БИОТЕХНОЛОГИЯ КЛЕЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

     В последние годы широкое применение получили клеи природного происхождения. Связано это в первую очередь с экологическими аспектами в наиболее развитых странах. Так, например, товары в картонной упаковке, проклеенной синтетическим клеем, не допускается к экспорту в ряд стран Европы, Азии и Америки. То же относится к этикеткам на стеклянной таре. Все это связано с потребительскими запросами покупателей, требующих знака экологически чистая упаковка.
     Основным компонентом клея является клеящее вещество, которое обеспечивает адгезионную и когезионную прочность в клеевом соединении. В клеях природного происхождения - биоклеях, основным компонентом является природный полимер (коллаген, казеин, крахмал, декстрин, альбумин, декстран, натуральный каучук), которые довольно дорогостоящие и могут быть использованы более рационально в пищевой промышленности. В настоящее время ведутся поиски заменителей этих компонентов природных клеев на более дешевые. В качестве заменителей дорогих компонентов могут выступать микробные полисахариды и белки, выращенные на отходах пищевых предприятий, содержащие все необходимые для этого питательные компоненты. В качестве таких отходов могут выступать меласса, молочная сыворотка, пахта, отходы пивоваренной и спиртовой промышленности и т.д. Необходим поиск новых, более дешевых источников клеев биологического происхождения. Таковыми могут быть отходы и вторичное сырье микробиологических производств, в составе которых содержится большое количество биополимеров.
     Коллективом кафедры биотехнологии, биохимии и биоинженерии на протяжении ряда лет проводятся исследования по составлению различных клеевых композиций, в состав которых входят отходы пищевой и перерабатывающей промышленностей, по модификации основных компонентов клеевых композиций, изучаются продукты модификации, их клеящая способность, испытываются различные добавки (отходы различных отраслей промышленности) и изучается их влияние на клеящую способность биоклеев.
     Одним из путей создания адгезивных материалов является синтез декстрана при помощи микроорганизмов Leuconostoc mesenteroides с использованием дешевых питательных сред, содержащих отходы сахарной, молочной и спиртовой пищевой промышленности. В процессе роста бактерий происходит накопление высокополимерных соединений; полисахаридов, обладающих хорошими адгезивными свойствами. Их можно использовать и как основной компонент биоклея и как связующее в клеях на основе модифицированных отходов. Эти полисахариды совершенно без-вредны и их используют даже в медицинской практике. Поэтому и клеевые композиции на их основе можно будет использовать в пищевой промышленности для приклеивания этикеток, изготовления бумажной тары.
     Сотрудниками кафедры были оптимизированы состав питательной среды содержащие мелассу, пахту, молочную сыворотку и барду, а также режимы культивирования, обеспечивающие максимальный выход технического декстрана.
     Биоклеи на основе бактериальных полисахаридов можно будет использовать в производстве гафрокартона, получении композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья.

             ПОЛУЧЕНИЕ КОРМОВОГО БЕЛКА С ПОМОЩЬЮ БАЗИДИАЛЬНЫХ ГРИБОВ

     Разработана технология биоконверсии сельскохозяйственных (солома) и промышленных (барда, меласса, пивная дробина) отходов в кормовые препараты. Для биоконверсии используются молочнокислые и пропионовокислые бактерии и высшие базидиальные грибы. В частности разработана технология получения кормового препарата на основе соломы, биообработанной съедобными грибами из семейства вешенковых – вешенкой (Pleurotus ostreatus) и пилолистником тигровым (Lentinus (Panus) tigrinus).
     Получен патент RU 2196438, авторы Ревин В.В., Атыкян Н.А. Способ получения кормового продукта. Приоритет от 18.06.2001. Опуб. 20.01.2003 Бюл. №2. Был выигран грант и заключен госконтракт №4227р/6612 “Разработка технологии производства кормовых препаратов на основе растительных отходов обработанных дереворазрушающими грибами” (2006-2008 гг., заказчик - Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере). В настоящее время совместно с ОАО «Мордовспирт» ведется разработка кормовых препаратов с пробиотическими свойствами на основе послеспиртовой барды.


