Российские ученые протестировали разные методики получения бактериальной целлюлозы — полезного продукта жизнедеятельности микроорганизмов на основе чайного гриба. Выяснилось, что при росте на соевой патоке микроорганизмы вырабатывают на 57% больше этого вещества, чем на среде из чая с сахаром, как ее получают традиционно. Благодаря такому дешевому и доступному субстрату можно будет производить бактериальную целлюлозу, используемую в медицине для заживления ран и восстановления тканей, в промышленных масштабах.
Что такое бактериальная целлюлоза
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» 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.
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 млн т соевой патоки.
Чтобы понять, какие условия позволяют получить максимальное количество бактериальной целлюлозы, авторы протестировали пять вариантов сред — чай с сахаром; соевую патоку с чаем и сахаром; соевую патоку с сахаром; соевую патоку с чаем и просто соевую патоку. 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, рассказали ученые.
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 (чай 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.
— 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, доктор технических наук, профессор факультета биотехнологий Национального исследовательского университета ИТМО Ольга Кригер.
Зачем нужна бактериальная целлюлоза
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.
Хотя природный чайный гриб менее прихотлив в выращивании и не требует соблюдения стерильности, лабораторный модифицированный вариант оказался лучшим продуцентом бактериальной целлюлозы: 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.
Несмотря на производство различных раневых повязок из широкого спектра материалов для лечения хронических и острых ран, по-прежнему существуют проблемы в разработке высококачественных изделий с отличными механическими свойствами, нетоксичных и экономически выгодных. Целлюлоза — один из наиболее распространенных природных полимеров, для этих целей получаемых из растений, водорослей, грибов и бактерий, рассказал руководитель сегмента «Умные цепи поставок» рынка «Фуднет» (FoodNet) Национальной технологической инициативы Сергей Косогор.
— С момента своего открытия Брауном в 1886 году в медицине большую популярность приобрела бактериальная целлюлоза благодаря своим уникальным свойствам, превосходной механической прочности, биоразлагаемости, биосовместимости, влагоудерживающим способностям и хорошей химической стабильности. Первые сведения об использовании в качестве «временных заменителей кожи» для лечения ожогов, язв, ссадин и других повреждений кожи были отмечены в 1990 году, с того времени биополимер широко используют в качестве сосудистых стентов и для лечения ожогов, — сообщил специалист.
Однако особой уникальности в разработке нет, считает эксперт.
— Сейчас многие ученные, в том числе в России, работают в этом направлении, учитывая, как отмечалось, хорошую влагоудерживаемость, растяжимость целлюлозы и медицинские характеристики, что позволяет использовать бактериальную целлюлозу для перевязок вместо бинтов и пластырей. Кроме того, целлюлоза очищает кожу, уменьшает болевой синдром и не требует частой замены, как обычные пластыри, — пояснил Сергей Косогор.
Производство бактериальной целлюлозы позволяет не только выйти на рынок биоразлагаемых биополимеров, но и использовать в качестве сырья отходы пищевого производства. Это возможность вторичной переработки отходов и работа над повышением безопасности окружающей среды, рассказала «Известиям» генеральный директор компании «Новбиотех», эксперт рынка НТИ «Фуднет» Наталья Севостьянова.
— В качестве сырья могут быть использованы отходы сельхозпредприятий, начиная от производства, например некондиционные овощи и зернопродукты, и заканчивая отходами пищевого производства, такими как соевая патока, — отметила она.
Бактериальная целлюлоза за счет своей химической стойкости в дальнейшем может быть использована в качестве сырья в пищевой и фармацевтической промышленности. Она может выступать в роли загустителя и стабилизатор или в качестве композитного материала, спектр применения широк, подчеркнула специалист.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Food Science and Technology.