Введение

Сгуститель, используемый в микробиологии и пищевой промышленности. Агар (/eɪ/ɡ/ɑːr/ или /ɑː/g/ər/), или агар-агар, – это желеобразное вещество, состоящее из полисахаридов, получаемых из клеточных стенок некоторых видов красных водорослей, преимущественно из "огонори" (Gracilaria) и "тэнгуса" (Gelidiaceae). В природе агар представляет собой смесь двух компонентов: линейного полисахарида агарозы и гетерогенной смеси более мелких молекул, называемых агаропектином. Он формирует поддерживающую структуру в клеточных стенках определенных видов водорослей и высвобождается при кипячении. Эти водоросли известны как агарофиты и относятся к отделу Rhodophyta (красные водоросли). При переработке пищевого агара агаропектин удаляется, и коммерческий продукт представляет собой практически чистую агарозу. Агар используется в качестве ингредиента в десертах по всей Азии, а также в качестве твердой среды для культивирования микроорганизмов. Агар может применяться как слабительное средство, средство для подавления аппетита, веганская замена желатина, загуститель для супов, в фруктовых джемах, мороженом и других десертах, как осветлитель при пивоварении, а также для проклеивания бумаги и тканей.

Этимология

Слово агар происходит от агара-агара, малайского названия красных водорослей (Gigartina, Eucheuma, Gracilaria), из которых получают это желе. Оно также известно как кантон (寒天) (от фразы кан зараси токоротен (寒曬心太) или «агар, высушенный на холоде»), японский желатин, китайская трава, цейлонский мох или мох из Джаффны. Gracilaria edulis или его синоним G. lichenoides конкретно называют агал-агал или цейлонским агаром.

История

Макроводоросли широко используются в качестве пищи прибрежными культурами, особенно в Юго-Восточной Азии. На острове Амбон в архипелаге Малуку (Индонезия) агар извлекают из грацилярии и употребляют в виде маринованных овощей или соуса. Считается, что применение агара в качестве пищевой добавки в Японии было открыто в 1658 году Мино Тарозаемоном, владельцем гостиницы в современном районе Фусими-ку города Киото, который, по легенде, выбросил остатки супа из водорослей (Токоротен) и заметил, что после морозной зимней ночи суп загустел. Впервые химический анализ агара был проведен в 1859 году французским химиком Ансельмом Пайеном, который получил агар из морских водорослей Gelidium corneum. Начиная с конца XIX века, агар стали использовать в качестве твердой среды для культивирования различных микроорганизмов. Первое описание применения агара в микробиологии датируется 1882 годом и принадлежит немецкому микробиологу Вальтеру Гессе, ассистенту в лаборатории Роберта Коха, по предложению его жены Фанни Гессе. Агар быстро вытеснил желатин в качестве основы для микробиологических сред благодаря более высокой температуре плавления, позволяющей выращивать микроорганизмы при более высоких температурах без разжижения среды. С появлением нового применения в микробиологии производство агара быстро возросло. Основным центром производства была Япония, которая до Второй мировой войны производила большую часть мирового агара. Однако с началом Второй мировой войны многие страны были вынуждены создавать собственное производство агара для продолжения микробиологических исследований.

Химический состав

Агар состоит из смеси двух полисахаридов: агарозы и агаропектина, при этом агароза составляет около 70% смеси, а агаропектин – около 30%.

Физические свойства

Агару свойственен феномен, известный как гистерезис, при котором, смешиваясь с водой, он затвердевает и образует гель при температуре около 0,1, называемой точкой гелеобразования, и плавится при 0,2, что является точкой плавления. Гистерезис – это свойство, заключающееся в разнице между температурой точки гелеобразования и температурой точки плавления. Это свойство обеспечивает оптимальный баланс между легкостью плавления и хорошей стабильностью геля при относительно высоких температурах. Поскольку многие научные применения требуют инкубации при температуре, близкой к температуре человеческого тела (37 °C), агар предпочтительнее других гелеобразующих агентов, таких как желатин, которые плавятся при этой температуре.

Кулинарные

Агара – натуральный растительный заменитель желатина. В продаже он представлен в виде промытых и высушенных полосок или порошка, обычно белого и полупрозрачного цвета. Его используют для приготовления желе, пудингов и кремов. При изготовлении желе агару кипятят в воде до полного растворения. Затем добавляют подсластители, ароматизаторы, красители, фрукты и/или овощи, после чего жидкость разливают по формам для приготовления десертов, овощных заливных блюд или используют в качестве слоя желе в тортах и других десертах. Благодаря своим желирующим свойствам, агара применялся в различных диетах в Азии, например, кантен (японское название агара-агара).

