Aditivi si suplimente alimentare

Aditivi si suplimente alimentareAntioxidantiAromeAgenti de colorarePolizaharide IndulcitoriVitamineAminoaciziAcizi organiciSinteza chimicaSinteza biologicaAditivi si suplimente alimentareNUTRACEUTICEproduse care cumuleaza activitati farmacodinamice si nutritive; substante antioxidante, vitamine, flavonoizi, uleiuri comestibile cu continut scazut de colesterol si/sau ridicat de acizi grasi polinesaturati, dar si unele fructe (tomate, banane etc), considerate ca potrivite pentru producerea de vaccinuri comestibile (antihepatitic, antiholeric sau antidizenteric) (Dictionar de Microbiologie generala si Biologie moleculara, G. Zarnea si O.V.Popescu, Ed Academiei Romane, 2011)Aditiv alimentar functie: Exemple de produse comerciale (organism producator)Acidulanti/conservare Acid citric (Aspergillus niger, Candida guilliermondii, Candida lipolytica)Acid lactic (Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus bulgaricus)Acid malic (Brevibacterium flavum)AminoaciziAcid glutamic (Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum)Lizina (Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum)Triptofan (Klebsiella aerogenes)Agenti antimicrobieniNisina (Lactococcus lactis)Natamicina (E235) (Streptomyces natalensis, Streptomyces chattanoogensis)AntioxidantiAcid ascorbic (Acetobacter suboxydans)Agenti de colorareBeta-caroten (Blakeslea trispora, Dunaliella salina)Licopen (Blakeslea trispora, Streptomyces chrestomyceticus)Zeaxantina (Flavobacterium sp)Luteina (Spongiococcus excentricum, Chlorella pyrenoidosa)Cantaxantina (Cantharellus cinnabarinus, Rhodococcus maris)Astaxantina (Haematococcus pluvialis)Aditivi alimentari de origine microbianaAditivi alimentari de origine microbianaAditiv alimentar functie: Exemple de produse comerciale (microorganism producator)Emulsificatori Diferite polizaharide (Candida utilis)Glicolipide (Rhodococcus erythropolis)EnzimeAlfa-amilaze (Aspergillus flavus, A. oryzae)Amiloglucozidaza (A. niger, Rhizopus niveus)Catalaza (Micrococcus lysodeikticus)Celulaza (A. niger, Trichoderma viridae)Alfa-galactozidaza (Mortierella vinacea)Glucozoizomeraza (Actinoplanes missouriensis, Streptomyces olivaceus, Bacillus coagulans)Glucozo oxidaza (A. niger, Penicillium chrysogenum)Invertaza (Saccharomyces cerevisiae)Lactaza (Candida pseudotropicalis, Kluyveromyces lactis)Lipaza (A. oryzae)Nucleaza (P. citrinum)Pectinaza (A. niger)Proteaza (B. licheniformis, B. subtilis, A. niger)Renina (B. cereus, Endothia parasitica, Rhizomucor miehei)Ureaza (Lactobacillus fermentum)

Aditivi alimentari de origine microbiana

Aditiv alimentar functie: Exemple de produse comerciale (organism producator)Arome si potentiatori de aromeVanilina (Streptomyces sp)Nucleozide (Bacillus subtilis, Brevibacterium ammoniagenus)Monoglutamat de sodiu (Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum)IndulcitoriThaumatin (Thaumatococcus danielli)Stabilizatori si agenti de ingrosareGlican (Saccharomyces cerevisiae)Pululan (Aureobasidium pullulans)Xanthan (Xanthomonas campestris)VitamineAcid ascorbic (C) (Acetobacter suboxydans)Cianocobalamina (B12) (Propionibacteria sp., Pseudomonas denitrificans, Streptomyces griseus)Riboflavina (B2) (Ashbya gossypii, Eremothecium ashbyii, Bacillus subtilis - recombinant)Aromevin, otet, bere, legume fermentate, lapte, soia si carnea au fost conservate, modificate si aromate cu ajutorul tulpinilor microbiene.

Microorganisme producerea de compusi aromatici (aditivi alimentari)in situ ca parte a proceselor de fermentatie. Istoric, microorganismele au jucat un rol integral in elaborarea de componente aromatice a numeroase alimente. Produse precum vinul, otetul, Berea, legumele fermentate, laptele, soia si carnea au fost conservate, modificate si aromate cu ajutorul tulpinilor microbiene. Culturile microbiene pot fi utilizate pentru producerea de compusi aromatici, fie specific pentru utilizarea ca aditivi alimentari sau in situ ca parte a proceselor de fermentatie. Compusii aromatici pot fi clasificati in familii pe baza structurii lor chimice si proprietatilor fizicochimice sau senzoriale (tabel 2).

