Биотехнология аспарагиновой и глутаминовой аминокислот

Способы получения глутаминовой кислоты. Комплексная переработка мелассы, синтез глутаминовой кислоты. Показатели качества аспарагиновой кислоты. Химический состав и технологические показатели качества свеклосахарной мелассы. Контроль сырья и материалов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»

Кафедра промышленной биотехнологии и аналитической химии

Диплом бакалавра

Биотехнология аспарагиновой и глютаминовой аминокислот

Выполнила:студентка гр.0-57а

Сидоренко С.О.

Руководитель: проф.Давыдов В.В.

Харьков 2011

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1Характеристика продукта

Аспарагиновая кислота, аминоянтарная кислота, COOHCH2CHNH2COOH, одна из дикарбоновых аминокислот, имеет слабокислые свойства (изоэлектрическая точка при pH 2,77), молекулярная масса 133,10. Кристаллизуется в виде ромбических призм, плохо растворимых в холодной воде. А. к. в значительных количествах входит в состав белков животных и растений, играет важную роль в обмене азотистых веществ. Участвует в образовании пиримидиновых оснований, синтезе мочевины. Наряду с глутаминовой кислотой играет важнейшую роль в реакциях переаминирования. Аспарагиновая кислота может быть синтезирована в животном организме.

HOOC - CH2 - CH - COOH

NH2

Аспарагиновая кислота

Аспарагиновая кислота присутствует в головном мозге человека; она усиливает неврологическую активность. При заболевании эпилепсией концентрация этой аминокислоты в мозге возрастает, а при депрессии, напротив, понижается. При расстройствах настроения аспарагиновая кислота не настолько важна, как две другие аминокислоты триптофан и таурин, но часто добавляется в многокомпонентные препараты, предназначенные для лечения этих заболеваний, а также укрепления нервной системы. Аспарагиновая кислота, которая присутствует во всех продуктах, содержащих белки, в комбинации с фенилаланином (другой аминокислотой) образует аспартам. Он часто используется как искусственный подсластитель.

§ Участвует в преобразовании углеводов в мышечную энергию.

§ Предшественник иммуноглобулинов и антител.

§ Участвует в обмене веществ в организме

Аспарагин был первой аминокислотой, выделенной из природных продуктов. В 1806 году Вокелен и Робике получили его из сока спаржи. Представляет собой широко распостраненное соединение; он накапливается в значительных количествах у некоторых видов высших растений, а также встречается в свободном состоянии в тканях животных. Обнаруживается в белковых продуктах -- мясе, рыбе, яйцах, соевых продуктах.[29]Глутаминовая кислота, глютаминовая, или аминоглутаровая, кислота, аминокислота, COOH=CH2=CH2=CH (NH2)=COOH. Кристаллы, растворимые в воде, температура плавления 202 °С. Входит в состав белков и ряда важных низкомолекулярных соединений (например, глутатиона, фолиевой кислоты). Природная форма представляет D (+) изомер. Г. к. -- заменимая аминокислота для животных. Содержится в большом количестве в казеине, желатине, клейковине. В плазме крови вместе со своим g-моноамидом -- глутамином -- составляет около 1/3 всех свободных аминокислот. Реакция:

осуществляется ферментом глутаминсинтетазой, относящейся к группе лигаз; при этом происходит связывание избытка аммиака в тканях животных и растений. Таким образом, глутамин транспортирует аммиак к месту его детоксикации (в большинстве случаев в почках и печени), он служит также резервом аминогрупп и входит в состав белков. Особенно важную роль система глутамин -- Глютаминовая кислота играет в обмене веществ. Глютаминовая кислота участвует и в других важных процессах обмена веществ: в переаминировании (где она наряду с аспарагиновой кислотой является одним из непременных участников); в окислительном дезаминировании с образованием a-кетоглутаровой кислоты, вовлекаемой в трикарбоновых кислот цикл; в декарбоксилировании, приводящем к образованию важного нейротропного агента гамма-аминомасляной кислоты; во многих синтезах, в том числе глутатиона, глюкозы, орнитина (см. Орнитиновый цикл).

HOOC - CH2 - CH2 - CH - COOH

NH2

Глутаминовая кислота.

Глутаминовая кислота в больших количествах присутствует в животных и растительных белковых продуктах. На этикетках она может указываться под различными названиями. Иногда ее называют глутамат- это всего лишь формы глутаминовой кислоты, выполняющие одну и ту же функцию.

§ Главный предшественник глутамина, пролина, агринина и глутатиона. Потенциальный источник энергии.

§ Важная кислота для обменных процессов в мозгу и для обменных процессов других аминокислот. Глутамин также помогает уменьшить тягу к сладкому и алкоголю, улучшая метаболизм клеток головного мозга.

