В начале 60-х годов успехи биотехнологии обеспечили широкое применение микробных полисахаридов, часто называемых биополимерами, и промывочных жидкостей на их основе. В настоящее время микробные полисахариды находят широкое применение в самых различных сферах человеческой деятельности: медицине, фармацевтической, пищевой, химической промышленности, в сельском хозяйстве и даже в таких «тяжелых» отраслях, как гидрометаллургия, добыча нефти, обогащение руд цветных и редких металлов. 
Важнейшая группа биополимеров
К природным высокомолекулярным соединениям, входящим в состав тканей животных, растений и микроорганизмов, относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и смешанные биополимеры. Полисахариды — макромолекулярные углеводы общей формулы CnOnH2m, не содержащие неуглеводные компоненты и построенные из остатков моносахаридов.
В растениях углеводы образуются из углекислого газа и воды за счет реакции фотосинтеза. Животный организм не способен сам к фотосинтезу углеводов и поэтому полностью зависит от растений как поставщиков углеводного питания. Микроорганизмы, за некоторым исключением, тоже не способны к фотосинтезу углеводов и вынуждены получать этот вид питания из внешней среды. Следует отметить, что химический синтез углеводов был осуществлен в начале прошлого века полимеризацией формальдегида и альдольной конденсацией смеси глицеринового альдегида и диоксиацетона.
Полимерные углеводы, состоящие из более чем десяти моносахаридных единиц, относят к полисахаридам или гликанам. Они могут состоять из одного типа моносахарида (гомополисахариды) или нескольких различных сахаров (гетерополисахариды). Полисахариды — обязательные компоненты всех организмов и составляют основную часть природных углеводов. Полисахариды являются преобладающим материалом растительного мира и поэтому составляют основную массу органического вещества на земле, за исключением «минеральной» органики (нефть и газ).
Некоторые микробные полисахариды близки или даже идентичны полисахаридам растений или животных, но подавляющее большинство из них имеют уникальную структуру, специфичную только для данного вида. В микробных гликанах и по сей день обнаруживаются ранее неизвестные полисахариды и моносахариды, которые обладают определенной биологической активностью и не встречаются ни у животных, ни у растений.
Полисахариды микроорганизмов делятся в соответствии с локализацией на внутриклеточные (эндогликаны) и внеклеточные (экзогликаны).
Большую роль в добыче, обогащении и переработке руд, отделении и концентрировании металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторож-дений играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.
Способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают, например бактерии Thiobacillusferrooxydans. Они выщелачивают железо, медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида; Chromobacteriumviolaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)2.
Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, то большое значение придается таким микроорганизмам, как Citrobacter sp., Zoogloearamigera, клетки и внеклеточные полисахариды которых извлекают уран, медь, кадмий. Бактерии–деэмульгаторы, например Nocardiasp, Rhodococcus rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для концентрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.
Наибольшую популярность приобрели продукты на основе ксантана, внеклеточного полисахарида бактерии Xanthomonas Campestris, выпускаемые под разными торговыми марками: Rhodоро1-23Р, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis и др. Ксантан (ксантановая смола, ксантановая камедь, ксантановая резина), вырабатываются микробиологическим способом в гидрокарбонатной среде с добавкой протеина и неорганического азота. Этот биополимер — внеклеточная слизь, образующаяся на поверхности ячейки. Сброженную питательную среду пастеризуют для удаления микробов, осаждают спиртом, или очищают методом микрофильтрации.
Строение и свойства микробных экзополисахаридов
Полисахариды — бесцветные, обычно аморфные вещества. Нерастворимые в воде их разновидности, главным образом, выполняют в организме структурные функции, а растворимые — образуют вязкие растворы даже при очень низких концентрациях, выступают в роли запасных и энергетических веществ. Свободные гидроксильные группы полисахаридов ацилируются и алкилируются. Гликозидные связи полисахаридов гидролизуются под влиянием кислот и специфических ферментов.
Уникальные биологические и реологические свойства водорастворимых полисахаридов во многом определяются свойствами упорядоченного строения их цепей в растворах. Такие высокополимеры имеют как первичную, так и высшие пространственные структуры. Это обусловлено слабыми внутримоле-ку-лярными взаимодействиями, среди которых основную роль играют водородные связи и комплексообразование.
