CC BY
40
УДК 66.094.941
М. В. Харина, Е. А. Рыкова, Л. И. Клещевников, Л. Ю. Кошкина
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ ПЛОДОВЫХ ОБОЛОЧЕК ОВСА
Ключевые слова: плодовые оболочки овса, ферментативный гидролиз, предварительная обработка, редуцирующие вещества,
вторичные ресурсы сельского хозяйства, кинетика.
Исследована кинетика ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса, предварительно обработанных сернистой кислотой с целью повышения выхода ценных продуктов гидролиза. Общий выход редуцирующих веществ составил 61% от абсолютно сухого вещества сырья.
Key words: oat husk, enzymatic hydrolysis, pre-treatment, reducing substances, agricultural wastes, kinetics.
The kinetics of enzymatic hydrolysis of oat husk, pretreated with sulphurous acid for increasing the yield of valuable products of hydrolysis was investigated. The total yield of reducing substances constituted 61% of absolutely dry raw material.
Введение
Современная экологическая обстановка вызывает необходимость в стабилизации экологического состояния и поддержания устойчивого равновесия в системе «природа-человек», что приводит к поиску и созданию ресурсосберегающих, экологически безопасных и безотходных технологических процессов. Так, перспективным сырьем для биотехнологической промышленности могут являться отходы агропромышленного комплекса и сельского хозяйства.
Растительное сырьё является основным источником для организации биотехнологических процессов, получения ценных пищевых и кормовых продуктов, которое при предварительной обработке (кислотами или щелочами), ферментами, является хорошим субстратом для микроорганизмов, может использоваться в качестве питательных сред для промышленной микробиологии на основе гидроли-затов растительных отходов [1].
Перспективным, распространенным и доступным сырьевым источником для сельскохозяйственных регионов Татарстана, и для России в целом, являются плодовые оболочки овса [2]. Поскольку лузга овса имеет низкую плотность и транспортировать её нерентабельно, обычно она сжигается.
Известно, что лигноцеллюлозное сырье лишь частично поддается ферментативному гидролизу в его исходном виде [3]. Основными факторами, влияющими на эффективность предобработки растительного сырья, являются тип биомассы и кислоты, концентрация кислоты, продолжительность и температура реакции [4].
При обработке лигноцеллюлозы разбавленными кислотами увеличивается пористость и общая площадь поверхности. Это достигается путем полного или частичного удаления гемицеллюлоз и/или лигнина [5, 6].
Поскольку фермент адсорбируется на субстрате, природа субстрата влияет на его активность. Например, с изменением рН, заряд субстрата, ионные компоненты субстрата изменяются, что может влиять на активность ферментов. По этой причине рН, и температура оптимума для данного фермента может
широко варьировать в зависимости от вида субстрата [3].
Экспериментальная часть
В данной работе проводилось исследование процессов ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса, предварительно обработанных сернистой кислотой с целью повышения выхода ценных продуктов гидролиза, необходимых для биотехнологии и химической промышленности.
В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи: определение влияния предобработки исследуемого сырья на эффективность последующего ферментативного гидролиза; определение оптимальных условий ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса, предварительно обработанных сернистой кислотой.
В качестве объекта исследования процессов гидролиза использовались плодовые оболочки овса, полученные на ОАО «Набережночелнинский элеватор» в 2014 г.
Ферментативный гидролиз объектов исследования проводили в натрий-цитратном буфере, на качалке Elpan-357 (Польша) при перемешивании 120 об/мин с добавлением 40 мкг 1% раствора тетрациклина в 70% этиловом спирте на 50 мл реакционной среды. Первые 12 часов отбор проб производили каждые 4 часа, в дальнейшем каждые 12 часов. В пробах определяли содержание редуцирующих веществ и рН (рис. 1).
В ходе исследований использовали ферментные комплексы «CeШcCTec2» и «CeШcHTec2» фирмы «Novozymes».
Для определения содержания углеводов в гидро-лизатах применяли объемный метод Макэна-Шоорля, являющийся модификацией метода Бертрана. Сущность метода заключается в использовании раствора фелинга с определенным заданным содержанием меди и йодометрическом определении количества меди (II), неизрасходованной в процессе реакции.
