Биотехнология бактериальной целлюлозы с использованием штамма - продуцента Gluconacetobacter hansenii GH - 1/2008

Фан Ми Хань

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биотехнология бактериальной целлюлозы с использованием штамма - продуцента Gluconacetobacter hansenii GH - 1/2008
ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Биотехнология бактериальной целлюлозы с использованием штамма - продуцента Gluconacetobacter hansenii GH - 1/2008"

На правах рукописи

ФАН МИ ХАНЬ

БИОТЕХНОЛОГИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШТАММА - ПРОДУЦЕНТА <7£ I/СОМА СЕТОВ А СТЕЯ НАШЕМ! СН - 1/2008

Специальность 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 6 ПАП ¿013

005059850

Москва 2013

005059850

Работа выполнена на кафедре «Химия пищи и пищевая биотехнология» Института прикладной биотехнологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Громовых Татьяна Ильинична

Официальные оппоненты: Кураков Александр Васильевич

доктор биологических наук, профессор заведующий кафедрой микологии и альгологии Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Тренин Алексей Сергеевич доктор биологических наук, руководитель сектора разработки методов поиска биологически активных соединений, Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков имени Г. Ф. Гаузе

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»

защита диссертации состоится « 11 » июня 2013 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.21 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 12, биологический факультет МГУ, ауд. М-1. Тел. 8(495)939-54-83, эл. почта: npiskunkova@rambler.ru

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 2013 года.

Ученый г.екпетяпь

Диссертационного совета, к.б.н. Пискункова Нина Федоровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время внеклеточная бактериальная целлюлоза получила уже широкое применение в нескольких отраслях народного хозяйства в мировой практике: для создания биофильтров с различными размерами, для иммобилизации микроорганизмов и ферментов; в бумажной и упаковочной промышленностях. В текстильной промышленности бактериальную целлюлозу используют для создания новых тканей, в медицине для производства искусственной кожи; в высокотехничной промышленности для производства новых материалов, напокомпозитов, в экологии для очистки сточных вод и т.д. (Bielecki et al., 2005; Klemm et al, 2005).

В пищевой промышленности в ряде стран бактериальная целлюлоза уже широко используется в виде порошка как общепринятая безопасная добавка (GRAS - Generally Regarded As Safe) - пищевой ингредиент. Порошкообразная бактериальная целлюлоза используется в замороженных молочных десертах; в изготовлении пудингов, в желе с фруктовой мякотью (Филлипс, 2006). Кроме того, в пищевой промышленности бактериальная целлюлоза используется для производства продуктов «Nata-de-Coco», конфет.

Не смотря на перспективность использования бактериальной целлюлозы в различных сферах народного хозяйства, в России до сих пор нет её производства вследствие отсутствия эффективных продуцентов и разработки биотехнологии на их основе.

Многие авторы рекомендуют для промышленного получения бактериальной целлюлозы штаммы вида Gluconacetobacter xylimis (Хрипунов, Ткаченко, 1999; Toyosaki и др., 1995; Chawla et al., 2009). Однако сведений по использованию штаммов других видов, как продуцентов бактериальной целлюлозы, в мировой литературе мало, а в России такие данные отсутствуют. Кроме этого, в литературе мало информации о видt Gluconacetobacter hansenii, штаммы которого синтезируют не только бактериальную целлюлозу, но и олигомер глюкуроновон кислоты. Такие штаммы будут играть очень важную роль в развитии биотехнологии бактериальной целлюлозы с целью её использования, в том числе и в нанотехнологиях.

Цель работы: выделение продуцента бактериальной целлюлозы Gluconacetobacter hansenii и исследование закономерностей его роста при культивировании; исследование свойств бактериальной целлюлозы и оценка возможности её использования.

В задачи исследований диссертационной работы входило: S выделение нового штамма Gluconacetobacter spp.,

S изучение его микро и макроморфологических, физиологических, культуральных свойств, проведение молекулярно-генетической идентификации;

J изучение продуктивности бактериальной целлюлозы у штамма Gluconacetobacter hansenii в поверхностных и глубинных условиях культивирования;

^ разработка оптимальных условий для роста и биосинтеза полимера бактериальной целлюлозы штамма СЛисопасеюЬасГег ИатепИ вН-1/2008 в поверхностных и глубинных условиях культивирования; ^ изучение влияния концентрации растворенного кислорода и этанола на биосинтез бактериальной целлюлозы в условиях поверхностного культивирования продуцента С\исопасе1оЪааег ¡штепи\ ^ исследование наноструктуры, биохимического состава и физико-химических свойств пленок бактериальной целлюлозы, полученных при культивировании штамма в поверхностных условиях; ^ разработка способа получения порошка бактериальной целлюлозы. ^ оценка возможности использования бактериальной целлюлозы как пищевой

добавки в технологии вареных колбас; ^ исследование способности пленок бактериальной целлюлозы адсорбировать антимикробные соединения - антибиотики и нано серебро, и оценка антимикробных свойств.

Научная новизна работы.

Методом многоступенчатого скрининга выделен новый продуцент бактериальной целлюлозы ОН-1/2008. На основании исследований микроморфологических, культуральных, физиологических свойств и молекулярно-генетического анализа установлена его принадлежность к виду С1ис.опасе1оЪас1ег катепИ.

При исследовании твёрдотельных спектров методом ядерного магнитного резонанса КП ВМУ |3С впервые показано, что полимер, синтезируемой продуцентом С1исгтасе1оЪас1сг Иажепп, содержит в основном целлюлозу 1а и значительно меньше Гр. В основной цепи молекулы мономер в полимере имеет Р-1,4 связь. Нативныи полимер содержит 97 % влаги, 2,85 % целлюлозы, белка, липидов и нуклеиновых кислот - 0,15 %.

Методом атомно-силовой микроскопии показано, что бактериальная целлюлоза, синтезируемая штаммом С1исопасеЮЪас1ег ИачепИ, имеет сеть микробрилл с диаметром от 15-20 им и макрофибрилл с диаметром 50 - 100 нм, и длиной от 1 - 9 цм, высокую степень кристалличности, которая обеспечивает влагоудерживающую способность, эластичность и прочность.

Показано, что при поверхностном культивировании в оптимальных условиях (рН и состав среды) продуктивность бактериальной целлюлозы штамма СН-1/2008 составляет 28,8 г/л, что превышает этот показатель у других штаммов С1исопасе!оЬас1ег Ьатепи, синтезирующих целлюлозу.

Установлено, что количество растворенного кислорода в питательной среде от 1,5 до 3,0 мг/л является оптимальным для роста и инициации биосинтеза бактериальной целлюлозы штаммом С. каюепи ОН-1/2008.

Практическая значимость работы.

Выделенный штамм Ыисопасе^Ьааег Ьатепи СН-1/2008 депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов с коллекционным номером ВКПМ В-10547 как продуцент для получения бактериальной целлюлозы в промышленных масштабах.

Подобрана оптимальная питательная среда для культивирования штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 следующего состава,%: сахарозы - 7, густого кокосового молока -0,1, дрожжевого экстракта - 0,5, Na2HP04 - 0,27, К2НР04 - 0,2, (NH4)2S04 - 0,3, моногидрата лимонной кислоты - 0,115, спирта -0,5, рН = 4,0.

Экспресс-метод оценки количества растворенного кислорода может быть использован для разработки состава питательной среды для биосинтеза бактериальной целлюлозы штаммами Gluconacetobacter hasenii.

Разработан способ получения порошка бактериальной целлюлозы с хорошими технологическими и функциональными свойствами. Наработаны партии препарата бактериальной целлюлозы и проведены испытания её в технологии продукта вареной колбасы, которые показали преимущество использования бактериальной целлюлозы в сравнении с растительной целлюлозой.

