ФЕРМЕНТАЦИЯ

Ферментация — это процесс, в котором происходит преобразование исходного сырья в продукт с использованием биохимической деятельности микроорганизмов или изолированных клеток.

Синонимами слова «ферментация» можно считать такие термины, как культивирование, выращивание микроорганизмов, биосинтез.

Следует отличать ферментацию от биокатализа (в котором уже полученный ранее фермент или биомасса микроорганизмов используются как катализаторы биохимического процесса синтеза продукта из исходного сырья и реагентов) и от биотрансформации (в этом процессе также применяется биокатализатор в виде фермента или биомассы микроорганизмов, но исходное вещество по химической структуре мало отличается от продукта биотрансформации).

Культивирование микроорганизмов и клеток различных тканей связано с особенностями роста и функций живой материи из всех трех царств: царств животных, растений и микроорганизмов. Термин микробы используется обычно как тривиальный синоним слова микроорганизмы, к которым относятся бактерии, грибы и простейшие {Protozoa). Культурами тканевых клеток называют культуры, полученные из растений или животных.

Разные культуры крайне различны по форме и сложности. Простейшей формой культуры является гомогенная суспензия организмов одного типа в водной среде, поддерживаемая в постоянных физических условиях и содержащая минимальное число определенных компонентов. К сложным культурам относятся культуры, содержащие более одного типа организмов, множество различных субстратов и ингибиторов. В сложных культурах среда гетерогенна, а физические условия меняются. Теоретические основы поведения культуры пока что известны в основном только для простейшей формы культуры. Чтобы полностью установить теоретические основы, необходимо прежде исследовать влияние полного диапазона всех условий на все типы организмов не только качественно, но и количественно.

Основной поток работ, посвященных исследованию культивирования микроорганизмов, начинается с 1830 г., когда Каньяр де Латур, Кютцинг и Шван открыли, что в брожении вина и вообще в бродильных процессах «повинен» рост дрожжей и других микроорганизмов. В дальнейшем в этой области не было никакого прогресса вплоть до 1850-х гг., когда Пастер начал свои фундаментальные исследования. Пастер исследовал физиологию дрожжей и бактерий, ввел асептические методы, минимальные среды и приступил к изучению пищевых потребностей и роли кислорода.

Первая полная среда определенного состава была получена Ро-лэном [81] в 1869 г. для культивирования грибов видов Aspergillus. Работа Ролэна была совершенной в том отношении, что он определил пищевые потребности не только качественно, но и количественно, выразив их в виде выхода биомассы (экономического коэффициента). Этой количественной стороной вопроса, к сожалению, пренебрегали во всех последующих исследованиях пищевых потребностей микроорганизмов.

В 1870-х гг. Кох ввел метод чистых культур, гарантировавший, что инокулят содержит только известные виды бактерий.

Работами Пастера и его ученика Ролэна была установлена потребность в главных и второстепенных компонентах среды и в источниках энергии. Потребность в сложных органических веществах, теперь называемых «факторами роста», впервые была обнаружена Вильдье в 1901 г., когда он открыл витамин В, или факторы «биос», необходимые для роста дрожжей.

В 1930-х гг. с введением метода колб на качалках Клювером и Перквином началось развитие более сложной аппаратуры культивирования. Это дало возможность применять лабораторный метод для аэрации глубинных культур, особенно для глубинных культур аэробных грибов, которые раньше выращивались только на поверхности твердых или жидких сред. В поверхностных культурах окружение организма гетерогенно, а в глубинных — гомогенно, поэтому проще для изучения и контроля. Впоследствии глубинные культуры аэробных грибов сыграли значительную роль в развитии промышленного производства антибиотиков. Возрастающее технологическое значение культуры микроорганизмов значительно стимулировало интерес инженеров к этой области и привело в 1940—1950-х гг. к созданию ферментёров полного смешения с автоматической регуляцией условий среды. В настоящее время такое оборудование играет центральную роль при изучении поведения культур микроорганизмов и тканевых клеток.

До 1950 г. исследование кинетических закономерностей культуры занимало незначительное место. Слейтор [84] выдвинул концепции о взаимосвязях различных параметров культуры. Хин-шельвуд [73] предложил ценные модели кинетики реакций в живой клетке. Моно [77] в своей монографии, явившейся значительной вехой в исследовании кинетики, показал, как можно охарактеризовать рост бактерий с помощью экономического коэффициента, удельной скорости роста и концентрации лимитирующего рост субстрата. Из этого аналитического подхода в дальнейшем [77; 79] последовало развитие теории непрерывного культивирования хе-мостатного типа. В настоящее время хемостатная культура имеет существенное значение для объяснения взаимоотношений между организмом и средой.

Примерно с 1950 г. отмечается быстрое развитие методов культивирования животных клеток, чему особенно способствовало появление монослойных и суспендированных культур, диспергирование клеточных культур трипсином, а также выяснение пищевых потребностей клеток. Культуры растительных клеток в меньшей степени привлекали внимание исследователей, количественная оценка результатов их исследования кажется менее надежной, чем в случае культур животных клеток.

Теория культивирования микроорганизмов развивалась крайне медленно по сравнению с теоретическими основами физики, химии или экономики, каждая из которых благодаря огромному числу крупных исследователей уже до 1900 г. переросла в самостоятельную область знаний.

Такое отставание в развитии теории культивирования объяснялось отнюдь не тем, что реакция клеток на условия среды, как мгновенная, так и длительная, представляла меньший интерес. Изучение открытых систем, среди которых наиболее важной является хемостат, открыло с 1950 г. новые горизонты как для теоретического развития этих вопросов, так и для экспериментальной проверки теории [55].

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >