Научная статья на тему 'ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ В КАЧЕСТВЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ЭРГОСТЕРОЛА ДРОЖЖАМИ ВИДА SACCHAROMYCES CEREVISIAE'

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ В КАЧЕСТВЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ЭРГОСТЕРОЛА ДРОЖЖАМИ ВИДА SACCHAROMYCES CEREVISIAE Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
508
92
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БИОСИНТЕЗ ЭРГОСТЕРОЛА / ДРОЖЖИ SACCHAROMYCES CEREVISIAE / ПИТАТЕЛЬНАЯ СРЕДА / СОДЕРЖАНИЕ ГЛЮКОЗЫ / ERGOSTEROL BIOSYNTHESIS / SACCHAROMYCES CEREVISIAE YEAST / NUTRIENT MEDIUM / GLUCOSE CONTENT

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Калинина Ирина Валерьевна, Ни Даниил Дмитриевич, Черняев Степан Сергеевич, Мерлина Екатерина Валерьевна, Абдуллина Альфия Рушановна

Эргостерол (эргостерин), известный как предшественник витамина D2, широко используется в различных отраслях пищевой промышленности и медицине. Химический синтез эргостерола является сложным, многостадийным и очень затратным процессом. По этой причине промышленное получение эргостерола в настоящее время осуществляется путем биосинтеза с применением различных микроорганизмов, растительных клеток и микроводорослей. Среди дрожжей наибольшее распространение для получения эргостерола получили Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces carlsbergensis, Saccharomyces ellipsoideus. Целью настоящего исследования стало изучение интенсивности биосинтеза эргостерола двумя образцами дрожжей Saccharomyces cerevisiae при использовании питательных сред на основе экстрактов яблочного жмыха с различным содержанием глюкозы (от 1 до 15 %) как основного источника углерода для питания дрожжей. На первом этапе исследований была проведена оценка степени зрелости дрожжей путем микроскопии окрашенного раствором Люголя препарата дрожжей как одного из важных показателей технологической пригодности дрожжевой культуры для синтеза и накопления эргостерола. Исследования биосинтеза эргостерола проводились путем определения его количественного содержания в биомассе дрожжей через 12, 24, 36 и 48 часов брожения. Полученные результаты показали, что характер протекания процесса биосинтеза эргостерола для обоих образцов дрожжей был схожим, и количественное содержание глюкозы в питательной среде оказало весомое влияние на интенсивность данного процесса. Так, недостаток глюкозы привел к резкому снижению эффективности накопления эргостерола дрожжевыми клетками, через 48 часов количество эргостерола составило 2,0-2,5 %. Избыток же глюкозы привел к значительному временному сдвигу фазы активного синтеза эргостерола дрожжами, примерно на 12 часов. Было установлено, что среди исследуемых образцов наиболее эффективно синтез эргостерола протекал при содержании глюкозы в питательной среде 8 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Калинина Ирина Валерьевна, Ни Даниил Дмитриевич, Черняев Степан Сергеевич, Мерлина Екатерина Валерьевна, Абдуллина Альфия Рушановна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE USING OF SECONDARY RAW MATERIALS AS A NUTRIENT MEDIUM FOR ERGOSTEROL SYNTHESIS BY YEAST SACCHAROMYCES CEREVISIAE

Ergosterol (ergostrein), known as the precursor to vitamin D2, is widely used in various food and medical industries. The chemical synthesis of ergosterol is a complex, multi-step, and very costly process. For this reason, the industrial production of ergosterol is currently carried out by biosynthesis using various microorganisms, plant cells and microalgae. Among yeasts, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces carlsbergensis, and Saccharomyces ellipsoideus are most widely used to produce ergosterol. The aim of this study was to study the intensity of ergosterol biosynthesis by two samples of Saccharomyces cerevisiae yeast using nutrient media with different glucose content (from 1 to 15 %) as the main carbon source for yeast nutrition. At the first stage of the research, the degree of yeast maturity was assessed by microscopy of a yeast preparation stained with Lugol's solution, as one of the important indicators of the technological suitability of a yeast culture for the synthesis and accumulation of ergosterol. Studies of ergosterol biosynthesis were carried out by determining its quantitative content in yeast biomass after 12, 24, 36 and 48 hours of fermentation. The results obtained showed that the nature of the process of ergosterol biosynthesis for both yeast samples was similar, and the quantitative content of glucose in the nutrient medium had a significant impact on the intensity of this process. So, the lack of glucose led to a sharp decrease in the efficiency of accumulation of ergosterol by yeast cells, after 48 hours the amount of ergosterol was 2.0-2.5 %. Excess glucose led to a significant time shift in the phase of active synthesis of ergosterol by yeast, by about 12 hours. It was found that among the studied samples, the synthesis of ergosterol proceeded most effectively when the glucose content in the nutrient medium was 8 %.

