ДРОЖЖЕВЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ КАК ПРОБИОТИКИ И ИСТОЧНИК БЕЛКА

М.Г. Саубенова; Е.А. Олейникова; А.Ж. Алыбаева; А.А. Амангелдi; Ж.Н. Ермекбай; И.Ю. Потороко

ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ

МРНТИ: 34.27.39

М.Г. САУБЕНОВА1, Е.А. ОЛЕЙНИКОВА1*, А.Ж. АЛЫБАЕВА1, А.А. АМАНГЕЛД!1,

Ж.Н. ЕРМЕКБАЙ1, И.Ю. ПОТОРОКО2 Научно-производственный центр микробиологии и вирусологии, Алматы, Казахстан

2Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия *e-mail: [email protected]

ДРОЖЖЕВЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ КАК ПРОБИОТИКИ И

ИСТОЧНИК БЕЛКА

doi:10.53729/MV-AS.2023.03.01

Аннотация

Дефицит и снижение качества продуктов питания и кормов заставляют искать новые источники сбалансированных и малозатратных белковых продуктов. Качество продуктов питания становится все более и более важным из-за проблемы пищевых отравлений и хронических заболеваний, связанных с питанием, таких как ожирение, аллергия, сердечно-сосудистые заболевания и рак. Применение белка одноклеточных является одной из альтернатив употреблению мяса и мясных продуктов. Дрожжи используются человеком на протяжении тысяч лет для ферментации продуктов питания, являются продуцентами аминокислот, витаминов, биологически активных пептидов, ароматических и вкусовых соединений. Высокое содержание и качество белка дрожжевых микроорганизмов, продукция биоактивных пептидов, витаминов, ß-глюканов, микоцинов и других соединений делают дрожжи перспективным источником белка и биологически активных веществ для пищевых, кормовых и медицинских целей. Дешевая и экологически чистая дрожжевая биомасса может быть получена на основе разнообразных сельскохозяйственных и промышленных отходов. Наряду с общепризнанными пробиотическими дрожжами Saccharomyces cerevisiae var. boulardii многие другие виды дрожжей рассматриваются в настоящее время в качестве потенциально пробиотических. Это представители родов Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora, Kluyveromyces. Пробиотические свойства исследованных дрожжевых микроорганизмов включают иммуномодуляцию, конкурентную элиминацию патогенов, улучшение кишечного барьера и сокращение воспаления. Дрожжевая биомасса рассматривается в настоящее время в качестве перспективного источника сбалансированного белка и эффективного средства улучшения здоровья населения.

Ключевые слова: дрожжи, белок, биологически активные соединения.

Устойчивое и рациональное производство продуктов питания является одним из подходов к решению сложных и взаимосвязанных проблем перенаселения, изменения климата, загрязнения окружающей среды и снижения устойчивости к инфекциям. Микроорганизмы, которые обычно потреблялись в составе ферментированных пищевых продуктов, а в последнее время — в качестве пробиотических пищевых добавок, могут быть перепрофилированы для удовлетворения пищевых потребностей человека, чтобы представить устойчивое решение для существующей системы производства продуктов питания [1].

Дрожжи — это одноклеточные эукариотические микроорганизмы, широко распространенные в окружающей среде, а также присутствующие во многих традиционных ферментированных пищевых продуктах и напитках как приносящие пользу, так и вызывающие порчу пищевых продуктов [2]. Дрожжи известны людям уже тысячи лет,

поскольку они использовались в традиционных процессах брожения, таких как виноделие, пивоварение и хлебопечение. Основные функциональные роли дрожжей в пищевой ферментации включают ферментативную, в основном амилолитическую активность, производство спирта и различных ценных метаболитов [3], а также пробиотические эффекты, проявляемые несколькими видами дрожжей [4, 5]. Биотехнология, включая медицинские приложения, зависит от дрожжей как биоферментатора для производства многих промышленных продуктов, в том числе фармацевтических [6].

Наиболее широко используемыми видами дрожжей в промышленности и биотехнологических исследованиях являются Saccharomyces cerevisiae. Они имеет статус «общепризнанного безопасного» (GRAS) микроорганизма для пищевых продуктов. S. cerevisiae — наиболее изученный эукариот и ценный инструмент для большинства аспектов фундаментальных исследований эукариотических организмов. В отличие от других модельных организмов, S. cerevisiae одновременно имеет широкое применение в различных отраслях биотехнологии. Биотехнологическая ценность S. cerevisiae заключается в его уникальных биологических характеристиках, т. е. в его способности к ферментации, сопровождающейся образованием спирта и углекислого газа, и в его устойчивости к неблагоприятным условиям осмолярности и низкого pH. Дрожжи применяются в биотехнологии как в монокультурах, так и в сочетании с другими полезными микроорганизмами, участвующими в этих процессах [7, 8].

Дрожжи для сбалансированного питания

В мире уже сейчас ощущается существенный дефицит продуктов питания и кормов, а также снижение их качества. Между тем, согласно прогнозу ООН, ожидается, что рост населения Земли в ближайшие 30 лет увеличится с 8 до 10 миллиардов, что свидетельствует о необходимости срочного наращивания объемов производства продуктов питания, как растительного, так и животного происхождения. В сложившихся условиях представляется нереальным расширение посевных площадей, а также увеличение производства мяса и молока из-за низкой эффективности преобразования кормов в эти продукты. Для удовлетворения растущего спроса на белок необходим поиск путей интенсификации этой отрасли народного хозяйства, в частности увеличение мощностей биотехнологического производства различного рода биологически активных добавок, призванных восполнить дефицит необходимых элементов питания для населения и корма - для сельскохозяйственных животных. Потенциальным вариантом является белок одноклеточных, который можно использовать в качестве восполнения дефицита белка, как в питании человека, так и в кормах для животных [9].

Особенно остро стоит вопрос дефицита белка, который наиболее выражен в бедных и развивающихся странах. Так, в половине африканских стран люди потребляют всего до 10 кг мяса на человека в год, тогда как во всем мире эта величина составляет около 43 кг мяса в год, в Европе - 80 кг, а в США и Австралии даже более 100 кг [10]. Следует отметить, что, как недостаток, так и избыток потребления красного мяса все больше становится проблемой общественного здравоохранения, как в том, так и другом случае. Многочисленными исследованиями установлено, что высокий уровень потребления мяса связан с повышенным риском смертности от сердечно-сосудистых заболеваний [11, 12], диабета [13], неходжкинской лимфомы, рака мочевого пузыря, молочной железы, колоректального рака, рака эндометрия, пищевода, желудка, легких, носоглотки, простаты и др. [14, 15].

Поэтому одной из самых актуальных мировых проблем для растущего населения является производство легкодоступных белковых продуктов, не оказывающих негативного влияния на здоровье с оптимальным составом аминокислот и необходимого количества и качества жиров, произведенных экологически безопасным способом.

Учитывая рост населения и нехватку продовольствия, поиск альтернативных источников белка для потребления человеком является актуальной проблемой, которую необходимо решить, особенно в развивающихся странах. В этом контексте микробная

биоконверсия ценных материалов в питательные микробные клетки представляет собой устойчивую альтернативу пищевой цепи. Микробный белок, также известный как белок одноклеточных, состоит из биомассы водорослей, грибов или бактерий, которые в настоящее время используются в качестве источника пищи как для людей, так и для животных. Помимо вклада, в качестве устойчивого источника белка для питания мира, производство микробного белка важно для уменьшения проблем с утилизацией отходов и производственных затрат, отвечающих целям устойчивого развития [16].

В поисках инновационных методов производства продуктов питания, являющихся источником легкоусвояемого белка со сбалансированным аминокислотным составом, было показано, что одним из лучших вариантов является дешевая и экологически чистая биомасса микроорганизмов, содержащая к тому же микроэлементы и витамины, в том числе группы В, с практически неограниченными масштабами производства, с использованием для наращивания биомассы недорогих питательных сред, в том числе различных сельскохозяйственных и промышленных отходов, что в свою очередь способствует охране окружающей среды. Особое значение при этом имеет получение белка одноклеточных из биомассы дрожжей, который можно использовать в качестве добавки к обычному рациону человека, а также сельскохозяйственных животных. Биомасса дрожжей, а также продукты их жизнедеятельности, могут быть использованы в качестве добавок в различные пищевые и кормовые продукты в качестве концентрата витаминов, усилителей вкуса, а также для улучшения их структуры [9, 17, 18] (рисунок 1).

