توليد پني سيلين در محيط اشباع شده‌ی غلات

در اين مقاله نتايج بدست آمده در مورد بررسي جايگزيني لاكتوز به وسيله‌ی گلوكز يا ساكاروز در يك محيط مايع اشباع شده از غلات را كه به منظور توليد پني سيلين مورد استفاده قرار گرفته است، ارائه شده است. كارهاي قبلي نشان داده است كه گلوكز و ساكاروز با سرعت بالاتري نسبت به لاكتوز، به وسيله‌ی Penicillium chrysogenum تجزيه مي‌شود. همچنين اين نشان داده شده است كه سرعت ماكزيمم براي توليد پني‌سيلين تحت شرايط تخمير ايجاد مي‌شود. در اين شرايط، يك سرعت پايين از رشد مانند شرايط متداول تخمير لاكتوز،‌ ايجاد مي‌شود. براي تقريب زدن شرايطي كه در آن،‌گلوكز يا ساكاروز به عنوان منبع قندي، مورد استفاده قرار مي‌گيرد، اين قندها با سرعت هايي تغذيه مي‌شوند كه ميزان استفاده آنها محدود گردد. سرعت تغذيه‌ی بهينه براي هر قند در توليد پني سيلين سپس محاسبه خواهد شد. اين كار در يك دستگاه تخمير 30 ليتري مجهز به هم زن و در محيط بدون هوا انجام شد. كار مشابهي به وسيله‌ی Hosler و همكارانش در سال 1953 انجام شده است.

