Способ повышения активности дрожжей действием микроволн тепловой интенсивности

УДК 577.35

З.Г. Сулейманова, Э.Ш. Исмаилов, М. С. Гаджиев СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ АКТИВНОСТИ ДРОЖЖЕЙ ДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛН ТЕПЛОВОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Z.G. Suleymanova, E.Sh. Ismailov, M.S. Gadjiev METHOD OF INCREASING ACTIVITY OF YEAST HEAT INTENSITY ACTION OF MICROWAVES

В статье рассмотрены разработанные авторами способы повышения активности дрожжевых микроорганизмов действием микроволн тепловой интенсивности. Эффективность действия используемого фактора определяли по интенсивности брожения и нарастанию биомассы клеток. Выявлено активирующее действие использованных способов микроволнового воздействия.

Ключевые слова: дрожжевые микроорганизмы, наноструктуры, биомембраны, активация, микроволновое излучение, конформация белковых молекул, биомасса.

In the article the authors developed ways to enhance the activity of yeast organismsinfluence the intensity of the microwaves heat. The effectiveness of the factors used todetermine the intensity of the fermentation of biomass and growth of cells. Revealed the activating effect of the used methods of microwave exposure.

Key words: yeast microorganisms, nanostructures, biomembranes, activation, microwave radiation, the conformation of the protein molecules, and biomass.

Большим объемом экспериментальных исследований показано, что микроволновые излучения МИ обладают выраженной мембранной активностью. Они оказывают избирательное действие на структуру и функцию живых наноструктур - биологических мембран. Такое специфическое действие МИ определяется особенностями молекулярной организации биомембран и структурой воды, взаимодействующей с молекулярными компонентами биологических систем. Особенностью мембран клеток является их сложная структура, представленная липидным бислоем и взаимодействующими с липидами периферическими и интегральными белками [1,2,3,4].

Белки мембран представлены преимущественно гликопротеинами и другими сложными молекулами протеинов. Они подразделяются на поверхностные (периферические) и интегральные. Вместе с липидами белки обеспечивают все жизненно-важные векторные свойства и функции мембран. Периферические белки обычно локализованы на поверхности или немного погружены в гидрофильные слои липидной фазы биологических мембран. Они динамично взаимодействуют с липидами. Интегральные белки находятся в самой мембране и выступают наружу во внешнюю среду с обеих её сторон. Они обеспечивают транспортные, рецепторные, ферментативные и другие важные функции живой клетки [14].

Подсчитано, что на 1 мкм2 мембран эритроцитов приходится около 4200 частиц белка, а на всю клетку - примерно 6-105 таких частиц. Одним из главных периферических белков является спектрин, имеющий молекулярную массу от 225000 до 250000 и участвующий вместе с другим актиноподобным белком в регуляции динамических свойств мембраны. Из интегральных белков плазматической мембраны эритроцитов хорошо изучен гликофорин, молекула которого содержит 131 остаток аминокислот и 16 олигосахаридных цепочек, составляющих 60% всей массы молекулы. Гликофорин очень богат также гетерополисахаридом, называемым сиаловой кислотой. Схематично фрагмент

А-

мембраны эритроцита

изображен на рисунке 1.

В целом, белки и липиды биологических мембран взаимодействуют друг с другом весьма слаженно с помощью электрических, магнитных, межмолекулярных, гидрофильно-гидрофобных и некоторых других типов связей и физико-химических сил. В процессах

«полоса 3»

гликофорин С

аддуцин

Рис. 1. Основные белки (ферменты) и другие компоненты, образующие мембрану эритроцита [14].

функционирования белков и осуществления необходимого белок - липидного взаимодействия весьма существенное значение приобретают возникающие конформационные изменения белков в мембране. Наряду с белками и липидами большую роль в стабилизации структуры и обеспечении нормальной функции мембран играют молекулы воды, локализованные в примембранных слоях и самой мембране, а также катионы Са2+, №+, К+, анионы хлора, электрически заряжённые остатки серной и

фосфорной кислот и другие органические и неорганические ионы, входящие в состав клеток, органов и тканей живого организма [2,3,11].

В большой серии исследований действия электромагнитных полей и излучений на структурную организацию биологических мембран выявлены интересные особенности действия микроволн УВЧ диапазона на мембраны эритроцитов человека. С помощью методов инфракрасной спектроскопии и водород - дейтериевого (Н - D) обмена установлено, что непрерывные и импульсные ЭМП в зависимости от интенсивности оказывают различное влияние на структуру мембран и белок - липидное взаимодействие [11]. При этом характер влияния микроволн устанавливали по кинетике Н-0 обмена, который проводили в специальной кювете в атмосфере D2О. Выраженность эффекта определяли по изменению соотношения интенсивностей полос амид I и амид II в инфракрасных спектрах воздушно-сухих теней (клеточных мембран) эритроцитов в процессе водород - дейтериевого обмена.