Рисунок 1 - Вклад дрожжевых микроорганизмов в пищевую промышленность и медицину

Микроорганизмы привлекли внимание как новый источник пищи из-за их низкого углеродного следа, низкой зависимости от земли, воды и сезонных колебаний в сочетании с благоприятным профилем питания, а также использования для производства цельных продуктов из их биомассы и использования их в качестве клеточных фабрик для производства высокофункциональных и питательных ингредиентов [19]. Микроорганизмы могут производить вкусные и полезные продукты с минимальным воздействием на окружающую среду. Будущие достижения в наукоемкой ферментации, синтетической биологии и использовании устойчивого сырья позволят создать новое поколение

микробных пищевых продуктов, потенциально влияющих на устойчивость и воздействие на здоровье нашей пищевой системы [20].

Питательная ценность продуктов также может быть усилена путем их ферментации дрожжами, продуцентами фолиевой кислоты, синтез которой в большой степени зависит от вида и штамма дрожжей, а также условий их культивирования [21, 22]. Показано, что некоторые штаммы дрожжей могут адсорбировать более 40% добавленного афлатоксина B1, а также снижать общее содержание цианидов, например, в ферментированных продуктах [23] (рисунок 1).

Дрожжи для медицинских целей

Кроме основной роли питания, заключающейся в росте и развитии организма, все большее значение для противодействия заболеваниям приобретают некоторые дополнительные аспекты. Качество продуктов питания становится все более и более важным из-за проблемы пищевых отравлений и хронических заболеваний, связанных с питанием, таких как ожирение, аллергия, сердечно-сосудистые заболевания и рак. Во многих работах указывается на пользу для здоровья от использования пробиотиков в питании человека за счет повышения иммунитета организма [24, 25]. Пробиотики играют решающую роль во врожденной и адаптивной иммунной модуляции, уравновешивая микробиоту кишечника для борьбы с вирусными инфекциями, вторичными бактериальными инфекциями и микробным дисбактериозом. Имеются рекомендации по использованию пробиотиков в качестве функциональных пищевых продуктов или даже лекарственных средств [24, 26].

Дрожжи как пробиотики

В случае дрожжей пробиотиками пока официально признаны только S. cerevisiae и S. cerevisiae var. boulardii [27]. Этот вид обладает такими способностями, как улучшение переваривания определенных пищевых ингредиентов, антимикробная активность и даже терапевтические свойства. Его общие механизмы пробиотического действия при лечении желудочно-кишечных заболеваний охватывают многогранные аспекты, включая иммунную регуляцию, выработку антимикробных веществ, конкурентную элиминацию патогенов, поддержание целостности кишечного барьера, трофический эффект кишечника и антиоксидантную активность. Будущие перспективы в отношении лечебных эффектов S. cerevisiae var. boulardii (S. boulardii) также обсуждаются в новейшей научной литературе [28]. Его пробиотическая активность была объяснена сочетанием нескольких путей, начиная от улучшения барьерной функции кишечника, конкурентного исключения патогенов, производства антимикробных пептидов, иммуномодуляции и трофических эффектов. В обзоре Pais и соавторов [29] обобщается участие S. boulardii в этих механизмах и многофакторный характер, с помощью которого эти дрожжи модулируют микробиом хозяина и функцию кишечника.

В опытах на мышах было показано, что добавление S. boulardii при их заболевании колитом значительно предотвращало потерю веса и укорочение толстой кишки, уменьшало воспаление толстой кишки, улучшало повреждение эпителия и улучшало целостность кишечного барьера. Подавляя обилие патогенных бактерий, S. boulardii улучшает микробное разнообразие и устраняет дисбактериоз микробиоты. Более того, он модулировал микробный метаболом и изменял относительное содержание метаболитов, включая метаболизм аминокислот, липидов, энергии и витаминов. Эти вызванные дрожжами сдвиги в кишечной флоре и метаболитах связаны друг с другом и с профилем воспаления при колите. В совокупности S. boulardii оказывает защитное действие на колит у мышей, изменяя микробиом кишечника и его метаболический профиль, что указывает на его многообещающее терапевтическое направление [30].

В настоящее время дрожжи S. boulardii используются во всем мире в качестве популярного коммерческого пробиотика, однако основа их пробиотического действия остается не полностью ясной. S. boulardii считается конспецифичным с почкующимися дрожжами S. cerevisiae, которые обычно используются в классических пищевых продуктах.

Они имеют почти идентичную последовательность генома, что делает генетическую основу пробиотической активности S. boulardii загадочной. Показано, что S. boulardii продуцирует при +37°C необычно высокие уровни уксусной кислоты, которая сильно ингибирует рост бактерий в анализах диффузии в агар и может иметь жизненно важное значение для его уникального применения в качестве пробиотика среди дрожжей. Первое молекулярное объяснение того, почему S. boulardii может оказывать более выраженное пробиотическое действие чем S. cerevisiae, возможно, связано со штаммоспецифичными мутациями внутри одного и того же вида. Предполагается, что приобретение антибактериальной активности за счет подкисления питательной среды дает S. boulardii селективное преимущество в его экологической нише и для его применения в качестве пробиотика [31]. Возможно, что специфические фенотипические различия делают этот штамм более подходящим для микроокружения кишечника, например, из-за лучшей устойчивости к кислоте и повышенной температуре. Несколько исследований с использованием животных--хозяев предполагают, что S. boulardii можно использовать в качестве биотерапевтического средства и для людей. Клинические испытания показывают, что он может в некоторой степени облегчать симптомы инфекций желудочно-кишечного тракта, однако необходимы дальнейшие испытания, чтобы понять весь терапевтический потенциал S. boulardii. Улучшение пробиотической функции с помощью искусственных дрожжей является привлекательным будущим направлением, хотя инструменты модификации генома для использования в S. boulardii до недавнего времени были ограничены. В обзоре Sen and Mansell [32] обобщен наблюдаемый пробиотический эффект этих дрожжей и рассмотрены современные инструменты геномной инженерии, которые могут помочь улучшить их пробиотические свойства.

Применение пробиотиков в качестве адъювантной терапии при клиническом лечении рака представляется многообещающей стратегией с рядом заметных преимуществ, например, повышенной безопасностью, более высокой переносимостью и незначительными побочными эффектами со стороны желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Анализы как in vivo, так и in vitro показали активную роль дрожжевых пробиотиков в снижении скорости пролиферации раковых клеток и индукции апоптоза за счет регулирования экспрессии связанных с раком генов и клеточных путей. Неоднократно подтвержденная противораковая активность отдельных штаммов дрожжей убедительно свидетельствует о том, что их применение вместе с современными методами лечения рака может быть эффективным [33].

Продуценты микоцинов и антимикробных пептидов

В последние годы в связи с появлением резистентности микробов к антибиотикам возникла острая необходимость поиска альтернативных противомикробных препаратов. Было показано, что синтезируемые дрожжами микоцины (киллер-токсины) имеют хороший потенциал для использования в клинике, как вещества, проявляющие антибактериальную, противогрибковую и антипротозойную активность [34]. Другое исследование, проведенное с дрожжами Pichia pastoris, продемонстрировало ингибирование роста Salmonella typhimurium и снижение бактериальной адгезии к клеткам колоректального рака человека HCT-116 [35]. Микоцины, проявляя активность против разнообразных типов микроорганизмов, оказываются минимально токсичными для клеток человека. Это, а также тот факт, что о развитии резистентности не сообщалось, делает эти молекулы соединениями с высоким потенциалом в качестве противомикробных препаратов. Кроме того, микоцины изучаются при разработке вакцин и используются в качестве эпидемиологических маркеров. Механизмы образования киллер-токсинов в клетках дрожжей связывают как с хромосомными генами, так и с наличием в цитоплазме вирусов, содержащих двухнитевую РНК [36]. Интересно, что для проявления киллерной активности необходимо наличие вирусов двух типов: вирусов-помощников и киллеров.

Одним из новых аспектов применения пробиотических дрожжей является использование их в качестве вакцин, вводимых перорально. Это актуально не только при

заболеваниях ЖКТ, но также и для транспортировки антигенов-кандидатов в иммунную систему кишечника [37].

Со страхом перед антибиотиками и появлением микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам связан интерес к пептидам - составным частям врожденной иммунной системы любого живого организма. Антимикробные пептиды могут действовать, разрушая микробную мембрану или не влияя на ее стабильность. Посредством мембранного или метаболического нарушения они защищают организм от вторжения бактерий, вирусов, простейших и грибков. Высокая эффективность и специфичность, низкое лекарственное взаимодействие и токсичность, термостабильность, растворимость в воде и биологическое разнообразие предполагают их применение в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве, животноводстве и аквакультуре. Наноносители можно использовать для защиты, доставки и повышения эффективности за счет биодоступности. В обзоре Dini и др. [38] обобщены сведения о природных источниках, структуре, способах действия и применения микробных пептидов в пищевой и фармацевтической промышленности.

