Food Processing: Techniques and Technology Food Processing: Techniques and Technology Техника и технология пищевых производств 2074-9414 2313-1748 105006 10.21603/2074-9414-2025-3-2587 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ ORIGINAL ARTICLE ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ Effect of Nutrient Medium Composition on Bacterial Cellulose: Yield and Physicochemical Profile Влияние состава питательной среды на продуктивность и физико-химические свойства бактериальной целлюлозы https://orcid.org/0009-0007-3982-2131 Али Абдул-Галил Ахмед Ali Abdoul-Galil Ahmed abdoulgalil49@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-1489-0716 Кригер Ольга Владимировна Kriger Olga V. ovkriger@itmo.ru Национальный исследовательский университет ИТМО Санкт-Петербург Россия ITMO University St. Petersburg Russian Federation Национальный исследовательский университет ИТМО Санкт-Петербург Россия ITMO University St. Petersburg Russian Federation Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта Калининград Россия Immanuel Kant Baltic Federal University Kaliningrad Russian Federation 08 10 2025 08 10 2025 55 3 558 566 14 04 2025 01 07 2025 https://fptt.ru/en/issues/23788/23822/

Бактериальная целлюлоза обладает специфическими и уникальными свойствами, которые отличают ее от растительной. Она имеет высококристаллическую наноструктуру, высокую чистоту (отсутствие лигнина и гемицеллюлозы) и более высокую степень полимеризации, что делает ее перспективной альтернативой растительной целлюлозе для специфических применений. Для того, чтобы получить бактериальную целлюлозу с заданными физико-химическими характеристиками, необходимо тщательно исследовать способность ее продуцента метаболизировать различные источники углерода и их влияние на качество синтезированной целлюлозы. Целью данного исследования являлось изучение влияния состава питательной среды, включая источники углерода, витамины, минеральные соли и кислоты, на продуктивность и свойства бактериальной целлюлозы. Объекты исследования – уксуснокислые бактерии Acetobacterium xylinum B-12429 (национальный биоресурсный центр ВКПМ). Культуру выращивали при температуре 28 °C в течение 72 ч на питательной среде Хестрина-Шрамма в присутствии различных источников углерода, а также дополнительных факторов роста в статических условиях при периодическом культивировании. Структурные характеристики полученных пленок бактериальной целлюлозы были изучены с помощью инфракрасной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Оценивали физико-химические характеристики бактериальной целлюлозы, включая водоудерживающую способность и индексы кристалличности (Iα и Iβ). Максимальное накопление биомассы бактериальной целлюлозы на среде Хестрина-Шрамма происходило на 10 сутки культивирования в статических условиях. Наибольший выход бактериальной целлюлозы (4,4 г/л) получен с использованием фруктозы в качестве источника углерода с концентрацией 20,0 г/л. При использовании в качестве источника углерода глюкозы продуктивность бактериальной целлюлозы ниже (3,6 г/л). На продуктивность бактериальной целлюлозы оказывала влияние концентрация основного источника углерода: 10 % концентрация способствовала ее максимальному выходу. Внесение дополнительных компонентов в состав питательной среды, таких как аскорбиновая кислота и MgSO4, эффективно влияет на продуктивность синтеза бактериальной целлюлозы. Биопленки бактериальной целлюлозы, полученные на среде HS с ксилозой и сорбитом, обладали наибольшей водоудерживающей способностью. Индексы кристалличности для всех образцов бактериальной целлюлозы были приблизительно равны 1, что свидетельствует о стабильной кристаллической структуре целлюлозы независимо от источника углерода в питательной среде. Исследование показало, что состав питательных сред оказывает значительное влияние на биосинтез бактериальной целлюлозы. Эти результаты подчеркивают важность оптимизации состава питательных сред для повышения продуктивности ее биосинтеза, что может быть использовано в промышленности для получения высококачественной бактериальной целлюлозы.

