Исследовательская компания Abercade представляет обзор альтернативных технологий производства ферментных препаратов с применением отходов агропромышленного сектора, подготовленных на основе Обзора рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах.
Промышленное производство ферментных препаратов является одной из возможных альтернатив биорационального использования отходов агропромышленного сектора сельского хозяйства.
Проблема рациональной утилизации агропромышленных отходов является важной для экономики сельского хозяйства. Агропромышленные отходы- самые богатые и возобновляемые ресурсы на земле. В год производится более за 300 миллионов тонн лигнинсодержащих агроотходов. Накопление биомассы в большом объёме каждый год сказывается не только в ухудшении экологической обстановки окружающей среды, но и в потере ценного материала, который при определенной обработке может служить источником для пищевой, химической промышленности и энергетики.
Агропромышленные отходы представляют собой растительные части сельскохозяйственных культур, которые после уборки и технической обработки не используются в качестве источника пищи или волокон и имеют в своем составе лигнинцеллюлозу, состоящую из волокон целлюлозы и лигнина, которые связаны между собой молекулами разветвленного полисахарида гемицеллюлозы..
Методы обработки агропромышленных отходов сводятся к физическим, химическим, механическим и ферментативным. Логично предположить что любые из этих методов предполагают материальные и энергетические затраты, что сказывается на экономической целесообразности использования агроотходов. Микробиологический синтез на агропромышленных субстратах позволяет упростить этот этап, так как микробные организмы разлагают основные компоненты отходов в процессе своей жизнедеятельности.
Для утилизации агроотходов с использование микробного синтеза рекомендуется применять технологии твердофазного культивирования. Это связано с особенностями роста мицелия грибных штаммов-продуцентов, позволяющими проникать в твердые субстраты.
Однако использование агроотходов в качестве сырья для биотехнологического производства имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах, Abercade
Каждый из типов агропромышленных отходов имеет определенный состав, питательную ценность, начальную влажность, консистенцию и, следовательно, приставляет различный интерес в качестве субстратов для биотехнологической переработки. Современные методы обработки сельскохозяйственных культур, постоянно улучшаются, что приводит к снижению концентрации ценных питательных веществ в агроотходах.
Описание основных технологий производства α-амилазы и глюкоамилазы
α-амилаза (КФ 3.2.1.1; α-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза; гликогеназа) является кальций-зависимым ферментом. α-амилаза способна гидролизовать α-1,4-гликозидную связь в полисахаридной цепи крахмала и других длинноцепочечных углеводов. Таким образом, процесс гидролиза приводит к образованию олигосахаридов различной длины.
Основные сферы применения а-амилазы
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах, Abercade
Глюкоамилаза (КФ 3.2.1.3, α-1,4-глюканглюкогидролаза, амилоглюкозидаза) широко распространена в природе. Она синтезируется многими микроорганизмами и образуется в животных тканях. Глюкоамилаза катализирует гидролиз α-1,4 и α-1,6 – гликозидных связей в крахмале. Фермент последовательно отщепляет концевые остатки α-D-глюкозы с нередуцирующих концов амилозы и амилопектина.
Глюкоамилаза используется главным образом в пищевой промышленности для производства глюкозных и фруктозных растворов из крахмала, также применяется в кондитерской индустрии, хлебопечении, при производстве соков, в пивоварении. Фермент используется как добавка к сельскохозяйственным кормам, в текстильной промышленности, фармацевтической и химической (производство детергентов).
Пищевая и спиртовая промышленность потребляет до 90% произведенных карбогидраз.
Описание основных технологии производства α-амилазы
В настоящее время для промышленного получения α-амилазы применяют продуцентов Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Bacillus stearothermophilus, Aspergillus oryzae.
Для производства α-амилазы применяют как глубинный, так и поверхностный метод культивирования. Традиционно фермент получают глубинным способом ферментации, что связано с простотой получения ферментного препарата, лучшего контроля основных процессов культивирования. Для данного способа ферментирования с использованием бактериальных продуцентов применяют в основном синтетические питательные среды. Хотя в последнее время отмечается тенденция к замене дорогих компонентов среды (гидролизованный крахмал, пептон) более доступными агроотходами.
Поверхностное культивирование представляет альтернативу традиционному глубинному культивированию. Еще в начале 20 века были разработаны технологии по производству амилазы из пшеничных отрубей, используя поверхностное культивирование с использованием ротационно-барабанных биореакторов. Такие технологии применяются сейчас для производства традиционного японского напитка коджи.
Поверхностное культивирование для производства амилазы с использованием грибных продуцентов имеет не только технические и экономические преимущества, над глубинным культивированием. Микроскопические грибы, обладают гифальным ростом, что позволяет глубоко проникать мицелию в культуральную среду и быть толерантным к низкой влажности субстрата.
Интересен факт, что для твердофазного культивирования успешно применяют бактерий рода Bacillus. Производство бактериальных амилаз, с использованием этого метода, уменьшает время культивирования до 24-48 часов.