Богатая белком природа S. cerevisiae привлекла внимание к этим дрожжам при поиске противомикробных пептидов. Экстракт, богатый пептидами массой менее 10 кДа и проявляющий антибактериальную активность, был получен путем автолиза дрожжевой биомассы при умеренной термической обработке с самопротеолизом эндогенными пептидазами. Расчетная IC50 для пептидных пулов, полученных с помощью гель-фильтрации FPLC, указывает на улучшенную антибактериальную активность против бактерий пищевого происхождения и бактерий, представляющих клинический интерес. Следует отметить, что фракции безопасны, по крайней мере, в формате смеси для тканей человека. Пептиды биомассы S. cerevisiae - нетрадиционный, но обильный источник фармацевтических препаратов, могут быть перспективными адъювантами для лечения инфекционных заболеваний, плохо чувствительных к обычным антибиотикам [39].

Имеются сведения о подавлении дрожжами значимых для фитопатологии бактерий [40]. Эффект предположительно связывается с высокой продукцией отдельных сивушных масел и этилацетата.

Привлекает интерес и способность пробиотических дрожжей разрушать токсины патогенных микроорганизмов. Так, серинпротеаза S. boulardii массой 54 кДа ингибирует энтеротоксическую и цитотоксическую активность Clostridium difficile путем протеолиза токсина А и его рецепторов [41].

Дрожжи - продуценты Р-глюканов

Глюкан - полисахарид клеточной стенки, выделенный из пекарских дрожжей S. cerevisiae, демонстрирует цитотоксичность в отношении различных линий раковых клеток in vitro. Показано, что Р-глюкан может замедлять рост клеток рака шейки матки, и дополнительное исследование позволит более полно раскрыть его противораковый потенциал [42]. Экстракты Р-глюкана продемонстрировали положительный эффект в контроле пролиферации опухолевых клеток и активации иммунной системы. Иммуномодулирующее действие Р-глюканов усиливает противоопухолевую защиту организма хозяина от рака. В соответствии с вышеизложенным, многие исследования показали, что лечение Р-глюканом приводит к индукции апоптотической гибели раковых клеток. Р-глюкан может быть потенциальным терапевтическим агентом для лечения рака Влияние Р-глюкана на иммуномодуляцию, пролиферацию, гибель раковых клеток и возможные механизмы и пути, участвующие в этих процессах, более детально рассмотрены в работе Wani и др [43].

Недавние достижения в области изучения полисахаридов клеточной стенки пивных дрожжей выявили структурные особенности и разнообразный состав глюканов, взаимодействующих с различными клеточными рецепторами и запускающих специфические биологические реакции. В работе Bastos и соавторов [44] представлена всесторонняя демонстрация структурно-биофункциональных отношений между полисахаридами дрожжей и их биологическими мишенями с акцентом на свойствах

полисахаридов, которые регулируют биомедицинскую активность. Нерастворимость ß-глюканов является решающим фактором для связывания и активации рецептора Dectin-1, действующего как адъювант иммунного ответа. Напротив, растворимые низкомолекулярные ß-глюканы обладают сильным ингибированием продукции активных форм кислорода, действуя как антагонисты передачи сигналов, опосредованной Dectin-1. Растворимые белково-глюкановые фрагменты также могут действовать как противоопухолевые агенты, при этом разветвленность ф1^-6)-глюканов обеспечивает более высокое сродство к рецепторам. Глюканы являются основным компонентом S. cerevisiae, тогда как маннопротеины находятся в изобилии в Saccharomyces pastorianus. Различные полисахариды имеют разные профили связывания с иммунными рецепторами, что важно для разработки индивидуальных биоактивных препаратов [45].

Предполагается, что сухая отработанная биомасса пивных дрожжей может быть использована в качестве дешевого источника для высококачественной экстракции ß-D-глюкана. Сушка в сочетании с карбоксилметилированием придает отработанному ß-D-глюкану пивных дрожжей иммуноактивность, подобную или превосходящую иммуноактивность хорошо изученного грибкового модификатора биологического ответа плеврана [46].

Новые виды потенциально пробиотических дрожжей

В последние годы возрастает интерес к выявлению новых дрожжей с потенциально пробиотическими свойствами. Новые изоляты выделяют из различных продуктов и сред, таких как фрукты и овощи, ферментированные продукты питания и напитки, промышленные молочные отходы и т. д. Они должны обладать всеми свойствами, необходимыми для пробиотиков, соответствовать требованиям безопасности и иметь хорошие производственные свойства. Выделение различных видов из различных сред позволяет открывать новые пробиотические штаммы с инновационными биохимическими свойствами, например, способностью секретировать внеклеточно лактазу, которая может придавать дополнительную способность переваривать сыворотку, используемую в качестве пищевой добавки в кормах для животных.

Помимо S. cerevisiae var. boulardii, в последнее время представлены также и новые дрожжи с потенциально пробиотическими свойствами из родов Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora и другие, выделенные из пищевых и экологических местообитаний. Недавние исследования сообщают о потенциально пробиотических дрожжах, относящихся к видам Kluyveromyces marxianus и Pichia kudriavzevii [47, 48]. Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) присвоило дрожжам K.marxianus статус QPS (квалифицированная презумпция безопасности).

Ochangco и др. [49] исследовали штаммы Debaryomyces hansenii, полученные из сыра и кишечника рыб. В ходе исследования они выбрали штамм DI 02 в качестве лучшего пробиотика из-за его выдающейся способности выдерживать желудочно-кишечные стрессы, прикрепляться к клеткам Caco-2 и муцину и вызывать более сильный противовоспалительный ответ, чем S. cerevisiae var. boulardii (авторы использовали отношение противовоспалительного цитокина IL-10 к провоспалительному цитокину IL-12 в качестве показателя противовоспалительных свойств). Другой штамм, DI 09, сильнее прикреплялся к клеткам Caco-2 и муцину. Два штамма (DI 10 и DI 15) индуцировали более высокое соотношение IL-10/IL-12, чем S. cerevisiae var. boulardii, что свидетельствует о более высоком противовоспалительном действии на дендритные клетки человека. Результаты, полученные Oliveira и соавторами [50], позволяют предположить, что некоторые дрожжи, выделенные из ферментированных столовых оливок, такие как Pichia guilliermondii 25A и Candida norvegica 7A, обладают пробиотическим потенциалом из-за их устойчивости к смоделированным условиям пищеварительного тракта на том же уровне, что и S. cerevisiae var. boulardii, эталонный штамм, использованный в исследовании. Из 108 идентифицированных штаммов дрожжей различного происхождения Rodríguez et al.

показали, что два штамма дрожжей, Hanseniaspora osmophila и Pichia kudriavzevii, были наиболее многообещающими штаммами на основе статистического анализа, применяемого на каждом этапе селекции [51]. Имеется информация о наличии потенциальных пробиотических дрожжей в некоторых традиционных ферментированных продуктах и напитках [52]. Кроме того, разрабатываются механизмы адаптации, лежащие в основе выживания пробиотических дрожжей в условиях желудочно-кишечного тракта и солевого стресса [53]. В исследованиях Vergara Alvarez и др. [54] из 96 штаммов вновь выделенных дрожжей 15 изолятов дрожжей, отличных от Saccharomyces, обладали подходящими свойствами в качестве пробиотических кандидатов. Местные штаммы проявили лучшие свойства, чем эталонный пробиотический штамм S. cerevisiae var. boulardii CNCM I-745, что подтверждает, что они являются многообещающими кандидатами для использования в качестве пробиотика. Из-за интенсивно развивающихся исследований пробиотических дрожжей в ближайшие годы можно ожидать много открытий и, возможно, даже эволюцию в сегменте пробиотиков, доступных на рынке [55].

Заключение

В связи с необходимостью расширения продуктовой базы, использование дрожжей в качестве источника сбалансированного и легко усвояемого белка представляется обоснованным и перспективным. Продукция дрожжами пептидов, полисахаридов, витаминов и других биологически активных соединений, а также способность отдельных видов, признанных и рекомендуемых в качестве пробиотических, оказывать разносторонние позитивные эффекты в организме человека и животных, способствует признанию этих микроорганизмов не только в качестве частичной альтернативы белку животных, но и более широкому их применению в медицине и ветеринарии. Новые данные о пробиотических свойствах дрожжей, полученные в последние годы, свидетельствуют о большом потенциале этой группы микроорганизмов и необходимости расширения исследований в этом направлении.

