CC BY
71пространение, запасы, химический состав и использование» III Сабининские чтения. Ч.2. URL: http://algology.ru/557.
4. Bunkova O. Pollution of coastal waters of the Вlack sea by mineral elements, with Cystoseira barbata use as the type-indicator of pollution // Marine research horizon 2020. Abstract Book, Helix Press Ltd Varna, p. 70.
5. Bunkova O., Kamnev A., Yakovlev A., Suhova T., Shahpenderyan E. Studying of mineral structure of Cystoseira barbata in a sublittoral zone of the northeast coast of the Black Sea. // World Conference on Marine Biodiversity, Qingdao, China, 12-16 October 2014. Р.76.
6. Kamnev A.N., Frontasyeva M.V., Kravtsova A.V., Nekhoroshkov P.S., Bunkova O.M., Stukolova I.V., Yakovlev A.S., Zinicovscaia I.I., Yushin N.S. Assessment of elemental composition of macrophytes, soil and bottom sediments along a transect in the coastal zone of Anapa, studied by neutron activation analysis // Issues of modern algology №3S (7S). Proceedings of the International Conference «Ecological physiology of aquatic phototrophic: distribution, stocks, chemical composition and use» III Sabininskie reading. Part2. URL: http://algology.ru/647.
УДК 664.162.116
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИСАХАРИДОВ ИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ МЕТОДОМ
ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА.
Кедельбаев Бахытжан Шильмирзаевич
Д.т.н., профессор, Южно-Казахстанский государственный университет имени
М. О. Ауэзова, 160012 РК, г. Шымкент E-mail: kedelbaev@ya.ru Махатов Жаксылык Бауманович Докторант, Южно-Казахстанский государственный университет
имени М. О. Ауэзова, 160012 РК, г. Шымкент E-mail: mjasik92@mail.ru Тайжанова Меруерт Аюбековна Магистр, Южно-Казахстанская государственная фармацевтическая академия,
160000, РК, г. Шымкент Оразова Мереке Мамыровна
Магистр, Южно-Казахстанская государственная фармацевтическая академия,
160000, РК, г. Шымкент
Аннотация
Представлены экспериментальные материалы получения полисахаридов из пшеничной соломы методом ферментативного гидролиза с применением сернистой кислоты в сравнении с серной, фосфорной и соляной кислот.
Ключевые слова: целлюлозосодержащее сырье, ферментативный гидролиз, полисахариды, глюкозный гидролизат.
ABSTRACT
Experimental materials to obtain polysacharides from wheаt straw by the method of fermentative hydrolysis using sulphorous acid comparing to sulphuric, phosphoric and hydrochloric acids have been performed.
Key words: cellulose containing raw, fermentative hydrolysis, polysaccharides, glucose hydrolysate.
Растущий интерес к использованию растительной биомассы, богатой полисахаридами, обуславливает поиск оптимальных методов её переработки. Основным критерием при переработке отходов является их стоимость, объем, доступность и локализация, а также химический состав и технологические свойства. Переработка возобновляемого растительного сырья в промышленно-важные вещества представляет большой практический интерес. Целлюлозосодержащее сырье в стране имеется практически в неогра-
11
ниченных количествах в виде древесины, соломы, твердых бытовых отходов и т.д. Однако его эффективное превращение в биологически усвояемые сахара - сложная задача, над которой работают научные коллективы во всем мире. При этом исследуются возможности использования непосредственно микроорганизмов, комплексов целлюло-литических ферментов, химических гидролизующих агентов для эффективного превращения непищевого сырья в усвояемые сахара [1].
