Специальные продукты

64

Биодетергенты и биокосметика

ВВЕДЕНИЕ. Некоторые микроорганизмы в присутствии алканов, в частности в растительных маслах, или на сахаросодержащем субстрате способны синтезировать поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые называются биосурфактантами или биодетергентами. В отличие от синтетических ПАВ, производство которых достигает нескольких миллионов тонн в год, весьма дорогостоящие биодетергенты пока находят ограниченное применение, несмотря на то что эти ПАВ проявляют очень высокую биологическую активность и легко разлагаются в природной среде. В настоящее время активно проводят исследования этих веществ с целью их применения для очистки почв и воды; их можно, по-ви- димому, добавлять также в косметические кремы (биокосметика). Все косметические средства, которые получают (полностью или частично) из природных источников, имеют общее название «биокосметика». Методами биотехнологии получают природный краситель шиконин, а также теперь уже широко известный компонент кремов гиалуроновую кислоту.

БИОДЕТЕРГЕНТЫ (ПАВ) синтезируются многими микроорганизмами – прокариотами и эукариотами в присутствии насыщенных углеводородов и в растительных маслах. Хорошо изучены сложные эфиры сахаров и жирных кислот из бактерий: рамнолипиды и трегалолипиды, липопептид сурфактин и гетерополисахарид эмульзан. Из биодетергентов лучше всего изучен софоролипид из дрожжей. Этот гликолипид представляет собой смесь кислоты и лактона и образуется при культивировании клеток дрожжей Torulopsis bombicola в присутствии триглицеринов с выходом более 400 г/л. Переработку культуральной среды выгодно производить сразу по окончании ферментации. Высокоструктурированные синтетические неионные детергенты могут давать коллоидные растворы (это свойство характеризуется специальным параметром – критической концентрацией мицеллобразования, ККМ). В Японии софоролипиды в небольших количествах добавляют в косметические средства по уходу за кожей. Другим перспективным направлением применения биодетергентов является их использование для очистки почв от продуктов нефтепереработки. Соединения с поверхностно-активными свойствами образуются микроорганизмами в присутствии алканов или триглицеринов: например, головневый гриб Ustilago maydis синтезирует целлобиолипид, некоторые представители псевдомонад – рамнолипид, а Rhodococcus erythropolis – тетраэфир трегалозы. В некоторых случаях состав ацильной группы в молекулах гликолипидов зависит от природы алкана или триглицерина в среде роста. Эмульзан – полианионный гетерополисахарид (липополисахарид), который синтезируют клетки Acinetobacter calcoaceticus в присутствии триглицеринов, его выделяют экстракцией

органическими растворителями. Эмульзан проявляет поверхностно-активные свойства на границе раздела воды и нефти и поэтому используется в качестве эмульгатора для уменьшения вязкости нефти. Добавление небольших количеств эмульзана к нефти значительно увеличивает скорость транспорта нефти по нефтепроводам, кроме того, эмульзан используют при очистке нефтедобывающего оборудования и танкеров. Клетки Bacillus subtilis после добавления в среду роста гидрофобных соединений-индукторов синтезируют до 110 мг/л сурфактина – ацетилированного гептапептида с низкой способностью к мицеллообразованию (большое значение критической концентрации мицеллообразования, ККМ). Сурфактин не может назначаться как медицинский препарат из-за своей гематотоксичности. Ни один из биодетергентов не получен с таким высоким выходом, как для софоролипидов.

ШИКОНИН – производное нафтохинона, пигмент лепестков редкого наземного растения воробейника краснокорневого (Lithospermum erythrorhizon). В медицине это вещество используют как противовоспалительное средство, а также описаны случаи его успешного применения в противоопухолевой терапии. В промышленных масштабах шиконин получают из культур растительных клеток. В зависимости от того, соли какого металла добавляют в среду роста, образуется пигмент шиконин с различными оттенками. Это свойство активно используется японскими косметическими фирмами, например, при производстве губной помады.

ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА. По химической природе гиалуроновая кислота – глюкозоаминогликан с молекулярной массой ~107 Да. Этот вязкоэластичный полисахарид входит в состав стекловидного тела глаза, суставной жидкости и связок костей. В промышленности гиалуроновую кислоту получают из пуповины сельскохозяйственных животных или из петушиных гребней. Кроме того, это вещество можно производить ферментацией с генетически модифицированными штаммами Streptococcus equi или S. zooepidemicus. Выход продукта достигает 6 г/л уже через 20 ч ферментации. Молекулы гиалуроновой кислоты образуют в воде структуру, напоминающую сетку, поэтому этот продукт иногда называют молекулярной губкой. Даже 2%-й раствор гиалуроновой кислоты в воде желируется, так прочно взаимодействуют молекулы воды и гиалуроновой кислоты. Это свойство гиалуроновой кислоты находит применение в косметологии: раствор гиалуроновой кислоты хорошо ложится на кожу, образуя пленку, которая активно всасывает влагу из воздуха, препятствуя дегидратации кожи – основной причине возникновения морщин. В медицине гиалуроновая кислота используется прежде всего в пластической хирургии.

