Сравнительная оценка ферментных препаратов для конверсии предобработанной шелухи овса

Ферментативный гидролиз предварительно обработанного лигноцеллюлозного сырья с целью получения сбраживаемых сахаров является одним из критических этапов в технологии производства продуктов биосинтеза с добавленной стоимостью. В данной работе проводилась сравнительная оценка ферментных препаратов и композиций на их основе для конверсии продукта азотнокислой обработки шелухи овса. Гидролиз осуществлялся при начальной концентрации субстрата 30 г/л, рН 4,7 и температуре (46±2) °С. Сравнительной оценке подвергались три ферментных препарата, полученные от разных производителей: «Агроцелл плюс» (ООО «Агрофермент», Россия), «Целлолюкс-А» (ООО ПО «Сиббиофарм», Россия), «Ультрафло Макс» (Novozymes A/S, Дания). Путем сравнения эффективности индивидуальных ферментных препаратов установлено, что выход редуцирующих веществ от массы субстрата составляет 53, 40 и 51% соответственно. Добавление к ферментным препаратам «Агроцелл Плюс» или «Целлолюкс-А» с высокой целлюлазной активностью дополнительной β-глюканазы («Ультрафло Макс») приводит к увеличению выхода редуцирующих веществ в 1,3–1,5 раза. Максимальный выход редуцирующих веществ 72%, что соответствует 99% гидролиза доступной части субстрата, наблюдается при гидролизе композицией из трех ферментных препаратов. Методом растровой электронной микроскопии субстрата до и после гидролиза подтверждена эффективность применения композиций и установлено различие между остатками фрагментированного субстрата после гидролиза индивидуальными препаратами и мультиэнзимными композициями в пользу последних. Все полученные гидролизаты продукта азотнокислой обработки шелухи овса характеризуются как глюкозные: вклад глюкозы в общую концентрацию редуцирующих веществ составляет 85–91%, что позволяет предположить их успешное использование для биосинтеза.

1. Tuan L., Anne-Archard D., Cameleyre X., Lombard E., To K.A., Pham T.A., et al. Rheological investigation of complex lignocellulosic suspensions during hydrolysis using pure and cocktail of enzymes // Bioresource Technology. 2025. Vol. 426. P. 132333. DOI: 10.1016/j.biortech.2025.132333.

2. Moya E.B., Syhler B., Dragone G., Mussatto S.I. Tailoring a cellulolytic enzyme cocktail for efficient hydrolysis of mildly pretreated lignocellulosic biomass // Enzyme and Microbial Technology. 2024. Vol. 175. P. 110403. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2024.110403.

3. Yamakawa C.K., Qin F., Mussatto S.I. Advances and opportunities in biomass conversion technologies and biorefineries for the development of a bio-based economy // Biomass and Bioenergy. 2018. Vol. 119. P. 54–60. DOI: 10.1016/j.biombioe.2018.09.007.

4. Liang C., Long Y., Wang W., Zhang Y., Xing S., Chen Z., et al. Correlation and synergy between fungal secretome cellulolytic enzyme cocktails and commercial cellulase for woody biomass degradation // Renewable Energy. 2025. Vol. 240. P. 122158. DOI: 10.1016/j.renene.2024.122158.

5. Semenova M.V., Rozhkova A.M., Osipov D.O., Telitsin V.D., Rubtsova E.A., Kondrat’eva E.G., et al. Methods for preprocessing reeds to obtain enzymatic hydrolysates with a high sugar content // Applied Biochemistry and Microbiology. 2024. Vol. 60. P. 931–941. DOI: 10.1134/S0003683824604736.

6. Mankar A.R., Pandey A., Modak A., Pant K.K. Pretreatment of lignocellulosic biomass: a review on recent advances // Bioresource Technology. 2021. Vol. 334. P. 125235. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.125235.

7. Петухова О.С., Приставка А.А., Приставка Е.А., Гавриков Д.Е., Саловарова В.П. Сравнительный анализ структурно-функциональных особенностей эндоглюканаз с разным температурным оптимумом действия // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. Т. 14. N 4. С. 596–604. DOI: 10.21285/achb.946. EDN: SRPVFQ.

8. Adsul M., Sandhu S.K., Singhania R.R., Gupta R., Puri S.K., Mathur A. Designing a cellulolytic enzyme cocktail for the efficient and economical conversion of lignocellulosic biomass to biofuels // Enzyme and Microbial Technology. 2020. Vol. 133. P. 109442. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2019.109442.

9. Agrawal R., Satlewal A., Gaur R., Mathur A., Kumar R., Gupta R.P., et al. Pilot scale pretreatment of wheat straw and comparative evaluation of commercial enzyme preparations for biomass saccharification and fermentation // Biochemical Engineering Journal. 2015. Vol. 102. P. 54–61. DOI: 10.1016/J.BEJ.2015.02.018.

