CC BY
10I. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Неорганическая и физическая химия
УДК 57.033
Darya V. Zarembo1, Aleksander N. Khramov2, Viktor I. Zarembo3, Olga V. Volkova4, Lyudmila A. Zabodalova5
INFLUENCE OF WEAK PRESSURE IMPULSES ON METABOLIC ACTIVITY OF BACTERIA
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St. Petersburg, 190013, Russia ITMO University, Faculty of Food Biotechnologies and Engineering, Lomonosov St., 9, St. Petersburg, 191002, Russia e-mail: ndz@list.ru
Studies influence of weak pressure pulses with frequency of 1000 kHz on the metabolic activity of the mixture of thermophiiic streptococcus and Lactobacillus bulgaricus in the process of skim milk souring are described. The process of yogurt production was controlled by periodic measurements of the donor-acceptor properties of the medium and determination of the titratable acidity of milk. It has been experimentally shown that weak pressure pulses of the ultrasonic range can significantly change the souring process and considerably intensify the activity of microorganisms. The speed of the process increases by 25%. The rheology of the system changes. The product is less susceptible to microbiological damage, the shelf life increases twice. The influence of weak acoustic fields is explained by the intensification of ordering of new elements or ratios in the system: synchronization of the dissipative structures which are formed as a result of fluctuation of chemical bonds in the nonequilibrium microbiological process.
Keywords: biotechnology, microorganisms, souring, yogurt, acoustic fields, nonlinear processes, self-organization, synchronization.
DOI 10.15217/issn1998984-9.2018.43.3
Введение
Синхронизация является закономерностью поведения объектов самой различной природы макро- и микромира и представляет собой одно из проявлений тенденции материи к самоорганизации. Под синхронизацией (взаимной, внутренней) понимается тот случай, когда определенные частотные соотношения устанавливаются в результате взаимодействия равноправных объектов. Когда один из них является настолько мощным, что он навязывает свой заданный ритм движения другим автоколебательным
Д.В. Зарембо1, А.Н. Храмов2, В.И. Зарембо3, О.В. Волкова4,
Л.А. Забодалова5
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ НА МЕТАБОЛИЧЕСКУЮ „ АКТИВНОСТЬ БАКТЕРИИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, факультет пищевых биотехнологий и инженерии, ул. Ломоносова, 9, Санкт-Петербург, 191002, Россия e-mail: ndz@list.ru
Описана методика и представлены результаты исследования влияния слабых импульсов давления частотой 1000 кГц на метаболическую активность смеси бактерий термофильного стрептококка и болгарской палочки в процессе сквашивания обезжиренного молока. Получение йогурта контролировалось периодическими измерениями донорно-акцепторных свойств среды и определением титруемой кислотности молока. Экспериментально показано, что слабые импульсы давления ультразвукового диапазона способны существенно изменить сквашивание и значительно интенсифицировать жизнедеятельность микроорганизмов. Скорость процесса возрастает на 25 %. Меняется реология системы. Готовый продукт менее подвержен микробиологической порче: срок хранения возрастает почти в два раза. Влияние слабых акустических полей объясняется усилением упорядоченности новых элементов или соотношений в системе: синхронизацией диссипативных структур, образующихся в результате флуктуации химических связей в неравновесном микробиологическом процессе.
Ключевые слова: биотехнология, микроорганизмы, сквашивание, йогурт, акустические поля, нелинейные процессы, самоорганизация, синхронизация.