По данным статуправления среди сельскохозяйственных культур по урожайности в Республике Казахстан лидируют пшеница и хлопчатник. Средний валовый сбор пшеницы в 2010-2015гг. составляет 17-18 млн. т, при этом на полях сельскохозяйственных предприятий образуются в среднем 7-8 млн. т пшеничной соломы, лишь 10 % которой используется на скармливание скоту и в качестве подстилки животным, остальная её часть запахивается в землю и сжигается на полях. Экономически выгодным представляется также получение биоэталона из сельскохозяйственных культур (пшеница, рапс, кукуруза и т.д.) но современные технологии его получения не предусматривает отходы, а используется само товарное сырье. Таким образом, солома злаковых культур является крупнотоннажным, доступным и перспективным вторичным ресурсом сельскохозяйственного производства в Республике Казахстан. Это огромная потенциальная сырьевая база.
Наконец, существующая инфраструктура сельского хозяйства позволяет решить задачу доставки соломы на переработку при условии расположения производственного предприятия вблизи элеватора или сельскохозяйственных предприятий[2].
Ферментативный гидролиз является наиболее перспективным методом переработки растительной биомассы. Однако при проведении ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов в их нативном виде выход сахаров достигает менее 20 % от теоретически возможного. Преодоление физико-химических барьеров, препятствующих доступности целлюлозы для ферментов, является важным вопросом, решение которого напрямую связано с поиском низкозатратных методов предварительной обработки сырья. Эффективность данного процесса обуславливает выход целевого продукта в процессе ферментативного гидролиза целлюлозы и экономическую целесообразность всей технологии в целом. Несмотря на относительно высокую каталитическую активность серной, соляной и фосфорной кислот, их использование при гидролизе лигноцеллюлозы все еще экономически не эффективно, так как они обладают сильной коррозионной активностью, стоимость их высока, а нейтрализация их избытка в гидролизатах сопряжена с затратами и нагрузкой на окружающую среду. Перспективным является применение сернистой кислоты, позволяющее сократить расход гидроли-зуюшего агента за счет его рекуперации. В связи с этим определение оптимальных режимов предобработки с применением сернистой кислоты, а также исследование влияния её условий на эффективность ферментативного гидролиза пшеничной соломы является актуальной задачей.Разработка комплексной переработки пшеничной соломы позволит не только улучшить экологическую ситуацию, но и получить сырье и дополнительные продукты для промышленности.Предобработку соломы проводили в диапазоне температур 190-250°С при варьировании концентрации сернистой кислоты от 0,6 до 2,5 % масс. Повышение температуры в большей степени, по сравнению с повышением концентрации кислоты, способствовало сокращению продолжительности обработки, необходимой для достижения максимального выхода редуцирующих веществ (РВ)больше, чем реакции разложения полисахаридов. Выход полисахаридов, следовательно, увеличивается вместе с температурой реакции. Влияние концентрации сернистой кислоты при температурах ниже 150°С заметно повышается, но при повышении температуры до 160 °С оно исчезает [3].
Оптимальная температура и продолжительность гидролиза соломы сернистой кислотой составили соответственно 160°С - 170°С и 30 - 80минут. С повышением концентрации сернистой кислоты наблюдается увеличение скорости распада сахаров. Оп-12
тимальной является концентрация сернистой кислоты 1,77 % масс. Предобработку солому при варьирование гидромодуля от 1:3 до 1:5 проводили в условиях - 1,6 % масс. сернистой кислотой и при температуре 150 °С. Наибольший выход РВ достигнут при гидромодуле 1:3,5, 1:5 и 1:5,8 и составил 26,8 %, 27,0 % и 29,2 % соответственно. По-лисахаридный состав гидролизатов был представлен преимущественно глюкозой, концентрация которых достигала в гидролизатах 25 г/л..
Таким образом, обработка соломы 1,35 % масс. сернистой кислотой при температуре 150°С, гидромодуле 1:3 в течение 60 мин позволяет получать гидролизаты с концентрацией редуцирующих веществ до 7,6 %, что будет способствовать их дальнейшему использованию в микробиологической промышленности. При применении гидромодуля 1:4,5 максимальная концентрация редуцирующих веществ в гидролизате достигнута при температуре 160°С, концентрации сернистой кислоты 1,6 % масс.Выход редуцирующих веществ составил 25.57% от абсолютно сухого вещества. Во всех экспериментах гидролиза соломы наилучшие результаты достигнуты при концентрации сернистой кислоты 1,6 % масс и температуре опыта 150-160 °С[4].
