А.А. ЖУБАНОВА, Г.К. КАЙЫРМАНОВА, П.С. УАЛИЕВА, З.А. МАНСУРОВ, Р.М. МАНСУРОВА

А.А. ЖУБАНОВА, Г.К. КАЙЫРМАНОВА, П.С. УАЛИЕВА, З.А. МАНСУРОВ, Р.М. МАНСУРОВА
ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННОЙ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КЛЕТОК ДРОЖЖЕЙ,
ИММОБИЛИЗОВАННЫХ НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ СОРБЕНТАХ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО
СЫРЬЯ
(Казахский национальный университет имени аль-Фараби)
В работе изучена сорбционная и физиологическая активность дрожжевых клеток,
иммобилизованных на нативных и модифицированных сорбентах на основе скорлупы грецких
орехов и виноградных косточек. Показано, что зауглероживание сорбентов увеличивает их
удельную и сорбционную емкость в отношении клеток дрожжей
Разработка и поиск эффективных, относительно дешевых сорбентов для клеток микроорганизмов
представляют несомненный научно-практический интерес. Сорбенты на основе активированных
углей отличаются высокой пористостью, прочностью и возможностью многократного
использования.
Углеродные сорбенты находят широкое применение в различных процессах очистки от вредных
примесей и рекуперации ценных веществ из жидких и газообразных сред. Активированные угли
применяют в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, винодельческой, масложировой и
других отраслях промышленности. В последнее время углеродные сорбенты успешно используют
в медицине для очистки крови от эндо- и экзотоксинов, для детоксикации желудочно-кишечного
тракта и др. целей /1/. Осуществлена иммобилизация спиртообразующих клеток дрожжей на
пористых субстратах (порошок Канумы, активированный уголь, порошок целлюлозы). Отмечено,
что при иммобилизации на активированный уголь клетки достигают максимальной продуктивности
/2/.
Известны промышленные сорбенты на основе активных углей, которые получают из различных
видов органического сырья: антрацита, торфа, древесины и продуктов ее переработки,
материалов животного происхождения /3, 4/. В Европе ряд производителей получает прочный
активированный уголь из скорлупы кокосового и лесного орехов и оливковых косточек.
Нетрадиционным сырьем, которое еще не нашло широкого применения в промышленности, могут
быть косточки различных плодовых деревьев (абрикоса, персика, сливы, вишни), виноградные
косточки (ВК) и скорлупа грецких орехов (СГО), которые являются отходами производства.
Нами изучена сорбционная и физиологическая активность клеток дрожжей Saccharomyces
cerevisiaе Р-12 (предоставленных заводом "Ташкентвино"), в отношении нативных и
модифицированных сорбентов на основе виноградных косточек и скорлупы грецких орехов.
Материалы и методы
Культуру выращивали на сусло - агаре плотностью 70Б, рН 6. Дрожжевую суспензию для
иммобилизации готовили в изотоническом растворе с оптической плотностью 0,7-0,9 ед.
Иммобилизованные биокатализаторы культивировали в жидком сусле в течение 6 суток.
В качестве природных носителей использовались:
1. Измельченная скорлупа грецких орехов (СГО) в виде частиц диаметром 2 мм, поверхность
которых модифицировалась зауглероживанием при температуре 5000С (ЗСГО) /5/.
2. Виноградные косточки (ВК) - нативные и модифицированные зауглероживанием при
температуре 5000С (ЗВК) /5/.
Сорбенты стерилизовали автоклавированием 20 минут при 1,5 атм.
Сорбционную иммобилизацию дрожжевых клеток проводили по общепринятой методике. Для
оценки сорбции использовали прямой визуальный подсчет числа дрожжевых клеток в камере
Горяева, а также определение концентрации клеток в растворе путем измерения оптической
плотности суспензии на фотоколориметре КФК - 2МП в стандартных кюветах с длиной оптического
пути 1 см при длине волны 670 нм.
Содержание редуцирующих веществ определяли по восстановлению реактива Феллинга методом
Бертрана /6/. Содержание этанола в среде культивирования определяли методом газожидкостной
хроматографии на хроматографе Chrom-4 с пламенно-ионизационным детектором /7/.
Удельную поверхность образца определяли методом тепловой десорбции, содержание углерода
на поверхности исследуемых образцов, определяли методом, основанном на сжигании навески
зауглероженного образца в токе очищенного от примесей кислорода /8/.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены результаты адсорбции клеток Saccharomyces cerevisae Р-12, на
нативных и модифицированных сорбентах на основе ВК и СГО. Как видно, количество
сорбированных клеток, в целом, выше на частицах скорлупы грецких орехов, зауглероживание
увеличивает этот показатель. Так число прикрепленных клеток на зауглероженных СГО (62%)
выше, чем на зауглероженных ВК (49%).
