Ферментативный гидролиз растительного сырья: состояние и перспективы

Растительное сырье является практически неисчерпаемым, возобновляемым в процессе фотосинтеза растений природным ресурсом, что обусловливает перспективы его использования для промышленной переработки различными способами, в том числе гидролитическим. Основными по количественному содержанию биополимерными компонентами растительной биомассы являются полисахариды, гидролитическая переработка которых методами кислотного или ферментативного гидролиза приводит к образованию моносахаридов и получаемых из них разнообразных продуктов. Выполнен анализ теоретических представлений и современного состояния исследований по разработке, совершенствованию и перспективах применения процессов ферментативного гидролиза растительного сырья. Эффективность этого процесса и состав получаемых продуктов в существенной степени зависят от особенностей надмолекулярной структуры целлюлозы, содержания в сырье гемицеллюлоз и лигнина, сбалансированности и активности целлюлозного комплекса ферментов. Показано, что основными направлениями разработки и совершенствования процессов ферментативного гидролиза растительного сырья в настоящее время являются получение и применение более эффективных штаммов микроорганизмов, продуцирующих высокоактивные ферменты, направленное создание ферментов комплексного действия (гидролизующих не только целлюлозу, но и гемицеллюлозы, а также деструктирующих лигнин), разработка способов предварительной обработки сырья для повышения реакционной способности целлюлозы и удаления лигнина, совершенствования процессов ферментолиза.

1. Болотникова, О. И. Кислотный и энзиматический гидролиз непищевых источников растительной биомассы: перспективы промышленной реализации / О. И. Болотникова, Н. П. Михайлова, А. И. Гинак // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). – 2017. – № 39. – С. 89–95. https://doi.org/10.15217/issn1998984-9.2017.88

2. Фенгел, Д. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) / Д. Фенгел, Г. Вегенер. – М.: Лес. пром-сть, 1988. – 512 с.

3. Лобанок, А. Г. Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты / А. Г. Лобанок, В. Г. Бабицкая, Ж. Н. Богдановская. – Минск: Наука и техника, 1988. – 261 с.

4. Cheng, H. Lygnocellulose steed stock biorefinery as petrorefinery substitules / H. Cheng, L. Wang // Biomass Now - Sustainable Growth and Use. – 2013. – P. 347–388. https://doi.org/10.5772/51491

5. Клесов, А. А. Кинетическая теория действия полиферментных целлюлазных систем: стационарная кинетика / А. А. Клесов, С. Ю. Григораш // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. – М.: Наука, 1988. – С. 109–146.

6. Рабинович, М. Л. Целлюлазы микроорганизмов / М. Л. Рабинович, М. С. Мельник, А. В. Болобова // Прикладная биохимия и микробиология. – 2002. – Т. 38, № 4.– С. 355–373.

7. Ферментные препараты Penicilliumverruculosum для биоконверсии растительного сырья – альтернатива коммерческим препаратам, полученным с помощью грибов Trichoderma/ А. В. Чекушина [и др.] // Биотехнология. – 2013. – № 3. – С. 69–80.

8. Чекушина, А. В. Целлюлолитические ферментные препараты на основе грибов Trichoderma, Penicillium и Myceliophora с увеличенной гидролитической активностью: автореф. дис. … канд. хим. наук: 03.01.04 / А. В. Чекушина. – М., 2013. – 23 с.

9. Ферментативный гидролиз целлюлозы смесями мутантных форм целлюлаз Penicillium verruculosum / А. С. Доценко [и др.] // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Химия. – 2018. – Т. 59, № 2. – С. 138–143.