Первичная структура микробного экзополисахарида ксантана показана на рисунке 1.  | | Рис. 1. Первичная структура ксантана |
Основная цепь ксантана (кор) построена аналогично целлюлозе (1-4–β-гликопираноза), а в ответвлениях кора — трисахарид, состоящий из β-D-маннозы, β-D-глюкуроновой кислоты и α-D-маннозы. Остатки глюкуроновой кислоты и кислые пировиноградные группы придают молекулам ксантана анионный характер.
| Камедь ксантана Е 415 (ксантан) (компания «Макгель») Стабилизатор и загуститель в косметической промышленности | | Вязкость 1300 – 1800 сПа•с, повышается в горячем состоянии. При взаимодействии с другими коллоидами создает эффект синергизма. Достаточно высокая вязкость при низком сдвиговом усилии, псевдопластичная реология, температурная нечувствительность и совместимость с кислотами, щелочами и солями. Является стабилизатором эмульсий, суспензий и муссов, контролирует синерезис, удерживает влагу. Обладает свойствами создавать пленку. |
В результате взаимодействия боковых цепочек между собой и с кором образуются высшие структуры ксантана, обусловливающие его свойства. В неионизованых растворах или при температурах выше 75оС молекулы ксантана приобретают скрученную конформацию (рис. 2а), в которой боковые звенья завернуты вокруг основной цепи. Введение в такой раствор даже незначительного количества катионов приводит к формированию молекулами ксантана двойной спирали с ионами металла внутри (рис. 2б и рис. 3б). | a) |  | б) |  | | Рис. 2. Зависимость вязкость 0,5% водный растворов кстантана оттемпературы а) деионизированный раствор (1); раствор содержащий 0,5% KCl (2) и конформация двойной спирали ксантана с захваченными катионами металла б) |
Молекулы ксантана в водных растворах склонны к самоассоциации и с повышением ионной силы раствора или концентрации полисахарида формируется гель. Он представляет собой трехмерную сетку, образованную из двойных спиралей ксантана, связанных межмолекулярными водородными связями [1]. Уже при концентрации полисахарида 0,1% вязкость системы возрастает на порядок, а при 1,0% — в водном растворе формируется гель.
Наличие остатков жирных и уроновых кислот в составе биополимера обусловливает зависимость реологических свойств раствора от состава и концентрации солей и других ингредиентов. Именно с этим связана возможность, путем подбора различных добавок создавать композиции с широким спектром свойств (табл. 1).
Табл. 1. Потенциальные свойства композиций | Загущающая способность водных систем | Повышение вязкости раствора уже при 0,1% растворе ксантана. 1,0% раствор ксантана формирует гель, с вязкостью 2,8 Па при скорости сдвига 5,4 сек-1 | | Стабилизация сдвига | Неизменный динамический предел текучести, низкий статический предел текучести, который для 1,0% раствора составляет 20 Па, ниже него система не течет | | Псевдопластичность | При превышении статического предела текучести растворы псевдопластичны. Происходит разрушение сетки, двойные спирали вытягиваются в направлении усилия. Со снятием напряжения сетка быстро восстанавливается | | Влияние температуры | Ниже 75оС реологические свойства растворов слабо зависят от температуры, вследствие конформационного перехода макромолекул ксантана происходит обратимое снижение вязкости и свойства сохраняются при многократной заморозке и оттаивании | | Влияние рН среды | Эффективен для высоковязких кислых и щелочных композиций. Сохраняет реологические свойства в пределах рН от 2 до 12 | | Синергизм | С водонабухающими глинами, наблюдается увеличение вязкости и суммарного предельного напряжения выше аддитивного | | Совместимость | Совместим с анионными и неионными соединениями. Осаждается катионными соединениями | | Совместимость с органическими растворителями | Совместим с водными растворами органических соединений. Осаждается 80% этиловым спиртом и изопропанолом. Растворы ксантана устойчивы в присутствии 30% глицерина, гликолей, этилового и изопропилового спирта | | Совместимость с кислотами и основаниями | Совместим с органическими и минеральными кислотами, соляная кислота разрушает ксантан. Выдерживает длительное присутствие 10% лимонной кислоты, 20% и 10% — уксусной, 5% серной кислот. Растворы сохраняют реологические свойства в присутствии гидроксида натрия и силиката натрия | | Совместимость с солями металлов | Загущает большинство солевых растворов. В присутствии 5–20% NaCl, KCl, CaCl2 или MgCl2 вязкость 0,5% раствора ксантана возрастает на 10%. Двухвалентные соли образуют гели при рН>10.Трехвалентные соли алюминия, железа, хрома образуют гели с 0,15–0,25% растворами ксантана |
Области и перспективы применения микробных экзополисахаридов
Практический интерес для промышленности представляют полимеры, полученные в результате жизнедеятельности безвредных для человека, микроорганизмов. Такие полимеры являются экологически «чистыми», а их производство — экологически «безопасным». Лидерами в производстве микробных полисахаридов являются компании: «Рон Пуленк», «Статойл», «Келко Мерк». | a) |  | б) |  | | в) |  |