Доказано, что пленки бактериальной целлюлозы G. hansenii GH-1/2008 с абсорбированными антибиотиками и наносеребром обладают

антимикробными свойствами и могут быть рекомендованы для разработки покровных материалов для лечения раневых инфекций.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты исследований представлены на конкурсах и конференциях: 10-ой юбилейной Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2010); V фестивале науки (Москва, 2010); конкурсе молодых ученых VI Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); X Международной научно-практической конференции с международным участием «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2012); IX международной научно -практической конференции «Технологии и продукты здорового питания, Москва, 2012, 11 Международной научно-практической Интернет -конференции "Медицина в XXI веке: тенденции и перспективы". Казань, 2013.

Работа выполнялась при финансовой поддержке грантов: АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проектов № 4209 и № 9353; госконтракта П175 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг; гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ; тема № 16.120.11.3245.-НШ «Разработка новых пищевых технологий с участием живых систем на основе нетрадиционных подходов к управлению их жизнедеятельностью и обеспечению качественных показателей готовой продукции».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 162 страниц (основная часть - 150 стр.; приложения - 12 стр.). Диссертация включает 41 рисунков, 13 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 154 источников, из них 16 на русском языке и 138 на иностранных языках.

Публикации

Материалы диссертации изложены в 10 публикациях (из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 патенте).

Благодарности

Автор выражает благодарность сотруднику Международной лаборатории спектроскопических исследований Института органической химии РАН, к.х.н. A.C. Дмитренку за помощь в идентификации типа связи в полимере, зав. каф. «Разработка упаковки полимерных материалов», к.т.н., проф. В.В. Ананьеву за помощь в исследовании физических свойств полимера, вед. н. с. ПНИИЛ, к.х.н. Т.Н. Данильчук за помощь в исследовании наноструктуры пленок, к.т.н., доц. Г.Г. Абдрашитовой и аспиранту Е. Г. Бирюкову кафедры «Технология мяса и мясных продуктов» за помощь в проведении испытаний препарата целлюлозы в технологии мясопродуктов.

Отдельная благодарность научному руководителю проф., д.б.н. Т.Н. Громовых за неоценимую помощь и понимание трудностей иностранных аспирантов и поддержку на всех этапах работы над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обозначена актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы. Обоснована актуальность поиска продуцента бактериальной целлюлозы и разработки биотехнологии бактериальной целлюлозы и исследовании её свойств.

1 Обзор литературы. Характеристика бактериальной целлюлозы, продуценты, биотехнология и практическое значение

Представлен анализ научно-технической литературы по характеристике бактериальной целлюлозы; характеристике продуцентов бактериальной целлюлозы; показаны механизм синтеза, методы культивирования и применения бактериальной целлюлозы в различных областях, в том числе и в пищевой промышленности и в медицине.

2 Объекты и методы исследований

Объектами исследований являлись:

- штамм Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008, выделенный из культуры «чайного кваса»; типовой штамм Gluconacetobacter hansenii (ВКГТМ В-11239);

- полимер бактериальной целлюлозы, полученный при культивировании штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008.

Методы исследования.

На первом этапе проведения исследований были использованы методы создания селективности условий для получения продуцента , на втором этапе методы культивирования продуцента, оптимизации условий культивирования. На третьем этапе - использованы методы оценки свойств и химического

состава бактериальной целлюлозы, разработки способов использования целлюлозы. Схема проведения эксперимента представлена на рисунке!.

Рис. 1 - Схема проведения эксперимента

1- Отбор продуцента по способности к биосинтезу целевого продукта — бактериальной целлюлозы. При этом необходимо было выделить чистую

культуру клеток, синтезирующих целлюлозу (клетки Се11+), из рода Gluconacetobacter spp. Это осуществляли путем культивирования на жидких элективных питательных классических средах для уксуснокислых бактерий и модифицированных нами по источнику углеродного питания и различных значений pH.

2 - Идентификацию штамма до вида проводили с помощью анализа 16S рРНК. Полученные фрагменты 16s рРНК секвенировали на автоматическом секвенаторе AE3000. Для анализа секвенсов использовали специализированные филогенетические компьютерные программы. Исследования по идентификации штамма проводили в ФГУП ГосНИИгенетика.

3- Изучение микро- и макроморфологических выделенного штамма проводили с использованием световой, атомно-силовой микроскопии. Культуральные свойства изучали путем культивирования на соответствующих питательных средах с различными источниками углерода (D-глюкоза, этанол, глицерин, D-фрукгоза, сахароза, D-маннитол, Na-ацетат). Способность к биосинтезу полимера бактериальная целлюлоза оценивали на питательной среде HS, разработанной авторами S. Hestrin и М. Schramm (1985). 4- Для изучения влияния pH среды на биосинтез полимера штамм G. hansenii GH-1/2008 культивировали при температуре 28±2 "С в колбах Эрленмейера на 100 мл на питательной среде НЗ-1, содержащей г/л: 20 г глюкозы, 3 г (NH4)2S04, 2 г К2НР04, 5 г дрожжевого экстракта, 2,7 rNa2HP04, 1,15 г лимонной кислоты при различных значениях pH: 6,4; 5; 4.8; 4.6; 4.5; 4,0.

5- Оптимизацию питательной среды для роста продуцента и биосинтеза полимера бактериальной целлюлозы проводили для поверхностных и глубинных условий культивирования продуцента по плану полного факторного эксперимента с варьированием 5-ти факторов. Зависимости конечной функции (биосинтез полимера продуцентом) строили с помощью программы JMP;

6- Влияние концентрации растворенного кислорода в среде на продуктивность штамма бактериальной целлюлозы изучали с использованием оксиметра (модель "Эксперт 001", Эконикс Эксперт, Россия);

7- Исследование наноструктуры бактериальной целлюлозы проводили методом атомно-силовой микроскопии с использованием наноскопа типа СЗМ Solver Next компании NT MDT. Обработку изображений проводили с использованием программы Image Analysis 3.0;

8- Исследование химической структуры полученной бактериальной целлюлозы проводили методом CP/MAS ,3С NMR в Институте Органической химии РАН. Твёрдотельные спектры бактериальной целлюлозы ядерного магнитного резонанса КП ВМУ 13С регистрировали при температуре 293К на спектрометре AVANCE-III 400МГц фирмы Bruker с рабочей частотой 400,16 и 100,62 мГц по ядрам 'Н и 13С, соответственно. Для получения спектров высокого разрешения использовали методику кросс-поляризации и вращения под «магическим» углом, частота вращения образца составляла 5 кГц, 90-градусный импульс 2 мкс, время контакта кросс-поляризации 2 мс, задержка между сканами 5с. В качестве внешнего стандарта использовали сигнал метиленового углерода (29.5 м.д.) адамантана.

9 - Физико-химические свойства пленок бактериальной целлюлозы исследовали на разрывной машине «Instron» при одноосном режиме по показателям максимальная нагрузка разрыва, напряжение разрыва, удлинение.

10- Биохимический состав бактериальной целлюлозы изучали по показателям: содержание сухих веществ (по ГОСТ 16932-93), смол и жиров (ГОСТ 6841-77), белка по Кьельдалю. Количество бактериальной целлюлозы оценивали по ГОСТ 28553-90.

11- Для изготовления порошка бактериальной целлюлозы было использовано 3 способа: конвекционная сушка в термошкафу при Т=80с в течение 6 часов; сублимационная сушка; измельчение с прессованием и сушкой для удаления влаги.

12 - Испытание бактериальной целлюлозы как пищевой добавки проводили в мясопродукте вареная колбаса. Оценку показателей продукта проводили по показателям рН, влажности (определяли на анализаторе МХ-50/ MF -50, Япония), массовой доли влаги. Определение массовой доли жира в продукте проводили в соответствии с ГОСТ 23042-86 методом Сокслета. Определение массовой доли минеральных веществ проводили озолением навески в муфельной печи при t= 700°С. Определение массовой доли белка проводили по ГОСТ 25011-81 методом Къельдаля, водосвязывающей способности по методу Грау (в модификации ВНИИ МП), содержания хлористого натрия в водной вытяжке из продукта методом Мора. Оценку продукции осуществляли согласно требованиям НД, используя 5-бальную шкалу;

13- Определение адсорбционных свойств пленок с антибиотиками и нано серебром проводили диско-диффузионным методом (ДДМ) (Егоров, 2000) на тест-культурах штаммов бактерий Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus и штамм Escherichia coli коллекции культур центра «Биотест» МГУПБ.

