CC BY
242
УДК 66.094.943: 661.241
М. В. Харина, Л. М. Васильева, В. М. Емельянов
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
Ключевые слова: свекловичный жом, пектины, полисахариды, гидролиз, вторичные ресурсы агропромышленного комплекса.
Проведен обзор отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных исследованию структуры, химического состава свекловичного жома, а также методов гидролиза углеводов свекловичного жома с образованием моносахаридов.
Key words: sugar beet pulp, pectin, polysaccharides, hydrolysis, recoverable resources of agricultural sector.
A review of national and foreign literature devoted to the study of the structure, chemical composition of sugar beet pulp, as well as methods of hydrolysis of carbohydrates sugar beet pulp to form monosaccharides was carried out.
Свекловичный жом представляет собой микростружку толщиной не более 2 мм с влажностью около 90 %, из которой диффузионным способом горячей водой (70-80 °С) излечено основное количество сахарозы и некоторая часть минеральных и органических веществ [1-3].
После извлечения сахара свекловичная стружка содержит от 18 до 23 % сухих веществ [1]. В свежем свекловичном жоме содержится (% от массы сухих веществ): пектиновых веществ - 24-32, целлюлозы - 22-30, связующих гликанов - 22-30, белков - 1,5-3,0, золы - 3,0-8,2, лигнина - 1,5-3,0, сахаров - 0,2-0,3 [4].
В клеточной стенке сахарной свеклы микрофибриллы соединены между собой
связующими гликанами, 30-400 нм [5] (рис. 1).
длина которых составляет
а б
Рис. 1 - Сканирующая электронная микрофотография поперечного среза сахарной свеклы: а) разрез одного из сосудистых пучков; б) срез флоэмы паренхимы. Масштаб шкалы 20 мкм [6]
В связи с низким содержанием в свекловичном жоме лигнина, его клеточная структура менее прочная по сравнению с соломой и другими растительными отходами АПК. Микрофибриллы и связующие гликаны погружены в матрикс пектиновых полисахаридов (рисунок 2). В клеточной стенке пектины присутствуют в виде высококонцентрированного геля [7, 8].
Пектины сахарной свеклы состоят из остатков галактуроновой кислоты, связанных а-(1—4)- связями и формируют длинные, «гладкие» области, в которые могут быть встроены «шероховатые» области, содержащие Б-галактуроновую кислоту, связанную с рамнозой (1—2)-связью. Часть рамнозы соединена с (1—5) связанными а-арабинанами. Другие структурные составляющие пектинов могут включать (1—4)-
связанные Р-галактаны с низкой СП и разветвленные (1—>3,6) связанные галактаны [9]. Карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты на 60 % этерифицированы метиловым спиртом [4].
Рис. 2 - Схематическое представление первичной клеточной стенки растений [7]
В целом структура пектинов сахарной свеклы схожа с пектинами яблок (рисунок 3 [5]) и цитрусовых и отличается от них наличием ацетильных групп, связанных с а-Б-галактуроновой кислотой, а также содержанием феруловой кислоты и рамнозы.
/ \
Гладкие области Шероховатые
обвкта
roMoratiatitypoiiait ciuii.no рлтетплетгыа области
Еинл-оорч) fr-o-сккю
рам ног алактуроиан кс нлогалагауронан
галактоза О: галакгуроновал кислота ■ раыноза в арабшюза в ксилоза и. ферулоняя кислота • ацетильная группа ° метилипый эфир
Рис. 3 - Схематическое строение яблочного пектина [5]
Находящийся в свекловичном жоме протеин представлен альбуминами и глобулинами. Кроме простых белков в жоме содержится небольшое количество нуклеопротеидов. Общее содержание
аминокислот в свежем свекловичном жоме колеблется от 0,3 до 0,5 % [4].
При полном гидролизе в гидролизатах свекловичного жома преобладают глюкоза, арабиноза и галактуроновая кислота. Галактоза, манноза, ксилоза и рамноза содержатся в нем в меньших количествах (таблица 1) [10].
