Углеводы являются одной из важнейших составных частей сред для культивирования микроорганизмов.
Как было сказано выше, они используются для синтеза клеточных структур и являются одновременно источником энергии. Углеводы являются соединениями, богатыми углеродными атомами. Углерод входит в состав протоплазмы клеток, клеточных оболочек, ферментов и т. п. Около половины сухого веса всех микроорганизмов приходится на долю углерода. Углероды обеспечивают построение углеродной структуры молекулы большинства антибиотиков, аминокислот, витаминов и т. д. Поэтому соединения, содержащие углерод, имеют первостепенную роль в питании микроорганизмов.
Микроорганизмы-продуценты могут потреблять различные углеводы, но наиболее часто применяемыми для промышленного использования являются глюкоза или крахмал. По химической структуре глюкоза является альдогексозой. В питательные среды часто вводят техническую глюкозу или маточник, остающийся после выделения кристаллической глюкозы, в промышленности он носит название гидрол. Гидрол содержит до 50% редуцирующих сахаров (при расчете на глюкозу). При введении в среду технических продуктов их количество рассчитывают по содержанию редуцирующих веществ, в пересчете на чистые углеводы. Большинство видов грибов и актиномицетов усваивает глюкозу лучше, чем какой-либо другой углевод. Поэтому глюкозу можно рассматривать как почти универсальный источник углерода. При попытках культивировать микроорганизм, пищевые потребности которого еще не установлены, первым пробным источником углерода должна быть глюкоза.
В производстве пенициллина используют дисахарид лактозу. Лактоза состоит из глюкозы и галактозы, являясь β-галактозидоглюкозой. В состав питательных сред для производства хлортетрациклина, нистатина и некоторых других антибиотиков входит крахмал. Он на 96—97,5% состоит из полисахаридов, образующих глюкозу. Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой линейный полимер глюкозы, с молекулярным весом 50—160 тысяч. Амилоза хорошо растворяется в теплой воде, образуя растворы сравнительно невысокой вязкости. В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны между первым и четвертым углеродными атомами.
Амилопектин отличается от амилозы разветвленным строением своей молекулы. Его растворимость в воде меньшая, чем у амилозы. Растворы амилопектина при охлаждении могут образовывать гели.
В молекуле амилопектина имеются два типа связей между молекулами глюкозы. Одна связь между 1-м и 4-м углеродными атомами и вторая — между 1-м и 6-м. В среднем на 25 остатков глюкозы приходится одна 1,6-глюкозидная связь. Анализ количественных соотношений между амилозой и амилопектином
В крахмальном зерне первоначально образуется амилоза, которая затем превращается в амилопектин посредством фермента.
Для того, чтобы микроорганизм мог ассимилировать крахмал, необходимо, чтобы он имел соответствующую ферментную систему. Ферменты, гидролизующие крахмал, называются амилолитическими ферментами. β-Амилаза разрывает 1—4-ю углеродную связь до мальтозы. Таким образом, β-амилаза на 100% гидролизует амилозу до мальтозы. Расщепление мальтозы до глюкозы происходит при действии α-глюкозидазы, так как в молекуле мальтозы имеется α-глюкозидная связь.
Гидролиз амилопектина β-амилазой происходит только на линейных участках, до связи между 1-м и 6-м углеродными атомами с образованием мальтозы и декстринов. Гидролиз декстринов до мальтозы осуществляется α-амилазой.
Касаясь механизма использования питательных субстратов, в первую очередь углеводов, необходимо отметить, что многие гидролитические ферменты, в частности амилолитические, являются внеклеточными ферментами. Их роль в основном сводится к превращению сложных соединений в более простые, усваиваемые организмом. Реакции синтеза осуществляются в основном внутри клетки. Гидролизуемые в среде вещества постепенно ассимилируются клеткой, тем самым постоянно сдвигая потенциально возможное становление равновесия ферментативной реакции. Процессы гидролиза в среде практически идут до конца. Внутри клетки происходит непрерывное накопление продуктов гидролиза, что благоприятствует обратной реакции или, иначе говоря, синтезу. Таким образом, можно ожидать, что синтез внутри клетки должен происходить преимущественно в те периоды, когда в клетку беспрерывно поступает большое количество простых молекул питательных веществ. В тех же случаях, когда в клетку не поступает питательных веществ или когда их поступает недостаточно, происходит гидролиз запасных питательных веществ.
В качестве критерия для оценки эффективности использования культурой источника углерода наиболее широкое распространение получил экономический коэффициент, выражающий соотношение между весом биомассы и весом использованного углевода (или какого-либо другого источника углерода). Для подсчета по окончании опыта определяют оставшееся неусвоенным количество углерода в среде. Считают, что микроорганизмы, обладающие достаточной биохимической активностью, превращают приблизительно половину углеводов, содержащихся в среде, в составные части клетки. В лабораторных условиях практически эта величина значительно меньше. Углерод, не использованный на синтез клеточного материала, превращается в углекислоту и в промежуточные продукты обмена веществ, например спирт или органические кислоты. К их числу могут быть также отнесены антибиотики, витамины, аминокислоты и т. д. В промышленности стараются создать такие условия культивирования, при которых возможно большее количество углерода идет на образование нужного продукта обмена и возможно меньшее количество расходуется на синтез биомассы и образование углекислого газа.