Отбор травянистого целлюлозосодержащего сырья, пригодного для биотехнологической переработки

Использование целлюлозосодержащего растительного сырья для производства биопродуктов является одним из ключевых вопросов устойчивого экономического развития. Травянистое целлюлозосодержащее сырье – наиболее распространенный и легковозобновляемый ресурс. Данная работа посвящена отбору травянистого целлюлозосодержащего сырья, пригодного для биотехнологической переработки, исследованы следующие источники: тростник, мискантус сорта Сорановский, водяной гиацинт, салат Айсберг, суданская трава, шелуха овса, солома льна-межеумка. Предварительная химическая обработка сырья проведена классическим методом щелочной делигнификации при атмосферном давлении, полученные субстраты превращены в раствор редуцирующих сахаров методом ферментативного гидролиза. Установлено, что методом щелочной делигнификации исходного сырья возможно получить продукты с массовым содержанием целлюлозы по Кюршнеру от 82,9 до 93,1%, что является хорошим показателем для дальнейшего ферментативного гидролиза. По результатам ферментативного гидролиза продуктов щелочной делигнификации выявлено, что наибольшую реакционную способность к ферментативному гидролизу имели продукты щелочной делигнификации мискантуса сорта Сорановский, салата Айсберг и шелухи овса: концентрация редуцирующих веществ составила 25,0; 28,4 и 26,9 г/л (выход редуцирующих веществ от массы субстрата составил 75,0; 85,2 и 80,7%) соответственно. Таким образом, высокая реакционная способность этих видов сырья позволяет рекомендовать их для дальнейшей биотехнологической переработки. Для других видов сырья необходима оптимизация стадии щелочной делигнификации для повышения реакционной способности к ферментативному гидролизу.

1. Lu H., Yadav V., Bilal M., Iqbal H.M. Bioprospecting microbial hosts to valorize lignocellulose biomass–Environmental perspectives and value-added bioproducts // Chemosphere. 2022. Vol. 288. P. 132574. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132574.

2. El-Gendi H., Taha T.H., Ray J.B., Saleh A.K. Recent advances in bacterial cellulose: a low-cost effective production media, optimization strategies and applications // Cellulose. 2022. Vol. 29. P. 7495–7533. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04697-1.

3. Son J., Lee K.H., Lee T., Kim H.S., Shin W.H., Oh J.-M., et al. Enhanced production of bacterial cellulose from Miscanthus as sustainable feedstock through statistical optimization of culture conditions // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022. Vol. 19, no. 2. P. 866. https://doi.org/10.3390/ijerph19020866.

4. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Тигунцева Н.П. Термохимическое ожижение соломы пшеницы в среде суби сверхкритического тетралина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. N 1. С. 160–166. https://doi.org/10.21285/22272925-2022-12-1-160-166.

5. van der Cruijsen K., Al Hassan M., van Erven G., Dolstra O., Trindade L.M. Breeding targets to improve biomass quality in miscanthus // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 2. P. 254. https://doi.org/10.3390/molecules26020254.

6. Baksi S., Saha D.,•Saha S., Sarkar U., Basu D., Kuniyal J.C. Pre-treatment of lignocellulosic biomass: review of various physico-chemical and biological methods influencing the extent of biomass depolymerization // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. https://doi.org/10.1007/s13762023-04838-4.

7. Naeem M., Imran M., Latif S., Ashraf A., Hussain N., Boczkaj G., et al. Multifunctional catalyst-assisted sustainable reformation of lignocellulosic biomass into environmentally friendly biofuel and value-added chemicals // Chemosphere. 2023. Vol. 330, no. 6. P. 138633. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138633.

8. Bhatia S.K., Jagtap S.S., Bedekar A.A., Bhatia R.K., Patel A.K., Pant D., et al. Recent developments in pretreatment technologies on lignocellulosic biomass: effect of key parameters, technological improvements, and challenges // Bioresource Technology. 2020. Vol. 300. P. 122724. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122724.

9. Козлов И.А., Гарипов Р.М. Катализ и его роль в процессах глубокой переработки растительной биомассы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. С. 188–191. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-188-191.

10. Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Александров А.А., Печеный Е.А., Нуриев Н.К., Ямашев Т.А. [и др.]. Управление яркостью травянистой целлюлозы на стадии ее отбелки // Вестник Технологического университета. 2021. Т. 24. N 2. С. 49–55.

11. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. The effect of thermomechanical pretreatment on the structure and properties of lignin-rich plant biomass // Molecules. 2020. Vol. 25, no. 4. P. 995. https://doi.org/10.3390/molecules25040995.

12. Капустянчик С.Ю. Особенности развития и формирования биомассы мискантуса в лесостепи Новосибирского Приобья // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. N 12. С. 28–31.

13. Hronich J.E., Martin L., Plawsky J., Bungay H.R. Potential of Eichhornia crassipes for biomass refining // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2008. Vol. 35, no. 5. P. 393–402. https://doi.org/10.1007/s10295-008-0333-x.

14. Procentese A., Raganati F., Olivieri G., Russo M.E., Marzocchella A. Pre-treatment and enzymatic hydrolysis of lettuce residues as feedstock for bio-butanol production // Biomass and Bioenergy. 2017. Vol. 96. P. 172–179. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.11.015.

15. Abdelhalim T.S., Kamal N.M., Hassan A.B. Nutritional potential of wild sorghum: Grain quality of Sudanese wild sorghum genotypes (Sorghum bicolor L. Moench) // Food Science and Nutrition. 2019. Vol. 7, no. 4. P. 1529–1539. https://doi.org/10.1002/fsn3.1002.

16. Chopda R., Ferreira J.A., Taherzadeh M.J. Biorefining oat husks into high-quality lignin and enzymatically digestible cellulose with acid-catalyzed ethanol organosolv pretreatment // Processes. 2020. Vol. 8, no. 4. P. 435. https://doi.org/10.3390/pr8040435.

17. Gismatulina Yu.А. Intermediate flax strawderived cellulose // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2022. Vol. 15, no. 3. P. 377–386. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0301.

18. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 10. P. 1645. https://doi.org/10.3390/polym11101645.

19. Gismatulina Y.A., Budaeva V.V., Kortusov A.N., Kashcheyeva E.I., Gladysheva E.K., Mironova G.F., et al. Evaluation of chemical composition of Miscanthus × giganteus raised in different climate regions in Russia // Plants. 2022. Vol. 11, no. 20. P. 2791. https://doi.org/10.3390/plants11202791.

20. Miller G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar // Analytical Chemistry. 1959. Vol. 31, no. 3. P. 426–428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030.

21. de Souza Araújo D.F., da Silva A.M.R.B., de Andrade Lima L.L., da Silva Vasconcelos M.A., Andrade S.A.C., Sarubbo L.A. The concentration of minerals and physicochemical contaminants in conventional and organic vegetables // Food Control. 2014. Vol. 44. P. 242–248. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2014.04.005.

22. Akinwande V.O., Mako A.A., Babayemii O.J. Biomass yield, chemical composition and the feed potential of water hyacinth (Eichhornia crassipes, Mart. Solms-Laubach) in Nigeria // International Journal of AgriScience. 2013. Vol. 3, no. 8. P. 659–666.

23. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Yu.A., Mironova G.F., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Skiba E.A., et al. Properties and hydrolysis behavior of celluloses of different origin // Polymers. 2022. Vol. 14. P. 3899. https://doi.org/10.3390/polym14183899.

24. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. Determination of surface accessibility of the cellulose substrate according to enzyme sorption // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 7. P. 1201. https://doi.org/10.3390/polym11071201.

25. Höller M., Lunze A., Wever C., Deutschle A.L., Stücker A., Frase N., et al. Meadow hay, Sida hermaphrodita (L.) Rusby and Silphium perfoliatum L. as potential non-wood raw materials for the pulp and paper industry // Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 167. P. 113548. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113548.

26. Gu Y., Guo J., Nawaz A., ul Haq I., Zhou X., Xu Y. Comprehensive investigation of multiples factors in sulfuric acid pretreatment on the enzymatic hydrolysis of waste straw cellulose // Bioresource Technology. 2021. Vol. 340. P. 125740. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125740.

27. Ha D.T., Kanarsky A.V., Kanarskaya Z.A., Shcherbakov A.V., Shcherbakova E.N., Pranovich A.V. Impact of cultivation conditions on xylanase production and growth in paenibacillus mucilaginosus // Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2020. Vol. 10, no. 3. P. 459–469. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-3-459-469.