структурам, происходит явление захватывания. В литературе, говоря о синхронизации, часто имеют в виду только захватывание. Случаи внутренней синхронизации широко распространены, например, наиболее яркий из них известен в аэродинамике, как явление флаттера - самовозбуждение незатухающих изгибовых и крутильных колебаний элементов конструкции летательного аппарата (крыла, винта), возникающих при достижении некоторой скорости полета [1]. Аналогичным образом синхронизация возможна и при сколь угодно слабом внешнем воздействии, обязательным условием при этом являются флуктуации параметров объектов и
1 Зарембо Дарья Викторовна, канд. хим. наук, доцент, каф. аналитической химии, СПбГТИ(ТУ), e-mail: ndz@list.ru Darya V. Zarembo, PhD. (Chem.), Associate Professor, Department of Analytical Chemistry, SPbSIT(TU)
2 Храмов Александр Николаевич, канд. хим. наук, доцент, каф. аналитической химии, СПбlTИ(ТУ),e-mail: khramovalex@yandex.ru Aleksandеr N. Khramov, PhD. (Chem.), Associate Professor, Department of Analytical Chemistry, SPbSIT(TU)
3 Зарембо Виктор Иосифович, д-р хим. наук, профессор, зав. каф. аналитической химии, СПбГТИ(ТУ), e-mail: zarembo@technolog.edu.ru Viktor I. Zarembo, Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of the Department of Analytical Chemistry, SPbSIT(TU)
4 Волкова Ольга Владимировна, д-р техн. наук, доцент научно-образовательного центра, ИТМО, e-mail: v-olga.v@mail.ru Olga V. Volkova, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor of Scientific Educational Center ITMO University
5 Забодалова Людмила Александровна, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. прикладной биотехнологии, ИТМО, e-mail: zabodalova@gmail.com Lyudmila A. Zabodalova, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Applied Biotechnology ITMO University
Дата поступления -8 декабря 2017 года
системы связей между ними. При наличии достаточно сильных десинхронизирующих факторов (в микромире это источники Ланжевена) тенденция к синхронизации подавляется, и динамическая система демонстрирует стохастическое, неупорядоченное поведение. Наблюдается еще одна общая закономерность - борьба между порядком и хаосом не только для временной, но и пространственной, пространственно-временной организации материальных форм [2]. Наши исследования посвящены явлению синхронизации в условиях слабого внешнего акустического воздействия при фазовых переходах и химических превращениях в конденсированных средах, то есть при больших флуктуациях параметров процессов и изменении системы химических связей.
В предыдущей работе [3] представлены результаты исследования влияния слабых периодических импульсов давления с частотой от 50 до 4000 кГц на процесс экстракции нитрата эрбия три-н-бутилфосфатом из водных растворов и его реэкстракции в лабораторных условиях. Обнаружено резонансное возрастание скорости экстракции при регулятивной частоте 2000 кГц с сохранением значения стационарного коэффициента распределения. Процесс экстракции сопровождается самоорганизацией -образованием разного типа вихревых диссипативных структур (ДС) с широким колебательно-вращательным спектром движений релаксационного типа [2]. При резонансной частоте регуляция обеспечивает синхронизацию ДС, что ускоряет массообмен. Одновременное проведение процессов экстракции и реэкстракции в системе из трех несмешивающихся жидкостей называется мембранной экстракцией, в которой органическая фаза играет роль мембраны. Жидкая мембрана может рассматриваться как модель биологических мембран, а мембранная экстракция -как аналог процессов, протекающих в живой природе [4-6]. Так ли это? Можно ли представлять биологические объекты как физические или химические системы, находящимися вдали от состояния теплового равновесия? Ведь между ними существует важное различие. В физических и химических системах при выключении потока энергии или материи ДС разрушаются, а в биологических средах структуры сохраняются в течение заметного времени. Биологические системы направлены на определенные цели или задачи и соединяют в себе недиссипативные и диссипативные структуры функционального характера [7]. В работе [3] высказывается мнение, что влияние слабых импульсов давления на процессы экстракции и реэкстракции в приложении к мембранной экстракции делает понятным оздоравливающее действие физиотерапии слабых магнитных, электромагнитных, звуковых и ультразвуковых полей на организм человека. Происходит ли интенсификация метаболических процессов? Ответы на эти вопросы должны дать представленные исследования.
Экспериментальная часть
Объектом исследования являлся
микробиологический процесс получения обезжиренного йогурта. Исходный состав для приготовления одного опытного образца: 100 мл обезжиренного молока с массовой долей жира 0,5 %, 4 мл бактериальной закваски на основе термофильного стрептококка и болгарской палочки, содержащей 107 КОЕ/мл тестовых микроорганизмов, и растительное масло 0,5 %.
В 1 л пастеризованного обезжиренного молока, подогретого до 40 °С, вносили 5 мл растительного масла и заранее подготовленную бактериальную закваску в количестве 40 мл, смесь перемешивалась и разливалась в стеклянные стерильные стаканы. Готовились 9 образцов по 100 мл смеси в каждом. Они помещались в термошкаф, в котором поддерживалась температура 40 °С. Электронный генератор импульсов тока формировал акустический сигнал частотой 1000 кГц, который передавался в исследуемую микробиологическую систему механическим примыканием петли антенны-вибратора к корпусу термошкафа (рисунок 1). Металлический термошкаф и полки, стеклянные стаканы, водная эмульсия микробиологической системы являются
добротными волноводами для ультразвука в силу своей плотности и, таким образом, процесс сквашивания происходит при слабом акустическом воздействии. Следует отметить, что генератор и антенна излучают электромагнитное поле такой же частоты, но оно не может проникнуть внутрь шкафа, потому что его блокируют свободные электроны металлического корпуса.
