Федеральное агентство по рыболовству Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Астраханский государственный технический университет» Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS по международному стандарту ISO 9001:2015 Институт рыбного хозяйства, биологии и природопользования Кафедра «Прикладная биология и микробиология » РЕФЕРАТ по дисциплине «Введение в биотехнологию» на тему: «Технологическая схема получения липидов» Выполнил студент группы ДББМБ-21/2 Кострыкина Екатерина Аркадьевна Проверил Доцент кафедры: Пархоменко Анна Николаевна 1 Астрахань, 2020 Содержание: Введение 1. Характеристика конечных продуктов производства 2. Химическая схема производства 3. Технологическая схема производства 4. Обоснование целесообразности использования микробиологического способа производства 5. Описание технологических стадий и режимов в производстве продукта. Характеристика используемого сырья. 6. Применение микробных липидов в пищевых производствах Список используемых источников 2 Введение Главным источником липидов для людей на сегодняшний день являются растительные и животные жиры. В организме человека жиры выполняют важнейшие функции, в следствии чего их относят к основным пищевым веществам. Они нужны организму человека так же, как белки и углеводы, так как они содержат незаменимые вещества. Во-первых, они обладают высокой энергетической ценностью, превышая энергию белков и углеводов больше в два раза. В организме постоянно должен быть какой-то запас жиров. При их недоставании организм приступает к белкам и углеводам, в следствии чего притормаживается развитие всего организма. Жиры участвуют в пластических процессах, они нужны для рационального усвоения жирорастворимых витаминов - ретинола (витамина А), эргокальциферола (витамина В2), токоферола (витамина Е), филлохинонов (витамина К), микроэлементов (кальция и магния). Они увеличивают вкусовые качества пищи, вызывая чувство продолжительной насыщаемости. Из-за тонкой жировой пленке волосы выглядят здоровыми, а кожа упругой. Жиры обязательно должны присутствовать в рационе здорового человека. Длительное ограничение жиров в питании может плохо сказаться на здоровье организма, что выражается в нарушении функции нервной системы, почек, органов зрения. Также изменяется химический состав тканей, проявляются заболевания кожи, уменьшается физическая активность и сопротивляемость организма к болезням, уменьшается продолжительность жизни. Вместе с потреблением большого количества жиров для пищевых целей огромная их часть реализуется и в различных отраслях промышленности (медицинская, химико-фармакоцевтическая, лакокрасочная, шинная, производство мыла, лакокрасочная, смазки, металлургия и т. д.) На данный момент ищут новые источников жиров. И в качевстве реального источника для технических целей могут стать микроорганизмы, 3 которые уже известны человеку как некие «фабрики» производства спирта, различных органических кислот, витаминов, белка, ферментов и т.д. Для производства липидов микробного происхождения может быть использовано дешевое сырье. В дальнейшем они могут заменить жиры и масла растительного и животного происхождения, которые сейчас используют для технических целей. Дешевым сырьем являются гидролизаты древесины или торфа, а также нефтяные продукты. 4 1. Общая характеристика продукта Липиды - это обширная группа жиров и жироподобных веществ, которые содержатся во всех живых клетках. Они неполярны и, следовательно, гидрофобны. Липиды практически не растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях, например в эфире, бензоле, хлороформе. В некоторых клетках липидов очень мало, всего несколько процентов, а в некоторых их содержание достигает 90 % (семена подсолнечника, подкожная жировая клетчатка). По химическому строению липиды разнообразны. Однако настоящие липиды – это сложные эфиры высших жирных кислот и какого-либо спирта. В процессе культивирования микроорганизмов на различных средах получаются три класса липидов: простые, сложные липиды и их производные. л Простые липиды - нейтральные жиры и воски. Нейтральные жиры (основные запасные компоненты клетки) - эфиры глицерина и жирных кислот, основная сумма которых триацилглицериды (также есть ещё и моно- и диглицериды). 