Текст научной работы на тему «ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ В КАЧЕСТВЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ЭРГОСТЕРОЛА ДРОЖЖАМИ ВИДА SACCHAROMYCES CEREVISIAE»

Биохимический и пищевой инжиниринг

УДК 664.68.022.345 йО!: 10.14529^оо<200408

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ В КАЧЕСТВЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ЭРГОСТЕРОЛА ДРОЖЖАМИ ВИДА SACCHAROMYCES ОБПЕУМАБ

И.В. Калинина, Д.Д. Ни, С.С. Черняев, Е.В. Мерлина, А.Р. Абдуллина, Р.И. Фаткуллин

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия

Эргостерол (эргостерин), известный как предшественник витамина Б2, широко используется в различных отраслях пищевой промышленности и медицине. Химический синтез эр-гостерола является сложным, многостадийным и очень затратным процессом. По этой причине промышленное получение эргостерола в настоящее время осуществляется путем биосинтеза с применением различных микроорганизмов, растительных клеток и микроводорослей. Среди дрожжей наибольшее распространение для получения эргостерола получили БассНаготусе' сегеугьчае, БассНаготусе' иуагит, БассНаготусе' сагЬЬе^етг,', БассНаготусе' еШр8о1йеш. Целью настоящего исследования стало изучение интенсивности биосинтеза эргостерола двумя образцами дрожжей БассНаготусе' сегеугьчае при использовании питательных сред на основе экстрактов яблочного жмыха с различным содержанием глюкозы (от 1 до 15 %) как основного источника углерода для питания дрожжей. На первом этапе исследований была проведена оценка степени зрелости дрожжей путем микроскопии окрашенного раствором Люголя препарата дрожжей как одного из важных показателей технологической пригодности дрожжевой культуры для синтеза и накопления эргостерола. Исследования биосинтеза эргостерола проводились путем определения его количественного содержания в биомассе дрожжей через 12, 24, 36 и 48 часов брожения. Полученные результаты показали, что характер протекания процесса биосинтеза эргостерола для обоих образцов дрожжей был схожим, и количественное содержание глюкозы в питательной среде оказало весомое влияние на интенсивность данного процесса. Так, недостаток глюкозы привел к резкому снижению эффективности накопления эргостерола дрожжевыми клетками, через 48 часов количество эргостерола составило 2,0-2,5 %. Избыток же глюкозы привел к значительному временному сдвигу фазы активного синтеза эргостерола дрожжами, примерно на 12 часов. Было установлено, что среди исследуемых образцов наиболее эффективно синтез эргостерола протекал при содержании глюкозы в питательной среде 8 %.

Ключевые слова: биосинтез эргостерола, дрожжи Saccharomyces cerevisiae, питательная среда, содержание глюкозы.

Введение

Эргостерол (эргостерин) (эргоста-5,7,22-триен-3р-ол, рис. 1) является предшественником витамина D2, а также необходим для синтеза гормонов кортизона и флавона.

Из-за наличия асимметричного центра в молекуле эргостерола его химический синтез сложен, многостадиен и требует высоких материальных, энерго- и трудозатрат [6, 13, 19, 21]. Вследствие чего процессы дрожжевого биосинтеза стали наиболее привлекательными методами получения эргостерина в промышленных масштабах. Среди всего разнообразия потенциальных продуцентов эргостерола предпочтение отдается различным штаммам

БассНаготусе' сегеуг'гае, как достаточно неприхотливым и наиболее изученным микроорганизмам.

Биосинтез эргостерола дрожжами в последние годы являлся предметом многочисленных исследований и на сегодняшний день достаточно полно представлен в литературе (рис. 2).