Агарная пластина

Агарная пластина или чашка Петри используются для создания среды для роста, содержащей смесь агара и других питательных веществ, в которой можно культивировать и наблюдать под микроскопом микроорганизмы, включая бактерии и грибки. Многие организмы не способны переваривать агар, поэтому рост микробов не влияет на структуру геля, который остается стабильным. Агар обычно продается в виде порошка, который можно смешать с водой и приготовить аналогично желатину перед использованием в качестве среды для роста. Питательные вещества обычно добавляются для удовлетворения потребностей микроорганизмов в питании, при этом состав сред может быть "неопределенным", когда точный состав неизвестен, или "определенным", когда известен точный химический состав. Агар часто дозируют с помощью стерильного дозатора сред. Различные виды водорослей производят различные типы агара, каждый из которых обладает уникальными свойствами, подходящими для разных целей. Благодаря компоненту агарозе, агар затвердевает. При нагревании агароза может плавиться и затем снова затвердевать, поэтому их называют "физическими гелями". В отличие от этого, полиакриламидная полимеризация – необратимый процесс, а продукты, полученные в результате, называются "химическими гелями". Существует множество различных типов агара, поддерживающих рост различных микроорганизмов. Питательный агар может быть пермиссивным, позволяя культивировать любые неприхотливые микроорганизмы; широко используемым питательным агаром для бактерий является агар Лурия-Бертани (LB), содержащий лизогенный бульон – богатую питательными веществами среду, используемую для роста бактерий. Кроме того, агар 2216 Marine Broth (MB) с высоким содержанием соли оптимизирован для выращивания гетеротрофных морских бактерий, таких как бактерии рода Vibrio, а агар Terrific Broth (TB) используется для неселективного культивирования высоких выходов бактерии E. coli. В более общем смысле, обогащенная среда – это разновидность агара, обогащенная необходимыми питательными веществами, требуемыми для роста прихотливых организмов. Несмотря на большое разнообразие агарных сред, экстракт дрожжей является общим ингредиентом во всех сортах, поскольку это макроэлемент, обеспечивающий источник азота для всех типов бактериальных клеток. Другим прихотливым организмам может потребоваться добавление различных биологических жидкостей, таких как конская или овечья кровь, сыворотка, яичный желток и т.д. Агарные пластины также могут быть селективными и использоваться для стимуляции роста интересующих бактерий, одновременно подавляя рост других. Для создания благоприятной среды для определенных типов бактерий или бактерий с определенными свойствами, но не способствующей росту других, могут быть добавлены различные химические вещества. Например, антибиотики могут быть добавлены в экспериментах по клонированию, где отбираются бактерии с антибиотикоустойчивым плазмидом. Помимо агара, обработанного антибиотиками, к другим селективным и индикаторным агарным пластинам относятся агар TCBS и агар МакКонки. Агар тиосульфат цитрат желчные соли сахарозы (TCBS) используется для дифференциации видов Vibrio на основе их метаболизма сахарозы, поскольку только некоторые из них метаболизируют сахарозу в чашке Петри и изменяют ее pH. Индикаторные красители, включенные в гель, отображают визуальное изменение pH, изменяя цвет геля с зеленого на желтый. Агар МакКонки содержит желчные соли и кристаллический фиолетовый для селективного выращивания грамотрицательных бактерий и дифференциации между видами с использованием pH-индикаторных красителей, демонстрирующих свойства метаболизма лактозы.

Анализы подвижности

В виде геля, агар или агарозная среда пориста, и поэтому может использоваться для измерения подвижности и мобильности микроорганизмов. Пористость геля напрямую связана с концентрацией агарозы в среде, поэтому, в зависимости от экспериментальных целей, можно выбрать различные уровни эффективной вязкости (с точки зрения клетки). Распространенный идентификационный тест включает культивирование образца организма глубоко внутри блока питательного агара. Клетки будут пытаться расти внутри гелевой структуры. Подвижные виды смогут мигрировать, хотя и медленно, по всему гелю, и можно будет визуализировать скорость инфильтрации, в то время как неподвижные виды будут расти только вдоль пустого канала, образованного при внесении исходного образца. Другая часто используемая методика для измерения хемотаксиса и хемокинеза – анализ миграции клеток под агарозой, при котором слой агарозного геля помещают между популяцией клеток и хемоаттрактантом. По мере развития градиента концентрации, возникающего в результате диффузии хемоаттрактанта в геле, различные популяции клеток, требующие разных уровней стимуляции для миграции, можно визуализировать с течением времени с помощью микрофотографии, наблюдая за их движением вверх сквозь гель против силы тяжести вдоль градиента.

Растительная биология

Исследовательский агар широко используется в биологии растений, так как его можно опционально дополнять питательной и/или витаминной смесью, что позволяет проращивать сеянцы в чашках Петри в стерильных условиях (при условии, что семена также стерилизованы). Добавление питательных веществ и/или витаминов для Arabidopsis thaliana является стандартной практикой в большинстве экспериментальных условий. Обычно используются питательная смесь Murashige & Skoog (MS) и витаминная смесь Gamborg B5. Раствор 1,0% агара/0,44% MS+витаминов в dH2O подходит для сред для роста при нормальных температурах. При использовании агара в любой среде для роста важно учитывать, что его затвердевание зависит от pH. Оптимальный диапазон для затвердевания – от 5,4 до 5,7. Как правило, для повышения pH до этого диапазона требуется добавление гидроксида калия. Ориентировочно, требуется около 600 мкл 0,1 М KOH на 250 мл среды. Всю эту смесь можно стерилизовать в автоклаве в жидком цикле. Эта среда хорошо подходит для введения специфических концентраций фитогормонов и т.п. для индуцирования определенных паттернов роста, поскольку легко приготовить раствор с желаемым количеством гормона, добавить его к известному объему среды, и затем стерилизовать в автоклаве, одновременно испаряя любой растворитель, использованный для растворения часто полярных гормонов. Этот гормональный раствор можно распределить по поверхности чашек Петри, засеянных пророщенными и/или этиолированными сеянцами. Однако эксперименты с мхом Physcomitrella patens показали, что выбор гелирующего агента – агара или Gelrite – влияет на чувствительность культуры растительных клеток к фитогормонам.