Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 35 )

Как гельобразующие агенты экзогликаны применяются при производстве ядерного топлива, фотографических и рентгеновских пленок, как заменители альгиновой кислоты водорослей в пищевой, текстильной, фармацевтической и бумажной промышленности (полиурониды Azotobacter, P. aeruginosa и ряда других микроорганизмов), они могут заменять агар (гетерополисаха-риды Вас. subtilis и Ps. etodea, состоящие соответственно из глюкозы, галактозы, фукозы, глюкуроновой кислоты и глюкозы, рамнозы, глюкуроновой кислоты и О-ацетильных групп).

Анионные полисахариды (ксантан, занфло —- внеклеточный гетерогликан Erwinia tahitica, состоящий из глюкозы, галактозы, фукозы, уроновой кислоты и ацетильных групп, и др.) стабилизируют и предохраняют от высыхания катиоиные водные эмалевые краски. Некоторые гликаны, например гетерополисахарид Corynebacterium equi var. mucilagenosus, обладают высокой вязкостью и могут заменять дорогие клеящие средства. Сульфаты ксантана используются как загустители клеев. С другой стороны, способность ряда полисахаридов к образованию поверхностных пленок позволяет использовать их в качестве антисклеи-вающих веществ, например при освобождении слепков из отливочных форм. Декстран рекомендуется применять и в качестве смазочного средства.

Полисахариды, водные растворы которых отличаются особой стабильностью при резких изменениях температуры и в условиях агрессивной среды, используются в нефтяной и газодобывающей промышленности как стабилизаторы и структурообразователи промывных жидкостей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин, и обеспечивают более полное извлечение нефти из нефтеносных пластов. Уже около 15 лет назад более половины нефти в США добывали с помощью полисахаридов, главным образом ксантана. Промышленные испытания проходит склероглюкан — капсульный линейный нейтральный глюкан, образуемый несовершенными грибами, преимущественно рода Sclerotium. В качестве стабилизатора буровых глинистых суспензий перспективен линейный внеклеточный гетерогликан облигатнометилотрофных бактерий Methylobacillus methylophilus, состоящий из глюкозы, галактозы, маннозы, рамнозы и глюкуроновой кислоты. Применение полисахаридов в нефтедобывающей промышленности является очень перспективным в техническом отношении.

Полисахариды ряда микроорганизмов (пуллулан A. pullulans, гетерополисахарид бактерий рода Methylotnonas и др.) являются флоккулирующими агентами и применяются в гидрометаллургии для получения металлических компонентов в виде гелей, включающих нерастворимые осадки. Процесс реализован 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 гликаны, 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 найти применение и для очистки сточных вод.

В качестве носителя иммобилизованной а-амилазы используют аубазидан. Перспективны для иммобилизации ферментов курдлан и хитин.

Микробные леваиы — источники получения чистого препарата фруктозы, хитин — D-глюкозамина и ЇЧ-ацетил-О-глюкозами-на — соединений, используемых в химическом синтезе, из манна-нов дрожжей можно получать маннозу.

Полисахариды некоторых бактерий, например левам Вас. роlymyxa, оказались полезными в сельском хозяйстве. При внесении в почву они повышают выживаемость семян культурных растений, способствуя сохранению в них влаги. Альгинатными пленками покрывают корни и семена растений для предохранения их от высыхания во время хранения и перевозок.

Возможности практического применения полисахаридов микроорганизмов полностью еще не раскрыты. Всестороннее изучение гликанов в этом плане открывает новые перспективы и, несомненно, приведет к расширению соответствующей области микробиологической промышленности.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОБНЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ

Расширение спектра микробных полисахаридов, имеющих практическое значение, обусловило успехи в области организации их производства. В настоящее время микробиологическая промышленность многих стран выпускает ряд ценных экзогликанов; декстран (СССР и другие страны), ксантаи (США, Франция), пуллулан (Япония), склероглюкан или «политран» (США), занфло (США), курдлан (Япония). Уже решены или решаются вопросы внедрения в производство ряда других полисахаридов, детально изученных в лабораторных условиях, проверенных на практике и производимых в полупромышленном масштабе.

Производство различных полисахаридов не универсально. Для каждого гликана оно имеет свои особенности, определяемые физиологией продуцента, локализацией и физико-химическими свойствами полимера, областью его применения.
Получение 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 при производстве экзогликанов имеются свои технологические трудности. Накопление полисахарида в среде приводит к ограничению доступа кислорода к клеткам. У аэробных микроорганизмов это снижает энергетический баланс и тормозит синтез полисахарида. Повышенная вязкость среды делает невозможным отделение полисахарида от клеток продуцента из нативной культу-ральной жидкости. Ее приходится разбавлять в десятки раз, а после удаления клеток концентрировать до первоначального или меньшего объема. Решение этих проблем связано с дополнительными затратами.