Литература:

1 Choi K.R., Yu H.E., Lee S.Y. Microbial food: microorganisms repurposed for our food Microb Biotechnol, 2022, 15(1): 18-25. (doi: 10.1111/1751-7915.13911)

2 Riesute R., Salomskiene J., Moreno D.S., Gustiene S. Effect of yeasts on food quality and safety and possibilities of their inhibition. Trends in Food Science & Technology. 2021, 108: 1-10. (doi: 10.1016/j .tifs.2020.11.022)

3 Maicas S.The role of yeasts in fermentation processes. Microorganisms, 2020, 8(8): 1142. (doi: 10.3390/microorganisms8081142)

4 Coulibaly W.H., Bouatenin K.M.J.-P., Boli Z.B.I.A., Alfred K.K., Bi Y.C.T., N'sa K.M.C., Cot M., Djameh C., Dje K.M. Influence of yeasts on bioactive compounds content of traditional sorghum beer (tchapalo) produced in Cote d'Ivoire. Curr Res Food Sci, 2020, 3: 195-200. (doi: 10.1016/j.crfs.2020.06.001)

5 Staniszewski A., Kordowska-Wiater M. Probiotic and potentially probiotic yeasts-Characteristics and food application. Foods. 2021, 10(6): 1306. (doi: 10.3390/foods10061306)

6 Abdulkhair, W. M. H. (Ed.). The Yeast Role in Medical Applications. InTech., 2018. (doi: 10.5772/intechopen.69408)

7 Parapouli M., Vasileiadis A., Afendra A.-S., Hatziloukas E. Saccharomyces cerevisiae and its industrial applications. AIMS Microbiol, 2020, 6(1): 1-31. (doi: 10.3934/microbiol.2020001)

8 Абдреш Х., Асембаева Э., Рябова,А., Мырзабек К., Сейдахметова, З. Исследование показателей качества продуктов смешанного брожения. Микробиология жэне вирусология, 2023, 2(41): 144-160. (doi: 10.53729/MV-AS.2023.02.09)

9 Ritala A., Häkkinen S.T., Toivari M., Wiebe M.G. Single cell protein-state-of-the-art, industrial landscape and patents 2001-2016. Front Microbiol, 2017, 8: 2009. (doi: 10.3389/fmicb.2017.02009)

10 Ritchie H., Roser M. Meat and dairy production. Our World in Data, 2017. (URL: https://ourworldindata.org/meat-production)

11 Al-Shaar L, Satija A, Wang D D, Rimm E B, Smith-Warner S A, Stampfer M J., Hu F.B., Wilett W.C. Red meat intake and risk of coronary heart disease among US men: prospective cohort study BMJ, 2020, 371:m4141. (doi: 10.1136/bmj.m4141)

12 Papier K., Knuppel A., Syam N., Jebb S.A., Key T.J. Meat consumption and risk of ischemic heart disease: A systematic review and meta-analysis, Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2023, 63(3), 426-437. (doi: 10.1080/10408398.2021.1949575)

13 Sanders L.M., Wilcox M.L., Maki K.C. Red meat consumption and risk factors for type 2 diabetes: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Eur J Clin Nutr, 2023, 77, 156-165. (doi: 10.1038/s41430-022-01150-1)

14 Farvid M.S., Sidahmed E., Spence N.D., Angua K.M., Rosner B.A., Barnett J.B. Consumption of red meat and processed meat and cancer incidence: a systematic review and meta-analysis of prospective studies. Eur J Epidemiol, 2021, 36, 937-951 https://doi.org/10.1007/s10654-021-00741-9

15 Huang Y., Cao D., Chen Z., Chen B., Li J., Guo J., Dong Q., Liu L., Wei Q. Red and processed meat consumption and cancer outcomes: Umbrella review. Food Chemistry, 2021, 356, 129697. (doi: 10.1016/j .foodchem.2021.129697)

16 Alves S.C., Díaz-Ruiz E., Lisboa B., Sharma M., Mussatto S.I., Thakur V.K., Kalaskar D.M., Gupta V.K., Chandel A.K. Microbial meat: A sustainable vegan protein source produced from agri-waste to feed the world. Food Res Int., 2023, 166: 112596. (doi: 10.1016/j.foodres.2023.112596)

17 Gervasi T., Pellizzeri V., Calabrese G., Di Bella G., Cicero N., Dugo G. Production of single cell protein (SCP) from food and agricultural waste by using Saccharomyces cerevisiae. Nat. Prod. Res., 2018, 32: 648-653. (doi: 10.1080/14786419.2017.1332617)

18 Somda M.K., Nikiema M., Keita I., Mogmenga I., Kouhounde S.H.S., Dabire Y., Coulibaly W.H., Taale E., Traore A.S. Production of single cell protein (SCP) and essentials amino acids from Candida utilis FMJ12 by solid state fermentation using mango waste supplemented with nitrogen sources. Afr. J. Biotechnol., 2018, 17: 716-723. (doi: 10.5897/AJB2017.16361)

19 Graham A.E., Ledesma-Amaro R. The microbial food revolution. Nat Commun. 2023, 14(1): 2231. (doi: 10.1038/s41467-023-37891-1)

20 Jahn L.J., Rekdal V.M., Sommer M.O.A. Microbial foods for improving human and planetary health. Cell, 2023, 186(3): 469-478. (doi: 10.1016/j.cell.2022.12.002)

21 Hjortmo S., Patring J., Jastrebova J., Andlid T. Biofortification of folates in white wheat bread by selection of yeast strain and process. Int. J. Food Microbiol, 2008, 127: 32-36. (doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2008.06.001)

22 Greppi A., Saubade F., Botta C., Humblot C., Guyot J.-P., Cocolin L. Potential probiotic Pichia kudriavzevii strains and their ability to enhance folate content of traditional cereal-based African fermented food. Food Microbiology, 2017, 62: 169-177. (doi: 10.1016/j.fm.2016.09.016)

23 Johansen P.G., Owusu-Kwarteng J., Parkouda C., Wilfrid Padonou S., Jespersen L. Occurrence and importance of yeasts in indigenous fermented food and beverages produced in pub-Saharan Africa. Front. Microbiol, 2019, 10: 1-22. (doi: 10.3389/fmicb.2019.01789)

24 Paulina M., Katarzyna S. Effects of probiotics, prebiotics, and synbiotics on human health. Nutrients. 2017, 9: 1021-1030. (doi: 10.3390/nu9091021)

25 Ashraf R., Shah N.P. Immune system stimulation by probiotic microorganisms. Crit Rev Food Sci Nutr, 2014, 54: 938-956. (doi: 10.1080/10408398.2011.619671)

26 Gill E.E., Franco O.L., Hancock R.E. Antibiotic adjuvants: diverse strategies for controlling drug-resistant pathogens. Chem Biol Drug Des., 2015, 85: 56-78. (doi: 10.1111/cbdd.12478)

27 Lara-Hidalgo C.E., Hernández-Sánchez H., Hernández-Rodríguez C., Dorantes-Álvarez L. Yeasts in fermented foods and their probiotic potential. Austin J Nutr Metab., 2017, 4(1): 1045.

28 Cui B., Lin L., Wang B., Liu W., Sun C. Therapeutic potential of Saccharomyces boulardii in liver diseases: from passive bystander to protective performer? Pharmacol Res, 2022, 175 : 106022. (doi: 10.1016/j .phrs.2021.106022)

29 Pais P., Almeida V., Yilmaz M., Teixeira M.C. Saccharomyces boulardii: What makes it tick as successful probiotic? J Fungi (Basel). 2020, 6(2): 78. (doi: 10.3390/jof6020078)

30 Gao H., Li Y., Xu J., Zuo X., Yue T., Xu H., Sun J., Wang M., Ye T., Yu Y., Yao Y. Saccharomyces boulardii protects against murine experimental colitis by reshaping the gut microbiome and its metabolic profile. Front Microbiol, 2023, 14: 1204122. (doi: 10.3389/fmicb.2023.1204122)

31 Offei B., Vandecruys P., De Graeve S., Foulquié-Moreno M.R., Thevelein J.M. Unique genetic basis of the distinct antibiotic potency of high acetic acid production in the probiotic yeast Saccharomyces cerevisiae var. boulardii. Genome Res, 2019, 29(9): 1478-1494. (doi: 10.1101/gr.243147.118)

32 Sen S., Mansell T.J. Yeasts as probiotics: Mechanisms, outcomes, and future potential. Fungal Genet Biol, 2020, 137: 103333. (doi: 10.1016/j.fgb.2020.103333)

