Вместо чая с сахаром. Соевая патока помогла чайному грибу произвести больше бактериальной целлюлозы

Ученые протестировали разные методики получения бактериальной целлюлозы на основе чайного гриба. Выяснилось, что при росте на соевой патоке микроорганизмы вырабатывают на 57% больше этого продукта, чем на среде из чая с сахаром. Такой способ удешевит производство, поскольку соевая патока — это побочный продукт переработки соевых бобов, образующийся в больших объемах на предприятиях. Благодаря такому дешевому и доступному субстрату можно будет производить бактериальную целлюлозу, используемую в медицине для заживления ран и восстановления тканей, в промышленных масштабах. 

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Food Science and Technology.

Бактериальная целлюлоза — это биополимер, который востребован в медицине, косметологии, тканевой инженерии и других областях. Его также используют для производства топлива и взрывчатых веществ, косметических продуктов, а также повязок, ускоряющих заживление ран. Наиболее эффективным «производителем» бактериальной целлюлозы считается так называемый чайный гриб — симбиотическая колония дрожжей с молочнокислыми и уксуснокислыми бактериями. Однако для получения больших объемов бактериальной целлюлозы микроорганизмы приходится выращивать на сложных и дорогих питательных средах. Поэтому, чтобы удешевить производство, ученые ищут альтернативы, например среды на основе дешевого растительного сырья.

Очищенные и отбеленные биопленки, полученные с помощью симбиотического чайного гриба (А) и лабораторно измененного чайного гриба (Б) на разных средах: 1 — чай с сахаром, 2 — соевая патока, сахар и чай, 3 — соевая патока и сахар, 4 — соевая патока и чай, 5 — соевая патока. Источник: Ольга Кригер.

Биотехнологи из Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург), Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) и Кемеровского государственного университета (Кемерово) предложили использовать в качестве субстрата (среды для роста) чайного гриба соевую патоку — побочный продукт переработки соевых бобов. Ежегодно в России производят и утилизируют более 1,58 миллиона тонн соевой патоки.

Биопленки, сформированные чайным грибом на среде с 2% соевой патокой: а — вид сбоку; б — вид сверху. Источник: Ольга Кригер.

Чтобы понять, какие условия позволяют получить максимальное количество бактериальной целлюлозы, авторы протестировали пять вариантов сред: чай с сахаром; соевая патока с чаем и сахаром; соевая патока с сахаром; соевая патока с чаем и просто соевая патока. Чай исследователи выбрали в качестве «контрольной» питательной среды потому, что он часто используется для выращивания чайного гриба. Чтобы микроорганизмы начали вырабатывать бактериальную целлюлозу, к чаю обычно добавляют дополнительные компоненты: глюкозу, дрожжевой экстракт и пептон. В результате среда получается дорогой, кроме того, продукта на ней удается получить не очень много, из-за чего себестоимость производства также растет.

Сообщества бактерий и дрожжей чайного гриба спустя 28 дней роста в питательных средах с различным содержанием соевой патоки (2–25%). Источник: Ольга Кригер.

Через 20 дней эксперимента в культурах образовались прочные пленки бактериальной целлюлозы. Оказалось, что на среде из соевой патоки, сахара и чая микроорганизмы растут лучше, чем в чае с сахаром. Более того, выход бактериальной целлюлозы, полученной на контрольной среде (чае с сахаром) был ниже на 49% и 37% в зависимости от температуры культивирования. Это говорит о том, что соевые субстраты представляют собой отличную питательную основу, способствующую более активному размножению микроорганизмов и продуктивной культивации.

Кроме того, биологи сравнили рост двух вариантов чайного гриба — природного и лабораторного — на разных питательных средах. Микробные сообщества различались между собой по видовому составу. Так, в состав природного чайного гриба входило сообщество дрожжей и бактерий Medusomyces gisevii. В лабораторном варианте присутствовало измененное сообщество, в которое вошли уксуснокислые бактерии Komagataeibacter sucrofermentans, молочнокислые микроорганизмы Lactobacillus sakei и Streptococcus thermophilus, а также дрожжи Pachysolen tannophilus. Авторы объединили эти штаммы в пропорции 4:3:1. После этого их смешали с природным «чайным грибом», получив таким образом модифицированный вариант чайного гриба.

Пленки бактериальной целлюлозы, полученные с использованием чайного гриба на разных этапах культивирования. 
Источник: Ольга Кригер.

Хотя природный чайный гриб менее прихотлив в выращивании и не требует соблюдения стерильности, лабораторный модифицированный вариант оказался лучшим продуцентом бактериальной целлюлозы. Так, при его выращивании в среде с соевой патокой, сахаром и чаем максимальный выход бактериальной целлюлозы увеличился на 56–58% по сравнению с природной группой микроорганизмов.

Предложенный подход может стать экономичной технологией производства бактериальной целлюлозы, поскольку в нем в качестве среды для выращивания микроорганизмов используются доступные отходы пищевой промышленности. Это позволит снизить затраты на 50% и получать большие объемы биополимера.

«Чтобы лучше понять механизмы образования бактериальной целлюлозы, нужно и далее исследовать ее получение на альтернативных средах, основой которых служат отходы агропромышленного комплекса или малоценные травянистые растения, например тростниковая патока, апельсиновый и ананасовый соки и кожура, кислотный гидролизат и другие», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Кригер, доктор технических наук, профессор факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО.

Изображения в публикации: пресс-служба Российского научного фонда
Фото на обложке: freepik