Выделение и очистка ферментного препарата после культивирования наиболее дорогостоящий процесс, определяющий возможность применения той или иной технологии. Большинство ферментных препаратов выделяются из среды при помощи хроматографических методов. Сейчас разработаны методы одностадийного выделения ферментов. Если не требуется высокоочищенных ферментных препаратов амилазы, то возможно применять метод осаждения сульфатом аммония. В случае применения технологий твердофазного культивирования, в субстрате накапливается высокая концентрация фермента, возможно использовать мелкоизмельченный пек культурационной среды, как амилолитический ферментный препарат (например, в кормовых добавках).
Наглядно выглядит сравнение двух технологий по производству амилазы. При применении глубинного способа культивации штамма-продуцента Bacillus licheniformis CBBD302 (Jiangnan University, China, 2009) на синтетической питательной среде сообщается выход фермента 17530 ед/мл, в то время как при твердофазном культивировании на пшеничных отрубях продуцента Bacillus sp. PS-7 зафиксирован выход фермента 464000 ед/г.
Большинство публикаций 2005-2009 годов рассматривает производство карбогидраз на агросубстратах, используя поверхностное культивирование, как перспективное направление. Исследовательские центры, рассматривающие данную тему, сосредоточены в Индии, Китае, Японии, Тайване, Турции, Бразилии, Иране и Пакистане. Также встречаются публикации российских исследователей. Однако большинство описанных технологий находится на стадии лабораторных испытаний.
Большинство исследователей сходятся во мнении, что применение пшеничных и рисовых отрубей, в качестве субстрата для твердофазного культивирования наиболее продуктивно. Также в качестве потенциального сырья для производства амилазы, рассматриваются агроотходы: подсолнечниковый шрот, шелуха риса, семена хлопка, соевый жмых, отруби риса, банановые отходы, просо и др.
Наиболее перспективно производить термоустойчивые амилолитические препараты. Применение таких ферментов позволяет увеличивать реакционную температуру (до 90°С), что позволяет минимизировать риск микробного загрязнения, уменьшает время реакции, что позволяет уменьшить расход энергии. Термостабильные ферменты используют в спиртовой промышленности. При твердофазном культивировании ферментные препараты амилаз более термостабильны.
С помощью твердофазного метода культивирования на агроотходах возможно получать кислотоустойчивые амилазы (Aspergillus kawachii IFO 4308), термостабильные амилазы (Thermomyces lanuginosus ATCC 58160), а также комплексные ферментные препараты (Rhizopus oryzae MUCL 28168, амилаза + глюкоамилаза, Streptomyces rimosus TM-55 и Aspergillus niger, амилаза + протеаза).
Основные технологии, встречающиеся в научной литературе, за последние 10 лет, по производству α-амилазы на отходах агропромышленности с использованием поверхностного метода культивирования, представлены в таблице.
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах, Abercade
Описание основных технологии производства глюкоамилазы
Традиционно глюкоамилазу производят с использованием глубинных методов культивирования. В последние годы, появляется все больше публикаций, описывающих преимущества поверхностного метода культивирования, для промышленного получения фермента.
Глюкоамилаза синтезируется многими грибными продуцентами Aspergillus awamori, Aspergillus saitoi, Aspergillus oryzae, Rhizopus sp, Mucor sp, Penicillium sp., и дрожжами. Коммерческое использование на сегодняшний день имеют штаммы продуценты родов Aspergillus и Rhizopus, причем последний является лучшим продуцентом амилолитических энзимов.
Большинство публикаций последнего десятилетия рассматривает производство глюкоамилаза на агросубстратах, используя поверхностное культивирование, как перспективное направление. Исследовательские центры, рассматривающие данную тему, сосредоточены в Индии, Бангладеш, Нигерии и Бразилии. Однако большинство описанных технологий находится на стадии лабораторных испытаний, хотя и рекомендуются для промышленного применения. В качестве субстрата для твердофазного культивирования продуцентов глюкоамилазы наиболее продуктивно использовать рисовые и пшеничные отруби. Есть данные об эффективном использовании кокосового шрота и копры, измельченную маниоку, арахисовый шрот, яблочный жом, банановые отходы тростниковую мелассу.
В таблице приведены основные технологии, встречающиеся в научной литературе, за последние 10 лет, по производству глюкоамилазы на отходах агропромышленности с использованием поверхностного метода культивирования.
Основные технологии производства глюкоамилазы на агросубстратах
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах, Abercade
При культивировании глюкоамилазы, особенно при использовании крахмального сырья рекомендовано добавлять в среду растворы глюкозы или сахарозы. Это необходимо для преимущественной экспрессии глюкоамилазы, так как часто продуценты синтезируют совместно амилазу и глюкоамилазу.
Для сравнения рассмотрим технологию применения глубинного способа культивации штамма-продуцента Rhizopus sp. RFF (Jahangirnagar University, Dhaka, 2008) на синтетической питательной среде и Rhizopus oryzae, MUCL 28627, (Universidade Federale do Param, Brasil 1994) на сырой измельченной маниоке. При применении первой технологии используется более дорогое сырье, выход фермента меньше − 8,3 ед/мл, тогда как при использовании второй технологии выход − 108 ед/г.
Также исследователями отмечается что глюкоамилаза, полученная при использовании твердофазной ферментации, имеет более перспективные для промышленного использования характеристики, чем при глубинном культивировании.
Продолжение обзора альтернативных технологий производства ферментных препаратов с применением отходов агропромышленного сектора следует.
Источник: Abercade
