При изучении влияния углеводов на биосинтез различных биологически активных веществ, как правило, для культивирования продуцентов используют синтетические среды.
Создается определенная композиция среды, в которой затем в серии последовательных опытов один углевод заменяют другим в равных количествах. В некоторых экспериментах, предназначенных для оценки возможности применения определенных углеводов, в промышленных условиях используют комплексные среды, в состав которых входят соевая мука, кукурузный экстракт, кукурузная мука и т. п. При этом для правильных выводов необходимо применять все компоненты среды, кроме исследуемых углеводов, из одной партии или серии. Существует определенная избирательность продуцентов к углеводу, входящему в состав среды. Некоторые антибиотики образуются в большем количестве в присутствии глюкозы (стрептомицин, нистатин, мономицин). Для получения других антибиотиков оказываются более благоприятны среды с крахмалом (окситетрациклин, тетрациклин, хлортетрациклин, неомицин). В некоторых случаях более высокий выход антибиотиков получали на средах со смесью глюкозы с крахмалом (окситетрациклин, олеандомицин).
На примере опытов, проведенных на синтетических средах с несколькими штаммами продуцента стрептомицина, целесообразно рассмотреть некоторые вопросы, связанные с влиянием углеводов на биосинтез антибиотика. Наиболее интенсивно в большинстве опытов использовались глюкоза, фруктоза, манноза, мальтоза, крахмал. На средах с этими углеводами было отмечено образование наибольшего количества биомассы. Однако при равных величинах количества использованной фруктозы (90%) и одинаковых количествах биомассы (4,3 мг/мл) количество синтезированного антибиотика штаммом «а» было в два раза меньше, чем штаммом «с». Аналогичный пример может быть приведен для штаммов «а» и «в» на среде с крахмалом.
Таким образом, при оценке результатов влияния углеводов на синтез того или иного антибиотика необходимо учитывать штамм продуцента, его специфическую потребность в углеводах и особенности метаболизма, обеспечивающие накопление в среде нужного продукта.
Помимо штамма, необходимо учитывать общую композицию среды. Если те же углеводы, которые применяли в синтетической среде, применить в комплексной, содержащей соевую муку, то степень их использования и влияния на выход антибиотика может быть иной, чем на синтетической среде. Галактоза, например, на соевой среде в отличие от синтетической используется на 95% всеми тремя штаммами. При одинаковом проценте использования мальтозы на синтетической и соевой средах количество синтезированного штаммом «в» антибиотика значительно ниже на соевой среде. При культивировании продуцента флоримицина на среде с сульфатом аммония синтезировалось значительно больше антибиотика в присутствии глюкозы, чем крахмала. Замена сульфата аммония на нитрат натрия значительно повысила выход флоримицина на среде с крахмалом, практически до уровня, полученного на среде с глюкозой.
Одной из причин различной продуктивности тех же самых штаммов на средах, содержащих глюкозу или крахмал, является различие в обмене веществ в присутствии данных углеводов. Так, например, мицелий Act. fradiae 129, выросший на среде с глюкозой, содержал почти в два раза больше азота и значительно больше нуклеиновых кислот, чем мицелий с крахмальной среды.
Для оценки целесообразности применения того или иного компонента среды, в частности углевода или высшего спирта, необходимо учитывать время достижения максимума содержания антибиотика в культуральной жидкости. Продолжительность процесса ферментации желательно по возможности сокращать, так как при уменьшении сроков ферментации на одном и том же ферментере можно получить больше продукции. Необходимо учитывать стоимость сырья. Несмотря на более высокий выход хлортетрациклина на среде с глюкозой, по сравнению с крахмалом (при одинаковой продолжительности процесса), окончательные выводы о целесообразности применения того или иного компонента должны быть сделаны с привлечением экономических расчетов.
При ферментации некоторых антибиотиков необходимо, чтобы в период биосинтеза в среде находилось еще некоторое количество углеводов. Если происходит использование углеводов в первые часы развития культуры, то может оказаться, что в период интенсивного синтеза антибиотиков углеводов не будет в культуральной жидкости. При этом преждевременно наступает максимум содержания мицелия в культуральной жидкости, автолиз культуры. Сравнение использования глюкозы и крахмала при биосинтезе стрептомицина культурой Act. streptomycini В-178 показывает, что глюкоза более интенсивно включается в метаболизм по сравнению с крахмалом. На среде с крахмалом рост культуры несколько замедлен, автолиз наступает позже, уровень содержания антибиотика в культуральной жидкости выше.
Особенно интенсивно происходит процесс окисления глюкозы продуцентом пенициллина Penicillium chrysogenum. Глюкоза окисляется настолько интенсивно, что в период синтеза антибиотика ее уже может практически не быть в среде. Поэтому в среду одновременно с глюкозой вводят лактозу, углевод, который окисляется медленнее. Он значительно дольше задерживается в среде и обеспечивает структурным материалом построение молекулы пенициллина. Поскольку лактоза весьма дорогой продукт, в среду непрерывно с определенной скоростью можно дополнительно вводить концентрированный стерильный раствор глюкозы, исключив лактозу.
При изучении влияния углеводов на биосинтез необходимо в ряде случаев анализировать промежуточные продукты метаболизма. В частности, одной из причин низкой активности среды, содержащей крахмал, при биосинтезе стрептомицина оказалось избыточное накопление в ней пировиноградной кислоты. Последняя образовалась в больших количествах, но медленно подвергалась дальнейшей трансформации, из-за чего, в свою очередь, не образовывались продукты, обеспечивающие биосинтез стрептомицина.
При оценке влияния различных источников углевода на биосинтез антибиотиков необходимо иметь в виду, что при стерилизации сред для культивирования под давлением 1,5—2,0 атм в них происходят различные химические процессы, влияющие на ход ферментации. При указанных условиях углеводы взаимодействуют с аминокислотами, с солями аммония. Визуально это отмечается потемнением среды. Поэтому рекомендуется стерилизацию углеводов проводить раздельно, в частности при системе выносной стерилизации. При ферментации на средах, где углеводы потеряли свое качество после стерилизации, наблюдаются более низкие выходы.
Следует отметить, что в последние годы внимание большого числа исследователей привлекает возможность использования углеводородов, получаемых из различных фракций при перегонке нефти, в качестве источника углерода. Наиболее значительные успехи при их использовании достигнуты при получении кормовых дрожжевых белков. Результаты, которые достигнуты при культивировании продуцентов антибиотиков, аминокислот и т. д., не дают основания для широкого внедрения сред, содержащих углеводороды, в промышленность из-за слишком незначительных выходов продуктов ферментации, а также в связи с некоторыми осложнениями технологии и их выделения и очистки.