Российские учёные протестировали разные методики получения бактериальной целлюлозы — полезного продукта жизнедеятельности микроорганизмов на основе чайного гриба. Выяснилось, что при росте на соевой патоке микроорганизмы вырабатывают на 57% больше этого вещества, чем на среде из чая с сахаром, как её получают традиционно. Благодаря такому дешёвому и доступному субстрату можно будет производить бактериальную целлюлозу, используемую в медицине для заживления ран и восстановления тканей, в промышленных масштабах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Food Science and Technology.
Биоплёнки, сформированные чайным грибом на среде с 2% соевой патокой: а — вид сбоку; б — вид сверху. Источник: Ольга Кригер
Бактериальная целлюлоза — это биополимер, который востребован в медицине, косметологии, тканевой инженерии и других областях. Его также используют для производства топлива и взрывчатых веществ, косметических продуктов, а также повязок, ускоряющих заживление ран. Наиболее эффективным «производителем» считается так называемый чайный гриб — симбиотическая колония дрожжей с молочнокислыми и уксуснокислыми бактериями. Однако для получения больших объёмов бактериальной целлюлозы микроорганизмы приходится выращивать на сложных и дорогих питательных средах. Поэтому, чтобы удешевить производство, учёные ищут альтернативы, например среды на основе дешёвого растительного сырья.
Биотехнологи из Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург), Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) и Кемеровского государственного университета (Кемерово) предложили использовать в качестве субстрата (среды для роста) чайного гриба соевую патоку — побочный продукт переработки соевых бобов. Ежегодно в России производят и утилизируют более 1,58 млн т соевой патоки.
Чтобы понять, какие условия позволяют получить максимальное количество бактериальной целлюлозы, авторы протестировали пять вариантов сред — чай с сахаром; соевую патоку с чаем и сахаром; соевую патоку с сахаром; соевую патоку с чаем и просто соевую патоку. Чай исследователи выбрали в качестве контрольной питательной среды потому, что он часто используется для выращивания чайного гриба. Чтобы микроорганизмы начали вырабатывать бактериальную целлюлозу, к чаю обычно добавляют дополнительные компоненты — глюкозу, дрожжевой экстракт и пептон. В результате среда получается дорогой. Кроме того, продукта на ней удаётся получить не очень много, из-за чего себестоимость производства также растёт, рассказали учёные.
Плёнки бактериальной целлюлозы, полученные с использованием чайного гриба на разных этапах культивирования. Источник: Ольга Кригер.
Через 20 дней эксперимента в культурах образовались прочные плёнки бактериальной целлюлозы. Оказалось, что на среде из соевой патоки, сахара и чая микроорганизмы растут лучше, чем в чае с сахаром. Более того, выход бактериальной целлюлозы, полученной на контрольной среде (чай с сахаром) был ниже на 49 и 37% в зависимости от температуры культивирования. Это говорит о том, что соевые субстраты представляют собой отличную питательную основу, способствующую более активному размножению микроорганизмов и продуктивной культивации.
«Чтобы лучше понять механизмы образования бактериальной целлюлозы, нужно и далее исследовать её получение на альтернативных средах, основой которых служат отходы агропромышленного комплекса или малоценные травянистые растения, например тростниковая патока, апельсиновый и ананасовый соки и кожура, кислотный гидролизат и другие», — рассказывает руководитель проекта, доктор технических наук, профессор факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО Ольга Кригер.
Кроме того, биологи сравнили рост двух вариантов чайного гриба — природного и лабораторного — на разных питательных средах. Микробные сообщества различались между собой по видовому составу. Так, в состав природного чайного гриба входило сообщество дрожжей и бактерий Medusomyces gisevii. В лабораторном варианте присутствовало изменённое сообщество, в которое вошли уксуснокислые бактерии Komagataeibacter sucrofermentans, молочнокислые микроорганизмы Lactobacillus sakei и Streptococcus thermophilus, а также дрожжи Pachysolen tannophilus. Авторы объединили эти штаммы в пропорции 4:3:1. После этого их смешали с природным «чайным грибом», получив таким образом модифицированный вариант чайного гриба.
Хотя природный чайный гриб менее прихотлив в выращивании и не требует соблюдения стерильности, лабораторный модифицированный вариант оказался лучшим продуцентом бактериальной целлюлозы: при его выращивании в среде с соевой патокой, сахаром и чаем максимальный выход бактериальной целлюлозы увеличился на 56–58% по сравнению с природной группой микроорганизмов.
Предложенный подход может стать экономичной технологией производства бактериальной целлюлозы, поскольку в нём в качестве среды для выращивания микроорганизмов используются доступные отходы пищевой промышленности. Это позволит снизить затраты на 50% и получать большие объёмы биополимера.
Несмотря на производство различных раневых повязок из широкого спектра материалов для лечения хронических и острых ран, по-прежнему существуют проблемы в разработке высококачественных изделий с отличными механическими свойствами, нетоксичных и экономически выгодных. Целлюлоза — один из наиболее распространённых природных полимеров, для этих целей получаемых из растений, водорослей, грибов и бактерий, рассказал руководитель сегмента «Умные цепи поставок» рынка «Фуднет» (FoodNet) Национальной технологической инициативы Сергей Косогор.
«С момента своего открытия Брауном в 1886 году в медицине большую популярность приобрела бактериальная целлюлоза благодаря своим уникальным свойствам, превосходной механической прочности, биоразлагаемости, биосовместимости, влагоудерживающим способностям и хорошей химической стабильности. Первые сведения об использовании в качестве «временных заменителей кожи» для лечения ожогов, язв, ссадин и других повреждений кожи были отмечены в 1990 году, с того времени биополимер широко используют в качестве сосудистых стентов и для лечения ожогов», — сообщил специалист.
Очищенные и отбелённые биоплёнки, полученные с помощью симбиотического чайного гриба (А) и лабораторно изменённого чайного гриба (Б) на разных средах: 1 — чай с сахаром, 2 — соевая патока, сахар и чай, 3 — соевая патока и сахар, 4 — соевая патока и чай, 5 — соевая патока. Источник: Ольга Кригер.
Однако особой уникальности в разработке нет, считает эксперт.
«Сейчас многие ученные, в том числе в России, работают в этом направлении, учитывая, как отмечалось, хорошую влагоудерживаемость, растяжимость целлюлозы и медицинские характеристики, что позволяет использовать бактериальную целлюлозу для перевязок вместо бинтов и пластырей. Кроме того, целлюлоза очищает кожу, уменьшает болевой синдром и не требует частой замены, как обычные пластыри», — пояснил Сергей Косогор.
Производство бактериальной целлюлозы позволяет не только выйти на рынок биоразлагаемых биополимеров, но и использовать в качестве сырья отходы пищевого производства. Это возможность вторичной переработки отходов и работа над повышением безопасности окружающей среды, рассказала «Известиям» генеральный директор компании «Новбиотех», эксперт рынка НТИ «Фуднет» Наталья Севостьянова.
«В качестве сырья могут быть использованы отходы сельхозпредприятий, начиная от производства, например некондиционные овощи и зернопродукты, и заканчивая отходами пищевого производства, такими как соевая патока», — отметила она.
Сообщества бактерий и дрожжей чайного гриба спустя 28 дней роста в питательных средах с различным содержанием соевой патоки (2–25%). Источник: Ольга Кригер
Бактериальная целлюлоза за счёт своей химической стойкости в дальнейшем может быть использована в качестве сырья в пищевой и фармацевтической промышленности. Она может выступать в роли загустителя и стабилизатор или в качестве композитного материала, спектр применения широк, подчеркнула специалист.
Источник: habr.com