3 Выделение, идентификация и изучение продуцента бактериальной целлюлозы

В период с 2006 по 2008 гг. исследования были направлены на получение штамма Gluconacetobacter hansenii - продуцента бактериальной целлюлозы, который выделяли из культуры «чайного кваса». По данным анализа литературы известно, что общее количество видов в составе микрофлоры «чайного кваса» может достигать более 22, в число которых входят уксуснокислые бактерии, молочнокислые бактерии, а также дрожжевые грибы. Виды рода Gluconacetobacter, такие как Gluconacetobacter xylinus и Gluconacetobacter hansenii очень плохо развиваются на плотной среде, поэтому для выделения использовали жидкие селективные питательные среды.

Так как штаммы Gluconacetobacter spp. образуют на поверхности питательной среды матрицу бактериальной целлюлозы, внутри которой иммобилизуются клетки, в том числе и других видов, то такие клетки трудно выделять обычным методом посева на плотной среде. Недостаток этого метода заключается в том, что надо использовать большое количество селективных сред для выделения с дальнейшим отмыванием клеток от матрикса. Методом

многоступенчатого скрининга по способности синтезировать полимер в результате исследований был выделен штамм вН-1/2008. Чистоту выделенного штамма оценивали с использованием методов микроскопии, оценки культуральных признаков на питательных средах и молекулярно-генетического анализа.

При исследовании микроморфологических признаков установлено, что клетки штамма представляют собой короткие грамотрицательные полочки (Рис.,2 а). Штамм синтезирует внеклеточный полимер (рисунок 2, б), масса которого зависит от времени культивирования и состава питательной среды.

а б

Рис. 2 - Морфология клеток (а) и характер роста штамма аисопасеюЬаМег катепИ ОН-1/2008 на полужидкой питательной среде (б)

Установлено, что штамм плохо растет на плотных питательных средах, образует колонии только на полужидких и жидких питательных средах с содержанием агара в плотной среде не выше 1,5 %. При концентрации спирта выше 2 % процесс образования бактериальной целлюлозы прекращается.

Идентификация штамма до вида, проведенная с помощью анализа 16в рРНК, показала, что при секвенировании вариабельных участков 16в рРНК получена следующая собранная нуклеотидная последовательность: ОСААОТСССАССААССТТТСООСОТТАОТСОСООАССОСТОАОТААСССТА СОСАТСТСТССАТСООТСССОСАТААСТТТССОАААСТСААОСТААТАСССС АТСАСАССТОАООСТСАААОССОСАОТСОССТСТСОАОСААССТСССТТСО АТТАССТАСТТССТООООТААСССССТАССААОаССАТСАТТОАТАОСТСОТ СТСАОАООАТСАТСАОССАСАСТСССАСТОАОАСАССССССАОАСТССТТС ООСАаСССССАОТСЮССАТАТАТТССАСААТСООСОСААОССТОАТССАОС ААТССССССТСТСТСААОААССТТТТСССАТТОТАААССАСТТТСАОССООС АССАТОАТСАСООТАСССОСАОААОААОССССООСТААСТТСОТОССАССА ОСССССОТААТАССААССССССААСССТТССТСОСААТСАСТСаОСОТААА ОООСОСОТАООСОСТТСТТАСАСТСАОАТОТСАААТТСССОСОСТТААССС ООСОСТССАТТТСАТАССТСАТСАСТАОАСТСТОАСАОАССОТТОТОСААТСССРОТ

По результатам проведенного анализа секвенсов вариабельных участков 16Б рДНК штамм наиболее близок к виду С1исопасеюЬас!ег ИапхепИ (99 %). Новый штамм ОЫсопасеюЬааег кап.чепИ вН-1/2008 был депонирован во

Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов с коллекционным номером В-10547.

Для оценки потребности в источниках углерода разработан состав 12-ти питательных сред, на которых культивировали штамм О.Иатет СН-1/2008 в условиях стационарного режима в колбах Эрленмейера. При исследовании продуктивности установлено, что выделенный штамм утилизирует источники углерода: этанол, глюкозу, фруктозу, сахарозу.

В качестве основного показателя использовали продуктивность сухой биомассы целлюлозы, которая образуется на поверхности питательной среды в виде пленки. Результаты исследований показали, что штамм растет на всех исследуемых питательных средах, в том числе и на рекомендуемых для бактерий рода &исопасе1оЬасГег - НЯ и СУ. На среде Нв на 7-е сутки культивирования биомасса целлюлозы составляла 2.17 г/л, тогда как на средах СУ и Н5-2, и составляла - 6,83 и 6,67 г/л соответственно, что является самым большим показателем продуктивности биомассы полимера для исследуемого штамма (рисунок 3),

Рисунок 3 - Показатель продуктивности биомассы полимера, синтезируемого &исопасе1оЬас1ег Иатепи СН-1/2008 на питательных средах

Следует учесть, что в составе питательной среды Н5-2 исходное количество сахарозы 30 г/л (3 %), тогда как в среде СУ 100 г/л (10 %), следовательно, экономический коэффициент на этой среде по продуктивности биомассы полимера составляет 6,83%, что значительно ниже, чем на среде Н5-2 (22,23 %). Поэтому для дальнейших исследований для культивирования продуцента бактериальной целлюлозы целесообразно было использовать среду Н5-2. При культивировании на других питательных средах продуктивность бактериальной целлюлозы была ниже.

Продуктивность биосинтеза полимера типового штамма С. ИатепИ (ВКПМ В-11239) на средах была ниже. Так, через 7 сут культивирования типовой штамм не синтезировал прочную пленку на поверхности, а только

дисперсные частицы полимера с клетками в среде, при этом его продуктивность составляла от 1,5 до 2,7 г/л.

Исследования показали, что оптимальный диапазон pH для роста продуцента и биосинтеза бактериальной целлюлозы составляет от 4.5 до 6.5. Однако штамм G. hansenii может расти даже при pH равном 2.5, что отмечали также и другие авторы (Don J. Brenner, 2005). Биосинтез полимера штаммом G.hansenii GH-1/2008 идет активно в течение первых 12 суток культивирования, после чего процесс замедляется.

Для увеличения продуктивности штамма G. hansenii необходимо было провести оптимизацию условий и состава питательной среды. Оптимизацию проводили по плану полного факторного эксперимента с использованием пяти факторов для поверхностного культивирования штамма G. hansenii GH-1/2008. В качестве факторов оптимизации использовали: х, - концентрация кокосового молока; х2 - концентрация спирта; х3 - pH среды; х4 - концентрация сахарозы; х5 - температура.

Проведенные исследования по плану ПФЭ показали значимость всех факторов в области исследований. В результате расчёта коэффициентов получена математическая модель в следующем виде:

Y = 9.06 -0.096Х, - 0.57Х-, -0.53Х3 + 3.14 Х4 - 0.77Х5 + 0.29Х,Х2 -0.21Х,Х3 + 0.26Х|Х4-0.32Х2Х4-0.37X3X4 - 0.14Х,Х5 + 0.65Х2Х5 + 0.73Х3Х5 -О.З4Х4Х5

Как показал анализ уравнения регрессии, фактор Х4 - концентрация сахарозы - является самым значимым, влияющим на процесс синтеза бактериальной целлюлозы.

Оптимизацию условий для глубинного культивирования штамма G. hansenii GH-1/2008 проводили по плану ПФЭ, с варьированием пяти факторов: X] - концентрация кокосового молока; х2 - концентрация спирта; х3 - pH среды; Х4 - концентрация сахарозы; х5 - число оборотов в минуту.

