CC BY
68
2. Биоэнергетическая эффективность севооборота, 2011—2013 гг.
Показатель Способ обработки
Ч К П О
Продуктивность, т зерн.ед/га 3,09 2,99 2,96 3,11
Энергия, накопленная в урожае, Гдж/га 46,12 44,64 44,24 46,50
Затраты совокупной энергии, Гдж/га 9,63 9,46 9,42 10,01
Коэффициент энергетической эффективности 4,78 4,62 4,69 4,64
Энергоёмкость продукции, Гдж/т 14,92 14,92 14,94 14,95
Прирост энергии в урожае, Гжд/га 36,49 35,18 34,82 36,49
Выводы. В результате проведённых исследований установлено, что в условиях приазовской зоны на эродированных склонах чернозёмов обыкновенных высокую биоэнергетическую эффективность (4,62—4,78) имеет пятипольный зернопаропро-пашной севооборот. Среди культур севооборота наибольшую биоэнергетическую эффективность обеспечила озимая пшеница по пару (12,94—13,73) и непаровому предшественнику (6,23—6,38), при этом наиболее эффективной основной обработкой почвы показала себя отвальная вспашка. Яровые
культуры севооборота обеспечили в 1,5—2,0 раза меньшие показатели биоэнергоэффективности, при этом наибольший эффект был достигнут при безотвальной вспашке.
Литература
1. Агроклиматические ресурсы Ростовской области. Л.: Ги-дрометеоиздат, 1972. 250 с.
2. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (с основами статистической обработки результатов исследований). 4-е изд. перераб. и доп. М.: Колос, 1979. 416 с.
3. Основы биоэнергетической оценки производства продукции растениеводства: учебное пособие / А.В. Удалов, А.П. Авдеенко, А.М. Струк и др. / П. Персиановский, ФГОУ ВПО «Донской ГАУ», 2008. 103 с.
Применение микроскопических грибов для извлечения гемицеллюлоз из отходов сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности
А.Д. Буракаева, к.б.н, А.В. Филиппова, д.б.н, профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, Б.Х. Мухсинова, к.б.н., ФГБОУ ВО Башкирский ГУ; З.А. Ахметова, ООО «Югра-нефтегазпроект»
В настоящее время проблема утилизации сельскохозяйственных отходов стоит наиболее остро в связи с необходимостью предотвращения загрязнения окружающей среды. В то же время известно, что растительные отходы являются источниками биополимеров полисахаридного состава, витаминов, микроэлементов. Одними из основных полисахаридов растительной клеточной стенки являются гемицеллюлозы (ГМЦ). Эта группа полисахаридов отличается от целлюлозы большей гидролизуемостью в кислотах и растворимостью в водных растворах щелочей. В зависимости от моно-сахаридного состава гемицеллюлозы делят на три группы: ксиланы (C5H8O4)n, галактаны (C6H10O5)n и глюкоманнаны, которые состоят из сополимеров, то есть смешанных полисахаридов. Главным источником ксиланов служат злаки, пшеничная и овсяная солома, кукурузные початки и отруби. Источником глюкоманнанов являются голосеменные растения, в меньшей степени древесина покрытосеменных. Арабаногалактаны в наибольшем количестве встречаются в древесине лиственниц и других хвойных растений, причём они растворимы в воде [1].
Гемицеллюлозы являются незаменимым питанием для сапрофитной микрофлоры кишечника. К её основным функциям относятся также связывание воды, катионов, холестерина, желчных кислот, токсических и лекарственных веществ. Полисахариды гемицеллюлозы оказывают влияние на качество фруктовых, виноградных, овощных соков, формируя гели, они способны структурировать пищу. Гемицеллюлозу используют в качестве клеящих материалов, а также существуют лаки и краски на основе гемицеллюлозы или её производных. Многотоннажные растительные отходы в последнее время рассматриваются как перспективное сырьё для получения гемицеллюлоз [2].
Традиционная технология извлечения гемицеллюлоз включает обработку сырья сильными щелочами. Она имеет высокую энергоёмкость. Использование высококонцентрированных щелочей в качестве экстрагентов приводит к омылению сложноэфир-ных группировок полисахаридов, ведёт к снижению молекулярной массы полимера вследствие его деструкции по редуцирующим группам, также создаёт дополнительную нагрузку окружающей среде.