10. Reese, E. T. The biological degradation of soluble cellulose derivatives and its relationship to the mechanism of cellulose hydrolysis / E. T. Reese // J. Bacteriol. – 1950. – Vol. 59, N 4. – P. 485–497. https://doi.org/10.1128/jb.59.4.485-497.1950

11. Reese, E. T. Degradation of polymeric carbohydrates of microbial enzymes / E. T. Reese, F. Loewus, V. S. Runeckies // The structure, biosynthesis and degradation of wood. – 1977. – Vol. 11. – P. 311–367. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-8873-3_8

12. Eriksson, K. E. Exstracellular enzyme system utilized by the fungus Sporotrichum pulverulentum (Chrysosporium lignorum) for the breakdown of cellulose. 3. Purification and physicochemical characterization of an exo-1,4-glucanase / K. E. Eriksson, B. Petersson // European Journal of Biochemistry. – 1975. – Vol. 51, N 1. – P. 213–218. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1975.tb03921.x

13. Yalliwell, G. The nature and mode of action of the cellulolytic components C1 of Trichoderma koningii on native cellulose / G. Yalliwell, M. Griffin // Biochemical Journal. – 1973. – Vol. 135, no. 4. – P. 587–594. https://doi.org/10.1042/bj1350587

14. Wood, T. M. The purification and properties of the C1-component of Trichoderma koningii cellulose / T. M. Wood, S. J. Mc Grae // Biochem. J. – 1972. – Vol. 128, N 7. – P. 1183–1192. https://doi.org/10.1042/bj1281183

15. Wood, T. M. Enzymes and mechanism involved in the solubilization of native cellulose / T. M. Wood // Ciêns. biol. – 1980. – Vol. 5. – P. 27–33.

16. Wood, T. M. The isolation purification and properties of Penicillium fungiculosum cellulose / T. M. Wood, S. J. McGrae, C. C. MacFariane // Biochem. J. – 1980. – Vol. 189, N 1. – P. 51–65. https://doi.org/10.1042/bj1890051

17. Клесов, А. А. Ферментативный гидролиз целлюлозы / А. А. Клесов, М. Л. Рабинович // Биоорган. химия. – 1980. – Т. 6, № 8. – С. 1225–1242.

18. Клесов, А. А. Ферментативный гидролиз целлюлозы. III. Закономерности образования глюкозы и целлобиозы при действии полиферментных систем на нерастворимую (природную) целлюлозу / А. А. Клесов, С. Ю. Григораш // Биоорган. химия. – 1981. – Т. 7, № 10. – С. 1538–1552.

19. Клесов, А. А. Кинетическая теория действия полиферментных целлюлазных систем: нестационарная кинетика / А. А. Клесов, С. Ю. Григораш // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. – М.: Наука, 1988. – С. 147–180.

20. Макарова, Е. И. Биоконверсия непищевого целлюлозосодержащего сырья (Обзор). Ч. 2. / Е. И. Макарова, В. В. Будаева // Изв. вузов. Прикладная химия и биотехнология. –2016. – Т. 6, № 3. – С. 26–35. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-3-26-35

21. Рабинович, М. Л. Механизм ферментативного гидролиза целлюлозы: роль адсорбции ферментов / М. Л. Рабинович // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. – М.: Наука, 1988. – С. 70–108.

22. Ферментативный гидролиз продуктов гидротермобарической обработки мискаунтуса и плодовых оболочек овса / В. В. Будаева [и др.] // Катализ в промышленности. – 2013. – № 3. – С. 60–66.

23. Morteza, S. Modeling the process of enzymatic hydrolysis of cellulosic waste materials to fermentable sugars in solid-liquid systems / S. Morteza, M. Kamyar // 18 International Congress of Chemical and Process Engineering, Prague, 24–28 Aug. 2008. – Prague, 2008. – P. 2114–2115.

24. Tina, J. Assessing cellulose microfibrillar structure changes due to cellulase action / J. Tina, S.-M. C. Monica, P. J. O'Dell // Carbohydrate Polymers. – 2013. – Vol. 97, N 2. – P. 581–586. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.05.027

25. Анализ продуктов ферментативного гидролиза растительной биомассы / И. Н. Зоров [и др.] // Физикохимия растительных полимеров : Материалы 5-й Междунар. конф., Архангельск, 8–11 июля, 2013. – Архангельск, 2013. – С. 71–73.

26. Enzymatic hydrolysis of cellulose with different crystallinities studied by means of SEG-MALLS / M. Zhang [et al.] // Chin. J. Chem. Eng. – 2011. – Vol. 19, N 5. – P. 773–778. https://doi.org/10.1016/s1004-9541(11)60055-4

27. Синицын, А. П. Влияние физико-химических и структурных факторов целлюлозы на эффективность ее ферментативного гидролиза / А. П. Синицын // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. – М.: Наука, 1988. – С. 3–29.