Эргостерол является основным липидным компонентом мембраны клеток дрожжей и определяет их структурные особенности, такие как проницаемость, текучесть и целостность, которые важны для правильного функционирования мембранных белков. Эргосте-рол обеспечивает барьерную функцию мем-

Рис. 1. Молекулярная структура эргостерола [FodDB.ca]

браны и деятельность ассоциированных с мембраной ферментов. Значительная нехватка эргостерина или его разрушение приводят к дестабилизации мембраны [1, 2, 7, 11, 14, 19]. На эргостерин приходится более 60 % от всех стеринов дрожжевой клетки, его содержание в среднем составляет 0,2-0,5 % сухой биомассы дрожжей, для некоторых штаммов может достигать 10 %.

Исследования последних лет указывают на то, что синтез эргостерина протекает в строго аэробных условиях. Так, Alexandra Cristina Blaga и соавторы установлено, что для образования одной молекулы эргостерина необходимо десять молекул кислорода [13].

Помимо аэрации к процессу дрожжевого биосинтеза эргостерола предъявляются и другие требования, в частности исследованиями X. He и соавторами установлено, что на эффективность биосинтеза оказывает влияние соотношение источников углерода и азота в питательной среде, а также накопленный в процессе брожения этанол [14].

Tianwei Tan и соавторы проводили исследования, направленные на выявление взаимосвязи процесса накопления биомассы дрожжей и синтезом эргостерола, которые показали, что для синтеза эргостерола прирост биомассы не является тригерным фактором. Наиболее активно синтез эргостерола протекал в зрелой культуре дрожжей [22].

Вместе с тем, несмотря на то, что производство эргостерола путем дрожжевого биосинтеза представляет собой активно эксплуатируемую отрасль биотехнологий, многие аспекты этого процесса до сих пор остаются неизученными [3-5, 8-10, 12, 15]. В частности, в литературе отсутствуют системные данные о возможности регулирования интенсивности биосинтеза эргостерола путем изме-

нения содержания сухих веществ в питательной среде. Кроме того, значительный практический интерес представляет возможность использования отходов пищевых производств в качестве основы для питательной среды в технологии дрожжевого биосинтеза. В рамках данных исследований изучалась возможность использования отходов производства сока из сортов яблок, районированных в Уральском регионе.

Целью настоящего исследования стало изучение интенсивности накопления эргосте-рола дрожжами при использовании питательных сред на основе экстрактов яблочного жмыха с различным содержанием глюкозы.

Объекты и методы исследований

Для исследования было выбрано 2 образца дрожжей Saccharomyces cerevisiae:

образец 1 - дрожжи сухие хлебопекарные производства АО Компания «ПРОКСИМА»;

образец 2 - дрожжи сухие быстродействующие <Юг. Oetker» производства ЗАО «Д-р Оеткер».

Внешний вид дрожжей в сухом виде и результаты их микроскопии представлены на рис. 3.

В качестве питательной среды использовалась стерильная среда YP (8^2 % пептона, 8^2 % дрожжевого экстракта) с дополнительно внесенным количеством глюкозы в количестве 1, 8 и 15 %.

Дрожжи вносили в предварительно ре-гидратированном виде в количестве 3 об. % к объему питательной среды.

Таким образом, был сформирован перечень объектов исследования, представленный в таблице.

Процесс брожения протекал при температуре 37 °С в течение 48 часов в аэробных условиях. Содержание эргостерина оценивали через каждые 12 часов.

Рис. 2. Метаболический путь синтеза эргостерола Saccharomyces cerevisiae [13]

Предварительно была проведена условная оценка степени зрелости дрожжевой культуры путем микроскопирования окрашенного раствором Люголя препарата дрожжей.

Характеристика объектов исследования

Код образца Используемые дрожжи Содержание глюкозы в питательной среде, %

1.1 образец 1 1

1.2 образец 1 8

1.3 образец 1 15

2.1 образец 2 1

2.2 образец 2 8

2.3 образец 2 15

Содержание эргостерина в дрожжах определяли спектрофотометрически. Для чего из навески 200 мг дрожжей экстрагировали эрго-стерин с использованием 70 % раствора этилового спирта. Определение оптической плотности вещества проводили в концентрированной серной кислоте при длине волны СФ 328 нм.

