Шляхи підвищення ефективності технологій синтезу мікробних екзополісахаридів. Частина 1. Встановлення оптимальних умов біосинтезу

Abstract

Проведення експериментів, в яких одночасно здійснюється варіювання лише однією змінною, є найбільш простим способом встановлення умов культивування продуцента, максимально наближених до оптимальних. Зазвичай, у таких дослідженнях проводиться послідовне визначення природи та концентрації джерела вуглецю й азоту, рН, температури, тривалості культивування, а також способу підготовки посівного матеріалу. Такі однофакторні дослідження залишаються ефективним інструментом для первинного визначення найбільш критичних факторів, які спричиняють найбільший вплив на процес біосинтезу і потребують додаткової оптимізації. Подальша оптимізація умов культивування продуцента з використанням багатофакторних досліджень передбачає використання різних методів математичного планування експериментів, одним з яких є дизайн Плакета-Бурмана, що дає змогу визначити рівень впливу на процес великої кількості змінних при проведенні меншої кількості експериментів. Для комбінованого аналізу факторів, які спричиняють найбільший вплив на процес біосинтезу екзополісахаридів, зазвичай, використовують інші комплексні математичні моделі, зокрема метод Бокса-Вілсона, центральний композиційний план або дизайн Бокса-Бенкена. Суттєва перевага дизайну Бокса-Бенкена полягає в тому, що він не містить комбінацій, для яких усі фактори одночасно перебувають на найвищому або найнижчому рівні. Проаналізовані літературні дані останніх років щодо шляхів підвищення ефективності технологій мікробних ЕПС засвідчили необхідність застосування комплексного підходу для вирішення цього завдання. Так, на першому етапі необхідним є встановлення оптимального складу поживного середовища. При цьому найбільш сучасним підходом є проведення багатофакторних досліджень з використанням комплексних математичних моделей, які враховують взаємозв’язок різних досліджуваних факторів і дають змогу більш точно встановити оптимальні умови процесу культивування, що забезпечують підвищення концентрації мікробних екзополісахаридів у 2—10 разів порівняно з такою до оптимізації. Conducting experiments in which only one factor is varied is the easiest way to establish the optimal conditions of producer cultivation. Usually, in such studies, a consistent determination of the nature and concentration of the carbon and nitrogen source, pH, temperature, duration of cultivation, as well as the method of inoculum preparation is carried out. Such single-factor studies remain an effective tool for the initial determination of the most critical factors which cause the greatest impact on the biosynthesis process and require additional optimization. Further optimization of producer cultivation conditions using multivariate studies involves the use of various methods of mathematical planning of experiments, one of which is the Plackett- Burman design, which allows determining the level of influence on the process of a large number of variables while conducting a smaller number of experiments. For the combined analysis of factors which have the greatest influence on the process of exopolysaccharides biosynthesis, other more complex mathematical models are usually used, in particular, the Box-Wilson method, the central composite design, or the Box-Behnken design. A significant advantage of the Box-Behnken design is that it does not contain combinations for which all factors are at the highest or lowest levels at the same time. The analyzed literature data of recent years regarding ways to increase the efficiency of microbial exopolysaccharides technologies proved the need to use an integrated approach to solve this problem. So, at the first stage, it is necessary to establish the optimal composition of the nutrient medium. At the same time, the most modern approach is to conduct multifactorial studies using complex mathematical models, which take into account the interrelationship of various studied factors and make it possible to more accurately establish the optimal conditions of the cultivation process, which ensure increasing the concentration of microbial exopolysaccharides by 2—10 times compared to that before optimization.