CC BY
2Н.И. Хамнаева, д-р техн. наук, проф.
В.Д. Олмоева, ассистент Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 602:663.131
О ВОЗДЕЙСТВИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД НА РАЗВИТИЕ ЛАКТОЗОСБРАЖИВАЮЩИХ ДРОЖЖЕЙ
Известно, что в биотехнологическом производстве, а особенно при получении питательных сред, используются химические вещества, при получении которых затрачивается значительное количество экологических ресурсов, что приносит ущерб окружающей среде. Представляет интерес применение природных минеральных вод в технологии получения питательных сред для культивирования лактозосбраживаю-щих дрожжей в качестве источника минерального питания. Выявлена целесообразность применения природных минеральных вод в технологии получения питательных сред.
Ключевые слова: лактозосбраживающие дрожжи, природная минеральная вода, питательная среда.
N.I. Khamnaeva, D. Sc. Engineering, Prof.
V.D. Olmoeva, P.G.
ABOUT THE INFLUENCE OF NATURAL MINERAL WATERS CHEMICAL COMPOSITION ON LACTOSE FERMENTING YEASTS DEVELOPMENT
It is known that in biotechnology, and especially in production of nutrient medium chemicals is used. The producing of chemicals is expending the significant amount of ecological resources that brings damage to environment. Application of natural mineral waters in technology ofproducing of nutrient medium as a source of a minerals is acute for cultivation of lactose fermenting yeasts. Feasibility of application of natural mineral waters in technology of nutrient medium is revealed.
Key words: lactose fermenting yeast, natural mineral water, nutrient medium.
Сегодня в условиях все ухудшающейся экологической обстановки конкурентоспособность многих предприятий зачастую определяется не только характеристиками готовой продукции, но и последствиями воздействия предприятия на природную среду. По данным авторов [6], природная среда - это весьма устойчивая система, в которой все жестко сбалансировано, и практически любое действие человека, связанное с организацией производственной деятельности, влечет за собой негативные проявления. Известно, что в биотехнологическом производстве, а особенно при получении питательных сред, используются химические вещества, при получении которых затрачивается значительное количество экологических ресурсов. Наиболее рациональный выход из возникшей ситуации видится в максимальном использовании сырья несинтетического происхождения при получении целевого продукта. Представляет интерес применение природных минеральных вод в технологии получения питательных сред для культивирования лактозосбраживающих дрожжей в качестве источника минерального питания.
Минеральные вещества оказывают огромное влияние на ход ферментативных процессов, обмен различных соединений, формообразовательные процессы. Их роль в жизнедеятельности микроорганизмов очень велика.
Наиболее фундаментальный механизм участия минеральных соединений в процессах жизнедеятельности связан, прежде всего, с их способностью соединяться с высокомолекулярными веществами - белками и нуклеиновыми кислотами. В результате указанного взаимодействия ионы металлов наряду с другими факторами обеспечивают поддержание определенной пространственной конфигурации биополимеров, которая далеко не безразлична для проявления биологической активности макромолекул [5].
Цель проведенной работы - разработка новой питательной среды, содержащей природную минеральную воду в качестве источника минерального питания.
При исследовании механизмов воздействия химического состава природных минеральных вод на метаболизм живой клетки проведены следующие исследования:
1)микробиологические;
2) биохимические;
3) математические (математическая обработка полученных экспериментальных данных).
Объектом исследования являются выделенные ранее на кафедре «Социальный и технологический сервис» при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» из природных источников коровье и козье молоко, монгольский напиток айраг, микробная ассоциация кефирных грибков, штаммы лактозосбраживающих дрожжей [1].
Выделенные штаммы характеризовались следующими культуральными и морфологическими свойствами: клетки дрожжей, выделенных из коровьего молока, характеризовались овальной, изредка цилиндрической формой, почкование одностороннее, расположение одиночное и в парах, редко в маленьких пучках или склеенных массах, размер клеток (3,3-3,7)х(4,1-4,5) мкм. Клетки дрожжей, выделенные из козьего молока, имели форму от короткоовальной до длинноовальной при одиночном расположении и разностороннем почковании, размер клеток составлял (3,4-3,8)х(4,1-4,5) мкм. Клетки дрожжей, выделенных из монгольского напитка айраг, отличались преимущественно сферической формой размером (3,8-4,2)х(4,2-4,8) мкм, расположены отдельно, парами или короткими цепочками. Клетки дрожжей, выделенных из микробной ассоциации кефирных грибков, имели разностороннее почкование. Исследованные штаммы спор не образуют.