6Arome din piata mondiala a aditivilornaturale, sinteticeprocedee de bioconversie

Categorie de compusiArome si microorganism producatorAldehideAnason si migdale - Trametes suavoelensDiacetilUnt Streptococcus diacetylactisEsteri Etil-butirat - Fructe Lactobacillus caseiMetil butirat- Anason - Trametes suavoelensLactoneGama-decalactona piersica Ceratocystis variosporaNuca/nuca de cocos pentil alfa-pirona Trichoderma reeseiMentolMenta Schizophyllum spPirazinePrajit tulpini mutante de Corynebacterium si Bacillus popcorn, nuci, potentarea cafeleiTerpeneCitronelol, linalool si geraniol caracteristici florale si de fructe obtinute cu ajutorul levurilor si fungilor filamentosi ex. Kluyveromyces lactis citronelol aromarea bauturilor racoritoare din fructeConservanti alimentari naturali Bauturi racoritoare si alcoolice, sosuri salate, produse de panificatie, gemuri, jeleuri, inghetata, brazeturi procesate

Esentiali pentru industria alimentara actiune de conservare si aromare a produselor alimentare

acid acetic - Acetobacter acidul lactic - Lactobacillus delbrueckii, L. bulgaricusacid citric Aspergillus niger acid malic Brevibacterium flavum acid tartaric si acid gluconic Aspergillus nigerAcizi organici: Acid gluconic

Industria farmaceutica vehicul pentru administrarea de metale. Gluconat de Ca solubilitate si toleranta fiziologica.Gluconat de Na laminarea metalelor, tabacirea pieilor, mordansarea tesaturilor, vopsitorie.Lactona acidului gluconic catalizator in productia de rasini sintetice, sau in industria alimentara prafuri de copt.Conservanti alimentari naturali Peptide microbieneRolul acestora in natura: reglatori ai cresterii, molecule de semnalizare/comunicare intercelulara, avantaj selectiv in ocuparea unor nise ecologice si valorificarea nutrietilor de la acest nivelsunt active la pH scazutbacteriile lactice Conservanti alimentari naturali Peptide microbiene

Natamicina (piramicina, E235)Nisina (E234)

Agent antifungic, o polienaProdusa de Streptomyces sp., Agent antimicotic de suprafata pentru alimente taiata si feliate ex branzeturiTratamentul keratitei fungice si infectii ale corneei Aspergillus si Fusarium

Peptide mici de obicei cationice cu pronuntata activitate antimicrobiana sunt comune in natura si au fost descrise din surse plante, animale si microorganisme; in ciuda surselor lor diferite aceste peptide prezinta similaritati structurale greutate moleculara cuprinsa intre 3000 si 6000 Da, pct izoelectric aprox 10. 11Produsa de Lactococcus lactis, 3500 DaMetabolit primar, Desi descoperit inca din 1928, nisina nu a fost utilizata in industria alimentara pana in anul 1951 cand Hirsch et al. au demonstrat capacitatea culturilor microbiene producatoare de nisina de a preveni alterarea alimentelor (Staphylococcus sp., Clostridium, Bacillus, Listeria monocytogenes). WHO, 1969 aporbare de utilizare in industria alimentara, in prezent este reglemetata pentru utilizare in 47 de stateFDA, 1988 substanta GRAS, pentru utilizare in branzeturile procesateControlul alterarii alimentelor procesate, acide (branzeturi tartinabile, produse pe baza de oua, sosuri, conserve)

Conservanti alimentari naturali Nisina (E234)

Genuri bacterieneCaracteristiciAlicyclobacillusGram pozitiv, aerob, sporogenBacillusGram pozitiv, aerob si facultativ anaerob, sporogenClostridiumGram pozitiv, obligat anaerob, sporogenDesulfotomaculumGram-variabil, obligat anaerob, sporogenEnterococcusGram pozitiv, aerob sau anerob, nesporogenLactobacillusGram pozitiv, aerob sau anaerob, nesporogen, capacitate de crestere la pH scazutLeuconostocAerob si anerob, nesporogenListeriaGram pozitiv, aerob si anaerob, nesporogenMicrococcusGram pozitiv, aerob, nesporogenPediococcusGram pozitiv, aerob si anaerob, nesporogenStaphylococcocusGram pozitiv, aerob si anaerob, nesporogenSporolactobacillusGram pozitiv, aerob si anaerob, sporogen, capacitate de crestere la pH scazutAsocierea nisinei cu agenti de chelatare (EDTA) si/sau surfactanti Triton X-100 si Tween 20 eficienta in combaterea a numeroase bacterii Gram-negative (Salmonella typhimurium si E. coli) (Blackburn et al., 1989).Conservanti alimentari naturaliNisina (E234)Nisina (E234)Alte aplicatii: Antiseptic tratament mastita bovinaControlul bacteriilor orale responsabile pentru halena, placa dentara si gingivitaPreparate cutanate topice S. aureus si S. pyogenesTratamentul infectiei mucoase gastrice cu Helicobacter pyloriConservanti alimentari naturaliNisina (E234)

serinatreonina+cisteinadehidrobutirinadehidroalaninalantioninabeta-metil lantioninaPrenisina, 57 aaNisina, 34 aaGenele codificatoare organizate in operon transpozon cromosomal, 70kbMecanism de actiune: alterarea permeabilitatii membranei plasmatice, peptidele de nisina se localizeaza la nivelul acesteia (coagregare) generand pori membranari pierderi de electrolitiConservanti alimentari naturaliNisina (E234)Produsa prin procese de fermentatie L. lactisMediu cu lapte, pH = 2Extractie cu solventi si cromatografie de afinitate eficienteProcese industriale concentrata si separata printr-un proces de spumare (introducerea de N sub forma de bule sau de aer printr-o coloana in mediul de fermentatie).

