Бактериальная целлюлоза находит широкое применение в медицине и тканевой инженерии, являясь перспективным биоматериалом для создания искусственной кожи и кровеносных сосудов. Этот продукт, образующийся в результате жизнедеятельности определенных видов бактерий в процессе ферментации, характеризуется хорошей биосовместимостью, высокой степенью чистоты, прочностью и эластичностью, что отличает его от растительного аналога. Исследователи из Пермского Политеха провели анализ влияния температуры и концентрации кислорода на объем целлюлозы, производимого различными культурами микроорганизмов. Результаты исследования позволят оптимизировать процесс биосинтеза и увеличить выход ценного материала для медицинских целей и других сфер применения.
Статья вошла в сборник «Химия. Экология. Урбанистика», том 1, 2025 года. Работа была проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Бактериальная целлюлоза находит применение не только в биомедицине, но и в косметической и пищевой отраслях, а также в материаловедении для производства биоразлагаемых пленок и композиционных материалов. Этот материал обладает значительным потенциалом и открывает широкие возможности для использования в научных исследованиях и промышленном производстве.
Как правило, бактерии этого рода продуцируют подобную целлюлозу Komagataeibacter. В процессе ферментации в питательной среде микроорганизмы синтезируют биополимер, который затем очищают и обрабатывают для формирования пленочной структуры.
Специалисты Пермского Политеха провели исследование биосинтеза бактериальной целлюлозы, используя различные культуры микроорганизмов, в частности штамм Acetobactеr xylinus и симбиотической культуры Мedusomyces чайного гриба, ранее выращенного в лабораторных условиях. В результате определили, какие факторы могут значительно повысить количество получаемого материала.
Эффективность производства биосинтетического продукта существенно определяется условиями культивирования бактерий в питательной среде, в особенности температурой и обеспечением кислородом. Для получения целлюлозы политехники провели исследования в температурном диапазоне от 25 до 35 градусов Цельсия, варьируя доступ воздуха к образцам. После формирования пленок образцы очищали от клеток микроорганизмов, стерилизовали, сушили и взвешивали.
– Результаты показали значительное влияние температуры на синтез продукта. Штамм Acetobactеr xylinus оптимальна температура 30 градусов, ее увеличение, например, до 35 градусов уже сильно (до двух раз) снижает количество материала. Такая же зависимость характерна и для культуры чайного гриба, но в этом случае рост бактериальной целлюлозы более интенсивный, – рассказывает Николай Ходяшев, заведующий кафедрой «Химия и биотехнология» ПНИПУ, доктор технических наук.
На массу получаемых клеточных культур также влияет доступность кислорода. Специалисты отмечают, что эта зависимость пропорциональна соотношению площадей, с которыми образцы контактируют с воздухом: увеличение площади контакта в восемь раз позволяет получить в восемь раз больше пленочной бактериальной целлюлозы.
Для достижения наилучшего выхода ценного биоматериала в процессе синтеза необходимо поддерживать температуру приблизительно 30 градусов и обеспечивать достаточный доступ кислорода во время биосинтеза. Результаты исследований, проведенных учеными Пермского Политеха, позволяют сформулировать рекомендации по повышению производительности бактериальной целлюлозы пленочного типа.