28. Иоелович, М. Я. Изучение кинетики ферментативго гидролиза целлюлозных материалов / М. Я. Иоелович // Химия раст. сырья. – 2014. – № 1.– С. 61–64. https://doi.org/10.14258/jcprm.1401061

29. Abdullah, R. Hydrolysis behavior of various crystalline celluloses treated by cellulase of Tricoderma viride / R. Abdullah, S. Saka // Cellulose. – 2014. – Т. 21. – №. 6. – С. 4049-4058. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0410-4

30. Wahlström, R. M. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic polysaccharides in the presence of ionic liquids / R. M. Wahlström, A. Suurnäkki // Green Chem. – 2015. – Vol. 17, N 2. – С. 694–714. https://doi.org/10.1039/c4gc01649a

31. Гусаков, А. В. Структурные особенности и физико-химические параметры лигноцеллюлозных материалов, определяющие их реакционную способность при ферментативной деградации / А. В. Гусаков, А. П. Синицын // Физикохимия растительных полимеров: Материалы 5-й Междунар. конф., Архангельск, 8–11 июля, 2013. – Архангельск, 2013. – С. 56–57.

32. Калунянц, К. А. Современные способы ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих материалов / К. А. Калунянц, Е. Ф. Шаненко, Л. В. Зайцев // Итоги науки и техники. Сер. Химия и технология пищевых продуктов. – 1981. – Т. 1. – С. 185.

33. Синицын, А. П. Сравнительный анализ реакционной способности целлюлозосодержащего сырья по отношению к ферментативному гидролизу / А. П. Синицын, И. Л. Леонова, Б. Наджемин // Прикладная биохимия и микробиология. – 1986. – Т. 22, № 4. – С. 517–525.

34. Методы подготовки растительного сырья к биоконверсии в кормовые продукты и биоэтанол / В. И. Сушкова [и др.] // Химия раст. сырья. – 2016. – № 1. – С. 93–119. https://doi.org/10.14258/jcprm.201601841

35. Subhedar, P. B. Intensification of enzymatic hydrolysis of lignocellulose using ultrasound for efficient bioethanol production: a review (Review) / P. B. Subhedar, P. R. Gogate // Ind. and Eng. Chem. Res. – 2013. – Vol. 52, N 34. – P. 11816–11828. https://doi.org/10.1021/ie401286z

36. Improved enzyme efficiency of rapeseed straw through the two-stage fractionation process using sodium hydroxide and sulfuric acid / C. C. Ho [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 102. – P. 640–646. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.08.011

37. Enhancement of cellulose hydrolysis in sugarcane bagasse by the selective removal of lignin with sodium chlorite / S. Germano [et al.] // Appl. Energy. – 2013. –Vol. 102. – P. 399–402. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.029

38. Исследование влияния предобработки субстрата глицерином на гидролиз и ферментацию лигноцеллюлозных отходов с помощью Streptomyces sp. K-7 / Л. М. Султанова [и др.] // Башкир. хим. журн. – 2012. – Т. 19, № 3. – С. 127–129.

39. Макарова, Е. И. Ферментативный гидролиз целлюлоз из плодовых оболочек овса при различных концентрациях субстрата / Е. И. Макарова, В. В. Будаева, Е. А. Скиба // Химия раст. сырья. – 2013. – № 2. – С. 43–50. https://doi.org/10.14258/jcprm.1302043

40. Production of glucose-rich enzymatic hydrolysates from cellulosic pulps / K. Buzała [et al.] // Cellulose. – 2015. –Vol. 22, N 1. – P. 663–674. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0522-x

41. Fungal pretreatment improves amenability of lignocellulosic material for its saccharification to sugars / D. Deepa [et al.] // Carbohydr. Polym. : Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. – 2014. – Vol. 99. – P. 264–269. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.08.045

42. Pretreatment of corn stover with acidic electrolyzed water and FeCl3 leads to enhanced enzymatic hydrolysis / S. Zhaobing [et al.] // Cellulose. – 2014. – Vol. 21, N 5. – P. 3383–3394. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0353-9