Содержание эргостерола определяли по формуле

х=

А х100х25х100 A cm х m x(l 00- W) '

(1)

где A - оптическая плотность испытуемого раствора; m - точная навеска анализируемого образца, мл; W - влажность сырья; A cm -удельный показатель поглощения чистого эр-гостерина.

Результаты и обсуждение

Для эффективного протекания процессов биосинтеза к состоянию дрожжевой культуры предъявляется ряд требований, в том числе контролируется количество почкующихся клеток, мертвых клеток, наличие посторонних микроорганизмов, содержание в дрожжах запасных питательных веществ (гликогена и волютина) [7, 15-17, 21].

Поскольку исследования, представленные в литературе, указывают на то, что для эффективного синтеза эргостерола необходима зрелая культура дрожжей, то в рамках проводимых исследований на первом этапе была проведена оценка физиологического состоя-

в) г)

Рис. 3. Внешний вид исследуемых дрожжей Saccharomyces cerevisiae: а - образец 1, сухие дрожжи; б - образец 1, препарат «раздавленная капля» при увеличении х600; в - образец 2, сухие дрожжи; г - образец 2, препарат «раздавленная капля» при увеличении х600

ние дрожжевых культур путем микроскопи-рования окрашенного раствором Люголя препарата (рис. 4) [4, 7, 13, 15, 18].

Известно, что количество гликогена в клетках дрожжей меняется как от их возраста, так и в зависимости от условий культивирования. В зрелых клетках гликоген занимает от 1/3 до 2/3 клетки и более. В клетках с низкой физиологической активностью окрашенный гликоген занимает менее 1/4 клетки. В молодых клетках гликоген отсутствует и при окрашивании раствором йода клетки приобретают бледно-желтый цвет [2, 6-8, 12, 19, 20].

Результаты микроскопии показали, что исходное состояние дрожжевых суспензий было близким. Исследуемые дрожжи имели овальную форму, клетки дрожжей образца 1 отличались несколько меньшими размерами, чем клетки образца 2. Окраска суспензий дрожжей йодсодержащим раствором показала, что в суспензии дрожжей образца 1 превалировали дрожжи зрелые (окрашенные в коричневый цвет), клетки дрожжей образца 2

можно было отнести к молодым (отмечалось преимущество клеток со светло-желтой окраской).

Результаты определения эргостерола в исследуемых образцах дрожжей представлены на рис. 5.

Полученные результаты показали, что исследуемые образцы дрожжей способны синтезировать эргостерол в количествах, достигающих 5,4-5,8 % от количества биомассы. При этом наблюдается выраженная зависимость накопленного эргостерола от используемой питательной среды. Так, для обоих образцов дрожжей использование питательной среды, содержащей 1 % глюкозы, оказалось неэффективным. За период 48 часов биосинтез эргостерола не превышал 2,5 и 2,0 % для образцов 1 и 2 соответственно.

Наиболее интенсивно синтез эргостерина протекал при содержании глюкозы 8 и 15 % не зависимо от образцов дрожжей. При этом характер синтеза был схож. Так, при использовании питательной среды с содержанием

а) б)

Рис. 4. Результаты микроскопии дрожжей (препарат «раздавленная капля», окрашенный раствором Люголя, увеличение *600): а - образец 1; б - образец 2

б)

Рис. 5. Количество эргостерола, синтезированное в процессе брожения исследуемыми образцами дрожжей, %: а - образец 1; б - образец 2

глюкозы 8 % наибольшая интенсивность накопления эргостерола отмечалась в период с 12 до 36 часов как для образца 1, так и для образца 2, что вероятно соответствовало середине экспоненциальной фазы роста дрожжей. Достаточно большое количество глюкозы (8 и 15 %) в питательных средах позволило обеспечить относительно высокую скорость синтеза эргостерола для обоих образцов дрожжей. Вместе с тем, при использовании среды с содержанием глюкозы 8 % активный синтез эргостерола начинается уже после 12 часов брожения, тогда как при содержании глюкозы 15 % - только после 24 часов. Очевидно, высокая концентрация глюкозы (15 %) привела к снижению доступного кислорода для дрожжей и быстрому росту клеток в период с 12 до 24 часов, что привело к сдвигу фазы активного синтеза эргостерола. На конец брожения, через 48 часов, количество накопленного эр-гостерола в образцах дрожжей, брожение которых протекало в среде с содержанием глюкозы 8 и 15 % различалось незначительно, колебания составили 0,2-0,3 %.

