Preview

Пищевые системы

Расширенный поиск

Биосинтез пигмента штаммом Arthrobacter agilis wb28 при ферментации вторичного сырья

https://doi.org/10.21323/2618-9771-2025-8-3-378-385

Аннотация

В статье представлены результаты исследований, направленных на разработку экономически выгодной технологии получения каротиноидов микробного происхождения с использованием вторичного сырья агропромышленного производства. Приведены данные по ферментации сред из пшеничных отрубей, соевого шрота, рапсового жмыха и биосинтезу бактеориоруберина — редкого каротиноида микробного происхождения. В качестве продуцента исследовали штамм Arthrobacter agilis wb28, выделенный из пшеничных отрубей. Культивирование проводили на плотных и в жидких средах; в  качалочных колбах и  биореакторе. Пигмент выделяли из биомассы известным методом экстракции в модификации с учетом особенностей продуцента. При культивировании на агаризованных средах видимый рост колоний отмечен через 48 ч. В жидких средах наступление стационарной фазы роста выявлено уже через 16–24 ч. Активная аэрация при ферментации в биореакторе способствовала увеличению выхода пигмента по сравнению с процессом в качалочных колбах. Выявлена зависимость синтеза пигмента от состава питательной среды в совокупности с режимом аэрации. Показано, что A. agilis wb28 избирательно потребляет субстраты. Он обладает способностью гидролизовать поли- и олигосахариды, липиды и сложные эфиры жирных кислот, а также сложные белки. Может использовать цитрат как единственный источник углерода и энергии. Глюкоза слабо ассимилируются ферментной системой штамма. Основным стрессовым фактором в составе питательных сред из вторичного сырья для образования пигмента являлась концентрация углевода. Белковые компоненты расходовались в основном на биомассу. Наибольший количественный выход пигмента наблюдался при ферментации сред из пшеничных отрубей (4,28 мг/г), а наименьший — из рапсового жмыха (1,16 мг/л). Полученный выход бактериоруберина находился на уровне, сопоставимом с уровнем выхода каротиноидов для известных штаммов Arthrobacter.

Об авторах

Н. Ю. Шарова
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок
Россия

Шарова Наталья Юрьевна — доктор технических наук, профессор РАН, заместитель директора по научной работе

190000, Санкт-Петербург, Литейный пр., 55



А. О. Причепа
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок
Россия

Причепа Артем Олегович — младший научный сотрудник, лаборатория биотехнологий и биоинженерии

190000, Санкт-Петербург, Литейный пр., 55



О. В. Астафьева
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок
Россия

Астафьева Оксана Витальевна — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория структурной переработки биоресурсов

190000, Санкт-Петербург, Литейный пр., 55



Н. В. Кириллова
Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Кириллова Надежда Васильевна — доктор биологических наук, профессор, кафедра биохимии

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 14



Список литературы

1. Singh, R., Das, R., Sangwan, S., Rohatgi, B., Khanam, R., Peera, S. K. P. G. et al. (2021). Utilisation of agro-industrial waste for sustainable green production: A review. Environmental Sustainability, 4(4), 619–636. https://doi.org/10.1007/s42398-021-00200-x

2. Sadh, P. K., Duhan, S., Duhan, J. S. (2018). Agro-industrial wastes and their utilization using solid state fermentation: A review. Bioresources and Bioprocessing, 5(1), Article 1. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0187-z

3. Malenica, D., Kass, M., Bhat, R. (2023). Sustainable management and valorization of agri-food industrial wastes and by-products as animal feed: For ruminants, non-ruminants and as poultry feed. Sustainability, 15(1), Article 117. https://doi.org/10.3390/su15010117

4. Astudillo, Á., Rubilar, O., Briceño, G., Diez, M. C., Schalchli, H. (2023). Advances in agroindustrial waste as a substrate for obtaining eco-friendly microbial products. Sustainability, 15(4), Article 3467. https://doi.org/10.3390/su15043467

5. Rodríguez-Espinosa, T., Voukkali, I., Pérez-Gimeno, A., Candel, M. B. A., Hernández-Martich, J. D., Zorpas, A. A. et al. J. (2024). Waste as a sustainable source of nutrients for plants and humans: A strategy to reduce hidden hunger. Sustainability, 16(16), Article 7185. https://doi.org/10.3390/su16167185

6. Lopes, F. C., Ligabue-Braun, R. (2021). Agro-industrial residues: Eco-friendly and inexpensive substrates for microbial pigments production. Frontiers in Sustainable Food Systems, 5, Article 589414. https://doi.org/10.3389/fsufs.2021.589414