Conservanti alimentari naturaliPeptide microbienepediocina PA1, produsa de Pediococcus acidilactici PAC1.0 activa fata de Listeria monocytogenes, microorganism ce nu este sensibil la nisina.Microgard - produs lactat degresat fermentat de Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii. Inhiba fungii filamentosi, speciile bacteriene Gram negative, si bacteriile lactice heterofermentative, este utilizata in aproximativ 30% din branza de vaci produsa in SUA.Un peptid de 700 Da a fost implicat in activitatea Microguard insa nu s-a demonstrat pana in prezent ca ingredientul activ este o bacteriocina.

Nucleozide, nucleotide Aditivi alimentariPrecursori ai unor agenti terapeutici

5guanozin monofosfat (GMP) si 5-inozin monofosfatPotentiatori de arome, produsi prin hidroliza enzimatica a ARN de drojdieadenozina, adenina Precursori ai unor agenti terapeuticiBacillus ammoniagenes, B. subtilisVitamineTiamina (vitamina B1)Riboflavina (vitamina B2)Piridoxina (vitamina B6)Cobalamina (vitamina B12)BiotinaAcid folicAcid L- ascorbicBeta-caroten (provitamina A)Ergosterol (provitamina D2)Acid pantotenic

Drojdia de panificatie, drojdia de bere (S. cerevisiae) surse de vitamine grup B.Procese de fermentatieProcese de bioconversieProcese ce imbina etape chimice cu etape biologiceProductia industriala de vitamineMetoda de productieProductia globala (tone)BiotechChemicaExtractie1980199020002010Tiamina (B1)+170042003700Riboflavina+200024004400Niacina++8500220002800Acid pantotenic++50007000Piridoxina+160025503800Biotina++2.72.588112Acid folic+100400534Vitamina B12++21025175Vitamina C+400006000010700Vitamina A++1680025002700Vitamina D++5000Tocoferol (E)+++68002200030000

Vitamina K+500VitamineAcidul L-ascorbic (Vitamina C)Un metabolit important pentru majoritatea organismelor viiOrganisme superioare roluri esentiale in diferite procese fiziologice In mod conventional este produs prin procesul Reichstein (variatii ale acestui proces)sinteza colagenului,mentienrea ionilor metalici in forma lor redusa, antioxidant rol de aditiv alimentar VitamineAcidul ascorbic (Vitamina C)

D-glucozaD-sorbitolL-sorbozaAcid L-ascorbic (vitamina C)Conditiile de desfasurare a procesului de bioconversie:glucoza, extract de drojdie/corn steep liquorexces de carbonat de CaD-sorbitol,15 30% 30C, aerobL sorboza este recuperata din mediu dupa filtrarea si concentrarea filtratului, acest zahar cristalizeaza la racire si aproximativ 65% este recuperat.VitamineAcidul ascorbic (Vitamina C)

Dihidroxiacetona

dihidroxiacetonaglicerolAcetobacter suboxydansGluconobacter melanogenusVitamineRiboflavina (Vitamina B2)6,7 dimetil - 9 - (1 - D - ribitil) - izoaloxazinaClostridium acetobutylicum Ashbya gossypii Eremothecium ashbyiiBacillus subtilis -

Precursor al coenzimelor:Flavin adenin dinucleotide (FAD)Flavin mononucleotideDeficienta afectiuni cutanate si metaboliceAplicatii: aditiv alimentar om si animale (UK - 1977)Productie anuala: 600 tone

Vitamin B12 este denumirea generica a unui grup de compusi ce contin un nucleu tetrapirolic, atom de Co in centruradical legat de atomul de CoCN = cianocobalamin (CNCbl)OH=hidroxocobalamin (OHCbl)-CH3=metillcobalamin (MeCbl)

VitamineCobalamina (Vitamine B12)factorul anti-pernicios

asemenator nucleului porfirinic din clorofila si hemoglobina

25VitamineCobalamina (Vitamine B12)factorul anti-perniciosPseudomonas denitrificans 1 etapa randament mai mare (60 mg/L)