Согласно расчету коэффициентов регрессии, получена математическая модель биосинтеза бактериальной целлюлозы при глубинном культивировании штамма G. hansenii GH-1/2008 в следующем виде:

Y = 4.42 + 0.12Х, - 0.05Х2 -0.18Х3 + 1.32 Х4 - 1.28Х5 + 0.15Х,Х2 + 0.12Х,Х4- 0.22Х2Х4 - О.ЗХ3Х4 - 0.18ХЗХ5- О.76Х4Х5

Так же, как и в условиях поверхностного культивирования, концентрация сахарозы была самым значимым фактором. Самая высокая биомасса (8,83 г/л) получена на среде с концентрацией сахарозы 30 г/л и числе оборотов/мин -100. При культивировании в глубинных условиях при 100 и 150 об/мин штамм формирует бесформенные нити и глобулы (рисунок 4).

^Н -1

Рисунок 4 - Образцы полимера бактериальной целлюлозы, полученные при культивировании в глубинных условиях штамма &исопасеюЬааег Ъатепи вН-1/2008

В результате оптимизации показано, что в условиях поверхностного культивирования продуктивность биомассы полимера была выше (13,5 г/л), чем в условиях глубинного (8,83 г/л, рисунок 5), в связи с чем, для получения максимальной массы полимера штамм целесообразно культивировать в поверхностных условиях.

16,00 14,00 12,00 10,00 ^Г 8,00

1 6,00 х £

$ 4,00 о.

С 2,00 0,00

12345678 номер опытов

в продуктивность при глубином

культивировании, г/л

I продуктивность при поверхностном культивировании, г/л

Рисунок 5 - Показатель продуктивности биомассы при глубинном и поверхностном культивировании штамма ЫисопасеШЬаМег ИатепИ ОН-1/2008

Следует отметить, что как в условиях поверхностного, так и в условиях глубинного культивирования, концентрация сахарозы является самым важным фактором, оказывающим влияние на продуктивность штамма. Поэтому следующий этап оптимизации проводили в условиях поверхностного культивирования б. Ъатепи СН-1/2008 по плану Уилсона-Бокса. Как показали исследования, максимальная продуктивность бактериальной целлюлозы

штамма (7. Иатепп ОН-1 /2008 на 7 сут культивирования достигает от 28,78 г/л (экономический коэффициент 41,11 %) на среде, содержащей 70 г/л сахарозы (рисунок 6).

концентрация сахарозы (г/л)

Рисунок 6 - Зависимость продуктивности бактериальной целлюлозы штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 от концентрации сахарозы

С повышением концентрации сахарозы биосинтез полимера ингибируется. Основное количество биомассы полимера синтезируется в течение первых 5 суток. Таким образом, для получения бактериальной целлюлозы культивирование штамма G. hansenii GH-1/2008 следует проводить в режиме поверхностного культивирования на питательной среде состава,%: сахарозы - 7, густого кокосового молока - 0,1, дрожжевого экстракта - 0,5, Na2HP04 - 0,27, К2НГО4 - 0,2, (NH4)2S04 - 0,3, моногидрата лимонной кислоты -0,115, спирта - 0,5, рН = 4,0.

Влияние растворенного кислорода на продуктивность бактериальной целлюлозы штамма Gluconacerobacter hansenii GH-1/2008

Многочисленными исследованиями установлено, что кислород является важным фактором для роста клеток и синтеза бактериальной целлюлозы различными продуцентами, так как они являются облигатными аэробами. Как известно, в культурах продуцентов бактериальной целлюлозы одновременно существуют две популяции клеток: целлюлозоположительные (Се11+) и целлюлозоотрицательные (Cell-). Согласно гипотезы R.E. Cannon (1989), J.W. Costeron (1999) и W.S. Wiliams (1989), бактерии синтезируют внеклеточные полимеры для того, чтобы поддержать клетки путем иммобилизации в аэробной окружающей среде.

Основываясь на этой информации, концентрация растворенного кислорода в питательной среде является очень важным фактором, влияющим

на биосинтез целлюлозы. Установлено, что высокая концентрация растворенного кислорода может привести к появлению побочных продуктов и возникновения мутантов, не образующих целлюлозу (Cell -) (Hestrin и Schramm, 1954). С другой стороны, целлюлосинтезирующие клетки (Cell +) штамма G. hansenii создают матрицу из полимера, чтобы подняться на межфазный интерфейс, что способствует их тесному контакту с воздухом, когда концентрация растворенного кислорода в среде не ограничена. Если подобрать среды с различным начальным количеством растворенного кислорода, то можно определить условия индукции биосинтез полимера.

Для такой цели штамм G. hansenii GH-1/2008 культивировали на шести питательных средах, в которых была различная растворимость кислорода. Результаты исследований показали, в течение первых часов культивирования количество растворенного кислорода во всех питательных средах потребляется активно, и появление пленок бактериальной целлюлозы инициируется уже через 24 часа на тех питательных средах, в которых начальное количество кислорода было более 2,5 мг/л. Так, при культивировании штамма на среде GY с глюкозой (среда № 6), где концентрация растворенного кислорода составляла менее 0,5 мг/л, продукции целлюлозы не было (рисунок 7).

Основываясь на том, что потребность микроорганизмов в кислороде зависит от ряда факторов: наличия в среде веществ, ингибирующих рост микроорганизмов, источника углерода и биологии микроорганизма (Кантере, 1990; Бирюков, 2004), соответственно, потребление кислорода штаммом будет различным, и рост продуцента зависит от этих факторов. При концентрации растворенного кислорода ниже критической для данной культуры, рост тормозится, т.е. кислород становится лимитирующим фактором. Это означает, что в системе с критической концентрацией растворенного кислорода, но с более подходящим для метаболизма источником углерода происходит индукция синтеза целлюлозы тогда, когда рост активно начинается в первые часы. Как показали наши исследования, пленка образуется быстрее (через 24 часа) на тех средах, в которых количество растворенного кислорода было более 2,5 мг/л и не снижалось менее 0,5 мг/л (среды Н5 без и с 0,4 % этанола, и среда GY). Следует отметить, что при культивировании штамма на этих средах в условиях перемешивания, где кислород не являлся лимитирующим фактором, рост штамма был активным, но биосинтез полимера отмечался только через 48 часов, тогда как при культивировании в условиях лимитирования кислорода биосинтез полимера активно начинался через 24 часа.

Таким образом, количество растворенного кислорода для G. hansenii GH-1/2008 является фактором, инициирующим биосинтез полимера, при этом критическое количество растворенного кислорода, при котором инициируется биосинтез полимера, в среде должно составлять не менее 0,5 мг/л. Контроль концентрации растворенного кислорода в среде может быть использован для оценки продуктивности бактериальной целлюлозы штаммами на различных питательных средах.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Время (час)

| №1 Н5 без этанола

№2 Н5 с 0.5% этанола > №3 Н5 с 1% этанола ■ №4 HS

№5 GY с сахарозой | № 6 GY с глюкозой

Рисунок 7 - Изменение концентрации растворенного кислорода в питательных средах при культивировании штамма <7. Иатепи ОН-1/2008 (а); продуктивность биомассы бактериальной целлюлозы через 7 суток (б)

Добавление этанола в среду Н5 до 1 % снижало продуктивность бактериальной целлюлозы. Однако, известно, использование этанола в среде также целесообразно для элиминации целлюлозоотрицательных клеток в культуре. Оптимальной для подавления целлюлозонегативных клеток является концентрация этанола менее 0,5 %.

4 Исследование наноструктуры, химического состава а и физико-химических свойства пленок бактериальной целлюлозы

Определение химической связи и типа бактериальной целлюлозы.

