышленности для растворения органических красителей, получения медикаментов, пластмасс, синтетических волокон. В нашей стране школой академика В. Н. Шапошникова были начаты работы по использованию уксуснокислых бактерий в промышленном получении уксусной кислоты при пуске Казанского уксусного завода и других предприятий.
Кто не знает молочной кислоты, являющейся продуктом жизнедеятельности молочнокислых бактерий, широко распространенных в природе? Вся молочная промышленность существует благодаря работе этих бактерий. Чаще всего они встречаются в молочных продуктах, на их деятельности основано получение простокваши, сметаны и др.
В промышленности молочную кислоту получают, используя молочнокислую палочку Дельбрюки. В нашей стране с 1945—1951 гг. налажено промышленное производство этой кислоты, широко применяемой в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Молочная кислота идет на получение лаков, чернил, пластмасс, красителей, она незаменима в текстильной промышленности при окраске шелковых и шерстяных тканей.
Молочнокислый кальций находит применение в пищевой промышленности, железо — в фармацевтической. Лактат меди играет очень важную роль в новейших способах гальванопластики. Неоценима заслуга В. Н. Шапошникова в создании (1923) промышленного производства молочной кислоты, а также введении поточного метода брожения, при котором удалось в 2,5 раза ускорить производство молочной кислоты.
Лимонная кислота широко используется в пищевой промышленности для производства кондитерских изделий и напитков; в химической — для приготовления сверхчувствительных фотоэмульсий, окраски волокон; в медицине и т. д. Еще в 30-х годах в стране было организовано производство лимонной кислоты методом брожения, осуществляемого культурой микроскопического плесневого гриба. Большое значение имели работы академика С. Н. Костычева и его школы в Ленинграде и исследования А. М. Буткевича в Москве. В настоящее время этот гриб — основной продуцент лимонной кислоты. Разработан метод получения лимонной кислоты при выращивании специальных культур дрожжей на жидких парафинах.
Существует особая группа микроорганизмов, образующих в процессе своей жизнедеятельности масляную кислоту — это живущая без свободного доступа кислорода большая группа анаэробных палочек, дающих споры.
Масляная кислота имеет неприятный запах пота, но ее соединения со спиртами находят применение главным образом в кондитерском и парфюмерном деле в виде эфиров, напоминающих своим запахом некоторые фрукты (метиловый эфир масляной кислоты по запаху напоминает ранеты, этиловый — груши, амиловый — ананасы и т. д.).
Масляная кислота образуется и при сбраживании солей молочной кислоты, мочке прядильных волокон, гниении белков и т. д. Все это показывает, что способностью к образованию масляной кислоты обладают многие микроорганизмы.
Часто они серьезно вредят в различных производствах, поскольку масляная кислота — сильный яд для многих микроорганизмов (дрожжи) и, кроме того, ее неприятный запах портит пищевые продукты. При промышленном получении масляной кислоты для брожения берется либо крахмал, либо различные сахара.
Пропионовая кислота употребляется в производстве духов, ее используют как растворитель душистых веществ; в химико-фармацевтической промышленности — в качестве сырья.
Бактерии наряду с пропионовой кислотой синтезируют много витамина В12. Пропионовые бактерии широко используют в сыродельной промышленности. Итаконовая кислота получается при помощи культуры гриба Аспергиллюс. Она применяется в качестве денного исходного вещества для производства синтетического нитронного волокна.
Грибы родов Пенициллиум и Аспергиллюс образуют глюконовую кислоту, широко используемую в качестве лечебного средства. Глюконовокислый кальций как источник кальция для детей и беременных женщин лучше, чем молочнокислый.