ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004

12. МЕТАБОЛІЧНА АКТИВНІСТЬ АЕРОБНИХ ГЕТЕРОТРОФІВ

12.6. НЕПОВНІ ОКИСНЕННЯ

12.6.5. Утворення вторинних метаболітів

12.6.5.3. Мікробні екзополісахариди

Практична значущість ЕПС зумовлена їх спроможністю в невисоких концентраціях істотно змінювати реологічні характеристики водних систем. Різноманітність фізико-хімічних властивостей мікробних полісахаридів зумовлює їх використання в нафтодобувній, харчовій, фармакологічній, хімічній промисловостях, сільському господарстві, медицині.

Згідно з класифікацією англійського вченого І. Сазерленда мікробні ЕПС належать до п’яти груп.

Перша група містить декстрани і споріднені полісахариди (левани, мутани). Вони складаються з моносахаридів одного типу, тобто є гомополісахаридами. Синтез цих ЕПС здійснюється на середовищах, що містять сахарозу як специфічний субстрат. За відсутності такого специфічного субстрату (крім сахарози, це можуть бути інші споріднені вуглеводи) утворення ЕПС не визначається. Продуцентами ЕПС першої групи є представники родів Streptococcus і Leuconostoc. Декстрин (α-D-глюкан) продукується бактеріями Leuconostoc mesenteroides, Streptococcus bovis, Streptococcus viridans. Декстран використовується як замінник плазми, а також для аналітичних досліджень у хімії та біології. Незважаючи на те що промисловий випуск декстрану існує з 40-х років XX ст., його частка на ринку мікробних ЕПС є відносно невисокою.

Для утворення ЕПС другої групи також необхідна наявність специфічного вуглецевого субстрату, проте синтезовані ЕПС є гетерополісахаридами. Нині встановлено утворення такого ЕПС жовтозабарвленою псевдомонадою.

До третьої групи належать гомополісахариди, що синтезуються на різних вуглецевих субстратах. Деякі з цих гомополі- сахаридів складаються лише з вуглеводів, наприклад бактеріальна целюлоза або пулулан (продуцент Aureobasidium pullulans)₁ інші вміщують ацетильні групи (наприклад, ЕПС, синтезовані певними видами Agrobacterium).

Курдлан — β(1→3)-глюкан — синтезується бактеріями Alcaligenes faecalis і Agrobacterium radiobacter. Цей полісахарид при нагріванні до 54º С утворює гель, який, на відміну від агарових, зберігає свою структуру в широкому діапазоні температур (від 18 до 80 С). Курдлан характеризується надзвичайною стійкістю до кислотної обробки. Завдяки цим властивостям курдлан використовують у харчовій промисловості, а також для приготування мікробіологічних середовищ.

Четверта група мікробних ЕПС найчисленніша. Її представники являють собою гетерополісахариди, які складаються із структур з повторюваними блоками. До цієї групи належить найбільш досліджений мікробний ЕПС — ксантан, а також промислово цінні ЕПС — гелан і емульсан.

До складу ксантану (продуцент Xanthomonas campestris NRRL В-1459) входять залишки D-глюкози, D-манози, D-глюкуронової кислоти у співвідношенні 2,8:2,0:2,0. Крім того, ЕПС містить близько 4,7 % О-ацетильних груп і близько 3 % залишків піровиноградної кислоти, зв’язаних із залишками глюкози в бокових ланцюгах у вигляді циклічного кеталю. Ксантан вперше був описаний у 60-х роках XX ст. В Інституті мікробіології і вірусології НАН України селекціоновано штам Xanthomonas campestris pv. campestris 8162, який синтезує біополімер, аналогічний ксантану.

Розчинам ксантану притаманна висока в’язкість за низьких концентрацій, яка залишається постійною в широкому діапазоні pH і не залежить від температури та наявності солей у розчині. Основні характеристики ксантану уможливлюють його використання в нафтодобуванні, а також у виготовленні харчових продуктів.

Новим полісахаридом з унікальними властивостями є етаполан (розробка Інституту мікробіології і вірусології НАН України).

