Способы предобработки тростника для получения ферментативных гидролизатов с высоким содержанием сахаров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследованы способы предобработки тростника (измельчение, гидротермическая обработка, обработка растворами кислот или щелочи, органосольвом, глубокими эвтектическими растворителями) и их влияние на его последующий ферментативный гидролиз комплексами целлюлаз и гемицеллюлаз. Субстраты с наибольшей реакционной способностью были получены при воздействии на тростник слабощелочного глубокого эвтектического растворителя (ГЭР) и раствора щелочи. Глубина ферментативного гидролиза этих предобработанных субстратов составила 63 и 59%, а степень конверсии полисахаридов (целлюлозы и гемицеллюлозы) в моносахара с учетом выхода субстрата на стадии предобработки – 60 и 34% соответственно. После предобработки тростника кислотным ГЭР, водяным паром, водным или водно-органическим раствором серной кислоты глубина ферментативного гидролиза составила 45, 25, 20 и 11%, а степень конверсии полисахаридов с учетом выхода субстрата – 26, 18, 13 и 10% соответственно. Промышленный ферментный препарат Агроцелл Плюс с преимущественным содержанием целлобиогидролаз и эндоглюканаз был наиболее эффективен при гидролизе пылевой фракции тростника, а также тростника, предобработанного раствором серной кислоты или ГЭР (кислотного или слабощелочного). Препарат Агроксил Плюс, содержащий эндоксиланазу и целлобиогидролазы, был эффективнее при гидролизе тростника после гидротермической предобработки или обработки раствором щелочи. Результаты гидролиза тростника, предобработанного кислотным или слабощелочным ГЭР, под действием индивидуальных (гомогенных) целлюлаз, свидетельствовали, что в обоих случаях ключевым ферментом была целлобиогидролаза 1.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. В. Семенова

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

А. М. Рожкова

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

Д. О. Осипов

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

В. Д. Телицин

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

Е. А. Рубцова

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

Е. Г. Кондратьева

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

И. С. Васильева

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

О. В. Морозова

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

А. И. Ярополов

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

А. П. Синицын

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН (ФИЦ Биотехнологии РАН)