Рисунок 1
Сорбция клеток Saccharomyces cerevisae Р-12 на зауглероженные (5000С) сорбенты природного
происхождения
Ось абсцисс - время контакта (часы), ось ординат - количество сорбированных
клеток (%)
Сорбционная емкость носителей связана не только с природой но и составом сорбента. В таблице
1 приведен элементный состав нативных и зауглероженных носителей. Как видно, в СГО углерода
больше, чем в ВК. При зауглероживании количество углерода в образцах увеличивается - 87%
мас., количество водорода уменьшается почти вдвое. Результаты элементного анализа
соответствуют данным болгарских исследователей /9/. Сравнение данных табл.1 и кривых на рис.1
выявляет корреляцию между удельной поверхностью и содержанием углерода в носителе и
количеством прикрепленных на нем клеток.
Таблица 1
Элементный состав нативных и зауглероженных носителей на
основе растительного сырья
носитель
С,%
мас.
Н,%
мас.
N,%
мас.
СГО
ВК
ЗСГО
ЗВК
83
82
87
85
8
8
5
7
2
1
3
3
Коксовый
О,% мас. остаток,%
мас.
3
4
3
6
3
3
3
6
Удельная
поверхность, м2/г
100
95
770
500
Полученные на основе клеток Saccharomyces cerevisiae Р-12 биокатализаторы были проверены на
метаболическую активность.
Изучение физиологической активности клеток S. сerevisiae Р-12, иммобилизованных на нативные и
модифицированные носители (рис.2), показало, что активная утилизация углеводов происходит в
первые сутки ферментации, когда содержание углеводов уменьшается вдвое и более, к концу
эксперимента этот показатель в среде составляет 0,1-0,3% на зауглероженных носителях, 0,5 и
0,6% на нативных косточках винограда и скорлупе грецких орехов соответственно, в контроле
(свободные клетки) - 0,8%.
Рисунок 2
Динамика утилизации углеводов иммобилизованными клетками
дрожжей Sacch. cerevisiae Р-12
Ось абсцисс-время культивирования (сутки), ось ординат -содержание углеводов (%).
Рисунок 3
Этанолообразование иммобилизованными клетками
дрожжей Sacch. cerevisiae Р-12
Ось абсцисс - время культивирования (сутки), ось ординат - содержание этанола (%).
Как и следовало ожидать, данные по концентрации в культуральной среде этанола и углеводов
коррелируют (рис. 2, 3). Причем, максимальное количество спирта составило для клеток,
иммобилизованных на ВК, СГО, ЗВК, ЗСГО - 3,8; 4,2; 4,4 и 5%, соответственно (в контроле-3,5%).
Эти результаты свидетельствует о том, что иммобилизация клеток на ЗКВ и ЗСГО приводит к
увеличению их физиологической активности. Следует заметить, что по мнению Hall H. с соавт. /10/,
не прикрепление ведет к увеличению физиологической активности, а, наоборот, прикрепляются
лучше всего клетки с наиболее интенсивным метаболизмом /10/. Это означает, что причиной
увеличения производительности является большая загрузка носителя дрожжевыми клетками, что
увеличивает скорость и уровень сбраживания питательного субстрата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лопухин Ю.М., Молоденков Н.М. Гемосорбция. - М.: Медицина, 1985. - 297 с.
2. Kumakura M., Yoshida M., Asano M. Preparation of immobilized yeast cells with porous substrates //
Process Biochem. 1992. 27, N 4. Р. 225-229.
3. Исламов М.Ю. Шире внедрять безотходные технологии // Пищевая промышленность. 1990, №
11. С. 20-21.
4. Липович В.Т. Получение адсорбентов и катализаторов для очистки отходящих газов // ЖХТТ
1991. № 6. C.74-76.
5. Абишева А.К., Мансурова Р.М., Жубанова А.А., Мансуров З.А. Изучение сорбционной активности
адсорбентов на основе зауглероженной скорлупы грецких орехов // Вестник КазГУ, серия экол.
1999. №1. С. 18-20.
6. Практикум по биохимии / под ред. С.Е.Северина и Г.А.Соловьевой, М.: Изд. МГУ, 1989. - 509 с.
7. Митрука Б.М. Применение газовой хроматографии в микробиологии и медицине. - М.: Медицина,
1978. - 246 с.
8. Д.А.Колышкин, К.К. Михайлова, 1972
9. Гергова К., Димитрова Л. Углеродные сорбенты. М.: Мир, 1994. - 102с.
10. Hall H., Deutzmann R., Timpl R. et al. HNK-1 carbohydrate-mediated cell adhesion to laminin-1 is
different from heparin-mediated and sulfatide-mediated cell adhesion // Euf. J. Biochem. 1997. V. 246, №
1. - P. 233-242.
SUMMARY
In was studied the sorbtional. and phisiological activity of yeast on native and modified carries on the
basis of shell walnut and grapes stones. It was shown that modification of carriers increases corbtional
activity of sorbents in relation yeasts cells.