Комплексний полісахаридний препарат етаполан, синтезований штамом бактерій Асіnetobacter sp. 12S, складається з нейтрального і двох кислих ЕПС, один з яких є ацильованим. Нейтральний ЕПС є мінорним компонентом. Ацильований і неацильований полісахариди ідентичні за молярним співвідношенням D глюкози, D манози, D-галактози, L рамнози. D-глюкоронової і піровиноградної кислот (3:2:1:1:1:1) і структурою повторюваної одиниці вуглеводного ланцюга. Різниця між цими ЕПС полягає в тому, що ацильований полісахарид вміщує жирні кислоти (С₁₂-С₁₈). Реологічні властивості розчинів етаполану (здатність до емульгування, підвищення в’язкості в присутності одно- і двовалентних катіонів, при зниженні pH, в області низьких швидкостей зсуву, у системі Сu²⁺ -гліцин) визначаються співвідношенням у його складі ацильованого і неацильованого компонентів, а також вмістом жирних кислот в ацильованому полісахариді.

Етаполан є полісахаридом багатофункціонального призначення і може бути використаний у нафтодобувній, харчовій, хімічній промисловостях як загущувальний, стабілізувальний, емульгувальний та суспендувальний агент. На основі етаполану розроблено спосіб ізоляції припливу пластових вод, який дає можливість при застосуванні 1 т етаполану видобути додатково до 240 т нафти та знизити її обводнення з 84 до 15 %. З використанням етаполану як головної складової частини розроблені технології виготовлення косметичних кремів за загальною назвою «Екол», технічного мийного засобу «БІМС 2». Завдяки спроможності адсорбувати та виводити з організму солі важких металів, етаполан може входити до рецептури хлібопродуктів, рекомендованих для профілактичного харчування.

Гелан — гетерополісахарид, синтезований Pseudomonas elodea АТСС 31461. Він складається з тетрасахаридних повторюваних одиниць, що містять залишки глюкози, рамнози, глюкуронової кислоти і О-ацетильні групи. Гелан існує у вигляді трьох форм — нативній, низькоацетильованій і низькоацетильованій освітленій. Низькоацетильований гелан одержують нагріванням нативного гелану за pH 10. Після охолодження гелан утворює тверді гелі, стійкість яких залежить від концентрації гелану і наявності в розчині солей. Гелан за торговою назвою «Гельрит» використовується як гелеутворювальний агент для приготування мікробіологічних середовищ. У порівнянні з агаром «Гельрит» має такі переваги: стабільність під час багаторазового автоклавування; інертність до більшості добавок, які є компонентами біологічних ростових середовищ; стійкість до ферментативної деградації; більш висока прозорість; нижча токсичність щодо чутливих мікроорганізмів. Висока температура плавлення геланових гелів дає можливість використовувати цей ЕПС у харчових продуктах, які піддаються тепловій обробці.

Емульсин є мікробним ЕПС, який одержують у промисловому масштабі на основі нехарчової сировини — етанолу. Емульсан складається з N- і О-ацильованих залишків D-галактозаміну, D-глюкози і аміноуронової кислоти. О-ацильна частина емульсину вміщує 5-19 % залишків жирних кислот. Вміст білка в емульсані становить 5-15 %. Розчинам емульсану притаманні емульгувальні властивості, що зумовило його використання в нафто вій промисловості для підвищення нафтовидобутку.

До п'ятої групи мікробних ЕПС належить бактеріальний альгінат. Цей гетерополісахарид складається з мономерів двох типів: D-мануронової і L-гулуронової кислот. На відміну від ЕПС четвертої групи, в альгінаті немає повторюваних одиниць. Продуцентами альгінату є Pseudomonas aeruginosa I Azotobacter vinelandii. Бактеріальний альгінат відрізняється від альгінату з морських водоростей наявністю О-ацетильних груп, приєднаних до D-мануронової кислоти. Мікробні альгінати використовуються в харчовій промисловості як замінники водоростевих альгінатів.