По данным, полученным методом CP/MAS ,3С ЯМР, установлено, что бактериальная целлюлоза синтезируемая штаммом G. hansenii GH-1/2008, имеет в основном структуру целлюлозы типа 1а, но меньших количествах типа ip. В CP/MAS ЬС спектре бактериальной целлюлозы, область между 63 и 67 ррт обозначена С6, область между 80-91 ppm - С4, и между 102-107 ррт - С1. Резонансные линии наблюдается в районе 76-69 ррт, и их можно отнести к С2, СЗ и С5. Формы резонансных линий CI, С4 и С6 являются простыми триплетами, 3С резонансных линий для этих трех пиков хорошо просматриваются при анализе спектра целлюлозы, синтезируемой штаммом G. hansenii. Как было показано автором Hiroyuki Копо и др. (2002; 2003), целлюлоза 1а продуцента A. xylinus имеет синглет в С1 и С6 и дублет в С4, в то время как целлюлоза ip имеет все дублеты в области CI, С4 и С6 (рисунок 8). Формы резонансных линий для этих трех пиков хорошо просматриваются при анализе CP MAS спектра целлюлозы, синтезируемой штаммом G. hansenii. Поскольку сигналы С1 и С6 в спектре проявляются в виде синглетов,

целлюлоза синтезируемая штаммом & катепИ преимущественно 1а типа, сходного по строению с целлюлозой продуцента А. хуИпш.

CPMAS СеШ, 500Q Й2 MAS ,

Щ ц в

\i/ ii mi/ I

С2Д5 С6

С1

С4

115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 85 60 55 ррт

Рисунок 8 - CP/MAS 13С ЯМР спектр бактериальной целлюлозы, синтезированной штаммом Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008

Изучение микроструктуры пленок, синтезируемых штаммом G. hansenii, методом атомно-силовой микроскопии показало, что они содержат плотно упакованные микрофибриллы, на которых иммобилизованы клетки продуцента (рисунок 9). Клетки продуцентов удаляются при длительном отмывании в растворе 5 %-ного NaOH. При исследовании таких пленок было установлено, что нитевидные волокна бактериальной целлюлозы имеют различный диаметр (рисунок 10).

Нитевидные волокна объединяются в мицеллы и формируют микрофибриллы с диаметром 15-20 нм. Микрофибриллы объединяются в макрофибриллы с диаметром 50 - 100 нм. Длина нити бактериальной целлюлозы составляет от 1 до 9 цм.

Рисунок 9 - Микроструктура пленки, синтезируемой штаммом ОЫсопоасеЮЬаМег Иатепп ОН-1/2008: а - отмершие клетки бактерии, б -

волокна целлюлозы

Рисунок 10 - 3D структура бактериальной целлюлозы после удаления клеток (сканирующая зондовая микроскопия, (СЗМ) Solver Next в режиме атомно-силовой микроскопии)

Следует отметить, что на питательных средах штамм синтезирует пленки различной прозрачности. На средах, содержащих дрожжевой экстракт, отмечено, что культура формирует непрозрачные пленки, в отличие таковых на средах без дрожжевого экстракта. Прозрачность получаемой пленки может зависеть от качественного состава популяции продуцента. Если в популяции

продуцента численность клеток, синтезирующих целлюлозу (cell+), высокая, то формирующаяся пленка плотная и непрозрачная, если в популяции больше (cell-) клеток (S. Hestrin и М. Schramm, 1954), то пленки формируются прозрачные (рисунок 11).

Рисунок 11 - Пленки бактериальной целлюлозы, синтезируемые штаммом Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 на питательных средах: (А — среда Н0-2 с дрожжевом экстрактом, В и С - питательные среды Т1-2 и А12-2 без дрожжевого экстракта)

Оценивая результаты аналитических исследований двух образцов пленок - непрозрачной (белого цвета) и прозрачной на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver Next в режиме атомно-силовой микроскопии, (рисунок 12) было установлено, что по структуре микрофибриллы бактериальной целлюлозы прозрачной и непрозрачной пленок существенно не отличаются друг от друга. Кроме того, отмечено, что внутри непрозрачной пленки находится большое количество клеток, которые играют важную роль в образовании пространственной структуры пленки.

А Б

Рис. 12 - Различия по структуре и плотности клеток в прозрачной (А) и непрозрачной (Б) полимера бактериальной целлюлозы

Клетки, как "ядра" с оболочками из бактериальной целлюлозы, находятся рядом друг с другом и соединены прочно с помощью матрицы бактериальной целлюлозы. Следовательно, при удалении клеток (вымывании), прочность бактериальной целлюлозы частично ухудшается; при центрифугировании макрофибриллы отделяются друг от друга, при этом прочность тоже резко изменяется.

Исследование химического состава бактериальной целлюлозы показало, что влажность нативной пленки без обработки составляет 97 %, количество белка 0,107%, липидов менее 0,001%, золы 0,043%, 2,85% целлюлозы.

Сухие непрозрачные пленки, полученные при культивировании штамма & Иатепи на среде изучали по показателю прочности. Для исследований использовали пленки различной толщины (12, 13, 15 микрон). Проведенные исследования показали, что средняя максимальная нагрузка составляет 15.73 Н, среднее разрушающее напряжение - 101,5 Мпа и относительное удлинение составляет 4,5%. Эти показатели сопоставимы шдроцеллюлозной пленкой.

При увеличении влагосодержание до 30% происходит увеличение эластичности (удлинения), что имеет значение при использовании её в качестве покрытия пищевых продуктов и создании медицинских перевязочных и других материалов.

5 Оценка перспектив использования бактериальной целлюлозы

Разработка способов сушки и получение порошка бактериальной целлюлозы

Для приготовления порошка бактериальной целлюлозы было использовано 3 способа сушки. Первый способ - конвективная сушка в термошкафу при Т=80 °С в течение 6 часов. Этот метод не эффективен, так как остаточное содержание влага после сушки большое (53%), поэтому при измельчении целлюлозы высушенной таким способом волокна начинали слипаться между собой.

В качестве второго способа была использована сублимационная сушка. Сушку проводили в течение 9 часов при температуре замораживания: от -24 до - 32 °С и температуре сушки: от 70 до 112 °С и под давлением: от 40 до 60 Па. Однако, такая технология сушки оказалась также неэффективной: остаточное содержание влаги было высокое - 36 %, что может способствовать инфицированию пленок с дальнейшей их биодеградацией.

Третий способ сушки был основан на свойстве бактериальной целлюлозы терять влагу при прессовании. Достоинства этого способа заключаются в быстроте изготовления (2 - 2,5 часа) и малой трудоемкости. Полученная таким способом бактериальная целлюлоза хорошо измельчается, после чего представляет собой порошок белого цвета с остаточным содержанием влаги 12 % (рисунок 13).

а б

Рис. 13 - Бактериальная целлюлоза в нативном состоянии (а) до и после обработки и измельчения(б)

Этот способ включает ряд этапов обработки полученного после культивирования влажного полимера: отмывание клеток в растворе бикарбоната натрия (5 %), измельчение с одновременным прессованием, конвективная сушка с последующим измельчением.

Использование бактериальной целлюлозы в технологии мясных продуктов на примере вареных колбас

На первом этапе проводили оценку введения различных концентраций порошка бактериальной целлюлозы в мясной фарш. Результаты оценки на технологические свойства модельных образцов фарша показали, что при высоких дозах введения в фарш бактериальной целлюлозы происходит возрастание рН, увеличение массовой доли влаги в объекте, а также водосвязывающей способности (ВСС). Оптимальным является введение не более 1,0 % порошка бактериальной целлюлозы, что приводит к возрастанию показателя водоудерживающей способности (ВУС) продукта и улучшению качественных характеристик сырья.

Для наработки партии вареной колбасы в традиционную рецептуру вводили бактериальную целлюлозу с концентрацией 1 % в пересчете на чистую целлюлозу. Технологический процесс производства осуществляли в соответствии с общепринятой схемой, используя предварительную гидратацию препарата целлюлозы и введение её при куттеровании фарша. Количество добавляемой влаги в фарш составляло 20-25 % от массы основного сырья.

