CC BY
47
УДК 663.18
Н. Ю. Хромова*, Б. А. Кареткин, В. Д. Грошева, И. В. Шакир, В. И. Панфилов
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 *e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ C - СУБСТРАТА НА АКТИВНОСТЬ РОСТА И МЕТАБОЛИЗМ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ
Проведено исследование влияния степени полимеризации C - субстратов, на примере глюкозы и состоящих из нее углеводов, на активность роста и метаболизм Lactobacillus casei. Показано, что в зависимости от степени полимеризации углеводов происходит смещение метаболических процессов в сторону энергетического или конструктивного обменов. Введение в состав питательной среды моносахаров приводит к накоплению продукта энергетического обмена - молочной кислоты, полисахаридов - накоплению биомассы молочнокислых бактерий.
Ключевые слова: молочнокислые бактерии, пробиотики, молочная кислота.
На современном этапе ключевым направлением развития в народном хозяйстве наиболее экономически развитых стран мира являются биотехнологии. Под биотехнологией понимается направление научно-технического прогресса, использующего биообъекты и биопроцессы для получения полезных человеку продуктов и улучшения качества его жизни [1].
Существует несколько направлений
биотехнологии: «красная» - производство биофармацевтических препаратов для обеспечения здоровья человека; «зеленая» - создание и разработка генномодифицированных растений; «белая» -промышленная биотехнология, объединяющая энергетическую, пищевую, химическую и нефтеперерабатывающую промышленности; «серая» - природоохранная деятельность; «синяя» -использование морских организмов и ресурсов [1].
В мировом объеме биотехнологической продукции лидирующее положение занимают продукты «красной» биотехнологии [1]. В России приоритетным направлением является «белая» биотехнология, развитие которой в первую очередь связано с усовершенствованием биоэнергетики. С другой стороны продукты промышленной биотехнологии используются не только в целях обеспечения энергетической безопасности, но и практически во всех отраслях народного хозяйства: медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, химическом производстве. Неоспоримым преимуществом, определяющим широкое
распространение биотехнологической продукции, является общедоступность сырьевой базы. Сырьем для промышленной биотехнологии служат отходы различных производств: целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленностей,
сельскохозяйственного производства, пищевой и перерабатывающей промышленностей и т.д.
К настоящему времени в России накоплен богатый опыт по использованию растительного сырья в биотехнологических производствах. Существуют технологии получения кормового протеина, премиксов и белково-витаминных добавок, этилового спирта, ферментов, биополимеров для различных отраслей промышленности. В последнее время возрос
интерес к пробиотическим продуктам функционального назначения, а также пробиотическим препаратам, применяемым для лечебных и профилактических целей, с перспективой их использования в качестве альтернативной замены антибиотикам. Многочисленные исследования, проведенные в этой области, показали, что применение пробиотиков благотворно влияет на микробиоценоз человека и животных, способствуя нормализации состояния пищеварительного тракта, и, оказывая регулирующее воздействие на физиологические и биохимические процессы организма [2].
Важным параметром, определяющим активность пробиотического продукта, является титр полезных бактерий - представителей нормальной микрофлоры кишечника. Наиболее типичными являются бифидо-и лактобактерии. Известно, что данные виды микроорганизмов также широко используются для получения молочной кислоты, потребление которой, согласно оценкам исследовательской компании Abercade Consulting [3], стремительно растет. До недавнего времени основным потребителем была пищевая промышленность, в которой молочная кислота используется в качестве пищевой добавки -регулятора кислотности. В настоящее время молочная кислота широко применяется в производстве биоразлагаемых полимеров в технической промышленности и как антисептик и дезинфицирующее средство в косметической и фармацевтической [3].
Известно, что молочнокислые бактерии отличаются повышенной требовательностью к составу питательных сред [4]. В зависимости от вида используемого субстрата варьируются способы предварительной обработки биологического сырья. Так, основными компонентами, определяющими рост микроорганизмов, являются углеводсодержащие вещества. В растительном сырье углеводы, в основном, представлены крахмалом, целлюлозами и гемицеллюлозами, пектинами. Наибольший интерес для культивирования молочнокислых бактерий представляют крахмалосодержащие субстраты, что объясняется наличием у микроорганизмов амилолитической активности [4]. Для эффективного
управления процессом биосинтеза и получения максимального выхода требуемого продукта желательно знать, какой глубине обработки необходимо подвергнуть крахмалосодержащее сырье. В связи с этим, целью настоящей работы является исследование роста и метаболизма микроорганизмов Lactobacillus casei на C -субстратах различной степени полимеризации.
В качестве объекта исследования был выбран штамм грамположительных микроаэрофильных неспорообразующих молочнокислых бактерий Lactobacillus casei. В ходе исследования использовали питательную среду следующего состава (г/л): глюкоза/мальтоза/мальтодекстрин/крахмал - 50;
дрожжевой экстракт - 10; К^НРО^ЗШО - 2,0; MgSO4 •7H2O - 0,1; MnSOW^O - 0,05; pH 7,0. Культивирование проводили в микроаэрофильных условиях при температуре 37 °C в течение 48 часов.