Bacterial cellulose differs from plant cellulose: its unique properties include a strong crystalline nanostructure and a high degree of polymerization. In addition, it is more pure than traditional cellulose as it contains neither lignin nor hemicellulose. These qualities make it a promising alternative to plant cellulose in several industries. Bacterial cellulose with the specific physicochemical profile can be obtained only if the metabolizing properties of its producer have been considered. This article describes the effect of nutrient medium compositions with different carbon sources, vitamins, mineral salts, and acids on the yield and properties of bacterial cellulose. Acetic acid bacteria Acetobacterium xylinum B-12429 were cultivated statically at 28°C for 72 h on the Hestrin-Schramm medium with varying carbon sources and growth factors. The highest biomass yield (4.4 g/L) was obtained on cultivation day 10 in the sample with 20.0 g/L fructose. Glucose provided a lower productivity of 3.6 g/L. The bacterial cellulose yield also proved to depend on the concentration of the main carbon source: it was at its maximum at 10%. Adding ascorbic acid and MgSO4 also catalyzed the biosynthesis. The structural profile was studied using infrared spectroscopy and scanning electron m icroscopy. It included such physicochemical properties as water-holding capacity and crystallinity indices Iα and Iβ. The biofilms produced from the media fortified with xylose and sorbitol demonstrated excellent water-holding capacity; all the samples demonstrated a stable crystalline structure regardless of the carbon source. The composition of the nutrient media had a significant effect on the yield and quality of biosynthesis. An optimized nutrient composition was able to boost biosynthesis, making the method applicable to industrial scales of high-quality bacterial cellulose production.

 Бактериальная целлюлоза биосинтез источники углерода физико-химические свойства Acetobacterium xylinum Bacterial cellulose biosynthesis carbon sources physicochem ical properties Acetobacterium xylinum Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, соглашение № 24-24-00169. The research was supported by the Russian Science Foundation, agreement No. 24-24-00169.

Ul-Islam M, Ha JH, Khan T, Park JK. Effects of glucuronic acid oligomers on the production, structure and properties of bacterial cellulose. Carbohydrate Polymers. 2013;92(1):360-366. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.09.060 Ul-Islam M, Ha JH, Khan T, Park JK. Effects of glucuronic acid oligomers on the production, structure and properties of bacterial cellulose. Carbohydrate Polymers. 2013;92(1):360-366. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.09.060 Moran-Mirabal JM, Cranston ED. Cellulose nanotechnology on the rise. Industrial Biotechnology. 2015;11(1):14-15. https://doi.org/10.1089/ind.2015.1501 Moran-Mirabal JM, Cranston ED. Cellulose nanotechnology on the rise. Industrial Biotechnology. 2015;11(1):14-15. https://doi.org/10.1089/ind.2015.1501 Ullah H, Santos HA, Khan T. Applications of bacterial cellulose in food, cosmetics and drug delivery. Cellulose. 2016;23:2291-2314. https://doi.org/10.1007/s10570-016-0986-y Ullah H, Santos HA, Khan T. Applications of bacterial cellulose in food, cosmetics and drug delivery. Cellulose. 2016;23:2291-2314. https://doi.org/10.1007/s10570-016-0986-y Park SU, Lee BK, Kim MS, Park KK, Sung WJ, et al. The possibility of microbial cellulose for dressing and scaffold materials. International Wound Journal. 2014;11(1):35-43. https://doi.org/10.1111/j.1742-481X.2012.01035.x Park SU, Lee BK, Kim MS, Park KK, Sung WJ, et al. The possibility of microbial cellulose for dressing and scaffold materials. International Wound Journal. 2014;11(1):35-43. https://doi.org/10.1111/j.1742-481X.2012.01035.x Almihyawi RAH, Musazade E, Alhussany N, Zhang S, Chen H. Production and characterization of bacterial cellulose by Rhizobium sp. isolated from bean root. Scientific Reports. 