Органолептические показатели конечного продукта оценивали по 5-бальной шкале. Результаты оценки показали, что образец, содержащий бактериальную целлюлозу, обладает лучшей структурой и более высокими органолептическими свойствами: сочность, вкусовая гамма аромат, по сравнению с продуктом, содержащим растительную целлюлозу и контрольными образцами, в которых добавки целлюлозы не было (рисунок 14).

внешний вид

4.8

вкус

консистенция

-Контрольный

с растительной целлюлозой -с бактериальной целлюлозой

аромат

сочность

Рисунок 14 - Результаты органолептической оценки продукта вареная колбаса по 5-ти бальной шкале

Таким образом, бактериальная целлюлоза может быть перспективной пищевой добавкой при производстве мясных продуктов

Исследование адсорбционных свойств пленок бактериальной целлюлозы

Известно, что одним из важнейших направлением использования бактериальной целлюлозы - создание покровных материалов для заживления раневых инфекций. С этой целью изучали адсорбционные свойства пленок бактериальной целлюлозы с использованием растворов антибиотиков различной концентрации и нано серебра. Для оценки бактерицидных свойств образцов пленок бактериальной целлюлозы с антибиотиками использовали тест-штаммы Staphylococcus aureus, Salmonella typhimurium и E. coli. Исследования показали, что бактериальная целлюлоза имеет хорошую абсорбционную способность. Она может абсорбировать концентрацию антибиотиков до 30 ррт. Результаты определения антибиотикоустойчивости тест-штаммов диско-диффузионным методом (ДДМ) на дисках бактериальной целлюлозы показали сохранение активности антибиотиков п пленках бактериальной целлюлозы.

Нано серебро является универсальным веществом, имеющим широкий спектр действия против всех бактерией. Результаты оценки адсорбционных свойств показали, что пленки бактериальной целлюлозы, с нанесенным нано серебром, обладали бактерицидными свойствами в отношении E.coli, что дает основание использовать такой полимер в медицинских целях.

При нанесении пчелиного воска на поверхность пленки бактериальной целлюлозы с адсорбированным наносеребром образуется водонепроницаемый слой, при этом хорошо сохраняется влажность и прочность рисунок 15.

Рисунок 15 - Зоны подавления роста тестовой культуры E.coli на дисках бактериальной целлюлозы: 1- Нано Ag с пчелиным воском (10 ррт), 2 - Нано Ag (10 ррт), 3 - стрептомицин (10 ррт), 4- ампициллин (10 ррт), 5,6,7 -контроли диски с фильтрованной бумагой с нанесенным Нано Ag (10, 20, 30 ррт).

Нано серебро защищает объект от проникновения опасных микроорганизмов через мембрану бактериальной целлюлозы. Пленки бактериальной целлюлозы с адсорбированными на ней нано серебром и пчелиным воском обладают необходимыми свойствами для создания антимикробных покрытий для медицины.

ВЫВОДЫ

1. В результате многоступенчатого скрининга выделен новый штамм GH-1/2008, способный к синтезу полимера на различных источниках углерода. На основании исследований микро-морфологических, кульгуральных, физиологических свойств и молекулярно-генетического анализа установлена принадлежность штамма к виду Gluconacetobacter hansenii.

2. Методом CP/MAS |3С ЯМР установлено, что полимер, синтезируемыи продуцентом Gluconacetobacter hansenii, содержит в большем количестве целлюлозу типа 1а, чем целлюлозу 1(3. В основной цепи молекулы мономер -глюкоза - в полимере имеет Р-1,4 связь. Пленки бактериальной целлюлозы, синтезируемые штаммом Gluconacetobacter hasenii, имеют прочную сеть микро- и макрофибрилл с диаметром поперечного сечения в пределах 15-20 нм и 50-100 нм, длиной макрофибрилл около 1 - 9 цм. Показатели прочности пленки бактериальной целлюлозы сопоставимы гидроцеллюлозной пленкой.

Пленки бактериальной целлюлозы имеют хорошую влагоудерживающую способность, которая при влагосодержании до 30% повышает её эластичность (удлинение), что имеет значение при использовании её в качестве покрытия

пищевых продуктов и создании медицинских перевязочных и других материалов.

2. Проведена оптимизация условий поверхностного и глубинного культивирования штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008, при которых продуктивность бактериальной целлюлозы превышает показатель в сравнении с другими штаммами Gluconacetobacter hansenii. Максимальный выход целевого продукта бактериальной целлюлозы 28,78 г/л достигается в условиях поверхностного культивирования при температуре 30 °С на оптимизированной среде. В глубинных условиях культивировании продуцента продуктивность полимера ниже, чем в поверхностных и составляет не более 8,83 г/л.

3. Пленки бактериальной целлюлозы, полученные в условиях поверхностного культивирования штамма G. hasenii GH-1/2008 содержат 97 % влаги, 2,85 % целлюлозы, белка, липидов и нуклеиновых кислот не более 0.15%.

4. Инициация биосинтеза бактериальной целлюлозы штаммом G. hasenii GH-1/2008 зависит от количества растворенного кислорода в питательной среде, источника углерода и этанола. Концентрация растворенного кислорода в среде менее 0,5 мг/л, ингибирует рост штамма, а в количестве от 1,5 до 3 мкг/л инициирует синтез полимера.

5. При поверхностном культивировании штамм синтезирует пленки двух типов: прозрачные или непрозрачные, что определяется составом питательной среды.

6. Для получения порошка бактериальной целлюлозы необходимо измельчение до однородной массы, удаление иммобилизованных клеток, прессование до состояния тонкого листа, сушка и дальнейшее измельчение до размеров порошка. Использование бактериальной целлюлозы в количестве 1,0 % улучшает органолептические свойства и структуру мясопродукта вареной колбасы.

7. Пленки бактериальной целлюлозы хорошо абсорбируют антибиотики, наносеребро и пчелиный воск, при этом они обладают необходимыми свойствами для создания антимикробных покрытий в медицине, в том числе искусственной кожи.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Фан Ми Хань, Громовых Т.Н. Получение бактериальной целлюлозы микробиологическим синтезом//Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - № 5 - 2012. С. 67 - 68.

2. Громовых Т.Н., Фан Ми Хань, Бирюков Е. Г., Данильчук Т.Н., Абдрашитова Г.Г. Перспективы применения бактериальной целлюлозы в мясопродуктах//Мясная Индустрия, 2013, № 4.- с. 32 -35.

3. Phan Му Hanh, Gromovykh T.I., Byryukov G.S., Danilchuk T.N., Abdrashidova G.G. Express-method to determine bacterial cellulose productivity by Gluconacetobacter hansenii GH -1/2008// Nauka i studia, Nauk Biologicznych Medicyna weterinaria, 2012, №22 (67) p. 14-22.

4. Патент на изобретение № 2464307. Штамм бактерии Gluconacetobacter hcmsenii GH-1/2008 - продуцент бактериальной целлюлозы // Авторы Громовых Т.Н., Фан Ми Хань, Данильчук Т.Н. Заявка № 2011121841 Опубл 20.10.2012. Бюлл.№ 29.

5. Фан Ми Хань, Громовых Т.И. Изучение нового продуцента бактериальной целлюлозы Gluconacetobacter hansenii СН-1/2008//«Живые системы и биологическая безопасность населения»: Материалы VIII Международной научной конференции студентов и молодых ученых - Москва 2010. С.146-148.

6. Фан Ми Хань, Громовых Т.И. Бактериальная целлюлоза на основе штамма Gluconacetobacter hansenii GH-l/2008-потенциальный пищевой ингредиент // Технология и продукты здорового питания. Функциональные продукты питания»: Материалы IX Международной научно-практической конференции - Москва 2011. -с.338 - 342.

7. Фан Ми Хань, Громовых Т.И. Оптимизация условий глубинного культивирования штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 методом полного факторного эксперимента//«Живые системы и биологическая безопасность населения»: Материалы IX Международной научной конференции студентов и молодых ученых - Москва 2011. с.24-26.