7. Rao, M. P. N., Xiao, M., Li, W.-J. (2017). Fungal and bacterial pigments: Secondary metabolites with wide applications. Frontiers in Microbiology, 8, Article 1113. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01113

8. Shakeri, A., Soheili, V., Karimi, M., Hosseininia, S. A., Bazzaz, B. S. F. (2018). Biological activities of three natural plant pigments and their health benefits. Journal of Food Measurement and Characterization, 12(1), 356–361. https://doi.org/10.1007/s11694-017-9647-6

9. Martínez-Cámara, S., Ibañez, A., Rubio, S., Barreiro, C., Barredo, J.-L. (2021). Main carotenoids produced by microorganisms. Encyclopedia, 1(4), 1223–1245. https://doi.org/10.3390/encyclopedia1040093

10. Yaqoob, S., Riaz, M., Shabbir, A., Zia-Ul-Haq, M., Alwakeel, S. S., Bin-Jumah, M. (2021). Commercialization and Marketing Potential of Carotenoids. Chapter in a book: Carotenoids: Structure and Function in the Human Body. Springer International Publishing, 2021. https://doi.org/10.1007/978-3-030-46459-2_27

11. Hwang, C. Y., Cho, E.-S., Kim, S., Kim, K., Seo, M.-J. (2024). Optimization of bacterioruberin production from Halorubrumruber and assessment of its antioxidant potential. Microbial Cell Factories, 23, Article 2. https://doi.org/10.1186/s12934-023-02274-0

12. Salvador-Castell, M., Tourte, M., Oger, P. M. (2019). In search for the membrane regulators of archaea. International Journal of Molecular Sciences, 20(18), Article 4434. https://doi.org/10.3390/ijms20184434

13. Gianni, M., Monteiro-Lobato, Z., Garbayo, I., Vilchez, C., Vega, J.M., MartinezEspinosa, R.M. (2021). Haloferax mediterranei cells as C50 carotenoid factories. Marine Drugs, 19(2), Article 100. https://doi.org/10.3390/md19020100

14. Giani, M., Garbayo, I., Vílchez, C., Martínez-Espinosa, R. M. (2019). Haloarchaeal carotenoids: Healthy novel compounds from extreme environments. Marine Drugs, 17(9), Article 524. https://doi.org/10.3390/md17090524

15. Merlino, G., Barozzi, A., Michoud, G., Ngugi, D. K., Daffonchio, D. (2018). Microbial ecology of deep-sea hypersaline anoxic basins. FEMS Microbiology Ecology, 94(7), Article 85. https://doi.org/10.1093/femsec/fiy085

16. Flores, N., Hoyos, S., Venegas, M., Galetović, A., Zúñiga, L.M., Fábrega, F. et al. (2020). Haloterrigena sp. strain SGH1, a bacterioruberin-rich, perchlorate-tolerant halophilic archaeon isolated from halite microbial communities, Atacama Desert, Chile. Frontiers in Microbiology, 11, Article 324. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00324

17. Guo, S., Song, Q., Song, X., Zhang, C., Fei, Q. (2024). Sustainable production of C50 carotenoid bacterioruberin from methane using soil-enriched microbial consortia. Bioresource Technology, 412, Article 131415. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131415

18. Agarwal, H, Bajpai, S, Mishra, A, Kohli, I, Varma, A, Fouillaud, M. et al. (2023). Bacterial pigments and their multifaceted roles in contemporary biotechnology and pharmacological applications. Microorganisms, 11(3), Article 614. https://doi.org/10.3390/microorganisms11030614

19. Silva, T. R., Tavares, R. S. N., Canela-Garayoa, R., Eras, J., Rodrigues, M. V. N., Neri-Numa, I. A. et al. (2019). Chemical characterization and biotechnological applicability of pigments isolated from Antarctic bacteria. Marine Biotechnology, 21(3), 416–429. https://doi.org/10.1007/s10126-019-09892-z

20. Mussagy, C. U., Caicedo-Paz, A. V., Farias, F. O., de Souza Mesquita, L. M., Giuffrida, D., Dufossé, L. (2024). Microbial bacterioruberin: The new C50 carotenoid player in food industries. Food Microbiology, 124, Article 104623. https://doi.org/10.1016/j.fm.2024.104623

21. Flegler, A., Lipski, A. (2021). The C50 carotenoid bacterioruberin regulates membrane fluidity in pink-pigmented Arthrobacter species. Archives of Microbiology, 204(1), Article 70. https://doi.org/10.1007/s00203-021-02719-3

