بهينه‌سازي توليد گلوكونات‌سديم در دماي زياد با استفاده از باكتري استيك‌اسيد مقاوم به گرما (استوباكتر سنگالنسيس)

Improvement of Sodium Gluconate Production using a Thermo-tolerant Acetic Acid bacterium, Acetobacter Senegalensis

مقدمه: امروزه، گلوكونيك‌اسيد و مشتقات آن كاربرد وسيعي در صنايع غذايي دارند؛ بااين‌حال، هنوز پژوهش‌هاي وسيعي براي بهينه‌سازي توليد اين اسيد با استفاده از روش‌هاي تخميري درحال انجام است. هدف اصلي پژوهش حاضر، بررسي تأثير دماها و اسيديته‌هاي مختلف بر برخي پارامترهاي سينتيكي تخمير و عملكرد مجموعه آنزيم‌هاي دهيدرو‌ژناز سلول است. مواد و روشها: استوباكتر سنگالنسيس در كشت ناپيوسته در غلظت‌هاي مختلف قند، دماها و اسيديته‌هاي مختلف كشت شد و ويژگي‌هاي سينتيكي رشد و توليد گلوكونات‌سديم بررسي شدند؛ سپس تأثير اسيديته بر تركيب جمعيت سلول‌هاي فاز نمايي و سكون و توليد محصولات جانبي به‌ترتيب با استفاده از فلوسيتومتري و روش‌هاي كروماتوگرافي بررسي شد. نتايج: بررسي‌هاي فلوسيتومتري نشان دادند با پيشرفت تخمير و ورود سلول‌ها به فاز سكون، جمعيت سلولي واگرا مي‌شود و دو زير‌جمعيت ازنظر فعاليت دهيدروژنازها به وجود مي‌آيند. اسيديتۀ محيط‌كشت تأثير بسيار زيادي در درصد زيرجمعيت‌هاي فعال و غير‌فعال سلول‌ها طي فاز توليد گلوكونيك‌اسيد در فاز سكون دارد؛ به‌طوري‌كه در اسيديتۀ كمتر، ميزان زيرجمعيت داراي دهيدروژنازهاي غيرفعال به‌طور معناداري تا 61 درصد كل جمعيت سلول‌ها افزايش يافت؛ همچنين ميزان ناخالصي‌هاي توليد‌شده به اسيديتۀ تخمير وابسته است؛ به‌طوري‌كه ميزان مشتقات كتوني گلوكونيك‌اسيد در اسيديتۀ 5/4 بيش از 6 برابر افزايش يافت؛ بنابراين، اسيديته‌هاي 5 و 5/5 بهترين اسيديته براي استوباكتر سنگالنسيس به‌منظور تخمير 95 گرم گلوكز در دماي 38 درجۀ سانتي‌گراد هستند. بحث و نتيجهگيري: استوباكتر سنگالنسيس مي‌تواند به‌عنوان باكتري بالقوه براي توليد گلوكونات‌سديم در دماي زياد استفاده شود؛ باوجوداين، واگرايي جمعيت سلولي طي تخمير موجب كاهش تعداد سلول‌هاي فعال توليدكنندۀ محصول و درنتيجه، كاهش حداكثر سرعت مصرف منبع كربني مي‌شود. لازم است در پژوهش‌هاي بعدي راهكارهاي جلوگيري از واگرايي جمعيت سلولي يا برگرداندن آنها به حالت اول بررسي شوند.

Introduction: Nowadays, gluconic acid and its derivatives usages have been broadening in food industry. However, there are still many studies to optimize the production of gluconic acid by fermentation methods. The main goal of the present study was to assess the influences of temperature and pH on some fermentation kinetic parameters and activity of total cellular dehydrogenase. Materials and methods: Acetobacter senegalensis was cultured in batch mode fermentation in different conditions (different concentrations of carbohydrates, temperatures and pHs). In addition, the effect of pH onsub-population formation and by-product production was studied by flow cytometry and different chromatography techniques, respectively. Results: Flow cytometric assessment showed that bacterial cells segregated during stationary phase, and two sub-populations were appeared based on the activity of total cellular dehydrogenases. Culture medium pH affected the sub-populations formation and the percentage of each sub-population. As culture medium pH decreased, higher percentage(up to 61% of inactive cells) were formed during stationary phase. In addition, it was proved that at low pH (4.5), the percentage of by-products such as keto-gluconic acids increased more than 6 times. Based on the obtained results, the optimum pH for A. senegalensis to ferment 95 g/L glucose to sodium gluconat at 38°C was 5-5.5. Discussion and conclusion: Acetobacter senegalensis can be used as a potential microorganism to produce gluconic acid. However, cell segregation during fermentation seems to result in decreased active producing cells and decreased maximum glucose consumption rate. In future studies, it is necessary either to find a method to prevent cell population from segregation or to resuscitate them into functional cells.