Таблица 1 - Химический состав стенки свекловичного жома [10]
клеточной
Компонент Содержание, % масс от сухих веществ
Глюкоза 21,1-24,1
Галактоза 4,6-5,1
Манноза 0,9-1,1
Арабиноза 18,2-20,9
Ксилоза 1,5-1,7
Рамноза 1,6-2,4
Галактуроновая 20,7-21,1
кислота
Феруловая 0,7-0,8
кислота
Фукоза 0,2
Белок 5,8-11,3
Лигнин 1,5-3,0
Зола 3,6-8,2
Как видно из таблицы 1, высокое содержание арабинозы (до 20,9%), галактозы (до 5,1%) и низкое содержание ксилозы (до 1,7%) обуславливает преобладание в свекловичном жоме арабинанов и арабиногалактанов.
Зольные элементы свекловичного жома имеют следующий состав (% от массы золы): 8Ю2 -1,32; Ре203 - 0,48;А1203 - 0,38; - 10,98;№203 -5,33; С1 - 3,88; Р205 - 11,0; С02 - 15,32; К20-35,16 [4].
Таким образом, материал клеточной стенки свекловичного жома имеет в силу своей функции в растении, характеристики, отличные от соломы злаков [11]. Эти особенности клеточной структуры обуславливают отличия не только химического состава, но и физических свойств.
В связи с особенностями структуры и химического состава, отличающими свекловичный жом от других целлюлозосодержащих отходов АПК, необходим индивидуальный подход к разработке методов его переработки.
Поскольку свекловичный жом содержит большое количество пектиновых веществ, при его гидролизе, помимо целлюлолитических ферментов, в состав ферментных комплексов включают пектиназы [12].
В работе [12, 13] исследовался ферментативный гидролиз сухого свекловичного жома ферментативными комплексами новых рекомбинантных штаммов Р. сапе^тет,
содержащими 27 % пектинлиазы А, 11% р-глюкозидазы, 33 % целлобиогидролазы и 1 3% эндо-1,4-р-глюканазы. Обработка в течение 48 ч при гидромодуле 1:10, температуре 50°С, рН 5,0 и дозировке ферментного препарата 5 мг белка на 1 г
сухих веществ субстрата позволила достигнуть концентрации восстанавливающих сахаров 35 г/л. Авторы отмечают, что данный вид обработки позволил достичь выход арабинозы и глюкозы близкий к теоретическому.
Другим подходом к увеличению степени конверсии полисахаридов свекловичного жома является удаление пектиновых веществ, лигнина и части связующих гликанов посредством физико-химических методов предварительной обработки.
В связи с тем, что микрофибриллы целлюлозы и связующие гликаны погружены в матрикс пектина, большинство методов предварительной обработки направлено на удаление пектиновых веществ из сырья. В работе [14] изучалась эффективность термической, химической и ферментативной предварительной обработки свежего свекловичного жома. Термическую предобработку проводили двукратным нагреванием в автоклаве в течение 30 минут при 120 °С, после каждого нагревания растворимые пектины удалялись через тканевый фильтр, а волокнистая масса промывалась трижды горячей дистиллированной водой. Химическую обработку проводили обработкой 0,05 н раствором гидроксида натрия (или 0,05 н раствором соляной кислоты) при 50 °С в течение 30 минут в термостатируемом шейкере. Ферментативную обработку проводили пектиназой («8ЮМА»)(7000 БРи/7,5 г сухого вещества жома). Обработка свекловичного жома пектиназами позволила удалить только 2 % пектинов. Применение гидроксида натрия и соляной кислоты также не было эффективным (из сырья было удалено лишь 9 % и 14 % пектинов соответственно). Наилучшие результаты показала термическая обработка, позволившая удалить из сырья 80 % пектиновых веществ. Ферментативный гидролиз обеспектиненного свекловичного жома ферментным комплексом культуры Тпскоёегша reesei при рН 4,8 и температуре 50 °С, в течение 48 ч позволил осуществить выход 53 % РВ от массы сырья, содержащих 52 % пентоз и 48 % гексоз.