         ПОЛУЧЕНИЕ БИОПРЕПАРАТОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ОТ ФИТОПАТОГЕНОВ

     На кафедре биотехнологии, биохимии и биоинженерии МГУ им.Н.П.Огарева ведутся научно-исследовательские работы по оптимизации условий получения биопрепаратов на основе бактерий рода Pseudomonas и оомицета Pythium oligandrum для защиты растений от заболеваний, вызываемых фитопатогенными грибами. Фитопатогены вызывают угнетение роста и в конечном итоге приводят к снижению урожайности культурных растений.
     Несмотря на бурное развитие химической промышленности и создание средств химических защиты растений с фунгистатическим и фунгицидным действиями, проблема остается до конца не решенной. Поэтому роль защиты растений в увеличении производства и сохранении сельскохозяйственных продуктов огромна.
     В настоящее время ведутся разработки технологий получения биопрепаратов различного назначения на основе ризосферных псевдомонад. Исследуются различные способы консервации этих биопрепаратов и улучшения их прикрепления к поверхности семян и корней растений использованием различных клеящих средств типа метилцеллюлозы, альгинатов, ксантанов и др.
     Сотрудниками кафедры изучается процесс взаимодействия между культурами бактерий Pseudomonas aureofaciens, оомицета Pythium oligandrum и фитопатогенными грибами. Ведется подбор наиболее эффективных способов обработки культурных растений спорами и/или клеточной суспензией микроорганизмов.
  
              ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

     Кафедрой биотехнологии, биохимии и биоинженерии совместно с ОАО «Молочный комбинат «Саранский» разработан и внедрен в производство продукт нового поколения — напиток молочнокислый «Здоровье».
     Отличительной особенностью этого напитка является высокое содержание жизнеспособных клеток бифидобактерий. Клинические испытания, проведенные в ряде больниц, показали высокий положительный терапевтический эффект.
     Напиток обладает способностью восстанавливать естественную микрофлору желудочно-кишечного тракта человека, нарушенную вследствие ряда неблагоприятных воздействий (антибиотикотерапия, стрессовые ситуации, неблагоприятная экологическая обстановка). Молочнокислый напиток рекомендован как профилактическое, так и лечебное средство при дисбактериозе кишечника и других желудочно-кишечных заболеваниях.
     Для предупреждения заболеваний щитовидной железы разработаны плавленый сыр и соус сметанный «Океан» с йодсодержащей биологически активной добавкой «Модифилан»(мелкоизмельченная фракция морских водорослей).

                                   ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОБНЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ

     На кафедре биотехнологии, биохимии и биоинженерии Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева в течение длительного времени проводятся исследования в области изучения ксантана и его продуцентов.
     Ксантан–биополимер микробного происхождения, который во всем мире в течение последних лет занимает ведущие позиции как добавка, улучшающая качество самых различных продуктов и технологических операций (повышение нефтедобычи, буровые работы, повышение урожайности, строительство, медицина, пищевая, фармацевтическая, горнодобывающая, текстильная, лакокрасочная и другие области промышленности).
     Ксантан экологически безопасен, нетоксичен (используется в пищевой промышленности как стабилизатор и загуститель под названием Е 415), не оказывает негативного воздействия на процессы добычи и переработки нефти, разрешен к применению на нефтепромыслах России.
     Потребность в биополимерах типа ксантана составляет сотни тысяч тонн в год. Его производство относится к числу наукоемких технологий. Диапазон использования ксантана постоянно расширяется, в его выпуск включаются новые фирмы. Однако, несмотря на большие потребности России в этом полисахариде, в нашей стране в промышленном масштабе ксантан не производится. Производство ксантана в России позволит отказаться от покупки зарубежных препаратов.
     Для промышленного получения ксантана необходимы, в первую очередь, высокоэффективные технологии и высокопродуктивные штаммы бактерий Xanthomonas campestris, сохраняющие в процессе хранения и культивирования свои ценные свойства. На кафедре биотехнологии в результате селекции получены высокопродуктивные штаммы бактерий Xanthomonas campestris, образующие до 28 г/л ксантана. Получено свидетельство о депонировании штаммов. Изучены морфологические и физиолого-биохимические свойства бактерий, оптимизированы условия их хранения. Разработан технологический регламент получения ксантана.
     С целью снижения себестоимости продукта рекомендованы среды, содержащие отходы различных биотехнологических производств, например, мелассу, барду, молочную сыворотку.  
     Для дальнейшего повышения продуктивности полученных штаммов планируется использовать селекцию на основе индуцированного мутагенеза и методы генетической инженерии, для чего имеется специализированная лаборатория на кафедре генетики.
     Для создания высокоэффективных технологий планируется дальнейшая оптимизация условий культивирования продуцентов с целью увеличения выхода ксантана и снижения себестоимости продукта.

              БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ

     Разрабатывается технология получения биоэтанола пищевого и топливного назначения с применением глубокой механобиохимической обработки нанодисперсного растительного сырья с последующей биоконверсией дрожжами. В качестве сырья при разработке технологии пищевого этанола используется наноструктурированное зерновое сырье, для топливного этанола – наноструктурированное целлюлозосодержащее сырье с размером частиц, немного превышающих 100 нм. Наноструктурированное сырье подвергается ферментативному гидролизу в мягких условиях комплексом высокоактивных ферментов и сбраживается дрожжами. За счет комбинации методов глубокой механической и биохимической обработки исключается одна из классических стадий спиртового производства – разваривание (при производстве пищевого этанола) или химического гидролиза (при производстве топливного этанола). Вследствие этого происходит снижение энергозатрат и капвложений и увеличение выхода спирта. Разработки ведутся совместно с ООО “Аква-Пура” (г. Саров) и ОАО «Мордовспирт». 

