Микробные полисахариды: свойства, применение и коммерческая ценность




В настоящее время осуществляется промышленное производство ряда микробных полисахаридов [декстран, ксантан, геллановая смола, занфло (Zanflo) и политран (Polytran)]. Получение многих других находится на стадии разработки.

Ксантан [келтрол (Keltrol), келзан (Kelzan), Родогель (Rhodogel)]

Ксантан синтезируется Xanthomonas campestris при росте на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе и барде. В качестве источников углерода могут использоваться промышленные отходы, например сыворотка, образующаяся при выработке творога. Этот полимер, имеющий аллюлозный остов, построен из повторяющихся пятичленных блоков, содержащих D-глюкозу, D-маннозу, D-глюкуроновую кислоту; к некоторым из них присоединены остатки уксусной и пировиноградной кислот. Мол. масса его варьирует от 2х106 до 15х106. Точная третичная структура ксантана еще не определена, однако результаты конформационного анализа позволяют предположить, что полимер имеет форму спирали. Остается выяснить, одиночная она или двойная. Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967 г.). Он нашел широкое применение в промышленности. Это вещество обладает высокой вязкостью при малых концентрациях и низкой скоростью сдвига. Вязкость его остается постоянной в широком диапазоне рН, не зависит от температуры и присутствия солей, например хлористого калия. В сочетании с растительным полисахаридом из семян лжеакации водные растворы ксантана образуют стабильные гели. Ксантан -получают обычным способом в ферментере с использованием -коммерческой D-глюкозы в качестве источника углерода. Перед осаждением полимера метанолом или изопропанолом в присутствии хлористого калия клетки обычно не удаляют. Изучалась возможность непрерывного получения ксантана, но промышленное внедрение этого метода осуществлено не было.

Уникальные свойства ксантана предопределили его широкое применение в самых разных отраслях промышленности в качестве стабилизатора и средства для контроля за состоянием суспензий, гелеобразованием и вязкостью. Псевдопластические текучие свойства этого полимера в сочетании с устойчивостью ж нагреванию, кислотам, щелочам и присутствию катионов

обеспечивают ему преимущества над другими смазками в составе бентонитовых шламов, и ксантан широко используется при добыче нефти. Он применяется также для повышения выхода нефти, где в сочетании с поверхностно-активными веществами и углеводородами служит в качестве агента, контролирующего вязкость жидкости, закачиваемой в нефтеносные пласты. Молекулы полимера, использующегося для повышения выхода нефти, должны быть достаточно малого размера, чтобы они могли проникать в поры породы, образуя растворы, с высокой вязкостью, которая не изменяется при высоких концентрациях солей, высоких температурах и давлении, а также-под действием сдвиговых напряжений, создаваемых при работе насосов. Ксантан, очищенный от бактериальных остатков, обладает более низкой степенью удержания, чем широко используемый полиакриламид. При добыче нефти применяются водные растворы сульфатированного полисахарида, так как они подвержены меньшему разжижению под действием сдвиговых напряжений. В комплексах с бурой ксантан применяют в качестве гелеобразующего агента при производстве взрывчатых веществ.

В 1969 г. было разрешено использовать ксантан в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств консервированных и замороженных продуктов, приправ, соусов, быстро приготовляемых продуктов, заправок, кремов и фруктовых напитков. Благодаря синергическому взаимодействию между ксантаном и растительными галактоманнанами вместе с камедью из семян лжеакации он нашел применение в производстве кормов, например консервированного корма для домашних животных, где он конкурирует с агаром; в качестве суспендирующего агента он используется также в производстве кормов с низким содержанием твердых компонентов. Простые и сложные эфиры ксантана применяют в косметике и в текстильной промышленности.