5 2. Общая формула триацилглицеридов Воска – сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных или двухатомных спиртов с числом углеродных атомов от 16 до 22. Общие их формулы можно представить так: Большое количество нейтральных липидов синтезируют дрожжи и мицелиальные грибы. Простые липиды применяются в технологической смазке в процессе холодной и тепловой обработки металлов. Продуценты сложных липидов есть бактерии. Сложные липиды разделяют на 2 группы: фосфолипиды и гликолипиды. Фосфолипиды входят в состав различных клеточных мембран и участвуют в переноске электронов. Молекулы полярны и при рН равном 7,0 фосфатная группа имеет отрицательный заряд. 6 Концентрат фосфолипидов применяется в виде антикоррозийной присадки к маслам и качестве добавки при флотации различных минералов. Гликолипиды не содержат молекулы фосфорной кислоты, как фосфолипиды, но тоже являются сильнополярными соединениями благодаря наличию в молекуле гидрофильных углеводных групп (остатков глюкозы, маннозы, галактозы и др.). К производным липидов можно отнести: жирные кислоты, спирты, углеводороды, витамины Д, Е и К. Жирные кислоты - насыщенными и ненасыщенными с одной двойной связью кислотами нормального строения и четным числом углеродных атомов (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая). Среди диеновых жирных кислот можно выделить линолевую кислоту. Двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах микробных липидов чаще всего находится так, что делят их на части, число углеродных атомов в которых кратно трем. Очищенные монокарбоновые кислоты с числом углеродных атомов 14-18 применяют в мыловаренной, шинной, химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. 7 3. Обзор возможных способов получения продукта Концентрация липидов в клетках микроорганизмов составляет около 75% сухой биомассы. В состав липидов микроорганизмов входит довольно много ненасыщенных жирных кислот. Соотношение насыщенных и ненасыщенных кислот зависит не только от свойств продуцента, но и от условий культивирования. Малая температура стимулирует синтез ненасыщенных жирных кислот у грибов. Общее количество и соотношение жирных кислот зависит и от присутствия K, Na, Mg и их соотношения в среде. Синтез липидов стимулирую ингибиторы углеводного обмена, например, арсенит натрия. Технологический процесс получения микробных липидов, в отличие от получения белковых веществ, включает стадию выделения липидов из клеточной массы методом экстракции в неполярном растворителе (бензине или эфире). В следствии, получается одновременно 2 готовых продукта: микробный жир (биожир) и обезжиренный белковый препарат (биошрот). Сырьем для этого процесса является та же среда, что и для производства кормовой биомассы, что вдвойне выгодно. Способность к усиленному накоплению липидов имеет промышленное значение, ею обладают немногие микроорганизмы, в первую очередь дрожжи. 8 Процесс образования липидов у большинства дрожжей состоит из двух четко разграниченных стадий: первая обусловлена скорым образованием белка в условиях большого снабжения культуры азотом и сопровождается медленным накоплением липидов (в основном фосфоглицеридов и нейтральных жиров); вторая - прекращением роста дрожжей и усиленным накоплением липидов (в основном нейтральных липидов). Стандартными липидообразователями являются дрожжи Cryptococcus terricolus, отличительной особенностью которых является способность синтезировать огромное количество липидов (до 60% от АСВ) при любых условиях, даже наиболее благоприятных для синтеза белка. Из других липидообразующих дрожжей промышленный интерес захватывают дрожжи С. guiltiermondii, которые утилизируют н-алканы, Lipomyces lipoferus и Rhodotorula gracilis, накапливают большие липидов (50-60% от АВС) и активно развиваются на углеводных субстратах, в том числе и на мелассе, гидролизатах торфа и древесины. У этих видов дрожжей липогенез очень сильно зависит от условий культивирования. Использование дрожжей С. guilliermondii, обычно применяемых для биосинтеза белковых веществ как продуцента липидов, содержание которых у данного вида составляет 16-20% от АСВ, является экономически выгодным, если учитывать большие объемы производства БВК и возможности получения биожира вместе с белком. Также, все другие продуценты липидов накапливают значительные (до 70%) количества триацилглицеридов, в то время как С. guiltier mondii накапливают до 50% фосфолипидов. Микроскопические грибы пока не получили