Propionibacterium freudenreichiiPropionibacterium shermanii 2 etape: anaeroba 2-4 zile 5- dezoxiadenozilcobinamidaaeroba 3-4 zile 5- dezoxiadenozilcobalamina (coenzima B12)Conditii de desfasurare a procesului industrial:- Mediul de cultura: glucoza sau zaharoza ca sursa de carbon; sursa de azot: faina de peste, corn-steep sau reziduuri de la distilarea alcooluluiAplicatiiAditiv alimentar hrana omului si animalelor (pasari si porci), creste valoarea nutritionala a nutreturilorProductia anuala 175 tone CarotenoiziPigmenti galbeni, portocalii, rosii, ubicuitari in naturaAplicatii: precursori ai vitaminei A, antioxidanti, agenti de colorare: unt, inghetata, hrana animalelor intensificarea culorii pielii si galbenusului de ou, hranirea pestilor colorarea carnii

Agenti de colorareBeta-caroten (Blakeslea trispora, Dunaliella salina)Licopen (Blakeslea trispora, Streptomyces chrestomyceticus)Zeaxantina (Flavobacterium sp)Luteina (Spongiococcus excentricum, Chlorella pyrenoidosa)Cantaxantina (Cantharellus cinnabarinus, Rhodococcus maris)Astaxantina (Mycobacterium lacticola, Xanthophyllomyces sp.)METABOLITI PRIMARIAMINOACIZIAMINOACIZIIAminoacizi esentiali:lizina, treonina,valina, metionina, triptofanul, fenilalanina, leucina si izoleucina. Aminoacizi partial esentialihistidina si arginina, Acid glutamic - industria farmaceutica si alimentaraMarirea valorii nutritive a alimentelor vegetale, sarace in aminoacizi esentialiFaina de porumb lipseste Lys si TrpGliadina graului Lys in cantitate insuficienta29Utilizarialimentatia omului 66%, furajele animalelor 31%, medicina, cosmetica si industria chimicaSe bazeaza: valoarea nutritionalagustactivitate fiziologicacaracteristici chimiceCai de Obtinerehidroliza proteinelor animale si mai ales vegetale sinteza chimicabiosinteza microbiologicape cale enzimatica.Arthrobacter, Mycobacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Brevibacterium.alanina, acidul glutamic si acidul aspartic, glicina. serina, valina si leucina 1 - 2 mg/ml.

Productia microbiana de aminoacizi CONDITII:stimularea patrunderii in celula a substratului nutritiv utilizat in sinteza diferitilor aminoacizi

stoparea reactiilor secundare

stimularea sintezei si activitatii enzimelor implicate in biosinteza aminoacidului respectiv

inhibarea sau reducerea activitatii enzimelor care produc degradarea aminoacidului respectiv

stimularea excretiei aminoacidului respectiv in mediul exterior.

Productia microbiana de aminoacizi CONDITII:Realizarea acestor deziderate s-a facut pe doua cai corelate intre ele:Tehnici de mutageneza mutante auxotrofe, in special de aminoaciziCunoasterea mecanismelor de reglare metabolica la nivel molecular si modalitati de perturbare a acestora.Productia microbiana de aminoacizi tulpini salbatice (prototrofe): acid L-glutamic, L-valina, D-L-alanina, L-glutamina, L prolina;

mutante auxotrofe de aminoacizi: L-lizina. L-treonina, L-leucina. L-prolina, L-ornitina, Lvalina. L-citrulina, acid L-aspartic;

mutante reglatoare: L-lizina. L-treonina. L-arginina, L-metionina;

Factorii care influenteaza producerea microbiologica de aminoaciziCultura microbiana

Sursa de C, Sursa de NValoare pHTemperaturaAerarea

mutante auxotrofemutante reglatoareACIDUL GLUTAMICglutamat monosodic (MSG) drept condiment, sau corector de gust in industria alimentara (0,1% - 0,3%)

in medicina - tratamentul schizofreniei, epilepsiei, al urmarilor meningitei, encefalitei si poliomielitei;

microorganisme producatoare specii Gram pozitive, biotin dependente, imobile: Arthrobacter, Brevibacterium, Corynebacterium (Corynebacterium glutamicum), Brevibacterium (B. flavum si B. lactofermentum) Microbacterium si Micrococcus.

Biosinteza si acumularea de acid glutamic

marirea activitatii enzimelor anaboliceeliminarea mecanismelor de reglare metabolica pentru indepartarea mecanismelor de control prin feedbackblocarea cailor metabolice ce conduc la produsi secundariblocarea cailor metabolice ce conduc la degradarea produsului tinta acid L-glutamicBiosinteza si acumularea de acid glutamiclimitarea capacitatii de preluare a precursorului intermediar al acidului L-glutamic (acid oxoglutaric) in urmatorul intermediar al ciclului TCA, succinil-CoA; adica mutante ce nu contin acid oxoglutaric dehidrogenaza. In cursul fazei de crestere acesti mutanti produc metaboliti intermediari esentiali de la izocitrat prin ciclul glioxilatcresterea permeabilitatii eliminarea acidului glutamic limitare de biotina, adaugare de surfactanti (Tween 40) si penicilina