Декстран

Декстран - это a-D-глюкан, синтезируемый самыми разными грамположительными и грамотрицательными бактериями, такими как Aerobacter spp., Streptococcus bovis и 5. viridans,. а также Leuconostoc mesenteroides. В промышленности этот полимер получают выращиванием последнего из перечисленных микроорганизмов на сахарозе. Большинство полисахаридов являются продуктами внутриклеточного синтеза, однако при образовании декстрана субстрат не проникает в клетку. Декстра-ны классифицируют в зависимости от относительного содержания каждого из трех имеющихся типов связей (а-1->3 а_1_>_4 и а.]^б), а также по растворимости в воде. Высокомолекулярный полимер осаждают органическими растворителями, я затем разрушают ферментативным путем (используя экзо-и эндодекстраназы) с помощью гидролиза слабой кислотой либо нагреванием до получения продукта с нужной молекулярной массой. Степень такой деградации контролируется по изменению вязкости. В качестве альтернативы можно использовать низкомолекулярные полисахариды как затравку для получения декстранов с желаемой степенью полимеризации. Бактериальные инокуляты часто неоднократно промывают солевым раствором для удаления примесей высокомолекулярных полимеров, которые в противном случае смогли бы послужить затравками при полимеризации. Помимо природы акцептора глюкозы, молекулярная масса декстрана определяется также концентрацией сахарозы и температурой реакции. При высокой концентрации сахарозы (70% по весу) образуется в основном однородный набор низкомолекулярных декстранов. При использовании низкомолекулярной декстрановой затравки (10 000-25000) и небольших концентраций сахарозы (10% по весу, рН 5, 15°С) значительная часть получаемого продукта (50%) имеет мол. массу в пределах 50 000-100 000; при этом отпадает необходимость в его дальнейшем фракционировании для применения в медицине.

Внеклеточный фермент, катализирующий синтез декстрана, декстрансахараза (<х-1,6-глюкан: В-фруктозо-2-глюкозил-

трансфераза, К.Ф.2.4.1.5), является индуцибельным у Leuconos-toc mesenteroides; у Streptococcus mutans или S. sanquis он синтезируется в течение логарифмической фазы роста. Этот фермент освобождает фруктозу и переносит глюкозные остатки на ■связанную с ферментом молекулу акцептора. Растущая цепь декстрана остается прочно связанной с ферментом. Исследования иммобилизованной декстрансахаразы показали, что она -образует продукты с узким спектром молекулярных масс, тогда как в растворимой системе синтезируются очень высокомолекулярные декстраны. Синтезирующие декстран организмы продуцируют большие количества этого фермента в растворимой -форме или в связанном с клеткой состоянии. Производство декстранов микробной природы остается, однако, ограниченным, несмотря на успехи в разработке бесклеточных систем.

Прежде всего декстраны используют в качестве заменителей плазмы (для увеличения объема крови); кроме того, они применяются в медицине для создания гидрофильного слоя на обожженных поверхностях в целях поглощения жидких экссудатов. Для разделения и очистки биологических молекул находят широкое применение производные декстранов с поперечными сшивками, в которых функциональные группы (например,

карбоксиметильные или диаминогруппы) соединены с глюкоз-ными остатками эфирными связями. Сульфатированные декстраны используют в качестве полиэлектролитов.

Микробный альгинат

Источником альгинатов издавна служили морские водоросли (например, Laminaria spp.), однако по природе своей этот источник непостоянен. Среди бактерий близкие к альгинату гете-рополисахариды образуют из D-маннуроновой и L-глюкуроно-вой кислот Pseudomonas aeruginosa и Azotobacter vinelandii. Этот процесс осуществляют в промышленном масштабе, выращивая Azotobacter в условиях избытка углерода. Микробный альгинат отличается от соответствующего продукта из водорослей наличием О-ацетильных групп, связанных с остатками D-маннуроновой кислоты. Тип получаемого альгината можно изменять, варьируя различные параметры. Например, при низком содержании фосфата образуется в основном высокомолекулярный полимер с хорошим выходом, а при разной концентрации ионов кальция можно получать разное соотношение между маннуроновой и галактуроновой кислотами; это соотношение в свою очередь влияет на эпимеризацию одной кислоты в другую. Было изучено также образование микробного альгината в непрерывной культуре, где его выход при выращивании на сахарозе увеличивается до 50% по сравнению с 25% в ферментере. При высокой интенсивности дыхания могут происходить большие потери углеродного субстрата вследствие его превращения в углекислый газ. Максимальная скорость синтеза полисахарида в непрерывной культуре была достигнута при недостатке в среде молибдена. При ограниченном содержании фосфора и низкой плотности клеток в культурах Azotobacter vinelandii происходит дополнительная потеря углерода из-за синтеза поли-р-гидроксибутирата.