большого распространения как продуценты липидов, хотя грибной жир по составу схож с растительными жирами. Ha углеводных средах достигает 51% от АСВ. Липидный состав грибов представлен в основном нейтральными жирами и фосфолипидами. Особенностью бактерий как продуцентов липидов является своеобразие состава их липидов, включающих, сложные липиды (фосфо- и гликолипиды), 9 тогда как нейтральные жиры составляют малую часть биомассы. Однако с учетом более разнообразного состава жирных кислот (от С10 до С20), входящих в жирорастворимую часть бактериальных клеток, вопрос о промышленном использовании липидов бактерий может возникнуть при необходимости получения специфических жирных кислот. Водоросли являются перспективными для культивирования их в качестве липидообразователей, так как они не нуждаются в органическом источнике углерода для биосинтеза БЖУ. Химический состав водорослей зависит от условий культивирования: меняя содержание азота в среде, можно получить клетки, имеющие 58% от АСВ белка и 5% от АСВ жира или всего около 8% от АСВ белка и до 85% от АСВ жира. Однако наличие таких недостатков, как маленькая скорость роста и накопление в клетках токсических соединений, сковывает их промышленное применение. Главную роль в процессе биосинтеза липидов имеют различные штаммы дрожжей. Они используют такое же сырье, что и для получения кормового белка, причем от ценности углеродного питания зависят выход биомассы, количество и состав синтезируемых липидов. Для обеспечения направленного биосинтеза липидов в питательной среде используют легкоассимилируемые источники азота. На сдвиг биосинтеза в пользу образования липидов или белка влияет соотношение углерода и азота в среде. Так, увеличение концентрации азота вызывает уменьшение липидообразования, а нехватка азота при обеспечении углеродом ведет к снижению выхода белковых веществ и высокому процентному содержанию жира. Выявлено, что оптимальное соотношение N:С тем меньше, чем труднодоступнее для дрожжей источник углерода. Обычно для углеводородного сырья соотношение N:C = 1:30, а для углеводного - 1:40. Накопление липидов возможно только при наличии в среде фосфора. При его нехватке источники углерода используются не в полном 10 объёме, при избытке – скапливаются нелипидные продукты. На фракционный состав липидов изменение содержания фосфора влияния не оказывает. Воздействие других элементов среды (микро- и макроэлементов) отражается на интенсивном росте дрожжей и скорости утилизации источника углерода, что оказывает влияние на количество накопленных липидов, но не на их качество. 4. Обоснование целесообразности использования микробиологического способа производства Целесообразность получения липидов биотехнологическим методом заключается в том, что полученные таким образом, они представляют собой дополнительный сырьевой источник, имеющий техническое назначение, следовательно, дает возможность сэкономить сырье растительного и животного происхождения, таким образом, получение липидов (так же как и белков) микробиологическим способом позволяет решить проблему продовольственной безопасности. Более того, если представить, что будет найден химический (или иной) способ производства данного продукта, то наверняка окажется более затратным, поскольку только в процессах биотехнологии можно использовать дешевые отходы с/х и промышленности. Биотехнологические процессы в сравнении с химическими, как правило, более экологичны, имеют меньше вредоносных отходов, схожи с протекающими в природе естественными 11 процессами, протекают при сравнительно малых температурах и давлениях. Как правило, технология и аппаратура в биотехнологических производствах более просты и дёшевы. Среди биотехнологических способов наивысший выход липидов обеспечивает культивирование дрожжей рода Lipomyces lipoferus на гидролизатах торфа, являющихся дешевым и возобновляемым сырьевым ресурсом. 5. Описание технологических стадий и режимов в производстве продукта Стадия 1. Торф подвергается кислотному гидролизу при воздействии концентрированной серной кислоты и высокой температуры (120°C) Цель гидролиза - перевести углеводы торфа в простые сахара, которые станут доступными для питания дрожжей. Стадия 2. Охлаждение гидролизата производится водой с температурой 18°C с целью предотвращения гибели засевных дрожжей от высокой температуры. Стадия 3. Гидролизат торфа подвергается нейтрализации до рН=6 с помощью известкового молока, поскольку данное значение кислотности является оптимальным для жизнедеятельности дрожжей. Стадия 4. Получение засевных дрожжей. 