Идентификация аборигенной микрофлоры пшеничных отрубей: бактериальные изоляты - потенциальные промышленные продуценты

Введение: В настоящее время в силу условий дефицита ценных питательных нутриентов разработка технологий безотходного или малоотходного производства новых продуктов на основе побочных продуктов переработки зерна вызывают особый интерес. В результате переработки зерна пшеницы образуется значительное количество пшеничных отрубей, которые представляют интерес не только в качестве компонентов кормовых субстанций, пищевого сырья, но и вторичного сырья для получения ряда полезных для человека соединений различной химической природы и функционального назначения. Согласно литературным источникам, в отрубях содержатся белки, витамины и пищевые волокна, которые являются субстратами для аборигенной микрофлоры. В условиях влажности, отличной от нормируемой для хранения пшеничных отрубей, развиваются микроорганизмы, которые в основном изучались на предмет безопасности. Однако многие представители аборигенной микрофлоры пшеничных отрубей представляют интерес в качестве потенциальных промышленных продуцентов пищевых микроингредиентов и биологически активных веществ. 

Цель: Исследовать аборигенную микрофлору пшеничных отрубей и выделить изоляты, представляющие интерес в качестве потенциальных промышленных продуцентов. По данному направлению информация в литературных источниках освещает в основном таксономическую принадлежность микробиома отрубей, поэтому исследование биосинтетической способности его представителей актуально.

Материалы и методы: Для идентифицированных микроорганизмов был проведен поиск данных из литературных источников о микроорганизмах, которые обладают биотехнологическим потенциалом. В ходе исследований влажность пшеничных диетических отрубей определяли по ГОСТ 9404-88. Для изучения микрофлоры пшеничных диетических отрубей повышенной влажности (более 7%) проводили 2, 5 и 7-суточные ферментации в шейкере-инкубаторе глубинным способом; для получения микробных изолятов применяли методы поверхностного и глубинного культивирования на плотной агаризованной среде. 

Результаты: Полученные чистые культуры идентифицировали методом секвенирования по гену 16sрРНК. Названия микроорганизмов определяли с помощью сайта BLAST. Среди идентифицированных 16 культур преобладали 7 культур при 7-суточной ферментации, далее 6 культур при 5-суточной ферментации. Значительно меньше культур выявлено при 2-суточной ферментации (3 культуры). Данные результаты, предположительно, свидетельствуют о том, что выявленные в результате 2-суточной ферментации микроорганизмы выделяют метаболиты, которые являются субстратом для остальных микроорганизмов.

Выводы: В результате проведенных исследований идентифицированы бактериальные изоляты пшеничных отрубей Arthrobacter agilis, Acinetobacter radioresistens, Rhizobium leguminosarum, Kocuria rhizopila, в том числе, пробиотические - представители рода Enterococcus, перспективные для применения в качестве промышленных продуцентов полезных метаболитов, в частности, ферментов, красящих веществ, органических кислот для применения в пищевой отрасли, сельском хозяйстве, медицине. 

1. Благова, Д. К., Вершинина, З. Р., Нигматуллина, Л. Р., Лавина, А. М., Баймиев, Ан. Х.& Баймиев, Ал. Х. (2015). Искусственные ассоциативные симбиозы между томатом и ризобиями, обладающими фунгистатической активностью. Сельскохозяйственная биология, 50(1), 107-114. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2015.1.107rus

2. Вершинина, З.Р., Лавина А.M. & Чубукова О.B. (2020). Экзополисахариды Rhizobium leguminosarum – краткий обзор. Биомика, 12(1). 27-49. https://dx.doi.org/ 10.31301/2221-6197.bmcs.2020-3

3. Вершинина, З.Р., Благова Д.К., Нигматуллина Л.Р., Оркодашвили А.М. & Баймиев Ал.Х. (2013). Искусственная ассоциативная симбиотическая система рапса с ризобиями для защиты от фитопатогенов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 3(5), 1579-1582.

4. Джахангирова, Г.З., Хакназаров Б.Б., Тураева Б.И. (2021). Микрофлора зерна, перерабатываемое как основное сырьё при производстве хлебобулочных изделий. Universum: технические науки, 10(91), 1-5. https://doi.org/10.32743/UniTech.2021.91.10.12403.

5. Ефимова, Л. В., Удалова Т. А. (2011). Эффективные микроорганизмы в кормлении крупного рогатого скота и свиней. М.: Наука.

