Биоконверсия растительного сырья ферментами

Ферментативный гидролиз растительного сырья имеет ряд преимущест перед кислотным гидролизом. Его реализуют при более низких температурах; это теплоэнергосберегающий способ гидролиза и гидролизаты содержат меньше побочных продуктов.

Как уже отмечалось ранее, ферменты обладают субстратной специфичностью – селективностью. Поэтому для различных видов растительного сырья используют соответствующие ферменты или группы ферментов.

Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащего и пентозансодержащего сырья. Природную целлюлозу редко можно встретить в растительном сырье в свободном виде, ей обычно сопутствуют гемицеллюлозы и лигнин. Высококристаличная целлюлоза медленно и плохо атакуется ферментами, практически нативную целлюлозу ферментами гидролизовать невозможно. До сих пор отсутствует промышленное производство глюкозы из целлюлозы путём ферментативного гидролиза [66]. Для того чтобы гидролизовать целлюлозу ферментами, её надо освободить от гемицеллюлозы и лигнина. Если от гемицеллюлозы её освободить легко, то лигнин удаляется очень трудно.

Природную целлюлозу можно разбить на два типа: лигноцеллюлоза (древесина, кустарники, трава, листья, водоросли и др.) и чистая целлюлоза (хлопок, его отходы и лён). Природную целлюлозу трудно гидролизовать из-за того, что она имеет упорядоченную структуру. Гидролиз лигноцеллюлозы ещё более сложен, так как лигнин является физическим барьером, затрудняющим доступ ферментов.

Наиболее переспективным сырьём для ферментативной обработки можно считать только те целлюлозсодержащие материалы, в которых нецеллюлозных компонентов очень мало и которые являются вторичными продуктами или отходами крупных производств. Например, отходы от переработки сельскохозяйственной продукции, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, сбора и обработки хлопка, льна и др.

Ферментативный гидролиз целлюлозо- и пентозансодержащего сырья осуществляют комплексом целлюлолитических, гемицеллюлазных и лигнолитических ферментов (раздел 3.2.).

Так, имеется значительное количество работ по ферментативному гидролизу измельчённой соломы [67,68]. Были получены ферментолизаты с концентрацией сахаров 5-15,4%.

Исследования эффективности ферментативного гидролиза отходов целлюлозно-бумажного производства (скоп − мелкое волокно от бумагоделательных машин) и полиграфической промышленности (бумажная пыль) показали, что степени их конверсии (60 и 55% соответственно) близки к степени конверсии отбелённой целлюлозы (64%) за 5 суток. Концентрация глюкозы и целлобиозы в ферментолизатах была 2,5% и 1,5%; 3,8% и 1,7% и 7,0% и 4,0% соответственно. В качестве ферментных препаратов использовали целловиридин Г3х и пектофоетидин Г3х. Субстраты получены в производствах, где технология переработки исходного сырья предусматривает делигнификацию [69].

Ферментативный гидролиз крахмалсодержащего сырья. В настоящее время процессы ферментативного воздействия на зерносырьё используют в биотехнологии в нескольких направлениях: в производствах пива, этилового спирта, при получении кормовых белковых продуктов в процессе микробиологического синтеза.

Известны различные схемы тепловой и ферментативной обработки крахмалсодержащего сырья. Ферментативный гидролиз зерносырья в спиртовой промышленности России осуществляют несколькими ферментными препаратами. Ферментативный гидролиз крахмала производится амилосубтилином, глюкаваморином. Для ферментативного гидролиза белка используют протосубтилин, для гидролиза клетчатки дополнительно применяют целловиридин [33, 70-72], для гидролиза пентозанов – комплексные препараты (ксилаваморин ГЗх, МЭК и др.).

Cуществует ряд способов переработки растительного сырья, в т.ч. и зерновых отходов на кормовые белковые добавки. Термообработка и ферментативный гидролиз зерновых культур проводится при t=65-90^oC с последующим выращиванием дрожжей. Но в большинстве публикаций отсутствует количественная оценка эффективности процессов, что затрудняет выбор оптимальных вариантов.

Оптимальные параметры ферментативного гидролиза зерносырья. Авторами [33,73] была исследована эффективность процесса ферментативного гидролиза зерносырья различными ферментными препаратами: амилосубтилином, глюкаваморином, целловиридином.