Заключение

Таким образом, представленные материалы свидетельствуют о том, что процесс интенсивности биосинтеза эргостерола дрожжами можно регулировать путем изменения содержания глюкозы, как основного источника углерода, в питательной среде. Установлено, что нехватка глюкозы приводит к снижению общей эффективности синтеза эргостерола, тогда как ее избыток - к сдвигу фазы активного синтеза эргостерола и увеличению продолжительности этого процесса во времени. Настраивая процесс биосинтеза эргостерола путем оптимизации состава питательной среды и других характеристик можно эффективно решать биотехнологические задачи в промышленных масштабах.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.

Литература

1. Бабьева, И.П. Биология дрожжей / И.П. Бабьева, И.Ю. Чернов. - М.: Изд-во МГУ, 2004. - 239 с.

2. Бирюзова, В.И. Ультраструктурная организация дрожжевой клетки / В.И. Бирюзова. - М.: Наука, 1993. - 224 с.

3. Борисова, С.В. Использование дрож-

жей в промышленности и / С.В. Борисова, О.А. Решет ник, З.Ш. Мингалеева. - СПб.: ГИОРД, 2008. - 216 с.

4. Калинина, И.В. Оценка эффективности процесса биосинтеза этанола дрожжами рода Saccharomyces / И.В. Калинина, Р.И. Фат куллин, Н.В. Попова, А .Р. Шарипова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2018. - Т. 6, № 4. - С. 74-82. DOI: 10.14529/food180410

5. Кретова Ю.И. Актуальные аспекты обеспечения качества сырьевых компонентов в технологии производства напитков/ Ю.И. Кре ова, И.В. Калинина // Ве ник ВГУИТ. -2017. - Т. 79, № 1 (71). - С. 169-177.

6. Клунова, С.М. Биотехнология / С.М. Клунова, Т.А. Егорова, Е.А. Живухина. - М. : Издательский центр «Академия», 2010. -256 с.

7. Меледина Т.В. Физиологиче кое о-стояние дрожжей: учебн. пособие / Т.В. Ме-ледина, С.Г. Давыденко, Л.М. Васильева. -СПб.: НИУИТМО; ИХиБТ, 2013. - 48 с.

8. Паймулина, А .В. Влияние полисахаридов бурых водоро лей на проце ы жизнедея-т ельност и дрожжей Saccharomyces Cerevisiae / А .В. Паймулина, И.Ю. Пот ороко, И.В. Калинина // Вест ник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2020. - Т. 8, № 3. - С. 90-98. DOI: 10.14529/food200311

9. Палагина, К.К. Технологические расче-ы дрожжевого производ ва / К.К. Палаги-

на. - М. : Пищевая промышленность, 2008. -4 .

10. Уст инова, А .С. Влияние углеводного о ава вы ококонцен рированного ячменного сусла на бродильную активность спиртовых дрожжей / А .С. Уст инова, Н.В. Барако-ва, Е.В. Бори ова // Производ во пир а и ликероводочных изделий. - 2013. - № 3. -С. 37-40.

11. Apweiler E., Sameith K., Margaritis T., Brabers N., van de Pasch L., Bakker L.V., van Leenen D., Holstege F.C., Kemmeren P. Yeast glucose pathways converge on the transcription-al regulation of trehalose biosynthesis // BMC Genomics. - 2012. - V. 13. - P. 239.

12. Alexandre H., Rousseaux I., Charpentier C. Ethanol adaptation mechanisms in Saccharo-myces cerevisiae // Biotechnol. Appl. Biochem. -1994. - V. 20 (Pt 2). - P. 173-183.

13. Blaga, A. C., Ciobanu, С, Cagcaval, D., Galaction, A. Enhancement of ergosterol production by Saccharomyces cerevisiae in batch and

fed-batch fermentation processes using n-dodecane as oxygen-vector // Biochemical Engineering Journal. - 131 (2018). - P. 70-76.

14. He, X., Huai, W., Tie, C., Liu Y., Zhang, B. Breeding of high ergosterolproducing yeast strains // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. - 25 (2000). - Pp. 39-44.