2024;14:10848. https://doi.org/10.1038/s41598-024-61619-w Almihyawi RAH, Musazade E, Alhussany N, Zhang S, Chen H. Production and characterization of bacterial cellulose by Rhizobium sp. isolated from bean root. Scientific Reports. 2024;14:10848. https://doi.org/10.1038/s41598-024-61619-w Mohammad NH, Hammad AA, Nour SA, Askar AA, Gamal E. Optimization of bacterial cellulose production using Plackett-Burman and response surface methodology. Egyptian Journal of Medical Microbiology. 2021;30(4):93-101. https:// doi.org/10.21608/ejmm.2021.197467 Mohammad NH, Hammad AA, Nour SA, Askar AA, Gamal E. Optimization of bacterial cellulose production using Plackett-Burman and response surface methodology. Egyptian Journal of Medical Microbiology. 2021;30(4):93-101. https:// doi.org/10.21608/ejmm.2021.197467 Lin S-P, Liu C-T, Hsu K-D, Hung Y-T, Shih T-Y, et al. Production of bacterial cellulose with various additives in a PCS rotating disk bioreactor and its material property analysis. Cellulose. 2016;23:367-377. https://doi.org/10.1007/ S10570-015-0855-0 Lin S-P, Liu C-T, Hsu K-D, Hung Y-T, Shih T-Y, et al. Production of bacterial cellulose with various additives in a PCS rotating disk bioreactor and its material property analysis. Cellulose. 2016;23:367-377. https://doi.org/10.1007/ S10570-015-0855-0 Али А-Г. А., Кригер О. В. Получение и применение бактериальной целлюлозы. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2025. № 1. С. 82-102. https://doi.org/10.5922/vestniknat-2025-1-6 Ali A-GA, Krieger OV. Production and application of bacterial cellulose. Vestnik of Immanuel Kant Baltic Federal University. 2025;(1):82-102. (In Russ.) https://doi.org/10.5922/vestniknat-2025-1-6 Saavedra-Sanabria OL, Durán D, Cabezas J, Hernández I, Blanco-Tirado C, et al. Cellulose biosynthesis using simple sugars available in residual cacao mucilage exudate. Carbohydrate Polymers. 2021;274:118645. https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2021.118645 Saavedra-Sanabria OL, Durán D, Cabezas J, Hernández I, Blanco-Tirado C, et al. Cellulose biosynthesis using simple sugars available in residual cacao mucilage exudate. Carbohydrate Polymers. 2021;274:118645. https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2021.118645 Digel I, Akimbekov N, Rogachev E, Pogorelova N. Bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii on glucose and sucrose: biosynthesis and structural properties. Cellulose. 2023;30:11439-11453. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05592-z Digel I, Akimbekov N, Rogachev E, Pogorelova N. Bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii on glucose and sucrose: biosynthesis and structural properties. Cellulose. 2023;30:11439-11453. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05592-z Abdelraof M, Hasanin MS, Farag MM, Ahmed HY. Green synthesis of bacterial cellulose/bioactive glass nanocomposites: Effect of glass nanoparticles on cellulose yield, biocompatibility and antimicrobial activity. International Journal of Biological Macromolecules. 2019;138:975-985. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.07.144 Abdelraof M, Hasanin MS, Farag MM, Ahmed HY. Green synthesis of bacterial cellulose/bioactive glass nanocomposites: Effect of glass nanoparticles on cellulose yield, biocompatibility and antimicrobial activity. International Journal of Biological Macromolecules. 2019;138:975-985. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.07.144 Abol-Fotouh D, Hassan MA, Shokry H, Roig A, Azab MS, et al. Bacterial nanocellulose from agro-industrial wastes: Low-cost and enhanced production by Komagataeibacter saccharivorans MD1. Scientific Reports. 2020;10:3491. https:// doi.org/10.1038/s41598-020-60315-9 Abol-Fotouh D, Hassan MA, Shokry H, Roig A, Azab MS, et al. Bacterial nanocellulose from agro-industrial wastes: Low-cost and enhanced production by Komagataeibacter saccharivorans MD1. Scientific Reports. 