12 Под чистой культурой в производстве следует понимать 100%-ную биомассу дрожжей, рекомендуемую производству для культивирования на перерабатываемом в данный период времени сырье. Засевные дрожжи чистой культуры приготавливаются по особому режиму, начиная от лабораторной пробирки и кончая производственным дрожжерастильным аппаратом - ферментатором. Процесс выращивания засевных дрожжей разбивается на ряд операций, основными из которых являются: ·выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях, ·выращивание засевных дрожжей в малой и большой дрожжанках, ·выращивание засевных дрожжей в малом дрожжерастильном аппарате. Выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях осуществляется в несколько стадий в колбах или бутылях различной вместимостью. В качестве питательной среды на всех стадиях установки истой культуры применяют нейтрализованный гидролизат. Питательную среду приготавливают в специальном аппарате, так называемом стерилизаторенейтрализаторе, к которому подведены воздух, известковое молоко, водная вытяжка суперфосфата. Аппарат, заполненный нейтрализованным гидролизатом, с целью стерилизации среды нагревают до 80?С и дополнительно нейтрализуется до рН 5,5 - 5,8 при непрерывном воздушном или механическом перемешивании. При этом добавляются питательные соли:, водная вытяжка суперфосфата, сульфат магния, хлористый калий. Питательную среду можно употреблять после отстаивания и охлаждения. Отстаивание обычно продолжается 5 - 8 ч. Для очистки от осадка в стерилизаторе-нейтрализаторе предусмотрены декантационные устройства, а для механической выгрузки осадка из аппарата - боковой и верхние люки. Первая стадия выращивания засевных дрожжей в производственных условиях осуществляется в малой дрожжанке общей вместимостью 500 л. Вначале в дрожжанку набирают 180 л кипяченой воды, затем подают 40 л 13 подготовенной питательной среды. В этот субстрат засевают выращенные в лаборатории дрожжи в количестве 120 - 140 г в пересчете на прессованные, вместе со средой, на которой они выращивались. Питательная среда в малой дрожжанке должна содержать РВ в пределах 0,4 - 0,5%. Все содержимое дрожжанки интенсивно продувается воздухом в течение 12 - 14 ч с постепенной за это время добавкой питательной среды с таким расчетом, чтобы к концу периода объем жидкости был 310 л. При выращивании поддерживается рН 4,0 - 5,5 путем подачи аммиачной воды. На первой стадии за один цикл получают 3,5 - 4,5 кг биомассы дрожжей, содержащих 75% влаги. Вторая стадия осуществляется в больщой дрожжанке общей вместимостью 4,5 - 5 м3. Весь процесс второй стадии аналогичен процессу первой стадии: в дрожжанку подается 1300 л кипяченой воды, 200 л питательной среды, все засевные дрожжи вместе с отработанной средой с первой стадии. Процесс протекает в течение 10 - 11 ч. Третья стадия осуществляется в малом дрожжерастильном аппарате вместимостью 12 - 15 м3. Аппарат заполняют кипяченой водой (1500 л), засевными дрожжами вместе с отработанной средой со второй стадии (2500 л) и свежей средой (500 л). Засевных дрожжей должно быть не менее 7,5 - 15% от массы РВ. Процесс протекает в течение 8 - 9 ч. За это время в малом аппарате в соответствии с режимом дозировки питательной среды накапливается 6000 л среды с содержанием в ней до 90 -100 кг биомассы дрожжей. В 1 л среды накапливается 15 - 20 г дрожжей, содержащих 75% влаги. При накоплении этого количества дрожжей начинается непрерывный отбор по 1 - 1,5 м3/ч засевных дрожжей вместе с отработанной средой из малого аппарата в производственный дрожжерастильный аппарат, где выращиваются товарные дрожжи. Одновременно в малый аппарат подается такое же количество свежей питательной среды. Непрерывная работа малого 14 аппарата продолжается 5 - 7 сут. На восьмые сутки следует повторить процесс выращивания чистой культуры засевных дрожжей, начиная с лабораторного размножения отобранных наиболее эффективных производственных дрожжей, полученных от первого оборота. Этим приемом повторной селекции достигается получение высокоурожайной и устойчивой в производственных условиях культуры дрожжей. Стадия 5. Засев питательной среды. Осуществляется путем помещения