15. Hounsa C.G., Brandt E.V., Thevelein J., Hohmann S., Prior B.A. Role of trehalose in survival of Saccharomyces cerevisiae under osmotic stress // Microbiology. - 1998. - V. 144. - P. 671-680.

16. Pahlman A.K., Granath K., Ansell R., Hohmann S., Adler L. The yeast glycerol 3-phosphatases Gpp1p and Gpp2p are required for glycerol biosynthesis and differentially involved in the cellular responses to osmotic, anaerobic, and oxidative stress // J. Biol. Chem. - 2001. -V. 276. - P. 3555-3563.

17. Parks, L.W., Crowley J.H., Leak, F.W., Smith S.J., Tomeo, M.E. Use of sterol mutants as probes for sterol functions in the yeast Saccha-romyces cerevisiae Crit. Rev. // Biochem. Mol. Biol. - 34 (1999). - P. 399-404.

18. Siderius M., Van Wuytswinkel O., Rei-

jenga K.A., Kelders M., Mager W.H. The control of intracellular glycerol in Saccharomyces cerevisiae influences osmotic stress response and resistance to increased temperature // Mol. Microbiol. - 2000. - V. 36. - P. 1381-1390.

19. Shobayashi, M., Mitsueda, S., Ago, M., Fujii, T. Iwashita, K., Iefuji Effects of culture conditions on ergosterol biosynthesis by Saccha-romyces cerevisiae // Biosci. Biotechnol. Biochem. - 69 (2005). - P. 2381-2388.

20. Souza, C.M., Schwabe, T.M., Pichler, H., Ploier B., Leitner, E., Guan, X.L., Wenk, M.R, Riezman, I., Riezman H. A stable yeast strain efficiently producing cholesterol instead of ergosterol is functional for tryptophan uptake, but not weak organic acid resistance // Metab. Eng., 13 (2011). - P. 555-569.

21. Stanley D., Bandara A., Fraser S., Chambers P.J., Stanley G.A. The ethanol stress response and ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae // J. Appl. Microbiol. - 2010. -V. 109. - P. 13-24.

22. Tan T., Zhang M., Cao H. Ergosterol production by fed-batch fermentation of Saccha-romyces cerevisiae // Enz. Microb. Technol. -33 (2003). - P. 366-370.

Калинина Ирина Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), kalini-naiv@susu.ru

Ни Даниил Дмитриевич, студент кафедры пищевых и биотехнологий направления подготовки 19.04.01, группа МБ-205, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), wwmenn@gmail .com

Черняев Степан Сергеевич, студент кафедры пищевых и биотехнологий направления подготовки 19.04.01, группа МБ-205, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), vagner777@mail.ru

Мерлина Екатерина Валерьевна, студент кафедры пищевых и биотехнологий направления подготовки 19.04.01, группа МБ-205, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), checanova_k@mail.ru

Абдуллина Альфия Рушановна, студент кафедры пищевых и биотехнологий направления подготовки 19.04.01, группа МБ-205, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), al.abdullina2012@yandex.ru

Фаткуллин Ринат Ильгидарович, кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск), fatkullinri@susu.ru

Поступила в редакцию 28 апреля 2020 г

DOI: 10.14529/food200408

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

THE USING OF SECONDARY RAW MATERIALS

AS A NUTRIENT MEDIUM FOR ERGOSTEROL SYNTHESIS

BY YEAST SACCHAROMYCES CEREVISIAE

I.V. Kalinina, D.D. Ni, S.S. Chernyaev, E.V. Merlina, A.R. Abdullina, R.I. Fatkullin