Особенностью кинетики Н - D обмена является то, что в молекулах белков наблюдаются два его типа: быстрый и медленный. Быстрый обмен происходит в легко доступных, не скрытых внутри белковой молекулы пептидных группах. Медленный же обмен протекает в менее доступных группах. Поэтому скорость обмена атомов водорода

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 22, 2011 3.

-\-

на дейтерий в медленно обмениваемых амидных группах может служить мерой

доступности пептидных групп, обусловленной конформацией белковых молекул и белок - липидным взаимодействием в биомембранах.

Результаты исследования водород - дейтериевого обмена в мембранах эритроцитов с помощью инфракрасной спектроскопии показали, что под воздействием ЭМП средней интенсивности вторичная структура мембранных белков не нарушается, но могут происходить более тонкие конформационные изменения, определяемые белок -липидными и другими взаимодействиями и проявляющиеся в некотором изменении степени доступности пептидных групп белковых молекул в мембранах.

Постановка задачи

В данной работе перед нами была поставлена задача исследования возможности активации дрожжей действием микроволн средней, тепловой интенсивности.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования взяты дрожжевые микроорганизмы вида Saccharomyces cerevisiae, выпускаемые в промышленности в виде сухих дрожжей, используемых в хлебопекарной и других отраслях пищевого производства. Для активации таких дрожжей и повышения их продуктивности использовали действие на них микроволн тепловой интенсивности, составляющей 25 мВт/мл.

Облучение объекта микроволнами производили в специально сконструированной коаксиальной ячейке микроволнами от генератора Г3-21 при Х=18 см на частоте 1667МГц. Длительность облучения суспензии дрожжей составляла 10 минут.

Образцы дрожжей готовили в виде суспензии в жидкой питательной среде состава: 4 г сахара, 1 г белой пшеничной муки, 6 мл патоки, 0,15 мл 20 % фосфорной кислоты и 1 г сухих дрожжей на 100 мл воды.

Эффект действия микроволн на активность дрожжей определяли по:

а) кинетике образования СО2 в ходе брожения, называемой энергией брожения [8];

б) нарастанию биомассы дрожжей, которую определяли объемным способом;

Для сравнения эффекта действия МИ в облученных и необлученных образцах использовали математическую (статистическую) обработку экспериментальных данных по методу малой выборки с определением средней арифметической Кср и Оср и стандартной ошибки £_ . При этом использовали следующие обозначения вариантов опытов:

К - необлученные образцы дрожжей;

О - образцы, облученные микроволнами.

Брожение проводили в пробирках, содержащих по 15 мл суспензии дрожжей, которые содержались в термостате при температуре 34°С.

Энергию брожения определяли каждые 0,5 часов. Длительность брожения составляла 24 часа.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Эксперименты были проведены 21 и 22 июля 2011г. Полученные данные представлены в таблицах 1 и 2 и на рисунках 2 и 3.

Таблица 1

Энергия брожения дрожжей вида Saсcharomyces сerevisia

Варианты Длительность брожения, часы

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 24ч.