Установлено, что перед ферментативным гидролизом необходимо зерносырьё подвергнуть предварительной термообработке: гидромодуль 1:5, выдержка при температуре 80-100^оС в течение 1 ч. Оптимальные условия последующего ферментативного гидролиза зерносырья с ферментными препаратами амилосубтилином, глюкаваморином, целловиридином (температура 58-60^оС, рН 5,0-6,0; время 1,5 ч) обеспечивают высокую степень конверсии полисахаридов отрубей − 84% и степень осахаривания 34-38%.

Были проведены исследования эффективности ферментативного гидролиза водной пульпы пшеничных отрубей с другими ферментными препаратами: «Зимаджунт НТ-340 С⁺ N» (активность 340 ед. АС/см³), «Зимаджунт НТ-340 С⁺» (активность 600 ед.АС/см³) и «Амилаза НТ-4000» (активность 600 ед.АС/см³), содержащими термостабильную бактериальную альфа-амилазу. Поставщиками этих ферментных препаратов даны оптимальные параметры ферментативного гидролиза и дозы их использования (0,3-1,2 см³/кг ЛГПС) для зерна.

Кинетические кривые ферментативного гидролиза водной пульпы отрубей при температуре 80-85^оС и рН 6,5 с ферментными препаратами «Зимаджунт НТ-340 С⁺ N» и «Амилаза НТ-4000» представлены на рисунке 3.11.

Из представленных результатов видно, что с данными ферментными препаратами максимальная степень конверсии полисахаридов отрубей 61% достигается за 3 ч. Степень конверсии ниже, чем при использовании трёх ферментных препаратов, так как ферментативный гидролиз осуществляли без глюкоамилазы.

Авторы [33,73] проверили зависимость степени конверсии РВИ отрубей от условий ферментативного гидролиза: рН (5,0; 5,5; 6,5) и температуры (80-100^оС) при дозе внесения иферментных препаратов 0,5 см³/кг ЛГПС. Время ферментативного гидролиза во всех случаях составляло 3 ч. Результаты исследований представлены на рисунках 3.12 и 3.13.

По данным рисунка 3.12 видно, что при ферментативном гидролизе полисахаридов пульпы отрубей с данными ферментными препаратами оптимальным интервалом рН является 5,5-6,5. При этом степень конверсии полисахаридов пульпы отрубей с ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С⁺N» составляет 61-62%. Увеличение объёма дозирования ферментного препарата до 1,2 см³/кг незначительно повышает степень конверсии полисахаридов (63%).

По данным рисунка 3.13 видно, что при t=85^оС оптимальным значением рН является интервал 6,0-6,5; при t=90^оС − 5,5-6,0. Максимальная степень конверсии составляет 60-61%.

Таким образом, при ферментативном гидролизе водной пульпы отрубей при оптимальных условиях с ферментными препаратами амилосубтилином, глюкаваморином и целловиридином достигнуты степень конверсии (по РВИ) 84% и степень осахаривания 34-38%. В случае использования ферментных препаратов, содержащих только термостабильную альфа-амилазу, степень конверсии при оптимальных условиях составляет 61-63%.

В случае ферментативного гидролиза фракции пшеничных отрубей с диаметром частиц 1 мм степень конверсии РВИ повышается (таблица 3.7).

3.7. Химический состав ферментолизатов отрубей (фракция с d=1 мм)

Наимекновавние компонентов	Наименование ферментных препаратов, %
амилосубтилин, глюкаваморин, целловиридин	Зимаджунт НТ-340С^+ N	Зимаджунт НТ-340 С^+ N и целловиридин
Абсолютно сухие вещества в пульпе	13,27	14,07	13,70
Абсолютно сухие вещества в фугате	9,69	10,48	10,36
РВИ в пульпе	10,36	10,30	10,30
РВИ в фугате	8,77	8,16	9,50
РВ в фугате	4,38	2,28	2,59
Углеводы в фугате (моно-, ди-, три-)	8,10	4,70	5,50
Олигосахариды (тетра- и более) и декстрины	0,67	3,46	4,00
Олигосахариды, не растворившиеся в 50% этаноле	0,37	0,58	0,62
Степень осахаривания	42,3	22,1	25,1
Степень конверсии	84,7	79,2	92,2

По данным таблицы видно, что при ферментативном гидролизе отрубей с диаметром частиц 1 мм и с ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С⁺ N» степень конверсии полисахаридов пшеничных отрубей повышается до 79%. В случае использования дополнительного ферментного препарата целловиридина степень конверсии достигает 92,2%.

