Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

отбирать из основной их массы, длительно культивируемой в произ­ водстве (этот отбор носит название повторной селекции), или из микроорганизмов, которые являются спутниками основной произ­ водственной культуры. Эти методы применяются в производстве кормовых дрожжей для отбора наиболее полезных, устойчивых и урожайных культур. Практически ценные микроорганизмы необхо­ димо находить и отбирать в природе.

Среди новых генетических методов селекции важное место при­ надлежит полиплоидии. Это —■метод наследственного изменения природы микроорганизмов для целесообразного применения их в хозяйстве. Полиплоидия ведет к скачкообразному кратному уве­ личению количества хромосом в клетке, что вызывает изменение ее биохимической и физиологической активности, повышает при­ способляемость к условиям существования, рост и продуктивность.

Так, А. А. Имшенецким установлено, что полиплоидный штамм Candida scottii—R, полученный под действием паров аценафтена, обладает способностью к повышенному синтезу белка по сравне­ нию с исходным штаммом. Была показана более высокая актив­ ность у него ферментов типа дегидрогеназ, благодаря чему поли­ плоидная культура активнее синтезирует белок и дает больший выход биомассы.

5. Направленные мутации. Для использования в промышленно­ сти очень важно получение новых продуктивных культур микроор­ ганизмов с наследственно закрепленными свойствами и отличиями. В настоящее время ведутся исследования по наследственному из­ менению признаков и свойств гидролизных дрожжей с помощью направленных мутаций. Под влиянием мутагенного фактора — камфоры был получен более продуктивный мутант у дрожжей Candida tropicalis, штамм Кп-1 (кропоткинская). Он дает больший выход биомассы при значительно более высокой скорости роста.

4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРООРГАНИЗМОВ

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов химический со­ став их изменяется в известных пределах. Цитоплазма микробной клетки состоит из различных органических и минеральных соеди­ нений. На долю органических веществ приходится 90—92%, а 8 —

10% составляют минеральные вещества. Вода составляет 75— 85% от массы клетки. Часть воды связана с компонентами клетки и входит в ее структуру — это связанная вода. Другая часть — свободная вода используется для растворения различных веществ, образующихся в процессе обмена. Сухое вещество клетки состав­ ляет 15—25%.

Дрожжевая клетка состоит из 75% воды и 25% сухих веществ. Около 20% сухого вещества клетки сосредоточено в клеточной оболочке. Состав сухого вещества дрожжей колеблется в следу­ ющих пределах (%): белков 45—55; углеводов 30—33; жиров и жироподобных веществ 3—5; минеральных веществ 7— 11.

В сухом веществе клеточной оболочки содержится 6 —7% бел­

ка, 68—70% полисахаридов, дающих при гидролизе маннозу и глюкозу, 3% хитина, фосфолипиды и липоиды.

Микробная клетка (если не считать воду) состоит главным об­ разом из белковых веществ. Содержание белков в дрожжах со­ ставляет в среднем 50%, у бактерий — 80% от сухого вещества. Количество белковых веществ в клетке не постоянно, зависит от вида микроорганизмов и их физиологического состояния, состава питательной среды. Чем богаче среда азотистыми веществами, тем больше белка синтезируется в цитоплазме клетки. В состав белковых веществ микроорганизмов входят протеины (простые белки), 47—55%, и протеиды (сложные белки). К протеинам от­ носятся альбумины, растворимые в воде, глобулины, растворимые в водных растворах различных солей, и пептоны. При гидролизе протеины образуют аминокислоты. Протеиды представляют собой

тельности микробов имеют нуклеопротеиды. Из углеводов в ми­ кробных клетках больше всего полисахаридов; в цитоплазме на­ ходятся гликоген, декстрины, глюкоза, глюкуроновая кислота. Пентозы входят в состав нуклеопротеидов. Встречается также маннит, сорбит и другие вещества углеводного характера.

Содержание жира у микроорганизмов зависит от видовых осо­ бенностей, возраста клетки, аэрации и состава питательной среды. Накоплению жира в микробных клетках способствуют хорошая аэрация, повышенные температуры и среда, богатая углеводами. Содержание жира в этом случае может достигнуть 50%. Жиры принимают участие в процессах обмена дрожжевой клетки и ис­ пользуются как энергетический материал, часть их — запасные ве­ щества.