22. Di Fidio, N., Carmassi, L., Kasmiarti, G., Fulignati, S., Licursi, D., Galletti, A. M. R. et al. (2024). Chemical and enzymatic hydrolysis of waste wheat bran to sugars and their simultaneous biocatalytic conversion to valuable carotenoids and lipids. Catalysis Today, 442, Article 114941. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2024.114941

23. Katileviciute, A., Plakys, G., Budreviciute, A., Onder, K., Damiati, S., Kodzius, R. (2019). A sight to wheat bran: High value-added products. Biomolecules, 9(12), Article 887. https://doi.org/10.3390/biom9120887

24. Song, Y., Sun, L., Zhang, S., Fan, K., Wang, H., Shi, Y. et al. (2022). Enzymes and microorganisms jointly promote the fermentation of rapeseed cake. Frontiers in Nutrition, 9, Article 989410. https://doi.org/10.3389/fnut.2022.989410

25. Gohil, N., Bhattacharjee, G., Kalariya, R., Pandya, V., Khambhati, K., Gohil, J. et al. (2021). Biovalorization of agro-industrial waste soybean meal for the production of prodigiosin by Serratia marcescens. Biomass Conversion and Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-021-02102-8

26. Mari, A., Fafalis, C., Krokida, M. (2024). Evaluation of edible coatings from components from chlorella vulgaris and comparison with conventional coatings. Coatings, 14(5), Article 621. https://doi.org/10.3390/coatings14050621

27. Shen, C.-H. (2019). Quantification and Analysis of Proteins. Chapter in a book: Quantification and analysis of proteins in diagnostic molecular biology. Academic Press, 2019. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802823-0.00008-0

28. Lebedeva, E. G., Panichev, A. M., Kiselev, K. V., Ryseva, Yu. Yu, Zaitseva, E. A. (2024). Taxonomic composition and physiological and biochemical properties of cultivated microorganisms isolated from kudurite rocks of the Primorsky Krai and the Republic of Altai (Russia). The Microbe, 5, Article 100214. https://doi.org/10.1016/j.microb.2024.100214

29. Ilesanmi, O. I., Adekunle, A. E, Omolaiye, J. A., Olorode, E. M., Ogunkanmi, A. L. (2020). Isolation optimization and molecular characterization of lipase producing bacteria from contaminated soil. Scientific African, 8, Article e00279. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2020.e00279

30. Sarmah, N., Revathi, D., Sheelu, G., Rani, K. Y., Sridhar, S., Mehtab, V. (2018). Recent advances on sources and industrial applications of lipases. Biotechnology Progress, 34(1), 5–28. https://doi.org/10.1002/btpr.2581

31. Zhang, Y., Xia, Y., Lai, P. F.-H., Liu, X., Xiong. Z., Liu, J. et al. (2019). Fermentation conditions of serine/alkaline milk-clotting enzyme production by newly isolated Bacillus licheniformis BL312. Annals of Microbiology, 69, 1289–1300. https://doi.org/10.1007/s13213-019-01513-3

32. Aryal, S. (2022). Gelatin Hydrolysis Test — Principle, Procedure, Uses and Interpretation. Retrieved from https://microbiologyinfo.com/gelatin-hydrolysis-test. Accessed September 25, 2024

33. Dahlén, G., Hassan, H., Blomqvist, S., Carlén, H. (2018). Rapid urease test (RUT) for evaluation of urease activity in oral bacteria in vitro and in supragingival dental plaque ex vivo. BMC Oral Health, 18, Article 89. https://doi.org/10.1186/s12903-018-0541-3

34. Rivera-Morales, L. (2022). Catalase test for bacterial identification V.2 Retrieved from https://www.protocols.io/view/catalase-test-for-bacterial-identificationn2bvj6ozxlk5/v2. Accessed February 12, 2022.

35. Aryal, S. (2022). Citrate Utilization Test- Principle, Media, Procedure and Result Retrieved from https://microbiologyinfo.com/citrate-utilization-test-principlemedia-procedure-and-result/. Accessed August 10, 2022

36. Churio, M. S., Cerletti, M., De Castro, R. E. (2022). Carotenoids from Haloarchaea: Extraction, fractionation, and characterization. Chapter in a book: Archaea: Methods and Protocols. Springer US, 2022. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2445-6_21

37. Annapure, U.S., Pratisha, N. (2022). Psychrozymes: A novel and promising resource for industrial applications. Chapter in a book: Microbial extremozymes novel sources and industrial applications. Academic Press, 2022. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822945-3.00018-X

