CC BY
33
УДК 663./664:663.13:663.12/.14(045) 001: 10.24411/0235-2486-2019-10093
Некоторые закономерности твердофазного культивирования дрожжей на негидролизованном растительном сырье
В. И. Родригес, аспирант; Е.А. Лаптева, канд. биол. наук; Е.Г. Борисенко, д-р техн. наук Московский государственный университет пищевых производств
Реферат
Необходимо разработать альтернативные технологии для производства обогащенных продуктов на промышленном уровне. В этой статье показано исследование, разработанное на кафедре «Биотехнология и технология продуктов биоорганического синтеза» МГУПП по оптимизации биоконверсии растительного сырья с использованием дрожжей для его возможного применения в создании новых продуктов питания, обогащения кормов и почв. Для ферментации в твердой фазе в качестве субстратов использовались пшеничные отруби, травяная мука и пшеничная солома в чашках Петри с влажностью около 50%. Использовали дрожжи рода Pichia anomala 9a (извлеченные из коровьего молока) и Pichia guilliermondii Я1 (извлеченные из грудного молока). В качестве основы жидкой питательной среды для выращивания дрожжей для обогащения почвы органическим веществом в процессе ферментации использовался новый малоизвестный материал: взбитая соснов-ская мука (№ 1 в Центральной России), предварительно высушенная. Дрожжевую культуру в твердой фазе производили на стерильных и нестерильных субстратах. Оценка скорости роста дрожжей во всех культурах осуществлялась прямым подсчетом клеток в горяевской камере после серийных разведений. Более дешевая и гетерогенная среда по сравнению с деловой средой Сабуро приводит к лучшим результатам и не производит наихудших дрожжей. Этот вариант среды для условий производства может быть очень многообещающим при возобновлении производства высокопроизводительных дрожжей. Наибольший интерес представляет факт более высокой производительности многих дрожжей, выделенных нами на нестерильных субстратах, поскольку на промышленном уровне он может оказывать большое влияние на издержки производства, так как делает эту технологию более выполнимой.
Ключевые слова
Pichia guilliermondii Я1, Pichia anomala 9а, негидролизованный, пшеничные отруби, растительное сырье, твердофазный Цитирование
Родригес В.И., Лаптева Е. А., Борисенко Е.Г. (2019) Некоторые закономерности твердофазного культивирования дрожжей на негидролизованном растительном сырье // Пищевая промышленность. 2019. № 6. С. 71-73.
About some regularities of the solid-phase media cultivation of yeast on non-hydrolyzed vegetable raw materials
V. I. Rodriguez, graduate student; E. A. Lapteva, Candidate of Biological Sciences; E. G. Borisenko, Doctor of Technical Sciences Moscow State University of Food Production
Abstract
It is necessary to develop an alternative's technologies for the production of enriched foods at large scale. This article shows the research developed in the Biotechnology's Department of the MGUPP focused in the optimization of the bioconversion of vegetable raw materials using yeasts for its application in the creation of new food products as well feed and soil enrichment media. During the fermentation's stage in the solid phase, the substrate used were the following: wheat bran, grass flour and wheat straw in Petri dishes with a humidity of approximately 50%. Genus Pichia anomala 9a (extracted from cow's milk) and Pichia guilliermondii (extracted from human breast milk) were the yeast used during the investigation. As the basis of a liquid nutrient medium for the cultivation of yeast to enrich the soil with organic matter, a new material was used in the fermentation process: Hogweed Sosnovsky flour (No. 1 of Central Russia) that was previously dried. Yeast culture in solid phase was carried out on both sterile and non-sterile substrates. The evaluation of the growth rate of the yeast in all the cultures was carried out by direct counting of the cells in the Goryaev chamber after serial dilutions. A cheaper and heterogeneous environment, compared to the usual environment of Saburo, produces the best results. This variation of the environment for the production's conditions can be very promising when the need for its production will be a highest level. The greatest interest is the fact that it has a higher productivity from among many yeasts isolated by us on non-sterile substrates. It could have at industrial's level a great impact on production costs to diminish them because it makes this technology more feasible.
Key words
Pichia guilliermondii 31, Pichia anomala 9a, solid phase, non-hydrolyzed, vegetable raw materials, wheat bran Citation
Rodriguez V.I., Lapteva E.A., Borisenko E.G. (2019) About some regularities of the solid-phase media cultivation of yeast on non-hydrolyzed vegetable raw materials // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost. 2019. № 6. P. 71-73.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Введение. Дрожжевой кормовой белок, получаемый в СССР на гидролизатах целлюлозного сырья и на углеводородах нефти, в рационах сельскохозяйственных животных показал себя высокоценным обогатителем кормов [1, 2]. Однако при реанимации промышленного животноводства России советский опыт вряд ли может использоваться в полной мере из-за значительно изменившихся экономических возможностей страны. Нужно создавать альтернативные технологии производства обогатителей кормов, а может быть, и пищи, которые смогут сделать более реальным процесс крупнотоннажной биоконверсии растительного сырья в стране.
