заочка / 21_22

22 ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИСАХАРИДОВ

Полисахариды (или гликаиы) — полимеры, построенные не менее чем из 11 мопосахаридных единиц одного или нескольких типов. Со­ответственно различают 1)гомополисахариды и 2)гетерополисахариды. Они являются обязательными компонентами всех организмов и составля­ют большую часть углеводов, встречающихся в природе, преобладающую долю в биомассе растений, а следовательно, и основную массу органи­ческого вещества на Земле.

Полисахариды встречаются в виде самостоятельных полимеров, а также в комплексах с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами, фосфатом. Существует множество их видов, различных по мономер-пому составу и структуре. Особым разнообразием отличаются поли­сахариды микроорганизмов. Некоторые из них близки или идентич­ны гликанам растений и животных. Но подавляющее их большинство имеет уникальную структуру, специфичную для вида или для его серологической группы. В микробных гликаиах часто обнаружива­ются ранее неизвестные моносахара, которые ие встречаются ни у животных, ни у растений.

Полисахариды микроорганизмов в зависимости от локализации делятся на внутриклеточные и внеклеточные. К первым относят обычно гликаиы цитоплазмы, мембран и клеточных стенок, а ко вторым — кап­сул

стенок. У ряда микроорганизмов действительно трудно различит" границу между капсулой и клеточной стенкой. Поэтому нередко* полисахариды делят на три разновидности: внутриклеточные иштчк плазмы, мембран, периплазмы), клеточных стенок и внеклеточные (кап­сул, чехлов и свободной слизи).

Термин «экзогликаиы» применяют в основном к полисахаридам свободной слизи. Иногда так называют также капсульиые их разно­видности.

Микробные полисахариды объединяют в группы и по функциям: резервные, участвующие в активном транспорте; опорные, участвую­щие во взаимодействии между клетками; защитные и др.

Внеклеточные полисахариды, капсульиые или свободные или те и другие, образуют многие микроорганизмы.

Внеклеточные полисахариды микроорганизмов чрезвычайно раз­нообразны по составу и строению. В составе внеклеточных полисахари­дов различных микроорганизмов обнаружено более 20 моносахари­дов и их производных. Наиболее часто встречаются гексозы: глюкоза, галактоза, маппоза и 6-дезоксигексозы (например, рамноза). Реже вы­являются пеитозы: арабиноза, ксилоза, рибоза.

Внеклеточные полисахариды большинства видов бактерий — кис­лые гетерогликаны разнообразного состава, построенные из 2 — 5, иногда 6 — 7 мономеров, линейные и разветвленные, имеющие регу­лярную структуру из повторяющихся олигосахаридиых звеньев.

Некоторые бактерии образуют нейтральные гетерополисахариды. Весьма распространены у микроорганизмов различные гомополи-сахариды, особенно глюканы, из которых наиболее известны декстра-иы (группа более или менее близких по строению нейтральных глю-106 капов). Они могут содержать до 200 000 остатков глюкозы, бывают линейными и разветвленными. Линейная (основная) цепь построена _При участии а-1,6-связей, ветвление обусловлено а-1,2-, а-1,3- и _а-1,4-связями. Молекулярная масса декстрапов колеблется от 12 до 600 млн.

Чаще всего микроорганизмы, способные к образованию вне­клеточных полисахаридов, синтезируют капсулы и свободную слизь. Мономерный состав последних в большинстве случаев одинаковый.

Не всегда можно определить, какие именно полисахариды свой­ственны той или иной группе микроорганизмов. Часто филогенети­чески близкие бактерии синтезируют внеклеточные гликаны, сходные по составу и строению. К ним относятся, например, бактериальный альгинат Pseudomonas aeruginosa и Azotobacier vinelandii, курдлан Rhizobium к A. faecalis var. myxogenes, кислые гетерогликаны Coryne­bacterium и Arthrobater, декстраны Streptococcus и Lactobacillus и др. Однако нередко микроорганизмы, далеко отстоящие в таксономиче­ском отношении, образуют гликаны сходного состава или одинако­вые. Обычно в этом случае полимеры проявляют и функциональное сходство. Так, очень близки по составу экзогликаиы различных фито-патогенных бактерий и возбудителей менингита. Анионные полисахариды (ксаитаи, занфло — внеклеточный rej рогликаи Erwinia tahitica, состоящий из глюкозы, галактозы, фукоз уроиовой кислоты и ацетильных групп, и др.) стабилизируют и пр дохраияют от высыхания катионные водные эмалевые краски. Нек торые гликаиы, например гетерополисахарид Corynebacterium е var. mucilagenosus, обладают высокой вязкостью и могут замен дорогие клеящие средства. Сульфаты ксантана используются как густите ли клеев. С другой стороны, способность ряда полисахариде к образованию поверхностных пленок позволяет использовать их качестве антисклеивающих веществ, например, при освобождении слеп| ков из отливочных форм. Декстран рекомендуется применять и в ка­честве смазочного средства.

Полисахариды, водные растворы которых отличаются особой ста-' билы-юстыо при резких изменениях температуры и в условиях агрес­сивной среды, используются в нефтяной и газодобывающей промыш­ленности как стабилизаторы и структурообразователи промывных^j жидкостей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых сква­жин, и обеспечивают более полное извлечение нефти из нефтеносных пластов

Полисахариды ряда микроорганизмов (пуллулан A. pullulans, ге­терополисахарид бактерий рода Methylomonas и др.) являются флок­кулирующими агентами и применяются в гидрометаллургии для по­лучения металлических компонентов в виде гелей, включающих нера­створимые осадки. Процесс реализуется при очистке, разделении и концентрации металлов из растворов их солей или смесей солей.

