Физико-химические свойства бактериальной целлюлозы, полученной новым штаммом Komagataeibacter xylinus C-3 на оптимизированной питательной среде

Анотація

Бактериальная целлюлоза (БЦ) – природный полимер, характеризующийся высокой адсорбционной способностью, биологической совместимостью и механической прочностью. В отличие от растительной целлюлозы, БЦ химически чистый внеклеточный продукт. Благодаря своим уникальным свойствам БЦ является перспективным материалом для медицины.

Исследования по разработке и применению БЦ в области медицинского материаловедения проводятся во многих странах. Однако в Казахстане до сих пор не налажено производство БЦ, а в коллекциях отсутствуют штаммы-продуценты для ее получения в производственных масштабах.

Для этого было предпринято настоящее исследование, цель которого – выделить штамм продуцент бактериальной целлюлозы и подобрать оптимальные условия для его роста и биосинтеза гель-пленки БЦ в поверхностных условиях культивирования.

Штаммы-продуценты бактериальной целлюлозы выделяли из смешанной культуры чайного кваса, а также яблочного уксуса фирмы «Эль-иксир» на среде S. Hestrin, M. Shramm. Факторами оптимизации питательной среды служили верхний и нижний уровни концентрации глюкозы, пивного сусла и этанола. Продуктивность штаммов оценивали путем измерения массы БЦ, которую предварительно высушивали при 80°С.  Культурально–морфологические свойства выделенного штамма изучали с помощью лабораторного микроскопа «БИОЛАМ». Для биохимической идентификации штаммов применяли баканализатор Vitek c стандартизированные тест-системы API 50 CH и API 20 E с программным обеспечением идентификации Аpiweb производства ВioMerieux (Франция). Видовая принадлежность штамма и чистота на контаминацию посторонней микрофлорой определена путем анализа нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК.  Исследование структуры пленок проводили на растровом электронном микроскопе. Механическую прочность БЦ определяли на разрывной машине «Instron».

Выделен, идентифицирован и генотипирован новый продуцент бактериальной целлюлозы Komagataeibacter xylinus С-3. Определены параметры роста и продуктивности двух коллекционных (Gluconoacetobacter xylinus В-11240 и G. hansenii В-6756) и нового штамма Komagataeibacter xylinus С-3 на средах, содержащих разные источники углерода и питательные добавки в условиях статического культивирования.  Подобраны условия поверхностного культивирования штамма, обеспечивающие максимальный уровень биосинтеза БЦ, разработан способ очистки пленки. Оптимальной питательной средой для образования гель-пленки БЦ штаммом Komagataeibacter xylinus С-3 в статических условиях культивирования является среда НS c 1% глюкозой, 0,5% этанолом и добавлением пивного сусла в количестве 0,1%. Максимальный выход БЦ - 7,11 г/л достигался при культивировании продуцента в течение 5 дней при 30⁰С. Новый штамм по уровню продуктивности превосходит коллекционные штаммы G. xylinus В-11240 и G. hansenii В-6756, рекомендованные для промышленного получения целлюлозы. Штамм размещен в Gen Bank под номером KU598766.

Электронно-микроскопическое исследование структурных особенностей полученной гель-пленки показало, что она состоит из микрофибриллярных лент наноуровневых размеров (15-55 нм). Пористая структура гель-пленки и высокая степень кристалличности обеспечивает ей отличную механическую прочность (17,01+0,5 МПа). Пленка характеризуется высокой сорбционной мощностью, позволяющей удерживать 11 г воды на 1 г дегидратированного полимера.

Бактериальная целлюлоза, синтезируемая штаммом Komagateibacter xylinus C-3 в условиях поверхностного культивирования, может быть основой для получения сверхпрочных нанокомпозиционных материалов в биомедицинских и других смежных областях.