10. Soleimani S., Ranaei-Siadat S.-O., Preparation and optimization of cellulose cocktail to improve the bioethanol process // Biofuels. 2017. Vol. 8, no. 2. P. 291–296. DOI: 10.1080/17597269.2016.1224293.

11. Shevchenko A.R., Mayorova K.A., Chukhchin D.G., Malkov A.V., Toptunov E.A., Telitsin V. D., et al. Enzymatic hydrolysis of kraft and sulfite pulps: what is the best cellulosic substrate for industrial saccharification? // Fermentation. 2023. Vol. 9, no. 11. P. 936. DOI: 10.3390/fermentation9110936.

12. Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Медриш М.Э., Павлова А.А. [и др.]. Подбор мультиэнзимной композиции и условий подготовки концентрированного зернового сусла // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 3. С. 384–392. DOI: 10.21285/2227-2925-2021-11-3-384-392. EDN: YEIIZV.

13. Li J., Zhou P., Liu H., Xiong C., Lin J., Xiao W., et al. Synergism of cellulase, xylanase, and pectinase on hydrolyzing sugarcane bagasse resulting from different pretreatment technologies // Bioresource Technology. 2014. Vol. 155. P. 258–265. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.12.113.

14. Kurschner K., Hoffer A. Cellulose and cellulose derivative // Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry. 1993. Vol. 92. P. 145–154.

15. Pavlov I.N. A setup for studying the biocatalytic conversion of products from the processing of nonwood raw materials // Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. P. 355–360. DOI: 10.1134/S207005041404014X.

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

17. Dotsenko A., Gusakov A., Rozhkova A., Sinitsyna O., Shashkov I., Sinitsyn A. Enzymatic hydrolysis of cellulosic materials using synthetic mixtures of purified cellulases bioengineered at N-glycosylation sites // 3 Biotech. 2018. Vol. 8. P. 396. DOI: 10.1007/s13205-018-1419-4.

18. Shi J., Wu Y., Zhang S., Tian Y., Yang D., Jiang Z. Bioinspired construction of multi-enzyme catalytic systems // Chemical Society Reviews. 2018. Vol. 47, no. 12. P. 4295–4313. DOI: 10.1039/C7CS00914C.

19. Rohrbach J.C., Luterbacher J.S. Investigating the effects of substrate morphology and experimental conditions on the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass through modeling // Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2021. Vol. 14. P. 103. DOI: 10.1186/s13068-021-01920-2.

20. Schläfle S., Tervahartiala T., Senn T., Kölling-Paternoga R. Quantitative and visual analysis of enzymatic lignocellulose degradation // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2017. Vol. 11. P. 42–49. DOI: 10.1016/j.bcab.2017.06.002.

21. Zeng M., Mosier N.S., Huang C.-P., Sherman D.M., Ladisch M.R. Microscopic examination of changes of plant cell structure in corn stover due to hot water pretreatment and enzymatic hydrolysis // Biotechnology and Bioengineering. 2007. Vol. 97, no. 2. Р. 265–278. DOI: 10.1002/bit.21298.

22. Земнухова Л.А., Скиба Е.А., Будаева В.В., Панасенко А.Е., Полякова Н.В. Состав неорганических компонентов шелухи овса и продуктов ее химической и ферментативной трансформации // Журнал прикладной химии. 2018. Т. 91. N 2. С. 217–221. EDN: YRVLZF.

23. Kaur P., Singh S., Sharma N., Agrawal R. Filling in the gaps in second-generation biorefineries: evaluating rice straw and its bioethanol residue for the production of biogenic silica nanoparticles // Nanotechnology for Environmental Engineering. 2024. Vol. 9. Р. 67–76. DOI: 10.1007/s41204-023-00351-8.

24. Zemnukhova L.A., Egorov A.G., Fedorishcheva G.A., Barinov N.N., Sokol’Nitskaya T.A., Botsul A.I. Properties of amorphous silica produced from rice and oat processing waste // Inorganic Materials. 2006. Vol. 42. P. 24–29. DOI: 10.1134/S0020168506010067.

25. Prempeh C.O., Formann S., Schliermann T., Dizaji H.B., Nelles M. Extraction and characterization of biogenic silica obtained from selected agro-waste in Africa // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 21. P. 10363. DOI: 10.3390/app112110363.

26. Вистовская В.П., Кожемякин Д.С., Каменская Е.П. Оптимизация параметров ферментолиза подсолнечной лузги с использованием методов математического моделирования // Ползуновский вестник. 2025. N 1. С. 103–109. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2025.01.012. EDN: USIKBN.