ПОЛУЧЕНИЕ КОРМОВЫХ И ПРОБИОТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ СПИРТОВОЙ БАРДЫ

     Основным жидким отходом производства этанола является послеспиртовая барда, частично применяемая как жидкая кормовая добавка, а частично сбрасываемая на очистные сооружения, что существенно ухудшает их работу. Остро встает вопрос утилизации послеспиртовой барды особенно в летний период, когда откорм животных ве¬дется на пастбищах. Зерновая барда, полученная при производстве спирта, является перспективным сырьем в кормопроизводстве.
     Способность молочнокислых бактерий синтезировать в процессе брожения молочную кислоту и другие соединения, подавляющие развитие гнилостной микрофлоры желудочно-кишечного тракта, активное участие в синтезе незаменимых аминокислот, витаминов, способствующих повышению устойчивости организма к внешним воздействиям, позволяет использовать эти бактерии для производства пробиотиков – препаратов и продуктов на основе живых микроорганизмов.
     Применение молочнокислых и бифидобактерий для получения пробиотиков может помочь в решении проблемы комплексной утилизации отхода спиртовой промышленности – послеспиртовой барды, которая является подходящим субстратом для культивирования данных бактерий. Выращивание молочнокислых бактерий на барде перспективно для получения белково-витаминного кормового пробиотического продукта, отличающегося низкой себестоимостью, высокой питательной ценностью и антибактериальным действием. На кафедре биотехнологии Мордовского госуниверситета был получен кормовой пробиотический продукт, обогащённый белком и живыми клетками лактобацилл и бифидобактерий.
     Консистенция полученного кормового продукта не отличалась плотной и однородной структурой. В ней присутствовали взвеси, муть, лёгкие хлопья – нормальные показатели роста бактерий. Цвет продукта был светло-коричневым. Кормовой продукт обладал приятным хлебным запахом с лёгким спиртовым оттенком, присущим свежей послеспиртовой барде.
     Количество живых клеток молочнокислых и бифидобактерий (более 600 • 106) в полученном кормовом продукте является достаточным для обогащения желудочно-кишечного тракта животного, обеспечения его нормальной работы (1 г продукта должен содержать не менее 106 микроорганизмов). Кормовой продукт, обогащённый молочнокислыми бактериями и белком, может составить хорошую альтернативу традиционным кормам.
     При попадании в желудочно-кишечный тракт животного живые клетки молочнокислых бактерий приживаются в нем и включаются в регулирование обменных процессов, повышают усвоение кормов и перевариваемость, способствуют увеличению привесов при скармливании их животным.
  
                    ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АПОПТОЗА

     Программируемая клеточная гибель — естественный физиологический многоэтапный процесс, в результате которого элиминируются "отработавшие" или поврежденные клетки и обеспечи¬вается баланс между пролиферацией и гибелью клеток, тканевой гомеостаз в много¬клеточном организме. Существуют разные способы реализации апоптоза. Независимо от природы и источников сигналов, запускающих апоптоз, воздействие на клетку и ответственные рецепторы не может происходить без взаимодействия с мембраной клетки и его компонентами, в том числе и с липидами. Выяснение механизма апоптоза имеет важное значение не только для физико-химической биологии, но и для медицины, например, в связи с удалением опухолевых клеток. Результаты исследований позволяют расширить представления об участии липидов и их производных в механизмах апоптоза. Получены новые данные об удалении ядра из эритроцита и изменении структурно-функциональном состоянии мембран при индукции апоптоза. Впервые исследован выброс ядра эритроцитами голубя с последующим распадом клеток на апоптозные везикулы. Изучен жирнокислотный состав отдельных фракций липидов при воздействии пероксида водорода и УФ-облучения. Показана индукция апоптоза сфингомиелином (СМ), фосфатидилсерином (ФС), диацилглицеролом(ДАГ) и олеиновой кислотой(ОЛ). Обнаружено, что при воздействии пероксидом водорода происходят изменения в составе мембраных липидов, количественного и качественного соотношения липидов и продуктов ПОЛ и это может являться одним из механизмов, через который происходит инициирование апоптоза. Добавленные СМ, ФС, ДАГ и ОК проникают в эритроциты и вызывают глубокие изменения в структурно-функциональном состоянии мембран и могут непосредственно влиять на рецепторы и сигнальные системы в качестве биоэффекторов. Установлена взаимосвязь между апоптозом эритроцитов и изменением состава и состояния липидной компоненты мембраны.