CC BY
79
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 661.734.1
Выделение хитин-и хитозанглюкановых биополимеров
из мицелиальных отходов производства лимонной кислоты
Л. В. Новинюк, канд. техн. наук; Д. Х. Кулев, д-р техн. наук, профессор; П. З. Велинзон, канд. техн. наук; Н. Ю. Шарова, д-р техн. наук, профессор РАН Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок, г. Санкт-Петербург
75
65
55
45
35
В производстве пищевой лимонной кислоты на стадии ее биосинтеза образуются многотоннажные отходы мицелиальной биомассы гриба Aspergillus niger, которая является ценным возобновляемым вторичным сырьевым ресурсом [1].
Известно, что в клеточной стенке микромицета Aspergillus niger может содержаться до 40% ценного природного полиаминосахарида хитина в виде пространственносшитого сополимера хитинглюканового комплекса (ХГК) [2-4]. За счет наличия высокоактивных функциональных аминогрупп хитин и его производные могут образовывать хелатные соединения с катионами тяжелых металлов и радионуклидов и сорбировать их; полисахариды хитина способны сорбировать также различные бактерии и токсины [5-7]. Благодаря своим уникальным свойствам хитинсодержащие биополимерные нанокомплексы имеют широкие перспективы использования для очистки радиоактивных сточных вод, в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве [8, 9]. В связи с этим изучение закономерностей выделения хитинглюкановых соединений из мицелиальной биомассы промышленного продуцента лимон-
ной кислоты Aspergillus niger весьма актуально и имеет как научный, так и практический интерес.
Цель настоящей работы заключается в исследовании биотрансформационных процессов выделения из мицелиальных отходов производства лимонной кислоты хитин-и хитозанглюкановых биополимеров с высокими сорбционными свойствами при реагентном кислотно-щелочном воздействии на биомассу гриба Aspergillus niger.
В качестве объектов исследования использовались промышленные образцы инактивированной биомассы гриба Aspergillus niger, полученные при глубинном культивировании лимонной кислоты на мелассных средах. Выделение ХГК связано в первую очередь с необходимостью удаления из мицелия сопутствующих растворимых моносахаридов, белковых соединений, липидов, пигментов и минеральных веществ. Поэтому на первом этапе ставилась задача изучить на стадиях депротеинизации и деминерализации возможность удаления указанных компонентов и выделение ХГК при кислотно-щелочной обработке биомассы без разрушения структуры и ацетамидных связей.
45
40
S 35
25
20
4
1 2 3 4 1 2 3
Продолжительность, ч Продолжительность, ч
а б
Зависимость количества удаленных из мицелиальной биомассы примесей от продолжительности воздействия и концентрации: а - соляной кислоты; б - гидроксида натрия
Установлено, что эффективность удаления образующихся в результате гидролиза продуктов в значительной степени зависит от концентрации реагентов. Увеличение продолжительности кислотно-щелочной обработки оказывает меньшее влияние и не является доминирующим фактором (рисунок).
Кислотный гидролиз, проводимый соляной кислотой с концентрацией более 5% в течение 3-4 ч при температуре около 60 °С приводит к деструктивным изменениям в ХГК и частичной потере глюкозами-на. При этом происходит снижение массы ХГК и изменение ее цвета; получаемая масса темнеет, плохо фильтруется, приобретая аморфную структуру. При щелочной обработке мицелиальной биомассы раствором гидроокиси натрия с массовой долей 3, 5 и 8% гидролиз протекает в более мягких условиях без разрушения биополимерного комплекса. Получаемый при этом ХГК имеет волокнистую структуру, подобно целлюлозе.
Полное удаление примесей, как показали исследования, достигается после второй щелочной обработки образующегося осадка слабым раствором гидроокиси натрия массовой долей не более 5%.
На втором этапе проводимых исследований изучалось воздействие на полученный ХГК концентрированных растворов гидроксида натрия с массовой долей 24, 30 и 40%. Было установлено, что воздействие концентрированных растворов гидрок-сида натрия с массовой долей более 20% на ХГК, выделенный из биомассы гриба Aspergillus niger, приводит к деацетилированию ацетамидных групп хитиновых звеньев и образованию хитозанглюканового комплекса (ХТЗГК) по ниже приведенному уравнению.
[СбН9О5 (NH - COC^)^ [C6H7O2 (OH) 3]m NaOH
конц ->
[С6Н9О5 (NH,)] [C6H7O, (OH)3] +
1-6 9 5 2 J n L 6 7 2 ' 3-1 m
+ CHCOONa.
