CC BY
89
УДК 579.66:663.18
И. А. Шевченко*, М. Д. Шустов, А. С. Дерунец, А. В. Белодед, А. Е. Кузнецов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: shevchenko.irina.alexandrovna@gmail.com
ИСТОЧНИКИ АЗОТА В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСНЫХ СРЕД ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО КРУПНОТОННАЖНОГО СИНТЕЗА МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ
В работе исследовалась возможность применения растительных, животных, дрожжевых гидролизатов и экстрактов в качестве источника азота и факторов роста для культивирования молочнокислых бактерий - потенциальных промышленных продуцентов молочной кислоты. В ходе культивирования анализировались такие показатели, как концентрация молочной кислоты, выход продукта, продуктивность, потребление углеводного субстрата и др. Установлено, что для реализации процесса крупнотоннажного получения молочной кислоты перспективными источниками органического азота и факторов роста являются соевая мука, обработанная термобаромеханическим способом, и ее белковый концентрат.
Ключевые слова: молочная кислота, молочнокислые бактерии, источники азота, факторы роста.
В настоящее время молочная кислота применяется в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой и косметической промышленностях, в кожевенном и текстильном производстве, а также при производстве лекарственных препаратов. Весьма перспективным выглядит применение молочной кислоты в качестве предшественника для синтеза различных ценных реагентов, растворителей и полилактида. Последний является основой для производства
биодеградируемых пластмасс [1], чьи свойства позволяют использовать их в медицине в качестве шовных нитей и для изготовления безопасной для окружающей среды полимерной упаковки.
Наиболее рациональным способом производства молочной кислоты на сегодняшний день является микробный синтез с использованием различных молочнокислых микроорганизмов. Одними из наиболее продуктивных являются бактерии рода Lactobacillus [2], однако, они также известны как весьма требовательные к составу среды, наличию аминокислот, витаминов и других факторов роста. Источником таких азотсодержащих органических веществ могут служить разнообразные растительные, животные, дрожжевые гидролизаты и экстракты - необходимые компоненты комплексных питательных сред для культивирования молочнокислых бактерий. Как правило, именно эти компоненты существенно повышают стоимость питательных сред и, следовательно, продукта -молочной кислоты [3, 4].
Целью данной работы было изучение характеристик роста и продуктивности молочнокислых бактерий Lactobacillus paracasei при культивировании на комплексных средах с различными источниками азота и факторов роста, использование которых должно обеспечить высокий выход и снижение себестоимости молочной кислоты при ее крупнотоннажном производстве.
Культивирование L. paracasei проводили при температуре 37 иС в колбах Эрленмейера, (объем 250 мл, рабочий объем 150 мл).
В качестве основной питательной среды использовали среду следующего состава: глюкоза -20 г/л, источник азота и ростовых факторов (1 - 7) -10 г/л, К2НРО4 -2,5 г/л, MgSO4 -2 г/л, MnSO4 - 0,02 г/л.
В качестве источников азота и ростовых факторов в ходе эксперимента были выбраны: дрожжевой экстракт (1); соевая мука, обработанная термобаромеханическим способом (2); концентрат соевого белка (3); куриный пептон (4); лиофилизированные кормовые дрожжи (5); пептон из рыбьей чешуи (6); соевый пептид (7).
Инокулятом служила суточная культура, выращенная на стандартной среде MRS: аминотон -20 г/л, глюкоза - 20 г/л, натрий уксуснокислый - 5 г/л, цитрат аммония - 2 г/л, дрожжевой экстракт - 5 г/л, К2НРО4 - 2 г/л, MgSO4 -0,2 г/л, MnSO4 - 0, 05 г/л.
В ходе культивирования определялись следующие основные характеристики: концентрация биомассы, концентрация глюкозы, концентрация молочной кислоты, количество жизнеспособных клеток (КОЕ), степень потребления углеводного субстрата (глюкозы), выход продукта (молочной кислоты) и продуктивность процесса. Концентрацию глюкозы измеряли эбулиостатическим методом определения редуцирующих сахаров, содержание молочной кислоты в культуральной жидкости определяли потенциометрическим титрованием в изопропаноле 1%-ным раствором NaOH. О концентрации биомассы судили по оптической плотности проб, которую измеряли при длине волны 505 нм, ФЭК «Экотест 2020».
Основные показатели культивирования Lactobacillus paracasei и синтеза молочной кислоты на средах с различными источниками азота и факторов роста приведены в таблице 1.
