: Главная arrow Неполные окисления arrow Образование кислот грибами  

Образование кислот грибами

Печать E-mail
 

 

Для грибов характерен окислительный тип метаболизма. Это не озна­чает, что грибы не способны к анаэробному расщеплению углеводов, т.е. не могут их сбраживать (ведь спиртовое брожение осуществляется как раз дрожжами!); однако в анаэробных условиях сколько-нибудь длительный рост грибов невозможен. Кроме того, основными продук­тами брожения оказываются этанол или молочная кислота. Другие ор­ганические кислоты образуются только в аэробных условиях.

В естественных местах обитания грибов, т. е. в почве, никогда не бы­вает заметного накопления промежуточных продуктов их жизнедеятель­ности. При недостатке питательных веществ грибы получают максимум энергии и образуют клеточные вещества за счет полного окисления и ассимиляции субстрата. Если в лабораторных условиях и в промыш­ленной практике дело обстоит иначе и многочисленные продукты обме­на выделяются в среду, то это следует объяснить избыточным снабже­нием грибов углеводами и известной «дезорганизацией» их метаболиз­ма, которой часто способствует исключение из среды некоторых микроэлементов.

Известно, что грибы обладают мощной гликолитической системой. В «узких местах» метаболических путей происходит накопление проме­жуточных продуктов, которые прямо или после назначительных хими­ческих изменений выделяются в среду. Дж. Фостер особо подчеркивал отклонения в обмене веществ, возникающие при избытке субстрата. В конечном счете большинство неполных окислений связано с наруше­нием регуляции метаболизма.

Во многих случаях достаточно удалить какой-нибудь необходимый микроэлемент, чтобы промежуточные продукты начали выделяться в среду. Значительное влияние оказывает изменение концентрапии цин­ка, железа, марганца, меди, а также магния, калия и кальция (см. рис. 10.1).

Молочную кислоту выделяют главным образом представители по­рядка Mucorales (Rhizopus nodosus, R. oryzae, R. arrhizus, R. nigricans) и другие фикомицеты (Allomyces, Saprolegnia, Blastocladiella). Однако у грибов она никогда не бывает единственным продуктом, как у гомо-ферментативных молочнокислых бактерий. Наряду с молочной кисло­той грибы образуют в небольших количествах фумаровую, янтарную, яблочную, муравьиную и уксусную кислоты, а также этанол. Для полу­чения максимального выхода молочной кислоты необходимо присут­ствие 02. Поскольку грибы не нуждаются в сложных питательных сре­дах и в качестве источника азота довольствуются мочевиной, получать молочную кислоту в особо чистом виде с помощью грибов проще, чем использовать молочнокислое брожение, осуществляемое лактобацилла-ми.

Способность к образованию фумаровой кислоты характерна для многих   родов   Mucorales  (Mucor,   Cunninghamella,   Circinella,   Phizopus).

Глюконовую кислоту образуют многие аспергиллы и пенициллы. Это продукт ферментативного окисления глюкозы глюкозооксидазой, выделяемой грибами в питательную среду. У Aspergillus niger этот про­цесс может идти с высоким выходом даже в 30-35%-ных растворах глюкозы, если выделяющуюся кислоту нейтрализовать карбонатом кальция.

Глюкозооксидаза представляет собой фермент, содержащий в каче­стве простетической группы FAD. При окислении глюкозы под дей­ствием этого фермента как промежуточный продукт образуется P-D-глюконо-5-лактон, который затем спонтанно или же с помощью другого фермента-глюконолактоназы-присоединяет воду и превра­щается в глюконовую кислоту. Восстановленная глюкозооксидаза пере­носит водород на кислород воздуха с образованием перекиси водорода, которая затем под действием каталазы может расщепляться на воду и кислород.

Щавелевую кислоту выделяют многие грибы. Ее образованию спо­собствует щелочная реакция питательной среды.

Много работ посвящено образованию лимонной кислоты, особенно техническим и экономическим аспектам ее производства. После того как Вемер в 1893 году обнаружил лимонную кислоту в культурах гри­бов (Citromyces pfefferianus), Кюрри в 1917 году разработал основы полу­чения ее в промышленном масштабе; он установил, что Aspergillus niger превосходно растет на средах с начальными значениями рН от 2,5 до 3,5 и выделяет при этом большие количества лимонной кислоты. С по­вышением рН появляется сначала глюконовая кислота, а затем щавеле­вая. Низкое начальное значение рН имеет то преимущество, что позво­ляет не опасаться бактериального загрязнения.