Одновременно с деацетилиро-ванием при использовании ЫаОН с массовой долей выше 40% могут протекать деструктивные процессы, приводящие к разрыву гликозидных связей хитозановых цепей с отщеплением олигосахаридов, а также растворение их в реакционной смеси, что приводит к потере массы ХТЗГК. Поэтому в отличие от традиционного способа получения хитозана из панциря ракообразных выделение ХТЗГК из мицелиального хитина по реакции
s 30
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
деацетилирования предложено проводить в более мягких условиях -при воздействии гидроокиси натрия массовой долей не более 30% в течение 2,0-2,5 ч.
Из полученных образцов ХТЗГК путем последовательной обработки растворами - уксуснокислым, а затем щелочным - выделен низкомолекулярный хитозан с молекулярной массой от 600 до 20000 Da. Проведенные идентификационные испытания показали, что массовая доля аминного азота в низкомолекулярном хитозане составляет от 7,5 до 8,5%, степень деацетилирования -от 86 до 94%. Полученный хитозан за счет наличия функциональных аминогрупп, способных к хелатоо-бразованию, показал высокую сорб-ционную способность по отношению к ионам меди. Статическая обменная емкость, определенная по сорбции Си2+, составила от 190 до 220 мг/г хитозана.
Статическая обменная емкость (СОЕ) образцов ХГК, ХТЗГК и хитозана по сорбции ионов Си2+
Выделение хитин- и хитозанглюкановых биополимеров из мицелиальных отходов производства лимонной кислоты
Ключевые слова
Aspergillus niger; лимонная кислота; мицелиальная биомасса; сорбент; хитинглюкановый комплекс; хитозан
Реферат
В статье представлены результаты исследований по выделению из мицелиальных отходов производства пищевой лимонной кислоты хитин- и хитозанглюкановых полиаминосахаридов с высокими сорбци-онными свойствами. Выделение этих сорбентов связано в первую очередь с необходимостью удаления из мицелия сопутствующих белков, липидов, пигментов и минеральных веществ. Удаление этих компонентов возможно при реагентной кислотно-щелочной обработке биомассы гриба Aspergillus niger. Исследования проводили во Всероссийском НИИ пищевых добавок, г. Санкт-Петербург. Установлено, что эффективность удаления образующихся при этом продуктов гидролиза в значительной степени зависит от концентрации реагентов. Повышение температуры и увеличение продолжительности кислотно-щелочного воздействия оказывают меньшее влияние и не являются доминирующими факторами. При кислотном гидролизе, проводимом соляной кислотой массовой долей более 5% в течение 3-4 ч при температуре 60 °С, происходят деструктивные изменения в ХГК, приводящие к потере глюкозамина. При щелочной обработке мицелиальной массы раствором гидроокиси натрия гидролиз протекает в более мягких условиях - без разрушения биополимерного комплекса. Воздействие на полученный хитинглю-кановый комплекс концентрированных растворов гидроокиси натрия с массовой долей более 20% приводит к деацетилированию и образованию хитозанглюканового комплекса (ХТЗГК). Из полученного ХТЗГК путем последовательной обработки уксуснокислым, а затем щелочным растворами выделен низкомолекулярный хитозан, показавший высокую сорбционную способность по отношению к ионам меди. Показана возможность решения актуальной экологической задачи по переработке мицелиальных отходов производства лимонной кислоты с получением из биомассы гриба Aspergillus niger хитин- и хитозансодержащих сорб-ционноактивных биополимеров.
Авторы
Новинюк Людмила Васильевна, канд. техн. наук, Кулёв Дмитрий Христофорович, д-р техн. наук, профессор, Велинзон Полина Залмановна, канд. техн. наук, Шарова Наталья Юрьевна, д-р техн. наук, профессор РАН,
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок (ВНИИПД),191014, Санкт-Петербург, Литейный пр., д. 55, [email protected]
жающей среды. Справочник/Под ред. акад. РАСХН Е. Н. Сизенко. - М.: Пище-промиздат, 1999. - 448 с.
2. Muzzareiii R. A. A., Tanfani F., Scarpini G. // Biotechnol. Bioeng. -1980. - 22. - № 4. - P. 885-896.
3. Феофилова, Е. П. Клеточная стенка грибов/Е. П. Феофилова. - М.: Наука, 1983. - 248 с.
4. Немцев, Д. В. Образование хитин-глюканового комплекса в процессе онтогенеза AspergiUusniger: автореф. дисс. ... канд. биол. наук./Д. В. Немцев. -М., 1999. - 24 с.