38Producerea industriala de acid glutamicMediul de cultura: sursa de C (glucoza 5-20%): melase reducerea cantitatii de biotina prin adaos de acizi grasi saturati, penicilina sau surfactantisursa de N saruri de amoniu, uree, corn-steep, hidrolizat de faina de soiaSaruri de Fe, Zn, Mn, Co urmeBiotina - deficienta

Valoare pH: 6,0 8,0 (hidroxid de amoniu)Temperatura: 27-30Aerare 3540 h in mediu acid glutamic 80 g/L.Corynebacterium microorganisme fastidioase nutritional si pot necesita alte vitamine, aminoacizi, purine si pirimidineProducerea industriala de acid glutamicSeparare si purificare cristalizare prin scaderea valorii pH la 3.2 cu acid clorhidricCristalele de acid L-glutamic sunt apoi filtrate si spalate.L-LizinaAminoacid esentialPreluat prin dieta produse alimentare si furaje suplimentateProductia anuala - 380 000 tone, 90 000 tone procese microbiologice, restul prin sinteza chimica dezavantaj: producerea de izomeri optic activi in amestec (D si L)L-Lizina

The first key step ofthis metabolic pathway, aspartate to aspartyl phosphate,catalysed by aspartokinase, is controlled via feedbackinhibition by two end-products of this branchedpathway, lysine and threonine. Homoserine dehydrogenaseactivity is also subject to feedback inhibition bythreonine and repression by methionine. However,dihydropicolinate synthetase is not inhibited by lysineaccumulation, which is unusual for the first enzymesfollowing the branch point of a pathway.

41L-LizinaTulpinile producatoare de C. glutamicum selectate pentru productia de lizina dereglarea mecanismelor de control prin feedback :Nu prezinta homoserin dehidrogenaza (auxotrofe pentru homoserina); aceste mutante auxotrofe convertesc intreaga cantitate de semialdehida aspartat la lizina, Nu sintetizeaza treonina nu exista mecanism de control prin feed-backInsa, trebuie adaugate cantitati determinate de metionina si izoleucina in mediu de cultura pentru a permite cresterea mutantelor auxotrofeL-LizinaProcese discontinue bioreactoare cu agitare mecanica Surse de carbon: melase, acid acetic sau etanol suplimentate cu hidrolizate de soiaTemperatura - 28C si pH neutru (amoniac, uree si sursa de azot) Concentratia de biotina control foarte important, deoarece < 30mg/L acid glutamicFaza lag este redusa prin utilizarea unui inocul densProductia faza exponentiala + faza stationara 60h, randament 4045 g/L l-lizina melase (200 g/L) cu 100 g/L zaharoza Separare indepartarea celulelor bacteriene, acidifierea mediul de cultura la pH 2.0 cu acid clorhidric iar apoi lizina este adsorbita pe rasini schimbatoare de ioni, urmata de elutieMETABOLITI SECUNDARIANTIBIOTICEALCALOIZII DIN ERGOTMICOTOXINE

HORMONII STEROIZIVACCINURIVITAMINEPROBIOTICEPROTEINE CU VALOARE TERAPEUTICAREACTIVI DE DIAGNOSTICPRODUSE MICROBIENE CU ROL BENEFIC ASUPRA SANATATII UMANEAntibiotice800050 aprobate pentru uz in practica medicala

Conditii: absenta de toxicitate selectivitate/mecanism de actiunestabilitateabsenta compusilor pirogeni si celor histaminicio buna toleranta

Sa se dezvolte relativ rapid , de preferinta, pe medii de cultura ieftineSa fie relativ usor modificate genetic, cu scopul maririi potentialului lor biosinteticSa nu fie patogene si sa nu produca metaboliti toxici Biosinteza antibioticelor la nivel industrial se realizeaza in cadrul unor procese aerobe in bioreactoare industrialeClasa de antibioticeExemple de antibioticeSpecii microbiene Beta-lactamicePeniciline CefalosporineCarbapenemePenicillium crysogenumCephalosporium acremoniumStreptomyces clavuligenesStreptomyces cattleyaPolipeptide cicliceBacitracina

GramicidinaPolimixineBacillus subtilisBacillus licheniformisBacillus brevisBacillus polymixaAminoglicozideStreptomicinaKanamicinaGentamicinaNeomicinaTobramicinaVancomicinaStreptomyces griseusStreptomyces kanamyceticusMicromonospora purpureaStreptomyces spectabilisLactone macrocicliceEritromicinaRifamicinaNistatinAmfotericina BStreptomyces erytheusNocardia sp.Streptomyces sp.StreptomycesChinoneTetraciclinaStreptomyces aureofaciensNucleu aromaticCloramfenicolGriseofulvinaNovobiocinaStreptomycesPenicilliumStreptomycesCompusi quinoloniciAcid nalidixicNorfloxacinStreptomycesStreptomycesCompusi alifatici ciclicicicloheximideStreptomyces griseus

Compusi steroidiciAcid fusidicFusinium coccineumAntibioticeBeta-lactamice (peniciline si cefalosporine)

Aminoglicozide streptomicinaTetracicline

Waksman, 1943A. Fleming, 1928

Streptomyces

Alte aplicatii ale antibioticeloragenti antitumorali: actinomicin si mitomicin, produse de Streptomyces peucetius si S. caepitosus, controlul bolilor microbiene la plantele de culturacercetarile biochimice si molecularepromotori de crestere - furajele animalelor.

