CC BY
52
ОСНОВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.45
Влияние наночастиц цинка на пивные дрожжи
Д. В. Карпенко,
д-р техн. наук, доцент; Е. О. Райнина, студентка; Н. А. Химачева,
студентка
Московский государственный университет пищевых производств
Сегодня одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений научной и технической мысли являются нанотехнологии. Соответственно, расширяются перечень отраслей промышленности, в которых используются наночастицы и нанопрепа-раты, и спектр технологических задач, которые могут быть решены за счет их применения. Нанокомпоненты входят в состав продукции самого разного типа: пищевых продуктов и средств для их упаковки, спорттоваров, одежды, косметики, 1Т-устройств, лаков и красок, продукции военного назначения [1]. Почти неизбежное следствие такого положения дел — это накопление на-ночастиц, обладающих исключительно высокой проникающей способностью в окружающей среде, прежде всего, в почвах, грунтовых и поверхностных водах. Это может привести к тому, что в составе сырья наночастицы различных типов будут во все больших и больших количествах поступать в технологические циклы различных, в том числе, пищевых производств. Даже при том, что концентрации наночастиц в технологических средах, вероятно, будут невысоки, их присутствие может вызывать различные, в том числе, негативные воздействия на производственные процессы, особенно базирующиеся на использовании биологических объектов различных уровней сложности (микроорганизмов, растений). Такое предположение основывается на мнении о токсичности наноматериалов, высказываемом целым рядом авторов [2-6], а также на результатах исследований, проведенных ранее на кафедре «Конструирование продуктов питания» ФГБОУ ВПО «МГУПП» [7, 8]. Послед-
ние продемонстрировали выраженный негативный эффект, оказываемый даже малыми концентрациями нано-частиц серебра и, в меньшей степени, других металлов, на амилолитическую активность микробных ферментных препаратов, способность прорастания пивоваренного ячменя, развитие дрожжевых популяций на стадии главного брожения, эффективность процессов, протекающих при приготовлении заторов в пивоваренных производствах. Все это, по нашему мнению, делает целесообразным изучение влияния на качество сырья, полупродуктов и готовой продукции пищевых, в частности, бродильных производств как можно более широкого перечня наночастиц и наноматериалов и, в случае выявления их негативного воздействия, разработку способов устранения последнего, в том числе, и с помощью ранее разработанных способов [9].
В нашей работе исследовали влияние нанопрепарата оксида цинка на развитие популяций пивных дрожжей низового брожения. Причины такого выбора следующие:
• различные нанопрепараты оксида цинка используются или предложены для применения в производстве различной продукции, следовательно, существует вероятность их присутствия в окружающей среде и попадания в технологические среды пивоварения;
• существует информация как о положительном влиянии препаратов цинка (в частности, они используются в составе «подкормок» пивных дрожжей), так и о негативном воздействии наноцинка на биологические объекты;
22 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2015
Рис. 1. Влияние нанопрепарата оксида цинка на развитие
дрожжевой популяции без принудительного перемешивания
Рис. 2. Влияние нанопрепарата оксида цинка на развитие
дрожжевой популяции при постоянном перемешивании
• в исследованиях, проводившихся на нашей кафедре параллельно с описываемыми, изучалось влияние того же нанопрепарата на другие виды сырья пивоваренного производства, поэтому представлялось интересным сопоставить воздействие нанооксида цинка на разные объекты.
В экспериментах использовали сухие низовые дрожжи расы Weihenstephan. Использование сухих дрожжей без предварительного разбраживания было обусловлено желанием сохранять в экспериментах как можно более близкие стартовые условия, в том числе, и состояние засевных дрожжей, и количество дрожжевых клеток в питательной среде сразу после засева. С той же целью в качестве питательной среды использовали не сусло, состав которого в большей или меньшей степени меняется от партии к партии, а 5%-ный раствор сахарозы, который стерилизовали несколькими последовательными кипячениями. Культивирование дрожжевых популяций вели при температуре 21...24 °С в течение 3 сут без принудительного перемешивания. Сразу после засева питательной среды, а также по окончании культивирования определяли общее количество клеток и массу емкости со средой. Кроме того, после культивирования подсчитывали количество мертвых клеток дрожжей. Отметим, что эксперименты серии проводились последовательно, а не параллельно.
Таким образом, контролируемыми показателями были:
• общее количество клеток, млн / см3;
• мертвые клетки, % к общему количеству;
• убыль массы, г.
В опытных вариантах в питательную среду непосредственно после засева дрожжами добавляли нанопрепарат оксида цинка в таких количествах, чтобы обеспечить значения его концентраций, указанные на рис. 1. В качестве контрольного использовали вариант, в который нанооксид цинка не добавляли. Для удобства сравнения результатов различных экспериментов значения любого из определяемых показателей в опытных вариантах выражали в процентах к значению того же показателя в контроле этой серии (см. рис. 1).
