foodsystFood systemsПищевые системы2618-97712618-7272Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН10.21323/2618-9771-2024-7-2-305-311foodsyst-493Research ArticleСтатьиEffect of freezing temperature on rate of survival of lactococcus cultures during lyophilizationВлияние температуры замораживания на выживаемость культур лактококков при лиофилизацииhttps://orcid.org/0000-0001-8251-992XКучеренкоИ. В.KucherenkoI. V.

Кучеренко Ирина Валентиновна — старший научный сотрудник, участок коллекции микроорганизмов и бактериофагов.

152613, Ярославская область, Углич, ул. Красноармейский бульвар, 19

Тел.: +7-485-329-82-21

Irina V. Kucherenko - Senior Researcher, Collection Area of Microorganisms and Bacteriophages, All-Russian Scientific Research Institute of Butter- and Cheesemaking.

19, Krasnoarmeysky Boulevard, Uglich, 152613, Yaroslavl Region

Tel.: +7-485-329-82-21

i.kucherenko@fncps.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0710-3083КураеваЕ. В.KuraevaE. V.

Кураева Елена Вячеславовна — старший научный сотрудник, лаборатория селекции микроорганизмов.

152613, Ярославская область, Углич, ул. Красноармейский бульвар, 19

Тел.: +7-485-329-82-84

Elena V. Kuraeva - Senior Researcher, Microorganism Selection Laboratory, All-Russian Scientific Research Institute of Butter- and Cheesemaking.

19, Krasnoarmeysky Boulevard, Uglich, 152613, Yaroslavl Region

Tel.: +7-485-329-82-84

e.kuraeva@fncps.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1381-9344МасежнаяЕ. С.MasegnayaE. S.

Масежная Елена Сергеевна — младший научный сотрудник, участок коллекции микроорганизмов и бактериофагов.

152613, Ярославская область, Углич, ул. Красноармейский бульвар, 19

Тел.: +7485-329-82-21

Elena S. Masegnaya - Junior Researcher, Collection Area of Microorganisms and Bacteriophages, All-Russian Scientific Research Institute of Butter- and Cheesemaking.

19, Krasnoarmeysky Boulevard, Uglich, 152613, Yaroslavl Region

Tel.: +7-485-329-82-21

mikrob.biofabrika@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделияРоссияAll-Russian Scientific Research Institute of Butter and CheesemakingRussian Federation20241707202472305311Copyright © Kucherenko I.V., Kuraeva E.V., Masegnaya E.S., 20242024Кучеренко И.В., Кураева Е.В., Масежная Е.С.Kucherenko I.V., Kuraeva E.V., Masegnaya E.S.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/493

The important component in the activities of the collection of starter microorganisms is the preservation of the pool of the strains valuable for industrial production. Lyophilization (also known as freeze drying) is a widely used method for the long-term storage of the collection cultures. The critical parameter of the process of lyophilization is the pre-freezing temperature. This article brings forward the results of researches of the rate of survival of lactococcus strain cultures during their lyophilization with pre-freezing at the temperatures of minus 20 °C, minus 30 °C and minus 55 °C. Reconstituted 10% skim milk was used as the medium for strain culturing and lyophilization. Different reactions were detected among the microorganisms of Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus cremoris and Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis for their freezing and lyophilization under the tested conditions. The highest rate of survival of lactococcus strains was observed at the freezing temperature of minus 20 °C. The most resistant cultures appeared to be Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis — their rate of survival after lyophilization at minus 20 °C amounted to 42.6-57.9%. The lowest survival rate was recorded for Lactococcus cremoris in all freezing modes (from 3.1 to 15.7%). Lyophilization of lactococcus collection cultures ensures high survival rate of the cells.