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

Ergosterol (ergostrein), known as the precursor to vitamin D2, is widely used in various food and medical industries. The chemical synthesis of ergosterol is a complex, multi-step, and very costly process. For this reason, the industrial production of ergosterol is currently carried out by biosynthesis using various microorganisms, plant cells and microalgae. Among yeasts, Saccharo-myces cerevisiae, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces carlsbergensis, and Saccharomyces ellipsoideus are most widely used to produce ergosterol. The aim of this study was to study the intensity of ergosterol biosynthesis by two samples of Saccharomyces cerevisiae yeast using nutrient media with different glucose content (from 1 to 15 %) as the main carbon source for yeast nutrition. At the first stage of the research, the degree of yeast maturity was assessed by microscopy of a yeast preparation stained with Lugol's solution, as one of the important indicators of the technological suitability of a yeast culture for the synthesis and accumulation of ergosterol. Studies of ergosterol biosynthesis were carried out by determining its quantitative content in yeast biomass after 12, 24, 36 and 48 hours of fermentation. The results obtained showed that the nature of the process of ergosterol biosynthesis for both yeast samples was similar, and the quantitative content of glucose in the nutrient medium had a significant impact on the intensity of this process. So, the lack of glucose led to a sharp decrease in the efficiency of accumulation of ergosterol by yeast cells, after 48 hours the amount of ergosterol was 2.0-2.5 %. Excess glucose led to a significant time shift in the phase of active synthesis of ergosterol by yeast, by about 12 hours. It was found that among the studied samples, the synthesis of ergosterol proceeded most effectively when the glucose content in the nutrient medium was 8 %.

Keywords: ergosterol biosynthesis, Saccharomyces cerevisiae yeast, nutrient medium, glucose content.

References

1. Bab'eva I.P., Chernov I.Yu. Biologiya drozhzhey [Biology of yeasts]. Moscow, 2004. 239 p.

2. Biryuzova V.I. Ul'trastrukturnaya organizatsiya drozhzhevoy kletki [Ultrastructural organization of yeast cells]. Moscow, 1993. 224 p.

3. Borisova S.V., Reshetnik O.A., Mingaleeva Z.Sh. Ispol'zovanie drozhzhey v promyshlennosti [Use of yeast in industry]. St. Petersburg, 2008. 216 p.

4. Kalinina I.V., Fatkullin R.I., Popova N.V., Sharipova A.R. The Analysis on Efficiency of Ethanol Biosynthesis By Saccharomyces Yeast. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 2018, vol. 6, no. 4, pp. 74-82. (in Russ.) DOI: 10.14529/food180410

5. Kretova Yu.I., Kalinina I.V. [Actual aspects of quality assurance of raw materials components in beverage production technology]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy [Bulletin of the Voronezh state University of engineering technologies], 2017, vol. 79, no. 1 (71), pp. 169-177. (in Russ.)

6. Klunova S.M., Egorova T.A., Zhivukhina E.A. Biotekhnologiya [Biotechnology]. Moscow, 2010.256 p.

7. Meledina T.V., Davydenko S.G., Vasil'eva L.M. Fiziologicheskoe sostoyanie drozhzhey [Physiological state of yeast]. St. Petersburg, 2013. 48 p.

8. Paymulina A.V., Potoroko I.Yu., Kalinina I.V. Influence of Brown Algae Polysaccharides on the Life Processes of Yeast Saccharomyces Cerevisiae. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 2020, vol. 8, no. 3, pp. 90-98. (in Russ.) DOI: 10.14529/food200311

9. Palagina K.K. Tekhnologicheskie raschety drozhzhevogo proizvodstva [Technological calculations of yeast production]. Moscow, 2008. 54 p.

10. Ustinova A.S., Barakova N.V., Borisova E.V. [Influence of the carbohydrate composition of highly concentrated barley wort on the fermentation activity of alcoholic yeast]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdeliy [Production of alcohol and alcoholic beverages], 2013, no. 3, pp. 37-40. (in Russ.)

11. Apweiler E., Sameith K., Margaritis T., Brabers N., van de Pasch L., Bakker L.V., van Leenen D., Holstege F.C., Kemmeren P. Yeast glucose pathways converge on the transcriptional regulation of trehalose biosynthesis. BMC Genomics, 2012, vol. 13, pp. 239. DOI: 10.1186/1471-216413-239

12. Alexandre H., Rousseaux I., Charpentier C. Ethanol adaptation mechanisms in Saccharomy-ces cerevisiae. Biotechnol. Appl. Biochem, 1994, vol. 20 (Pt. 2), pp. 173-183.

13. Blaga A.C., Ciobanu S, Ca§caval D., Galaction A. Enhancement of ergosterol production by Saccharomyces cerevisiae in batch and fed-batch fermentation processes using n-dodecane as oxygen-vector. Biochemical Engineering Journal, 131 (2018), pp. 70-76. DOI: 10.1016/j .bej .2017.12.010

14. He X., Huai W., Tie C., Liu Y., Zhang B. Breeding of high ergosterolproducing yeast strains. JIndMicrobiol Biotechnol, 25 (2000), pp. 39-44.