6. Ильяшник, А. В., Ваницкая Т. В., Соловьева Е. В. & Козинец А. В. (2011). Некоторые особенности развития микрофлоры в отрубях. Известия вузов. Пищевая технология, 4, 118-119.

7. Конева, С. И., Могучева, Э. П. (2011). Исследование влияния пшеничных отрубей на качество хлеба повышенной пищевой ценности. Ползуновский Вестник, 2(1), 141-144.

8. Котляров, В. В., Сединина Н. В. (2014). Особенности малотонажного производства микробиологических препаратов для защиты растений и его оптимизация. Научный журнал КубГАУ, 100(06), 1 – 19.

9. Лабинская А. С., Блинкова Л. П. & Ещина А. С. (2004). Общая и санитарная микробиология с техникой микробиологических исследований. В Санитарно-микробиологические исследования почвы (гл.19, сс. 432-445). Медицина.

10. Лобанова, И. В. (2020). Способность бактерий рода Acinetobacter синтезировать наночастицы серебра и их антибактериальная активность. Universum: химия и биология, 9(75), 5 – 7.

11. Нахаева, Н. В. (2018). Образование наночастиц серебра бактериями Acinetobacter radioresistens. 75-я научная конференция студентов и аспирантов Белорусского государственного университета, 3(1), 314-317.

12. Осовская, И. И., Бородина А. М., Курзин А. В., Рощин В. И. (2021). Синтез и свойства модифицированной ксантановой камеди. Химия растительного сырья, 4, 95-104. https://doi.org/10.14258/jcprm.2021049525.

13. Роганина, В. Ю. (2017) Влияние времени инкубации стартовой культуры сверхпродуцента лизина Corynebacterium glutamicum B – 11167 на выход продукта в технологическом цикле. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ), 6(39), 9 – 11.

14. Свердлова, О.П., Причепа, А.О., Сычева, В.С. (2021). Микробиологическая структура пшеничных отрубей: перспективность и технологические решения. Пищевые системы, 4(3S), 248-251. https://doi.org/10.21323/2618–9771-2021-4-3S-248-251

15. Сиротин, А. А., Глухарева Н. А., Оспищева Н. В., Бондаренко В. В., Резун А. П. & Зенинская Н. А. (2012). Процесс биосинтеза лизина штаммом Corynebacterium glutamicum B – 11167 на основе сред, содержащих гидролизат пшеничного глютена. Современные проблемы науки и образования, 6, 1 - 8.

16. Хромова, Н. Ю. (2019). Биотехнологическая конверсия зернового сырья для получения пробиотических продуктов и кормовых белковых добавок [Диссертация кандидата технических наук, Российский химико-технологический университет им. Менделеева]. Москва, Россия.

17. Чеботарь, И. В., Лазарева А.В., Масалов Я.К., Михайлович В.М. & Маянский Н.А. (2014). Acinetobacter: микробиологические, патогенетические и резистентные свойства. Вестник РАМН, 66(9-10), 39-50.

18. Шеина Н. И. (2012). Критерии оценки безопасности микроорганизмов, используемых в биотехнологической промышленности. Вестник Оренбургского государственного университета. Микробиология, 6(142), 165-169.

19. Chalamacharla, R. B., Harsha K., Sheik Kh. B. & Viswanatha Ch. K. (2018). Wheat Bran-Composition and Nutritional Quality: A Review. Advances in Biotechnology & Microbiology, 9(1), 1-7. https://doi.org/ 10.19080/AIBM.2018.09.555754

20. Chen-You Li, Shu-Jen Chen, Chu-Yuan Cheng & Teh-Liang Chen (2005). Production of Acinetobacter radioresistens lipase with repeated fed-batch culture. Biochemical Engineering Journal, 25(1), 195–199. https://doi.org/10.1016/j.bej.2005.05.002

21. Manini, F., Casiraghi M.C., Poutanen K., Brasca M., Erba D. & Plumed-Ferrer C. (2015). Characterization of lactic acid bacteria isolated from wheat bran sourdough. LWT - Food Science and Technology, 1(1), 1-31. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2015.10.045

22. Ozdal, M., Ozlem, O. G., Sezen, A., Algur O. F.& Kurbanoglu E. B. (2017). Continuous production of indole-3-acetic acid by immobilized cells of Arthrobacter agilis. Biotech, 7, 1-6. https://doi.org/10.1007/s13205-017-0605-0