Важной составляющей в деятельности коллекции заквасочных микроорганизмов является сохранение фонда производственно-ценных культур. Широко распространённым методом длительного хранения коллекционных культур является лиофилизация. Критическим параметром процесса лиофилизации является температура предварительного замораживания. В данной статье представлены результаты исследований выживаемости культур лактококков в процессе лиофилизации с предварительным замораживанием при температурах: минус 20 °C, минус 30 °C и минус 55 °C. Средой культивирования и лиофилизации являлось 10%-ное восстановленное обезжиренное молоко. Выявлена различная реакция микроорганизмов видов Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus cremoris и Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis на замораживание и лиофильную сушку при испытанных режимах. Наиболее высокая выживаемость лактококков наблюдалась при температуре замораживания минус 20 °C. Самыми устойчивыми были культуры Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis — выживаемость после сушки с замораживанием при температуре минус 20 °C составила 42,6-57,9%. Самая низкая выживаемость характерна для Lactococcus cremoris при всех режимах замораживания (от 3,1 до 15,7%). Лиофилизация коллекционных культур лактококков позволяет обеспечить высокую выживаемость клеток.

лактококкизамораживаниелиофилизациявыживаемостьхранениеlactococcusfreezinglyophilizationsurvivalstorageСтатья подготовлена в рамках выполнения исследований по государственному заданию № FRFF-2023-0001 Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук.The article was prepared as part of research on state task No. FRFF-2023-0001 of the V.M. Gorbatov Federal Scientific Center for Food Systems of the Russian Academy of Sciences.ReferencesGherna, R. L. (2010). Culture preservation. Chapter in a book: Encyclopedia of Industrial Biotechnology: Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology. John Wiley and Sons: Hoboken, NJ, USA. 2010. https://doi.org/10.1002/9780470054581.eib249Gherna, R. L. (2010). Culture preservation. Chapter in a book: Encyclopedia of Industrial Biotechnology: Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology. John Wiley and Sons: Hoboken, NJ, USA. 2010. https://doi.org/10.1002/9780470054581.eib249Похиленко, В. Д., Баранов, А. М., Детушев, К. В. (2009). Методы длительного хранения коллекционных культур микроорганизмов и тенденции развития. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки, 4(12), 99-121.Pokhilenko, V.D., Baranov, A.M., Detushev, K.V. (2009). Methods for long-term storage of collection (housing) cultures of microorganisms and trends of development. University Proceedings. Volga Region. Medical Sciences, 4(12), 99-121. (In Russian)Утепешева, А. А., Сопрунова, О. Б. (2019). Влияние условий хранения на выживаемость коллекционных бактериальных штаммов. Естественные и технические науки, 10 (136), 95-98.Utepesheva, A.A., Soprunova, O.B. (2019). (Influence of storage conditions on survivability of collectible bacterial strains. Natural and Technical Sciences, 10 (136), 95-98. (In Russian)Кучеренко, И.В., Масежная, Е.С., Дуганова, А.Ю. (2023). Сохранение жизнеспособности и свойств коллекционных культур молочнокислых бактерий при длительном хранении. Сыроделие и маслоделие, 4, 92-97. https://doi.org/10.21603/2073-4018-2023-4-13Kucherenko, I.V., Masezhnaya, E.S., Duganova, A. Yu. (2023). Properties of stock cultures of lactic acid bacteria during long-term storage. Cheese- and Buttermaking, 4, 92-97. (In Russian) https://doi.org/10.21603/2073-4018-2023-4-13Кириленко, М. А., Кузнецов, О. Ю., Дмитриева, Ж. М. (2019). Влияние криоконсервации на выживаемость комплекса аутоштаммов лактобактерий при хранении и процессах биотехнологического масштабирования. Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю. А. Овчинникова, 15(2), 5-11.Kirilenko, M. A., Kuznetsov, O. Yu., Dmitrieva, J. M. (2019). The effect of cryopreservation on the survival of a complex of lactic acid bacterial autostrains during storage and biotechnological scaling processes. Bulletin of Biotechnology and Physico-Chemical Biology Named After Yu. A. Ovchinnikov, 15(2), 5-11. (In Russian)Santivarangkna, C., Kulozik, U., Foerst, P. (2008). (Inactivation mechanisms of lactic acid starter cultures preserved by drying processes. Journal of Applied Microbiology, 105, 1-13. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2008.03744.xSantivarangkna, C., Kulozik, U., Foerst, P. (2008). (Inactivation mechanisms of lactic acid starter cultures preserved by drying processes. Journal of Applied Microbiology, 105, 1-13. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2008.03744.xМалик, Н.И., Гулейчик, И. А., Малик, Е. В., Чупахина, Н.А., Русанов, И.А., Самохвалова, Н.С. и др. (2021). Оценка жизнеспособности культур молочнокислых микроорганизмов при их замораживании и низкотемпературном хранении. Аграрная наука, 6, 6-11. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2021-350-6-6-11Malik, N.I., Guleychik, I.A., Malik, E.V., Chupahina, N.A., Rusanov, I.A., Samohvalova, N.S. et al. (2021). Assessment of the viability of cultures of lactic acid microorganisms during their freezing and low-temperature storage. Agrarian Science, 6, 6-11. (In Russian) https://doi.org/10.32634/0869-8155-2021-350-6-6-11Rockinger, U., Funk, M., Winter, G. (2021). Current approaches of preservation of cells during (freeze-) drying. Journal of Pharmaceutical Sciences, 110(8), 2873-2893. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2021.04.018Rockinger, U., Funk, M., Winter, G. (2021). Current approaches of preservation of cells during (freeze-) drying. Journal of Pharmaceutical Sciences, 110(8), 2873-2893. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2021.04.018Пучков, О. Е. (2017). Биогенное управление образованием льда. Природа, 2 (1218), 27-37.Puchkov, O.E. (2017). Biogenic management of ice formation. Nature, 2(1218), 27-37. (In Russian)Wang, G.-Q., Pu, J., Yu, X.-Q., Xia, Y.-J., Ai, L.-Z. (2020). (Influence of freezing temperature before freeze-drying on the viability of various Lactobacillus plantarum strains. Journal Dairy Sciences, 103(4), 3066-3075. https://doi.org/10.3168/jds.2019-17685Wang, G.-Q., Pu, J., Yu, X.-Q., Xia, Y.-J., Ai, L.-Z. (2020). (Influence of freezing temperature before freeze-drying on the viability of various Lactobacillus plantarum strains. Journal Dairy Sciences, 103(4), 3066-3075. https://doi.org/10.3168/jds.2019-17685Tsutsaeva, A. A., Anan'ina, A. E., Balyberdina, L. M., Stepanyuk, L. V., Pavlenko, N. V. (2008). Long-term storage of industrial microbial strains. Microbiology, 77(5), 621-624. https://doi.org/10.1134/S0026261708050172Tsutsaeva, A. A., Anan'ina, A. E., Balyberdina, L. M., Stepanyuk, L. V., Pavlenko, N. V. (2008). Long-term storage of industrial microbial strains. Microbiology, 77(5), 621-624. https://doi.org/10.1134/S0026261708050172Степанова, А. П., Ловцова, Л. Б., Григорьева, Ж. А. (2022). К вопросу о возможности длительного хранения молочнокислых штаммов без утраты их основных свойств. Вестник Всероссийского научно-исследовательского института жиров, 1-2, 52-55. https://doi.org/10.25812/VNIIG.2022.70.27.003Stepanova, A.P., Lovtsova, L.B., Grigorieva, Zh.A. (2022). On issue of possibility of long-term storage of lactic acid strains without loss of their basic properties. Bulletin of All-Russian Scientific Research Institute of Fats, 1-2, 52-55. (In Russian) https://doi.org/10.25812/VNIIG.2022.70.27.003Абзалов, А. А., Асеева, М. А., Атабаев, М. М., Белов, П. С., Беляева, С. В., Бердзенишвили, И. Г. и др. (2018). Результаты исследований естественных и точных наук: междисциплинарный подход и сверхаддитивный эффект. Самара: ООО НИЦ «Поволжская научная корпорация», 2018.Abzalov, A. A., Aseeva, M. A., Atabaev, M. M., Belov, P. S., Belyaeva, S. V., Berdzhenishvili, I. G. et al. (2018). Results of researches in natural and exact sciences: Interdisciplinary approach and super additive effect. Samara: Volga Scientific Corporation SRC LLC, 2018. (In Russian)Грачева, И. В., Осин, А. В. (2016). Механизмы повреждений бактерий при лиофилизации и протективное действие защитных сред. Проблемы особо опасных инфекций, 3, 5-12.Gracheva, I.V., Osin, A.V. (2016). Mechanisms of damaging bacteria during