Загрязнение участка прибрежной отмели площадью 2 м2 нефтью

10 × загрязнение 1 литром нефти

10 × загрязнение 1 литром нефти; с добавлением трегалозодикориномиколата в концентрации 1 г/л;

10 × загрязнение 1 литром нефти; с добавлением неионных детергентов

в концентрации 100 мл/л (диспергирует лучше, но затрудняет деградацию)

Специальные продукты

66

Микробные полисахариды

ВВЕДЕНИЕ. Растительные полисахариды (крахмал, целлюлоза, гуммиарабик, гуаровая смола, пектин, альгинаты, агар и др.) и их полусинтетические производные играют важную роль в современных технологиях, в том числе в качестве загустителей в пищевой промышленности или при заводнении нефтяных скважин. Производство полисахаридов растительного происхождения достигает нескольких десятков тысяч тонн в год. Внеклеточные микробные полисахариды также могли бы найти применение в самых разнообразных отраслях промышленности, однако из-за значительных производственных затрат их использование пока ограничено. Наибольшее значение имеют ксантан и декстран. Гиалуроновая кислота уже применяется в биокосметике.

КСАНТАН представляет собой разветвленный гетерополисахарид, состоит из пяти остатков гексоз (глюкозы, маннозы и глюкуроновой кислоты). Молекулярная масса ксантанов – от 2 до 12 тыс. кДа. Ксантановые смолы имеют высокую вязкость (в зависимости от числа групп пирувата в полимере) и по ряду свойств сходны с пластмассой. Эти вещества безвредны для человека, поэтому их добавляют в качестве стабилизаторов и загустителей во многие пищевые продукты. Кроме того, благодаря устойчивости в растворах электролитов ксантаны добавляют к буровому шламу при бурении нефтяных скважин. Ксантаны образуются в клетках Xanthomonas campestris при аэробном росте на среде с глюкозой. Получение ксантанов осуществляют, как правило, в процессе периодической ферментации, используя в качестве источника углерода глюкозу, а в качестве источника азота – пептон, нитрат аммония и мочевину. Клонирование генов β-галактозидазы (lacZ) и лактопермеазы (lacY) из Escherichia coli в геном X. сampestris позволило получить штамм, использующий в качестве источника углерода молочную сыворотку (отходы молочной промышленности). Из-за образования ксантанов культуральная жидкость становится очень вязкой (до 10 000 сантипуаз). Для сохранения аэробных условий роста в этом случае особое значение имеют мешалки специальной конструкции. Как правило, ксантаны из среды осаждают растворителем – изопропанолом. В современной промышленности производство ксантанов достигает 30 000 т/год. ДЕКСТРАНЫ – очень важные вещества, которые могут служить заменителями плазмы крови. Благодаря тому, что полимерные цепи в этих веществах имеют поперечные сшивки, образуются сетчатые структуры, которые очень эффектны при очистке белков разного размера. Декстраны также применяются в пищевой промышленности. Разветвленные цепи декстранов, состоящие только из остатков глюкозы, связанных между собой α-1,6-связями, имеют моле-

кулярную массу ~5 107 Да. У дрожжей и некоторых бактерий декстраны играют роль резервных полисахаридов. В качестве примера продуцента декстрана можно назвать Streptococcus mutans, бактерию, которая обитает в кариозной полости зуба человека. Образование декстрана приводит к появлению бактериального налета («камней»). Для промышленного получения декстрана используют Leuconostoc mesenteroides: в течение 24 ч в клетках этого микроорганизма из сахарозы образуется до 500 г/л декстрана. Декстран выделяют из культуральной жидкости осаждением этанолом, затем гидролизуют кислотой и еще раз осаждают этанолом. Декстран с молекулярной массой 75 000 Да используют как заменитель плазмы крови, а с молекулярной массой 40 000 Да – в качестве антитромболитика при полостных операциях.

ДРУГИЕ МИКРОБНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ. Pseudomonas aeruginosa и Azotobacter vinelandii синтезируют альгинаты, по строению аналогичные альгинатам из водорослей. Альгинаты часто используют в качестве носителей для иммобилизации клеток при проведении различных биокаталитических реакций. Некоторые базидиомицеты синтезируют полимер склероглюкан, главная цепь которого образована остатками глюкозы, соединенными β-1,3-связями, а в местах разветвления остатки глюкозы присоединены β-1,6- связями. Склероглюкан, как и геллан, образующийся в клетках Auromonas elodea, используется как пищевая добавка. Пуллулан – глюкан с разветвленной цепью, в которой остатки глюкозы соединены α-1,4- (90%) и α-1,6- (10%) связями. Из пуллулана изготовляются тонкие пленки, не пропускающие кислород, которые используются для защиты пищевых и других продуктов от окисления. Промышленное получение микробных полисахаридов пока является очень дорогостоящим и экономически невыгодным процессом, поэтому такие полимеры еще не нашли широкого применения в современных технологиях.