33 Sambrani R., Abdolalizadeh J., Kohan L., Jafari B. Recent advances in the application of probiotic yeasts, particularly Saccharomyces, as an adjuvant therapy in the management of cancer with focus on colorectal cancer. Mol Biol Rep, 2021: 1-10. (doi: 10.1007/s11033-020-06110-1)

34 Nascimento B.L., Delabeneta M.F., Rosseto L.R.B., Junges D.S.B., Paris A.P., Persel C., Gandra R.F. Yeast mycocins: a great potential for application in health. FEMS Yeast Research, 20(3): foaa016. (doi: 10.1093/femsyr/foaa016)

35 Franca R.C., Concei^ao F.R., Mendon?a M., Mendon?a M., Haubert L., Sabadin G., de Oliveira P.D., Amaral M.G., da Silva W.P., Moreira A.N. Pichia pastoris X-33 has probiotic properties with remarkable antibacterial activity against Salmonella typhimurium. Appl Microbiol Biotechnol, 2015, 99: 7953-7961. (doi: 10.1007/s00253-015-6696-9)

36 Самбук Е.В., Музаев Д.М., Румянцев А.М., Падкина М.В. Киллер-токсины дрожжей Saccharomyces cerevisiae: синтез, механизмы действия и практическое использование. Генетические основы эволюции экосистем. 2019, 17(3): 59-73. (doi: 10.17816/ecogen17359-73)

37 Austriaco N. Yeast oral vaccines against infectious diseases. Front Microbiol.. 2023. 14: 1150412. (doi: 10.3389/fmicb.2023.1150412)

38 Dini I., De Biasi M.-G., Mancusi A. An overview of the potentialities of antimicrobial peptides derived from natural sources. Antibiotics (Basel)., 2022, 11(11): 1483. (doi: 10.3390/antibiotics11111483)

39 da Silva Santos M.F., Freitas C.S., da Costa G.C.V., Ribeiro Pereira P., Paschoalin V.M.F. Identification of antibacterial peptide candidates encrypted in stress-related and metabolic Saccharomyces cerevisiae proteins. Pharmaceuticals (Basel)., 2022, 15(2): 163. (doi: 10.3390/ph15020163)

40 Джакибаева Г., Саданов А., Исмаилова Э., Баймаханова Б., Молжигитова А., Баймаханова Г., Шемшура О., Тлеубекова Д., Елубаева А. Оценка ингибирующей активности коллекционных культур дрожжей против возбудителя бактериального ожога Erwinia amylovora. Микробиология жэне вирусология, 2023. 2(41), 173-182. (doi: 10.53729/MV-AS.2023.02.11)

41 Рябцева С.А., Сазанова С.Н., Дубинина А.А. Saccharomyces boulardii, как потенциальный пробиотик для инновационных пищевых продуктов. Современная наука и инновации, 2019, 2(26): 138-150. (doi: 10.33236/2307-910X-2019-2-26-138-150)

42 Upadhyay T.K., Trivedi R., Khan F., Al-Keridis L.A., Pandey P., Sharangi A.B., Alshammari N., Abdullah N.M., Yadav D.K., Saeed M. In vitro elucidation of antioxidant, antiproliferative, and apoptotic potential of yeast-derived P-1,3-glucan particles against cervical cancer cells. Front Oncol, 2022, 12: 942075. (doi: 10.3389/fonc.2022.942075)

43 Wani S.M., Gani A., Mir S.A., Masoodi F.A., Khanday F.A. P-Glucan: A dual regulator of apoptosis and cell proliferation. Int J Biol Macromol., 2021, 182: 1229-1237. (doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.05.065)

44 Bastos R., Oliveira P.G., Gaspar V.M., Mano J.F., Coimbra M.A., Coelho E. Brewer's yeast polysaccharides - A review of their exquisite structural features and biomedical applications. Carbohydr Polym, 2022, 277: 118826.9 doi: 10.1016/j.carbpol.2021.118826)

45 Reis S.F., Messias S., Bastos R., Martins V.J., Correia V.G., Pinheiro B.A., Silva L.M., Palma A.S., Coimbra M.A., Coelho E. Structural differences on cell wall polysaccharides of brewer's spent Saccharomyces and microarray binding profiles with immune receptors. Carbohydr Polym, 2023, 301(Pt B): 120325. (doi: 10.1016/j.carbpol.2022.120325)

46 Liepins J., Kovacova E., Shvirksts K., Grube M., Rapoport A., Kogan G. Drying enhances immunoactivity of spent brewer's yeast cell wall P-D-glucans. J Biotechnol, 2015, 206: 12-16. (doi: 10.1016/j.jbiotec.2015.03.024)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

47 Arévalo-Villena M., Fernandez-Pacheco P., Castillo N., Bevilacqua A., Briones Pérez A. Probiotic capability in yeasts: Set-up of a screening method. LWT, 2018, 89: 657-665. (doi: 10.1016/j.lwt.2017.11.047)

48 Homayouni-Rad A., Azizi A., Oroojzadeh P., Pourjafar H. Kluyveromyces marxianus as a probiotic yeast: A mini-review. Current Nutrition & Food Science, 2020, 16(8): 1163-1169. (doi: 10.2174/1573401316666200217113230)

49 Ochangco H.S., Gamero A., Smith I.M., Christensen J.E., Jespersen L., Arneborg N. In vitro investigation of Debaryomyces hansenii strains for potential probiotic properties. World J Microbiol Biotechnol, 2016, 32(9): 141. (doi: 10.1007/s11274-016-2109-1)

50 Oliveira T., Ramalhosa E., Nunes L., Pereira J.A., Colla E., Pereira E.L. Probiotic potential of indigenous yeasts isolated during the fermentation of table olives from Northeast of Portugal. Innov. Food Sci. Emerg. Technol, 2017, 44: 167-172. (doi: 10.1016/j.ifset.2017.06.003)

51 Fernandez-Pacheco Rodríguez P., Arévalo-Villena M., Rosa I.Z., Briones Pérez A. Selection of potential non-Sacharomyces probiotic yeasts from food origin by a step-by-step approach. Food Res. Int. 2018, 112: 143-151. (doi: 10.1016/j.foodres.2018.06.008)

52 Tamang J.P., Lama S. Probiotic properties of yeasts in traditional fermented foods and beverages. J ApplMicrobiol, 2022, 132(5): 3533-3542. (doi: 10.1111/jam.15467)

53 Alkalbani N.S., Osaili T.M., Al-Nabulsi A.A., Olaimat A.N., Liu S.-Q., Shah N.P., Apostolopoulos V., Ayyash M.M. Assessment of yeasts as potential probiotics: A review of gastrointestinal tract conditions and investigation methods. J Fungi (Basel), 2022, 8(4): 365. (doi: 10.3390/jof8040365)

54 Vergara Alvarez S.C., Leiva Alaniz M.J., Mestre Furlani M.V., Vazquez F., Agresti P.M., Nally M.C., Maturano Y.P. Bioprospecting of the probiotic potential of yeasts isolated from a wine environment. Fungal Genet Biol, 2023, 164: 103767. (doi: 10.1016/j.fgb.2022.103767)

55 Staniszewski A., Kordowska-Wiater M. Probiotic and potentially probiotic yeasts-characteristics and food application. Foods, 2021, 10(6): 1306. (doi: 10.3390/foods10061306)

М.Г. САУБЕНОВА1, Е.А. ОЛЕЙНИКОВА1*, А.Ж. АЛЫБАЕВА1, А.А. АМАНГЕЛД11,

Ж.Н. ЕРМЕКБАЙ1, И.Ю. ПОТОРОКО2 1Микробиология жэне вирусология гылыми -eндiрiстiк орталыгы, Алматы, ^азакстан 2Ощуспк-Орал мемлекетпк университет^ Челябинск, Ресей *e-mail: [email protected]

ПРОБИОТИКТЕР ЖЭНЕ АЦУЫЗ К0З1 РЕТ1НДЕ АШЫТЦЫ МИКРООРГАНИЗМДЕР1

TY^H

Азык-тYлiк пен жемшептщ тапшылыгы мен сапасыньщ тeмендеуi тенгерiмдi жэне арзан акуыз eнiмдерiнiн жаца кeздерiн iздеудi кажет етедi.Тамактан улану жэне семiздiк, аллергия, жYрек-;ан тамырлары аурулары жэне онкологиялык аурулар сиякты тамактанумен байланысты созылмалы аурулар проблемасына байланысты азык-тYлiк сапасы мацызды бола тYсуде.