Промышленное производство лимонной кислоты до сих пор часто ведется без соблюдения стерильности, поверхностным способом в кюветах. В бро­дильные камеры помещают алюминиевые кюветы (размером 2 х 2,5 х 0,15 м), заполненные на высоту 8 см раствором мелассы, и после инокуляции спорами гриба выдерживают их 9-11 дней при 30°С. Выход продукта получается весьма значительным. После спуска питательной среды можно снова подвести под ми­целий гриба свежий раствор. Лимонную кислоту осаждают из переработанного раствора, добавляя карбонат кальция, а затем перекристаллизовывают и выде­ляют с помощью серной кислоты. В настоящее время при производстве лимон­ной кислоты все более широко применяют глубинный метод.

Зависимость образования лимонной кислоты от состава среды осо­бенно четко выражена у Aspergillus niger. В этом легко убедиться, изме­няя содержание одного из компонентов среды при сохранении всех про­чих условий. Если к простой среде с глюкозой после удаления микроэлементов (их осаждают гидроокисью алюминия) прибавлять определенные компоненты в известных концентрациях, а затем иноку-лировать среду и после 9-дневной инкубации в колбах со встряхиванием определять массу мицелия, остаточное количество сахара и количество образовавшейся лимонной кислоты, то можно установить ряд инте­ресных соотношений (рис. 10.1). Приведенные кривые позволяют сде­лать следующие выводы: а) нитрат аммония и сульфат магния не оказывают какого-либо специфического влияния на выход лимонной кислоты-они влияют только на рост мицелия; б) кривые для цинка, же­леза и фосфора характеризуются четким пиком. При концентрациях, обеспечивающих лишь субоптимальный рост мицелия, отмечается бо­лее высокий выход лимонной кислоты; однако при дальнейшем сниже­нии концентрации этих трех элементов торможение роста мицелия ограничивает и выработку кислоты; в) особенно высокие выходы мож­но получить в тех случаях, когда два компонента - железо и цинк-при­сутствуют в лимитирующих количествах. Марганец оказывает отчетли­вое подавляющее действие: 3 мкг Мп2 + на 1 л среды уже снижают выход кислоты (между тем при использовании очищенной продажной

 

Image

глюкозы на каждый литр среды вместе с 140 г этого сахара вносится Юмкг Мп2+ !).

Повышенное выделение лимонной кислоты при недостатке железа объясняется скорее всего тем, что железо выступает в роли кофактора аконитазы, медь же действует по отношению к нему как антагонист. На этом основан новый технический прием, повышающий выход нужного продукта: даже в присутствии небольших количеств ионов железа в рас­творе мелассы (10 мг на 1 л) можно получить максимальный выход ли­монной кислоты, добавив к среде избыток ионов меди (150 мг на 1 л).

Итаконовую кислоту образуют лишь немногие штаммы Aspergillus itaconicus и A. terreus. Этот процесс тоже происходит при рН среды около 2,0.

 

Image

Химизм образования кислот у грибов. Не подлежит сомнению, что в образовании различных кислот из глюкозы участвуют реакции цикла трикарбоновых кислот («цикла лимонной кислоты»). Есть основания предполагать, что яблочная, фумаровая, янтарная и лимонная кислоты образуются так, как это описано для цикла трикарбоновых кислот, а за­тем непосредственно выделяются в среду (рис. 10.2).

Щавелевая кислота образуется в результате гидролиза щавелевоук­сусной кислоты под действием оксалоацетатгидролазы:

Предшественником итаконовой кислоты служит i^uc-аконитовая кис­лота. Во время декарбоксилирования происходит перемещение электро­нов в углеродном скелете, и при этом двойная связь переходит из поло­жения 2,3 в положение 3,4:

Цикл трикарбоновых кислот выполняет в первую очередь катаболи-ческую функцию. Однако наряду с этим он служит центральным «рас­пределителем», поставляющим предшественники для синтеза многих клеточных компонентов. Если на каком-либо участке промежуточные продукты удаляются из цикла, то на долю других реакций выпадает за­дача обеспечить цикл оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой). Мы

уже упоминали две анаплеротические реакции (см. рис. 7.7 и с. 251): 1) превращение изоцитрата через глиоксилат и ацетил-СоА в малат и сукцинат и 2) карбоксилирование пирувата с образованием оксало-ацетата. Из этих двух реакций более важна вторая. Глиоксилатный цикл нужен в первую очередь для использования ацетата, высших жирных кислот и углеводов, а также других субстратов, при распаде которых в качестве промежуточного продукта образуется ацетил-СоА. Глюкоза часто подавляет синтез ключевых ферментов глиоксилатного цикла (изоцитратлиазы и малатсинтазы).

Если бы лимонная кислота синтезировалась только из ацетил-СоА, то 1 моль глюкозы давал бы лишь 2/3 моля кислоты; это означает, что из 100 г глюкозы могло бы образоваться только 71,1 г лимонной кис­лоты. Между тем ее выход иногда достигает 75-87 г. Исследования по­казали, однако, что происходит фиксация больших количеств С02. В опытах с 14С02 метка обнаруживалась в 6-м углеродном атоме ли­монной кислоты.
 
« Пред.   След. »