В работе [15] показано, что гидротермальная обработка свекловичного жома при температуре 140°С и гидромодуле 5% в течение 15 мин, позволила удалить 60 % масс углеводов, представленных преимущественно пектинами. Последующая обработка
экспериментальным ферментным препаратом «С1-в1» (1г фермента на 100 г субстрата),
обладающим целлюлазной и ксиланазной активностью в течение 48 ч. позволила извлечь 90 % глюкозы (от теоретического выхода).
Предварительная обработка свекловичного жома автоклавированием при 122 °С в течение одного часа позволила удалить 80% пектиновых веществ, что существенно улучшило деградируемость целлюлозы [16].
Помимо пектиновых свекловичном жоме содержится также может препятствовать конверсии сырья. Для
веществ в лигнин, который ферментативной делигнификации
растительной
биомассы
наиболее
часто
используются щелочные растворы. Применение высоких концентраций щелочей в основном целесообразно при обработке сырья с повышенным содержанием лигнина. В виду того, что избыток щелочи может привести к разрушению пектиновых веществ, а содержание лигнина в нем не выше 3-5 %, обработку свекловичного жома ведут в щелочных растворах низких концентраций.
Проведено сравнение эффективности ферментативного гидролиза делигнифицированного, а также обеспектиненного свекловичного жома целлюлазами «Целлюкласт» фирмы
«№уотуте5»(0,67 БРи/§ субстрата) в 0,1 молярном цитратном буфере (рН 4.8) при температуре 40°С в течение 72 ч. Для делигнификации предварительно измельченный до 224-240 мкм свекловичный жом обрабатывали гидроксидом кальция концентрацией 0,1 г/г сухих веществ жома при 90°С в течение 3 ч [17]. Для удаления пектиновых веществ измельченный свекловичный жом был суспендирован в растворе соляной кислоты при рН 1,5 и температуре 85 °С. Исследования показали, что делигнификация жома позволила лишь незначительно повысить содержание РВ (на 50 мг/л) при ферментативном гидролизе с 20 по 44 ч, но по истечению 72 ч различий между образцами не наблюдалось. Также авторы отмечают образование большого количества сточных вод при делигнификации и нейтрализации жома после обработки щелочью, что, в совокупности с незначительным влиянием делигнификации на эффективность конверсии целлюлозы, ставит под сомнение целесообразность удаления лигнина из свекловичного жома.
Показано, что предварительная обработка свекловичного жома аммиаком при повышенном давлении с внезапной разгерметизацией и испарением аммиака позволяет повысить степень ферментативной конверсии целлюлозы [18]. По мнению авторов, эффективность предварительной обработки обусловлена способностью аммиака при испарении разрывать волокна целлюлозы, тем самым снижая степень её кристалличности.
Низкая степень кристалличности целлюлозы и сравнительно невысокое содержание лигнина в свекловичном жоме обуславливают более мягкие режимы его обработки по сравнению с соломой злаковых культур.
Среди отечественных способов обработки свекловичного жома кислотами известен патент [19], предусматривающий получение
галактуроновой кислоты. Авторами предлагается обработка сухого свекловичного жома смесью соляной и серной кислот (1:1) при рН равном 1 и гидромодуле 1:10. Смесь гидролизуют в течение 16 ч., из них 6 ч. постепенно поднимают температуру с 55 до 78 °С, оставшиеся 10 ч. гидролизуют при 78 °С. Затем полученный гидролизат подвергают обработке пектиназой (в количестве 1 г фермента на 10 г сухого вещества гидролизата) при 40 °С в течение 48-72 ч. Выход галактуроновой кислоты составляет 10 % от массы жома (50 % от теоретического).