На основе декстранов получают сефадексы, широко применяемые в лабораторной практике для гельфильтрации. Полианионные глика­иы, например ксантан, хитин, рекомендуется использовать для очист­ки воды от тяжелых металлов, а также при промышленном синтезе полимеров для извлечения их из органических растворителей. Хитин может употребляться и для очистки сточных вод.

Открытие новых микробных полисахаридов, имеющих практиче­ское значение, обусловило успехи в области организации их производ­ства. В настоящее время микробиологическая промышленность мно­гих стран выпускает ряд ценных экзогликаиов: декстран (Россия и другие страны),

Получение различных полисахаридов не универсально. Для каж­дого гликана оно имеет свои особенности, определяемые физиологией продуцента, локализацией и физико-химическими свойствами полиме­ра, областью его применения.

Производство экзополисахаридов имеет преимущества перед получением внутриклеточных, так как экзогликаны образуются, как правило, в значительно большем количестве, легче отделяются от биомассы и очищаются от примесей. Однако в этом процессе имеются и некоторые технологические трудности. Накопление полисахарида в среде приводит к ограничению доступа кислорода к клеткам. У аэробных микроорганизмов это снижает энергетический баланс и тормозит синтез гликана. Повышенная вязкость среды делает невозможным отделение последнего от клеток продуцента из нативной культуральной жидкости. Ее приходится разбавлять в несколько десятков раз, а после удаления клеток концентрировать до первоначального или меньшего объема. Решение этих проблем связано с дополнительными затратами.

21. Производство орг. кислот.

Современное производство орг. кислот основано на использовании в качестве продуцентов различных видов плесеневых грибов – чаще всего род Aspergillus. Производят лимонную, итаконовую, фумаровую, глюконовую и некоторые другие. В качестве источников углерода – кристаллическая глюкоза и сахароза, свекловичная меласса, гидролизаты древесины. В последние годы – из непищевого сырья – этиловый спирт и жидкие парафины. Наиболее отработано промышленное получение лимонной кислоты, хотя производят в промышленности около 50 кислот.

Лимонная кислота:

OH



H₂C CCH₂ COOH

 

HOOC COOH

Способность образовывать лимонную кислоту грибами Aspergillus (A. awamori, A. clavatus, A. fumaricas, A. niger), Penicillium (P. chrysogenum, P. citrinum, P. luteum), а также Mucor piriformis и так далее. В настоящее время в промышленности используется A. niger. Долго применялись природные штаммы, теперь специальные, обладающие сверхсинтезом. Лимонная кислота образуется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) в результате конденсации оксалоацетата и ацетил-Co-A. Одна молекула сахарозы превращается в одну молекулу лимонной кислоты. Сверхсинтез – при лимитировании роста грибов минеральными компонентами (Fe, Mg) и избыточном содержании источников углерода. В этих условиях гриб прекращает расти, но продолжает потреблять углеводы – накапливается лимонная кислота, которая не может быть переработана. ЛИМОННАЯ КИСЛОТА

Путём органического синтеза – относительно молодая отрасль. Способность продуцировать органические кислоты при росте на средах с углеводами: широко распространена у мицелиальных грибов родов Aspergillus (A. awamori, A. clavatus, A. fumaricus, A. niger, A. terreus) и Penicillium (P. chrysogenum, P. citrinum, P. luteum) и Rhizopus (R. nigricans, R. orisae).

Широко распространена в плодах, ягодах, фруктах. Широко применяется в пищ. промышленности, винодельческой, безалкагольных напитков, консервной. Используется в фармацевтической промышленности, при производстве моющих средств, в косметической промышленности. Продуценты: Aspergillus (смотри выше) и Penicillium, Mucor piriformis, Bothris cinerea. Промышленное значение – Aspergillus niger.

Культивирование:

• поверхностный способ – а) на твёрдой среде – в лотках на отрубях ржи или пшеницы; затем экстрагируют водой и осаждают в виде соли Ca (в Японии); б) на поверхности жидкой питательной среды – Европа и Америка – поверхность жидкой среды засевают спорами. В состав среды – сахароза, меласса, pH – 6,8 – 7,0, t = 34 – 36^оС, в помещении постоянная аэрация. Длительность ферментации ~ 7 – 8 суток, при этом pH снижается до 3,0. Лимонная кислота – в р-ре, её осаждают в виде соли Ca, затем переводят в форму свободной кислоты и кристаллизуют.

• Глубинный метод – повышена эффективность, съём с одной линии, полностью автоматизируется процесс. Применяют специальные штаммы. Сначала выращивают посевной материал, в посевном аппарате, через 24 – 36 часов – основной процесс (~7 – 10 суток): исходная среда имеет 3 – 4% сахара, по мере потребления которого – доливают. В конце ферментации концентрация 50 – 100 г/л. Культуральную жидкость освобождают от мицелия.

Лимонную кислоту осаждают в виде соли Ca²⁺ при высокой t, р-р затем обрабатывают серной кислотой, р-р упаривают, кристаллизуют, сушат – получают кристаллическую лимонную кислоту.