روش هاي تجربي

تكنيك هاي تخمير

Penicillium chrysogenum W49-133 در اين آزمايشات مورد استفاده قرار گرفته است. مطالعات پيشين بر روي توليد پني سيلين با استفاده از اين سويه( strain) و مشتقات آن از سويه‌ی مادر Penicillium chrysogenum Q176 نيز گزارش شده اند( Anderson و همكارانش 1953).
ماده‌ی مايه كوبي گياهي( Vegetative inculum) مورد استفاده در دستگاه مخمر از طريق 7 مرحله آماده سازي مي‌شود. اولا، در يك ارلن ماير 500 سي سي، يك مخلوط از 5 گرم سبوس و 5 گرم غله‌ی خرد شده ريخته مي‌شود سپس مخلوط بوسيله‌ی آب نمناك مي‌شود و در يك اتوكلاو با فشار 15 پوند به مدت 45 دقيقه، استرليزه مي‌شود. اين مخلوط با مقدار اندكي خاك در دماي 25 درجه به مدت 7 روز آنكوبه مي‌شود( اين زمان براي هاگ زايي مناسب هستند). چندين ارلن به طور همزمان بوسيله‌ی اين روش توليد گرديد. دوما، به ارلن داراي هاگ، 100 ميلي ليتر از محلولي اضافه مي‌شود كه داراي 6 گرم دكسترين و 2 گرم غلات جامد است( اين محلول پيش از اضافه شده،‌ در يك اتوكلاو، استريل مي‌گردد).
سپس، سوسپانسيون داراي هاگ بدست آمده، در دماي 25 درجه‌ی سانتيگراد بر روي يك اتوكلاو شيكردار نگه داري گرديد. سرعت چرخش شيكر 250 دور بر دقيقه بود. بعد از 24 ساعت، محتوي ارلن به داخل دستگاه تخمير 30 ليتري ريخته مي‌شود. اين دستگاه تخمير مشابه دستگاهي است كه بوسيله‌ی Brown و Peterson( 1950) مورد استفاده قرار گرفته است. اين دستگاه تخمير شامل 16 ليتر ماده بود كه اين ماده شامل 25 گرم بر ليتر غلات جامد، 30 گرم بر ليتر لاكتوز، 2.0 گرم بر ليتر گلوكز، 0.25 گرم بر ليتر ، 0.1 گرم بر ليتر و 1.0 گرم بر ليتر مي‌باشد. براي كنترل كف كنندگي، 1.0 گرم بر ليتر از يك محلول Alkaterge در روغن خوك به اين مخلوط اضافه مي‌گردد و پي اچ محيط بوسيله‌ی NaOH‌ در مقدار 6.2 تنظيم مي‌گردد. مخمر كاشت در يك حمام آب با دماي 25 درجه‌ی سانتيگراد، آنكوبه مي‌شود و سرعت هم زدن 380 دور در دقيقه مي‌باشد. اين بخش با سرعت 0.5 حجم بر واحد حجم محيط و واحد دقيقه، هوادهي گرديد. بعد از رشد 24 ساعته، حجم مورد نياز براي ماده‌ی مايه كوبي، محفظه‌ی تخمير 30 ليتري، به داخل يك ارلن ماير 1 ليتري وارد مي‌شود. هر محفظه نيازمند 5 درصد از اين مايه كوبي است.
محيط مورد استفاده در محفظه هاي تخمير 30 ليتري داراي 30 گرم بر ليتر غله‌ی جامد، 5 گرم بر ليتر گلوكز، 5 گرم بر ليتر ، 1.0 گرم بر ليتر مي‌باشد. در طي كار شكر به طور مجزا اضافه مي‌شود( اين شكر در آب حل شده است و به صورت محلول اضافه مي‌شود). مقدار پتاسيم فنيل استات به گونه اي افزوده مي‌شود كه مقدار 3 گرم فنيل استات اسيد بر ليتر در داخل محفظه وجود داشته باشد. اين غلظت بوسيله‌ی Brown و Peterson در سال 1950 توصيه شده است. براي كنترل كار به نحوي كه تمام شكر در ابتدا به سيستم وارد شود، پتاسيم فنيل استات در يك محلول 3 ليتري آماده سازي شد و در طي تخمير به محلول شكر افزوده مي‌شود.
يك مخزن داراي محلول Alkaterge C‌ در روغن خوك بر روي سيستم تعبيه گرديد، تا در صورت نياز به ضد كف، اين محلول به محفظه وارد گردد. ساختار بخش اندازه گيري مقدار ضد كف وارد شده به محفظه، بوسيله‌ی Anderson و همكارانش توضيح داده شده است. همچنين توصيف عمومي در مورد ساختار دستگاه هاي تخمير بوسيله‌ی Brown‌ و Peterson در سال 1950 بيان شده است.
هر دستگاه تخميري، در دماي 25 درجه‌ی سانتيگراد نگهداري شد. اين مخلوط با سرعت 500 دور بر دقيقه هم زده مي‌شود و با سرعت 1.0 حجمي- حجمي هوادهي مي‌گردد. هيچ قانوني در مورد كنترل پي اچ در طي كاركرد دستگاه ضروري نيست. بعد از استريلاسيون، پي اچ محيط در گستره‌ی 5.6 تا 5.8 مي‌باشد و 20 تا 24 ساعت بعد از آنكوباسيون( وقتي افزون شكر شروع مي‌شود)، پي اچ در هر اجرا، به 7.0 مي‌رسد.
محلول ماده‌ی اوليه و شكر به دستگاه تخمير اضافه مي‌شود. اين كار بوسيله‌ی يك موتور كوچك( مطابق شكل1) انجام شد. شلنگ هاي لاستيكي كه منبع شكر را به محفظه‌ی تخمير متصل مي‌كند، از ميان كانال شبه مدور پمپ عبور مي‌كند به نحوي كه شيلنگ همواره تحت فشار غلظك هايي باشد كه در طول كانال عبور مي‌كنند. اين پمپ به طور متناوب كار مي‌كند. اين كار با استفاده از يك تايمر انجام مي‌شود به نحوي كه محلول شكر با سرعت مناسبي به محفظه تزريق مي‌شود.
نمونه هايي از محفظه‌ی تخمير برداشته مي‌شود و به قسمت آناليز شيميايي و آناليز مربوط به تشخيص پني سيلين ارسال مي‌گردد. اين نمونه ها با توجه به دستورالعمل ارائه شده بوسيله‌ی Gailey و همكارانش جمع آوري مي‌شوند.