Бiр жасушалы акуыз ет жэне ет ешмдерш тугынуга баламалардын бiрi болып табылады. Ашыткыларды адам мындаган жылдар бойы тамак eнiмдерiн ашыту Yшiн колданды, олар аминкышкылдарыныц, витаминдердiн, биологиялык белсендi пептидтердщ, хош иiстi жэне дэмдiк косылыстардын eндiрушiлерi болып табылады. Ашыткы микроорганизмдерi акуызынын жогары к¥рамы мен сапасы, биоактивт пептидтердiн, витаминдердiн, Р-глюкандардын, микоциндердщ жэне баска косылыстардын eндiрiлуi ашыткыны тагамдык, жемдiк жэне медициналык максаттагы протеин мен биологиялык белсендi заттардын перспективалык кeзiне айналдырады. ЭртYрлi ауылшаруашылык жэне eнеркэсiп калдыктарынан арзан жэне экологиялык таза ашыткы биомассасын алуга болады. Жалпы танылган пробиотикалык ашыткымен катар Saccharomyces cerevisiae var. boulardii, кeптеген баска ашыткылар казiргi уакытта элеуеттi пробиотиктер ретiнде карастырылуда. Б^л Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora, Kluyveromyces т^кымдасынын eкiлдерi. Зерттелетiн ашыткы микроорганизмдершщ пробиотикалык касиеттерiне иммуномодуляция, коздыргыштарды бэсекелестiк жою, iшек к¥рылысын жаксарту жэне кабынуды азайту жатады. Ашыткы биомассасы казiргi уакытта тендестiрiлген акуыздын перспективалы кeзi жэне халыктын денсаулыгын жаксартудын тиiмдi к¥ралы ретiнде карастырылады.

Кiлттi сездер: ашыткы, акуыз, биологиялык белсендi косылыстар.

IRSTI: 34.27.39

M.G. SAUBENOVA1, Ye.A. OLEINIKOVA1*, A.Zh. ALYBAYEVA1, A.A. AMANGELDI1,

Zh.N. YERMEKBAY1, I.Yu. POTOROKO2 1Research and Production Center for Microbiology and Virology, Almaty, Kazakhstan 2South Ural State University, Chelyabinsk, Russia *e-mail: [email protected]

YEAST MICROORGANISMS AS PROBIOTICS AND PROTEIN SOURCE doi:10.53729/MV-AS.2023.03.01

Abstract

The shortage and decrease in the quality of food and feed make it necessary to look for new sources of balanced and low-cost protein products. Food quality is becoming more and more important due to the problem of food poisoning and chronic diet-related diseases such as obesity, allergies, cardiovascular disease and cancer. Single cell protein is one of the alternatives to eating meat and meat products. Yeast has been used by humans for thousands of years for the fermentation of food products, they are producers of amino acids, vitamins, biologically active peptides, aromatic and flavor compounds. The high content and quality of the protein of yeast microorganisms, the production of bioactive peptides, vitamins, P-glucans, mycocins and other compounds make yeast a promising source of protein and biologically active substances for food, feed, and medical purposes. Cheap and environmentally friendly yeast biomass can be obtained from a variety of agricultural and industrial waste. Along with the generally recognized probiotic yeast Saccharomyces cerevisiae var. boulardii, many other yeasts are currently being considered as potential probiotics. These are representatives of the genera Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora, and Kluyveromyces. The probiotic properties of the studied yeast microorganisms include immunomodulation, competitive elimination of pathogens, improvement of the intestinal barrier, and reduction of inflammation. Yeast biomass is currently considered as a promising source of balanced protein and an effective means of improving public health. Keywords: yeast, protein, biologically active compounds.

Sustainable and rational food production is one approach to addressing the complex and interrelated problems of overpopulation, climate change, pollution and reduced resistance to infections. Microorganisms commonly consumed as part of fermented foods and more recently as probiotic food supplements can be repurposed to meet human nutritional requirements to represent a sustainable solution for the current food production system [1].

Yeasts are single-celled eukaryotic microorganisms that are widely distributed in the environment and are also present in many traditional fermented foods and beverages, both beneficial and food spoilage [2]. Yeast has been known to people for thousands of years as it has been used in traditional fermentation processes such as wine, beer and bread. The main functional roles of yeast in food fermentation include enzymatic, mainly amylolytic activity, production of alcohol and various valuable metabolites [3], as well as probiotic effects exhibited by several yeast species [4, 5]. Biotechnology, including medical applications, depends on yeast as a biofermenter for the production of many industrial products, including pharmaceuticals [6].

The most widely used yeast species in industry and biotechnological research is Saccharomyces cerevisiae. They have the status of "generally recognized as safe" (GRAS) microorganism for food. S. cerevisiae is the best studied eukaryote and a valuable tool for most aspects of basic eukaryotic research. Unlike other model organisms, S. cerevisiae simultaneously has a wide application in various fields of biotechnology. The biotechnological utility of S. cerevisiae lies in its unique biological characteristics, i.e. its ability to ferment with the formation of alcohol and carbon dioxide, and its resistance to adverse conditions of osmolarity and low pH. Yeasts are used in biotechnology both in monocultures and in combination with other beneficial microorganisms involved in these processes [7, 8].

Yeast for a balanced diet

The world is already experiencing a significant shortage of food and feed, as well as a decrease in their quality. Meanwhile, according to the UN forecast, it is expected that the growth of the world's population in the next 30 years will increase from 8 to 10 billion, which indicates the need for an urgent increase in food production, both of plant and animal origin. Under the current conditions, it seems unrealistic to expand the area under crops, as well as increase the production of meat and milk due to the low efficiency of converting feed into these products. To meet the growing demand for protein, it is necessary to find ways to intensify this branch of the national economy, in particular, to increase the capacity of biotechnological production of various kinds of biologically active additives, designed to fill the shortage of essential nutrients for the population and feed for farm animals. A potential option is a unicellular protein that can be used as a replacement for protein deficiency, both in human nutrition and in animal feed [9].

Especially acute is the issue of protein deficiency, which is most pronounced in poor and developing countries. Thus, in half of the African countries, people consume only up to 10 kg of meat per person per year, while worldwide this value is about 43 kg of meat per year, in Europe -80 kg, and in the USA and Australia even more than 100 kg [10]. It should be noted that both under and over consumption of red meat is increasingly becoming a public health problem in both cases. Numerous studies have found that a high level of meat consumption is associated with an increased risk of mortality from cardiovascular diseases [11, 12], diabetes [13], non-Hodgkin's lymphoma, bladder cancer, breast cancer, colorectal cancer, endometrial cancer, esophagus, stomach, lungs, nasopharynx, prostate, etc [14, 15].

Therefore, one of the world's most pressing problems for a growing population is the production of easily accessible protein products that do not adversely affect health with an optimal composition of amino acids and a good quantity and quality of fats produced in an environmentally friendly way.

Given population growth and food shortages, finding alternative sources of protein for human consumption is a pressing issue that needs to be addressed, especially in developing countries. In this context, microbial bioconversion of valuable materials into nutrient microbial cells represents a sustainable alternative to the food chain. Microbial protein, also known as unicellular protein, consists of the biomass of algae, fungi or bacteria that are currently used as a food source for both humans and animals. In addition to contributing as a sustainable source of protein to feed the world, microbial protein production is important to reduce waste disposal problems and production costs in line with sustainable development goals [16].

In search of innovative methods for the production of food products that are a source of easily digestible protein with a balanced amino acid composition, it was shown that one of the best options is a cheap and environmentally friendly biomass of microorganisms, which also contains microelements and vitamins, including group B, with a practically unlimited scale. production, using inexpensive media for biomass growth, including various agricultural and industrial waste, which in turn contributes to environmental protection. Of particular importance is the production of unicellular protein from yeast biomass, which can be used as an additive to the normal diet of humans, as well as farm animals. Yeast biomass, as well as their metabolic products, can be used as additives in various food and feed products as a concentrate of vitamins, flavor enhancers, and also to improve their structure [9, 17, 18] (Figure 1).

Figure 1 - The contribution of yeast microorganisms to the food industry and medicine

Microorganisms have attracted attention as a new food source due to their low carbon footprint, low reliance on land, water and seasonal fluctuations, combined with a favorable nutritional profile, as well as being used to produce whole foods from their biomass and using them as cell factories for manufacturing highly functional and nutritious ingredients [19]. Microorganisms can produce tasty and healthy microbial products with minimal environmental impact. Future advances in knowledge-intensive fermentation, synthetic biology, and the use of sustainable raw materials will enable the creation of a new generation of microbial food products, potentially influencing the sustainability, resilience, and health impacts of our food system [20].

