Биоконверсия шелухи овса и мискантуса в глюкозные растворы

Целлюлозосодержащее сырье в настоящее время считается наиболее перспективным видом сырья для получения биопродуктов с добавленной стоимостью. Применение универсальных способов предварительной обработки является необходимым условием для реализации разрабатываемого процесса. В данной работе была исследована биоконверсия образцов целлюлозы шелухи овса и мискантуса в глюкозные растворы путем ферментативного гидролиза. Субстраты получены двухстадийной обработкой сырья разбавленными растворами азотной кислоты и гидроксида натрия. Ферментативный гидролиз проводился с помощью ферментных препаратов «ЦеллолюксА» и «Ультрафло Коре» при начальной концентрации субстрата 40 г/л. На первом этапе исследована реакционная способность субстратов к ферментативному гидролизу в среде ацетатного буферного раствора в течение 72 ч. Установлено, что образцы целлюлозы из обоих видов сырья имеют одинаково высокую реакционную способность: выход редуцирующих веществ и глюкозы от массы субстрата составил 94–95 % и 88–91 % соответственно. Это свидетельствует об универсальности способа предварительной обработки, используемого для сырья с содержанием целлюлозы от 35 до 45 %. На втором этапе проведен гидролиз субстратов в водной среде в пилотном ферментере при избытке ферментных препаратов. За 32 ч. получены водные гидролизаты с концентрацией редуцирующих веществ 42 г/л (выход от массы субстрата 94 %) и глюкозы 33–35 г/л (выход от массы субстрата 74–78 %). Содержание глюкозы (79–83 %) и пентоз (1–2 %) в редуцирующих веществах свидетельствует о преимущественно глюкозном составе полученных растворов. Сравнительный анализ результатов растровой электронной спектроскопии субстратов и остатков после гидролиза в пилотном ферментере также демонстрирует высокую эффективность биоконверсии. Полученные в водной среде глюкозные растворы рекомендуются для приготовления питательных сред и дальнейшего их использования для синтеза ценных метаболитов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Arevalo-GallegosA., AhmadZ., Asgher M., Parra-Saldivar R., Iqbal H.M.N. Lignocellulose: A sustainable material to produce value-added products with a zero waste approach – A review // International Journal of Biological Macromolecules. 2017. Vol. 99. P. 308–318. https://doi.org/10.1016/j. ijbiomac. 2017.02.097

2. ChenH., Liu J., Chang X., Chen D., Xue Y., Liu P., et al. A review on the pretreatment of lignocellulose for high-value chemicals // Fuel Processing Technology. 2017. Vol. 160. P. 196–206. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.12.007

3. Diaz A.B., Blandino A., Caro I. Value added products from fermentation of sugars derived from agro-food residues // Trends in Food Science and Technology. 2018. Vol. 71. P. 52–64. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.10.016

4. Liu C.G., Xiao Y., Xia X.X., Zhao X.Q., Peng L., Srinophakun P., et al. Cellulosic ethanol production: Progress, challenges and strategies for solutions // Biotechnology Advances. 2019. Vol. 37. N 3. P. 491–504. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv. 2019.03.002

5. Kumar A., Gautam A., Khan H., Dutt D. Chapter 9. Organic Acids: Microbial Sources, Production and Applications. In: Microbial Enzymes and Additives for the Food Industry. New York: Nova Science Publishers. 2019.

6. Ха Т.З., Канарская З.А., Канарский А.В., Щербаков А.В., Щербакова Е.Н. Влияние источника углерода на синтез биомассы и экзополисахаридов бактериями Рaenibacillus mucilaginosus // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 3. С. 509–518. https://doi.org/10. 21285/2227-2925-2019-9-3-509-518

7. Hu F., Ragauskas A. Pretreatment and lignocellulosic chemistry // Bioenergy Research. 2012. N 5. Р. 1043–1066. https://doi.org/10.1007/s12155-012-9208-0

8. Demirel F., GermecM., Coban H.B., Turhan I. Optimization of dilute acid pretreatment of barley husk and oat husk and determination of their chemical composition // Cellulose. 2018. Vol. 25, N 11. P. 6377–6393. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2022-x

9. Gupta A., Verma J.P. Sustainable bio-ethanol production from agro-residues: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 41. P. 550–567. https://doi.org/10.1016/j.rser. 2014.08.032

10. Cheng Z., Yang R., Liu X., Liu X., Chen H. Green synthesis of bacterial cellulose via acetic acid pre-hydrolysis liquor of agricultural corn stalk used as carbon source // Bioresource Technology. 2017. Vol. 234. P. 8–14. https://doi.org/10.1016/j. biortech.2017.02.131

11. Ong K.L., Li C., Li X., Zhang Y., Xu J., Lin C.S.K. Co-fermentation of glucose and xylose from sugarcane bagasse into succinic acid by Yarrowia lipolytica // Biochemical Engineering Journal. 2019. Vol. 148. P. 108–115. https://doi.org/10.1016/j. bej.2019.05.004

12. Cubas-Cano E., González-Fernández C., Ballesteros M., Tomás-Pejó E. Biotechnological advances in lactic acid production by lactic acid bacteria: lignocellulose as novel substrate // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2018. Vol. 12. N 2. P. 290–303. https://doi.org/10.1002/bbb.1852

13. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass // Bioresource Technology. 2016. Vol. 199. P. 42–48. https://doi.org/10.1016/j. biortech.2015.08.0850960-8524

14. Макарова Е.И., Будаева В.В. Биоконверсия непищевого целлюлозосодержащего сырья. Часть 1 // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 2. С. 43–50. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-2-43-50

15. Bychkov A., Podgorbunskikh E., Lomovsky O., Bychkova E. Current achievement in the mechanically activated processing of plant raw materials // Biotechnology and Bioengineering. 2019. Vol. 116. N 5. P. 1231–1244. https://doi.org/10.1002/bit.26925

16. Baig K.S., Wu J., Turcotte G. Future prospects of delignification pretreatments for the lignocellulosic materials to produce second generation bioethanol // International Journal of Energy Research. 2019. Vol. 43. Issue 1. P. 1411–1427. https://doi.org/10.1002/er.4292

17. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V. Chemical composition of five Miscanthus sinensis harvests and nitric-acid cellulose therefrom // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 109. P. 227–232. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.026

18. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of Non-Woody Cellulosic Feedstocks for Bacterial Cellulose Synthesis // Polymers. 2019. N 11. Issue 10. P. 1645. https://doi.org/10.3390/polym11101645

19. Бюллетени о состоянии сельского хозяйства (электронные версии) [Электронный ресурс]. URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/publications/catalog/doc_1265196018516 (29.08.2019).

20. Chaud L.C.S., da Silva D.D.V., de Mattos R.T., de Almeida Felipe M. das G. Evaluation of oat hull hemicellulosic hydrolysate fermentability employing Pichia stipites // Brazilian Archives of Biology and Technology. 2012. Vol. 55. N. 5. P. 771–777. https://doi.org/10.1590/S1516-891320 12000500017

21. Yadav M.P., Hicks K.B., Johnston D.B., Hotchkiss A.T., Chau H.K., Hanah K. Production of bio-based fiber gums from the waste streams resulting from the commercial processing of corn bran and oat hulls // Food Hydrocolloids. 2016. Vol. 53. P. 125–133. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2015.02.017

22. Jones M.B., Walsh M. Miscanthus for energy and fibre. London: Earthscan. 2001. 192 p.

23. DoroginaO.V., VasilyevaO.Yu., NuzhdinaN.S., BuglovaL.V., Gismatulina Yu.A., Zhmud E.V., et al. Resource potential of some species of the genus Miscanthus Anderss. under conditions of continental climate of West Siberian foreststeppe // Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018. Vol. 22. N 5. P. 553–559. https://doi.org/10.18699/VJ18.394

24. Da Costa R.M.F., Pattathil S., Avci U., Winters A., Hahn M.G., Bosch M. Desirable plant cell wall traits for higher-quality miscanthus lignocellulosic biomass // Biotechnology for Biofuels volume. 2019. Vol. 12, N 1. 18 p. https://doi.org/10. 1186/s13068-019-1426-7

25. TAPPI T222 om-02. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Atlanta: TAPPI Press. 2002.

26. TAPPI T211 om-85. Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. Atlanta: TAPPI Press. 1985.

27. Hallac B.B., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2011. Vol. 5. Issue 2. P. 215–225 https://doi.org/10.1002/bbb.269

28. Кащеева Е.И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. N 10. С. 5–11. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11

29. Miller G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar // Analytical Chemistry. 1959. Vol. 31. N 3. P. 426–428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030

30. 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 Nglycosylation sites // 3 Biotech. 2018. Vol. 8. N 9. P. 396. https://doi.org/10.1007/s13205-018-1419-4

31. 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. Issue 4. P. 350–360. https://doi.org/10.1134/S207005041404014X

32. Kashcheyeva E.I., Gladysheva E.K., Skiba E.A., Budaeva V.V. A study of properties and enzymatic hydrolysis of bacterial cellulose // Cellulose. 2019. Vol. 26. Issue 4. P. 2255–2265. https://doi.org/10.1007/s10570-018-02242-7

33. СкибаЕ.А., БайбаковаО.В., Будаева В.В., Павлов И.Н., Макарова Е.И., Миронова Г.Ф. [и др.]. Биоэтанол из плодовых оболочек овса, предварительно обработанных методом щелочной делигнификации. II. Масштабирование процесса получения биоэтанола в условиях опытного производства // Биотехнология. 2017. Т. 33. N 3. С. 47–56. https://doi.org/10.21519/0234- 2758-2017-33-3-47-56

34. 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. https://doi.org/10.1016/j.bcab. 2017.06.002

35. Liu L., Sun X., Zhang L., Qing Y., Yan N., Chen J., Wu Y. Obtaining nanofibers from lignocellulosic residues after bioethanol production // Cellulose. 2019. Vol. 26. N 6. P. 3725–3734. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02333-z

36. De Oliveira J.P., Bruni G.P., el HalalS.L.M., Bertoldi F.C., Dias A.R.G., da Rosa Zavareze E. Cellulose nanocrystals from rice and oat husks and their application in aerogels for food packaging // International Journal of Biological Macromolecules. 2018. Vol. 124. P. 175–184. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.205