8. Фан Ми Хань, Громовых Т.И. Изучение культуры Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 - продуцента бактериальной целлюлозы.// «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: Материалы V международной научно-практической конференции - Санкт-Петербург 2011. С.361 - 364.

9. Фан Ми Хань, Громовых Т.И., Бирюков Е. Г., Данильчук Т.Н., Абдрашитова Г.Г. Экспресс-метод оценки продуктивности бактериальной целлюлозы штаммом Gluconacerobacter hansenii в различных питательных средах//«Живые f системы и биологическая безопасность населения»: Материалы X Международной паучной конференции студентов и молодых ученых - Москва2012. с.13-15.

10. Громовых Т.И., Фан Ми Хань, Маскаева А. Г. Бактериальная целлюлоза на основе штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008 - потенциальный материал для медицины// Материалы II Международной научно-практической Интернет - конференции "Медицина в XXI веке: тенденции и перспективы" 2013.

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 30.04.2013г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печл. 1,50. Тираж 110. Заказ 578.

WWW.FRANTERA.COM

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Фан Ми Хань, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Институт прикладной биотехнологии

На правах рукописи

04201357110

Фан Ми Хань

БИОТЕХНОЛОГИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШТАММА-ПРОДУЦЕНТА С/СОКА СЕТОВ А СТЕИ НАШЕМ! ОН - 1/2008

Специальность 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., проф. Громовых Т.И.

МОСКВА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................3

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ХАРАКТЕРИСТИКА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: ПРОДУЦЕНТЫ, БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ...........................................................................................................9

1.1 Характеристика бактериальной целлюлозы.................................................9

1.2 Продуценты бактериальной целлюлозы.....................................................14

1.3 Механизм синтеза бактериальной целлюлозы...........................................21

1.4 Культивирование продуцентов бактериальной целлюлозы......................31

1.5 Применение бактериальной целлюлозы.....................................................42

1.6 Целлюлоза и её производные как пищевые добавки.................................46

2 ОБЪЕКТЫ, СХЕМЫ ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................................................50

2.1 Характеристика объектов исследования....................................................50

2.2 Методы выделения продуцента бактериальной целлюлозы.....................52

2.3 Изучение морфологических, культуральных и биохимических свойств продуцента бактериальной целлюлозы.............................................................56

2.4 Идентификация штамма до вида с помощью анализа 16э рРНК..............57

2.5 Оценка влияния рН на продуктивность бактериальной целлюлозы штамма при поверхностном культивировании.................................................58

2.6 Подбор питательных сред для оценки продуктивности штамма ОЫсопасеЮЪа^ег катепи.................................................................................58

2.7 Оптимизация условий биосинтеза бактериальной целлюлозы в стационарных и глубинных условиях культивирования штамма....................59

2.8 Статистическая обработка полученных результатов.................................63

2.9 Оценка влияния растворенного кислорода на продуктивность бактериальной целлюлозы.................................................................................64

2.10 Исследование наноструктуры бактериальной целлюлозы.....................65

2.11 Исследование химической структуры бактериальной целлюлозы........66

2.12 Исследование физико-химических свойства варенной колбасы, содержащей бактериальную целлюлозу...........................................................68

3 ВЫДЕЛЕНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИЗУЧЕНИЕ ПРОДУЦЕНТА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ..................................................................70

3.1 Скрининг продуцента бактериальной целлюлозы.....................................70

3.2 Изучение культурально-морфологических признаков и идентификация продуцента полимера.........................................................................................73

3.3 Культивирование штамма Gluconacetobacter hansenii GH-1/2008...........77

3.4 Влияние растворенного кислорода и состава питательной среды на продуктивность бактериальной целлюлозы.....................................................92

4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРЫ, ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ....................................................................................................98

5 ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ..................................................................................................107

5.1 Разработка способов сушки и получения порошка бактериальной целлюлозы.........................................................................................................108

5.2 Использование бактериальной целлюлозы в технологии мясных продуктов на примере вареных колбас..........................................................112

5.3 Исследование адсорбционных свойств пленок бактериальной ...................

целлюлозы.........................................................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................121

ВЫВОДЫ..........................................................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)....................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (дополнительное)................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Целлюлоза - природный полимер - синтезируется не только растениями, но и грибами, водорослями и бактериями. В структурах клеток бактерий она очень редко встречается, а является основным компонентом клеточных стенок растений и содержится в древесине, оболочках семян. Макромолекулы целлюлозы построены из элементарных звеньев D-глюкозы, соединённых 1,4-р-гликозидными связями в линейные неразветвлённые цепи. Полимерные цепи клетчатки соединены в более крупные структуры -микрофибриллы. Длина полимерных цепей у целлюлозы различается и зависит от природы продуцентов. Особого внимания заслуживает бактериальная целлюлоза, отличающаяся рядом уникальных свойств, благодаря которым она уже используется в различных отраслях народного хозяйства в мировой практике.

В пищевой промышленности бактериальная целлюлоза уже широко используется в виде порошка как общепринятая безопасная добавка (GRAS -Generally Regarded As Safe) - пищевой ингредиент. Добавление небольшого количества бактериальной целлюлозы в продукты придает хорошую стабильность дисперсии и суспензии, а также при употреблении продукта, благодаря хорошему сохранению формы, короткое ощущение наполненности во рту [1]. Однако возможности использования свойств бактериальной целлюлозы еще не исчерпаны.

В последние годы были выделены продуценты внеклеточной бактериальной целлюлозы, большинство из которых относятся к семейству Acetobacteriaceae. Бактерии этого семейства синтезируют внеклеточную целлюлозу, что позволяет легко её отделять от клеток и использовать в различных направлениях. В семействе Acetobacteraceae особого внимания заслуживают продуценты рода Gluconacetobacter: Gluconacetobacter xylinus, Gluconacetobacter hansenii, Gluconacetobacter kombuchae, Gluconacetobacter intermedius и др.

Многие авторы рекомендуют для промышленного получения бактериальной целлюлозы штаммы вида аисопасеЮЬаМег хуИпт [2, 41]. Характеристика морфолого-культуральных свойств, биохимия и генетики, условий культивирования продуцентов этого вида достаточно хорошо изучены. Разработан состав питательных сред для их культивирования. Однако сведений по исследованию и использованию штаммов других видов рода аисопасе^ЬаЫег, как продуцентов бактериальной целлюлозы, в мировой литературе мало, а в России такие данные отсутствуют. Кроме этого, в мировой литературе мало информации о виде С1исопасе(оЬа&ег катепи, штаммы которого синтезируют не только бактериальную целлюлозу, но и олигомер глюкуроновой кислоты.

С развитием науки, такие штаммы будут играть очень важную роль в развитии различных современных отраслей, в получении новых полимеров для применения в том числе и в нанотехнологии и для создания новых материалов.

Бактериальная целлюлоза, синтезируемая штаммами вида & катепи, не изучена по химическому составу, структуре связей и типу целлюлозы, физико-химическим свойствам. Свойства бактериальной целлюлозы, синтезируемой представителями различных видов, могут отличаться, поэтому их исследование у продуцентов необходимы для оценки возможности их использования в практике.

Цель работы: выделение продуцента бактериальной целлюлозы 01исопасе1оЪас1ег Иатепи и исследование закономерностей его роста при культивировании; исследование свойств бактериальной целлюлозы и оценка возможности её использования.