Яновским Л. С. и соавторами был предложен способ обработки свекловичного жома при температуре 125-130 °С и давлении 2,4-2,8 атм в присутствии минеральных кислот с получением раствора, содержащего гидратопектин и арабаны. Авторы предлагают использовать полученный гидролизат в качестве пектинового клея [20]. Гораздо больше работ по обработке свекловичного жома кислотами проводилось зарубежными исследователями.
При одностадийном гидролизе
свекловичного жома серной кислотой (1,1 г/г свекловичного жома) в течение 90 мин при 80 °С степень конверсии связующих гликанов и целлюлозы составила 86,3 % и 7,8 % соответственно [21].
Исследователями рассматривалась
возможность не только одностадийной, но и двухстадийной кислотной обработки свекловичного жома. В работе [22, 23] проводилось сравнение одно- и двухстадийного гидролиза свекловичного жома фосфорной, серной и соляной кислотами в автоклаве при гидромодуле 1:5, температуре 120 °С с варьированием концентрации гидролизующего агента от 1 до 5 %, в течение 15-120 мин. Авторы отмечают, что увеличение концентрации кислоты от 1 до 5 % не привело к увеличению выхода сахаров. Наилучшие результаты при одностадийном гидролизе для всех трех кислот были получены через 90 мин гидролиза при концентрации кислоты 1 % масс и составили 34,6 %, 33,1 % и 21,3 % от содержания сахаров в сырье для серной, соляной и фосфорной кислот соответственно. При двухстадийной обработке свекловичного жома фосфорной кислотой (1% масс), а затем серной кислотой (1% масс.) выход РВ составил 41,3 % (от теоретического), что в 1,2 раза выше, чем при одностадийном гидролизе серной кислотой. В патенте [24] описывается способ получения арабинозы из свекловичного жома. Свекловичный жом экстрагируют в течение 4-5 ч в растворе гидроксида кальция при рН=10-12 и температуре от 95-100 °С. Для осаждения солей кальция полученную смесь нейтрализуют двуокисью углерода или серной кислотой до рН=9. После фильтрации раствор концентрируют и подвергают кислотному гидролизу с добавлением серной кислоты при рН=0,8 при температуре 90 °С, после чего раствор охлаждают примерно до 70 °С и нейтрализуют добавлением щелочи (например, NaOH) до рН=6. Нейтрализованный раствор подвергают хроматографическому разделению с использованием катионообменной смолы в форме одновалентного металла, предпочтительно Na+. Отделенная фракция арабинозы содержит 5-10 % масс. сухих веществ, из которых 75-80% составляет арабиноза. Поскольку, как показывает анализ литературных источников, свекловичный жом рассматривался исследователями преимущественно в качестве источника пектина и пищевых волокон, конверсия данного вида сырья с получением моно- и олигосахаридов изучена в меньшей степени по сравнению с соломой злаковых культур. Согласно
исследованиям [22, 23], кислотный гидролиз способствует практически полному извлечению легкогидролизуемых полисахаридов, гидролиз целлюлозы проходит лишь частично. С целью более полной конверсии целесообразна обработка свекловичного жома ферментными препаратами.
Литература
1. Л. В. Донченко, Н. В. Демина, С. Е. Ковалева, Научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, № 21, С. 44-48 (2006)
2. М. В. Харина, В. М. Емельянов, Вестник Казанского технологического университета, №18, С. 191-193 (2013)
3. М. В. Харина, В. М. Емельянов, Вестник Казанского технологического университета, №19, С. 209-211 (2013)
4. И. А. Стахеев Биотехнология малотоннажного производства микробного протеина / И. А. Стахеев, Э. И. Коломиец, H. A. Здор. - Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 264 с.