Вмикробных клетках содержатся также жироподобные вещест­ ва— липоиды, входящие в состав клеточной оболочки и цитоплаз­ матической мембраны. Они участвуют в адсорбционных процессах цитоплазмы и регулировании проницаемости клетки для поступа­ ющих в нее веществ.

Всостав жиров и липоидов входят свободные жирные кислоты, нейтральные триглицериды, стериды (эргостерин, холестерин), фосфатиды и воски.

^Химический состав минеральных веществ (зольных элементов) микроорганизмов может колебаться. Ниже приведен примерный состав золы дрожжей (%):

В состав минеральных веществ дрожжей входят в основном фос­ фор (50%) и калий (30%). Меньше содержится: Mg, Ca, S, Fe,

175

Na, Mn. Дрожжи содержат также микроэлементы: Cu, Со, Zn, Ni, Mo, Те, I. Содержание Си составляет 1,6—3,4; Со — 0,02—0,08; Zn — 9,0— 17,4 мг % от абс. сухого вещества дрожжей. Дрожжи содержат большое количество витаминов, в состав их входит поч­ ти полный комплекс витамина В, витамин С, эргостерин — прови­ тамин витамина D2.

5. ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Жизнедеятельность и развитие микроорганизмов основаны на непрерывном обмене веществ с окружающей средой. Обмен веществ заключается в поступлении питательных веществ из внешней сре­ ды в клетку, в синтезе из них новых структурных элементов и вы­ делении во внешнюю среду продуктов жизнедеятельности. Глав­ ные процессы обмена веществ — питание и дыхание. Питание — это процесс поступления и усвоения питательных веществ, в резуль­ тате которого организм получает необходимые материалы для ро­ ста, размножения и жизненной энергии. У микроорганизмов нет специальных органов для принятия пищи. Процесс питания совер­ шается путем диффузии, осмоса и адсорбции. Интенсивность этих процессов зависит от строения клетки, проницаемости ее оболочки и цитоплазматической мембраны, пропускающей растворенные питательные вещества, и от способности последних подвергаться сложным биохимическим превращениям в цитоплазме.

На жизнедеятельность микробной клетки большое влияние ока­ зывают концентрация и состав питательной среды.

Вода с растворенными веществами поступает в клетку, в кото­ рой создается осмотическое давление, равное 3— 6 кгс/см2 и обус­

ловленное растворенными в клеточном соке веществами (тургор­ ное давление). В этом случае цитоплазма прижата к оболочке клетки, находящейся в напряжении, которое носит название т у р ­ гор. При увеличении концентрации питательного раствора, т. е. при повышении осмотического давления во внешней среде, вода выходит из клетки, тургор ее нарушается, цитоплазма сокраща­ ется и отходит от оболочки. Такое явление называется плазмо­ лизом. Если во внешней среде очень низкое осмотическое давле­ ние, т. е. в ней низкая концентрация растворенных веществ, то в клетку поступает большое количество воды, цитоплазма разбу­ хает, образуется вздутие, что может привести к разрыву оболочки. Это — плазмоптис. Оба эти явления могут привести к гибели клет­ ки. Микроорганизмы обладают определенной избирательной спо­ собностью усваивать тот или иной субстрат.

Способность различных веществ проникать в микробную клетку зависит от величины и химического строения их молекул, степени диссоциаций на ионы. Соединения, содержащие амино-, оксиили карбоксильную группы, проникают в клетку гораздо труднее. Чем больше таких групп, тем меньше проницаемость. Так, шестиатом­ ные спирты практически не проникают в микробную клетку. Жир­ ные кислоты с одной карбоксильной группой легче проникают, чем

176

соответствующие им оксикислоты. Это явление объясняется струк­

растворения питательных веществ. В среде должно быть достаточ­ ное количество воды, необходимой для растворения питательных веществ. Некоторые соединения растворяются в липоидах. Вещест­ ва, не растворяющиеся ни в воде, ни в липоидах, переходят в рас­ твор при помощи внеклеточных ферментов, выделяемых микробной клеткой. Эти ферменты превращают нерастворимые и неусвояемые вещества в растворимые и усвояемые, подвергая их гидролитиче­ скому расщеплению.

Описанные выше процессы поступления и проникновения пита­ тельных веществ через биологические мембраны не объясняют на­ копления веществ в клетке против градиента концентрации. Это явление может быть объяснено активным транспортом, т. е. пере­ носом веществ, потребляющим энергию, образующуюся в процессе клеточного обмена. У микроорганизмов, в том числе и у дрожжей, в мембране локализованы специфические ферментные системы — пермеазы. Они участвуют в активном транспорте различных суб­ стратов через клеточную мембрану и обеспечивают накопление в клетке веществ, необходимых для жизнедеятельности микроор­ ганизмов. Эта ферментная система может вызывать значительное (по сравнению со средой) накопление различных веществ в ми­ кробных клетках, которые благодаря наличию пермеаз способны расти с высокой скоростью даже в относительно разбавленных растворах.