رويه هاي آناليز

پي ا چ هر نمونه بعد از نمونه برداري به طور فوري اندازه گيري مي‌شود. اين كار بوسيله‌ی الكترودهاي شيشه اي انجام مي‌شود.
مقدار كل پني سيلين با استفاده از اصلاح روش ستوني- صفحه اي كه بوسيله‌ی Schmidt و Moyer( 1944) پيشنهاد شده است، اندازه گيري گرديد. ميكروارگانيزم مورد استفاده براي تست،‌Micrococcus pyogenes var aureus مي‌باشد.
تمام قندها با استفاده از روش Shaffer و Mogyi( 1933) تعيين شدند. معرف مورد استفاده در اين روش داراي 5 گرم KI بوده و تيتراسيون براي استانداردسازي نمودارهاي آماده شده براي هر نوع شكر، مورد استفاده قرار گرفته است. لاكتوز در حضور HCl نيم نرمال هيدروليز مي‌شود. اين واكنش در يك اتوكلاو با فشار 15 پوند و به مدت 20 دقيقه انجام مي‌شود. ساكاروز به طور مشابه هيدورليز مي‌شود به جز اينكه زمان حرارت دهي در آن به 5 دقيقه كاهش يافته است.
نيتروژن با قابليت حل شدن Kjeldahl بوسيله‌ی روش ميكرويي ارائه شده بوسيله يJohnson( 1941) اندازه گيري مي‌شود و مقدار نيتروژن ميسليوم مربوطه براي هر نمونه با استفاده از تفاوت مقدار نيتروژن حل شده‌ی نمونه در زمان آنكوباسيون، محاسبه مي‌شود.
براي تعيين آمونياك، كسر كوچكي از نمونه‌ی حل نشده در آب از صافي عبور داده مي‌شود و قليايي مي‌شود، سپس اين محلول هوا دهي شده و آمونياك بر روي يك بخش استاندارد داراي سولفوريك اسيد، جذب مي‌شود.

