1.2. Способи отримання цільових амінокислот

Основними способами отримання амінокислот є методи мікробіологічного (лізин, треонін, валін) і хімічного (метіонін, триптофан, фенілаланін) синтезу, однак частину дефіцитних амінокислот можна отримувати із застосуванням ферментативних методів (метіонін), екстракції (цистин, тирозин) та генної інженерії (лізин, треонін).

У промислових масштабах амінокислоти отримують:

1. Гідролізом сировини природного походження, що містить білок.

2. Хімічним синтезом.

3. Мікробіологічним синтезом.

4. Біотрансформацією попередників амінокислот за допомогою мікроорганізмів або виділених з них ферментів (хіміко-мікробіологічний метод) [33].

Раніше методами гідролізу (кислотним, лужним, ферментативним) отримували амінокислоти виключно для фармацевтичних і наукових цілей. Технологія отримання амінокислот за рахунок гідролізу білків економічно не вигідна, тому і не набула широкого поширення [34].

На другому місці за обсягом виробництва амінокислот знаходиться хімічний синтез. Основним недоліком хімічного синтезу є отримання суміші амінокислот, що складається з ізомерів D- і L-форми [15].

Найбільш перспективний і економічно вигідний спосіб одержання амінокислот – це мікробіологічний синтез. Обсяги виробництва амінокіслот у світі перевищують декілька мільйонів тон на рік [12], при цьому шляхом мікробіологічного синтезу отримують більше 70%. Головна перевага даного способу полягає в можливості отримання амінокислот на основі поновлюваної сировини. Мікробіологічним способом лізин одержують в Японії (Ajinomoto Co, Kyowa Hokko), США (ADM, хіміко-мікробіологічний спосіб), Німеччині (Deggussa-Huels, BASF), Нідерландах, Великобританії, Китаї, Індонезії. Промислове виробництво амінокислот стало можливим після відкриття здатності деяких мікроорганізмів виділяти в культуральне середовище значні кількості певної амінокислоти. Найчастіше для мікробіологічного синтезу амінокислот використовують ауксотрофні мутантні штами, які отримують методами звичайної селекції або генної інженерії. Це штами, що належать до роду Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter.

Для культивування штамів мікроорганізмів при виробництві амінокислот як джерела вуглецю використовують найбільш доступні вуглеводи – глюкозу, сахарозу, рідше − фруктозу і мальтозу. Для зниження вартості поживного середовища в якості джерел вуглецю використовують і вторинну сировину – бурякову мелясу, молочну сироватку, гідролізати крохмалю, сульфітні луги. В якості джерел азоту використовують сечовину, солі амонію (сульфати і фосфати). Для успішного росту мікроорганізми потребують стимуляторів росту, в якості яких виступають кукурудзяні та дріжджові екстракти, солодові паростки, гідролізати висівок і дріжджів, вітаміни групи В. У поживне середовище додають деякі макро- та мікроелементи: P, Ca, Mg, Mn, Fe та ін. На процеси біосинтезу істотно впливає аерація. Мікробіологічний спосіб отримання амінокислот заснований на здатності мікроорганізмів синтезувати всі L-амінокислоти, а в певних умовах – забезпечувати їх «надсинтез» [15, 35].

З метою отримання чистих препаратів амінокислот застосовують промислові технології одноступінчастого і двоступінчастого синтезу. При одноступінчатому синтезі в промислових культиваторах вирощують ауксотрофні мутанти. Після завершення робочого циклу їх вирощування проводять відділення культуральної рідини від клітин мікроорганізмів, згущення культуральної рідини та отримання з неї товарного продукту з високою концентрацією синтезованої амінокислоти.

При двоступінчатому синтезі, спочатку отримують попередника (часто найбільш дешевим хімічним синтезом), а потім, за допомогою ферментів, що виробляються мікроорганізмами, відбувається перетворення попередника в амінокислоту і при цьому утворюється тільки L- форма [36].

У мікробіологічного синтезу є свої переваги і свої недоліки. З одного боку, в ньому мало стадій і використовується відносно універсальне обладнання. З іншого боку, мікроорганізми чутливі до найменшої зміни умов культивування і за звичайних умов концентрація цільового продукту не висока, тому небхідно постійно витримувати оптимальні технологічні параметри ферментації і збільшувати робочі об’єми реакторів. Значний інтерес до такого способу одержання амінокислот, зумовлений перш за все тим, що мікроорганізми утворюють амінокислоти в біологічно активній L-формі, високими техніко-економічними показниками в порівнянні з іншими способами, а також можливістю організації в межах одного підприємства виробництва як кормових препаратів, так і особливо чистих амінокислот, придатних до використання в харчовій і фармацевтичній промисловості.

Хіміко-мікробіологічний метод отримання амінокислот – це хімічний синтез речовини-попередника з подальшою біотрансформацією ферментними системами відповідних штамів мікроорганізмів. Метод перспективний для отримання амінокислот, біосинтез яких з традиційних вуглецевих субстратів ускладнений або взагалі неможливий. Основна відмінність мікробіологічної ферментації від хіміко-мікробіологічного методу полягає у використанні не окремих виділених, а всіх ферментів мікроорганізмів.

Вивчення механізму метаболічних процесів мікроорганізмів-продуцентів дає змогу забезпечити оптимальні умови культивування та склад середовищ для підвищення продуктивності за синтезом біомаси і вмістом необхідних амінокислот 37, 38.