Зависимость роста редуцирующих веществ от продолжительности ферментации обогащенных отходов переработки злаков

Будаева В. В., Эолотухин В. Н., Митрофанов Р. Ю., Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, Бийск, Алтайский край, Россия

Поиск путей эффективного использования недревесного целлюлозосодержащего сырья (ЦСС) в биотехнологическом производстве весьма актуален.

Cообщение, сделанное на конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов» в 2010 г., было посвящено разработке способов обогащения целлюлозой ЦСС и исследованию реакционной способности продуктов, полученных из плодовых оболочек овса, к ферментативному гидролизу.

Цель данной работы — изучение зависимости роста редуцирующих веществ от продолжительности ферментации отходов переработки злаков, обогащенных целлюлозой.

Объектами исследования служили два вида недревесного концентрированного ЦСС: плодовые оболочки овса и солома овса.

Способы химического обогащения отходов переработки злаков:

— окислительная (азотной кислотой) делигнификация при атмосферном давлении;

— комбинация щелочной (гидроокисью натрия) и окислительной (азотной кислотой) делигнификации при атмосферном давлении;

— натронная (гидроокисью натрия) варка в автоклаве и отбелка перекисью водорода в щелочной среде при атмосферном давлении.

Ферментацию исходного и обогащенных целлюлозой продуктов проводили в колбах на перемешивающей платформе при температуре 50 °С в течение 72 ч. В каждую колбу поместили навеску исследуемого субстрата и ацетатный буфер (рН = 4,7), в котором растворен ферментный комплекс «ЦеллоЛюкс-А» (производство — г. Бердск). Через определенные промежутки времени отбирали пробу и спектрофотометрическим методом с использованием 3,5-динитросалициловой кислоты измеряли в фильтрате концентрацию редуцирующих веществ (РВ) в пересчете на глюкозу. По окончании ферментации гравиметрическим методом определяли убыль массы субстрата, а методом Бертрана — концентрацию редуцирующих веществ после инверсии гидролизата в фильтрате.

Зависимости концентрации РВ в пересчете на глюкозу от продолжительности ферментации исходного сырья и продуктов переработки представлены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости концентрации РВ в пересчете на глюкозу от продолжительности ферментации для исходного сырья и продуктов переработки плодовых оболочек (а) и соломы (б) овса

В обоих случаях исходное сырье подвергается ферментации в наименьшей степени. Это обусловлено и высоким содержанием лигнина, который экранирует действие ферментов, и прочностью лигноцеллюлозной матрицы. Тем не менее за 16—24 ч концентрация глюкозы достигает 1 г/дм³. Наибольшее содержание глюкозы получено при ферментации образца измельченной беленой целлюлозы, что связано с максимальным удалением лигнина и разрыхлением ее структуры под действием химической и механической предобработок. Промежуточные величины получены для лигноцеллюлозного материала и волокнистого продукта.

Физико-химические свойства субстратов соломы овса и результаты ферментации исходной соломы и обогащенных целлюлозой продуктов ее переработки приведены в таблице.

Показатель		Солома овса	Беленая целлюлоза	Лигноцеллюлозный материал	Волокнистый продукт
Влажность, %		5,00	4,30	5,50	5,20
Зольность, %		5,60	2,50	5,40	0,60
Остаточный лигнин, %		18,80	3,95	10,57	2,53
Убыль по массе, г		0,30	1,00	1,65	2,30
Выход (по убыли массы), %		6,00	20,00	33,00	46,00
Концентрация, г/дм³	глюкозы	1,32	3,73	3,09	2,69
Концентрация, г/дм³	РВ после инверсии	1,46	8,70	8,47	12,71
Выход на навеску субстрата, %	глюкозы	2,90	8,21	6,80	6,51
Выход на навеску субстрата, %	РВ после инверсии	3,21	19,14	18,64	27,96

Полученные результаты ферментации позволяют выявить следующие закономерности. По убыванию концентрации глюкозы субстраты следуют в ряд: беленая целлюлоза; лигноцеллюлозный материал; волокнистый продукт; исходная солома. По уменьшению концентрации РВ после инверсии субстраты располагаются в следующем порядке: волокнистый продукт; беленая целлюлоза; лигноцеллюлозный материал; исходная солома.

На рис. 2 для сравнения результатов ферментации соломы и плодовых оболочек овса приведена диаграмма выхода РВ после инверсии для всех изученных продуктов (с учетом наших предыдущих исследований).

Таким образом, установлено, что зависимости способности к ферментации отходов переработки овса от условий обогащения сырья аналогичны, хотя плодовые оболочки имеют несколько лучшие показатели.