В этом плане очень большой интерес представляют технологии микробной про-теинизации растительного сырья (сои, арахиса, риса и т. п.), традиционно использующегося в целом ряде стран Юго-Восточной Азии, прежде всего для производства ферментированных пищевых продуктов [3, 4].
Азиатские технологии обычно для этих целей используют твердофазное культивирование полимикробных комплексных заквасок (грибы, дрожжи, актиномицеты и бактерии в ансамбле) с длительным технологическим процессом.
В ряде работ кафедры «Биотехнология и технология продуктов биоорганического синтеза» МГУПП уже исследовался процесс твердофазной чисто дрожжевой биоконверсии съедобного твердого растительного сырья с целью его протеини-зации [5, 6].
В настоящем исследовании мы попытались понять, какие нюансы смогут оптимизировать этот процесс, особенно при переводе его в крупнотоннажное производство.
Материалы и методы. Для культивирования дрожжей использованы разные измельченные твердые растительные субстраты. В качестве сырья для формирования моделей твердофазной ферментации наиболее перспективного агропромышленного сырья с получением нутриентов разного целевого назначения были взяты три наиболее значимых по массе целлю-лозосодержащих субстрата: пшеничные отруби, травяная мука и пшеничная солома, продукты биоконверсии которых уже играют и, вероятно, смогут сыграть еще более заметную роль в создании новых пищевых продуктов, кормов и обогатителей почв.
Новым малоизвестным в процессах ферментации материалом является мука из предварительно высушенного борщевика сосновского (сорняка № 1 средней полосы России), которую мы попытались использовать в качестве основы жидкой питательной среды для выращивания дрожжей, предназначенных для обогащения почв органическими веществами.
Жидкие гетерогенные стерильные питательные среды готовили также из пшеничных отрубей, травяной и борщевиковой муки в виде суспензий с содержанием около 10 % сухих веществ негидролизо-ванного растительного материала.
Из разных вариантов растительных питательных субстратов готовили твердофазные культуры с влажностью около 50 %, увлажняя в чашках Петри целлюлозные субстраты либо водными смывами с косяков агара Сабуро, либо жидкими культурами на гетерогенных растительных отварах.
В качестве эталона продуктивности использовали культуру Pichia anómala 9а, выделенную из женского грудного молока и достаточно хорошо изученную в ряде предшествующих работ [5, 6, 7].
В качестве посевного материала использовали чистые культуры дрожжей на косяках агара Сабуро и жидкие культуры на вышеприведенных растительных суспензиях. Твердофазное культивирование дрожжей осуществляли как на стерильных, так и на нестерильных субстратах, перспективных для крупнотоннажной биоконверсии. Оценку интенсивности роста дрожжей во всех культурах проводили прямым подсчетом клеток в камере Горяе-ва после серийных разбавлений.
Результаты и их обсуждение. В табл. 1 представлена продуктивность на съедобных для человека и животных субстратах некоторых дрожжей рода Pichia, выделен-
ных из растительных и животных продуктов в виде смывов с агара Сабуро и жидких культур на гетерогенном субстрате.
Из приведенных данных достаточно четко можно видеть, что дрожжи рода Pichia разного происхождения в принципе близки между собой по продуктивности. В то же время при сравнении полученных результатов видны довольно интересные закономерности, которые могут иметь несомненный интерес при организации крупнотоннажной микробной биоконверсии агропромышленного сырья. Более дешевая по сравнению с коммерческой средой Сабуро отрубевая гетерогенная среда дает выход дрожжей не худший, а даже лучший. Такой вариант среды для производственных условий может оказаться очень перспективным при реанимации крупнотоннажного производства дрожжей.
Объяснить это явление мы можем тем, что в процессе глубинного культивирования дрожжей для получения посевной культуры в ней наряду с дрожжевыми клетками накапливается достаточно серьезное количество эндоглюканазы, облегчающей дрожжам потребление полисахаридов твердой среды, что уже отмечено нами в подготовленных ранее материалах [7, 8, 9].