В задачи исследований диссертационной работы входило: выделение нового штамма С1исопасеюЬас(ег ярр.: ^ изучение его микро и макроморфологических, физиологических, культуральных свойств, проведение молекулярно-генетической идентификации;

^ изучение продуктивности бактериальной целлюлозы у штамма аисопасе^Ьа^ег катепи в поверхностных и глубинных условиях культивир ования;

разработка оптимальных условий для роста и биосинтеза полимера бактериальной целлюлозы штамма С1исопасе1оЪас1ег катепп ОН-1/2008 в поверхностных и глубинных условиях культивирования; ^ изучение влияния концентрации растворенного кислорода и этанола на биосинтез бактериальной целлюлозы в условиях поверхностного культивирования продуцента аисопасе^Ьа^ег катету, ^ исследование наноструктуры, биохимического состава и физико-химических свойств пленок бактериальной целлюлозы, полученных при культивировании штамма в поверхностных условиях; ^ разработка способа получения порошка бактериальной целлюлозы. ^ оценка возможности использования бактериальной целлюлозы как

пищевой добавки в технологии вареных колбас; ^ исследование способности пленок бактериальной целлюлозы адсорбировать антимикробные соединения - антибиотики и нано серебро, и оценка их антимикробных свойств.

Научная новизна работы.

При исследовании твёрдотельных спектров методом ядерного магнитного резонанса КП ВМУ 13С впервые показано, что полимер, синтезируемой продуцентом 01исопасе1оЪас1ег катепи, содержит в основном целлюлозу 1а и значительно меньше 10. В основной цепи молекулы мономер в полимере имеет (3-1,4 связь. Нативный полимер содержит 97 %

влаги, 2,85 % целлюлозы, белка, липидов и нуклеиновых кислот - 0,15 %.

Методом атомно-силовой микроскопии показано, что бактериальная целлюлоза, синтезируемая штаммом С1исопасе^Ьас1ег казепи, имеет сеть микробрилл с диаметром от 15-20 нм и макрофибрилл с диаметром 50 - 100 нм, и длиной от 1 - 9 цм, высокую степень кристалличности, которая обеспечивает её влагоудерживающую способность, эластичность и прочность.

Показано, что при поверхностном культивировании в оптимальных условиях (рН и состав среды) продуктивность бактериальной целлюлозы штамма вН-1/2008 составляет 28,8 г/л, что превышает этот показатель у других штаммов С1исопасе1оЬа^ег Иатепп, синтезирующих целлюлозу.

Практическая значимость работы.

Выделенный штамм 01исопасе1оЪас1ег катепп вН-1/2008 депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов с коллекционным номером ВКПМ В-10547 как продуцент для получения бактериальной целлюлозы в промышленных масштабах.

Подобрана оптимальная питательная среда для культивирования штамма 01исопасе1оЬас1ег катепп вН-1/2008 следующего состава, %: сахарозы - 7, густого кокосового молока - 0,1, дрожжевого экстракта - 0,5, №2НР04 - 0,27, К2НР04 - 0,2, (МН4)2804 - 0,3, моногидрата лимонной кислоты - 0,115, спирта - 0,5, рН = 4,0.

использования бактериальной целлюлозы в сравнении с растительной целлюлозой.

Доказано, что пленки бактериальной целлюлозы & катепп ОН-1/2008 с абсорбированными антибиотиками и наносеребром обладают антимикробными свойствами и могут быть рекомендованы для разработки покровных материалов для лечения раневых инфекций.

Апробация работы.

Основные положения работы и результаты исследований представлены на конкурсах и конференциях: 10-ой юбилейной Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2010); V фестивале науки (Москва, 2010); конкурсе молодых ученых VI Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); X Международной научно-практической конференции с международным участием «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2012); IX международной научно -практической конференции «Технологии и продукты здорового питания, Москва, 2012, II Международной научно-практической Интернет -конференции "Медицина в XXI веке: тенденции и перспективы". Казань, 2013.

Работа выполнялась при финансовой поддержке грантов: АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)»; проектов № 4209 и № 9353 «Коллекция культур бактерий, бактериофагов, дрожжевых и мицелиальных грибов как база образовательного процесса, сохранения биоразнообразия и создания новых биотехнологий»; госконтракта П175 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг; гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ; тема № 16.120.11.3245.-НШ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ХАРАКТЕРИСТИКА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: ПРОДУЦЕНТЫ, БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

1.1 Характеристика бактериальной целлюлозы

Бактериальная целлюлоза - уникальный полимер, редко встречающийся у прокариотов. В структурах клеток бактерий целлюлоза не синтезируется, так как основными компонентами клеточных стенок у бактерий являются пептидогликан (у грамположительных) и липополисахариды (у грамотрицательных). Целлюлоза является основным компонентом клеточных стенок растений и содержится в древесине, оболочках семян, в морских водорослях. Макромолекулы целлюлозы построены из элементарных звеньев Б-глюкозы, соединённых 1,4-Р-гликозидными связями в линейные неразветвленные цепи [3].

Структура бактериальной целлюлозы очень похожа на структуру целлюлозы растений, но различна по числу глюкозных остатков, а, следовательно, степенью полимеризации мономеров. Так, для целлюлозы волосков хлопчатника степень полимеризации первичной клеточной стенки равна 2-6 тыс., вторичной - 13-14 тыс., для целлюлозы С1исопасе^Ьас1ег хуНпия -2-6 тыс.; для древесины - 8 - 10 тыс. остатков [3].

С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что молекулы бактериальной целлюлозы имеют нитевидную форму. Эти нитевидные молекулы объединяются в мицеллы и формируют микрофибриллы с диаметром 1,5 - 2нм и длиной микрофибрилл около 50-100 цм. Макрофибриллы бактериальной целлюлозы меньше по размеру в сравнении с таковыми молекулами растений. Длина макромолекулы бактериальной целлюлозы от 1 |ам до 9 цм (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схематическая модель микрофибрилл бактериальной целлюлозы в сравнении с микрофибриллами растительной целлюлозы: а - растительная целлюлоза; б - бактериальная целлюлоза [4]

Водоудерживающая способность бактериальной целлюлозы высокая и достигает 96 - 98,2 %. Плёнка, образуемая в процессе культивирования в перемешиваемой культуре, формируется в виде нерегулярных гранул, волокнистых нитей, которые хорошо диспергируются в культуральной жидкости. Макрофибриллы пленки целлюлозы в виде целлюлозы 1а и 1(3, аналогичны присутствующим в клеточных оболочках растений и водорослей. Плёнки, культивированные в статической культуральной среде, содержат более целлюлоз 1а, чем культивируемых в перемешиваемой среде [4] (рисунок 2). Отмечено, что целлюлоза 1а обладает более прочной структурой, чем целлюлоза 1р. В бактериальной целлюлозе содержание типа 1а составляет приблизительно 60 %, в то время как эта форма в растительной целлюлозе хлопка и рамаха составляет только 30 %. У растений целлюлоза ф

типа является главным компонентом [5]. Кристалличность, как полагают, является ключевым детерминантом свойств целлюлозы.

Cellulose I

Cellulose II

|§jj Cellulose synthase ^ Cellulose

9 0 Cellulose ex port ^^ Protofibril component

Рисунок 2 - Структуры целлюлозы la (Cellulose I) и ip (Cellulose II) [6]

Содержание полимера целлюлозы в клеточных стенках высших растений колеблется в пределах 32 - 56 % от общей массы, так как в них присутствуют также гемицеллюлозы и лигнин (таблица 1 ) [7], а в полимере, полученном при культивировании бактерий рода Gluconacetobacter, содержится только целлюлоза в чистом виде. Это очень важный факт для использования бактериальной целлюлозы в различных отраслях, потому что потому что в его составе 99,8 % - вода, и 0.2 % инертный полисахарид. Гель бактериальной пленки целлюлозы не содержит лигнина, гемицеллюлоз, пектина и восков [8].

Таблица 1 - Химический состав некоторых типичных

целлюлозосодержащих материалов [9]

Источники Состав полимеров в растительных материалах (%)

Целлюлоза Гемицеллюлоза Лигнин Экстракт

Твердая древесина 43-47 25-35 16-24 2-8

Мягкая 40-44 25-29 25-31 1-5

древесина

Жмых 40 30 20 10

Кокосовые 32-43 10-20 43-49 4

волокна

Початки 45 35 15 5

кукурузы