Витамины

Производство витаминов

Витамины – низкомолекулярные органические вещества, выполняющие каталитические и регуляторные функции.
Недостаток того или иного витамина нарушает обмен веществ и нормальные процессы жизнедеятельности организма, приводя к развитию патологических состояний.

В естественной среде источниками этих представителей БАВ являются растения и микроорганизмы.
В промышленности витамины получают в основном химическим синтезом. Однако микробиологическое производство этих соединений также имеет место.
Микробиологическим способом можно получить практически все известные витамины. Однако экономически более целесообразно получать витамины выделением из природных источников или с помощью химического синтеза.
С помощью микроорганизмов целесообразно получать сложные по строению витамины: β-каротин (провитамин А), В2, В12, витамин С и предшественники витамина D.

С помощью генетических манипуляций были получены штаммы микроорганизмов, которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов, чем необходимо для их роста.
Это штаммы:
Ashbya gossypii – продуцент рибофлавина,
Pseudomonas denitrifikans и Propionibacterium freudonreichii, Bacillus rettgerii и др., производящие витамин В12 ,
Bacillus subtilis -эффективный продуцент витамина В2.
Микробиологические технологии позволили решить и задачу производства аскорбиновой кислоты (витамин С). В Японии разработан эффективный ферментативный способ получения стабильного производного витамина С – аскорбил-2-фосфата, который используют в качестве антиоксиданта.

Получение витамина В2 (рибофлавин).
- Вплоть до 30-х годов прошлого столетия рибофлавин выделяли из природного сырья. В наибольшей концентрации он присутствует в моркови и печени трески (Из 1 т моркови получали лишь 1 г рибофлавина, а из 1 т печени — 6 г).
Среди прокариот известными продуцентами флавинов являются микобактерии и ацетобутиловые бактерии. Из актиномицетов – Nocardia eritropolis. Среди мицелиальных грибов – Aspergillus niger и Eremothecium ashbyi.
- В 1935 г. обнаружен активный продуцент рибофлавина — гриб Eremothecium ashbyii, способный при выращивании на 1 т питательной смеси синтезировать 25 кг витамина В2.
- В 1983 г. во ВНИИ генетики микроорганизмов сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillus subtilis, характеризующийся увеличенной дозой оперонов, которые контролируют синтез рибофлавина.

Сверхсинтеза рибофлавина добиваются действием на дикие штаммы мутагенов, нарушающих механизм ретроингибирования синтеза витамина В2, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды. Отбор мутантов ведут по устойчивости к аналогу витамина В2 — розеофлавину.
Состав культуральной среды (соевая мука, кукурузный экстракт, сахароза, карбонат кальция, хлорид натрия, гидрофосфат калия, витамины, технический жир). Перед подачей в ферментер среду подвергают стерилизации, добавляя к ней антибиотики.
В качестве посевного материала используют споры Е. ashbyii, выращенные на пшене (7 —8 дней при 29 — 30 °С). Процесс ферментации грибов длится 3 суток при температуре 28 — 30 °С. Концентрация рибофлавина в культуральной жидкости может достигать 1,4 мг/мл.
По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют в вакууме, высушивают на распылительной сушилке (влажность 5 — 10%) и смешивают с наполнителями.

В целях стабилизации витамина в процессе высушивания культуральная жидкость подкисляется соляной кислотой до рН 4.5 – 5, после чего она концентрируется в вакуум-выпарной установке, производят дополнительную очистку на ионообменной установке; элюат затем выпаривают и полученный концентрат рибофлавина высушивают на распылительной сушилке.
Для Candida guilliermondii важно регулировать содержание железа в питательной среде; оптимальные концентрации колеблются, в среднем, от 0,005 до 0,05 мкг/мл. При этом определенные штаммы дрожжей могут образовывать за 5 – 7 дней до 0,5 г/л и более витамина.
Однако для целей промышленного производства рибофлавина предпочитают использовать более продуктивные виды и штаммы грибов – E.ashbyii и Ashbyii gossypii.

Получение витамина В12
Витамин В12 (цианкобаламин) представлен группой биологически активных веществ, содержащих в своем составе трехвалентный кобальт, аминные и цианистые группировки, которые могут быть замещены другими радикалами: – ОН-, Cl-, Br- .
Этот витамин стимулирует образование крови в костном мозге, улучшает усвоение белков, участвует в синтезе аминокислот и азотистых оснований.
При недостатке витамина В12 нарушается нормальное кроветворение в костном мозгу, это в свою очередь приводит к злокачественной анемии, поэтому данный витамин называется антианемическим. При недостатке данного витамина возможно возникновение дегенеративных изменений в нервной ткани.
Учитывая важную роль витамина в организме человека, его мировое производство достигло 11 т в год, из которых 7,5 т расходуется на медицинские нужды, а 3,5 т – в животноводстве.

