2. Биополимеры

Термин «биополимеры» относится ко многим высокомолекулярным соединениям (например, к нуклеиновым кислотам, полисахаридам и липидам), синтезируемым самыми разными организмами.

Более подробно рассмотрим образование полисахаридов.

Полисахариды служат источником энергии и структурными компонентами клеточных стенок и внеклеточных капсул. Многие из этих полимеров, имеющих коммерческую ценность как промышленные клеи, были получены из растительных тканей (экстракты семян и морских водорослей). Способность таких полисахаридов изменять свойства воды (вызывая образование геля и влияя на свойства водных растворов) привели к их широкому промышленному использованию в самых различных ситуациях.

Полисахаридные гидроколлоиды часто применяются в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, нефтяной, бумажной и текстильной промышленности. Например, из красных водорослей производят в промышленных масштабах каррагенан и агар, а из бурых – альгинаты. Однако получение полисахаридов из растений и водорослей обладает своими недостатками:

1. Химический состав полисахаридов зависит от метаболических потребностей синтезирующих их организмов, связанных в свою очередь с изменениями внешних условий (например, сезонные изменения, разные циклы развития растений, время их сбора и т.д.). Поэтому при производстве сырья невозможно обеспечить контроль за его качеством.

2. При переработке происходят изменение и разрушение продукта, поскольку такая переработка нередко включает грубые воздействия (щелочная экстракция, выщелачивание горячей водой, отбеливание). При этом конечный продукт может приобрести нежелательный запах и цвет.

3. Количество получаемого растительного продукта зависит от урожайности, погодных условий, заболеваний растений или загрязнения окружающей среды.

При получении полисахаридов из микроорганизмов обеспечивается контролируемый синтез полимеров и постоянство продукции. Кроме того, микробные полисахариды часто обладают уникальными физическими и химическими свойствами, улучшенными функциональными характеристиками. Микроорганизмы синтезируют множество полисахаридов в форме внеклеточных капсул или слизей, не связанных с клеточной стенкой. Как правило, в их состав входит небольшой набор моносахаридов (нейтральные гексозы, метилпентозы, кетосахара, аминосахара, уроновые кислоты), однако разное их сочетание дает полимеры с разнообразными физическими свойствами.

Необходимо отметить, что получение микробных полисахаридов – относительно дорогой процесс: для его осуществления требуются большие капиталовложения и энергетические затраты. Видимо, микробные полимеры не вытеснят окончательно крахмал и его производные из всех сфер их использования. Оценивая целесообразность промышленного производства того или иного полисахарида, следует учитывать следующие факторы:

1. Потенциальный объем годового производства продукта и спрос на него как в настоящее время, так и в будущем;

2. Уникальность свойств данного продукта по сравнению с другими микробными и растительными полисахаридами;

3. Экономичность производства и предполагаемую длительность применения продукта.

Для образования большого количества полимера требуется легкодоступный и дешевый источник углерода. Ферментация позволяет культивировать организм-продуцент в строго определенных условиях среды, контролируя, таким образом, процесс биосинтеза и влияя на тип продукта и его свойства. Специфически изменяя условия роста, можно менять молекулярную массу и структуру образующегося полимера.

Обычно углеводными субстратами служат глюкоза и сахароза, хотя полисахариды могут образовываться и при росте микроорганизмов на керосине, метаноле, метане, этаноле. Недостатком проведения процесса в фермертерах является то, что среда часто становится очень вязкой, поэтому культура быстро начинает испытывать недостаток кислорода. Необходимо также контролировать быстрые изменения рН среды. Проблемы последующей обработки конечного продукта при синтезе полисахаридов связаны прежде всего с удалением микроорганизмов, что крайне важно, если этот продукт применяется в пищевой промышленности. Для разрушения бактерий используют литические и протеолитические ферменты, что в свою очередь приводит к дальнейшему загрязнению среды.

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

Ксантан синтезируется Xanthomonas campestris при росте на глюкозе, сахарозе, крахмале, кукурузной декстрозе. В качестве источников углерода могут использоваться промышленные отходы, например, сыворотка, образующаяся при выработке творога. Этот полимер построен из повторяющихся пятичленных блоков, содержащих Д-глюкозу, Д-маннозу, Д-глюкуроновую кислоту; к некоторым из них присоединены остатки уксусной и пировиноградной кислот. Молекулярная масса варьирует от 2•10⁶ до 15•10⁶. Ксантан был первым микробным полисахаридом, который начали производить в промышленном масштабе (1967г.). 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. Свойства этого полимера в сочетании с устойчивостью к нагреванию, кислотам, щелочам и присутствию катионов обеспечивают ему преимущества над другими смазками и ксантан широко используется при добыче нефти. Он применяется для повышения выхода нефти, где в сочетании с поверхностно-активными веществами и углеводородами служит в качестве агента, контролирующего вязкость жидкости, закачиваемой в нефтяные пласты.

В 1969г. 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.

Ксантан нашел применение в производстве кормов, например консервированного корма для домашних животных, где он конкурирует с агаром. Простые и сложные эфиры ксантана применяют в косметике и в текстильной промышленности.

Альгинат. Источником альгинатов издавна служили морские водоросли (например Laminaria), однако по природе своей этот источник непостоянен. Среди бактерий близкие к альгинату гетерополисахариды образуют микроорганизмы рода Pseudomonas и Azotobacter.

Этот процесс осуществляют в промышленном масштабе, выращивая Azotobacter в условиях избытка кислорода.

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, их добавляют в приправы для салатов, поскольку эти соединения образуют гели только при рН ниже 3.

Политран. Политран представляет собой линейный β-1-3-глюкан, выделяемый грибом Sclerotium glucanikum и близкими к нему видами. Политран обладает псевдопластическими свойствами в широком диапазоне рН и температуры и нечувствителен к различным солям. Его применяют для повышения нефтедобычи, в керамических глазурях, латексных и типографских красках. В настоящее время намечается возможность промышленного получения и многих других полисахаридов. За последние несколько лет в выделении и производстве различных полимеров наблюдается быстрый прогресс.