В настоящее время альгинаты из растительных источников используются в основном в пищевой промышленности в качестве загустителей или гелеобразующих агентов. Их применяют для стабилизации йогурта, для предотвращения образования кристаллов льда при получении мороженого; подобно производным пропиленгликоля, их добавляют в содержащие кислоту продукты, например в приправы для салатов, поскольку эти соединения образуют гели только при рН ниже 3. Альгинатные полисахариды превращаются в гель в присутствии поливалентных катионов (Са+2, Sr+2) и поэтому применяются для мягкой иммобилизации микроорганизмов. В других условиях подобное гелеобразование может быть нежелательным и его пытаются предотвратить, получая соответствующие производные полимера.

Геллановая камедь

Геллан - полисахарид, состоящий из остатков глюкозы, рамно-зы, глюкуроновой кислоты и содержащий О-ацетильные группы (3-4,5%), - получают методом аэробной ферментации при участии Pseudomonas elodea АТСС 31461 на каком-либо углеводном источнике углерода. Этот продукт существует в трех формах: нативной, низкоацетильной и низкоацетильной/осветленной. Низкоацетильная форма, легко получаемая из нативной нагреванием при рНЮ, образует при нагревании и охлаждении твердые хрупкие гели. Прочность геля зависит от концентрации камеди и солей, а также от природы присутствующих катионов. Наиболее прочный гель образуется при более низких концентрациях двухвалентных катионов (Са2+, Mg2+) по сравнению с одновалентными. Хотя этот полимер еще не был рекомендован для применения в пищевой промышленности, возможно, в будущем он заменит каррагенан и агар. Его уже используют в микробиологии в качестве компонента различных сред, где он известен под коммерческим названием гелрит (Gelrite). Здесь его преимуществами перед агаром являются более высокая прозрачность, та же прочность геля при вдвое меньшей концентрации полимера, меньшая токсичность и высокая устойчивость к действию ферментов.

Занфло (Zanflo)

Полисахарид занфло, получаемый из Erwinia tahitica, обладает сходными с ксантаном свойствами; единственное отличие состоит в том, что его вязкость претерпевает обратимые термические изменения (при температуре выше 60°С). Этот полисахарид, растворы которого обладают высокой вязкостью, состоит из остатков фукозы, галактозы, глюкозы и уроновой кислоты и содержит некоторое количество этерифицированных О-аце-тильных групп. В качестве источника углеводов при его выработке применяют лактозу, гидролизованный крахмал или их смеси. Этот полимер был создан специально для разметки дорожных покрытий, поскольку он устойчив к замораживанию - оттаиванию и действию ферментов, а также обладает хорошей текучестью и наносится ровным слоем на поверхность. Благодаря этим качествам он может найти применение в лакокрасочной промышленности. Erwinia tahitica синтезирует также целлюлазу; это налагает ограничения на использование занфло при производстве красок, содержащих целлюлозные загустители.

Политран (склероглюкан)

Политран представляет собой линейный р-1,3-глюкан, выделяемый грибом Scterotium glucanicum и близкими к нему видами при выращивании в глубинной культуре на среде с кукурузным экстрактом. К каждому третьему остатку в цепи связью р-1-»-6 присоединена одна D-глюкопиранозильная группа. Политран обладает псевдопластическими свойствами в широком диапазоне рН и температуры и нечувствителен к различным солям. Его применяют для стабилизации бентонитовых шламов при «бурении и для повышения нефтедобычи; он используется также в керамических глазурях, латексных и типографских красках и при дражировании семян. Этот нейтральный полисахарид разрушается экзоглюканазами до глюкозы и гентобиозы.