Цианкобаламин получают только микробиологическим синтезом.
Продуценты:
- Дикие штаммы пропионовых бактерий (р. Propionibacterium - синтезируют от 1 до 8 мг/л витамина ),
- Propionibacterium shermani М-82 (до 60 мг/л продукта),
- Pseudomonas denitrificans М-2436 (продуцируют до 58 – 59 мг/л цианкобаламина).
- актиномицеты Nocardia rugosa (до 18 мг/л В12).
- метанотрофов Methanosarcina, Methanococcus ( штамм Methanococcus halophilus - до 16 мг на 1 г биомассы).
- анаэробные бактерии р. Clostridium,
- Pseudomonas. У P. Denitricans (до 59 мг/л). Штамм запатентован фирмой «Merck» для промышленного получения В12.
- термофильные бациллы B. circulans и B. stearother mophilus, которые дают выход 2-6 мг/л В12.

Биотехнологическое производство кормовых препаратов витамина В12
Для промышленного получения кормовых препаратов витамина В12 выращивается специально подобранный биоценоз микроорганизмов, осуществляющих термофильное метановое брожение, в который входят целлюлозоразлагающие, аммонифицирующие, углеводсбраживающие, сульфитвосстанавливающие и метанообразующие бактерии.
На первом этапе ферментации этих микроорганизмов (в течение 10 – 12 дней) наблюдается бурное развитие термофильных аммонифицирующих и углеводсбраживающих бактерий, которое происходит в слабокислой среде (рН 5 – 7). Преобладающими в этот период являются метанообразующие бактерии, которые синтезируют в 4 – 5 раз больше витамина В12, чем другие микроорганизмы биоценоза.
Главные субстраты для развития метанообразующих бактерий – жирные кислоты, низшие спирты, поэтому их добавление в питательную среду значительно увеличивает выход витамина.

Для приготовления питательной среды обычно используют барду ацетоно-бутилового производства, которая декантацией очищается от твердых примесей, в нее добавляется хлорид кобальта (4 г/м3) и 0,5 % метанола.
В процессе промышленного культивирования бактерий:
- вначале выращивают посевной материал (15 – 20 дней) в аппаратах вместимостью 250 м3.
- Затем посевной материал подают в железобетонные ферментеры вместимостью 4200 м3, в которых происходит метановое брожение. Свежую барду подают в нижнюю часть ферментера в количестве 25 – 30 % от его объема за сутки.
- Отбор метановой бражки, содержащей витамин В12, производится в верхней части ферментера.
- В течение рабочего цикла в ферментере строго контролируют рН среды, концентрацию летучих жирных кислот, содержание аммонийного азота, поддерживают оптимальную температуру (55 – 57 °С).

- В результате брожения образуется газовая смесь, состоящая главным образом из метана (65 %) и диоксида углерода (30 %), которая может быть использована как источник тепла.
- Готовая культуральная жидкость, образующаяся как продукт ферментации, обычно содержит 2 – 2,5 % сухих веществ и 1,1 – 1,7 мг/л витамина В12.
- Для предотвращения разрушения витамина в процессе сушки культуральную жидкость подкисляют соляной или фосфорной кислотой до рН 6,3 – 6,5 и в нее добавляют 0,2 – 0,25 % сульфита натрия.
- Полученная таким образом культуральная жидкость дегазируется, упаривается на вакуум-выпарной установке, полученный концентрат высушивают в распылительной сушилке до 5 – 10 %

Биотехнологическое получение высокоочищенного препарата витамина В12.
Препарат получают микробиологическим способом с помощью стрептомицетов, продуцирующих антибиотики, пропионовокислых или метанобразующих бактерий.
Впервые был синтезирован в 1972 г Р.Б. Вудвордом.
Витамин В12 получают путем культивирования Propionobacterium в анаэробных условиях, в периодическом режиме.
Питательная среда содержит в своем составе: глюкозу, кукурузный экстракт, соли кобальта, сульфат аммония, рН -7,0 (добавлением гидроксида аммония).
В процессе ферментации выделяются органические кислоты, которые нейтрализуют раствором щелочи, которая непрерывно поступает в ферментер. Процесс культивирования длится 6 суток; спустя 72 ч в ферментер вносят 5,6-диметилбензимидозол (ДМБ) – предшественник витамина В12, в качестве затравки.

