РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИОФИЛИЗАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ КРИОПРОТЕКТОРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СОВМЕСТНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ БАКТЕРИЙ BACILLUS COAGULANS И STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS: CNLNIL

Мария Сергеевна Ашихмина; Василиса Федоровна Краснова; Ольга Юрьевна Орлова; Светлана Александровн Уласевич; Екатерина Владимировна Скорб

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2024.02.005

Авторы

Мария Сергеевна Ашихмина Университет ИТМО https://orcid.org/0000-0001-8545-1051
Василиса Федоровна Краснова Университет ИТМО https://orcid.org/0009-0005-3725-261X
Ольга Юрьевна Орлова Университет ИТМО https://orcid.org/0000-0003-2292-2236
Светлана Александровн Уласевич Университет ИТМО https://orcid.org/0000-0003-1753-911X
Екатерина Владимировна Скорб Университет ИТМО https://orcid.org/0000-0003-0888-1693

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2024.02.005

Ключевые слова:

криопротектор, Bacillus coagulans, Streptococcus thermophilus, пищевая промышленность, сахароза, замораживание, совместное выращивание, квантово-химические расчеты, микробные культуры

Аннотация

Микроорганизмы играют важную роль в различных областях, включая биотехнологию, пищевую промышленность, фармацевтику и экологию. Однако сохранение жизнеспособности и генетической стабильности микроорганизмов при хранении и транспортировке представляет собой сложную задачу. Для обеспечения эффективной работы и получения достоверных результатов необходимо разработать оптимальный метод консервации культур микроорганизмов. Целью исследования является разработка эффективной технологии лиофилизации и подбор криопротекторов для улучшения совместного культивирования Bacillus coagulans и Streptococcus thermophilus. Совместное культивирование этих бактерий необходимо для получения высококачественных продуктов с желаемыми свойствами. Правильная технология лиофилизации и добавление криопротекторов позволили значительно снизить ущерб, наносимый замораживанием, и успешно совместно культивировать два штамма бактерий. Одним из наиболее эффективных криопротекторов в данном исследовании была признана сахароза. Наилучший результат она показала при ее добавлении в среду в соотношении 3:1 с бактериальной массой. Для оценки эффективности сахарозы как криопротектора были проведены квантово-химические расчеты. Результаты расчетов подтвердили, что сахароза является эффективным криопротектором для бактерий Bacillus coagulans и Streptococcus thermophilus. Следует отметить, что разработка оптимального метода консервирования имеет решающее значение для эффективной работы и получения достоверных результатов при выращивании культур микроорганизмов. Проведенное исследование показало, что правильный выбор технологии лиофилизации и добавление криопротекторов, в частности сахарозы, позволяет значительно улучшить совместное культивирование Bacillus coagulans и Streptococcus thermophilus. Этот вывод имеет практическое значение для пищевой промышленности и других областей, в которых используются микроорганизмы.

Библиографические ссылки

Sompach, G., Rodklongtan, A., Nitisin-prasert, S., Chitprasert, P. Microencapsulating Role of Whey Protein Isolate and Sucrose in Protecting the Cell Membrane and Enhancing Survival of Probiotic Lactobacilli Strains during Spray Drying, Storage, and Simulated Gastrointestinal Passage. Food Re-search International 2022, 159, 111651. https://doi.org/ 10.1016/j.foodres.2022.111651.

Huang, S., Vignolles, M.-L., Chen, X.D., Le Loir, Y., Jan, G., Schuck, P., Jeantet, R. Spray Drying of Probiotics and Other Food-Grade Bacteria: A Re-view. Trends Food Sci Technol 2017, 63, 1-17. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.02.007.

Merivaara, A., Zini, J., Koivunotko, E., Valko-nen, S., Korhonen, O., Fernandes, F.M., Yliperttula, M. Preservation of Biomaterials and Cells by Freeze-Drying: Change of Paradigm. Journal of Controlled Release 2021, 336, 480-498. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2021.06.042.

Estilarte, M.L., Tymczyszyn, E.E., Ser-radell, M. de los Á., Carasi, P. Freeze-Drying of En-terococcus Durans: Effect on Their Probiotics and Biopreservative Properties. LWT 2021, 137, 110496. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110496.

Bellali, S., Bou Khalil, J., Fontanini, A., Ra-oult, D., Lagier, J.-C. A New Protectant Medium Pre-serving Bacterial Viability after Freeze Drying. Micro-biol Res 2020, 236, 126454. https://doi.org/ 10.1016/j.micres.2020.126454.