При использовании ферментного препарата глюкаваморина, содержащего фермент глюкоамилазу, степень осахаривания возрастает почти в два раза за счёт увеличения содержания глюкозы и снижения концентрации олигосахаридов.

При ферментативном гидролизе измельчённого зерна при диаметре частиц 1 мм ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С⁺ N» при оптимальных условиях, аналогичных полученным для отрубей, степень конверсии по РВИ составила для пшеницы 99% и степень осахаривания – 21,5%, для ржи – 87,5% и 14% соответственно.

Ферментативный гидролиз зерносырья в промышленном производстве. Процесс ферментативного гидролиза отрубей используют в промышленном производстве кормовых белковых продуктов и других биологически активных веществ, полученных микробиологическим путём.

Различные варианты подготовки водной пульпы отрубей к биоконверсии проверялись в промышленных условиях на Кировском биохимическом заводе с использованием роторно-пульсационного аппарата (РПА) для их измельчения. Разовый объём приготовления пульпы был 30 м³. В качестве жидкой фазы использовалась вода и отходы гидролизного производства: спиртовый и фурфурольный лютеры. В качестве дополнительного углеродного питания применяли гидролизаты древесины и зерна. Проверяли эффективность процессов: тепловой термообработки отрубей и ферментативного гидролиза ферментными препаратами «Зимаджунт НТ-340 С⁺» и «Амилаза НТ-4000», содержащими термостабильную альфа-амилазу.

Эффективность тепловой обработки отрубей проверяли при температурах 60-90^оС, в качестве жидкой фазы использовали воду и послеспиртовую барду. В таблице 3.4 представлены данные, полученные при температуре 70-80^оС, с применением воды и послеспиртовой барды.

Химический состав водной пульпы отрубей после термообработки и ферментативного гидролиза представлен в таблице 3.4.

3.4. Химический состав пульпы отрубей, полученной в промышленных условиях с ферментами и без ферментов

Навименование ферментного препарата и жидкой фазы	А.с.в., %	РВИ, %	Фугат	рН	Степень конвер-сии, %
РВ, %	РВИ,%	азот,мг/дм^3	Р2О5, мг/дм^3
общ.	мин.
Вода٭	8,51	4,58	0,05	2,32				6,5	50,7
Послеспиртовая барда	8,52	4,28	0,71	2,58		730,7		5,6	60,3
ЗимаджунтНТ-340 С^+	8,57	4,61	0,7	2,91				4,3	63,1
Амилаза НТ-4000	9,76	6,20	1,6	4,64	-			4,7	74,7

٭ − Вариант без обработки в РПА

При ферментативном гидролизе пульпы отрубей в качестве жидкой фазы использовали воду и спиртовый лютер (15-20об.%) с тем, чтобы обеспечить оптимальное значение рН. Затем добавляли гидролизат в количестве 20-36об.%. При использовании ферментного препарата «Амилаза НТ-4000» в качестве дополнительного углеводного питания использовали гидролизат зерна. Его добавляли в количестве 20-28 об.% до концентрации РВ в фугате 1,6%.

По данным таблицы видно, что в случае термообработки (70-80^оС) пульпы отрубей без ферментных препаратов с использованием в качестве жидкой фазы воды степень конверсии крахмала составила 50,7%, а с применением послеспиртовой барды и с РПА степень конверсии крахмала вместе с пентозными моносахаридами барды − 60,3%.

При использовании ферментного препарата «Зимаджунт НТ-340 С⁺» получена степень конверсии РВИ с учётом моносахаридов гидролизата древесины 63,1%. В присутствии в пульпе ферментного препарата «Амилаза НТ-4000» степень конверсии крахмала отрубей составила 74,7% за счёт высокой концентрации моносахаридов в гидролизате зерна.

Таким образом, в настоящее время имеется технология ферментативного гидролиза зерносырья с амилолитическими и целлюлолитическими ферментными препаратами, обеспечивающая степень конверсии полисахаридов 61-99% в зависимости от состава жидкой фазы, видов зерносырья и используемых ферментных препаратов.

Дата добавления: 2015-10-02