Email: amrojkova@yahoo.com
Россия, Москва, 119071

Список литературы

  1. Гусаков А.В., Синицын А.П. // Химия биомассы: биотоплива и биопластики. М.: Научный мир, 2017. 789 с. ISBN 978-5-91522-451-2
  2. Количественный химический анализ растительного сырья. / Ред. В.И. Шарков, И.И. Куйбина, Ю.П. Соловьева, Т.А. Павлова. М.: Лесная промышленность, 1976. С. 63–64.
  3. Dibyajyoti H., Kumar P. // Process Biochem. 2020. V. 89. P. 110–133. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2019.10.001
  4. Gusakov A.V. // Biofuels. 2013. V. 4. № 6. P. 567–569. https://doi.org/10.4155/bfs.13.55
  5. Teter S.A., Brandon S.K., Emme B. Enzymatic Processes and Enzyme Development in Diorefining // Advances in Biorefineries. 2014. P. 199–233. https://doi.org/10.1533/9780857097385.1.199
  6. Sun Q., Foston M., Meng X., Sawada D., Pingali S.V., O’Neill H. M.,et al. // Biotechnol. Biofuels. 2014. V. 7. № 150. P. 1–14. https://doi.org/10.1186/s13068- 014-0150-6
  7. Yang B., Dai Z., Ding S.-Y., Wyman C.E. // Biofuels. 2011. V. 2. № 4. P. 421–449. https://doi.org/10.4155/bfs.11.116
  8. Kumar P., Barrett D.M., Delwiche M.J., Stroeve P. // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. V. 48. P. 3713–3729. https://doi.org/10.1021/ie801542g
  9. Karimi K., Taherzadeh M.J. // Bioresour. Technol. 2016. V. 200. P. 1008–1018. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.11.022
  10. Liguori R., Ventorino V., Pepe O., Faraco V. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016. V. 100. № 2. P. 597–611. https://doi.org/10.1007/s00253-015-7125-9
  11. He Y.-C., Ma C.-L., Yang B. // Fungal Cellulolytic Enzymes. Microbial production and application. / Ed. Xu Fang, Yinbo Qu. Springer. 2018. P. 1–25. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0749-2_1
  12. Alvira P., Tomáspejó E., Ballesteros M., Negro M.J. // Bioresour. Technol. 2010. V. 101. № 13. P. 4851–4861. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.093
  13. Paudel S.R., Banjara S.P., Choi O.K., Park K.Y., Kim Y.M., Lee J.W. // Bioresour. Technol. 2017. V. 245. P. 1194–1205. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.182
  14. Hideno A., Inoue H., Tsukahara K., Fujimoto S., Minowa T. Inoue S., Endo T., Sawayama S. // Bioresour. Technol. 2009. V. 100. P. 2706–2711. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.12.057
  15. Ghizzi G., Silva D., Couturier M., Berrin J.-G., Buléon A., Rouau, X. // Bioresour. Technol. 2012. V. 103. P. 192–210. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.09.073
  16. Bobleter O., Concin R. // Cellulose Chemistry and Technol. 1979. V. 13. P. 583–593.
  17. Павлов И.Н. // Ползуновский вестник. 2018. № 1. С. 148–152. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2018.01.028
  18. Bali G., Meng X., Deneff J.I., Sun Q., Ragauskas A.J. // ChemSusChem. 2015. V. 8. P. 275–279. https://doi.org/10.1002/cssc.201402752
  19. Prajapati B.P., Jana U.K., Suryawanshi R.K., Kango N. // Renewable Energy. 2020. V. 152. P. 653–663. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.01.063
  20. Liu I., Li Z. // RSC Advances. 2017. V. 7. P. 47456–47463. https://doi.org/10.1039/C7RA08101D
  21. Qing Q., Zhou L.L., Guo Q., Huang M.Z., He Y.C., Wang L.Q., Zhang Y. // Bioresour. Technol. 2016. V. 218. P. 209–216. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.063
  22. Rabemanolontsoa H., Saka S. // Bioresour. Technol. 2016. V. 199. P. 83–91. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.029
  23. Mishra A., Ghosh S. // Fuel. 2019. V. 236. P. 544–553. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.09.024
  24. Woiciechowski A. L., Dalmas Neto C.J., Vandenberghe L.P.S., Carvalho Neto D.P., Sydney A.C.N., Letti L.A.J. et al. // Bioresour. Technol. 2020. V. 304. 122848. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122848
  25. Yu Z., Du Y., Shang X., Zheng Y., Zhou J. // Industrial Crops and Products. 2018. V. 124. P. 555–562. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.08.029
  26. Nitsos C., Matsakas L., Triantafyllidis K., Rova U., Christakopoulos P. // Biofuels. 2018. V. 9. P. 545–558. https://doi.org/10.1080/17597269.2017.1378988
  27. Liu Q., Li W., Ma Q., An S., Li M., Jameel H., Chang H.M. // Bioresour. Technol. 2016. V. 211. P. 435–442. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.03.131
  28. Ostovareh S., Karimi K., Zamani A. // Industrial Crops and Products. 2015. V. 66. P. 170–177. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.12.023
  29. He Y.C., Liu F., Di J.H., Ding Y., Tao Z.C., Zhu Z.Z. et al.. // Industrial Crops and Products. 2016. V. 81. P. 129–138. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.11.079
  30. Arato C., Kendall P., Gjennstad G. // Appl. Biochem. and Biotechnol. 2005. V. 123. P. 871–882. https://doi.org/10.1007/978-1-59259-991-2_74
  31. Satlewal A., Agrawal R., Bhagia S., Sangoro J., Ragauskas A.J. // Biotechnol. Adv. 2018. V. 3. P. 2032–2050. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.08.009
  32. Zhao H., Baker G.A. // J. Chemical Technol. and Biotechnol. 2012. V. 88. P. 3–12. https://doi.org/10.1002/jctb.3935
  33. New E.K., Wu T.Y., Lee C.B., Poon Z.Y., Loow Y.-L., Foo L.Y.W. et al. // Process Safety and Environmental Protection. 2019. V. 123. P. 190–198. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.11.015
  34. Chen Z., Jacoby W.A., Wan C. // Bioresour. Technol. 2019. V. 279. P. 281–286. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.01.126
  35. Chong G., Di J., Ma C., Wang D., Wang C., Wang L., Zhang P., Zhu J., He Y. // Bioresour. Technol. 2018. V. 261. P. 196–205. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.04.015
  36. Синицын А.П., Синицына О.А. // Успехи биологической химии. 2021. Т. 61. С. 347–414.
  37. Morozova V.V., Gusakov A.V., Andrianov R.M., Pravilnikov A.G., Osipov D.O., Sinitsyn A.P. // Biotechnol. J. 2010. V. 5. № 8. P. 871–880. https://doi.org/10.1002/biot.201000050
  38. Dotsenko G.S., Gusakov A.V., Rozhkova A.M., Korotkova O.G., Sinitsyn A.P. // Process Biochem. 2015. V. 50. P. 1258–1263. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2015.05.008
  39. Синицын А.П., Черноглазов В.М., Гусаков А.В. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, Биотехнология. 1990. № 25. С. 148.
  40. Korotkova O.G., Semenova M.V., Morozova V.V., Zorov I.N., Sokolova L.M., Bubnova T.M. et al. // Biochemistry (Moscow). 2009. V. 74. № 5. P. 569–577. https://doi.org/10.1134/S0006297909050137
  41. Синицына О.А., Бухтояров Ф.Е., Гусаков А.В., Окунев О.Н., Беккаревич А.О. и др. // Биохимия. 2003. Т. 68. № 11. С. 1494–1505.
  42. Осипов Д.О., Булахов А.Г., Короткова О.Г., Рожкова А.М., Дуплякин Е.О. и др. // Катализ в промышленности. 2016. Т. 16. С. 75–82. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-5-75-82
  43. Procentese A., Johnson E., Orr V., Garruto Campanile A., Wood J.A., Marzocchella A. et al. // Biores. Technol. 2015. V. 192. P. 31–36. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.053
  44. Zhang C.-W., Xia S.-Q., Ma P.-S. // Biores. Technol. 2016. V. 219. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.07.026
  45. Wahlstrom R., Hiltunen J., Pitaluga De Souza Nascente Sirkka M., Vuoti S., Kruus K. // RSC Adv. 2016. V. 6. № 72. P. 68100–68110. https://doi.org/10.1039/C6RA11719H
  46. Семенова М.В., Васильева И.С., Ярополов А.И., Синицын А.П. // Прикл. биохимия микробиология. 2023. Т. 59. №3. С. 253–259. https://doi.org/10.31857/S0555109923030169
  47. Синицын А.П., Осипов Д.О., Цурикова Н.В., Великорецкая И.А., Шашков И.А., Зверев С.В. // Биотехнология. 2016. Т. 1. С. 27–36. https://doi.org/10.21519/0234-2758-2016-1-27-36
  48. Доценко Г.С., Осипов Д.О., Зоров И.Н., Синицын А.П. // Катализ в промышленности. 2015. Т. 15. С. 67–73. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2015-5-67-73

