Биотехнологические способы активации дрожжей

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 577.35 З.Г. Сулейманова, Э.Ш. Исмаилов

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ АКТИВАЦИИ ДРОЖЖЕЙ

Z.G.Suleymanova, E.Sh. Ismailov

BIOLOGICAL METHODS ACTIVATION YEAST

В статье рассмотрены разработанные авторами способы активации дрожжевых микроорганизмов действием микроволн, биоактиватором экстракта культуры дрожжей (ЭКД) и pentа-водой. Эффективность действия используемого фактора определяли по интенсивности брожения и морфологическим показателям клеток. Выявлено активирующее действие использованных способов воздействия.

Ключевые слова: дрожжевые микроорганизмы, активация, микроволны, ЭКД, pentа-вода.

In this article the authors review methods of activation action of yeast organisms microwaves, bioactivators extract of yeast culture (EKD) andpenta-water. The effectiveness of the use factor determined by the intensity of fermentation and morphological indices of cells. Revealed the activating effect of the used methods of influence.

Keywords: yeast organisms, of activation action, microwaves, EKD, penta-water.

Введение

Использование биологических объектов для получения пищевых и других продуктов высокого качества является одной из ключевых проблем биотехнологии. При этом современные биотехнологии все шире и глубже применяются не только в пищевом производстве, но и в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях для получения необходимых продуктов, а также в энергетике и ряде других направлений. Как правило, в соответствующих производствах ведущим началом выступает сам биологический объект, его участие в соответствующих технологических процессах.

По своим электрическим и магнитным свойствам биологические системы и объекты, живые клетки существенно отличаются от обычной электролитической среды. Внутри- и внеклеточное содержимое во многом представляет собой водный раствор, содержащий органические и минеральные ионы. Молекулярные компоненты биосистем, участвующие в соответствующих биохимических и биофизических реакциях и процессах, образуют надмолекулярные системы, обладающие многими важными функциональными и другими свойствами. К таким системам относятся, например, биомембраны и примембранные слои

[1,3].

Весьма примечательно, что в стабилизации структуры и нормальном функционировании биологических мембран, как и всего живого объекта, активную роль играет вода. Она не только выступает в качестве универсального растворителя, внутренней среды биосистем, но и определяет работу ферментативных систем, сама участвует во многих реакциях. Исследователями отечественных и зарубежных ученых и специалистов убедительно показано, что такая уникальная роль воды заложена в ее

А-

природе, в строении молекул Н2О и молекулярной организации воды как химического

соединения.

Многолетними исследованиями было установлено, что с помощью мембрано-активных излучений-микроволн МИ и лазерного излучения ЛИ можно активизировать функции полезных микроорганизмов и повысить их продуктивность [2,5,6,7].

В этом плане в прошедшем столетии были предложены различные модели структурной организации жидкой воды и льда и показано, что на нее существенное влияние оказывают растворённые вещества, органические и минеральные ионы. Оказалось, что в зависимости от природы и состава растворённых веществ, условий получения и внешних воздействий вода способна проявлять различную биологическую и иную активность. Поэтому многие исследователи все более активно изучают уникальные свойства воды и стараются разработать эффективные способы получения Н2О, обладающей благоприятным биологическим и даже целебным действием. Одним из наиболее перспективных направлений здесь является, очевидно, исследование орто-пара спин-изомеров Н2О в воде, ее применение в технологиях и определение роли этих изомеров Н2О в живой природе. Так, было выявлено, что обогащение воды орто-изомерами позволяет выращивать кристалл из водного раствора белка лизоцима другой морфологии, а также повышает растворяющую способность воды, например, в отношении почечного камня оксалата кальция [8,9].

Хорошо известно, что для человека, растений и животных и многих микроорганизмов жизненно - важную роль играет качество и состав пищи. В современных условиях возникла и требует своего решения проблема обеспечения безопасности потребляемой пищевой продукции и соответственно создания необходимых новых производств на основе биотехнологий и других перспективных подходов.

Постановка задачи

Основной задачей предлагаемого исследования является разработка новых способов использования мембрано-активных излучений-микроволн и других факторов для активации и повышения продуктивности дрожжевых микроорганизмов, широко применяемых в пищевом производстве.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования взяты дрожжевые микроорганизмы вида 8ассИатотусе$ сете\181ае, 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 эти микроорганизмы микроволн, экстракта культуры дрожжей (ЭКД) и реп1а-воды. Отметим, что ЭКД - апробированный и используемый в микробиологии препарат.