5. Muzzareiii R. A. A., Sipos L. A. Chitozanfo the collection from seawater of natureUuoccurring zinc, cadmium, lead copper // Talanta. - 1980. -V. 18. - P. 853-856.
6. Селиверстов, А. Ф. Сорбция хитином, хитозаном и хитинсодержащими материалами радиоактивных элементов из водных растворов: автореф. дисс. . канд. хим. наук/А. Ф. Селиверстов. - М., 2004. - 24 с.
7. Магомедов, З. Б. Извлечение катионов тяжелых металлов из виноматериа-лов с помощью хитозана/З. Б. Магомедов, З. Б. Мамедов, Т. Э. Маметнабиев // Хранение и переработка сельхозсырья. -2014. - № 6. - С. 31-34.
8. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение/Под ред. К. Г. Скрябина, Г. А. Вихоревой, В. П. Варламова. -М.: Наука, 2002.
9. Ильина, А. В. Получение, исследование и перспективы использования наночастиц на основе хитозана и га-лактоманнана/ А. В. Ильина [и др.] // Российские нанотехнологии. - 2011. -Т. 6. - № 1-2. - С. 18-23.
Isolation of Chitin and Chitosan Glucan Biopolymers from Mycelial Waste Citric Acid Production
Key words
Aspergillus niger; citric acid; mycelial biomass; sorbent; chitinglucan complex; chitosan
Abstracts
The article presents the results of studies on the allocation of food production waste filamentous citric acid and chitin- chitosanglucan polyamino-saccharides with high sorption properties. Isolation of these sorbents is associated primarily with the necessity of removing the mycelium accompanying proteins, lipids, pigments and mineral substances. Removal of these components is possible with an acid reagent to an alkaline treatment of biomass of the fungus Aspergillus niger. Research conducted at All-Russian Research Institute of food additives, St. Petersburg. The efficiency of removal of this generated during the hydrolysis products is largely dependent on the reactant concentration. An increase in temperature and an increase in the duration of acid-base effects have less impact and are the dominant factors. In acid hydrolysis conducted with hydrochloric acid mass fraction of more than 5% within 3-4 hours at a temperature of 60 ° C occur in ChGK destructive changes leading to loss of glucosamine. In the alkali treatment mycelial mass sodium hydroxide hydrolysis occurs under milder conditions without destroying the complex biopolymer. The impact on the resulting chitin glucan complex of concentrated sodium hydroxide solution with a mass fraction of 20% results in deacetylation and education hitozanglyukan complex (ChZGC). From ChZGC received by sequential treatment with acetate, and then the alkaline solution recovered low molecular weight chitosan, which showed a high sorption capacity with respect to copper ions. The possibility of solving urgent environmental problems processing mycelial waste production of citric acid to produce biomass of the fungus Aspergillus niger chitin and chitosan-containing sorbtion active polymers.
Authors
Novinyuk Lyudmila Vasilievna, Candidate of Technical Sciences,
Kulev Dmitry Hristoforovich, Doctor of Technical Sciences, Professor,
VelinzonPolineZalmanovna, Candidate of Technical Sciences,
Sharova Natalya Jurievna, Doctor of Technical Sciences, Professor,
All-Russian Research Institute for Food Additives (VNIIPD)
191014, St. Petersburg, Liteiny pr., 55, [email protected], www.vniipd.ru
№ п / п СОЕ, мг/ г
ХГК ХТЗГК Хитозан
1 87,5 139,1 190,7
2 105,2 158,7 210,5
3 110,8 164,1 220,1
Таким образом, в результате реа-гентного деструктивного воздействия на биомассу гриба Aspergillus niger при установленных параметрах процессов выделены хитин- и хи-тозансодержащие биополимеры, обладающие высокой сорбционной способностью.
На основании результатов проведенных исследований разработана принципиальная схема выделения хитин- и хитозанглюкановых соединений, включающая двухстадийную щелочную обработку мицелиаль-ной массы и проведение при этом процессов депротеинизации и деминерализации для удаления сопутствующих примесей, выделение ХГК, а затем по реакции деацетилирования получение ХТЗГК, обработку его соответствующими растворами уксусной кислоты и гидроокиси натрия и выделение нерастворимого в щелочи хитозана.
Результаты исследований позволяют решать экологические проблемы по переработке мицелиальных отходов производства пищевой лимонной кислоты с получением из биомассы гриба Aspergillus niger высокоэффективных сорбентов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вторичные сырьевые ресурсы пищевой и перерабатывающей промышленности АПК России и охрана окру-