Цианкобаламин накапливается в клетках бактерий, поэтому по окончании ферментации биомассу отделяют от культуральной жидкости методом сепарации.
Этапы очистки:
- Витамин В12 экстрагируют из биомассы водой, подкисленной до рН 4,5 – 5 при температуре 85-90°C (длится 1 ч; в воду вводят стабилизатор - 0,25 % раствор нитрита натрия ).
Раствор охлаждают,
нейтрализуют до рН 6,8 – 7, добавляя гидроксид натрия;
добавляют сульфат алюминия и хлорид железа в качестве коагулянтов белков,
полученный раствор фильтруют с помощью фильтр-пресса,
образующийся при этом фильтрат содержит витамин В12, очищают с помощью ионообменных смол и
после промывки витамин В12 элюируют с ионообменной смолы аммиаком.

Для обеспечения более глубокой очистки проводят:
- экстракцию витамина органическими растворителями,
- после чего упаривают,
- концентрируют,
- снова очищают на колонке, заполненной оксидом алюминия,
- очищают ацетоном,
- выдерживают 1 – 2 суток при температуре 3 – 4 °C в результате чего выпадают кристаллы витамина В12,
- кристаллы отфильтровывают на холоде,
- промывают в ацетоне,
- сушат в экстракторе.
Кристаллический цианкобаламин можно получить с помощью резорцина или фенола, образующих с ним аддукаты, которые легко разлагаются на составные компоненты.

Биологические функции витамина связаны с участием в:
биосинтезе стероидов,
в реакциях гидроксилирования, в частности, в превращении пролина в оксипролин (биосинтез коллагена).
При недостатке витамина С нарушается:
обмен в соединительной ткани,
повышается проницаемость капилляров, что ведет к кровоизлияниям и цинге.
Основными способами получения данного витамина:
выделения из растительного сырья,
химический синтез из Д-глюкозы через Д-сорбит,
биотехнологический способ (по сути, представляет собой комбинированный химико-ферментативный процесс).
Получение аскорбиновой кислоты (витамина С)

Аскорбиновая кислота в мировом промышленном производстве витаминной продукции занимает наибольшую долю — около 40 тыс. т в год.
Синтез был разработан швейцарскими учеными А. Грюсснером и С. Рейхштейном в 1934 г. - это многостадийныйм химический процесс, в котором только одна стадия представлена трансформацией d-сорбита в L-сорбозу при участии ацетатных бактерий.
Для получения сорбозы используют глубинную ферментацию, когда культуру продуцента Gluconobacter oxydans выращивают в ферментерах периодического режима с мешалкой и барботером для усиления аэрации и массообмена в течение 20 — 40 ч с результатом по выходу сорбозы до 98% исходного количества сорбита в среде.
По окончании ферментации сорбозу выделяют из культуральной жидкости.

Биологическая стадия процесса катализируется мембраносвязанной полиолдегидрогеназой.
Химическая включает следующие этапы:
- конденсация сорбозы с диацетоном и получение диацетон-L-сорбозы,
- окисление диацетон-L-сорбозы до диацетон-2-кето-L-гулоновой кислоты,
- гидролиз последней с получением 2-кето-L-гулоновой кислоты;
- энолизация 2-кето-L-гулоновой кислоты с последующей трансформацией в L-аскорбиновую кислоту.
Принципиально доказана возможность получения L-сорбозы из сорбита с помощью иммобилизованных клеток в полиакриламидном геле.
Аскорбиновую кислоту используют как антиоксидант в медицине и пищевой промышленности.

Синтез витамина С енолизацией 2-кето-β-гулоновой кислоты, которую, получают методом двухстадийного микробиологического синтеза (окисления d-глюкозы в 2,5-дикето-глюконовую кислоту (2,5-ДКДГК) и биотрансформации последней в 2-кето-β-гулоновую кислоту (2-КГК)).
Основными продуктивными микроорганизмами являются : мутантные штаммы Erwinia punctata и Corynebacterium sp., при использовании которых выход целевого продукта составляет около 90 % количества глюкозы.
Данная технология имеет недостатки:
- при совместном культивировании продуцентов происходит ингибирование синтеза 2-КГК. Поэтому культуральную жидкость после выращивания продуцента 2,5-ДКДГК стерилизуют, применяя поверхностно-активные вещества (ПАВ), что позволяет значительно сократить потери.