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Тростник с разной степенью измельчения на ножевой мельнице: 1 – пылевая фракция, 2 – грубая фракция, 3 – исходный тростник.

Скачать (285KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Глубина гидролиза грубой (1) и пылевой фракций (2) измельченного тростника после 48 ч обработки ФП Агроцелл Плюс (10 мг белка/г субстрата) и F10 (1 мг белка/г субстрата) при 50°С, рН 5.0. На оси абсцисс указана концентрация субстрата.

Скачать (55KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Концентрация ВС после 48 ч гидролиза тростника (40 г/л), предобработанного ГЭР ХХл с МК (1) или МЭА (2), под действием очищенных ферментов (10 мг белка/г субстрата) с добавлением β-глюкозидазы (1 мг белка/г субстрата) при 50°С, рН 5.0: ЦБГ – целлобиогидролаза, ЭГ – эндоглюканаза, ЭК – эндоксиланаза.

Скачать (51KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Концентрация ВС после 48 ч гидролиза тростника (40 г/л), предобработанного ГЭР ХХл с МК (1, 2) или МЭА (3, 4), под действием смесей очищенных ферментов (4.5 мг общего белка/г субстрата) с добавлением β-глюкозидазы (0.45 мг белка/г субстрата) при 50°С, рН 5.0: 1 и 3 – смеси ЦБГ с ЭГ; 1, 2 и 4 – с ЭК. На оси абсцисс указано процентное содержание целлобиогидролаз в смесях относительно общего содержания ферментов.

Скачать (84KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024