The nutritional value of products can also be enhanced by their fermentation by yeast, folic acid producers, the synthesis of which largely depends on the type and strain of yeast, as well as the conditions of their cultivation [21, 22]. It has been shown that some yeast strains can adsorb more than 40% of the added aflatoxin B1, as well as reduce the total cyanide content, for example, in fermented products [23] (Figure 1).

Yeast for medical purposes

In addition to the main role of nutrition in the growth and development of the body, some additional aspects are becoming increasingly important in counteracting diseases. Food quality is becoming more and more important due to the problem of food poisoning and chronic diet-related diseases such as obesity, allergies, cardiovascular disease and cancer. Many studies indicate the health benefits of using probiotics in human nutrition by increasing the body's immunity [24, 25]. Probiotics play a critical role in innate and adaptive immune modulation by balancing the gut microbiota to fight viral infections, secondary bacterial infections, and microbial dysbiosis. There are recommendations for the use of probiotics as functional foods or even medicines [24, 26].

Yeast as a probiotic

In the case of yeast, only S. cerevisiae and S. cerevisiae var. boulardii are officially recognized as probiotics [27]. This species has abilities such as improved digestion of certain food ingredients, antimicrobial activity, and even therapeutic properties. Its general mechanisms of probiotic action in the treatment of gastrointestinal diseases cover many facets, including immune regulation, antimicrobial production, competitive elimination of pathogens, maintenance of intestinal barrier integrity, gut trophic effects, and antioxidant activity. Future perspectives regarding the curative effects of S. cerevisiae var. boulardii (S. boulardii) are also used and

discussed based on a new and attractive therapeutic concept in the latest scientific literature [28]. Its probiotic activity has been attributed to a combination of several pathways ranging from improved gut barrier function, competitive exclusion of pathogens, production of antimicrobial peptides, immunomodulation and trophic effects. A review by Pais et al [29] summarizes the involvement of S. boulardii in these mechanisms and the multifactorial nature by which this yeast modulates the host microbiome and gut function.

In mice, supplementation with S. boulardii for their colitis was shown to significantly prevent weight loss and colon shortening, reduce colon inflammation, improve epithelial damage, and improve intestinal barrier integrity in mice with colitis. By suppressing the abundance of pathogenic bacteria, S. boulardii improves microbial diversity and eliminates microbiota dysbiosis. Moreover, it modulated the microbial metabolome and altered the relative content of metabolites, including amino acid, lipid, energy, and vitamin metabolism. These yeast-induced shifts in gut flora and metabolites are related to each other and to the inflammation profile in colitis. Collectively, S. boulardii exerts a protective effect on colitis in mice by altering the gut microbiome and its metabolic profile, indicating its promising therapeutic direction [30].

The yeast S. boulardii is currently used worldwide as a popular commercial probiotic, but the basis of its probiotic action remains unclear. It is considered conspecific with the budding yeast S. cerevisiae, which is commonly used in classical foods. They share an almost identical genome sequence, making the genetic basis for the probiotic activity of S. boulardii puzzling. S. boulardii has been shown to produce unusually high levels of acetic acid at 37°C, which strongly inhibits bacterial growth in agar diffusion assays and may be vital to its unique use as a probiotic among yeasts. The first molecular explanation for why S. boulardii may have a more pronounced probiotic effect than S. cerevisiae may be due to strain-specific mutations within the same species. It is assumed that the acquisition of antibacterial activity due to environmental acidification gives S. boulardii a selective advantage in its ecological niche and for its use as a probiotic [31]. It is possible that specific phenotypic differences make this strain more suitable for the gut microenvironment, for example due to better acid and heat tolerance. Several animal host studies suggest that S. boulardii can be used as a biotherapeutic agent in humans as well. Clinical trials show that it may relieve symptoms of gastrointestinal infections to some extent, but further trials are needed to understand the full therapeutic potential of S. boulardii. Improving probiotic function with artificial yeast is an attractive future avenue, although genome modification tools for use in S. boulardii have been limited until recently. A review by Sen and Mansell [32] summarized the observed probiotic effect of these yeasts and considered current genomic engineering tools that could help improve their probiotic properties.

The use of probiotics as an adjuvant therapy in the clinical treatment of cancer appears to be a promising strategy with several notable benefits, such as increased safety, better tolerability, and few gastrointestinal (GI) side effects. Both in vivo and in vitro assays have shown an active role for yeast probiotics in reducing the rate of cancer cell proliferation and inducing apoptosis by regulating the expression of cancer-associated genes and cellular pathways. The repeatedly confirmed anticancer activity of individual yeast strains strongly suggests that their use together with modern cancer treatment methods can be effective [33].

Producers of mycocins and antimicrobial peptides

In recent years, due to the emergence of microbial resistance to antibiotics, there has been an urgent need to find alternative antimicrobials. It was shown that mycocins (killer toxins) synthesized by yeast have a good potential for clinical use as substances exhibiting antibacterial, antifungal, and antiprotozoal activity [34]. Another study performed with the yeast Pichia pastoris demonstrated growth inhibition of Salmonella typhimurium and reduced bacterial adhesion to HCT-116 human colorectal cancer cells [35]. Mycocins, showing activity against various types of microorganisms, are minimally toxic to human cells. This, and the fact that resistance development has not been reported, makes these molecules compounds with high potential as antimicrobials. In addition, mycocins are being studied in the development of vaccines and are used as epidemiological markers. The mechanisms of the formation of killer toxins in yeast cells are

associated with both chromosomal genes and the presence of viruses containing double-stranded RNA in the cytoplasm [36]. Interestingly, for the manifestation of killer activity, the presence of two types of viruses is necessary: helper viruses and killers.

One of the new uses of probiotic yeast is its use as an orally administered vaccine. This is relevant not only for gastrointestinal diseases, but also for the transport of candidate antigens into the intestinal immune system [37].

With the fear of antibiotics and the emergence of antibiotic-resistant microorganisms, there is an interest in peptides - components of the innate immune system of any living organism. Antimicrobial peptides can act by destroying the microbial membrane or without affecting its stability. Through membrane or metabolic disruption, they protect the body from invading bacteria, viruses, protozoa, and fungi. High efficacy and specificity, low drug interactions and toxicity, thermal stability, water solubility and biodiversity suggest their use in the food industry, medicine, agriculture, animal husbandry and aquaculture. Nanocarriers can be used for protection, delivery, and performance enhancement through bioavailability. A review by Dini et al. [38] summarizes the natural sources, structure, mode of action, and application of microbial peptides in the food and pharmaceutical industries.

The protein-rich nature of S. cerevisiae has drawn attention to this yeast in the search for antimicrobial peptides. Here, an extract rich in peptides weighing less than 10 kDa and exhibiting antibacterial activity was obtained by autolysis of yeast biomass under moderate heat treatment with self-proteolysis by endogenous peptidases. The calculated IC50 for peptide pools obtained by FPLC gel filtration indicates improved antibacterial activity against foodborne bacteria and bacteria of clinical interest. It should be noted that the fractions are safe, at least in mixture format, for human tissues. S. cerevisiae biomass peptides, an unconventional but abundant source of pharmaceuticals, may be promising adjuvants for the treatment of infectious diseases that are poorly sensitive to conventional antibiotics [39].

There is evidence of suppression by yeast of bacteria important for phytopathology [40]. The effect is presumably associated with the high production of individual fusel oils and ethyl acetate.

Of interest is the ability of probiotic yeast to destroy the toxins of pathogenic microorganisms. For example, the 54 kDa S. boulardii serine protease inhibits the enterotoxic and cytotoxic activity of Clostridium difficile by proteolyzing toxin A and its receptors [41].

Yeast is a producer of P-glucans

Glucan, a cell wall polysaccharide isolated from baker's yeast S. cerevisiae, exhibits cytotoxicity against various cancer cell lines in vitro. It has been shown that P-glucan can slow down the growth of cervical cancer cells, and additional research will reveal its anticancer potential more fully [42]. Extracts of P-glucan, a yeast cell wall polysaccharide, have shown positive effects in controlling tumor cell proliferation and activating the immune system. The immunomodulatory effect of P-glucans enhances the antitumor defense of the host organism against cancer. In accordance with the above, many studies have shown that treatment with P-glucan leads to the induction of apoptotic death of cancer cells. P-glucan may be a potential therapeutic agent for cancer treatment The effect of P-glucan on immunomodulation, proliferation, and death of cancer cells and the possible mechanisms and pathways involved in these processes are discussed in more detail by Wani et al. [43].