REZISTENTA LA ANTIBIOTICEcomisia UE a interzis utilizarea bacitracinei, spiromicinei, tilomicinei si virginiamicinei ca promotori de crestere in 199950Antibiotice beta-lactamice

>100, peniciline si cefalosporine din ATB produse la nivel globalavantaj: nu sunt toxice pentru organismul uman si animalselectivitate inalta

Antibiotice beta-lactamicePenicilina GPenicillium notatum 1mg/L, cultivare in suprafata

Corn steep liquor

Penicillium crysogenum, cultivare submersa 5g/L (>50000)A. Fleming, 1928

Structura comuna penicilinelor, cefalosporinelor si cefamicinelorTehnici clasice de imbunatatire a tulpinii producatoare

Penicilina G (benizil penicilina) si Penicilina V (fenoximetil penicilna)Spectru mai larg de activitateAdaugarea de lanturi laterale precursoare in mediul de culturaPenicilinele naturale pot fi modificate chimicIn prezent, majaritatea sunt semisintetice obtinute cu ajutorul tulpinilor de P. crysogenum

MeticilinaCarbenicilinaAmpicilina Peniciline semisinteticeRezistenta la pH acid gastric a permis administrarea oralaRezistenta la penicilinazaExtinderea spectrului de activitate tulpini bacteriene Gram negative

Producerea industrialaProcese submerse, semicontinueBioreactoare 40.000 200.000LEtape: - crestere vegetativa - producerea antibioticuluiAerareTemperatura: 25 - 27CpH 6.5 7.7Producerea industrialaMediul de culturadiferite surse de C glucoza, lactoza, zaharoza, etanol, uleiuri vegetale 65% - mentenanta celulara, 25% - crestere 10% - productia de penicilinacorn steep liquior sursa de N si factori de crestere pH acid carbonat de Ca si tampon fosfatamoniac, saruri minerale, precursori lanturi laterale specifice ex.: acid fenil acetic sau acid fenoxiacetic, adaugate la continuu la conc subinhibitoriiInocul: spori liofilizati 5x103 spori/mlProducerea industriala2 etape: Producere biomasa (pellets) 2 zileProducerea de penicilina 6 8 zile, sursa de C la o conc 400 de peptide si proteine umane cu diferite aplicatii medicale 10% FDA

Lipsite de antigenitateBioreactoare 2000 5000L

Michael J. Waites, Industrial Microbiology:An Introduction, 2001Hormon de crestere (somatotropina) hGHSintetizat in glanda pituitara controleaza crestereaPreparatele hGH tratamentul naninismului hipofizar la copii (boala congenitala)1958 extras din glanda pituitara cadavreAnimale bovine, porcine ineficiente1970 Kabivittrum (Suedia) si Genentech (SUA) dezvoltarea de produse recombinante hGH E.coli1985 - Protropina

InsulinaHormon polipeptidic, 5808 Da, produs in pancreas (insulele Langerhans)Rol: reglarea glicemiei, metabolismul carbohidratilor, lipidelorInsulina pancreas bovin/porcin terapia diabet insulino-dependentGenentech Humulin 1981 (FDA)E. coli, S. cerevisiae

Interleukinecitokine, IL1-IL151992 Chiron Corporation (Novartis) FDA preparat IL2 recombinat (Proleukin) tratamentulul carcinomului renal

ColagenPichia angusta si Pichia pastorisBacteriofagistrategie alternativa la chemoterapia cu antibioticeabsenta mecanismelor de rezistenta si inalta specificitateterapia holera, dizenterie, meningita, septicemie, tuberculoza si infectii produse de S. aureus, Campylobacter si Pseudomonas

Enzime microbiene

polimeri insolubili precum celuloza, amidonul

Bacillus, StreptomycesSaccharomyces cerevisiae , S. carlsbergensis ,S. fragillis Aspergillus, Penicillium, Mucor , Rhizopus.Enzime de origine microbianaProducerea enzimelor microbiene este determinata genetic

adaugarea de inductori si indepartarea represorilortehnici de mutageneza tehnici de inginerie genetica

Producerea unei enzime - depinde de conditiile de mediu, pH, temperatura, aerare si agitare.