Содержание редуцирующих веществ определяли по стандартной методике [7].
Значения рН ферментативных гидролизатов определяли на рН-метре «Мультитест иономер ИПЛ-513». Выполнение указанных требований при изме-
рениях и эксплуатации обеспечивали согласно ГОСТ 22261-94.
Для определения содержания сухих веществ в объектах исследования использовали влагомер «МХ-50». Принцип действия влагомера основан на термогравиметрическом анализе, заключающемся в высушивании пробы с заданной массой и определении массы сухого остатка [8].
Растительная клеточная стенка состоит из трех основных компонентов: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Проведенные ранее исследования [3] показали, что максимальная степень ферментативной конверсии лигноцеллюлозы совпадает с полным удалением гемицеллюлоз. Перспективным является поиск режимов предобработки, обеспечивающих наибольшее их удаление.
Проведен выбор оптимального рН среды при ферментативном гидролизе плодовых оболочек овса, предварительно обработанных сернистой кислотой. Результаты представлены на рисунке 1.
Рис. 1 - Зависимость активности ферментного комплекса «Се1ИсСТес2» от рН среды при гидролизе плодовых оболочек овса, предварительно обработанных сернистой кислотой
Согласно представленным данным, оптимальным для проведения ферментативного гидролиза является рН 5,0. Дальнейшие исследования процесса ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса проводились при температуре 50 °С, рН 5,0.
Исследовано влияние дозировки ферментного комплекса (1 - 6% от АСВ сырья) на эффективность ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса (рис. 2).
Из данных, представленных на графике видно, что предобработка сернистой кислотой оказывает значительное влияние на степень конверсии сырья. Предобработка позволяет увеличить концентрацию редуцирующих веществ в ферментолизате в 3,3 раза по сравнению с плодовыми оболочками овса без предобработки. Это объясняется тем, что предварительная обработка позволяет удалить гемицеллюло-зы, увеличивая, таким образом, площадь доступной поверхности целлюлозы. Наибольшая концентрация редуцирующих веществ в гидролизатах наблюдалась на 94 часу гидролиза при дозировке ферментного комплекса 3% и 6% от АСВ сырья и составляла 2,6% и 3,0% масс. соответственно.
0 20 40 60 80 100 о Продолжительность гидролиза, ч
^ ♦ 6% СеШсСТес без предобработки
-и-1% СеШсСТес2
—*-3%СеШсСТес2
СеШсСТес2
Рис. 2 - Влияние дозировки ферментного комплекса «Се1ИсСТес2» на концентрацию редуцирующих веществ при гидролизе плодовых оболочек овса (гидромодуль 1:30, температура 50 °С, рН 5)
Проведено исследование зависимости концентрации редуцирующих веществ от гидромодуля при гидролизе плодовых оболочек овса ферментным
комплексом «Се1ИсСТес2» (рис. 3, 4).
50 100
Продолжительность гидролиза, ч
♦ 6% СеШсСТес без предобработки —■— 1% СеШсСТес2 —*—3% СеШсСТес2 СеШсСТес2
Рис. 3 - Влияние дозировки ферментного комплекса Се1ИсСТес2 на концентрацию редуцирующих веществ при гидролизе плодовых оболочек овса (гидромодуль 1:20, температура 50 °С, рН 5)
Снижение гидромодуля позволило увеличить концентрацию редуцирующих веществ до 4,15% масс при гидромодуле 1:15. При этом выход редуцирующих веществ снизился. Исследование влияния гидромодуля на степень конверсии плодовых оболочек овса показало, что увеличение гидромодуля от 1:15 до 1:30 обеспечивает повышение выхода глюкозы на 4,9%.
Двухстадийная обработка плодовых оболочек овса сернистой кислотой позволила суммарно извлечь 61,25% редуцирующих веществ (от АСВ сырья), из них 30,99% - посредством предварительной обработки, 6,54% - при дополнительной обработке
твердой фракции водой, 23,72% - при ферментативном гидролизе. Общее количество извлеченных редуцирующих веществ составляет 95% от теоретического содержания углеводов в сырье [9].
