Biotechnological aspects of cultivating an indigenous bacterial isolate on secondary plant materials in a bioreactor

Abstract

Ежегодно в России образуются более 5 млн т вторичных сырьевых ресурсов, уровень использования которых недостаточно высок. Значительная часть вторичных ресурсов зерновых культур сегодня не подвергается дальнейшей переработке, а транспортировка и хранение такого сырья являются затруднительными. В то же время структура и особенности химического состава позволяют данному сырью служить ценным источником необходимых ингредиентов для различных отраслей промышленности. Пшеничные отруби представляют собой основной побочный продукт помола пшеницы и являются перспективным сырьем для биотехнологического производства. Прогнозируется, что мировой рынок пшеничных отрубей будет расти в среднем на 4,5 % в течение прогнозируемого периода (2020–2025 гг.). На сегодняшний день отруби направляют, как правило, на кормовые цели и только 15 % от общего объема пшеничных отрубей применяется в хлебопечении и в качестве диетического продукта, остальные 85 % не находят применения в промышленности и утилизируются. Российские пищевые промышленные предприятия испытывают недостаток в ферментных препаратах отечественных производителей. Среди иностранных производителей на российском рынке наибольший объем приходится на датские компании Novozymes и Danisco, на втором месте Китай. Наиболее значимыми предприятиями в отрасли ферментного производства в России на данный момент являются ООО «ПО «Сиббиофарм», НПЦ «АгроСистема», ООО «Агрофермент». В свете российской политики повышения продовольственной безопасности развитие отечественной ферментной промышленности является крайне актуальной задачей. В настоящее время растет востребованность липазы и протеазы наряду с ферментными препаратами других гидролаз. В работе представлены результаты исследования гидролитической активности бактериальной культуры Acinetobacter radioresistens при периодическом культивировании глубинным способом на нативных пшеничных отрубях, предварительно подверженных действию повышенной температуры и давления путем автоклавирования, в лабораторном биореакторе Biostat® A (Sartorius, Германия). Экспериментально установлено, что нативный раствор, полученный после удаления биомассы из культуральной жидкости, содержит гидролитические ферменты, а именно липазу и протеазу. В нативном растворе на 5-е сут биотехнологического процесса преобладает липазная активность, которая составила (22,8±0,7) ед./см3, а на 6-е сут протеолитическая активность – (56,4±2,3) ед./см3. Содержание глюкозамина находилось в пределах от 3,46 до 7,19 мг/см3 растительно-микробной биомассы в течение 7 сут биотехнологического процесса. Every year in Russia more than 5 million tons of secondary raw materials are generated, the level of use of which is not high enough. A significant part of the secondary resources of grain crops today is not subject to further processing, and transportation and storage of such raw materials is difficult. At the same time, the structure and characteristics of the chemical composition allow this raw material to serve as a valuable source of necessary ingredients for various industries. Wheat bran is a major by-product of wheat milling and is a promising raw material for biotechnological production. The global wheat bran market is projected to grow at a CAGR of 4.5 % during the forecast period (2020–2025). Today, bran is usually used for feed purposes and only 15 % of the total volume of wheat bran is used in baking and as a dietary product, the remaining 85 % is not used in industry and is disposed of. Russian food industrial enterprises lack enzyme preparations from domestic producers. Among foreign manufacturers on the Russian market, the largest volume comes from the Danish companies Novozymes and Danisco, with China in second place. The most significant enterprises in the enzyme production industry in Russia at the moment are LLC PA Sibbiopharm, NPC AgroSystem, LLC Agroferment. In light of the Russian policy of increasing food security, the development of the domestic enzyme industry is an extremely urgent task. Currently, the demand for lipase and protease along with enzyme preparations of other hydrolases is growing. The paper presents the results of a study of the hydrolytic activity of the bacterial culture Acinetobacter radioresistens during periodic submerged cultivation on native wheat bran, previously exposed to elevated temperature and pressure by autoclaving, in a laboratory bioreactor Biostat® A (Sartorius, Germany). It was experimentally established that the native solution obtained after removing biomass from the culture liquid contains hydrolytic enzymes, namely lipase and protease. In the native solution on the 5th day of the biotechnological process, lipase activity predominates, which amounted to (22.8±0.7) U/cm3, and on the 6th day proteolytic activity – (56.4±2.3) U/cm3. The glucosamine content ranged from 3.46 to 7.19 mg/cm3 of plant-microbial biomass during seven days of the biotechnological process.