Как известно, ферменты, которые катализируют процесс гидролиза растительных полисахаридов, называют целлюлазами и гемицеллюлазами и относятся к карбогидразам, являются промышленно важными микробными ферментами [3]. В настоя-
щее время большое внимание уделяется проблеме биоконверсии и, в частности, биодеградации одного из самых устойчивых к химическому микробиологическому разложению биополимера — лигнина. Лакказа — фермент, относящийся к классу окси-доредуктаз, катализирует ряд реакций окисления ароматических и неароматических соединений, в том числе и лигнина [4]. Ранее нами установлено, что культуры микроскопических грибов рода Hypomyces в процессе роста на растительных отходах продуцируют комплекс карбогидраз и лакказ [5, 6].
Цель настоящей работы — изучить возможности использования частичной биодеградации расти -тельных отходов агропромышленного комплекса и деревоперерабатывающей промышленности под воздействием ферментных систем, продуцируемых микофильными грибами рода Hypomyces, для дальнейшего выделения гемицеллюлоз, что значительно снижает потребность в использовании более концентрированных щелочей.
Материал и методы исследования. В работе использовали микофильные грибы Hypomyces rosellus (ВКПМ F-242) и Hypomyces aurantius (Fr), Hypomyces odoratus Arnold из коллекции микроорганизмов кафедры низших растений Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Выращивание грибов проводили в пробирках со скошенным сусло-агаром при температуре 24—26°С в течение 7—10 сут. В качестве посевного материала использовали двух-трёхсуточный мицелий грибов, выращенный на жидкой среде с суслом 40 по Баллингу, который вносили в количестве 5% по объёму. В качестве минерального фона использовали компоненты среды Чапека—Докса в присутствии 5—10% древесно-растительного материала. Культивирование грибов вели глубинным и поверхностным способом [7].
Сырьём для выделения гемицеллюлоз, как химическим способом, так и после предварительной обработки культурами микроскопических грибов, служили свекловичный жом, кукурузные стержни, хвойные и берёзовые опилки. Извлечение гемицел-люлозы вели традиционным способом [8]. Полноту извлечения проверяли путём осаждения фракций А и Б соответственно, уксусной кислотой и этанолом. ГМЦ А осаждали подкислением экстракта уксусной кислотой до рН = 4,4. Для более полного осаждения раствор с осадком оставляли в холодильнике на 3—4 часа. Надосадочную жидкость отделяли центрифугированием. ГМЦ Б осаждали этиловым спиртом 96% в соотношении 1:2. Гемицеллюлозы А и Б промывали несколько раз 70- и 96-процентным этанолом. После этого проводили диализ в течение двух суток и препараты высушивали в эксикаторе. Исследуемые фракции гидролизовали 2-процентным HCl при модуле 1:100 и температуре кипения этого раствора. Моносахаридный состав определяли с помощью бумажной и тонкослойной хроматографии, используя систему растворителей: бутанол — пиридин — вода (6:4:3) [9, 10].
Результаты исследования. Из свекловичного жома гемицеллюлозы выделяли до и после предварительной обработки культурами микроскопических грибов. Как видно по рисунку 1, для полной экстракции гемицеллюлоз химическим способом из свекловичного жома оказалось недостаточно 10-процентной концентрации щёлочи. После ферментативной обработки и последующей экстракции щёлочью основная масса гемицеллюлоз извлекалась уже под воздействием низких концентраций щелочей, например 1- и 5-процентным №ОН. Выход гемицеллюлоз достигал 22—23%.
На рисунках 2—4 представлены результаты по суммарному выходу трудноизвлекаемых геми-целлюлоз из кукурузных стержней, берёзовых и хвойных опилок после культивирования на них микроскопических грибов. Согласно литературным данным, из кукурузных кочерыжек извлекается до 35% гемицеллюлоз, причём в стержнях початка кукурузы преобладают трудноизвлекаемые гемицеллюлозы и экстракцию рекомендуют вести 18-процентной щёлочью. В результате предварительной обработки биомассой грибов нам удалось извлечь значительное количество трудноизвлекае-мых гемицеллюлоз под воздействием 1-процентного №ОН, а максимальное количество получить 5-процентным раствором щёлочи.
