Изучение фракционного состава и ксиланолитической активности белков, продуцируемых бактериями, выделенными из лигноцеллюлозной биомассы

Введение: В последние годы производство природных биоактивных соединений стало ведущим трендом в пищевой и нутрицевтической промышленности благодаря разнообразию их химической структуры и функций, а также положительному влиянию на здоровье человека. К наиболее изученным и применяемым биоактивным соединениям относятся пребиотики. Среди пребиотиков особый интерес представляют ксилоолигосахариды, получаемые путем ферментативного гидролиза ксилана. Перспективным представляется скрининг микроорганизмов, выделенных из лигноцеллюлозного сырья, на предмет их способности продуцировать ферменты ксиланолитического действия.

Цель: Оценка фракционного состава и ксиланолитической активности белков, продуцируемых бактериями, выделенными из лигноцеллюлозного сырья Калининградской области – семян люпина белого.

Материалы и методы: Выделение белков из культуральной жидкости и их фракционирование осуществляли с помощью препаративной ВЭЖХ. Молекулярную массу белковых фракций устанавливали методом электрофореза в полиакриламидном геле.

Результаты: Из культуральной жидкости бактерий рода Bacillus выделены 4 белковые фракции, установлены их молекулярные массы, лежащие в диапазоне от 35,60 до 246,10 кДа. Показано, что во фракции №1 содержится наибольшее количество белков с молекулярной массой 242,30 кДа, 83,70 кДа и 35,90 кДа. Выявлено, что во фракции №2 преобладают белки с молекулярной массой 51,50 кДа (содержание составило 63,60 %) и 42,70 кДа (содержание составило 18,30 %). Установлено, что фракция №3 содержит большое количество белков с различной молекулярной массой, фракция №4 содержит белки с молекулярной массой от 61,80 до 69,30 кДа, при этом на долю белков с молекулярными массами 69,30 кДа и 61,80 кДа приходится 42,10 и 41,10 %, соответственно. Выявлено, что ксиланолитической активностью на уровне 107,33 ед/г обладают белки с молекулярными массами от 35,60 до 41,00 кДа.

Выводы: Разработана схема выделения белков, обладающих ксиланолитической активностью, из культуральной жидкости бактерий Bacillus megaterium, изолированных из семян люпина белого (Lupinus albus). Полученные ферменты могут использоваться при трансформации агропромышленных отходов с получением ксилоолигосахаридов.

1. Alizadeh, A., Oskuyi, A. S., & Amjadi, S. (2019). The optimization of prebiotic sucrose-free mango nectar by response surface methodology: the effect of stevia and inulin on physicochemical and rheological properties. Food Science and Technology International, 25, 243-251. https://dx.doi.org/10.1177/1082013218818016.

2. Amir, A., Arif, M., & Pande, V. (2013). Purification and characterization of xylanase from Aspergillus fumigatus isolated from soil. African Journal of Biotechnology, 12, 3049–3057.

3. Arruda, H. S., Pereira, G. A., & Almeida, M. E. F. (2017). Current knowledge and future perspectives of oligosaccharides research. Frontiers in Natural Product Chemistry, 3, 91-175. https://dx.doi.org/10.2174/9781681085340117030005.

4. Artiga-Artigas, M., Odriozola-Serrano, I., Oms-Oliu, G., Martin-Belloso, O., Rubio, A. L., Rovira, M. J. F., & Sanz, M. M. (2019). Nanostructured systems to increase bioavailability of food ingredients. In Gomez-Mascaraque, L. G. (Ed.). Nanomaterials for Food Applications, 13-33. https://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-814130-4.00002-6.

5. Bis-Souza, C. V., Pateiro, M., Dominguez, R., Lorenzo, J. M., Penna, A. L. B., & da Silva Barretto, A. C. (2019). Volatile profile of fermented sausages with commercial probiotic strains and fructooligosaccharides. Journal of Food Science and Technology, 56, 5465-5473. https://dx.doi.org/10.1007/s13197-019-04018-8.