Producerea industriala a enzimelor microbienesepararea si purificarea din mediul de culturaselectarea microorganismelor bune producatoare de enzime, stabilirea conditiilor optime pentru obtinerea enzimei, producerea industriala propriu-zisa, 81Tehnici de screeningmicroorgansime producatoare de noi enzimenoi tulpini cu potential ridicat de productie a unei enzime cunoscute

cultivarea in placi Petri pe mediu solidificat cu agar continand substratul specificselectarea coloniilor bune producatoare de enzime se face dupa diametrul zonei de actiune asupra substratului.cultivarea in mediu lichid a tulpinilor selectate, cu scopul determinarii cantitative a activitatii enzimatice si a selectarii pe aceasta baza a celor cu activitatea cea mai mare a enzimei dorite.

Principalele preparate enzimatice microbiene si aplicatiile lor practice

Hidrolaze Glicozidaze - Oligozidaze - PoliozidazeProteazeAmidazeOxidoreductaze Glucozoxidaza si CatalazaIzomeraze Glucozoizomeraza

Hidrolazele

Glicozidaze Oligozidaze: beta-fructozidaza (invertaza) Saccharomyces cerevisiae ,S. carlsbergensis Utilizari: ca adaos la formula de preparare a miezului moale al bomboanelor imbracate in ciocolata, obtinerea zaharului invertit destinat bauturilor nealcoolice, lichiorurilor, inghetatei, diverselor concentrate alimentare. Zaharul invertit spre deosebire de zaharoza este mai dulce si avand o solubilitate mai mare nu cristalizeaza.

b) Poliozidaze cele mai importante sunt amilazele, celulazele si enzimele pectolitice.

amilozaamilopectina

Granule de amidon colorate cu iod, observate la microscopul opticStructura moleculei de amidon

Microorganismele folosite pentru producerea de amilaze sunt bacteriile si mucegaiurile.

Bacillus ca: B. subtilis, B. polymyxa, B. amiloliquefaciens, B. macerans, B. strearothermophillus, ale genului Streptomyces si genului Clostridium.

Aspergillus ca: A. niger, A. oryzae, A. wentii, A. awamori, ale genului Rhizopus ca: R. tonkinensis, R. delemar si unele specii ale genului Mucor.

ENZIME MICROBIENEEnzime microbieneAmidonul asigurarea texturii a numeroase alimente industrii ca agent de ingrosare, stabilizator coloidal, agent de gelificare. hidrolizate de amidon, sirop de glucoza, fructoza, derivate de maltodextrina sau ciclodextrine. obtinerea de etanol. cele mai importante surse de amidon din punct de vedere industrial sunt porumbul, tapioca, cartoful si graul.

Enzime microbieneAmilazeSiropul de fructoza se obtine prin conversia amidonului din porumb prin trei reactii fiecare catalizate de o enzima microbiana: 1. alfa-amilaza actioneaza asupra lanturilor polizaharidice de amidon scurtandu-le si reducand vascozitatea polimerului. Aceasta etapa poarta numele de reactie de subtiere (lichefiere)2. glucoamilaza produce monomeri de glucoza din lanturile de oligozaharide rezultate din etapa anterioara proces numit zaharificare.3. glucozo-izomeraza realizeaza conversia finala a glucozei la fructoza, proces numit izomerizare.

amidonamilazele si glucoamilazele sirop de glucoza fructoza glucozo-izomerazaindustria alimentara - productia de bauturi racoritoareENZIME MICROBIENE

-amilaza-amilazamaltoza si dextrinaGlucoamilazalegaturile 1-4- -glicozidice de la capetele reducatoarelegaturile 1-4--glicozidice din amiloza si amilopectina de la capetele nereducatoare Aspergillus sp., Rhizopus spglucoza, dextrin si izomaltozadextrinalegaturile 1-4- -glicozidiceAMILAZE

dextrinaza limitahidroliza legaturilor 1-6-glicozidice (dextrin limita si din izomaltoza)glucozamucegaiuriIzoamilazahidroliza legaturilor 1-6-glicozidice fragmente mai mici si maltotrioza

Utilizari practice

IndustrieSursaAplicatiiBacillus sp.Aspergillus sp.Industria amidonului+-Lichefierea amidonului pentru producerea de glucoza, maltozaMorarit si panificatie-+Ameliorarea fainurilor deficiente in -amilazaIndustria spirtului si a berii++Zaharificarea materiilor prime, amidonoase, inlocuind partial, sau total maltul de orzIndustria hartiei+-Lichefierea amidonului fara producerea de zahar, pentru dimensionarea hartieiIndustria textila+-Dezancolarea fibrelorIndustria alimentara+-Ameliorarea utilizarilor furajelor tratate enzimatic pentru cresterea pasarilor si viteilorIndustria zaharului+-Ameliorarea filtrabilitatii sucului de sfecla de zahar prin degradarea amidonului din sucIndustria detergentilor+-Cresterea puterii de curatire a detergentilorAplicatii industrialeConversia amidonuluiB. amyloliquefaciens, B. stearotermophilus sau B. licheniformis