В условиях эксперимента нанопре-парат цинка продемонстрировал сложное и разнонаправленное воздействие на все контролируемые показатели, из них в меньшей степени — на убыль массы. Не находит адекватного объяснения тот факт, что самая низкая из применявшихся в эксперименте концентрация наноцинка — 0,001 мг/ см3 — вызвала существенное ингибирование накопления дрожжевых клеток. Десятикратное увеличение концентрации препарата также привело к негативным последствиям, однако при содержании наночастиц оксида цинка 0,025 мг/см3 зафиксировано существенное возрастание общего титра — почти в 2,5 раза по сравнению с контролем. Наихудшим образом дрожжевая популяция развивалась при самой высокой из рассмотренных концентраций наноцинка (0,05 мг/см3).
Следует отметить, что во всем диапазоне нанопрепарат оксида цинка оказывал очень слабое влияние на убыль массы питательной среды, причем последняя была минимальна именно в варианте, в котором наблюдался наибольший прирост дрожжевых клеток.
В целом можно заключить, что результаты первой серии экспериментов выглядят достаточно противоречиво, не все они находят адекватное объяснение. Поэтому рассмотренную серию решено было повторить в тех же условиях, за исключением того, что культивирование проводили при постоянном перемешивании, для чего колбы помещали в установку для выращивания микроорганизмов «УВМТ-12-250». Полученные данные приведены на рис. 2.
Видно, что, как и в предыдущей серии, при концентрации нанопрепарата 0,001 мг/см3 наблюдали очень существенное (и наибольшее в рамках всего эксперимента) ингибирование прироста дрожжевых клеток. Результаты анализа других опытных образцов заметно отличались от полученных ранее. Так, концентрация нанооксида цинка, равная 0,01 мг/см3, обусловила увеличение общего титра клеток дрожжей на 28% по сравнению с контролем, однако при этом и доля мертвых клеток возросла почти на 70%. В данном эксперименте нанопрепарат цинка практически не оказал влияния на развитие дрожжевой популяции, присутствуя в питательной среде в концентрации 0,025 мг/см3, тогда как ее двукратное увеличение обеспечило увеличение почти в 2 раза общего титра клеток по сравнению с контролем. При этом еще более существенно, что более чем в 3,5 раза возрос и процент мертвых клеток.
С нашей точки зрения, полученные результаты не носят случайного характера — в исследованиях влияния того же нанопрепарата оксида цинка на активность протеолитического ферментного препарата, проводившихся параллельно, был выявлен сходный тип
6^ 2015 ПИВО и НАПИТКИ 23
БЕЗОПАСНОСТЬ - ОСНОВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ'
Ш §
0
1 <
§
ш h
зависимости, описываемый «ломаной» линией. Вероятно, это обусловлено как типом взаимодействия наночастиц оксида цинка с клетками дрожжей в зависимости от условий культивирования, так и состоянием самих частиц нанопрепарата в зависимости от его концентрации в питательной среде.
В целом можно заключить, что нано-препарат оксида цинка, по крайней мере в условиях эксперимента, может оказывать разнонаправленное воздействие на дрожжевую популяцию: в зависимости от концентрации может наблюдаться как активация, так и подавление развития микробных клеток. Таким образом, исследования в выбранном направлении целесообразно продолжать.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наноси-стемная техника. Мировые достижения. —
2008 г./Сборник под ред. д-ра техн. наук, проф. Мальцева П. П. — Москва: Техносфера, 2008. — 432 с.
2. Дугин, Г. С. Нанотехнология и ее возможное негативное влияние на окружающую среду/Г. С. Дугин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2009. — № 5. — С. 33-37.
3. Гмошинский, И. В. Современные данные о токсичности наноматериалов, используемых в пищевой промышленности/И. В. Гмошинский [и др.] // Сборник материалов Инновационного форума пищевых технологий, посвященный юбилею МГУПП/Отв. ред. Каплин Л. А. — М.: ИК МГУПП, 2010. — С. 17-19.
4. Khare, P. Adverse Effects of TiO2 and ZnO Nanoparticles in Soil Nematode, Caenorhabditis elegans/P. Khare, M. Sonane, R. Pandey., S. Ali, K. Gupta K, A. Satish // Journal of Biomedical Nanotechnology. — January, 2011. — "Vbl. 7. — № 1. — P. 116-117.
5. Aruoja, V. Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO2 to microalgae Pseudokirchneri-ella subcapitata/V. Aruoja, H. C. Dubourguier, K. Kasemets, A. Kahru // Science of the Total Environment. — 2009. — Vol. 407. — №. 4. — P. 1461-1468.
6. Li-Hua, Li. Preparation, characterization and antimicrobial activities of chitosan/Ag/ZnO blend films/Li-Hua Li, Jian-Cheng Deng, Hui-Ren Deng, Zi-Ling Liu, Xiao-Li Li // Chemical Engineering Journal. — 2010. — № 160. — P. 378-382.