38. Krikunova, L. N., Dubinina, E. V., Zakharov, M. A. Lazareva, I. V. (2021). To the question of the grain bran mineral composition evaluation. Polzunovskiy Vestnik, 2, 27–35. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072–8921.2021.02.004 (In Russian)

39. Ibáñez, M.A., de Blas, C., Cámara, L., Mateos, G.G. (2020). Chemical composition, protein quality and nutritive value of commercial soybean meals produced from beans from different countries: A meta-analytical study. Animal Feed Science and Technology, 267, Article114531.https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114531

40. Renzyaev, A.O., Kravchenko, S.N., Kryuk, R.V. (2022). Rapse cake quality increasing method in AIC. Bulletin KSAU, 99(186), 245–251. https://doi.org/10.36718/1819-4036-2022-9-245-251 (In Russian)

41. Raval, S. Y., Arya, P., Jain, M., Sosa, T., Trivedi, P., Dabhi, R. et al. (2024). Sustainable biosynthesis of β-carotene utilizing sugarcane bagasse: Depiction and biotechnological implications. Biomass Conversion and Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-024-05815-8

42. Noby, N., Khattab, S. N., Soliman, N. A. (2023). Sustainable production of bacterioruberin carotenoid and its derivatives from Arthrobacter agilis NP20 on wheybased medium: Optimization and product characterization. Bioresources and Bioprocessing, 10(1), Article 46. https://doi.org/10.1186/s40643-023-00662-3

43. White, M. F., Allers, T. (2018). DNA repair in the Archaea — an emerging picture. FEMS Microbiology Reviews, 42(4), 514–526. https://doi.org/10.1093/femsre/fuy020

44. Shariati, S., Zare, D., Mirdamadi, S. (2019). Screening of carbon and nitrogen sources using mixture analysis designs for carotenoid production by Blakeslea trispora. Food Science and Biotechnology, 28(2), 469–479. https://doi.org/10.1007/s10068-018-0484

45. Rodríguez, M.F., Gomez, A.P., Parra, C.M. (2022). Molecular and proteomic identification of Arthrobacter gandavensis isolated from cows with subclinical mastitis in a dairy farm. Malaysian Journal of Microbiology, 18, 309–314. https://doi/10.21161/mjm.221407

46. Jiang, Y., Song, Y., Jiang, C., Li, X., Liu, T., Wang, J. et al. (2022) Identification and characterization of Arthrobacter nicotinovorans JI39, a novel plant growthpromoting Rhizobacteria strain from Panax ginseng. Frontiers in Plant Science, 13, Article 873621. https://doi/10.3389/fpls.2022.873621

47. Özdal, M., Özdal, Ö.G., Gürkök, S. (April 18–21, 2017). Statistical optimization of beta-carotene production by Arthrobacter agilis A17 using response surface methodology and Box-Behnken design. AIP Conference Proceedings: II. International conference on advances in natural and applied sciences: ICANAS2017, 1833(1), Article 020101. https://doi.org/10.1063/1.4981749

48. Yu, X., Jiang, K., Zhang, W., Dong, S., Wu, Y., Zhang, G. et al. (2022). Purification, identification, and properties of a novel carotenoid produced by Arthrobacter sp. QL17 isolated from mount Qomolangma. Antioxidants, 11(8), Article1493. https://doi.org/10.3390/antiox11081493

49. Giani, M., Pire, C., Martínez-Espinosa, R. M. (2024). Carotenoid production by Haloferax mediterranei using starch residues from the candy industry as a carbon source. Current Research in Biotechnology, 8, Article 100265. https://doi.org/10.1016/j.crbiot.2024.100265

50. Yaderec, V.V., Karpova, N.V., Glagoleva, E.V., Petrova K. S., Shibaeva A. S., Javakhia V. V. (2024). Carotenoids: Review of major biotechnological methods and conditions for production. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, 14(1), 41–54. https://doi.org/10.21285/achb.905 (In Russian)


Рецензия

Для цитирования:


Шарова Н.Ю., Причепа А.О., Астафьева О.В., Кириллова Н.В. Биосинтез пигмента штаммом Arthrobacter agilis wb28 при ферментации вторичного сырья. Пищевые системы. 2025;8(3):378-385. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2025-8-3-378-385

For citation:


Sharova N.Yu., Prichepa A.O., Astafyeva O.V., Kirillova N.V. Biosynthesis of pigment by strain Arthrobacter agilis wb28 during fermentation of secondary raw materials. Food systems. 2025;8(3):378-385. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2025-8-3-378-385

Просмотров: 38


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2618-9771 (Print)
ISSN 2618-7272 (Online)