При исследовании влияния состава среды на рост дрожжей использовали минеральную воду с добавлением прессованных дрожжей 20, 10 и 0 г на 1 л природной минеральной воды, а также смесь природной минеральной воды и водопроводной воды с добавлением прессованных дрожжей в количестве 20, 10 и 0 г. Посевной материал в каждом случае составлял 10 % от объема среды.
Таблица
Влияние состава питательной среды на величину оптической плотности микробной взвеси
Варианты Значение, нм
Контроль (среда Сабуро) 2,943
Опыт 1 (на 1 л минеральной воды 20 г прессованных дрожжей) 3,02
Опыт 2 (на 1 л минеральной воды 10 г прессованных дрожжей) 3,30
Опыт 3 (на 1 л минеральной воды 0 г. прессованных дрожжей) 3,2
Опыт 4 (на 1 л смеси водопроводной и природной минеральной воды 20 г прессованных дрожжей) 3,012
Опыт 5 (на 1 л смеси водопроводной и природной минеральной воды 10 г. прессованных дрожжей) 3,468
Опыт 6 (на 1 л смеси водопроводной и природной минеральной воды 0 г. прессованных дрожжей) 3,143
Как видно из таблицы, введение минеральной воды в состав питательной среды и снижение количества прессованных дрожжей оказывают прямое воздействие на выход биомассы. Так, при содержании 20 г прессованных дрожжей на 1 л природной минеральной воды оптическая плотность культуральной жидкости находится на уровне 3,02 нм, что значительно выше, чем при культивировании на традиционной среде Сабуро. Величина оптической плотности культуральной жидкости находится на уровне 3,2 нм при культивировании лактозосбраживающих дрожжей на среде, не содержащей прессованных дрожжей. Рост на контрольной среде (среде Сабуро) является наиболее неэффективным с точки зрения продуктивности биомассы.
Разработанный состав питательной среды позволяет получить биомассу лактозосбраживаю-щих дрожжей с выходом удельной биомассы до 20 г/л, результаты исследований динамики роста лактозосбраживающих дрожжей представлены на кривой роста (рис.).
Данные рисунка показывают, что наибольший прирост биомассы на опытной среде 3 наблюдается через 48 ч после внесения инокулята, а при культивировании на контрольной среде (Сабуро) величина оптической плотности среды наибольшее значение приобретает через 72 ч после начала культивирования.
Известно, что метаболизм клетки зависит не только от состава питательной среды, но и от форм находящихся в ней минеральных компонентов. Влияние химического состава питательных сред на метаболизм лактозосбраживающих дрожжей подробно рассмотрен в работах Н.П. Елино-ва, С.А. Коновалова, М.В. Залашко и др. [2, 3, 4]
Реакции клеточного метаболизма, в которых взаимосвязано участвуют структурные едини -цы клетки, подчинены строгому контролю, т. е. основные метаболические функции клетки под-
вержены эффективной и сложной системе регуляции. Особая роль в регуляции метаболических процессов принадлежит минеральным компонентам клетки, поступающим из состава питательной среды.
Транспорт питательных веществ в клетку происходит через цитоплазматическую мембрану, основная роль здесь принадлежит пермеазам. В свою очередь на функции пермеаз существенное влияние оказывают минеральные компоненты. Поступление питательных веществ в клетку обусловлено специальными механизмами типа № -К -АТФ-азы в плазматических мембранах, что обеспечивает благоприятное течение практически всех ферментативных реакций. Крайне важным фактором в переносе является физико-химическое состояние мембран, которое изменяется вместе с химическим составом питательной среды.
часы
а
¡Й .5
ё 3 |5
0
£ 2 о; | 1
3*0.5
1 0
о
■—з сн ъ 'г
У
14
-(8
72 96 часы
120
14
б
Рис. Динамика роста лактозосбраживающих дрожжей на питательных средах различного состава: а - рост на опытной среде; б - рост на контрольной среде (Сабуро)
По данным М.В. Залашко [3], при отсутствии К дрожжи не растут совсем или растут слабо. Низкое содержание Mg приводит к снижению общего выхода биомассы и синтезе ими рибофлавина. Это во многом объясняется тем, что данные элементы являются ключевыми катализаторами основных ферментативных процессов. Магний - необходимый компонент митохондрий, также играет важную роль для сохранения структуры и нормального функционирования рибосо-мального аппарата клетки. Деятельность большинства ферментов, принимающих участие в свободном и сопряженном с фосфорилированием окислении органических соединений, немыслима без участия ионов Бе и Си.