засевных дрожжей в количестве 10-15% от массы среды на подготовленную питательную среду. К среде добавляют дополнительно 0,1 г/л КН2РO4, 0,04 г/л МgSO4, 0,04 г/л CaCl2. Содержание азота в среде в гидролизате достаточно. Стадия 6. Культивирование дрожжей. Производится при температуре 30°C, в течение 5 суток. Динамика накопления биомассы и липидов представлена на рисунке 2. Содержание липидов в биомассе на 4-5 сутки составляет 50% по сухому веществу. В их состав входит 5-6% фосфолипидов, 4,8-6,5% стеринов, 2,110,7% - моно и диглицеридов, 2,3-9,6% - свободных жирных кислот, 70,775,1% - триглицеридов, 1,7-2,1% - эфиров стеринов и воска. Стадия 7 - Промывка и отделение биомассы дрожжей. Промывка водой требуется для отделения дрожжей от гидролизата. Последующее отделение биомассы от воды и остатков гидролизата осуществляется в 2 стадии. Первая - флотация, которая позволяет сгустить суспензию до концентрации дрожжей 60-120 г/л, вторая сепарирование - при прохождении трех ступеней сепараторов дрожжевая суспензия сгущается до концентрации 400-750 г/л. Стадия 8. Экстракция липидов из клеточной биомассы осуществляется диэтиловым эфиром. Из 1 т торфа можно получить 40-50 кг липидов. Стадия 9. Эфир отделяется от липидов путем перегонки смеси. Перегонка осуществляется при 50°C, поскольку такая температура обеспечит 15 полное удаление диэтилового эфира (температура кипения которого составляет 34,6°C). После отгонки эфира получаем готовый продукт. [6] Стадия 10. Рафинация - это процесс очистки от сопутствующих примесей. К примесям относятся следующие группы веществ: сопутствующие триглицеридам вещества, переходящие из доброкачественного сырья в процессе извлечения; вещества, образующиеся в результате химических реакций при извлечении и хранении жира; собственно примеси - минеральные примеси, частицы мезги или шрота, остатки растворителя или мыла. Все методы рафинации делятся на: физические - отстаивание, центрифугирование, фильтрация, которые используются для удаления механических частиц и коллоидно-растворенных веществ; химические сернокислая и щелочная рафинация, гидратация, удаление госсипола, которые применяются для удаления примесей, образующих в маслах истинные или коллоидные растворы с участием удаляемых веществ в химических реакциях; физико-химические - отбеливание, дезодорация, вымораживание, которые используются для удаления примесей, образующих в маслах истинные растворы без химического изменения самих веществ. 6. Применение микробных липидов в пищевых производствах Микробные липиды имеют в основном техническое назначение, а именно: используются для производства корма для скота, в косметической и фармацевтической промышленности. Но попутно с микробными липидами могут синтезироваться в зависимости от штамма продуцента и условий культивирования жирорастворимые 16 витамины А, D, E, которыми обогащаются продукты функционального питания. Кроме того, в дрожжах накапливаются липолитические ферменты, которые могут быть использованы в кондитерской промышленности. В производстве шоколада, карамели, ириса, сливочного крема применяют липазы. Под действием липаз образуются свободные жирные кислоты, которые усиливают аромат полученных сахаристых изделий. При низких уровнях свободных жирных кислот аромат изделий усиливается, но новые ароматы не образуются; средний уровень свободных жирных кислот придает аромат масла; высокий - аромат сыра. Подобные ароматические вещества могут быть получены путем модификации масел или жиров с применением препаратов липаз различного происхождения (животных, микробных, растительных). 17 Список используемых источников 1. .Рогов И.А. Пищевая биотехнология. Кн.1: Основы пищевой биотехнологии: учебник / И.А.Рогов, Л.В.Антипова, Г.П.Шуваева. - М.: КолосС, 2004. - 439 с 2. .Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии: учебное пособие для вузов / В. В. Бирюков. - М.: КолосС, 2004. - 296 с. 3. .Клунова С.М. Биотехнология: учеб. пособие для вузов / С.М.Клунова, Т.А.Егорова, Е.А.Живухина. - М.: Академия, 2010. - 207 с. 4. .Рогов И.А. Пищевая биотехнология. Кн.1: Основы пищевой биотехнологии: учебник / И.А.Рогов, Л.В.Антипова, Г.П.Шуваева. - М.: КолосС, 2004. - 439 с. 5. .Интернет- ресурс #"justify">.Боборенко Э.А. Получение и выделение дрожжей / Э. А. Боборенко // - М.: Лесная промышленность, 1970 - 300 с. Размещено на Allbest.ru 18