В результате модификации традиционного метода извлечения гемицеллюлоз путём предварительной обработки берёзовых опилок биомассой микроскопических грибов выделили до 6,6% гемицеллюлоз 1-процентным щелочным раствором, до 36% — 5-процентным и около 4,9% — 10-процентным раствором №ОН. Общий выход гемицеллюлоз из берёзовых опилок составил 40,2%. Выделение гемицеллюлоз их хвойных опилок вели аналогично выделению из берёзовых опилок. Суммарный выход гемицеллюлоз из хвойных опилок составлял не более 22%, что подтверждается данными ряда исследователей.
25,00% -f, 20,00% Т
15,00%
■ Химический □Ферментативный
способ способ
Рис. 1 - Сравнительный анализ выхода ГМЦ из свекловичного жома химическим способом до и после ферментативной обработки
40,00%
30,00% У 20,00%% 10,00% У 0,00%
1%
5%
10%
|ГЦ ( А+Б)
Рис. 2 - Выход ГМЦ из стержней кукурузы после сокультивирования
40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%
1% 5% 10%
□ГЦ(А+Б)
Рис. 3 - Выход ГМЦ из берёзовых опилок после сокультивирования
1%
5% 10%
□ ГЦ(А+Б)
Рис. 4 - Выход ГМЦ из хвойных опилок после сокультивирования
Моносахаридный состав гемицеллюлоз из кукурузных стержней
Субстрат Бумажная хроматография Тонкослойная хроматография
Кукурузные стержни 1-процентного раствора ЫаОИ Кукурузные стержни 5-процентного раствора ЫаОИ Кукурузные стержни 10-процентного раствора ШОИ ксилоза, глюкоза ксилоза арабиноза, ксилоза ксилоза, глюкоза, ксилоза, арабиноза, арабиноза, ксилоза
В дальнейшей работе мы исследовали моно-сахаридный состав выделенных гемицеллюлоз и выявили, что во всех фракциях присутствует ксилоза (табл.). Простые сахара, в частности гексозы и пентозы, имеют практическую значимость и могут использоваться для производства кормовых белковых препаратов в кормопроизводстве, для получения ксилита, фурфурола, этанола, биогаза и других продуктов микробиологического синтеза.
Вывод. В результате нашего исследования был модифицирован метод извлечения гемицеллюлоз и простых сахаров из растительного сырья путём предварительной обработки микроскопическими грибами рода Нурошусвз - продуцентами карбоги-драз и лакказ. В результате выделения гемицеллюлоз по данной методике не происходит деструкции макромолекулы, что характерно при химическом выделении. Проведённое нами исследование может представлять практический интерес для создания не только экологически безопасных способов утилизации растительных отходов, но и для более эффективного извлечения гемицеллюлоз для промышленных нужд.
Литература
1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник для вузов. СПб.: СПбЛТА, 1999. 628 с.
2. Фенгел Д., Вегнер Г. Древесина: химия, ультраструктура, реакции. М.: Лесная промышленность, 1988. 512 с.
3. Соловьева И.В., Окунев О.Н., Вельков В.В. и др. Получение и свойства мутантов РгпгсШтш verruculosuш - суперпродуцентов целлюлаз и ксиланаз // Микробиология. 2005. Т. 74. № 2. С. 172-178.
4. Никитина О.В., Шлеев С.В. Горшина Е.С. и др. Выделение и очистка ферментов лигнолитического комплекса базидиального гриба Traшetes РиЬгзсгпъ и исследование их свойств // Биохимия. 2005. Т. 70. Вып. 11. С. 1548-1555.
5. Буракаева А.Д. Скрининг микофильных грибов с гидралазной и лакказной активностью // Образовательная среда сегодня и завтра: матер. VIII Междунар. науч.-практич. конф. М., 2013. С. 317-319.
6. Буракаева А.Д., Левин Е.В. Использование микофильного гриба Нурошусгз rosellus для получения гидролитических ферментов на углеводсодержащих средах // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. № 1 (1761). С. 124-126.
7. Грачёва И.М., Грачёв Ю.П., Мосичев М.С. и др. Лабораторные работы по технологии ферментных препаратов. М.: Лесн. и пищ. промышл., 1982. 240 с.
8. Шарков В.И., Куйбина И.И. Химия гемицеллюлоз. М.: Лесн. и пищ. промышл., 1972. 440 с.
9. Филиппович Ю.Б., Егорова Т.А., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. М.: Просвещение. 1982. 311 с.
10. Дроздова И.Л. Выделение и химическое изучение полисахаридов травы донника рослого (ШгНШт аЫЫшш Лт1Т) // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2004. № 1. С. 173-175.