Минеральные вещества необходимы при брожении. Ферменты спиртового брожения - аль-долаза, пируваткиназа - нуждаются в ионах калия, действующих как активатор; связывание с калием вызывает конформационное изменение, в результате которого образуется более активная форма фермента. Присутствие калия также заметно влияет на биосинтез белков дрожжей; благодаря двусторонней проницаемости ионы калия способствуют проникновению неорганического фосфата в клетку.
Дрожжевые организмы активно реагируют на изменение формы химических веществ в окружающей среде.
Компоненты минеральной воды источника Аршан (Республика Бурятия) находятся в виде отдельных ионов и недиссоциированных молекул. Сильное электронное взаимодействие между компонентами минеральных вод и клеткой значительно снижает энергию активации. Энергия активации снижается вследствие сильного расщепления уровней потенциальной энергии в области пересечения.
Микробиологические исследования представлены морфологическими и культуральными признаками лактозосбраживающих дрожжей, полученных при культивировании на питательной среде, где в качестве источника минерального питания использовалась минеральная вода источника Аршан-Тункинский (заявка на патент РФ № 2012101092 от 12.01.12). В частности, были проведены исследования штаммов лактозосбраживающих дрожжей, выделенных из козьего, коровьего молока, кефирной закваски, монгольского напитка. Те же штаммы после культивирования на новой питательной среде, содержащей природную минеральную воду, по культуральным свойствам существенных отличий не приобретают. При культивировании на жидкой питательной среде исследуемые штаммы образуют обильный хлопьевидный осадок и тонкое пристеночное кольцо.
Проведенные исследования позволяют раскрыть характер воздействия введения природных минеральных вод в состав питательной среды на метаболизм лактозосбраживающих дрожжей.
Таким образом, состав новой питательной среды оказывает стимулирующее действие на процессы роста и размножения лактозосбраживающих дрожжей, а следовательно, целесообразно применение природных минеральных вод в технологии их получения.
Результаты исследования будут использованы в области биотехнологии, тесно сотрудничающей с экологией.
Библиография
1. Доржиева Ч.Б. Разработка технологии ферментативного напитка с функциональными свойствами: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.04. - Улан-Удэ, 2010.
2. Елинов Н.П. Химическая микробиология: учеб. для студентов химико-технол., технол., фармац. и др. ин-тов, аспирантов и практ. работников. - М.: Высш. шк., 1989. - 448 с.
3. Залашко М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки. - М.: Агропромиздат, 1990. - 192
с.
4. Коновалов С.А. Биохимия дрожжей. - М.: Пищевая промышленность, 1980.-271 с.
5. Семихатова Н.М., Чулина Е.П., Ожегова Е.И. и др. Технология производства сушеных дрожжей. -М.: Пищевая промышленность, 1976. - 125 с.
6. Щербина Б.В., Деньщикова Е.К. Эколого-экономическая конкурентоспособность пищевых пред -приятий: материалы науч.-техн. конф. «Технологии живых систем». - М.: МГУПБ, 2003. - 155 с.
Bibliography
1. Dorzhiyeva Ch.B. Development of technology for enzymatic drink with functional properties: Dis. ... Cand. Sc. Eng.: 05.18.04. - Ulan-Ude, 2010.
2. Elinov N.P. Chemical Microbiology: Textbook for students of Chemical and Technological, Technological, Pharmaceutical and other Institutes, P.G. and employees. - M.: Vysshaya shkola, 1989. - 448 p.
3. ZalashkoM.V. Biotechnology of whey processing. - M.: Agropromizdat, 1990. - 192 p.
4. Konovalov S.A. Biochemistry of yeast. - M.: Food, 1980. - 271 p.
5. Semikhatova N.M., Chulina E.P., Ozhegova E.I., Kochkina I.B. Technology of production of dry yeast. -M: Food industry, 1976. - 125 p.
6. Shcherbina B.V. Denschikova E.K. Ecological and economic competitiveness of the food and beverage enterprises // Materials of Scientific and Engineering Conference «Technologies of living systems». - M.: MSUAB, 2003.- 155 p.