Рисунок 1. Процесс сквашивания в слабом акустическом поле в лабораторных условиях
Было проведено четыре серии опытов: в первый и третий день эксперимент поводился в обычных условиях (контрольный режим), во второй и четвертый - в слабом (средняя амплитуда давления в скин-слое проводника антенны составляет 150 Па) акустическом поле частотой 1000 кГц. Такой порядок эксперимента был выбран, чтобы исключить возможные наводки и нивелировать срок хранения закваски. В течение всего времени скашивания периодически измерялись активная и титруемая кислотности. Для этих целей через 1 ч из термостата извлекался один стакан с инкубируемой смесью, и в ней измерялся рН (активная кислотность) с помощью предварительно откалиброванного иономера, и прямым титрованием определялась титруемая кислотность в молоке и молочном продукте в градусах Тернера (°Т) по ГОСТ 3624-92. Перед каждым опытом эти параметры контролировалась в обезжиренном молоке и закваске. Титруемая и активная кислотности в них были неизменными и составляли, соответственно, для молока 17 °Т и 6,81 рН, для закваски 70 °Т и 4,81 рН. Исследование проводилось непрерывно каждый из 4 дней. Данные по контрольным и регулятивным режимам усреднялись, определялся доверительный интервал. Относительная погрешность измерения величин рН и титруемой кислотности не превышает 3 %. Результаты исследований представлены на рисунках 2 и 3.
-■-1 -»-2
3.5 ^ •
I---1---1-.-1-.-1-.-1---1--
0 1 2 3 4 5 6
продолжительность сквашивания, нас
Рисунок 2. Зависимость активной кислотности (рН) от продолжительности сквашивания: 1 - контрольный режим, 2 - при 1000 кГц
130£ 120-| 110-о 100-X 90-ш
® то-| 60"" 5040302010-:
*-1-1-'-1-1-1-1-1-'-1-1-I-1
0 1 2 3 4 5 6
продолжительность сквашивания, час
Рисунок 3. Зависимость титруемой кислотности от продолжительности сквашивания: 1 - контрольный режим, 2 - при 1000 кГц
Анализ изменения величин рН и титруемой кислотности в различных режимах сквашивания показывает, что слабые импульсы давления интенсифицируют жизнедеятельность микроорганизмов. В контрольных условиях для приготовления готового продукта (йогурта), нижний предел титруемой кислотности которого составляет 75 °Т, требуется четыре часа, а в слабом акустическом поле частотой 1000 кГц - три часа. Таким образом, продолжительность процесса сокращается на 25 %.
Были проведены исследования микробиологической порчи йогуртов. Из четырех образцов с кислотностью 70-75 °Т (рН 5.2-5.3) отбирали пробы, помещали в стерильную посуду, герметично закрывали и наблюдали за процессом их порчи при температуре +4 °С. Установлено, что в тех образцах, сквашивание которых проходило в контрольных условиях, на 4 день на поверхности появлялась плесень, то есть начиналась микробиологическая порча продукта. У образцов, полученных в акустических полях, микробиологическая порча не наблюдалась даже на 7 сутки хранения.
В процессе исследований следили за реологией микробиологической системы. Слабое акустическое поле интенсифицирует разделение фаз: возрастает коагуляция, увеличивается отделение сыворотки. Эти характеристики фиксировались при одной и той же кислотности.
Обсуждение результатов
С незапамятных времен человек не оставляет попыток имеющимися у него средствами проникнуть в тайны перехода «от микро к макро». Эта проблема является центральной и в современном естествознании. Большинство ученых стараются свести свои наблюдения к равновесной картине, руководствуясь тем, что их область исследований должна быть столь же «научной», как физика - убеждение, подразумевающее, что все должно быть детерминировано и предсказуемо. В состоянии равновесия отклик системы пропорционален силе воздействия, поэтому малые возмущения или толчки могут произвести лишь слабый эффект. Теории, в основе которых лежат равновесные, квазиравновесные или локально равновесные представления, по большей части, не в состоянии объяснить то, что на самом деле происходит вокруг нас. В современной физике детальная предсказуемость давно уже обесценилась и отпала как глубокая неуместная концепция [8]. Общей теории больших неравновесных систем не существует, более того, для этой обширной области науки вообще не может быть содержательной теории.