Модельные эксперименты для изучения ферментативной кинетики осуществляли, используя в качестве источника целлюлозы бумагу и вату. В экспериментальных процессах ферментолиза использовалась предварительно размолотая, просеянная и просушенная до постоянной величины в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 2 часов пшеничнаясолома, которая предварительно запаривалась в автоклаве при избыточном давлении 0,05 - 0,1 МПа в течение 0,5 - 1 часа.
Процессы ферментолиза проводили при поддержании активной кислотности в диапазоне 4,9-5,0 ед. рН и температуре 49°С.Длительность процессов ферментолиза составляла 7-10 часов.
Исследования кинетики и стехиометрии реакций ферментативного гидролиза дисперсных твердофазных субстратов растительного происхождения проводили влабо-раторномферментолизере с автоматизированным регулированием рН и термостатиро-ванием[5].
Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
_Таблица 1 - Результаты ферментолизапшеничную солому в ферментере
Номер Количество фермента, Максимальная Выход РВ,
процесса ед. активности концентрация РВ,% %
1 62-75,8 0,43 4,3
2 62-75,8 0,46 4,6
3 6,2-17,6 0,46 4,6
4 31-37,9 0,48 4,8
5 62-75,8 0,32 3,2
6 1,6-1,9 0,26 2,6
7 3,0-3,8 0,26 2,6
8 4,6-5,7 0,22 2,2
С целью снижения погрешности и проверки действия фермента на однокомпо-нентных субстратах была проведена серия экспериментов ферментолизу измельченной обезоленнои бумаги в ферментолизер объемом 6 л.
Легко убедиться, что зависимость конечной концентрации РВ (следовательно, и средней скорости ферментолиза) от средней величины активности фермента линейна, что и теоретически следует из модели Михаэлиса-Ментен.
Результаты сравнительных процессов ферментолиза соломы и бумаги представлены на рисунке 1.
Время, час
Рисунок 1- Изменение концентрации РВ в процессах ферментолиза бумаги и пшеничной соломы
Поскольку бумага является практически чистой целлюлозой, то, при одинаковых кинетических параметрах процессов ферментолиза, количество образовавшихся сахаров в случае ферментолиза соломы было бы в 1,49 раза меньше, чем при использовании бумаги. Однако в действительности структура соломы отличается большей плотностью упаковки волокон и присутствием других, мешающих компонентов, что приводит к замедлению скорости процесса ферментолиза в 2,5 раза [6].
Литература
1. Абилдаева Р.А., Сарыпбекова Н., Рысбаева Г.С. Выбор оптимального вторичного сырья для получения глюкозы «Проблемы и возможности современной науки» Сборник материалов IV международной научно-практической конференции, г. Москва, 2 октября 2015г.С. 110-114
2. Махатов Ж.Б., Кудасова Д.Е. Исследование процесса химической предобработки гуза-паи с целью получения моносахаридов // «Проблемы и возможности современной науки» Сборник материалов IV международной научно-практической конференции, г. Москва, 2 октября 2015г.С. 115-118
3. Нуртдинов Р.М. Эффективность процессов осахаривания соломы и оценка качества гидролизатов для культивирования сахаромицетов. // Казань - 2012.
4. Харина М. В. Предобработка и ферментативный гидролиз лигноцеллюлозосо-держащих отходов сельского хозяйства. // Казань - 2013
5. Харина М. В., Емельянов В. М., Аблаев А.Р., Мокшина Н. Е., Ибрагимова Н. Н. Динамика выхода углеводов привысокотемпературном гидролизе пшеничной соломы сернистой кислотой // Химия растительного сырья - 2014.
6. Есимова А.М., Нарымбаева З.К.,Абилдаева Р.А., Кудасова Д.Е. Исследование процесса получения полисахаридов из гуза-паи // Междунардный журнал экспериментального образования №10, 2015г. г. Москва. С.27-28
