Исследование продуцирования экзополисахаридов молочнокислыми бактериями, применяемыми в хлебопекарной промышленности, и сравнение методов их определения

Введение: Экзополисахариды представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из остатков моносахаридов и их производных, обладающие биологической активностью и выполняющие протекторную роль в физиологических процессах. Поиск штаммов молочнокислых бактерий, продуцирующих экзополисахариды, является перспективным направлением исследования за счет доказанного положительного влияния их на реологические свойства ферментированных пищевых продуктов, а также здоровье человека.

Цель: Провести исследование способности штаммов молочнокислых бактерий из коллекции Федерального государственного автономного научного учреждения «Научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности» (далее ФГАНУ НИИХП) продуцировать экзополисахариды, а также проведение сравнения различных методов их определения – гравиметрического, фенол-сернокислого по Дюбуа, метода с применением антронового реактива и титриметрического по Бертрану.

Материалы и методы: Для определения способности продуцировать экзополисахариды культуры молочнокислых бактерий культивировали на 12% солодовом сусле в течение 48 ч при оптимальной для каждого штамма температуре. После удаления белка и проведения диализа в культуральной жидкости определяли количество экзополисахаридов различными методами.

Результаты: Установлено, что все коллекционные штаммы образовывали экзополисахариды в разном количестве. Определены штаммы, продуцирующие наибольшее количество экзополисахаридов – L. amilolyticus-2, L. plantarum А-63(d), L. amilolyticus -1, L. brevis-78(d), L. paracasei-6. Выход продукта, содержащего экзополисахариды, продуцентами которых являлись молочнокислые бактерии, находился в пределах от 7 до 14,4 мг в 1 мл культуральной жидкости. Результаты исследования позволили сделать вывод о корректности метода Дюбуа для оценки содержания применительно к экзополисахаридам, продуцируемым молочнокислыми бактериями.

Выводы: Проведенные исследования подтверждают способность штаммов молочнокислых бактерий из коллекции ФГАНУ НИИХП продуцировать экзополисахариды. Установлена корректность метода по Дюбуа для определения экзополисахаридов, продуцируемых молочнокислыми бактериями.

1. Абрамова, А.Л. (2009). Методы определения экзополисахаридов (ЭПС). Научное обеспечение молочной промышленности (ВНИМИ - 80 лет) (c. 8-12). Место издания: ВНИМИ.

2. Винокуров, В. А., Грайфер, В. И., Гринберг, Т. А., Пирог, Т. П., Владимиров, А. И., & Исмагилов, А. М. (2004). Способ получения экзополисахаридов (Патент РФ № 2 241 037). Российское патентное ведомство. Опубликовано 27.11.2004, Бюл. № 33.

3. Григорьев, Е. Ф., Болоховская, В. А., Халабузарь, В. Г., Кравец, Л. Ф., Дерябин, В. В., & Бовина, Е. В. (1990). Способ выделения экзополисахаридов (Патент СССР № 1 549 996). Патентное ведомство СССР. Опубликовано 15.03.1990.

4. Еникеев, Р. Р., Бобошко, Д. Н., Руденко, Е. Ю., & Зимичев, А. В. (2011). Способ количественного анализа полисахарида, производимого молочнокислыми бактериями (Патент РФ № 2 437 092). Российское патентное ведомство. Опубликовано 20.12.2011, Бюл. № 35.

5. Кичемазова, Н.В. (2019). Экзополисахариды бактерий родов Xanthobacter и Ancylobacter: характеристика и их биологические свойства [Диссертация на соиск. уч. ст. к. биол. н.]. ФГБОУ ВО Вавиловский Университет.

6. Куис, Л. В., & Маркевич, Р. М. (2009). Выделение, фракционирование и анализ экзополисахаридов Bacillus mucilaginosus. Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология (c. 170-173). Минск: БГТУ.

7. Локачук, М. Н., Савкина, О.А., Павловская, Е. Н., Фролова, Ю. М., Костюченко, М. Н., & Мартиросян, В. В. (2023). Современная таксономия и разнообразие молочнокислых бактерий в заквасках. Хлебопродукты, (6), 28-35. https://doi.org/10.32462/0235-2508-2023-32-6-28-35

8. Фокина, Н.А. (2015). Экзополисахарид Streptococcus Thermophilus: условия выделения и свойства. Актуальная биотехнология, 14(3), 41-42.

9. Хусаинов, И.А. (2014). Современные представления о биосинтезе бактериальных экзополисахаридов. Вестник Казанского технологического университета, 17(5), 167-172.

10. Amiri, S., Rezaei Mokarram, R., Sowti Khiabani, M., Rezazadeh Bari, M., & Alizadeh Khaledabad, M. (2019). Exopolysaccharides production by Lactobacillus acidophilus LA5 and Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB12: Optimization of fermentation variables and characterization of structure and bioactivities. International Journal of Biological Macromolecules, 123, 752-765. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.084

11. Cerning, J., Bouillanne, C., & Desmazeaud, M. J. (1988). Exocellular polysaccharide production by Streptococcus thermophiles. Biotechnology Letters, 10, 255–260. https://doi.org/10.1007/BF01024415

12. Daba, G. M., Elnahas, M. O., & Elkhateeb, W. A. (2021). Contributions of exopolysaccharides from lactic acid bacteria as biotechnological tools in food, pharmaceutical, and medical applications. International Journal of Biological Macromolecules, 173, 79-89. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.01.110

13. Das, L., Raychaudhuri, U., & Chakraborty, R. (2015). Effects of hydrocolloids as texture improver in coriander bread. Journal of Food Science and Technology, 52(6), 3671–3680. https://doi.org/10.1007/s13197-014-1296-8

14. Dilna, S. V., Surya, H., Aswathy, R. G., Varsha, K. K., Sakthikumar, D. N., Pandey, A., & Nampoothiri, K. M. (2015). Characterization of an exopolysaccharide with potential health-benefit properties from a probiotic Lactobacillus plantarum RJF4. LWT - Food Science and Technology, 64(2), 1179-1186. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2015.07.040

15. Dubois, M., Gilles, K. A., Hamilton, J. K., Rebers, P. A., & Smith, F. (1956). Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Chemistry, 28(3), 350–356. https://doi.org/10.1021/ac60111a017

16. Galle, S., Schwab, C., Arendt, E., & Gänzle, M. (2010). Exopolysaccharide-forming Weissella strains as starter cultures for sorghum and wheat sourdoughs. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58(9), 5834–5841. https://doi.org/10.1021/jf1002683

17. Goh, K. K. T., Haisman, D. R., Archer, R. H., & Singh, H. (2005). Evaluation and modification of existing methods for the quantification of exopolysaccharides in milk-based media. Food Research International, 38(6), 605-613. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2004.11.014

18. Jurášková, D., Ribeiro, S. C., & Silva, C. C. G. (2022). Exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria: From biosynthesis to health-promoting properties. Foods, 11(2), 156. https://doi.org/10.3390/foods11020156

19. Katina, K., Maina, N. H., Juvonen, R., Flander, L., Johansson, L., Virkki, L., Tenkanen, M., & Laitila, A. (2009). In situ production and analysis of Weissella confusa dextran in wheat sourdough. Food Microbiology, 26(7), 734–743. https://doi.org/10.1016/j.fm.2009.07.008

20. Kavitake, D., Devi, P. B., Singh, S. P., & Shetty, P. H. (2016). Characterization of a novel galactan produced by Weissella confusa KR780676 from an acidic fermented food. International Journal of Biological Macromolecules, 86, 681–689. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.01.099

21. Kim, Y., Oh, S., Yun, H. S., Oh, S., & Kim, S. H. (2010). Cell-bound exopolysaccharide from probiotic bacteria induces autophagic cell death of tumour cells. Letters in Applied Microbiology, 51(2), 123-130. https://doi.org/10.1111/j.1472-765X.2010.02859.x

22. Korcz, E., & Varga, L. (2021). Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: Techno-functional application in the food industry. Trends in Food Science & Technology, 110, 375-384. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.02.014

23. Masuko, T., Minami, A., Iwasaki, N., Majima, T., Nishimura, S., & Lee, Y. C. (2005). Carbohydrate analysis by a phenol-sulfuric acid method in microplate format. Analytical Biochemistry, 339(1), 69-72. https://doi.org/10.1016/j.ab.2004.12.001

24. Moroni, A. V., Arendt, E. K., & Dal Bello, F. (2011). Biodiversity of lactic acid bacteria and yeasts in spontaneously-fermented buckwheat and teff sourdoughs. Food Microbiology, 28(3), 497–502. https://doi.org/10.1016/j.fm.2010.10.016

25. Nguyen, P. T., Nguyen, T. T., Bui, D. C., Hong, P. T., Hoang, Q. K., & Nguyen, H. T. (2020). Exopolysaccharide production by lactic acid bacteria: The manipulation of environmental stresses for industrial applications. AIMS Microbiology, 6(4), 451-469. https://doi.org/10.3934/microbiol.2020027

26. Oleksy-Sobczak, M., Klewicka, E., & Piekarska-Radzik, L. (2020). Exopolysaccharides production by Lactobacillus rhamnosus strains – Optimization of synthesis and extraction conditions. LWT, 122, 109055. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.109055

27. Patel, S., Majumder, A., & Goyal, A. (2012). Potentials of exopolysaccharides from lactic acid bacteria. Indian Journal of Microbiology, 52(1), 3-12. https://doi.org/10.1007/s12088-011-0148-8

28. Prete, R., Alam, M. K., Perpetuini, G., Perla, C., Pittia, P., & Corsetti, A. (2021). Lactic acid bacteria exopolysaccharides producers: A sustainable tool for functional foods. Foods, 10, 1653. https://doi.org/10.3390/foods10071653

29. Piermaria, J. A., De La Canal, M. L., & Abraham, A. G. (2008). Gelling properties of kefiran, a food-grade polysaccharide obtained from kefir grain. Food Hydrocolloids, 22, 1520–1527. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2007.10.005

30. Ruhmkorf, C., Jungkunz, S., Wagner, M., & Vogel, R. F. (2012). Optimization of homoexopolysaccharide formation by lactobacilli in gluten-free sourdoughs. Food Microbiology, 32(2), 286–294. https://doi.org/10.1016/j.fm.2012.07.002

31. Rühmann, B., Schmid, J., & Sieber, V. (2015). Methods to identify the unexplored diversity of microbial exopolysaccharides. Frontiers in Microbiology, 6, 565. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00565

32. Ruijssenaars, H. J., Stingele, F., & Hartmans, S. (2000). Biodegradability of food-associated extracellular polysaccharides. Current Microbiology, 40, 194-199.

33. Ryan, P. M., Ross, R. P., Fitzgerald, G. F., Caplice, N. M., & Stanton, C. (2014). Sugar-coated: Exopolysaccharide producing lactic acid bacteria for food and human health applications. Food & Function, 6(3), 679-693. https://doi.org/10.1039/C4FO00529E

34. Sanalibaba, P., & Çakmak, G. A. (2016). Exopolysaccharides production by lactic acid bacteria. Applied Micro Open Access, 2, 1000115. https://doi.org/10.4172/2471-9315.1000115

35. Zajsek, K., Gorsek, A., & Kolar, M. (2013). Cultivating conditions effects on kefiran production by the mixed culture of lactic acid bacteria imbedded within kefir grains. Food Chemistry, 139(1-4), 970-977. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.11.142

36. Zarour, K., Vieco, N., Pérez-Ramos, A., Nácher-Vázquez, M., Mohedano, M. L., & López, P. (2017). Food ingredients synthesized by lactic acid bacteria. In Microbial Production of Food Ingredients and Additives (pp. 89–124). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811520-6.00004-0