2020;10:3491. https:// doi.org/10.1038/s41598-020-60315-9 Sutthiphatkul T, Suwanposri A, Ochaikul D. Optimization of bacterial cellulose production from wastewater of noodle processing by Komagataeibacter sp. PAP1 and bio-cellulose paper production. Walailak Journal of Science and Technology. 2020;17(11):1241-1251. https://doi.org/10.48048/wjst.2021.6508 Sutthiphatkul T, Suwanposri A, Ochaikul D. Optimization of bacterial cellulose production from wastewater of noodle processing by Komagataeibacter sp. PAP1 and bio-cellulose paper production. Walailak Journal of Science and Technology. 2020;17(11):1241-1251. https://doi.org/10.48048/wjst.2021.6508 Khattak WA, Khan T, Ul-Islam M, Ullah MW, Khan S, et al. Production, characterization and biological features of bacterial cellulose from scum obtained during preparation of sugarcane jaggery (gur). Journal of Food Science and Technology. 2015;52(12):8343-8349. https://doi.org/10.1007/S13197-015-1936-7 Khattak WA, Khan T, Ul-Islam M, Ullah MW, Khan S, et al. Production, characterization and biological features of bacterial cellulose from scum obtained during preparation of sugarcane jaggery (gur). Journal of Food Science and Technology. 2015;52(12):8343-8349. https://doi.org/10.1007/S13197-015-1936-7 Ciolacu D, Ciolacu F, Popa VI. Amorphous cellulose - Structure and characterization. Cellulose Chemistry and Technology. 2011;45(1):13-21. Ciolacu D, Ciolacu F, Popa VI. Amorphous cellulose - Structure and characterization. Cellulose Chemistry and Technology. 2011;45(1):13-21. Szymańska-Chargot M, Cybulska J, Zdunek A. Sensing the structural differences in cellulose from apple and bacterial cell wall materials by raman and FT-IR spectroscopy. Sensors. 2011;11(6):5543-5560. https://doi.org/10.3390/s110605543 Szymańska-Chargot M, Cybulska J, Zdunek A. Sensing the structural differences in cellulose from apple and bacterial cell wall materials by raman and FT-IR spectroscopy. Sensors. 2011;11(6):5543-5560. https://doi.org/10.3390/s110605543 Hanemann T, Szabó DV. Polymer-nanoparticle composites: From synthesis to modern applications. Materials. 2010; 3(6):3468-3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468 Hanemann T, Szabó DV. Polymer-nanoparticle composites: From synthesis to modern applications. Materials. 2010; 3(6):3468-3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468 Liu M, Liu L, Jia S, Li S, Zou Y, et al. Complete genome analysis of Gluconacetobacter xylinus CGMCC 2955 for elucidating bacterial cellulose biosynthesis and metabolic regulation. Scientific Reports. 2018;8:6266. https://doi.org/10.1038/ s41598-018-24559-w Liu M, Liu L, Jia S, Li S, Zou Y, et al. Complete genome analysis of Gluconacetobacter xylinus CGMCC 2955 for elucidating bacterial cellulose biosynthesis and metabolic regulation. Scientific Reports. 2018;8:6266. https://doi.org/10.1038/ s41598-018-24559-w Mohammadkazemi F, Azin M, Ashori A. Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media. Carbohydrate Polymers. 2015;117:518-523. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.10.008 Mohammadkazemi F, Azin M, Ashori A. Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media. Carbohydrate Polymers. 2015;117:518-523. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.10.008 Casaburi A, Rojo ÚM, Cerrutti P, Vázquez A, Foresti ML. Carboxymethyl cellulose with tailored degree of substitution obtained from bacterial cellulose. Food Hydrocolloids. 2018;75:147-156. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2017.09.002 Casaburi A, Rojo ÚM, Cerrutti P, Vázquez A, Foresti ML. Carboxymethyl cellulose with tailored degree of substitution obtained from bacterial cellulose. Food Hydrocolloids. 2018;75:147-156. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2017.09.002 Гладышева Е. К. Исследование структуры и химического строения бактериальной целлюлозы. Ползуновский вестник. 2015. № 4-2. С. 100-103. https://elibrary.ru/VMDLLL Gladysheva EK. Investigation of the structure and chemical structure of bacterial cellulose. Polzunovskiy Vestnik. 2015;(4-2):100-103. (In Russ.) https://elibrary.ru/VMDLLL