Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Существует мнение, что максимальный эффект оптимизации условий ферментации для получения целлюлазы достигается при периодической глубинной культуре с подпиткой. Это исключает проблемы, связанные с высокой исходной концентрацией целлюлозы в среде, при сохранении преимуществ общей высокой концентрации субстрата (Watson, 1984). McLean и Podruzny (1985) полагают, что при периодической культуре с подпиткой можно одновременно добиться высокой продуктивности (производительности, высоких концентрации и выхода фермента).
Показана возможность активного биосинтеза целлюлаз клетками Trichoderma reesei, иммобилизованными в пористых сферических гранулах на среде с порошкообразной целлюлозой и в
73
композитах пористого полимерного матрикса (Kamakura et al., 1984; Kamakura, Kaetsu, 1984). Иммобилизованные в альгинате кальция клетки Sclerotium rolfsii при инкубировании с целлюлозой продуцируют эндоглюканазу и р-глюкозидазу (Deshpande et al., 1987). Такие системы аналогичны твердофазной ферментации и создают преимущества для получения ферментов в маленьких компактных системах.
Смешанное культивирование двух культур Trichoderma reesei и Aspergillus phoenicus (продуцента |3-глюкозидазы) повышает гидролитический потенциал целлюлазного комплекса, что выражается в увеличении выхода продуктов и скорости гидролиза при более высокой концентрации ферментов (Dutt, 1985).
Известно, что целлюлазы облагораживают корма, служат кормовой добавкой в рационы домашней птицы, повышают выход белков, жиров, крахмала, сахаров, эфирных масел, стероидов при разрушении растительных клеточных стенок. В медицине целлюлазы могут быть использованы для улучшения перева-риваемости пищи. Препараты целлюлаз нашли применение в препаративной цитологии и молекулярной биологии для получения протопластов. В ближайшем будущем целлюлазы будут применяться для получения глюкозы и этанола из целлюлозосодержащего растительного сырья (Гернет, 1985). Целлюлаза Trichoderma reesei снижает количество глюканов, уменьшает вязкость и повышает фильтруемость на стадиях приготовления сусла и первичной ферментации пива (Oksanen et al., 1985).
В целлюлозно-бумажной промышленности целлюлазу можно использовать для придания древесине новых технологических свойств. Ферментативные препараты при определенных условиях ускоряют процесс размола целлюлозной массы и отходов древесины. Механические свойства бумаги при этом улучшаются.
Многие авторы указывают на возможность применения препаратов целлюлолитических ферментов гриба при силосовании. Сахара, образующиеся при действии целлюлолитических ферментов, способствуют развитию бактерий. В результате силос консервируется, обогащается белком, органическими кислотами и другими питательными веществами (Henderson, McDonald, 1977; Vaisto et al., 1978; Ташпулатов, 1980).
Ферментативный гидролиз лигпоцеллюлозы может интенсивно протекать только после ее предварительной предобработки. Предобработка нативной целлюлозы растворителями нарушает кристаллическую структуру целлюлозы, образуется аморфная целлюлоза, которая гораздо более чувствительна к действию целлюлаз (Sasaki et al., 1979). Измельчение субстрата само по себе мало влияет на его гидролиз, однако в сочетании с прогреванием оно эффективно повышает чувствительность субстрата к гидролизу. Прогретая, затем измельченная целлюлозная пульпа быстрее гидролизуется, чем размолотая, а затем прогретая.
Предобработка багассы паром (перед осахариванием целлю-
74
лазой) имеет, по данным Rao et al. (1983), преимущество перед щелочной обработкой, так как в среде не накапливается NaCl, поэтому возможны более высокие концентрации целлюлозы и получение соответственно более высоких концентраций глюкозы. Автоклавирование пшеничной соломы в течение 45 мин в режиме 180 °С в 4 раза повышает чувствительность к последующему ферментативному гидролизу. Особенно эффективно последующее удаление растворимых компонентов лигнина и гемицеллюлозы экстракцией водой или водным раствором этанола при повышенной температуре. После такой обработки гидролизуется 80% целлюлозы в соломе (Linden et al., 1981). Обработка древесины паром при 170—210 °С повышает солюбилизацию гемицеллюлоз, чувствительность целлюлоз к последующему ферментативному гидролизу и увеличивает выход этанола (Poutanen et al., 1985).
Для улучшения осахаривания свекловичного жома целлюла-зами Trichoderma reesei предлагают автоклавирование, химическую предобработку кислотой или щелочью и энзиматическую предобработку пектиназой. Наиболее эффективным методом предобработки целлюлозных субстратов Mandels (1984) считает паровой взрыв, который представляется экономически выгодным при обработке древесины и сельскохозяйственных отходов.
Каткевичем и др. (1981) показано, что лигнин, не удаленный из соломы щелочной обработкой, ингибирует целлюлолитические ферменты. Наибольшие глубина и скорость гидролиза и наименьшая степень ингибирования фермента наблюдаются у целлюлоз, содержащих менее 3% лигнина. Поэтому необходима предобработка субстрата и удаление лигнина. Возможна биологическая делигнификация. Предобработка щелочами эффективна, но дорогостояща. Осуществить ее без затрат можно, если материал использовать в каком-либо процессе до гидролиза целлюлозы, например для получения фурфурола или ксилита. Однако потребность в этих соединениях ограничена. Предполагается, что тонкая структура целлюлозы в большей степени влияет на ферментативный гидролиз, чем просто площадь поверхности взаимодействия с субстратом (Fan et al., 1980). Поэтому наиболее эффективным методом предобработки следует считать тот, при котором воздействие направлено на структуру целлюлозы.