Industria detergentilormareste capacitatea detergentilor de a indeparta pete dificileII tip de enzime utilizate in prepararea detergentilor, 90% din detergentii lichizi continand aceste enzime. tulpini de Bacillus sau Aspergillus. Aplicatii industrialeProducerea de biocombustibiletanolul este cel mai utilizat biocombustibil lichid. Pentru producerea de etanol, amidonul este cel mai utilizat substrat datorita pretului scazut si disponibilitatiii ca material brut in majoritatea regiunilor din lume.

amidonul - solubilizat si apoi supus la doua etape enzimatice pentru obtinerea de zaharuri fermentescibile.

bioconversia amidonului la etanol implica lichefierea si zaharificarea in care amidonului este convertit la zaharuri folosind un microorganism amilolitic sau enzime precum alfa-amilaze, urmata de fermentatie, in urma careia zaharurile sunt convertite la etanol folosind un microorganism cum ar fi Saccharomyces cerevisiae.

fuziunea de protoplasti a fost realizata intre o levura amilolitica S. fibuligera si S. cerevisiae. In cursul primei etape a hidrolizei suspensiilor de amidon sunt folosite alfa-amilaze obtinuta cu ajutorul bacterii termorezistente precum B. licheniformis sau tulpini modificate de E. coli sau B. subtilis.Aplicatii industrialeIndustria alimentaraindustria de procesare a a produselor alimentare in panificatie, fabricarea berii, a prajiturilor, sucurilor din fructe si siropului de amidon.

Alfa-amilazele au fost intens utilizate in industria de panificatie. Aceste enzime pot fi adaugate aluatului de paine pentru a degrada amidonul din faina in dextrine mai mici care mai departe sunt fermentate de drojdii.

Adaugarea de alfa-amilaze aluatului conduce la crestearea ratei de fermentatie si la reducerea vascozitatii aluatului conducand la imbunatatiri ale volumului si texturii produsului. Mai mult, genereaza zaharuri aditionale in aluat care imbunatatesc gustul, culoarea crustei si calitatilor de prajire a painii. In plus generand compusi de fermentatie alfa-amilazele au un efect anti-blocare in producerea painii creascand durata de valabilitate. In prezent o amilaza maltogenica produsa de B. stearothermophilus este utilizata comercial in panificatie. Amilazele sunt de asemenea folosite in limpezirea berii sau sucurilor din fructe sau ca pretratament al furajelor pentru animale pentru imbunatatirea digestibilitatii fibrei.

Aplicatii industrialeIndustria textilaprocesul de descleiere. agenti de intarire precum amidonul sunt aplicati pentru preveni ruperea firelor de tesut inainte de procesul de fabricatie pentru a asigura un proces rapid si sigur.amidonul este foarte atractiv pentru ca este ieftin, disponibil pe piata in majoritatea regiunilor lumii si poate fi indepartat foarte usor.descleierea implica indepartarea amidonului din tesatura care serveste ca agent de intarire. Alfa-amilazele indeparteaza in mod selective amidonul si nu ataca fibra textila. Amilazele produse de tulpinile de Bacillus sunt fost utilizate in industria textila.

POLIZAHARIDE EXTRACELULARE MICROBIENEagenti pentru ingrosarea si stabilizarea alimentelor, medicamentelor si produselor industriale. polimeri in procesele de recuperare tertiara a titeiului din zacamintele uzate. Principalele polizaharide microbiene de importanta comerciala si microorganismele producatoare.

Curdlanul Alcaligenes faecalis var. myxogenes succinoglucanproprietatile generale ale gelului de curdlan sunt intermediare intre cele ale gelatinei (un gel elastic) si cele ale agarului (un gel fragil). in industria alimentara sau ca suport de imobilizare a enzimelor sau ca agent de legare.Scleroglucanul Sclerotium glucanicum, S. delphnii, S. rolfsiisubstraturi lignocelulozicevascozitatea, stabilitate la temperaturi ridicate, intr-un domeniu larg de valori de pH si in prezenta electrolitilor. utilizat ca agent de suspendare, gelificare sau de acoperire in diferite industrii - farmaceutica.

Pullulanul Aureobasidium (Pullularia) pullulanscapacitatea de a forma filme (membrane). Filmele formate prin aplicarea unei solutii de 5 - 20% polizaharid pe o suprafata neteda au o permeabilitate mica fata de oxigen, comparativ cu alte materiale utilizate precum celofanul sau polipropilena.

Azotobacter vinelandii si Pseudomonas aeruginosa. Alginatul are numeroase utilizari in industria alimentara, precum si in alte industrii nealimentare.HeteropolizaharideAlginatul Utilizarile exopolizaharidelor microbieneCu exceptia dextranului, folosit in scopuri farmaceutice, dintre celelalte polizaharide microbiene, cele mai multe utilizari le au, in prezent xantanul si alginatul.