Представленная работа посвящена проблеме исследования явления синхронизации в биотехнологии, точнее, конструктивной роли шума в возбудимых сложных системах, когда шум усиливает когерентность собственных колебательно-вращательных движений в стохастической реакционно-диффузионной системе [9-11], содержащей одноклеточные бактерии.
Исследованная в работе частота 1000 кГц была выбрана не случайно. В этой области мы наблюдали, как уже было сказано выше, ускорение процесса экстракции эрбия из
водных растворов три-н-бутилфосфатом. Специалисты по экстракции выдвигают гипотезу, что процесс экстакция-реэкстрация является моделью массопереноса вещества в мембране клетки живого организма, и нам хотелось проверить это предположение. Оно, на наш взгляд, правильное, и мы его экспериментально подтвердили.
Изученная нами система очень сложна, но в отличие от окружающего нас мира ее легко можно воспроизвести. Стабильность результатов исследований в ней значительно выше, чем в относительно простом процессе экстракции эрбия. Инкубируемая смесь содержит миллионы микроорганизмов двух сортов, которые живут по определенным правилам (клеточные автоматы), согласно своим биоритмам. Но эти биоритмы (гармонические и ангармонические релаксационные колебания) не являются управляющими параметрами при доставке, отводе продуктов и самих химических реакций метаболизма. Ими являются колебательно-вращательные движения самообразуюшихся надмолекулярных образований [12], возникающих вследствие флуктуаций параметров биохимических процессов и изменения системы химических связей при сквашивании. Эти колебания ультразвуковые, поскольку мы наблюдаем отклик системы при 1000 кГц. Регуляция при этой частоте обеспечивает частичную синхронизацию ДС, что приводит к ускорению массообмена и кинетики процесса [13].
Анализ рисунков 2, 3 показывает, что процесс сквашивания в первом приближении можно разделить на две стадии: первая отражает процесс размножения бактерий, вторая - размножение и бактериолиз, то есть разрушение, растворение поверхностных структур бактерий под действием выделяемых ими веществ (бактериолизинов), с последующим выходом их протоплазмы в окружающую среду. Протоплазма клеток также является питательной средой для бактерий, поэтому процесс сквашивания ускоряется. В регулятивном режиме бактериолиз наступает позже: по показателю титруемой кислотности на один час, а по данным потенциометрии на два часа. Это объясняет результаты исследований микробиологической порчи готового продукта: йогурт приготовленный в акустических полях не содержит протоплазмы клеток бактерий, которая является питательной средой для плесени.
Выводы
1. Обнаружен эффект интенсификации слабыми импульсами давления частотой 1000 кГц метаболической активности смеси бактерий термофильного стрептококка и болгарской палочки в процессе сквашивания обезжиренного молока, что выражается в следующем:
- время достижения требуемой титруемой кислотности йогурта сокращается на 25 %;
- у готового продукта, полученного в слабых акустических полях, практически в два раз возрастает стойкость к микробиологической порче;
- происходит интенсификация разделения фаз: возрастает коагуляция, увеличивается отделение сыворотки.
2. Экспериментально подтверждено, что процесс экстракция-реэкстракция является моделью массопереноса вещества в мембране клетки живого организма.
3. Выявлена конструктивная роль шума в возбудимой микробиологической среде: имманентный шум усиливает когерентность собственных колебательно-вращательных движений в стохастической реакционно-диффузионной системе.
4. Действие слабых имманентных ультразвуковых полей на инкубацию микроорганизмов носит допинговый, каталитический, оздоравливающий характер, обусловленный снижением бактериолиза внутри бактерий.
Литература
1. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике. М.: ЛЕНАНД, 2015. 440 с.
2. Эбелинг В., Файстель Р. Хаос и космос: синергетика эволюции / Пер. с нем. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. 336 с.
3. Зарембо В.И., Афонин М.А., Зарембо Д.В. Экстакция эрбия три-н-бутилфосфатом в слабых акустических полях // Известия СПбГТИ(ТУ). 2016. № 36(62). С. 3-6.
4. Мулдер М. Введение в мембранную технологию / Пер. с англ. М.: Мир, 1999. 513 с.