К1 22,0 40,1 68,0 80,5 88,5 98,8 115,5 136,0 145,5 161,9 177,5 178,0 204,0

К2 21,8 36,5 68,0 89,0 89,0 98,7 115,0 136,0 138,0 140,0 141,0 141,5 151,1

Кз 21,7 40,2 68,0 93,9 93,9 106,0 136,0 142,0 150,8 155,0 157,3 158,5 171,0

К4 21,5 44,6 68,0 92,8 92,8 105,1 136,0 138,0 143,0 144,5 146,0 146,9 155,2

К5 22,2 45,2 68,0 95,0 95,0 107,5 136,0 139,0 140,5 145,9 146,0 146,5 154,7

Кср 21,8 41,3 68,0 81,9 91,8 103,2 127,7 138,0 143,6 149,5 153,6 154,3 167,2

О1 68,0 93,1 133,0 136,0 144,0 152,0 220,0 288,0 290,5 356,0 358,0 361,5 386,8

О2 12,0 18,5 31,6 50,0 68,0 72,6 82,5 84,5 95,0 111,5 136,0 141,1 204,0

Оз 11,0 19,2 29,0 50,0 68,0 71,0 79,7 83,0 93,0 100,9 136,0 141,3 204,0

О4 11,6 20,1 28,0 50,0 68,0 72,1 79,2 82,0 92,5 100,6 136,0 141,1 204,0

О5 9,5 14,8 24,5 35,2 49,5 68,0 76,0 78,0 86,3 91,6 106,0 136,0 161,1

Оср 22,4 33,2 49,8 64,3 79,5 87,2 107,5 123,1 131,5 152,2 174,4 184,2 231,9

Таким образом, как видно из таблицы 1, между необлученными и облученными вариантами наблюдается существенная разница: в опытном варианте бродильная активность дрожжей выше на 38%. Вместе с тем, наблюдаются заметно более значительные отклонения измеряемой величины от среднестатистической в варианте с облучением.

-•- вариант - О -О-вариант - К

V, мл

220200 -180 — 160 — 140 — 120 — 100 80 60 40 20

О

О <и

<3 РЗ

о

со

Ю

О

1

0,5

1

1,5

Г

3,5

4,5

1 I

2,5 3

Время брожения

Рис. 2. Кинетика процесса брожения дрожжей

5,5 6 ^ ч

-\-

Таблица 2

Изменение скорости брожения дрожжей в ходе процесса

Варианты Время б южения, часы

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 24ч.

К1 22,0 18,1 27,9 12,5 8,0 10,3 16,7 20,5 9,5 16,4 15,6 0,5 26,0

К2 21,8 14,7 31,5 21,0 0 9,7 16,3 21,0 2,0 2,0 1,0 0,5 9,6

Кз 21,7 18,5 27,8 25,9 0 12,1 30,0 6,0 8,8 4,2 2,3 1,2 12,5

К4 21,5 23,1 23,4 24,8 0 12,3 30,9 2,0 5,0 1,5 1,5 0,9 8,3

К5 22,2 23,0 22,8 27,0 0 12,5 28,5 3,0 1,5 5,4 0,1 0,5 8,2

Кср 21,8 19,5 26,7 13,9 9,9 11,4 24,5 10,3 5,4 5,9 4,1 0,7 13,7

^ 0,3 1,6 1,3 4,9 2,3 0,3 3,3 4,2 1,7 2,7 2,9 0,14 3,4

О1 68,0 25,1 39,9 3,0 8,0 8,0 68,0 68,0 2,5 65,5 2,0 3,5 25,3

О2 12,0 6,5 13,1 18,4 18,0 4,6 9,9 2,0 10,5 16,5 24,5 5,1 62,9

Оз 11,0 8,2 9,8 21,0 18,0 3,0 8,7 3,3 10,0 7,9 35,1 5,3 62,7

О4 11,6 8,5 7,9 22,0 18,0 4,1 7,1 2,8 10,5 8,1 35,4 5,1 62,9

О5 9,5 5,3 9,7 10,7 14,3 18,5 8,0 2,0 8,3 5,3 14,4 30,0 25,1

Оср 22,4 10,8 16,6 14,5 15,2 7,7 20,3 15,6 8,0 20,7 22,2 9,8 46,8

11,1 3,6 2,5 3,4 1,9 2,8 11,9 13,1 1,5 11,3 6,4 5,1 9,2

Данные таблицы 2 показывают, что скорость процесса брожения в обоих вариантах имеет явно выраженный колебательный характер.

-•-вариант - О -О- вариант - К

V, мл /ч

Рис. 3. Изменения скорости брожения облученных и необлученных дрожжей, определяемые по изменению средней скорости образования СО2

А-

Для более детального определения хода процесса брожения во времени точки на графиках О и К указаны по результатам измерений через каждые 0,5 часов, что позволяет более точно определить наблюдаемые в ходе брожения колебания скорости.

Как видно из рисунка 3 сначала скорость брожения у необлученных дрожжей, в целом, больше, чем у облученных. Однако затем эти скорости сближаются, после чего скорость процесса у облученных образцов становится существенно больше.