Питательные вещества, проникшие в клетку, превращаются в сложные соединения цитоплазмы вследствие различных синтети­ ческих и биохимических реакций, катализируемых многочисленйыми и разнообразными внутриклеточными ферментами.

Таким образом, процесс питания — результат сложного взаимо­ действия между питательным раствором и цитоплазмой живой клетки.

Совокупность процессов синтеза и восстановления, распада и окисления питательных веществ, поступивших в клетку, называют метаболизмом. Для изучения физиологических функций микробов и их метаболизма применяют меченые атомы.

Для питания микроорганизмов необходимы различные соедине­ ния углерода, азота, водорода, кислорода и минеральных солей.

По отношению к различным источникам углерода и азота ми­ кроорганизмы делят на две основные группы: автотрофные и ге­ теротрофные. Автотрофные микроорганизмы берут питательные ве­ щества из неорганических соединений, например углерод — из уг­ лекислых солей, углекислоты, азот — из аммиачных солей. Они из минеральных соединений синтезируют сложные органические со­ единения своей клетки. Гетеротрофные микроорганизмы исполь­ зуют углерод из органических соединений — углеводов, белков, уг­ леводородов. Резкой границы между этими группами провести

нельзя. Если в среде нет минеральных веществ, то большинство автотрофов могут потреблять органические вещества, а большин­ ство гетеротрофных микроорганизмов усваивать, например, аммо­ нийные соли.

Микроорганизмы могут использовать азот из самых различных источников. Так, бактерии способны усваивать азот из сложных белковых веществ, простых растворимых белков, из аммиачных и азотнокислых солей, а также потребляют аммиак и свободный азот из атмосферы. Для дрожжей лучшим азотистым питанием яв­ ляются аммиачные соли, водный раствор аммиака, аминокислоты, амидокислоты и мочевина, труднее усваивается пептон. Прежде всего дрожжи потребляют аммиачный азот и аминный азот сво­ бодных аминокислот. Лучшим углеродистым питанием для микро­ организмов являются углеводы. Они участвуют в построении структурных элементов клетки, используются для синтеза белков и жиров, как энергетический материал в дыхательных процессах,

атакже являются запасными веществами.

Для питания дрожжей используются главным образом сахара,

органические кислоты и их соли, некоторые спирты (маннит). Не­ которые виды дрожжеподобных грибов используют в качестве ис­ точника углерода парафиновые углеводороды нефти.

Источником водорода и кислорода является в основном вода. Для жизнедеятельности микроорганизмов необходимо наличие в питательной среде минеральных веществ. Они принимают уча­ стие в регулировании активной реакции среды и осмотического давления внутри клетки, от них зависит состояние цитоплазмы, скорость и направление многих биохимических реакций, актив­ ность ферментов, они влияют на растворимость органических со­

единений, на процессы диффузии и осмоса.

Из минеральных элементов большое значение в питании микро­ организмов имеет фосфор. Органические соединения фосфорной кислоты являются важнейшими промежуточными продуктами ос­ новных биохимических процессов, осуществляемых клеткой. Фос­ форная кислота играет большую роль в процессах фосфорилиро­ вания углеводов и в энергетических процессах клетки. Фосфор входит в состав многих ферментов, коферментов и нуклеиновых кислот. Лучшим источником фосфора являются различные фос­ форнокислые соли калия, натрия, аммония. Для синтеза белковых веществ клетки необходима сера. Она используется из органиче­ ских и неорганических сернистых соединений.

Калий играет большую роль в построении цитоплазмы клетки, участвуя в синтезе белковых и углеводных соединений. При от­ сутствии калия в среде замедляется размножение дрожжей и зна­ чительно снижается выход биомассы. Микроорганизмы используют его из хлористого и фосфорнокислого калия. Калий и магний не­ обходимы для лучшего сбраживания сахара. Ионы Mg и Си яв­ ляются активаторами многих ферментов. Железо влияет на обра­ зование нуклеиновых кислот. Железо и марганец играют роль пе­ редатчиков кислорода в процессах дыхания и принимают участие

178