6. Borewicz, K., Suarez-Diez, M., Hechler, C., Beijers, R., de Weerth, C., Arts, I., Penders, J., Thijs, C., Nauta, A., Lindner, C., Van Leusen, E., Vaughan, E. E., & Smidt, H. (2019). The effect of prebiotic fortified infant formulas on microbiota composition and dynamics in early life. Scientific Reports, 9, Article 2434. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-38268-x.

7. Boucherba, N., Himed, L., Boussalah, N., & et Barkat, M. (2014). Purification and characterization of the xylanase produced by Jonesia denitrificans BN-13. Applied Biochemistry and Biotechnology, 172, 2694-2705. https://dx.doi.org/10.1007/s12010-013-0709-x.

8. Chai, J., Jiang, P., Wang, P., Jiang, Y., Li, D., Bao, W., Liu, B., Zhao, L., Norde, W., Yuan, Q., Ren, F., & Li, Y. (2018). The intelligent delivery systems for bioactive compounds in foods: Physicochemical and Physiological Conditions, Absorption Mechanisms, Obstacles and Responsive Strategies. Trends in Food Science and Technology, 78, 144-154. https://dx.doi.org/10.1016/j.tifs.2018.06.003.

9. Chen, C., Chen, J. L., & Lin, T. Y. (1997). Purification and characterization of a xylanase from Trichoderma longibrachiatum for xylooligosaccharide production. Enzyme and Microbial Technology, 21, 91–96. https://dx.doi.org/10.1016/S0141-0229(96)00236-0.

10. Chen, H. H., Chen, Y. K., Chang, H. C., & Lin, S. Y. (2012). Immunomodulatory effects of xylooligosaccharides. Food Science and Technology Research, 18, 195-199. https://dx.doi.org/10.3136/fstr.18.195.

11. Davani-Davari, D., Negahdaripour, M., Karimzadeh, I., Seifan, M., Mohkam, M., Masoumi, S. J., Berenjian, A., & Ghasemi, Y. (2019). Prebiotics: definition, types, sources, mechanisms, and clinical applications. Foods, 8, 92. https://dx.doi.org/10.3390/foods8030092.

12. Gibson, G. R., Hutkins, R., Sanders, M. E., Prescott, S. L., Reimer, R. A., Salminen, S. J., Scott, K., Stanton, C., Swanson, K. S., Cani, P. D., Verbeke, K., & Reid, G. (2017). Expert consensus document: the International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology, 14, 491-502. https://dx.doi.org/10.1038/nrgastro.2017.75.

13. Gomes, S., Finotelli, P. V., Sardela, V. F., Pereira, H., Santelli, R. E., Freire, A., & Torres, A. G. (2019). Microencapsulated Brazil nut (Bertholletia excelsa) cake extract powder as an added-value functional food ingredient. Food Science and Technology, 116, Article 108495. https://dx.doi.org/10.1016/j.lwt.2019.108495.

14. Lee, S., Jo, K., Jeong, S.-K.-C., Choi, Y.-S., & Jung, S. (2024). Production of freeze-dried beef powder for complementary food: Effect of temperature control in retaining protein digestibility. Food Chemistry, 433, 137419. https://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.137419.

15. Liao, N., Luo, B., Gao, J., Li, X., Zhao, Z., Zhang, Y., Ni, Y., & Tian, F. (2019). Oligosaccharides as co-encapsulating agents: effect on oral Lactobacillus fermentum survival in a simulated gastrointestinal tract. Biotechnology Letters, 41, 263-272. https://dx.doi.org/10.1007/s10529-018-02634-6.

16. Lin, S. H., Chou, L. M., Chien, Y. W., Chang, J.-S., & Lin, C.-I. (2016). Prebiotic effects of xylooligosaccharides on the improvement of microbiota balance in human subjects. Gastroenterology Research and Practice, Article ID 5789232. https://dx.doi.org/10.1155/2016/5789232.

17. Maeda, R., Ida, T., Ihara, H., & Sakamoto, T. (2012). Induction of apoptosis in MCF-7 cells by beta-1,3-xylooligosaccharides prepared from Caulerpa lentillifera. Bioscience, Biotechnology and Biochemistry, 76, 1032–1034. https://dx.doi.org/10.1271/bbb.120016.