43. Efficient removal of lignin with the maintenance of hemicellulose from kenaf by two-stage pretreatment process / A. N. Izyan Wan [et al.] // Carbohydr. Polym. : Scientific and Technological Aspects of Industrially Important Polysaccharides. – 2014. –Vol. 99. – P. 447–453. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.08.043

44. Способ ферментативного осахаривания лигноцеллюлозных материалов : пат. 2514408 РФ, МПКC13K 1/02 (2006.01) / А. Л. Бычков, О. И. Ломовский. – Опубл. 27.04.2014.

45. Chen, L. Enhanced cellulase hydrosysis of eucalyptus waste fibers from pulp mill by tween80-assisted ferric chloride pretreatment / L. Chen, S. Fu // J. Agr. and Food Chem. – 2013. – Vol. 61, N 13. – P. 3293–3300. https://doi.org/10.1021/jf400062e

46. Enhanced enzymatic hydrolysis of poplar bark by combined use of gamma ray and dilute acid for bioethanol production / C. B. Yeoup [et al.] // Radiat. Phys. and Chem. – 2012. – Vol. 81, N 8. – P. 1003–1007. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2012.01.001

47. Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring of the enzymatic hydrolysis of steam-treated lignocellulosic nanofibrils / K. Akio [et al.] // Cellulose. – 2014. – Vol. 21, N 4. – P. 2433–2444. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0312-5

48. Будаева, В. В. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков / В. В. Будаева, Р. Ю. Митрофанов, В. Н. Золотухин // Ползуновский вестник. – 2008. – № 3. – С. 322–327.

49. Голязимова, О. В. Механическая активация ферментативного гидролиза целлюлозы / О. В. Голязимова, А. А. Политов, О. И. Ломовский // Химия раст. сырья. – 2009. – № 2. – С. 59–63.

50. Ферментолиз целлюлозосодержащих остатков производства фурфурола из отходов растительного сырья / А. А. Вазетдинова [и др.] // Башкир. хим. журн. – 2017. – Т. 24, № 1. – С. 27–31.

51. Hydrolysis of concentrated suspensions of steam pretreated Arundo donax / I. De Bari [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 102. – P. 179–189. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.05.051

52. Эффективность ферментативного гидролиза полисахаридов ультрадисперсных частиц лигноцеллюлозного сырья в зависимости от их размера / В. В. Шутова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. – 2012. – Т. 48, № 3. – С. 346–352.

53. Головлев, Е. Л. Твердофазная ферментация растительного сырья / Е. Л. Головлев, Л. А. Головлева // Микробиология и биохимия разложения растительных материалов. – М.: Наука, 1988. – С. 301–333.

54. Смирнов, К. А. Особенности твердофазной ферментации / К. А. Смирнов, Ю. Д. Алашкевич, Н. С. Решетова // Химия раст. сырья. – 2009. – № 3. – С. 161–164.

55. Калунянц, К. А. Оборудование микробиологических производств / К. А. Калунянц, Л. И. Голгер, В. Е. Балашов. – М.: Агропромиздат, 1987. – 398 с.

56. Твердофазный ферментер и способ твердофазного культивирования: пат.2235767С2 РФ, МПК С12М 1/06, С12М 1/14, С12М 1/16 / П. Лют, У. Айбен, Ю. Д. Кузнецов. – Опубл. 30.11.2000.

57. Enzymatische Hydrolyse von Lignocellolose im Festbettreaktor / C. Kirsch [et al.] // Chem.-Ing.-Techn. – 2011. – Vol. 83, N 6. – P. 867–873. https://doi.org/10.1002/cite.201000204

58. Опыт масштабирования ферментативного гидролиза технических целлюлоз из мискантуса и плодовых оболочек овса / Г. В. Сакович [и др.] // Ползуновский вестник. – 2012. – № 4. – С. 173–177.

59. Аппарат для твердофазной ферментации: пат. 16946 Респ. Беларусь, МПК С 12 М 1/00, С 12 М 1/04 / В. Н. Павлечко, В. С. Болтовский. – Опубл. 30.04.2013.