5. K. Grohmann, RJ. Bothast, ACS Symposium Series, №5, p. 372-390 (1994)
6. E. Dinand, H. Chanzy, R. M. Vignon, Food Hydrocolloids, №13, p. 275-283 (1999)
7. N. C. Carpita, D. M. Gibeaut, The Plant Journal, №3, p. 1-30 (1993)
8. M. C. McCann, K. Roberts // The Cytoskeletal basis of plant growth and form. - London.: Academic Press, p. 109129 (1991)
9. M. Spagnuolo, C. Crecchio, M.D.R. Pizzigallo, P. Ruggiero, Bioresource Technology, №3, p. 215-222, (1997)
10. Micard V., C. Renard , J.-F. Thibault // Enzyme and Microbial Technology, №19, p. 162-170 (1996)
11. М. В. Харина, Валеева Р. Т., Мухачев С.Г., Емельянов В. М., Вестник Казанского технологического университета, №13, С. 210-212, (2012)
12. Бушина Е.В., Рожкова А.М., Зоров И.Н., Сатрутдинов А.Д.,Беккаревич А.О., Кошелев А.В., Окунев О.Н., Синицын А.П. Прикладная биохимия и микробиология, № 5, С. 543-549 ( 2012)
13. Бушина Е. В. Новые высокоэффективные ферментные препараты для гидролиза пектин- и целлюлозосодержащих субстратов на основе рекомбинантных штаммов грибов рода Penicillium: автореф. дис. ... канд.хим. наук / Моск. гос. ун-т; Е. В. Бушина. - М., 2012. - 25 с.
14. L. Sidi, N. АН, Т. Cochet, К. Ghose, J. M. Lebeault, Biotechnology letters, №6, p. 723-728 (1984)
15. S. Kuhnel, H. Schols, H. Gruppen, Biotechnology for biofuels, №4, p. 1-14 (2011)
16. F. Guillon, J. Barry, J. Thibault , Journal of the Science of Food and Agriculture, №6, p. 69-79 (1992)
17. T. Darjana Ivetic, Vesna М. Vasic, Marina B. Sciban, Mirjana G. Antov, Acta periodica technologica, №2, p. 223229 , (2011)
18. B. L. Foster, B. E. Dale, J. B. Doran-Peterson, Applied Biochemistry and Biotechnology, V. 91, p. 269-282 (2001)
19. А.с. 583137 СССР, МКИ С 07. Способ получения сахаров / Н. П. Шелухина, И. И. Турдакова, М. Б. Аймухамедова. - №1982476/23-04; заявл. 05.12.77; опубл. 12.01.78
20. Петрушевский В. В. Производство сахаристых веществ / В. В. Петрушевский, Е. Г. Бондарь, Е. В. Винокурова. - Киев: Урожай, 1989. - 168 с.
21. R. Chamy, I. Illanes, G. Aroca, L. Nunez, Bioresource Technology, №50, p. 149-152 (1994)
22. T. S. El-Tayeb, A. A. Abdelhafez, S. H. Ali, E. M. Ramadan, Brazilian Journal of Microbiology, №4, p.1523-1535 (2012)
23. А. I. Simion, P. E. Dobrovici, L. Rusu, L. Gavrila, D. Ciobanu , Revue Roumaine de Chimie, №6, p. 577-586 (2012)
24. Pat. 6506897 B1 USA, Method of preparing l-arabinose from sugar beet pulp/ J. Antila, V. Ravanko, P. Walliander. -09/486,437; pending 26.08.97; printed 26.08.98.
© М. В. Харина - к.т.н., ассистент каф. химической кибернетики ФГБОУ ВПО «КНИТУ», [email protected]; Л. М. Васильева - студент каф. химической кибернетики ФГБОУ ВПО «КНИТУ», [email protected]; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики ФГБОУ ВПО «КНИТУ», [email protected].
© M. V. Kharina - PhD in Technical Sciences, assistance lecturer of Chemical cybernetics department of Kazan National Research Technological University, [email protected]; L. M. Vasilyeva -student of Chemical cybernetics department of Kazan National Research Technological University, [email protected]; V. M. Emelyanov - Doctor of Technical Science, professor, head of Chemical cybernetics department of Kazan National Research Technological University, [email protected].