Приведем основные этапы производства наиболее широко применяемых сейчас полисахаридов — декстрана и ксантана.
Плазмозаменители из декстранов выпускают под названиями: клинический декстран, полиглюкин, синкол, макродекс, плазмо-декс, хемодекс и др. Для получения декстранов используют штаммы Leuconostoc mesen'teroides. Ферментацию ведут на среде с 10—30% сахарозы, декстраном — «затравкой», дрожжевым экстрактом, минеральными солями. Создают условия, способствующие синтезу той формы декстрана, которая используется в качестве плазмозаменителя: линейного глюкана, имеющего более 90% а-1,6-связей, с молекулярной массой 60—80 тыс. Для этого ограничивают содержание в среде магния, стимулирующего синтез разветвленных декстранов, вносят «затравку» в виде декстрана, имеющего молекулярную массу 20—30 тыс. Такой акцептор обеспечивает преимущественное образование необходимого полимера.
Наивысшей биологической активностью обладают декстраны, содержащие менее 70% а-1,6-гликозидных связей, т. е. более разветвленные. Синтезу биологически активных декстранов способствует, кроме магния, замена сахарозы мелассой. Оптимальное значение pH для роста продуцента лежит в пределах 6,5—8,0, а для накопления декстрансахаразы — около 7,0. Обычно значение pH среды задают в интервале 7,0—8,0.
Бактерии расщепляют сахарозу на глюкозу и фруктозу. Фруктоза сбраживается по типу гетероферментативного молочнокислого брожения с образованием молочной и уксусной кислот, маннита и CO2. Глюкоза полимеризуется в декстран. Процесс идет быстро и продукт можно выделить уже через 24 ч.

Декстран выделяют из культуральной жидкости, например, метанолом. Можно, используя определенные приемы, осаждать фракции клинического декстрана с молекулярной массой 60 - 80 тыс. даже из смеси декстранов разной молекулярной массы. Можно осадить весь продукт, растворить его в воде и ,изолировать требуемый декстран фракционированием. При необходимости выделенный декстран деполимеризуют (ферментативно, термической обработкой или ультразвуком). Для очистки декстран неоднократно растворяют в воде, переосаждают метанолом и фракционируют.

Поскольку декстрансахараза в значительной степени выделяется в среду и синтез полимера идет вне клетки, декстраны получают и ферментативным путем. Для этого продуцент выра.-щивается в условиях, обеспечивающих наиболее высокую активность внеклеточного ферментного комплекса. В период максимальной активности декстрансахаразы культуральную жидкость отделяют от клеток и консервируют, снижая значение pH до 5,0—5,2. При такой кислотности и температуре около 150C декстрансахараза, содержащаяся в культуральной жидкости, сохраняет активность не менее месяца. В СССР разработана технология получения частично очищенной декстрансахаразы. Ферментационная среда должна содержать сахарозу и декстран-«затравку». Процесс синтеза продолжается около 8 ч. Ферментативный способ удобнее микробиологического, так как он поддается более надежному контролю и регулированию, позволяет одним только варьированием исходных концентраций сахарозы и фермента, а также температуры процесса сразу получать декстран необходимой молекулярной массы. Это значительно упрощает и удешевляет последующие технологические операции. Широкое применение в промышленности может найти использование иммобилизованных декстрансахаразЛ
В нашей стране в 1983 г. выпущена первая ^промышленная серия конъюгатов модифицированного декстрана со стрептокина-зой — «стрептодеказа» — пролонгированная с помощью декстрана форма стрептокиназы.

Ксантан, продуцируемый Xanthomonas campestris, выпускают под названиями: биополимер Xe, келцан, ксантан, келтрол. Бактерии культивируют на среде, содержащей 1—5 % углеводов (кукурузный крахмал, сахар-сырец, меласса и др.), органическое соединение азота, двузамещенный фосфорнокислый калий и микроэлементы, pH среды 6,5—7,2. Инкубацию проводят в аэробных условиях, при 28 0C, в течение 72 ч. Для улучшения свойств полисахарида к среде во время ферментации добавляют формальдегид. Добавка позволяет получать гликан с повышенной устойчивостью к различным неблагоприятным факторам, в том числе к температуре и засолению. Полимер используют в виде раствора вязкой культуральной жидкости или в виде порошка, высушенного в струе горячего воздуха. В последнем случае полисахарид отделяют от клеток центрифугированием и очищают осаждением этанолом, метанолом или ацетоном в присутствии электролита.

Интенсивные поиски продуцентов полисахаридов типа ксантана ведутся в различных странах. Активные продуценты среди бактерий рода Xanthomonas найдены в Советском Союзе. Разрабатывается технология получения отечественного ксантана в промышленном масштабе.