15. Hounsa C.G., Brandt E.V., Thevelein J., Hohmann S., Prior B.A. Role of trehalose in survival of Saccharomyces cerevisiae under osmotic stress. Microbiology, 1998, vol. 144, pp. 671-680. DOI: 10.1099/00221287-144-3-671

16. Pahlman A.K., Granath K., Ansell R., Hohmann S., Adler L. The yeast glycerol 3-phosphatases Gpp1p and Gpp2p are required for glycerol biosynthesis and differentially involved in the cellular responses to osmotic, anaerobic, and oxidative stress. J. Biol. Chem, 2001, vol. 276, pp. 3555-3563. DOI: 10.1074/jbc.m007164200

17. Parks, L.W., Crowley J.H., Leak, F.W., Smith S.J., Tomeo M.E. Use of sterol mutants as probes for sterol functions in the yeast Saccharomyces cerevisiae Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 34 (1999), pp. 399-404.

18. Siderius M., Van Wuytswinkel O., Reijenga K.A., Kelders M., Mager W.H. The control of intracellular glycerol in Saccharomyces cerevisiae influences osmotic stress response and resistance to increased temperature. Mol. Microbiol. 2000, vol. 36, pp. 1381-1390.

19. Shobayashi M., Mitsueda S., Ago M., Fujii T., Iwashita K., Iefuji Effects of culture conditions on ergosterol biosynthesis by Saccharomyces cerevisiae. Biosci. Biotechnol. Biochem, 69 (2005), pp. 2381-2388. DOI: 10.1271/bbb.69.2381

20. Souza C M., Schwabe T.M., Pichler H., Ploier B., Leitner E., Guan X.L., Wenk M R, Riezman I., Riezman H. A stable yeast strain efficiently producing cholesterol instead of ergosterol is functional for tryptophan uptake, but not weak organic acid resistance. Metab. Eng., 13 (2011), pp. 555-569. DOI: 10.1016/j.ymben.2011.06.006

21. Stanley D., Bandara A., Fraser S., Chambers P.J., Stanley G.A. The ethanol stress response and ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae. J. Appl. Microbiol., 2010, vol. 109, pp. 13-24.

22. Tan T., Zhang M., Cao H. Ergosterol production by fed-batch fermentation of Saccharomyces cerevisiae. Enz. Microb. Technol, 33 (2003), pp. 366-370. DOI: 10.1016/S0141-0229(03)00132-7

Irina V. Kalinina, doctor of technical sciences, associate professor of the department of food technology and biotechnology, South Ural State University, Chelyabinsk, kalininaiv@susu.ru

Daniil D. Ni, student of the department of food technology and biotechnology, Training program 19.04.01, MB-205 group, South Ural State University, Chelyabinsk, wwmenn@gmail.com

Stepan S. Chernyaev, student of the department of food technology and biotechnology, Training program 19.04.01, MB-205 group, South Ural State University, Chelyabinsk, vagner777@mail.ru

Ekaterina V. Merlina, student of the department of food technology and biotechnology, Training program 19.04.01, MB-205 group, South Ural State University, Chelyabinsk, checanova_k@mail.ru

Alfiya R. Abdullina, student of the department of food technology and biotechnology, Training program 19.04.01, MB-205 group, South Ural State University, Chelyabinsk, al.abdullina2012@yandex.ru

Rinat I. Fatkullin, candidate of technical sciences, associate professor of the department of food technology and biotechnology, South Ural State University, Chelyabinsk, fatkullinri@susu.ru.

Received April 28, 2020

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

№ 4. - С. 59-68. DOI: 10.14529/food200408

Возможность использования вторичного сырья в качестве питательной среды для синтеза эргостерола дрожжами вида Saccharomyces Cerevisiae / И.В. Калинина, Д.Д. Ни, С.С. Черняев и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». - 2020. - Т. 8,

Kalinina I. V., Ni D.D., Chernyaev S.S., Merlina E.V., Abdullina A.R., Fatkullin R.I. The Using of Secondary Raw Materials as a Nutrient Medium for Ergosterol Synthesis by Yeast Saccharomyces Cerevisiae. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 2020, vol. 8, no. 4, pp. 59-68. (in Russ.) DOI: 10.14529/food200408

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.