Облучение объекта микроволнами производили в специально сконструированной коаксиальной ячейке микроволнами тепловой интенсивности на волне 18 см частотой 1667 МГц от генератора Г3 -21. Длительность облучения суспензии дрожжей равнялась 10 минутам, интенсивность микроволн составляла 45 мВт/мл.

Экстракт ЭКД готовили в виде водного раствора порошка в 10% концентрации. В суспензию дрожжей добавляли эту биологически активную пищевую добавку в соотношении 1 мл раствора ЭКД на 10 мл суспензии дрожжей.

Для повышения продуктивности и биомассы дрожжевых клеток в опыте была использована также кавитационно-обработанная вода, обогащенная орто-изомерами Н2О (реи1а-вода), описание которой изложено в работе [8].

Сами дрожжи готовили в виде суспензии в жидкой питательной среде двух составов:

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.

А-

а) простая питательная среда состава: 4 г сахара, 1 г белой пшеничной муки и 1 г

сухих дрожжей на 100 мл воды;

б) полноценная питательная среда включающая 4 г сахара, 1 г белой пшеничной муки, 6 мл патоки, 0.015 мл 20 % фосфорной кислоты и 1 г сухих дрожжей на 100 мл воды.

Для определения эффекта действия используемых факторов активность дрожжей определяли по следующим показателям:

а) кинетика образования СО2 в ходе брожения, с помощью которой определяется так называемая энергия брожения дрожжевых микроорганизмов [4];

б) биомасса дрожжей, определяемая объемным методом;

в) морфологические показатели дрожжей, определяемые микроскопически.

Для сравнения эффекта действия используемых факторов применяли математическую обработку экспериментальных данных по способу малой выборки. При этом использовали следующие обозначения вариантов опытов:

К - обычные опыты без воздействия на простой питательной среде;

О - опыты с использованием активаторов на простой питательной среде.

Результаты эксперимента и их обсуждение

1. Действие микроволн. Как отмечалось, в качестве действующего фактора использовали МИ тепловой интенсивности, существенно повышающей начальную температуру активации дрожжей (на 5° С).

Полученные данные представлены в таблице. Они показывают, что бродильная энергия опытных образцов практически в 1,3 раза выше по сравнению с необлученными образцами. И что очень важно, стимулирующее действие микроволн сохраняется в течение нескольких поколений (генераций) дрожжевых микроорганизмов.

Таблица. Энергия брожения дрожжей вида Saсcharomyces сerevisia при действии микроволн

Варианты Длительность брожения, часы

1 2 3 4 5 6 7 8 24

Кх 2,0 5,4 13,9 21,0 35,3 х- С0 осГ 6 38,0 44,5 68,0

и ЁЗ К2 0,0 0,0 2,5 3,0 3,3 5,0 6,2 8,4 10,3

Я и V Кз 3,0 4,3 11,7 18,4 30,1 45,5 х- С0 00* 6 1,0 36,9

п ю о К4 1,0 3,0 9,8 16,3 27,5 41,0 68,0* 1,0 28,5

аз К5 2,8 6,3 13,5 20,0 32,5 47,5 х- С0 оо4 6 1,0 30,5

Кср 1,8 3,8 10,2 15,7 25,7 41,4 63,2 65,6 89,2

Ох 2,0 4,0 10,7 17,1 28,5 43,3 х- С0 оо4 6 2,0 37,0

О2 0,0 0,0 6,4 12,5 22,5 35,0 68,0* 1,0 34,2

И И 0} Оз 12,8 19,6 33,1 36,0 38,5 х- С0 осГ 6 60,0* 2,5 4,0

Р ^ Ц О4 2,5 3,4 10,0 16,2 26,9 39,7 68,0* 2,0 42,5

О О5 33,2 44,7 68,0 4,0 8,2 16,5 18,2 22,7 68,0

Оср 10,1 14,3 25,6 30,8 28,5 54,1 83,6 86,1 117,2

Как видно из таблицы дрожжи, облученные микроволнами, существенно повышают бродильную энергию. Причем такое активизирующее действие МИ сохраняется в течение всего времени проведения опыта. Кроме того у облученных клеток биомасса заметно выше, чем у интактных.