Глутаминовая кислота была выделена Ритгаузеном в 1866 году из гидролизатов клейковины пшеницы. В 1890 году Вольф осуществил первый химический синтез глутаминовой кислоты. Эта кислота относится к числу наиболее широко распостраненных аминокислот и имеет большое значение в обмене веществ.

1.2Способы получения

Аспарагиновая кислота

Ферментативный синтез

Аспарагиновая кислота не принадлежит к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Аспарагиновую кислоту можно получать с помощью фермента аспартазы. В качестве исходных веществ для ферментативного синтеза используются фумаровая кислота и аммиак -- крупнотоннажные продукты органического и неорганического синтеза.

Протекающая реакция одностадийна -- в присутствии фермента молекула аммиака присоединяется к фумаровой кислоте по месту двойной связи с образованием оптически активной L-аспарагиновой кислоты. В этом процессе впервые в технологической практике были применены иммобилизованные клетки микроорганизма, содержащие фермент в его естественной микробной оболочке. Этот процесс был разработан японской фирмой «Танабе Сейяку» в 1973 г.

Плотный гель с иммобилизованными в нем микробными клетками, содержащими аспартазу, формуют в кубики размерами 2--3 мм, набивают ими колонну объемом 1 м3 и пропускают через нее раствор фумарата аммония. На выходе из колонны L-аспарагиновую кислоту кристаллизуют, центрифугируют и промывают холодной водой. Процесс практически полностью автоматизирован и осуществляется в непрерывном режиме. Масштабы производства на фирме «Танабе Сейяку»--1700 кг чистой L-аспарагиновой кислоты в сутки на реактор объемом 1 м3 .

-ООС-СН=СН-СОО- + NH4 + => -ООС-СН(NH3+)-СН2-СОО-

Фумарат Аммоний L-аспарагинат

Микробиологический синтез

Еще в 80-х годах прошлого века в Институте генетики и селекции микроорганизмов под руководством члена-корреспондента РАН Владимира Георгиевича Дебабова был создан штамм микробов, которые при определенном питании выделяли аспарагиновую кислоту. В конце 90-х Дебабов передал штамм Сергею Воронину.

Саратовские биотехнологии встроили микробы в полиакриламидный гель. Это нужно, чтобы живые микрозаводы не смывались вместе со своей продукцией. Этим гелем заполнили метровые стеклянные трубки-колонки. Если через колонку под давлением прокачивать исходные вещества, то на выходе из колонки течет раствор L-аспарагиновой кислоты Все происходит при комнатной температуре, практически без отходов.

Глутаминовая кислота

Известно несколько способов получения глутаминовой кислоты: гидролиз различных белков, синтез химический, ферментативный из ?-кетоглутаровой кислоты и микробиологический.

Получение глутаминовой кислоты гидролизом белков

Гидролиз протеинов является классическим методом получения аминокислот из природных источников. Для выработки глутаминовой кислоты и ее натриевой соли используются животные и растительные белки: казеин молока, клейковина пшеницы, кукурузный глютен, отходы мясокомбинатов, свеклосахарных (сепарационный щелок) и спиртовых заводов (барда).

Метод гидролиза малопроизводителен и довольно дорог из-за значительного образования побочных продуктов и необходимости тщательной очистки глутаминовой кислоты.

Комплексная переработка мелассы позволяет получить наряду с высококачественными сахарными сиропами глутаминовую кислоту, бетаин, холин и другие ценные продукты.

Химический синтез глутаминовой кислоты

Среди методов химического синтеза наиболее перспективным является использование в качестве исходного сырья акрилонитрила. Согласно этому методу акрилонитрил в результате реакции гидроформилирования превращается в ?-формилпропионнитрил и последний через стадию образования ?-аминоглутардинитрила переводится в DL-глутаминовую кислоту.

Основным недостатком химического синтеза является получение рацематов аминокислот. Разделение D- и L-изомеров является довольно сложной операцией и требует больших затрат.

Ферментативный синтез глутаминовой кислоты

Его возможно осуществить из ?-кетоглутаровой кислоты с помощью ферментов трансамидазы или глутаматдегидрогеназы в результате следующих превращений.

НООС - СН2 - СН2 - СО - СООН + НАД(Ф)Н2 + NН3 >

НООС - СН2 - СН2 - NН2СН - СООН + НАД(Ф).

В каждом из этих процессов ?-кетоглутаровая кислота играет роль предшественника. Для осуществления любого из этих превращений необходимы источники ?-кетоглутаровой кислоты и соответствующей ферментной системе. Первую из этих задач решают с помощью подбора микроорганизмов, способны...