ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ НА ПРОДУКЦИЮ БАКТЕРИАЛЬНОЙ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ШТАММОМ KOMAGATAEIBACTER XYLINUS DSM 2325

Аннотация

Бактериальная наноцеллюлоза (БН) представляет собой высокоценный биополимер с широкими перспективами применения в биомедицинской инженерии, пищевых технологиях, упаковочных материалах и современных функциональных материалах. Однако её промышленное производство по-прежнему ограничено сравнительно низкими выходами продукта и высокой чувствительностью биосинтеза целлюлозы к условиям культивирования. В настоящем исследовании с использованием четырёхфакторного плана Бокса–Бенкена и методологии поверхности отклика (Response Surface Methodology, RSM) изучено совместное влияние температуры, начального значения pH, концентрации этанола и концентрации лактата натрия на продукцию бактериальной наноцеллюлозы штаммом Komagataeibacter xylinus DSM 2325 в условиях культивирования с перемешиванием. Было проведено 29 экспериментальных серий, а выход BNC оценивали по количеству сухой целлюлозы. Максимальный экспериментальный выход (0,446 г/л) был получен при температуре 30 °C, pH 6, содержании этанола 2% (об. /об.) и отсутствии добавления лактата натрия. Дисперсионный анализ показал, что температура, pH и лактат натрия оказывают статистически значимое влияние на продукцию БН тогда как линейный эффект этанола оказался статистически незначимым. Разработанная квадратичная модель была статистически значимой (p = 0,0001) при коэффициенте детерминации R² = 0,7752. Численная оптимизация предсказала оптимальные условия культивирования: температура 24,4 °C, pH 4,57, 2% этанола и 0,04% лактата натрия, что соответствовало прогнозируемому выходу 0,767 г/л. Однако экспериментальная проверка показала более низкую продукцию целлюлозы в оптимизированных условиях по сравнению со стандартной средой. Анализ методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и рентгеновской дифракции (XRD) подтвердил успешный синтез химически чистой бактериальной наноцеллюлозы с характерной кристаллической структурой целлюлозы I. Для оценки морфологии поверхности и структуры фибриллярной сети образцов бактериальной наноцеллюлозы была использована сканирующая электронная микроскопия (SEM). Полученные результаты демонстрируют важность экспериментальной валидации статистических подходов при оптимизации процессов производства бактериальной наноцеллюлозы.

Ключевые слова: бактериальная наноцеллюлоза; Komagataeibacter xylinus; методология поверхности отклика; план Бокса–Бенкена; этанол; лактат натрия; оптимизация.