в
2
& в
Ч -ja
<D о4
й н
Я О
я ®
я tJ Он в
Ы
<и Я к о Ы
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
« „г
« 0.5
3
-j—
0 20 40 60 80 100 Продолжительность гидролиза, ч —♦— 1% СеШсСТес2 -ш-3% СеШсСТес2
-*-б% СеШсСТес2
Рис. 4 - Влияние дозировки ферментного комплекса «CeШcCTec2» на концентрацию редуцирующих веществ при гидролизе плодовых оболочек овса (гидромодуль 1:15, температура 50 °С, рН 5)
Выводы
Использование ферментов позволяет ускорить технологические процессы, увеличить выход готовой продукции, повысить ее качество, сэкономить дорогое сырье.
На основании проделанных исследований можно заключить следующие выводы: оптимальные условия (рН и температура) проведения ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса составили: температура 50 °С, рН 5,0; показана эффективность предварительной обработки растительного сырья сернистой кислотой. При применении ферментного комплекса «СеШсСТес2»» концентрация редуци-
рующих веществ плодовых оболочек овса увеличилась в 3,3 раза; оптимальный режим ферментативного гидролиза плодовых оболочек овса составил: дозировка ферментного комплекса 3 и 6 % от АСВ сырья, гидромодуль 1:30.
Литература
1. Кузнецова, Б.Н. Разработка способа получения пищевых волокон из соломы пшеницы и шелухи овса / Б.Н. Кузнецова, В.Г. Данилова, О.В. Яценкова, Е.Ф. Ибрагимова, Н.М. Иванченко. // Journal of Siberian Federal University. Chemistry - 2009. - №2. - С.156-164.
2. Земнухова, Л.А. Неорганические компоненты соломы и шелухи овса / Земнухова Л.А., Будаева В.В., Федори-щева Г.А., Кайдалова Т.А., Куриленко Л.Н., Шкорина Е.Д., Ильясов С.Г. // Химия растительного сырья. -2009. - №1. - С.147 - 152.
3. Recent progress in bioconversion of lignocellulosics / T. Scheper; G. T. Tsao [et al.]. - Berlin: Springer, 1999. -280 P.
4. Chandel, A. K. The realm of cellulases in biorefinery development / Chandel A. K., Chandrasekhar G., Silva M.B., da Silva S. // Oit Rev Biotechnol. - 2012. - №1. - С .187202.
5. Синицин А.П. Биоконверсия лигниноцеллюлозных материалов: учеб. пособие /А.П. Синицин, А. В. Гусаков, В. М. Черноглазов. - М.: МГУ, 1995.-224 с.
6. Харина М. В. Предварительная обработка лигноцел-люлозного сырья с целью повышения эффективности производства этанола / М. В. Харина, О. Н. Григорьева // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 16. - С. 158-168.
7. Bertrand G. Bull. Soc. Chim. France, 1906, 35, 3. MaquenneZ. Bull. Soc. Chim. France, 1898, 19, 3. Schoorl N. Z. angew. Chem., 1899, 12, 633; Chem. Week. 1915, 12, 481.
8. Влагомеры весовые MF-50, ML-50, MS-70, МХ-50. Техническая документация фирмы-изготовителя. 2005 г.
9. Сушкова, В.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества / В.И. Сушко-ва, Г.И. Воробьёва. - Киров, 2007. - 204 с.
© М. В. Харина, канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; Е. А. Рыкова, магистр КНИТУ, [email protected]; Л. И. Клещевников, аспирант кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected], Л. Ю. Кошкина, канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, [email protected]
© M. V. Harina, Associate Professor of Department of Chemical Cybernetics, Kazan National Research Technological University, [email protected]; E. A. Ruikova, Student, Kazan National Research Technological University, [email protected]; L. I. Kleshchevnikov, Graduate Student of Department of Chemical Cybernetics, Kazan National Research Technological University, [email protected]; L. Y. Koshkina, Associate Professor of Department of Chemical Cybernetics, Kazan National Research Technological University, [email protected].