Повышенный интерес вызывает факт более высокой продуктивности многих выделенных нами дрожжей на нестерильных субстратах. В табл. 2 мы можем видеть продуктивность дрожжей на соломенной
Таблица 1
Продуктивность свежевыделенных дрожжевых культур на твердых субстратах
Дрожжевая культура Посевная культура Накопление дрожжей на твердых субстратах ^ -50%, 1 - 48 ч), млрд клеток/г влажного субстрата
Пшеничные отруби Травяная мука
Стерильно | Нестерильно Стерильно Нестерильно
Pichia guilliermondii травяная мука Смыв с агара Суспензия отрубей 4,2 4,9 6,8 5,7 4,6 4,9 6,2 7,1
Pichia guilliermondii борщевик Смыв с агара Суспензия отрубей 4,9 5,2 7,1 6,9 4,3 5,1 5,9 7,2
Pichia guilliermondii коровье молоко Смыв с агара Суспензия отрубей 5,1 6,4 7,3 7,6 5,4 6,2 6,6 7,8
Pichia anómala 9а Смыв с агара 5,3 2,1 5,9 2,0
(контроль) Суспензия отрубей 6,1 1,9 6,3 1,7
Таблица 2
Продуктивность дрожжевых культур на твердой среде из соломы
Дрожжевая культура Посевная культура Накопление дрожжей на соломенной муке ^ - 50%, 1 - 48 ч), млрд клеток/г влажного субстрата
Стерильно | Нестерильно
Pichia диИНегтопСИ Травяная мука на травяной муке 4,9 6,1
травяная мука Травяная мука на борщевике 4,6 5,9
Pichia диИНегтопСИ борщевик Борщевик на травяной муке Борщевик на борщевике 5,4 4,6 6,0 9,3
Pichia диИНегтопСИ коровье молоко Коровье молоко на травяной муке Коровье молоко на борщевике 4, 4, 89 5,7 5,9
Pichia anomala 9а На травяной муке 4,6 2,2
(контроль) На борщевике 4,9 1,6
муке - совсем бедном субстрате - двух дрожжевых изолятов: Pichia дшШегтопСИ, выделенной из борщевика Сосновского и выращенной на 8-процентной суспензии борщевика, а также Pichia диШегтопСИ, выделенной из травяной муки и выращенной на 8-процентной суспензии травяной муки.
Из данных двух этих таблиц видно, что дрожжи рода Р1сЫа весьма неоднородны по их устойчивости против собственной микрофлоры нестерильного ферментируемого субстрата. Оказалось, что как раз используемый в качестве стандарта штамм Pichia апота1а 9а ее не имеет и подавляется в росте как на соломе, так и на более богатых средах - отрубях и травяной муке. Попытка понять механизм взаимодействия дрожжей, выросших на нестерильной соломе с микрофлорой нестерильной соломы, толкнула нас на простой высев петлей материала с двух этих твердофазных культур. На агаре Сабуро мы увидели практически чистые культуры дрожжей без примеси даже одной посторонней колонии (см. рисунок).
Контроль чистоты дрожжей при росте на нестерильной соломе
Выводы. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что у процесса твердофазного культивирования дрожжей рода РкЫа на растительных субстратах есть достаточно много очень важных нюансов, которые, хотя они еще не полностью объяснены, могут иметь значительный интерес для будущей биоконверсии растительного сырья, заметно влияя на экономику этого процесса. Биоконверсия растительного сырья будет, скорее всего, двухстадийной. На первой стадии в стерильных условиях будет накапливаться активный посевной материал, а на второй стадии - идти основной процесс биоконверсии и протеинизации растительного
сырья. Этот процесс будет сильно зависеть от биосинтетических и антагонистических свойств отбираемых дрожжей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сушкова, В.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества / В.И. Сушкова, Г.И. Воробьева. -М.: ДеЛи принт, 2008. - 117 с.
2. Хазин, Д.А. Производство кормового микробного белка и его использование в кормлении сельскохозяйственных животных / Д.А. Хазин. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 53.
3. Ле, Ван Ньонг. Микробиологические и биохимические основы технологии вьетнамских традиционных ферментированных пищевых продуктов; дисс. д-ра техн. наук, МТИПП / Ван Ньонг Ле. - М.: 1981. - 366 с.
4. Гальо Ибаньес Нельсон Камило. Микробные ферментированные нутриенты на базе тропического растительного сырья / Гальо Ибаньес Нельсон Камило // Сборник материалов конференций в 15 частях. Часть XII: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов/Отв. ред. канд. псих. наук, доцент Т.А. Стахи. - М.: ИК МГУПП, 2015. - С. 50-53.
5. Горин, К.В. Разработка технологии микробных нутриентов-биокорректоров на базе целлюлозосодержащего сырья: дисс. канд. техн. наук: 05.18.07 / К. В. Горин. - М., 2011. - 201 с.