-I-

2. Действие ЭКД. Экстракт дрожжевой культуры ЭКД является одним из

биологически активных препаратов, вырабатываемых промышленностью и используемых в качестве добавки к питательной среде для микроорганизмов. Использование нами этой добавки показало, что в опытных вариантах при использовании экстракта наблюдается заметное повышение бродильной энергии дрожжей, а также увеличение выхода их биомассы. Кроме того микроскопически наблюдается более лучшие морфологические показатели клеток и большее содержание в образцах живых и почкующихся дрожжей.

3. Пента вода. Предварительные опыты с использованием pentа-воды, которые пока находятся в начальной стадии. Полученные данные показали, что орто-обогащенный изомер Н2О также существенно увеличивает энергию брожения и повышает жизнеспособность клеток [10]. В дальнейшем планируется более углубленное изучение благоприятного действия орто-изомеров воды на жизнеспособность микроорганизмов и других объектов.

Обсуждение и выводы

Здесь следует напомнить, что процесс брожения отличается от аэробного биологического окисления тем, что при брожениях роль конечного акцептора электронов и атомов водорода играет не кислород, а пировиноградная кислота, как один из продуктов самого анаэробного процесса. Соответственно при брожении запасание энергии, а также восстановление окисленного НАД+ с образованием НАД Н происходит без участия кислорода. Поэтому для пищевого производства интересно образование продуктов безкислородного спиртового брожения в виде этанола CH3CH2OH и углекислого газа CO2. Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование микроволн тепловой интенсивности в период подготовки к брожению оказывает в последующем существенное стимулирующее действие на биохимизм и энергию брожения дрожжей.

2. Использование биологически активного препарата - экстракта дрожжевой культуры в качестве пищевой добавки повышает продуктивность и жизнеспособность клеток.

3. Орто-обогащенная penta-вода, получаемая после кавитационной обработки при использовании в качестве компонента питательной среды, также существенно повышает жизнеспособность дрожжевых клеток, что выражается в увеличении энергии брожения и выхода биомассы дрожжей.

4. Полученные опытные данные определяют возможность:

а) дальнейшего экспериментального исследования благоприятного, стабилизирующего действия мембрано-активных излучений МИ и ЛИ и penta-воды на микроорганизмы и другие живые объекты;

б) разработки новых высоких технологий для пищевого и других видов производств с использованием живых объектов.

Библиографический список

1. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д., Исмаилова Г.Э. Действие физических полей. Неионизирующие излучения. М., Экономика, 2007, 184 с.

2. Захаров С.Д., Исмаилов Э.Ш., Стародуб А.Н. и др. Способ повышения продуктивности микроорганизмов. Патент РФ № 2208049 (2003).

3. Исмаилов Э.Ш., Захаров С.Д., Стародуб А.Н. Использование микроволновых мембрано - активных излучений в биотехнологии. Труды V Российско-Японского семинара «Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники», т. 1, Саратов, 2007, 500 - 509.

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

А-

5. Аливердиева А.А., Исмаилов Э.Ш., Наврузова Ш.М. Получение биологически активных экстрактов ореха действием микроволн. Хранение и переработка сельхозсырья, 2007, № 2, 31 - 32.

6. Исмаилов Э.Ш., Гаджиева А.М., Рабаданов Г.А., Гаджиев Я.М-С., Абдулмагомедова З.Н. Выращивание активных штаммов дрожжей. Матер. IV Международной НТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», С -Петербург, 2009, с. 296 - 298.

7. Исмаилов Э.Ш. Новые разработки в биотехнологии. Сб. «Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи», том19, М., 2010, с. 387 - 391.

8. Pershin S.M., Bunkin A.F., Anisimov N.V. and Pirogov Yu. A. Water Enrichment by H2O ortho-Isomer: Four-Photon and NMR Spectroscopy, Laser Physics, 19(3), 2009, pp. 410413.

9. Бункин А.Ф., Першин С.М., Рашкович Л.Н. Изменение формы спектра комбинационного рассеяния валентных ОН-колебаний молекул воды в ультразвуковом кавитационном поле, Опт. и спектр., 96(4), 568 (2004); S.M. Pershin and A.F. Bunkin, Modication of water in ultrasonic cavitation field, Phys. of Wave Phenomena, 2004, 12(1), 1-5.

10. Исмаилов Э.Ш., Першин С.М., Минхаджев Г.М., Абдулмагомедова З.Н., Рабаданов Г.А. «Возможности использования кавитационно-обработанной воды в биотехнологии», тезисы докладов симпозиума "Молекулярная структура воды и её роль в механизмах биоэлектромагнитных явлений", Изд-во Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино, Моск. обл., 5-8 июля 2011; http://www.biophys.ru.