نتايج و بحث ها

اين فهميده شده است كه با يك غلظت 0.5 درصدي از گلوكز كه در ابتدا در محيط محفظه‌ی تخمير وجود دارد، رشد حاصله از ماده‌ی مايه كوبي سريع مي‌باشد و فاز رشد به طور واقعي در 24 ساعت اول كار، انجام مي‌شود. كپرك زدگي ايجاد شده در طي اين فاز، در حضور قند ديگر نيز تفاوتي ندارد. تغذيه‌ی پيوسته‌ی شكر از 20 تا 24 ساعت بعد از آنكوباسيون شروع مي‌شود و تا 72 ساعت بعد،‌ ادامه خواهد داشت. افزودن اضافي شكر در بعد از اين زمان به نظر بي فايده به نظر مي‌آيد. زيرا يك كاهش در مقدار پني سيلين در تست پني سيلين و تقريبا 100 ساعت بعد از اجراي كار، رخ مي‌دهد( در زماني كه محدوديتي در اضافه نمودن شكر وجود نداشته باشد).
به منظور مقايسه‌ی ميزان سودمندي روش هاي تغذيه براي اين سه شكر مورد بررسي قرار گرفته، تخمير متداول در ابتدا با 3 % لاكتوز انجام شد و اين مقدار به عنوان مقدار استاندارد در نظر گرفته شد. در هيچ كدام از اجراها( ران ها)، مقدار پني سيلين از مقداري كه در حالت استاندارد لاكتوز، بدست آمده است، بيشتر نبوده است. اين مقدار 1610 واحد بر ميلي ليتر بود. بازده توليد پني سيلين از منابع قندي گلوكز، ساكاروز و لاكتوز در شكل 2 آورده شده است.
براي گلوكز، بهترين سرعت تغذيه 0.042 درصد بر ساعت بوده است كه اين مقدار معادل 3 درصد كلي مي‌باشد و ميزان پني سيلين توليد شده در اين روش برابر 1520 واحد بر ميلي ليتر مي‌باشد( اين مقدار 83 ساعت بعد از اجراي آزمايش اندازه گيري شده است).
در سري آزمايشاتي كه از ساكاروز استفاده گرديد، اين فهميده شده است كه غلظت كل ساكاروز مورد نياز براي ايجاد بازده اي قابل مقايسه با بازده هاي بدست آمده در محيط هاي گلوكز دار يا لاكتوز دار، به طور قابل ملاحظه اي بالاتر است.
مقدار پني سيلين در اجراهاي( ران هاي) كنترلي كه در آنها از 5 % ساكاروز استفاده گرديده است، برابر با 1360 واحد بر ميلي ليتر مي‌باشد. در حالي كه توافق نزديكي در زمينه‌ی وقوع تغييرات شيميايي در محيط كشت داراي لاكتوز يا ساكاروز، وجود دارد( بر طبق وجود شواهد در زمينه‌ی مقدار آمونياك و نيتروژن ميسليوم)، يك تفاوت قابل توجه در سرعت استفاده از قند وجود دارد. اين مسئله در شكل 3 نشان داده شده است. ظاهرا، ساكاروز به نحوي سريع بوسيله‌ی كپك تحليل مي‌رود كه شرايط شبه گرسنگي در مخمر لاكتوزي ايجاد مي‌شود و اين به نظر مي‌رسد كه اين وضعيت براي توليد با بازده بالاي پني سيلين مناسب مي‌باشد. 5 % ساكاروز در طي 48 ساعت و به طور كامل بوسيله‌ی كپك مصرف مي‌شود. به هر حال، وقتي غلظتي مشابه از ساكاروز به آرامي و در يك دوره‌ی 72 ساعته، تزريق مي‌شود، سطح 5 % تا قبل از 90 ساعت حاصل نمي شود و بازده پني سيلين بالاتر مي‌رود( اين مقدار برابر با 1410 واحد است). البته بايد اين نكته تذكر داده شود كه مقدار اين افزايش هنوز هم به حد مخمرهاي لاكتوزي نرسيده است. تغييرات شيميايي رخ داده در هنگام استفاده از ساكاروز در شكل 4 نشان داده شده است.
براي آزمايشات سري كه در آنها از لاكتوز استفاده شده است، سرعت تزريق بهينه برابر با 2.4 درصد كلي يا 0.034 درصد بر ساعت مي‌باشد. اين مقدار به ما مقدار پني سيليني در حد 1470 واحد بر ميلي ليتر مي‌دهد. تغييرات شيميايي در عمليات تخمير كه در آن از 2.4 % لاكتوز استفاده شده است، هيچ تفاوتي نسبت با حالتي كه درصد لاكتوز كمتر است، ندارد.
برخي آزمايشات ديگر با استفاده از لاكتوز انجام شده است و در آنها تلاش شده تا ظاهر بي قاعده‌ی ايجاد شده در شكل 2، ساماندهي شود. اين بي قاعده بودن بدين معناست كه لاكتوز وقتي به آرامي به محفظه تزريق مي‌شود، بازدهي مشابه با حالتي كه در آن لاكتوز از ابتدا در محفظه وجود داشته است را ايجاد نمي كند. نتايج اين آزمايشات كه در جدول 1 آورده شده است، پيشنهاد مي‌كند كه محلول لاكتوز داراي برخي فاكتورهاست كه اين فاكتورها در طي فاز رشد مخمر مؤثر عمل مي‌كنند و موجب مي‌شوند تا بازده بالاتري در فاز بعدي ايجاد گردد. اين اثر به دليل افزودن اوليه‌ی پيش ماده نمي باشد زيرا اين پيش ماده در اصل در تمام آزمايشات وجود داشته است. نمونه هايي كه در آنها از گريدهاي تجاري لاكتوز مورد استفاده قرار گرفته است، 95 تا 97 % لاكتوز نسبت به استاندارد USP‌ لاكتوز ايجاد كرده اند.

خلاصه

با استفاده از تكنيك تغذيه‌ی آرام، قندهايي مانند گلوكز يا ساكاروز، سريع تر تحليل مي‌روند. اين روش به طور موفقيت آميز با استفاده از لاكتوز به عنوان منبع كربوهيدرات، براي توليد پني سيلين مورد استفاده قرار گرفته است. اين كار در يك محفظه‌ی تخمير با اندازه‌ی 30 ليتر انجام شده است و ميكرو ارگانيزم هاي توليد كننده‌ی پني سيلين، Penicillium chrysogenum W49-133 بوده اند.