6. Чан Ван Ти. Разработка технологии дрожже-бактериальных функциональных продуктов на базе зернового сырья; дисс. канд. техн. наук: 05.18.07 / Чан Ван Ти. - М., 2013. - 210 с.
7. Мадзу, О.Б. Дрожжи рода РтсЫа как инструмент биоконверсии растительного сырья / О.Б. Мадзу, Е.Г. Борисенко, О.Д. Сидоренко // Успехи современной науки. - 2017. -№ 3. - Т. 6. - С. 75-79.
8. Соколова, Е.Р. Дрожжевые изоляты для прямой биоконверсии зерна / Е.Р. Соколова [и др.] // Сборник материалов национальной научно-практической конфе-
ренции «Биотехнология и продукты биоорганического синтеза». - М.: МГУПП, 2018. -С. 283-286.
9. Маслова, Т.А. Дрожжевые изоляты для прямой биоконверсии целлюлозосодер-жащего сырья / Т.А. Маслова // Сборник материалов национальной научно-практической конференции «Биотехнология и продукты биоорганического синтеза». - М.: МГУПП, 2018. - С. 227-230.
REFERENCES
1. Sushkova, V.I. Bezothodnaya konversiya rastitel'nogo syr'ya v biologicheski aktivnye veshchestva / V.I. Sushkova, G.I. Vorob'eva. -M.: DeLi print, 2008. - 117 c.
2. Hazin, D.A. Proizvodstvo kormovogo mikrobnogo belka i ego ispol'zovanie v kormlenii sel'skohozyajstvennyh zhivotnyh / D.A. Hazin. -M.: Agropromizdat, 1987. - C. 53.
3. Le, Van N'ong. Mikrobiologicheskie i biohimicheskie osnovy tekhnologii v'etnamskih tradicionnyh fermentirovannyh pishchevyh produktov; diss. d-ra tekhn. nauk, MTIPP / Van N'ong Le. - M.: 1981. - 366 s.
4. Gal'o Iban'es Nel'son Kamilo. Mikrobnye fermentirovannye nutrienty na baze tro-picheskogo rastitel'nogo syr'ya/ Gal'o Iban'es Nel'son Kamilo // Sbornik materialov konferencij v 15 chastyah. Chast' XII: Obshche-universitetskaya nauchnaya konferenciya molodyh uchenyh i specialistov / Otv. red. kand. psih. nauk, docent T.A. Stahi. - M.: IK MGUPP, 2015. - S. 50-53.
5. Gorin, K.V. Razrabotka tekhnologii mikro-bnyh nutrientov-biokorrektorov na baze cellyu-lozosoderzhashchego syr'ya: diss. kand. tekhn. nauk: 05.18.07/K.V. Gorin. - M., 2011. - 201 s.
6. Chan Van Ti. Razrabotka tekhnologii drozh-zhe-bakterial'nyh funkcional'nyh produktov na baze zernovogo syr'ya; diss. kand. tekhn. nauk: 05.18.07 / Chan Van Ti. - M., 2013. - 210 s.
7. Madzu, O.B. Drozhzhi roda Pichia kak instrument biokonversii rastitel'nogo syr'ya / O.B. Madzu, E.G. Borisenko, O.D. Si-dorenko // Uspekhi sovremennoj nauki. -
2017. - № 3. - T. 6. - S. 75-79.
8. Sokolova, E.R. Drozhzhevye izolyaty dlya pryamoj biokonversii zerna / E.R. Sokolova [i dr.] // Sbornik materialov nacional'noj nauch-no-prakticheskoj konferencii «Biotekhnologiya i produkty bioorganicheskogo sinteza». - M.: MGUPP, 2018. - S. 283-286.
9. Maslova, T.A. Drozhzhevye izolyaty dlya pryamoj biokonversii cellyulozosoderzhash-chego syr'ya / T.A. Maslova // Sbornik materialov nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii «Biotekhnologiya i produkty bioorganicheskogo sinteza». - M.: MGUPP,
2018. - S. 227-230.
Авторы
Родригес Веласкес Индра, аспирант, Лаптева Елена Александровна, канд. биол. наук, Борисенко Евгений Георгиевич, д-р техн. наук
Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11 indrarv@gmaiL.com, 1apteva1985@mai1.ru, biotech@mgupp.ru
Authors
Rodriguez Velazquez Indra, graduate student,
Lapteva Elena Alexandrovna, Candidate of Biological Sciences,
BorisenkoEvgeniy Georgievich, Doctor of Technical Sciences
Moscow State University of Food Production
11, Volokolamskoe highway, Moscow, 125080
indrarv@gmail.com, 1apteva1985@mai1.ru, biotech@mgupp.ru