lyophilization and protective activity of shielding media. Problems of Particularly Dangerous Infections, 3, 5-12. (In Russian).Wang, J., Chen, L. (2021). Impact of a novel nano-protectant on the viability of probiotic bacterium Lactobacillus casei K17. Foods, 10(3), Article 529. https://doi.org/10.3390/foods10030529Wang, J., Chen, L. (2021). Impact of a novel nano-protectant on the viability of probiotic bacterium Lactobacillus casei K17. Foods, 10(3), Article 529. https://doi.org/10.3390/foods10030529Archacka, M., Bialas, W., Dembczynski, R., Olejnik, A., Sip, A., Szymanowska, D. et al. (2019). Method of preservation and type of protective agent strongly influence probiotic properties of Lactococcus lactis: A complete process of probiotic preparation manufacture and use. Food Chemistry, 274, 733-742. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.09.033Archacka, M., Bialas, W., Dembczynski, R., Olejnik, A., Sip, A., Szymanowska, D. et al. (2019). Method of preservation and type of protective agent strongly influence probiotic properties of Lactococcus lactis: A complete process of probiotic preparation manufacture and use. Food Chemistry, 274, 733-742. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.09.033Савкина, О. А., Терновской, Г. В., Локачук, М. Н., Павловская, Е. Н., Сафронова, В. И. (2014). Криоконсервация — перспективный метод хранения промышленно ценных штаммов молочнокислых бактерий и дрожжей. Сельскохозяйственная биология, 49(4), 112-119. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2014.4.112rusSavkina, O. A., Ternovskoi, G. V., Lokachuk, M. N., Pavlovskaya, E. N., Safronova, V. I. (2014). Cryopreservation to be a progressive method for keeping up valuable strains of lactic acid bacteria and yeasts. Agricultural Biology, 49(4), 112-119. (In Russian) https://doi.org/10.15389/agrobiology.2014.4.112rusГудков А. В. (2004). Сыроделие: технологически, биологические и физико-химические аспекты. М.: ДеЛи принт, 2004Gudkov, A.V. (2004). Cheese making: Process-related, biological and physico-chemical aspects. Moscow: DeLi Print, 2004. (In Russian)Li, L., Mendis, N., Trigui, H., Oliver, J.D., Faucher, S.P. (2014) The importance of the viable but non-culturable state in human bacterial pathogens. Frontiers in Microbiology, 5, Article 258. https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00258Li, L., Mendis, N., Trigui, H., Oliver, J.D., Faucher, S.P. (2014) The importance of the viable but non-culturable state in human bacterial pathogens. Frontiers in Microbiology, 5, Article 258. https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00258Пахомов, Ю.Д., Блинкова, Л.П. (2019). Биоопасность жизнеспособных некультивируемых микроорганизмов. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, 96(3), 83-91. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2019-3-83-91Pakhomov, Y.D., Blinkova, L.P. (2019). Biohazard caused by viable but nonculturable microorganisms. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology, 96(3), 83-91. (In Russian) https://doi.org/10.36233/0372-9311-2019-3-83-91Blinkova, L., Martirosyan, D.M., Pakhomov, Y., Dmitrieva, O., Vaugman, R., Altshuler, M. (2014). Nonculturableforms of bacteria in lyophilized probiotic preparations. Functional Foods in Health and Disease, 4(2), 66-76. https://doi.org/10.31989/ffhd.v4i2.29Blinkova, L., Martirosyan, D.M., Pakhomov, Y., Dmitrieva, O., Vaugman, R., Altshuler, M. (2014). Nonculturableforms of bacteria in lyophilized probiotic preparations. Functional Foods in Health and Disease, 4(2), 66-76. https://doi.org/10.31989/ffhd.v4i2.29Ganesan, M., Stuart, M. R., Weimer, B. C. (2007). Carbohydrate starvation causes a metabolically active but nonculturable state in Lactococcus lactis. /pplied and Environmental Microbiology, 73(8), 2498-2512. https://doi.org/10.1128/AEM.01832-06Ganesan, M., Stuart, M. R., Weimer, B. C. (2007). Carbohydrate starvation causes a metabolically active but nonculturable state in Lactococcus lactis. /pplied and Environmental Microbiology, 73(8), 2498-2512. https://doi.org/10.1128/AEM.01832-06

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