7. Карпенко, Д. В. Влияние наночастиц серебра на прорастание ячменя и качество свежепро-росшего солода/Д. В. Карпенко, Ю. А. Уваров // Пиво и напитки. — 2012. — №3. — С. 32-33.
8. Карпенко, Д. В. Влияние наночастиц металлов на сбраживание пивного сусла/Д. В. Карпенко [и др.] // Пиво и напитки. — 2012. — № 1.
9. Крупичева, А. Н. Регенерация дрожжевого биосорбента/А. Н. Крупичева, Д. В. Карпенко, Н. Б. Вихлянцева // Пиво и напитки. — 2006. — № 4. — С. 22-23. &
Влияние наночастиц цинка на пивные дрожжи
Ключевые слова
нанотехнологии; нанопрепарат оксида цинка; пивные дрожжи; развитие микробной популяции.
Реферат
Интенсивное развитие нанотехнологий в последние годы привело к увеличению отраслей промышленности и производств, которые применяют нано-препараты для решения различных задач. Это может привести к повышению концентрации наночастиц в окружающей среде и в сырье пивоваренного производства. При этом имеется информация о негативном воздействии различных наноматериалов на биологические объекты: растения, микроорганизмы и т. д. Поэтому исследовали воздействие нанопрепарата оксида цинка на развитие популяции пивных дрожжей низового брожения. Культивирование проводили на модельной питательной среде, представлявшей собой 5%-ный раствор сахарозы. Питательную среду предварительно подвергали трехкратному кипячению. Непосредственно после засева питательной среды дрожжами в опытные варианты вносили нанопрепарат оксида цинка в различных концентрациях. Культивирование дрожжевой популяции проводили в течение 3 сут при комнатной температуре. В разных сериях экспериментов культивирование проводили при принудительном перемешивании или без него. До начала и по окончании процесса определяли ряд показателей, характеризующих развитие дрожжевой популяции. Установлено, что данный нанопрепарат оказывает разнонаправленное влияние на прирост числа дрожжевых клеток и убыль питательных веществ. Характер этого влияния зависит от концентрации нанопрепарата, а также от параметров культивирования дрожжевой популяции. Выявлены концентрации нанопрепарата оксида цинка, приводящие к увеличению числа клеток дрожжей на 150-250% по сравнению с контролем, а также концентрации, при которых число клеток снижается на 50-60%. Авторы заключают, что нанопрепарат оксида цинка может быть как активатором развития популяции пивных дрожжей, но превышение его допустимого содержания вызывает ее существенное угнетение.
Авторы
Карпенко Дмитрий Валерьевич, д-р техн. наук, доцент;
Райнина Евгения Олеговна, студентка;
Химачева Надежда Александровна, студентка
Московский государственный университет пищевых производств,
125080, Москва, Волоколамское шоссе д. 11,
DoKa.65@mail.ru; Kioma-92@mail.ru
Influence of Zinc Nanoparticles on Brewer's Yeast
Key words
nanotechnology; zinc oxide nanopreparation; brewer's yeast; growth of the microbial population.
Abstract
Intensive development of nanotechnology in recent years led to an increase in using of nanopreparations for different aims. This may lead to increased concentrations of nanoparticles in the environment and in raw materials of the brewing industry. Wherein, there is information on the adverse effects of different nanomaterials on biological objects: plants, microorganisms, etc. Therefore, studies of the influence of zinc oxide nanopreparation on the development of a population of bottom fermentation brewer's yeast were done. Cultivation was carried out on the model nutrient medium: solution with the concentration of sucrose 5%. The nutrient medium was subjected to triple boiling preliminary. Directly after addition of the yeast to the nutrient medium the zinc oxide nanopreparation in different concentrations was added to the test variants. Cultivation of yeast population was carried out within 3 days at the room temperature. In different series of experiments cultivation was made at forced agitation or without it. Prior to the beginning of and upon termination of process some indicators characterizing development of barmy population were determined. It was found that the zinc nanopreparation has multidirectional effects on the increase in the number of yeast cells and decrease of nutrients. The direction of this effect depends on the nanopreparation concentration and the parameters of yeast population cultivation, also. There were revealed concentrations of zinc oxide nanopreparation that cause an increase in the number of yeast cells at 150-250% compared with controls and concentrations at which the number of cells reduced by 50-60%. Authors conclude that the nanopreparation of the zinc oxide can be the activator of beer yeast population development, but the excess of preparation admissible content causes essential oppression of these microorganisms.
Authors
Karpenko Dmitriy Valerievich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor;
Rajnina Evgenija Olegovna, Student;
Himacheva Nadezhda Aleksandrovna, Student
Moscow State University of Food Production,
11 Volokolamskoye shosse, Moscow, 125080, Russia,
DoKa.65@mail.ru; Kioma-92@mail.ru
24 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2015