Câmara Júnior, A. de A., Nguyen, T.D., Jossier, A., Endrizzi, A., Saurel, R., Simonin, H., Hus-son, F. Improving Total Glutathione and Trehalose Contents in Saccharomyces Cerevisiae Cells to En-hance Their Resistance to Fluidized Bed Drying. Pro-cess Biochemistry 2018, 69, 45-51. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.03.013.

Mohideen Batcha, M.F., Amirnordin, S.H., Md Yudin, A.S. Fluidized Bed Dryers. In Drying Tech-nology in Food Processing; Elsevier, 2023; pp. 67-122. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819895-7.00006-7.

Vorländer, K., Bahlmann, L., Kwade, A., Finke, J.H., Kampen, I. Effect of Process Parameters, Protectants and Carrier Materials on the Survival of Yeast Cells during Fluidized Bed Granulation for Tableting. Pharmaceutics 2023, 15 (3), 884. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15030884.

Wolkers, W.F., Oldenhof, H., Tang, F., Han, J., Bigalk, J., Sieme, H. Factors Affecting the Membrane Permeability Barrier Function of Cells du-ring Preservation Technologies. Langmuir 2019, 35 (23), 7520-7528. https://doi.org/10.1021/ acs.langmuir.8b02852.

Mizuno, M., Matsuzaki, T., Ozeki, N., Kata-no, H., Koga, H., Takebe, T., Yoshikawa, H.Y., Sekiya, I. Cell Membrane Fluidity and ROS Resistance De-fine DMSO Tolerance of Cryopreserved Synovial MSCs and HUVECs. Stem Cell Res Ther 2022, 13 (1), 177. https://doi.org/10.1186/s13287-022-02850-y.

Mazur, P., Leibo, S.P., Chu, E.H.Y. A Two-Factor Hypothesis of Freezing Injury. Exp Cell Res 1972, 71 (2), 345-355. https://doi.org/10.1016/0014-4827(72)90303-5.

Murray, K.A., Gibson, M.I. Chemical Ap-proaches to Cryopreservation. Nat Rev Chem 2022, 6 (8), 579-593. https://doi.org/10.1038/s41570-022-00407-4.

Alves, N.J., Turner, K.B., Medintz, I.L., Walper, S.A. Protecting Enzymatic Function through Directed Packaging into Bacterial Outer Membrane Vesicles. Sci Rep 2016, 6 (1), 24866. https://doi.org/10.1038/srep24866.

Yang, J., Pan, C., Zhang, J., Sui, X., Zhu, Y., Wen, C., Zhang, L. Exploring the Potential of Bio-compatible Osmoprotectants as Highly Efficient Cry-oprotectants. ACS Appl Mater Interfaces 2017, 9 (49), 42516-42524. ttps://doi.org/10.1021/acsami.7b12189.

Zachariassen, K.E., Kristiansen, E. Ice Nu-cleation and Antinucleation in Nature. Cryobiology 2000, 41 (4), 257-279. https://doi.org/10.1006/ cryo.2000.2289.

Gao, W., Smith, D.W., Li, Y. Effects of Freez-ing on the Survival of Escherichia Coli and Bacillus and Response to UV and Chlorine After Freezing. Water Environment Research 2007, 79 (5), 507-513. https://doi.org/10.2175/106143006X115426.

Raju, R., Bryant, S.J., Wilkinson, B.L., Bry-ant, G. The Need for Novel Cryoprotectants and Cry-opreservation Protocols: Insights into the Importance of Biophysical Investigation and Cell Permeability. Biochimica et BiophysicaActa (BBA) - General Sub-jects 2021, 1865 (1), 129749. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2020.129749.

Hasan, M., Fayter, A.E.R., Gibson, M.I. Ice Recrystallization Inhibiting Polymers Enable Glycer-ol-Free Cryopreservation of Microorganisms. Biom-acromolecules 2018, 19 (8), 3371-3376. https://doi.org/ 10.1021/acs.biomac.8b00660.

Kommineni, N., Butreddy, A., Sainaga Jyothi, V.G.S., Angsantikul, P. Freeze-Drying for the Preservation of Immunoengineering Products. i Sci-ence 2022, 25 (10), 105127. https://doi.org/10.1016/ j.isci.2022.105127.

Dumont, F., Marechal, P.-A., Gervais, P. Cell Size and Water Permeability as Determining Factors for Cell Viability after Freezing at Different Cooling Rates. Appl Environ Microbiol 2004, 70 (1), 268-272. https://doi.org/10.1128/AEM.70.1.268-272.2004.