Таблица 1. Показатели культивирования Ь. paracasei на средах с различными источниками азота и факторов роста
Источник, № Показатель 1 2 3 4 5 6 7
Начальное содержание углеводов (глюкоза), г/л 20 20 20 20 20 20 20
Продолжительность культивирования, ч 27 27 27 34 34 41 41
Концентрация биомассы, г/л 0,95 0,98 0,96 2,2 2,25 0,55 0,56
Количество жизнеспособных клеток (на конец культивирования), КОЕ/мл 8*10» 7,9*10» 7*1011 1*109 1*1011 7,4*108 4,9*1010
Остаточное содержание углеводов, г/л 3,3 3,7 3,4 5,3 7,3 12,2 12,6
Степень потребления углеводов, % 83,5 81,5 83 73,5 63,5 61 63
Концентрация молочной кислоты, г/л 19,5 17,1 16,1 17,2 13,7 9,9 10,1
Продуктивность, г/л*ч 0,9 0,75 0,63 0,62 0,56 0,23 0,15
Выход продукта, % 97,5 85,5 80,5 86 68,5 49,5 50,5
По результатам исследования были выбраны два источника азота и факторов роста, при использовании которых показатели
культивирования L. paracasei максимально приближены к показателям культивирования на среде с дрожжевым экстрактом (типичным источником азота и факторов роста для молочнокислых бактерий). Эти альтернативные источники азота - соевая мука, обработанная термобаромеханическим способом и ее белковый концентрат, полученный в лабораторных условиях. Куриный пептон также мог бы служить заменой дрожжевому экстракту, но показал пониженное содержание жизнеспособных клеток на конец культивирования, что может служить препятствием для непрерывных промышленных способов получения молочной кислоты.
На рис. 1 - 3 приведены кривые роста культуры L. paracasei, синтеза молочной кислоты и потребления углеводов на средах с дрожжевым экстрактом, соевой мукой и соевым белковым концентратом.
Из рис. 1-3 и табл. 1 следует, что при культивировании на средах, в составе которых дрожжевой экстракт был заменен на соевую муку и белковый концентрат, культура микроорганизмов не испытывала стресса, выражаемого продолжительной ^-фазой, снижением бродильной активности. Концентрация молочной кислоты достигала высоких значений в первые десять часов культивирования, выход продукта составил 85,5% и 80,5% соответственно, что свидетельствует о возможности использования данных источников азота в составе комплексных сред для получения молочной кислоты.
Концентр ация биомассы
Концентр ация
МОЛОЛНОЦКИСЛОТЫ
Концентр ация глюкозы
Рис. 1. Культивирование Lactobacillus paracasei на среде, содержащей дрожжевой экстракт.
20 1,2
- Концентр .11 INK
биомассы
- Концентр ация молочной кислоты
—в— Концентр ация глюкозы
0
0 5 10 15 20 25 3«
Bp емя, ч
Рис. 2. Культивирование Lactobacillus paracasei на среде, содержащей соевую муку
Концгагр 1Ш1Н биомассы
Концентр :1шш молочной кислоты
Концентр лция
ГЛЮК01Ы
Рис. 3. Культивирование Lactobacillus paracasei на среде, содержащей соевый белковый концентрат
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (ID проекта: RFMEFI57714X0037).
Шевченко Ирина Александровна, студентка 3 курса кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Шустов Максим Дмитриевич, студент 2 курса кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Дерунец Алиса Сергеевна, аспирантка 1 года кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Белодед Андрей Васильевич, к.б.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кузнецов Александр Евгеньевич, к. т.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Lunt J. Large-scale production, properties and commercial applications of polylactic acid polymers // Polym. Degrad. Stabil. - 1998. - Vol. 59. - P. 145-152.
2. Abdel-Rahman M. A., Tashiro Y. and Sonomoto K. Recent advances in lactic acid production by microbal fermentation processes // Biotechnol. Adv. - 2013. - Vol. 31. - P.877 - 902.
3. Martinez F. A. C., Balciunas E. M., Salgado J. M., González J. M. D., Converti A., Oliveira R. P. S. Lactic acid properties, applications and production: A review // Trends Food. Sci. Tech. - 2013. - Vol. 30. - P. 70-83.
4. Pang X., Zhuang X., Tang Z., Chen X. Polylactic acid (PLA): research, development and industrialization // Biotechnol. J. - 2010. - Vol. 5, No 11. - C. 1125-1136.
Shevchenko Irina Alexandrovna*, Shustov Maxim Dmitrievich, Derunets Alice Sergeevna, Beloded Andrey Vasil'evich, Kuznetsov Alexander Evgen 'evich.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
* e-mail: shevchenko.irina.alexandrovna@gmail.com
SOURCES OF NITROGEN IN THE COMPLEX MEDIA FOR LARGE MICROBIOLOGICAL SYNTHESIS OF LACTIC ACID
Abstract
In the work we investigated the possibility of usage of plant, animal and yeast extracts and hydrolysates as source of nitrogen and growth factors for cultivation of lactic acid bacteria - potential industrial producers of lactic acid. In the course of cultivation, such factors as the concentration of lactic acid, the product yield, productivity, carbohydrate substrate consumption, and others were analyzed. It was found that such sources of organic nitrogen and growth factors as soy flour and its protein concentrate are potentially profitable for the implementation of large-scale lactic acid producing process.
Key words: lactic acid, lactic acid bacteria, nitrogen sources, growth factors.
0 5 10 15 20 25 30
Время, "i