18. Meyer, T. S. M., Miguel, A. S. M., Fernandez, D. E. R., & Ortiz, G. M. D. (2015). Biotechnological production of oligosaccharides – applications in the food industry. Food Production and Industry, 2, 25-78. https://dx.doi.org/10.5772/60934.

19. Neri-Numa, I. A., Arruda, H. S., Geraldi, M. V., Maróstica, M. M., & Pastore, G. (2020). Natural prebiotic carbohydrates, carotenoids and flavonoids as ingredients in food systems. Current Opinion in Food Science, 33, 98-107. https://dx.doi.org/10.1016/j.cofs.2020.03.004.

20. Ratanakhanokchai, K., Kyu, K. L., & Tanticharoen, M. (1999). Purification and properties of a xylan-binding endoxylanase from alkaliphilic Bacillus sp. strain K-1. Applied and Environmental Microbiology, 65, 694–697. https://dx.doi.org/10.1128/AEM.65.2.694-697.1999.

21. Recharla, N., Riaz, M., Ko, S., & Park, S. (2017). Novel technologies to enhance solubility of food-derived bioactive compounds: A Review. Journal of Functional Foods, 39, 63-73. https://dx.doi.org/10.1016/j.jff.2017.10.001.

22. Samanta, A., Chikkerur, J., Roy, S., Kolte, A., Sridhar, M., Dhali, A., Kandalam, G., & Senani, S. (2019). Xylooligosaccharides production from tobacco stalk xylan using edible acid. Current Science, 117, 1521-1525. https://dx.doi.org/10.18520/cs/v117/i9/1521-1525.

23. Sarwar, A., Aziz, T., Al-Dalali, S., Zhao, X., Zhang, J., ud Din, J., Chen, C., Cao, Y., & Yang, Z. (2019). Physicochemical and microbiological properties of synbiotic yogurt made with probiotic yeast Saccharomyces boulardii in combination with inulin. Foods, 8, 468. https://dx.doi.org/10.3390/foods8100468.

24. Scott, K. P., Grimaldi, R., Cunningham, M., Sarbini, S. R., Wijeyesekera, A., Tang, M. L. K., Lee, J. C.-Y., Yau, Y. F., Ansell, J., Theis, S., Yang, K., Menon, R., Arfsten, J., Manurung, S., Gourineni, V., & Gibson, G. R. (2019). Developments in understanding and applying prebiotics in research and practice-an ISAPP conference paper. Journal of Applied Microbiology, 128, 934-949. https://dx.doi.org/10.1111/jam.14424.

25. Silva, E.K., Arruda, H.S., Mekala, S., Pastore, G. M., Meireles, M. A. A., Marleny, D. & Saldaña, A. (2022). Xylooligosaccharides and their chemical stability under high-pressure processing combined with heat treatment. Food Hydrocolloids, 124, 107167. https://dx.doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107167.

26. Wang, Y., Zheng, Z., Wang, K., Tang, C., Liu, Y., & Li, J. (2020). Prebiotic carbohydrates: effect on physicochemical stability and solubility of algal oil nanoparticles. Carbohydrate Polymers, 228, Article 115372. https://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.115372.

27. Watson, J. (2019). Prebiotic ingredients market to reach USD 8.34 billion by 2026. Reports and Data. https://www.reportsanddata.com/sample-enquiry-form/2070.

28. Zhao, J., Zhang, X., Zhou, X., & Xu, Y. (2021). Selective production of xylooligosaccharides by xylan hydrolysis using a novel recyclable and separable furoic acid. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 660266. https://dx.doi.org/10.3389/fbioe.2021.660266.

29. Дышлюк, Л. С., Казимирченко, О. В., Ульрих, Е.В., & Агафонова, С. В. (2023). Морфологические, культуральные и физиолого-биохимические свойства микроорганизмов – потенциальных продуцентов ксиланаз. Вестник Международной Академии Холода, 4, 79–90. http://openbooks.ifmo.ru/ru/article/22437/.

30. Калинина, А. Н., Борщевская, Л. Н., Гордеева, Т. Л., & Синеокий, С. П. (2017). Скрининг и таксономическая характеристика бактериальных продуцентов ксиланаз. Биотехнология, 33, 37–41. https://dx.doi.org/10.21519/0234-2758-2017-33-6-37-41.