Витамин D (кальцеферол) – группа родственных соединений, обладающих антирахитичным действием, в основе которых находится эргостерин. Поэтому, например, пекарские или пивные дрожжи применяют для получения эргостерина, как провитамина. Содержание эргостерина в дрожжевых клетках в дрожжевых клетках колеблется в пределах 0,2 – 11 %.
Витамин D3 образуется на коже под действием ультрафиолетовых лучей и 7-дегидрохолестерина (его активная форма - 1,25-диоксихолекальцеферол).
При недостатке этого витамина у детей развивается рахит, аналог рахита у взрослых – остеомаляция.
Витамин D2 получают при облучении светом дрожжей. Данный витамин получают фотоизомеризацией провитамина – эргостерина и 7-дегидрохолестерина.
Витамины D2 и D3 хорошо растворяются в жирах и растворителях жиров, разрушаются под действием окислителей и минеральных солей.
Получение эргостерина и витамина Д.

Промышленные продуценты эргостерина:
- дрожжи (в пекарских дрожжах (до 10 %))
- мицелиальные грибы – аспергиллы и пенициллы, в которых содержится 1,2 – 2,2 % эргостерина.
Этапы получение эргостерина в производственных условиях:
- размножения исходной культуры и накопление инокулята,
- ферментация,
- сепарирование клеток,
- облучение клеток ультрафиолетовыми лучами,
- высушивание и упаковка целевого продукта

Условия образования эргостерина:
- получают инокулят на средах, обеспечивающих полноценное развитие клеток,
- основную среду с ацетатом (активатором биосинтеза стеринов), обогащенную источником углерода и содержащую пониженное количество азота, засевают инокулятом.
- Культивирование проводят при температуре, близкой к максимальной, и выраженной аэрации (2 % кислорода).
- Спустя 3 – 4 суток, клетки сепарируют и подвергают вакуум-высушиванию.
- Сухие дрожжи облучают ультрафиолетовыми лучами – УФЛ (длина волны 280 – 300 нм) (условия облучения указываются в регламентирующей документации).
В таком препарате содержится не менее 5000 МЕ витамина D2

Технология получение витамина D2
На выход витамина D2 влияет:
- длительность облучения эргостерина,
- температура процесса,
- наличие примесей.
Для производства кристаллического витамина используют дрожжи или мицеллиальные грибы, которые:
- подвергают гидролизу раствором соляной кислоты при температуре 110 °C,
- затем гидролизат обрабатывают спиртом при 75 – 78 °C,
- после чего охлаждают до температуры 10 – 15 °C и фильтруют,
- фильтрат упаривают (до 40 % абсолютно сухого вещества (АСВ)),
- осадок, содержащий витамин D2, промывают, размельчают, дважды обрабатывают при 98 °C трехкратным объемом спирта,

- спиртовые экстракты объединяют и сгущают до 70% АСВ,
- полученный «липидный концентрат» подвергают омылению гидроксидом натрия,
- эргостерин содержится в неомыленной фракции и выпадает в осадок при температуре – 0 °C;
- затем его растворяют в спирте или бензоле с целью дополнительной очистки,
- выпавшие кристаллы сушат в эфире,
- чистый препарат эргостерина облучают ультрафиолетовым светом для получения витамина D2,
- эфир отгоняют,
- раствор витамина D2 концентрируют и кристаллизуют.
- «Кислотный фильтрат» упаривают до 50%-го содержания сухих веществ.
Производят также масляный концентрат витамина D2

Витамин Н (биотин) – кофактор не менее десяти ферментов, ведущих в клетке синтез многих жизненно необходимых веществ.
Источники биотина:
- микроорганизмы, живущие в кишечнике человека,
- пища (яичном желтке, дрожжах и цветной капусте).
Признаками биотиновой недостаточности:
- пепельно-бледная кожа,
- атрофия сосочков языка,
- боли в мышцах,
- сонливость,
- потеря аппетита,
- снижение содержания эритроцитов и холестерина в крови.
- замедленный рост,
- появление дерматитов, депигментации и др.
Получение витамина Н (биотина)

Способы получения биотина:
1. из природных источников – невыгодно (для выделения 1 мг витамина необходимо почти 230 кг сухого яичного желтка).
2. Разработаны и методы химического синтеза биотина, но химики (получают всего несколько сотен граммов витамина в год, химический синтез дает смесь изомеров, которую потом приходится разделять, чтобы получить активный D-биотин).
3. Микробиологический синтез.
Основные проблемы микробиологического синтеза:
- синтезируют биотин в малых количествах.
Грибы рода Rhizopus delemar - образуют около 1 мг биотина на 1 л среды и большую его часть выделяет наружу.
- проблема масштабирования (дрожжи рода Trichosporon за час аккумулировало 60 % биотина; метилотрофные дрожжи поглащают до 95 % биотина, находящегося в среде, переходит в их клетки всего за 20 – 30 мин).