23. Ozdal, M., Ozdal, O. G. & Gurkok S. (2017). Statistical Optimization of Beta-Carotene Production by Arthrobacter agilis A17 Using Response Surface Methodology and Box-Behnken Design. II. International Conference on Advances in Natural and Applied Sciences, 1,1-5. https://doi.org/10.1063/1.4981749

24. Radenkovs, V., Klava D. & Juhnevica K. (2013). Microbiology and Safety of Bran from Latvia. International Conference on Nutrition and Food Sciences, 53(1), 87-92. https://doi.org/10.7763/IPCBEE. 2013.V53.17

25. Radenkovs, V., Klava D. & Juhnevica K. (2012). Wheat Bran Carbohydrates as Substrate for Bifidobacterium lactis Development. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering, 7(7), 320-352.

26. Ram, N. S., Sonam G., Ajar N. Y., Prakhar G., Sneha G., Rajeev K. & Anil K. S. (2016). First high quality draft genome sequence of a plant growth promoting and cold active enzyme producing psychrotrophic Arthrobacter agilis strain L77. Standards in Genomic Sciences, 1, 1 – 9. https://doi.org/10.1186/s40793-016-0176-4

27. Raaman, N., Mahendran B., Jaganathan C., Sukumar S.& Chandrasekaran V. (2012). Removal of chromium using Rhizobium leguminosarum. Springer. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 28, 627-636. https://doi.org/10.1007/s11274-011-0856-6

28. Roberta Pereira Espinheira, Vanessa Alves Lima, Rocha Tiago, Martins Guimarães, Catarina Amorim Oliveira, Marcella Fernandes de Souza, Gilberto B. Domont, Fábio César Sousa Nogueira, Ricardo Sposina Sobral Teixeira, Elba Pinto da Silva Bon & Ayla Sant’Ana da Silva (2022). Aspergillus awamori endoglucanase-rich supernatant enhances lignocellulosic biomass liquefaction in high-solids enzymatic hydrolysis. Biochemical Engineering Journal, 183(1), 100-125. https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108448

29. Sellami, M., Oszako T., Miled N. & Rebah F. B. (2015). Industrial wastewater as raw material for exopolysaccharide production by Rhizobium leguminosarum. Brazilian Journal of Microbiology, 46(2),407-413.http://dx.doi.org/10.1590/S1517-838246220140153

30. Tang, J.S., Patrick M. G. (2003). Reclassification of ATCC 9341 from Micrococcus luteus to Kocuria rhizophila. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 53, 995-997.https://doi.org/10.1099/ijs.0.02372-0

31. Velazquez-Becerra, Cr.,Macias-RodríguezL. I., Lopez-Bucio Jo., Flores-CortezI.,Santoyo G., Hernandez-Soberano Ch. & Eduardo Valencia-CanteroE.(2013). The rhizobacterium Arthrobacter agilis produces dimethylhexadecylamine, a compound that inhibits growth of phytopathogenic fungi in vitro. Springer. Protoplazma, 1, 100-112. https://doi.org/10.1007/s00709-013-0506-y

32. Wojciech, L., Choinska A., Rodziewicz A. & Piegza M. (2015). Keratinolytic abilities of Micrococcus luteus from poultry waste. Brazilian Journal of Microbiology, 46(3), 691-700. http://dx.doi.org/10.1590/S1517-838246320140098

33. Wojciech L., Zarowska B., Chorązyk D., Pudlo A., Piegza M., Kancelista A., & Kopec W. (2018). New keratinolytic bacteria in valorization of chicken feather waste. AMB Expr., 8(9), 1-14.https://doi.org/10.1186/s13568-018-0538-y

34. Yan, F., Lei W., Ajab K., Rui Z., Siang W.& Xiaoyuan J. (2020). Fermented wheat bran by xylanase-producing Bacillus cereus boosts the intestinal microflora of broiler chickens. Poultry Science, 99, 263 – 271. http://dx.doi.org/10.3382/ps/pez482

35. Zhang, A.R., Wei M., Yan L., Zhou G.L., Li Y., Wang H.M., Yang Y.Y., Yin W., Guo J.Q., Cai X.H., Li J.X., Zhou H. & Liang Y.X. (2021). Effects of feeding solid-state fermented wheat bran on growth performance and nutrient digestibility in broiler chickens. Poultry Science, 1(1), 1-32. https://doi.org/10.1016/j.psj.2021.101402