Recent advances in the study of brewer's yeast cell wall polysaccharides have revealed the structural features and diverse composition of glucans that interact with various cellular receptors and trigger specific biological reactions. Bastos et al. [44] presented a comprehensive demonstration of the structural-biofunctional relationships between yeast polysaccharides and their biological targets, with an emphasis on the properties of polysaccharides that regulate biomedical activity. The insolubility of P-glucans is a critical factor for the binding and activation of the Dectin-1 receptor, which acts as an adjuvant to the immune response. In contrast, soluble small molecular weight P-glucans have strong inhibition of reactive oxygen species production, acting as antagonists of Dectin-1 mediated signaling. Soluble protein-glucan fragments can also act as antitumor agents, while the branching of (P1^6)-glucans provides a higher affinity for

receptors. Glucans are a major component of S. cerevisiae, while mannoproteins are abundant in Saccharomyces pastorianus. Different polysaccharides have different binding profiles with immune receptors, which is important for the development of individual bioactive drugs [45].

It is assumed that dry spent brewer's yeast biomass can be used as a cheap source for high-quality extraction of P-D-glucan. Drying in combination with carboxylmethylation confers spent brewer's yeast P-D-glucan immunoactivity similar to or superior to that of the well-studied fungal biological response modifier pleura [46].

New species of potentially probiotic yeast

In recent years, there has been increasing interest in identifying new yeasts with potentially probiotic properties. New isolates are isolated from various foods and media such as fruits and vegetables, fermented foods and drinks, industrial dairy waste, etc. They must have all the properties required for probiotics, meet safety requirements and have good processing properties. Isolation of different species from different media allows the discovery of new probiotic strains with innovative biochemical properties, such as the ability to extracellularly secrete lactase, which may confer additional ability to digest whey used as a dietary supplement in animal feed.

In addition to S. cerevisiae var. boulardii, new yeasts with potentially probiotic properties from the genera Debaryomyces, Hanseniaspora, Pichia, Meyerozyma, Torulaspora and others, isolated from food and ecological habitats, have also recently been introduced. Recent studies report potential probiotic yeasts belonging to the species Kluyveromyces marxianus and Pichia kudriavzevii [47, 48]. The European Food Safety Authority (EFSA) has awarded the yeast K. marxianus the status of QPS (Qualified Presumption of Safety).

Ochangco et al. [49] studied strains of Debaryomyces hansenii obtained from cheese and fish intestines. During the study, they selected the DI 02 strain as the best probiotic due to its outstanding ability to withstand gastrointestinal stress, attach to Caco-2 cells and mucin, and elicit a stronger anti-inflammatory response than S. cerevisiae var. boulardii (the authors used the ratio of the anti-inflammatory cytokine IL-10 to the pro-inflammatory cytokine IL-12 as an indicator of anti-inflammatory properties). Another strain, DI 09, attached more strongly to Caco-2 cells and mucin. Two strains (DI 10 and DI 15) induced a higher IL-10/IL-12 ratio than S. cerevisiae var. boulardii, which indicates a higher anti-inflammatory effect on human dendritic cells. The results reported by Oliveira et al [50] suggest that some yeasts isolated from fermented table olives, such as Pichia guilliermondii 25A and Candida norvegica 7A, have probiotic potential due to their resistance to simulated digestive tract conditions at the same level as S. cerevisiae var. boulardii, the reference strain used in the study. Of the 108 identified yeast strains of various origins, Rodriguez et al. showed that two yeast strains, Hanseniaspora osmophila and Pichia kudriavzevii, were the most promising strains based on the statistical analysis applied at each breeding step [51]. There is information about the presence of potential probiotic yeast in some traditional fermented foods and drinks [52]. In addition, adaptation mechanisms are being developed that underlie the survival of probiotic yeast in the conditions of the gastrointestinal tract and salt stress [53]. In a study by Vergara Alvarez et al. [54], out of 96 newly isolated yeast strains, 15 yeast isolates other than Saccharomyces had suitable properties as probiotic candidates. The local strains performed better than the reference probiotic strain S. cerevisiae var. boulardii CNCM I-745 confirming that they are promising candidates for use as a probiotic. Due to the intensively developing research on probiotic yeast, many discoveries and perhaps even evolution in the segment of probiotics available on the market can be expected in the coming years [55].

Conclusion

Due to the need to expand the food base, the use of yeast as a source of balanced and easily digestible protein seems reasonable and promising. The production of peptides, polysaccharides, vitamins and other biologically active compounds by yeast, as well as the ability of certain species recognized and recommended as probiotics, to have diverse positive effects in the human and animal body, contributes to the recognition of these microorganisms as a partial alternative to ruminant protein and their wider range. application in medicine.

References:

1 Choi K.R., Yu H.E., Lee S.Y. Microbial food: microorganisms repurposed for our food Microb Biotechnol, 2022, 15(1): 18-25. (doi: 10.1111/1751-7915.13911)

2 Riesute R., Salomskiene J., Moreno D.S., Gustiene S. Effect of yeasts on food quality and safety and possibilities of their inhibition. Trends in Food Science & Technology. 2021, 108: 1-10. (doi: 10.1016/j .tifs.2020.11.022)

3 Maicas S.The role of yeasts in fermentation processes. Microorganisms, 2020, 8(8): 1142. (doi: 10.3390/microorganisms8081142)

4 Coulibaly W.H., Bouatenin K.M.J.-P., Boli Z.B.I.A., Alfred K.K., Bi Y.C.T., N'sa K.M.C., Cot M., Djameh C., Dje K.M. Influence of yeasts on bioactive compounds content of traditional sorghum beer (tchapalo) produced in Cote d'Ivoire. Curr Res Food Sci, 2020, 3: 195-200. (doi: 10.1016/j.crfs.2020.06.001)

5 Staniszewski A., Kordowska-Wiater M. Probiotic and potentially probiotic yeasts-Characteristics and food application. Foods. 2021, 10(6): 1306. (doi: 10.3390/foods10061306)

6 Abdulkhair, W. M. H. (Ed.). The Yeast Role in Medical Applications. InTech., 2018. (doi: 10.5772/intechopen.69408)

7 Parapouli M., Vasileiadis A., Afendra A.-S., Hatziloukas E. Saccharomyces cerevisiae and its industrial applications. AIMS Microbiol, 2020, 6(1): 1-31. (doi: 10.3934/microbiol.2020001)

8 Abdresh H., Asembaeva Je., Rjabova,A., Myrzabek K., Sejdahmetova, Z. Issledovanie pokazatelej kachestva produktov smeshannogo brozhenija. Mikrobiologija zhane virusologija, 2023, 2(41): 144-160. (doi: 10.53729/MV-AS.2023.02.09)

9 Ritala A., Häkkinen S.T., Toivari M., Wiebe M.G. Single cell protein-state-of-the-art, industrial landscape and patents 2001-2016. Front Microbiol, 2017, 8: 2009. (doi: 10.3389/fmicb.2017.02009)

10 Ritchie H., Roser M. Meat and dairy production. Our World in Data, 2017. (URL: https://ourworldindata.org/meat-production)

11 Al-Shaar L, Satija A, Wang D D, Rimm E B, Smith-Warner S A, Stampfer M J., Hu F.B., Wilett W.C. Red meat intake and risk of coronary heart disease among US men: prospective cohort study BMJ, 2020, 371:m4141. (doi: 10.1136/bmj.m4141)

12 Papier K., Knuppel A., Syam N., Jebb S.A., Key T.J. Meat consumption and risk of ischemic heart disease: A systematic review and meta-analysis, Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2023, 63(3), 426-437. (doi: 10.1080/10408398.2021.1949575)

13 Sanders L.M., Wilcox M.L., Maki K.C. Red meat consumption and risk factors for type 2 diabetes: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Eur J Clin Nutr, 2023, 77, 156-165. (doi: 10.1038/s41430-022-01150-1)

14 Farvid M.S., Sidahmed E., Spence N.D., Angua K.M., Rosner B.A., Barnett J.B. Consumption of red meat and processed meat and cancer incidence: a systematic review and meta-analysis of prospective studies. Eur J Epidemiol, 2021, 36, 937-951 https://doi.org/10.1007/s10654-021-00741-9

15 Huang Y., Cao D., Chen Z., Chen B., Li J., Guo J., Dong Q., Liu L., Wei Q. Red and processed meat consumption and cancer outcomes: Umbrella review. Food Chemistry, 2021, 356, 129697. (doi: 10.1016/j .foodchem.2021.129697)

16 Alves S.C., Diaz-Ruiz E., Lisboa B., Sharma M., Mussatto S.I., Thakur V.K., Kalaskar D.M., Gupta V.K., Chandel A.K. Microbial meat: A sustainable vegan protein source produced from agri-waste to feed the world. Food Res Int, 2023, 166: 112596. (doi: 10.1016/j.foodres.2023.112596)