Определение жизнеспособных клеток (КОЕ/мл) проводили через фиксированные промежутки времени методом высева последовательных десятикратных разведений исследуемых образцов на агаризованную среду MRS [5]. Содержание олиго- и полисахаридов определяли методом Бертрана-Шорля и редуцирующих веществ методом Бертрана [5]. Концентрацию молочной кислоты определяли потенциометрическим титрованием культуральной жидкости 1% раствором NaOH в изопропаноле.
Таблица 1. Результаты периодического культивирования Lactobacillus casei
Глюкоза Мальтоза Мальтодекстрин Крахмал
Начальная концентрация С - компонента, г/л 50,0 50,0 50,0 50,0
рН 3,93 4,10 4,66 4,89
12 часов Остаточная концентрация С - компонента, г/л 39,6 48,1 48,3 45,3
КОЕ/мл 2,0х108 2,7х108 1,8х108 4,0х108
рН 3,71 4,01 4,66 4,90
о CS Остаточная концентрация С - компонента, г/л 34,1 40,3 42,8 43,0
<N КОЕ/мл 2,3х108 3,0х108 2,6х108 4,2х108
рН 3,57 3,87 4,65 4,94
m 0 Остаточная концентрация С - компонента, г/л 30,3 38,4 42,1 42,0
0 tS F OO КОЕ/мл 2,5х108 2,9х108 3,3х108 3,6х108
Концентрация молочной кислоты, г/л 18,5 11,2 4,5
Выход молочной кислоты, г/г8 0,94 0,97 0,57
*- значение параметра ниже предела чувствительности метода
Рост лактобактерий на С - субстратах характеризуется высокими показателями титра клеток, достигающими величины порядка 108, при этом наблюдается значительная разница в конечной концентрации молочной кислоты (Таблица 1). Содержание молочной кислоты в среде с глюкозой в 4 раза выше, чем в среде с мальтодекстрином. Накопление продукта энергетического обмена можно проследить по изменению показателя кислотности культуральной жидкости. Разница между конечными значениями рН для крахмала и глюкозы составляет 1,3 ед (Рис. 1). Потребление глюкозы и мальтозы
7,5 7 6,5 6
а 5
4,5 4 3,5 3
протекает более интенсивно, нежели крахмала и мальтодекстрина, что предположительно связано с низкой биодоступностью последних.
При этом титр клеток лактобацилл на питательной среде с крахмалом в 1,7 раза превышает значение титра клеток на среде с глюкозой. Разница между значениями выхода молочной кислоты для глюкозы и мальтодекстрина составляет 60,6%, что также указывает на различие преобладающих метаболических процессов в зависимости от сложности субстрата.
■Глюкоза ■Мальтоза ■ Мальтодекстрин ■Крахмал
--*- -К
--♦
10
20
30
40
т, час
Рис. 1. Изменение показателя кислотности среды
На средах, содержащих углеводы с более высокой степенью полимеризации, такие как мальтодекстрин и крахмал, происходит смещение метаболизма в сторону конструктивного обмена и накопления биомассы лактобактерий. Таким образом, в
зависимости от степени полимеризации C -субстрата, можно эффективно управлять процессом биосинтеза для получения максимального выхода биомассы лактобактерий или молочной кислоты.
Хромова Наталья Юрьевна, студентка кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва Кареткин Борис Алексеевич к. т.н., м.н.с. кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Грошева Вероника Дмитриевна к.т.н., н.с. кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Шакир Ирина Васильевна к. т.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Панфилов Виктор Иванович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Горбач Л. А., Райская М. В. Перспективные направления развития и ключевые факторы эффективности промышленной биотехнологии в рамках стратегии инновационного прорыва российской экономики / Л. А. Горбач, М. В. Райская // Вестник КНИТУ. - 2012. - № 23. - С. 115 - 119.
2. Блинов В. А., Ковалева С. В., Буршина С. Н. Пробиотики в пищевой промышленности и в сельском хозяйстве / В. А. Блинов, С. В. Ковалева, С. Н. Буршина. - Саратов: Наука, 2011. - 171 с.
3. Перспективы развития рынка молочной кислоты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.abercade.ru/research/analysis/7626.html, свободный (дата обращения: 15.05.2015).
4. Квасников Е. И. Молочнокислые бактерии и пути их использования / Е. И. Квасников - М.: Наука, 1975. -395 с.
5. Практикум по микробиологии / А. И. Нетрусов, М. А. Егорова, Л. М. Захарчук, Н. Н. Колотилова и др. -М.: Академия, 2005. - 608 с.
KhromovaNatal'ya Yur'yevna*, Karetkin Boris Alekseevich,Grosheva VeronikaDmitrievna, Shakir Irina Vasil'evna, Panfilov Victor Ivanovich
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]
INFLUENCE OF C - SUBSTRATE POLYMERIZATION DEGREE ON THE GROWTH ACTIVITY AND METABOLISM OF LACTIC ACID BACTERIA
Abstract
The influence of C-substrates polymerization degree on the growth and metabolic activity of Lactobacillus casei was investigated. The glucose and glucose containing carbohydrate polymers were observed. The shift of the metabolic processes to anabolic or catabolic occurs depending on C-substrate polymerization degree. The introduction of monosaccharides to the nutrient medium leads to production of the energy metabolite - lactic acid; and polysaccharides cause lactic acid bacteria biomass accumulation.
Keywords: lactic acid bacteria, probiotics, lactic acid.
