Получение молочной кислоты из шелухи овса

Полилактиды занимают лидирующую позицию в технологии получения биоразлагаемых полимеров для производства упаковочных материалов. В последнее время все чаще предлагается использовать дешевое целлюлозосодержащее сырье для получения прекурсора полилактидов – молочной кислоты. Авторами настоящей работы впервые в качестве сырья использована шелуха овса. Предварительная химическая обработка шелухи овса проведена в две стадии авторскими способами с использованием разбавленных растворов азотной кислоты и гидроксида натрия с получением технической целлюлозы. Далее техническая целлюлоза была подвергнута ферментативному гидролизу, после чего полученный преимущественно глюкозный ферментативный гидролизат сбраживался продуцентом Lactobacillus delbruеckii subsp. bulgaricus. Исследовано влияние на эффективность молочнокислого брожения активной кислотности среды, активизации закваски и дозировки дрожжевого экстракта. По результатам исследований рекомендуется поддерживать активную кислотность культуральной жидкости на уровне 6,5 ед. рН в течение всего процесса брожения, что позволяет повысить выход молочной кислоты в 1,7 раза по сравнению с процессом без корректировки рН. Показано, что активизация закваски путем пересева с молочной среды на глюкозную для переключения ферментативного аппарата продуцента с конверсии лактозы на конверсию глюкозы ускоряет процесс молочнокислого брожения в 2,2 раза и повышает константу сбраживания в 2,7 раза. Установлено, что внесение в среду дрожжевого экстракта в количестве 1% интенсифицирует молочнокислое брожение: процесс молочнокислого брожения ускоряется в 1,8 раза, константа сбраживания увеличивается в 1,4 раза, выход молочной кислоты повышается на 9,6% по сравнению с контролем и составляет 76,7%.

1. De Oliveira R.A., Komesu A., Vaz Rossell C.E., Wolf Maciel M.R., Filho R.M. A study of the residual fermentation sugars influence on an alternative downstream process for first and second-generation lactic acid // Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2020. Vol. 15. P. 100206. https://doi.org/10.1016/j.scp.2019.100206

2. Mazzoli R. Metabolic engineering strategies for consolidated production of lactic acid from lignocellulosic biomass // Biotechnology and Applied Biochemistry. 2020. Vol. 67. Issue 1. P. 61–72. https://doi.org/10.1002/bab.1869

3. Arfat Y.A., Ahmed J., Ejaz M., Mullah M. Polylactide/graphene oxide nanosheets/clove essential oil compositefilms for potential food packaging applications // International Journal of Biological Macromolecules. 2018. Vol. 107. Part A. P. 194–203. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.08.156

4. Pagano N., Campana G., Fiorini М., Morelli R. Laser transmission welding of polylactide to aluminium thinfilms forapplications in the food-packaging industry // Optics & Laser Technology. 2017. Vol. 91. P. 80–84. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.12.014

5. Rapisarda M., Patanè C., Pellegrino A., Malvuccio A., Rizzo V., Muratore G., et al. Compostable Polylactide and Cellulose Based Packaging for Fresh-Cut Cherry Tomatoes: Performance Evaluation and Influence of Sterilization Treatment // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 15. P. 3432. https://doi.org/10.3390/ma13153432

6. Nashchekina Yu., Nikonov P., Nashchekin A., Mikhailova N. Functional Polylactide Blend Films for Controlling Mesenchymal Stem Cell Behaviour // Polymers. 2020. Vol. 12. Issue 9. P. 1969. https://doi.org/10.3390/polym12091969

7. Su Y., Nan G. Treatment of medial humeral epicondyle fractures in children using absorbable self-reinforced polylactide pins // Medicine. 2020. Vol. 99. Issue 17. P. e19861. https://doi.org/10.1097/MD.0000000000019861

8. Kolmakov A.G., Baikin A.S., Gudkov S.V., Belosludtsev K.N., Nasakina E.O., Kaplan M.A., et al. Polylactide-based stent coatings: biodegradable polymeric coatings capable of maintaining sustained release of the thrombolytic enzyme streptokinase // Pure and Applied Chemistry. 2020. Vol. 92. Issue 8. P. 1329–1340. https://doi.org/10.1515/pac-2019-1101

9. Gherasim O., Grumezescu A.M., Grumezescu V., Iordache F., Vasile B.S., Holban A.M. Bioactive surfaces of polylactide and silver nanoparticles for the prevention of Microbial Contamination // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 3. P. 768. https://doi.org/10.3390/ma13030768

10. Zynov'eva M.E., Shnaider K.L., Zaripova S.K. Production of lactic acid on enzymatic hydrolysates of cellulose-containing raw materials // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 421. P. 052011. https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/5/052011

11. Верхотурова Е.В., Лозовая Т.С., Евстафьев С.Н. Биосинтез молочной кислоты на основе продуктов автогидролиза соломы пшеницы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. P. 36–41. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-3-36–41

12. Kobayashi K., et al. Method of producing chemical substance. Patent of United States, no. US 10,378,029 B2. 2019.

13. Stephanopoulos G., et al. Method for producing lactic acid from organic waste. Patent of United States, no. US 10,174,347 B2. 2019.

14. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11. Issue 10. P. 1645. https://doi.org/10.3390/polym11101645

15. Сакович Г.В., Будаева В.В., Скиба Е.А., Макарова Е.И., Павлов И.Н., Кортусов А.Н. [и др.]. Опыт масштабирования ферментативного гидролиза технических целлюлоз мискантуса и плодовых оболочек овса // Ползуновский вестник. 2012. N 4. С. 173–176.

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. Issue 4. P. 435. https://doi.org/10.3390/pr8040435

17. Santos J., Ouadi M., Jahangiri H., Hornung A. Thermochemical conversion of agricultural wastes applying different reforming temperatures // Fuel Processing Technology. 2020. Vol. 203. P. 106402. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106402

18. Sakovich G.V., Mikhailov Yu.M., Budaeva V.V., Korchagina A.A., Gismatulina Yu.A., Kozyrev N.V. Cellulose Nitrates from Unconventional Feedstocks // Doklady Chemistry. 2018. Vol. 483. Issue 1. P. 287– 291. https://doi.org/10.1134/S0012500818110101

19. Скиба Е.А., Будаева В.В., Макарова Е.И., Павлов И.Н., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. Биоэтанол из целлюлозы плодовых оболочек овса // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. N 22. С. 202–205.

20. Гладышева Е.К., Скиба Е.А. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате технической целлюлозы из плодовых оболочек овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. С. 141–147. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-141-147

21. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов [и др.]; под ред. проф. В.Л. Яровенко. М.: Колос-Пресс, 2002. 466 с.

22. Karnaouri A., Asimakopoulou G., Kalogiannis K.G., Lappas A., Topakas E. Efficient D-lactic acid production by Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus through conversion of organosolv pretreated lignocellulosic biomass // Biomass and Bioenergy. 2020. Vol. 140. P. 105672. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2020.105672