5. Бояджиев Л Трехфазная жидкостная экстракция -жидкие мембраны // Теор. основы хим. технологии. 1984. Т. 18. № 6. С.735-743.
6. Копырин А.А., Афонин М.А, Фомичев А.А. [и др.] Моделирование процессов экстракции РЗЭ жидкими мембранами в неравновесных условиях. I. Обобщенная математическая модель процесса // Радиохимия. 2008. Т. 50. № 3. С. 243-246.
7. Хакен Г Синергетика: Принципы и основы. Перспективы и приложения. Ч.2: Перспективы и приложения: Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах / Пер. с англ. под ред. ЮЛ. Климантовича. Изд. 2-е. М.: УРСС: ЛЕНАНД, 2015. 432 с.
8. Бак Пер. Как работает природа: Теория самоорганизованной критичности / Пер. с англ. М.: УРСС: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2014. 276 с.
9. Анищенко В.С,, Астахов В.В., Владивасова Т.Е., Нейман А.Б., Стрелкова Г.И., Шиманский-Гейер Л Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 544 с.
10. Анищенко В.С., Нейман А.Б., Мосс Ф, Шиманский-Гайер Л Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка // Успехи физ. наук. 1999. Т. 169. № 1. С. 7-38.
11. Климонтович Ю.Л. Что такое стохастическая фильтрация и стохастический резонанс? // Успехи физ. наук. 1999. Т. 169. № 1. С. 39-47.
12. Orlik M. Introduction to the dynamic self-organization of chemical systems. Part I: Basic concepts and techniques of nonlinear dynamics in chemistry // ChemTexts. 2017. № 3:12. P.1-34.
13. Колесников А.А., Зарембо В.И.Фоновая акустическая резонансная регуляция самоорганизации физико-химических процессов в конденсированных системах. Часть 1. Общие сведения // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 10. С. 172-178.
References
1. Blekhman I.I. Synchronization in the nature and technique. M.: LENAND, 2015. 440 p.
2. Ebeing V., Faystel R. Chaos and space: synergetrics of the evolution / Translation from German. M. - Izhevsk: Institute of computer researches; Research Center "Regular and chaotic dynamics", 2005. 336 p.
3. Zarembo V.I, Afonin M.A, Zarembo D.V. Erbium extraction by tri-n-butilphoshate in weak acoustic fields // Bulletin of SPbGTI(TU). 2016. №36. P. 3-6.
4. Mulder M. Introduction to membrane technology / Translation from English. M.: World, 1999. 513 p.
5. Boyadzhiyev L. Theoretical foundations of chemical engineering. 1984. V. 18. № 6. P. 735-743.
6. Kopyrin A.A., Afonin M.A, Fomichev A.A. Modeling of processes of extraction of RZE liquid membranes in nonequilibrium conditions. I. The generalized mathematical model of process // Radiochemistry. 2008. V. 50. № 3. P. 243-246.
7. Haken G. Synergetrics: Principles and bases. Prospects and applications. Ch. 2: Prospects and applications: Hierarchy of not stability in the self-organized systems and devices. Translation from English / Under the editorship of Yu.L. Klimantovich. M.: URSS: LENAND, 2015. 432 p.
8. Buck Per. As the nature works: Theory of self-organized criticality / Translation from English. M.: URSS: Book house "LIBROKOM", 2014. 276 p.
9. Anishchenko VS., Astakhov V.V, Vladivasova T.E, Neimann A.B., Strelkova G.I, Shimansky-Geyer L. Nonlinear effects in chaotic and stochastic systems. Moscow - Izhevsk: Institute of computer researches, 2003. 544 p.
10. Anishchenko VS., Neumann A.B., Moss F, Shimansky-Gayer L Stochastic resonance as the effect of increase in degree of an order induced by noise // Physics-Uspekhi. 1999. Is. 42. P. 7-36.
11. Kimontovich Yu.L. What is stochastic filtration and stochastic resonance? // Physics-Uspekhi. 1999. Is. 42. P. 37-44.
12. Oriik M. Introduction to the dynamic self-organization of chemical systems. Part I: Basic concepts and techniques of nonlinear dynamics in chemistry // ChemTexts. 2017. № 3:12. P.1-34.
13. Kolesnikov A.A, Zarembo V.I. Background acoustic resonant regulation of self-organization of physical and chemical processes in the condensed systems. Part 1. General information // Alternative power engineering and ecology. 2010. № 10. P. 172-178.