В настоящее время намечается возможность промышленного получения и многих других микробных полисахаридов. За последние пять лет в выделении и производстве различных полимеров наблюдается быстрый прогресс.

Микробные полисахариды, синтезируемые Alcaligenes spp.

Компанией Kelco в США за последнее время доведено до промышленных масштабов получение нескольких полисахаридов ери участии различных видов Alcaligenes.

В глубинных культурах образуется с большим выходом полимер S130 неизвестной структуры. Он обладает высокой вязкостью при низкой концентрации, прекрасной растворимостью, большой вязкостью в морской воде и в солевых растворах и не утрачивает этих свойств при высоких температурах (~149°С). Большинство растворов полисахаридов теряют свою вязкость при температурах свыше 93 °С, а вязкость растворов полимера S130 при 149 °С остается такой же, как при комнатной температуре. Кроме того, при таких высоких температурах он не разрушается в течение длительного времени, особенно в присутствии малых количеств кислорода. Будучи очень вязкими -при низких скоростях сдвига, его растворы при высоких скоростях сдвига становятся жидкими почти как вода. Благодаря таким свойствам данный полимер может найти широкое применение в нефтяной промышленности в качестве хорошего суспендирующего агента и вяжущего компонента буровых растворов с низким содержанием твердых частиц.

Сходными с S130 свойствами обладает полимер S194, который, кроме того, нечувствителен к сдвиговым напряжениям. В сочетании с высокой устойчивостью к солям эти качества обусловливают его применение в роли суспендирующего агента в суспензиях пестицидов (концентрированные суспензии нера-

створимого в воде материала), а также в суспензиях удобрений, используемых в сельском хозяйстве.

Полисахарид S198 содержит О-ацетильные и О-сукциниль-ные остатки; его получают при аэробной ферментации с использованием глюкозы в качестве источника углерода. Его растворы тоже обладают высокой вязкостью при низкой концентрации и достаточно стабильны в широком интервале рН и температур. Кроме того, благодаря устойчивости к сдвиговым напряжениям он является прекрасным суспендирующим агентом. S198 остается стабильным в среде, загрязненной тяжелыми металлами. Все это позволяет думать, что водорастворимые смеси на основе этого полисахарида могут быть использованы вместо смазочных материалов для гидравлических систем, изготавливаемых на основе нефти.

Курдлан

Курдлан -это <х-1,3-глюкан, синтезируемый Alcaligenes faeca-lis, var. myxogenes, штамм 10C3. При нагревании до температуры выше 54 °С происходит необратимое гелеобразование этого полимера; прочность геля зависит от температуры: она постоянна в интервале 60-80°С и возрастает в интервале 80- 100 °С. При температуре выше 120 °С молекулярная структура этого полисахарида изменяется: одиночная спираль переходит в тройную. Курдлан нерастворим в холодной воде, и его гели можно получать также путем диализа щелочных растворов против воды. Этот полисахарид может найти применение в качестве гелеобразователя в кулинарии, он может использоваться как молекулярное сито, как подложка при иммобилизации ферментов и как связующий агент.

Пуллулан

Пуллулан представляет собой a-D-глюкановый полисахарид, состоящий из a-1-^б-мальтотриозных и небольшого числа маль-тотетраозных единиц. Он синтезируется Aureobacidium pullulans и образует прочные, упругие пленки и волокна, которые можно формовать. По сравнению с целлофаном и полипропиленом эти пленки мало проницаемы для кислорода. Пуллулан, возможно, найдет применение в качестве упаковочного материала или флюккулирующего агента в суспензиях глин в горной промышленности. Он устойчив к амилазам, но разрушается ферментом пуллуланазой.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: