foodsystFood systemsПищевые системы2618-97712618-7272Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН10.21323/2618-9771-2022-5-4-337-343foodsyst-200Research ArticleСтатьиInfluence of redox processes on the antioxidant activity of the symbiotic starter biomassВлияние окислительно-восстановительных процессов на антиоксидантную активность биомассы симбиотической закваскиhttps://orcid.org/0000-0001-6270-7579ДонскаяГ. А.DonskayaG. A.

Донская Галина Андреевна — доктор биологических наук,  заведующий лабораторией ресурсосберегающих процессов и функциональных продуктов.

115093, Москва, Люсиновская, 35/7

Тел.: +7–499–236–35–95

Galina A. Donskaya - Doctor  of Biological  Sciences, Head  of the  Laboratory of Resource-Saving Processes and Functional Products, All-Russian Research Institute of Dairy Industry.

35/7, Lucinovskaya str., 115093, Moscow

Tel.: +7–499–236–35–95

g_donskaya@vnimi.orghttps://orcid.org/0000-0001-6905-6625КреккерЛ. Г.KrekkerL. G.

Креккер Людмила Геннадьевна — кандидат технических наук, младший научный сотрудник, лаборатория ресурсосберегающих процессов и функциональных продуктов.

115093, Москва, Люсиновская, 35/7

Тел.: +7–908–595–42–52

Lyudmila G. Krekker - Candidate of Technical Sciences, Junior  Researcher, Laboratory of Resource-Saving Processes and Functional Products, All-Russian Research Institute of Dairy Industry.

35/7, Lucinovskaya str., 115093, Moscow

Tel.: +7–908–595–42–52

l_krekker@vnimi.orgВсероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленностиРоссияAll-Russian Research Institute of Dairy IndustryRussian Federation20220901202354337343Copyright © Donskaya G.A., Krekker L.G., 20232023Донская Г.А., Креккер Л.Г.Donskaya G.A., Krekker L.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fsjour.com/jour/article/view/200

The biological system of the  microbial antioxidant protection is a subject of a certain level of the  physiological oxidative process. To prevent oxidation, a regulator of intracellular metabolism, tripeptide glutathione, is accumulated in cells. Glutathione is very important for the  antioxidant response and maintenance of intracellular redox potential. Its role in several  metabolic adaptive symbiotic processes of yeasts  and lactic acid bacteria is not completely elucidated and is of scientific and practical interest. Glycine is a component of the polypeptide chain and substances that form the  primary structure of glutathione. The aim of this  study  was to determine an effect of the redox processes on the antioxidant activity through regulation of the level of the glutathione constituent, glycine, in a nutrient medium to obtain the microbial biomass of the multicomponent starter culture. As a result of the  performed investigations, a direct dependence between the  antioxidant activity calculated by the  coulometric method and  concentration of glycine  introduced into  the  nutrient medium was determined. It has  been established that addition of 0.2–0.8% of glycine leads to a decrease in the redox potential. The results reflected in this publication show that the process of the development of aerobic  microorganisms in the presence of reducing substances occurs  quite  actively. The number of yeasts  increased from 1.6· 104  to 3.6· 105  CFU/g during 24-hour incubation. An increase in glycine  from  0.5 to 0.8% enhanced the  development of both  anaerobic and  aerobic microorganisms. It has been  found  that an increase in the  glycine  concentration from  0.8% to 1.5% shifted the process toward  the oxidative metabolism; an amount of reduced glutathione in the culture liquid increased practically twofold, while the concentration of oxidized glutathione in the test  sample was in a range  of 0 to 5%. This allows regarding glutathione as a potential regulator of the  redox  processes and antioxidant activity of biomass of lactic acid bacteria and yeasts.

Биологическая система антиоксидантной защиты микроорганизмов является субъектом определенного уровня физиологического окислительного процесса. Для предотвращения окисления в клетках накапливается регулятор внутриклеточного метаболизма — трипептид глутатион, имеющий большое значение для осуществления антиоксидантного ответа и поддержания внутриклеточного редокс-потенциала. Его роль в ряде  метаболических адаптационных процессов симбиозов микроорганизмов дрожжей и молочнокислых бактерий остается не до конца выясненной и представляет научный и практический интерес. Компонентом полипептидной цепи  и веществ, формирующих первичную структуру глутатиона, является глицин. Цель данного исследования — определение влияния окислительно-восстановительных процессов на антиоксидантную активность через регулирование уровня глутатионсоставляющего компонента глицина в питательной среде  для получения биомассы микроорганизмов многокомпонентной закваски. В результате  проведенных исследований определена прямая зависимость между  антиоксидантной активностью, рассчитанной кулонометрическим методом, и концентрацией вводимого в питательную среду  глицина. Установлено, что  введение глицина 0,2–0,8%  приводит к понижению окислительно-восстановительного потенциала. Результаты, отраженные в данной публикации, показали, что  процесс развития аэробных микроорганизмов в присутствии редуцирующих веществ идет  достаточно активно. Количество дрожжей увеличивается от 1,6· 104  до 3,6· 105  КОЕ/г в процессе 24-часового культивирования. Увеличение от 0,5 до 0,8% глицина усиливает образование как анаэробных, так и аэробных микроорганизмов. Установлено, что увеличение концентрации глицина от 0,8% до 1,5% смещает процесс в сторону окислительного метаболизма, количество восстановленного глутатиона в культуральной жидкости возрастает практически в два раза,  при  этом  содержание окисленного глутатиона в опытной пробе  находится в интервале от 0 до 5%. Это позволяет рассматривать глутатион как потенциальный регулятор окислительно-восстановительных процессов и антиоксидантной активности биомассы молочнокислых бактерий и дрожжей.

глутатионглицинсимбиоз микроорганизмовантиоксидантная активностьмодифицированная питательная средаокислительно-восстановительные процессыglutathioneglycinesymbiosis of microorganismsantioxidant activitymodified nutrient mediumredox processesСтатья подготовлена в рамках выполнения исследований по государственному заданию № FNSS-2022–0004 Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности.The article was published as part of the research topic No. FNSS-2022–0004 of the state assignment of the All-Russian Research Institute of Dairy Industry.ReferencesRitchie, G., Strodl, E., Parham, S., Bambling, M., Cramb, S., Vitetta, L. (2023). An exploratory study of the gut microbiota in major depression with anxious distress. Journal of Affective Disorders, 320, 595–604. https://doi.org/10.1016/j.jad.2022.10.001Ritchie, G., Strodl, E., Parham, S., Bambling, M., Cramb, S., Vitetta, L. (2023). An exploratory study of the gut microbiota in major depression with anxious distress. Journal of Affective Disorders, 320, 595–604. https://doi.org/10.1016/j.jad.2022.10.001Агаркова, Е. Ю., Кручинин, А. Г. (2018). Ферментативная конверсия как способ получения биологически активных пептидов. Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета, 21(3), 412–419. https://doi.org/10.21443/1560–9278–2018–21–3–412–419Agarkova, E. Yu., Kruchinin, A. G. (2018). Enzymatic conversion as a method of producing biologically active peptides. Vestnik of MSTU, 21(3), 412–419. https://doi.org/10.21443/1560–9278–2018–21–3–412–419 (In Russian)Работнова, И. Л. (1957). Роль физико-химических условий (rH2 и рН) в жизнедеятельности микроорганизмов. Москва: Издательство АН СССР. 1957.Rabotnova, I. L. (1957). The role of physico-chemical conditions (rH2 and pH) in the vital activity of microorganisms. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences. 1957. (In Russian)Kivanç, M., Funda, E. G. (2017). A functional food: a traditional Tarhana fermentation. Food Science and Technology, 37(2), 269–274. https://doi.org/10.1590/1678–457X.08815Kivanç, M., Funda, E. G. (2017). A functional food: a traditional Tarhana fermentation. Food Science and Technology, 37(2), 269–274. https://doi.org/10.1590/1678–457X.08815Богданов В.М.(1957).Микробиология молока и молочных продуктов. Москва: Пищепромиздат, 1957.Bogdanov V. M. (1957). Microbiology of milk and dairy products. Moscow: Pishchepromizdat, 1957. (In Russian)Бегунова, Ф. В. Рожкова, И. В., Ширшова, Т. И., Глазунова, О. А., Федорова, Т. В. (2019). Биосинтез антимикробных бактериоциноподобных соединений штаммов Lactobacillus reuteri LR1: оптимизация условий культивирования. Биотехнология, 35(5), 58–69. https://doi.org/10.21519/0234–2758–2019–35–5–58–69Begunova, A. V., Rozhkova, I.V., Shirshova, T. I., Glazunova, O. A., Fedorova, T. V. (2019). Optimization of conditions for lactobacillus reuteri LR1 strain cultivation to improve the biosynthesis of bacteriocin-like substances. Biotekhnologiya, 35(5), 58–69. https://doi.org/10.21519/0234–2758–2019–35–5–58–69 (In Russian)Kalinina, E. V., Chernov, N. N., Novochkova, N. D. (2014). Role of glutathione, glutathione transferase, and glutaredoxin in regulation of redox-dependent processes. Biochemistry (Moscow), 79(13), 1562–1583. https://doi.org/10.1134/S0006297914130082Kalinina, E. V., Chernov, N. N., Novochkova, N. D. (2014). Role of glutathione, glutathione transferase, and glutaredoxin in regulation of redox-dependent processes. Biochemistry (Moscow), 79(13), 1562–1583. https://doi.org/10.1134/S0006297914130082Lu, S. C. (2013). Glutathione synthesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — General Subjects, 1830(5), 3143–3153. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2012.09.008Lu, S. C. (2013). Glutathione synthesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — General Subjects, 1830(5), 3143–3153. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2012.09.008Fitzpatrick, A. M., Jones, D. P., Lou Ann S. Brown, L. A. S. (2012). Glutathione redox control of asthma: From molecular mechanisms to therapeutic opportunities. Antioxidants & Redox Signaling, 17(2), 375–408. https://doi.org/10.1074/jbc.M61093420010.1089/ars.2011.4198Fitzpatrick, A. M., Jones, D. P., Lou Ann S. Brown, L. A. S. (2012). Glutathione redox control of asthma: From molecular mechanisms to therapeutic opportunities. Antioxidants & Redox Signaling, 17(2), 375–408. https://doi.org/10.1074/jbc.M61093420010.1089/ars.2011.4198Qanungo, S, Starke, D. W., Pai, H. V., Mieyal, J. J., Nieminen, A.-L. (2007). Glutathione Supplementation Potentiates Hypoxic Apoptosis by S-Glutathionylation of p65-NFκB. Journal of Biological Chemistry, 282(25), 18427–18436. https://doi.org/10.1074/jbc.M610934200Qanungo, S, Starke, D. W., Pai, H. V., Mieyal, J. J., Nieminen, A.-L. (2007). Glutathione Supplementation Potentiates Hypoxic Apoptosis by S-Glutathionylation of p65-NFκB. Journal of Biological Chemistry, 282(25), 18427–18436. https://doi.org/10.1074/jbc.M610934200Смирнова, Г. В., Музыка, Н. Г., Глуховченко, М. Н., Октябрьский, О. Н. (1997). Отклик Escherichia coli на действие проникающего и непроникающего оксидантов. Биохимия, 62(5), 563–569.Smirnova, G. V., Muzyka, N. G., Glukhovchenko, M. N., Oktyabrsky, O. N. (1997). Effects penetrating and non-penetrating oxidants on Escherichia coli. Biokhimiya, 62(5), 563–569. (In Russian)Boguszewska-Mańkowska, D., Nykiel, M., Zagdańska, B. (2015). Protein oxidation and redox regulation of proteolysis. Chapter in a book: Basic principles and clinical significance of oxidative stress. https://doi.org/10.5772/61182Boguszewska-Mańkowska, D., Nykiel, M., Zagdańska, B. (2015). Protein oxidation and redox regulation of proteolysis.Chapter in a book: Basic principles and clinical significance of oxidative stress. https://doi.org/10.5772/61182Costa, V., Quintanilha, A., Moradas-Ferreira, P. (2007). Protein oxidation, repair mechanisms and proteolysis in Saccharomyces cerevisiae. IUBMB Life, 59(4), 293–298. https://doi.org/10.1080/15216540701225958Costa, V., Quintanilha, A., Moradas-Ferreira, P. (2007). Protein oxidation, repair mechanisms and proteolysis in Saccharomyces cerevisiae. IUBMB Life, 59(4), 293–298. https://doi.org/10.1080/15216540701225958Семенихина, В. Ф., Рожкова, И. В., Бегунова, А. В., Федорова, Т. В., Ширшова, Т. И. (2018). Разработка биотехнологии кисломолочного продукта с Lactobacillus reuteri LR1 и исследование его функциональных свойств в эксперименте in vitro и in vivo. Вопросы питания, 87(5), 52–62. https://doi.org/10.24411/0042–8833–2018–10053Semenikhina, V. F., Rozhkova, I. V., Begunova, A. V., Fedorova, T. V., Shirshova, T. I. (2018). Development of biotechnology of fermented milk product with lactobacillus reuteri lr1 and the evaluation of its functional property in experiment in vitro and in vivo Problems of Nutrition, 87(5), 52–62. https://doi.org/10.24411/0042–8833–2018–10053 (In Russian)Нарциссов, Я. Р., Максимов, М. Л., Максимова, Л. Н. (2016). Метаболитная терапия, как составная часть комплексного лечения хронических заболеваний. РМЖ, 24(14), 894–900.Nartsisov, Y. R., Maksimov, M. L., Maksimova, L. N. (2016). Metabolic therapy as the part of comprehensive treatment of chronic diseases. RMJ, 24(14), 894–900. (In Russian)Илларионова Е. Е., Кручинин, А. Г., Туровская, С. Н., Бигеева А. В. (2021). Ассоциация полиморфизмов в биокластере генов казеина и сывороточных белков с технологическими свойствами молочного сырья. Молочная промышленность, 3, 60–62. https://doi.org/10.31515/1019–8946–2021–03–60–62Illarionova, E. E., Kruchinin, A. G., Turovskaya, S. N., Bigaeva, A. V. (2021). Association of polymorphisms in the biocluster of casein and whey protein genes with technological properties of dairy raw materials. Dairy Industry,3, 60–62. https://doi.org/10.31515/1019–8946–2021–03–60–62 (In Russian)Рябцева, С. А., Брацихина, М. А., Ганина, В. И. (2010). Сохранение жизнеспособности заквасочной микрофлоры. Молочная промышленность, 1, 22–23.Ryabtseva S. A., Bratsihina M. A., Ganina V. I. (2010). Maintenance of viability of the starter cultures microflora. Dairy Industry, 1, 22–23. (In Russian)Лапин, А. А., Горбунова, Е. В., Зеленков, В. Н., Герасимов, М. К. (2009). Определение антиоксидантной активности вин кулонометрическим методом. Научно-методическое пособие. Москва, РАЕН, 2009.Lapin, A. A., Gorbunova, E. V., Zelenkov, V. N., Gerasimov, M.K. (2009). Determination of antioxidant activity of wines by coulometric method. Scientific and methodological manual. Moscow, RAEN, 2009.Дерюгина, А. В., Корягин, А. С., Копылова, С. В., Таламанова, М. Н. (2010). Методы изучения стрессовых и адаптационных реакций организма по показателям системы крови. Нижний Новгород, Издательство Нижегородского госуниверситета, 2010.Deryugina, A. V., Koryagin, A. S., Kopylova, S.V., Talamanova, M. N. (2010). Methods of studying stress and adaptive reactions of the body according to the indicators of the blood system. Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State University Publishing House, 2010.Selvam, M. K. P., Henkel, R., Sharma, R., Agarwal, A. (2018). Calibration of redox potential in sperm wash media and evaluation of oxidation–reduction potential values in various assisted reproductive technology culture media using MiOXSYS system. Andrology 6(2), 293–300. https://doi.org/10.1111/andr.12461Selvam, M. K. P., Henkel, R., Sharma, R., Agarwal, A. (2018). Calibration of redox potential in sperm wash media and evaluation of oxidation– reduction potential values in various assisted reproductive technology culture media using MiOXSYS system. Andrology 6(2), 293–300. https://doi.org/10.1111/andr.12461Reichart, O., Szakmár, K., Jozwiak, A., Felföldi, J., Baranyai, L. (2007). Redox potential measurement as a rapid method for microbiological testing and its validation for coliform determination, International Journal of Food Microbiology, 114(2), 143–148. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2006.08.016Reichart, O., Szakmár, K., Jozwiak, A., Felföldi, J., Baranyai, L. (2007). Redox potential measurement as a rapid method for microbiological testing and its validation for coliform determination, International Journal of Food Microbiology, 114(2), 143–148. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2006.08.016Kim, J., Bajpai, R., Iannotti, E. L. (1988). Redox potential in acetone-butanol fermentations. Applied Biochemistry and Biotechnology, 18, 175–186. https://doi.org/10.1007/BF02930824Kim, J., Bajpai, R., Iannotti, E. L. (1988). Redox potential in acetone-butanol fermentations. Applied Biochemistry and Biotechnology, 18, 175–186. https://doi.org/10.1007/BF02930824Berovic, M. (2000). Scale-up of citric acid fermentation by redox potential control. Biotechnology and Bioingeneering, 64(5), 552–557. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097–0290(19990905)64Berovic, M. (2000). Scale-up of citric acid fermentation by redox potential control. Biotechnology and Bioingeneering, 64(5), 552–557. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097–0290(19990905)64Shi, C., Kang, F., Zhu, Y., Teng, M., Shi, J., Qi, H., Huang, Z. et al. (2023). Photoreforming lignocellulosic biomass for hydrogen production: Optimized design of photocatalyst and photocatalytic system, Chemical Engineering Journal, 425(1), Article 138980. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138980Shi, C., Kang, F., Zhu, Y., Teng, M., Shi, J., Qi, H., Huang, Z. et al. (2023). Photoreforming lignocellulosic biomass for hydrogen production: Optimized design of photocatalyst and photocatalytic system, Chemical Engineering Journal, 425(1), Article 138980. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138980Capeloa, T., Van de Velde, J. A., d’Hose, D., Lipari, S. G., Derouane, F., Hamelin, L. et al. (2022). Inhibition of mitochondrial redox signaling with mitoq prevents metastasis of human pancreatic cancer in mice. Cancers, 14(19), Article 4918. https://doi.org/10.3390/cancers14194918Capeloa, T., Van de Velde, J. A., d’Hose, D., Lipari, S. G., Derouane, F., Hamelin, L. et al. (2022). Inhibition of mitochondrial redox signaling with mitoq prevents metastasis of human pancreatic cancer in mice. Cancers, 14(19), Article 4918. https://doi.org/10.3390/cancers14194918

The authors declare that there are no conflicts of interest present.