Обсуждение и выводы

Рассмотренные данные убедительно показывают, что установленная нами высокая мембранная активность радиоизлучений микроволнового диапазона позволяет уверенно вывести проблему действия электромагнитных полей и излучений в область их конкретного практического использования. В этом плане в Дагестанском государственном техническом университете в содружестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева Российской АН и Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова разработаны способы направленного воздействия на биологические мембраны и другие наноструктуры с помощью микроволнового излучения технических источников и лазерного излучения ЛИ [1,2,3,6,7]. Для выполнения экспериментальных исследований по взаимодействию микроволн с живыми системами на клеточном, субклеточном (мембранном) и молекулярном уровнях используются необходимые приборы физико-химического анализа, а также соответствующие экспериментальные установки и стенды по исследованию кинетики процесса брожения и определению бродильной энергии дрожжей, совершенствованию процесса получения биоэтанола, исследованию особенностей роста и развития дрожжевых и других типов клеток, созданию новых более активных штаммов дрожжей с заданными свойствами, а также по повышению устойчивости, жизнеспособности и продуктивности растений [8,10,12] и интенсификации процесса экстракции [9]. Проводимые в этом плане исследования и полученные результаты показывают, что МИ как природных, так и технических источников способны избирательно взаимодействовать с живыми системами. При этом микроволны с определёнными параметрами действующего поля могут существенно стимулировать рост, развитие и продуктивность живых организмов. Такая выраженная биологическая активность микроволн даёт возможность направленного благоприятного изменения, улучшения свойств биосистем, что особенно важно для развития современных направлений биотехнологии [13]. При планомерном, целенаправленном практическом использовании МИ и ЛИ открывается, на наш взгляд, интересная перспектива разработки новых эффективных здоровьесберегающих биотехнологических средств и способов. А получаемые в этом направлении новые материалы и научные данные будут способствовать более конкретному и результативному использованию МИ и ЛИ в биотехнологии, медицине, растениеводстве и других отраслях. Это является одним из основных научных направлений ДГТУ [5].

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Микроволны диапазона 18 см частотой 1667 МГц при интенсивности 25 мВт/мл оказывают существенное стимулирующее влияние на дрожжевые микроорганизмы Saсcharomyces сerevisia, повышают их энергию брожения и биомассу.

2. Кинетика процесса брожения у интактных и облученных микроволнами образцов дрожжей имеет существенные различия. При этом скорость брожения имеет колебательный, фазный характер.

-\-

Библиографический список

1. Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ излучений. М., Энергоатомиздат, 1987, 144 с.

2. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д. Электромагнитные поля и излучения в природе, технике и жизни человека. Махачкала, Дагучпедгиз, 1993, 159 с.

3. Исмаилова Г.Э., Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие микроволн. Сб. «Электромагнитные поля. Биологическое действие и гигиеническое нормирование». Geneva, 1999, с. 347 - 354.

4. Исмаилов Э.Ш. Действие микроволн и лазерного излучения на живые системы. Основные научные направления ДагГТУ, Махачкала, 2002, с. 166 - 170.

5. Исмаилов Т.А. Дагестанский государственный технический университет: тридцать лет научной деятельности. Основные научные направления ДагГТУ, Махачкала, 2002, с. 3 - 12.

6. Исмаилов Э.Ш., Хачиров Д.Г., Кудряшов Ю.Б., Исмаилова Г.Э. Механизмы биофизического действия микроволн. Радиационная биология, радиоэкология, т. 38, вып. 6, 1998, с. 920 - 923.

7. Исмаилов Э.Ш., Исмаилова Г.Э. и др. Механизмы взаимодействия микроволн с живыми клетками. Сб. «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», Ставрополь, 2005, с. 235 - 237.

8. Исмаилов Э.Ш., Вагабов М.-З.В, Аливердиева А.А. Определение биологической активности пищевых растительных компонентов. Сб. «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности», М., 2005, с. 246 - 249.

9. Тырсин Ю.А., Рамазанова Л.А., Исмаилов Э.Ш., Даудова Т.Н. Лазерное излучение как способ интенсификации процесса экстракции пище-вых красителей. Хранение и переработка сельхозсырья, 2005, №7,с. 39 - 40.

10. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д., Исмаилова Г.Э., Швиденко Н.А. Мембрано-активные излучения в биотехнологии. Сб. «Совершенствование технол. процессов в пищ. и лёгкой индустрии», Махачкала, 2005, с. 102 - 105.

11. Исмаилов Э.Ш. Инфракрасные спектры теней эритроцитов в области полос амид I и амид II при микроволновом облучении. Биофизика, т. 21, вып. 5, 1976, с. 940 - 942.

12. Исмаилова Г.Э., Исмаилов Э.Ш., Насруллаева З.Ю. Действие микроволн на прорастание пшеницы. Сб. «Почвенные и биологические ресурсы Южных регионов России», Махачкала, 2004, с. 278 - 280.

13. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д., Стародуб А.Н. Использование микроволновых мембрано-активных излучений в биотехнологии. Труды V российско - японского семинара, Саратов, 2007, с. 500 - 509.

14. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д., Исмаилова Г.Э. Действие физических полей. Неионизирующие излучения, «Экономика», 2007, 184 с.