| | Рис. 3. Конфигурация макромолекул ксантана в первичной и высших структурах: неионизированный раствор (а); в присутствии ионов металлов (б); самоассциация макромолекул с использованием трехмерной сетки (в) |
Наиболее известный микробный полисахарид — ксантан (C35H49O29)n). В течение последних 40 лет он занимает ведущие позиции как добавка, улучшающая качество самых различных продуктов и технологических операций (повышение нефтедобычи, буровые работы, повышение урожайности, пищевая, фармацевтическая и косметическая промышленность, сельское хозяйство и т. д.). Смола ксантана (компания AquaSource)
Косметическая и фармацевтическая промышленность Позволяет освежать кожу, поддерживает ее упругость, влажность, сокращает поры. Сильный антиоксидант. Применяется в составе оболочки для лекарственных капсул. Очищенные микробные полисахариы
Медицина Применяются в медицине в качестве кровезаменителей, иммуностимуляторов, антикоагулянтов и в фармацевтической промышленности для изготовления готовых лекарственных форм, включая капсулы и микрокапсулы. Ксантан, этаполан, полимиксан
Пищевые добавки
Образуют белково-полисахаридные комплексы. В количестве от 0,2 до 0,5% улучшает характеристики муки с низким содержанием клейковины Ронда Гам Х 200 Е 410 (ксантан)
Гидроколлоиды и загустители
Используется как загуститель для заливки тортов, фруктовых начинок, повидла, джема, варенья, фруктовых напитков, для связывания влаги в мучных кондитерских и хлебобулочных изделиях Ксантан Е 415 (компания VanHees)
Желирующие средства
Устойчивость в условиях цикла замораживание/разморозка допускает его применение в широком наборе пищевых продуктов: от замороженных изделий до закусок, приготовляемых в микроволновой печи. Ксантан Е 415 (компания VanHees)
Желирующие средства Устойчивость в условиях цикла замораживание/разморозка допускает его применение в широком наборе пищевых продуктов: от замороженных изделий до закусок, приготовляемых в микроволновой печи. Сараксан (ксантан) (компания «Ресхил»)
Сельское хозяйство
Используется для повышения урожайности и экономии удобрений. Ксантан может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород. Требования, предъявляемые к полимерам, используемым в процессах повышения нефтеотдачи:
• хорошая загущающая способность;
• высокая растворимость в воде при различных температурах, составах электролита и в присутствии стабилизирующих агентов;
• низкая степень удерживания (менее 20 µг/г). Все полимеры адсорбируются на породу пласта в той или иной степени, удерживание может быть обусловлено закупоркой, улавливанием, фазовым разделением или другими механизмами;
• стойкость к сдвиговой деструкции;
• химическая стойкость;
• биологическая устойчивость (частично гидролизованные поли-акриламиды и полисахариды, могут разрушаться под действием бактерий);
• хороший перенос в проницаемой среде (способность распространять полимер в неповрежденной породе без чрезмерного перепада давления или закупорки).
Большинству из этих требований удовлетворяют микробные экзополисахариды. Микроорганизмы культивируют в специальных ферментаторах (биореакторах), где создают для них все необходимые условия (питательная среда, аэрация или анаэробные условия, температура, рН, удаление продуктов метаболизма, отсутствие конкурентов, паразитов и хищников). Микроорганизмы используют субстраты питательной среды, синтезируют вещества (метаболиты), растут и размножаются. В зависимости от целей культивирования конечным продуктом может быть биомасса клеток или какой-либо внеклеточный метаболит [2].
Недостатком производства ксантана является высокая требовательность микроорганизмов к условиям и питательной среде. Сотрудниками института микробиологии НАН Украины совместно с Национальным университетом пищевых технологий получены штаммы, способные осуществить синтез экзополисахаридов на дешевых средах с широким набором углеродных субстратов. Они утилизируют спирты, углеводы, органические кислоты и отходы пищевого производства — патоку, послеспиртовую барду и др.
Пересечение различных сфер применения биотехнологии (в данном случае, биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Разработанные штаммы допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе дешевого сырья и предотвращение загрязнения окружающей среды. Литература:
1. Jaffrey G. Southwick, Hoosung Lee, Alexander M. Jameson, and John Blackwell. Self-Association of xanthan in aqeous solvent-systems//Carbohydrate Research. – 1980. – Vol. 84. – Р. 287–295.
2. Микробные препараты в растениеводстве Дятлова К.Д. // Сросовский Образовательный журнал. – 2001. – №5. – С. 17–22.
3. J.G.Southwick, M.E.McDonnel, A.M.Jamieson, J.Blackwell. Solution studies of Xantan Gum Emploing Quasielastic light Scattering
Наталия Козак, к.х.н.,
Институт химии высокомолекулярных соединений НАН Украины,
Полимеры-Деньги |