Схема приготовления препарата:
- на оптимизированной питательной среде выращивают грибы рода Rhizopus.
- биомассу гриба отфильтровывают,
- к культуральной жидкости, содержащую биотин, добавляют метилотрофные дрожжи, которые поглощают почти весь витамин,
- смесь биомассы ризопуса и дрожжей, богатая биотином, подвергается разрушению, центрифкгированию, ионообменной хроматонрафии, концентрированию препарата, упариванию и высушиванию.

Витамин А — циклический, непредельный одноатомный спирт, образуемый в слизистой кишечника и печени из провитаминов: а-, β- и γ-каротинов воздействием фермента каротиноксидазы.
Каротиноиды — широко распространенная группа природных пигментов, образуемых высшими растениями, водорослями и некоторыми микроорганизмами.
Получение β -каротина осуществляется химическим (более рентабелен) и микробиологическим (с использованием штаммов мицелиальных грибов Blakslea trispora) методами.
Микробиологический метод получения β –каротина:
- многостадиен,
- требует использования достаточно сложной по составу и дорогой кукурузно-соевой среды с растительными маслами, ПАВ и специальными стимуляторами.
Получение витамина А (ретинола)

1. Разнополые штаммы выращивают сначала отдельно, затем — совместно в ферментере в течение 6 — 7 сут. при интенсивной аэрации и 26 °С.
2. Если из измельченного мицелия экстрагировать (β-каротин подсолнечным маслом, то можно использовать его в виде масляных растворов.
3. Применяя экстракцию органическим растворителем с последующей кристаллизацией, получают β-каротин в кристаллическом виде.
4. Использование отходов крахмало-паточного производства (кукурузного экстракта и зеленой патоки) позволяет снизить себестоимость получаемой продукции, а применение в качестве источника углерода целлобиозы, образующейся при утилизации отходов целлюлозы, позволяет в несколько раз увеличить синтез каротиноидов у штаммов культуры Blakslea trispora.

Убихиноны в последнее время вызывают интерес как перспективные лечебные препараты.
С одной стороны, они синтезируются в организме животных и человека, делая необязательным их поступление с пищевыми продуктами, что отличает их от группы витаминов.
С другой стороны, недостаток убихинонов ведет к нарушениям в обменных процессах, характерных для проявлений недостаточности витаминов групп В и К.
Убихиноны являются регуляторами тканевого дыхания, окислительного фосфолирирования в цепи транспорта электронов и за счет высокой специфичности проявляют свой регуляторный эффект.
С практической стороны наибольший интерес вызывают высшие гомологи: убихинон-9 (KoQ9) и убихинон-10 (КоQ10).
Получение убихинона (коферменты Q)

Убихи-нон-10 является коферментом организма человека, вследствие чего на его основе создан лекарственный препарат Ubichynon compositum, проявляющий общетонизирующее, антиоксидантное и иммуностимулирующее действие
В производстве убихинонов применяются методы, в основе которых лежит экстракция KoQ из биологического материала.
В качестве субстрата используются как растительные ткани (каллус риса или опухолевые ткани Carthamus tinctorius), так и микроорганизмы с высоким содержанием убихинонов, например дрожжи Cryptococcus curvatus и грибы Candida maltosa.
В настоящее время используется биотехнология получения убихинона-9 и эргостерина из микробных липидов, являющихся побочным продуктом крупного производства белково-витаминного концентрата при выращивании грибов Candida maltosa.

Установлено, что биомасса уксуснокислых бактерий (GIuco-nobacter oxydans), которые используются в производстве аскорбиновой кислоты на этапе окисления d-сорбита в L-сорбозу, содержит значительное количество KoQ10 без примеси его гомологов.
Причем:
- с одной стороны, эта биомасса является отходом производства аскорбиновой кислоты,
- с другой стороны, штаммы Gluconobacter oxydans в биомассе характеризуются наибольшей окислительной активностью по сорбиту.
Это позволило разработать и внедрить совместную технологию получения L-сорбозы и экстракции убихинона-10 из отсепарированной биомассы с последующей очисткой и с выходом целевого продукта до 85 %.