Биоконверсия целлюлозо-лигниновых материалов

Биоконверсия целлюлозо-лигниновых материалов в белок в настоящее время может быть осуществлена только путем выращивания микроорганизмов на этих материалах (или их гидролизатах) в качестве субстратов. Внутриклеточный белок ферментов микробов составляет основную долю целевого белка, но некоторое его количество представлено внеклеточными ферментами (экзоферментами). Эти ферменты микроорганизмы выделяют во внешнюю водную среду, и их функция состоит в гидролизе полимеров субстрата до мономерных соединений. Только такие соединения могут быть усвоены микроорганизмами, обладающими целлюлозолитической (или лигнингидролизуюшей) активностью, а также многими другими видами микроорганизмов (в первую очередь различными дрожжами).

Следовательно, биоконверсия с целью получения белка может быть осуществлена только в аэробных условиях, так как в анаэробных условиях весьма ограничены возможности роста клеточной биомассы. В то же время анаэробные условия лают возможность эффективного получения из целлюлозы (в результате жизнедеятельности определенных микроорганизмов) летучих низкомолекулярных восстановленных органических соединений — метанола, органических кислот, метана и т. д.

При осуществлении биоконвсрсии с целью получения белка задача состоит в многократной интенсификации процесса деструкции целлюлозолигниновых материалов и создании условий, в которых происходит эффективное увеличение биомассы микроорганизмов (и, следовательно, белка), а не расходование субстрата с выделением С0₂ и Н₂0 без роста клеток.

Биоконверсия целлюлозы сводится к двум основным группам биохимических процессов: гидролизу целлюлозы ферментами и росту клеток на продуктах гидролиза. Оба эти процесса могут быть выполнены одним целлюлозолитическим микроорганизмом, и процесс биоконверсии тогда является прямым, или одностадийным. То, что иногда в среду вводятся и другие микроорганизмы, ассимилирующие продукты гидролиза, нс меняет сути процесса — такие способы относятся к процессам прямой биоконверсии.

Но возможна и непрямая (многостадийная) биоконверсия. В непрямой биоконверсии, как правило, стадия гидролиза выполняется отдельно от стадии выращивания микроорганизмов. образующих целевой компонент конечного продукта — белок. Гидролиз может быть выполнен кислотами, целлюлозным ферментным комплексом, микроорганизмами в анаэробных условиях.

Возможны и другие разновидности непрямой биоконверсии. В большинстве работ основное внимание уделяется соломе как исходному материалу биоконверсии для получения белка, поскольку в настоящее время данный субстрат, будучи побочным продуктом сельского хозяйства, все еще не находит полного и эффективного использования в пределах своей отрасли, а дефицит белка остается фактором, задерживающим быстрый рост продуктивности животноводства.

шшш Биоконверсия лигнина. Лигнины — аморфные высокомолекулярные соединения ароматической природы, которые можно подразделить на три класса: лигнин древесины хвойных пород; лигнин древесины лиственных пород; лигнин травянистых растений.

Биологическая роль лигнина заключается в придании механической устойчивости стволам и стеблям растений. Предшественниками лигнина являются ароматические фен ил пропановые спирты — кумаровый, конифериловый и синаповый. В растительных клетках лигнин связан с другими биополимерами — целлюлозой и гем и целлюлозой.

??? Микроорганизмы, разлагающие лигнин. До начала 70-х гг. XX в. основное внимание исследователей было уделено базидиальным грибам, вызывающим гниение древесины, которые условно были разделены на 3 группы: возбудители мягкой гнили, возбудители бурой гнили и возбудители белой гнили.

За последние годы сравнительно много данных получено относительно бактериальной деградации лигнина. Показано, что представители родов Corynebacterium, Agrobacterium, Pseudomonas, Klebsiella, Aerobacter и Enterobacter могли использовать лигнин в качестве единственного источника углерода, при этом штамм Aerobacter sp. разлагал 98% лигнина в течение 5 суток.

Практика биоконверсии лигнина. В решении рассматриваемой проблемы биоконверсии целлюлозолигниновых материалов, в том числе соломы, биоконверсия и деструкция лигнина может обеспечить делигнификацию субстрата, тем самым интенсифицируя процесс биоконверсии всего материала. Хотя исключительная медленность биодеградации лигнина препятствует практическому использованию этого процесса, уже известны микроорганизмы, которые способны в первую очередь в соломе расщеплять лигнин, тем самым способствуя и биоконверсии целлюлозы. Как уже отмечалось выше, весьма активными лигнолитическими микроорганизмами являются грибы белой гнили (они продуцируют внеклеточные фенолоксидазы). Деградация лигнина может существенно ускоряться при внесении субстрата, легче поддающегося разложению — глюкозы, этанола, солодового экстракта. Данные субстраты могут быть использованы микробными культурами как доступный источник энергии, необходимой для деградации лигнина (явление кометаболизма).

Биоконверсия соломы. Микроорганизмы, применяемые для биоконверсии. В практике биологического разложения целлюлозы чаще всего используются различные микромицеты-сапротрофы, в изобилии встречающиеся в почве и на органических остатках. Это представители родов Chaetomium, Altemaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium, Penicillium, Trichoderma, RJiizoctonia и др. Для разрушения целлюлозы и биосинтеза целлюлозолитических ферментов чаще всего используются микромицеты Trichoderma viride, Aspergillus niger и A. terreus, превращающие нерастворимую целлюлозу в растворимые сахара.

Характеристика твердофазной ферментации. Основное отличие твердофазной ферментации (ТФ) от глубинной (ГФ) — существенное уменьшение содержания воды и высокое содержание субстрата в среде ферментации.

Опыты по изучению получения белка микроорганизмов из целлюлозолигниновых материалов с использованием глубинной ферментации показали, что удовлетворительная степень превращения достигается только при низкой концентрации субстрата — не более 2%, а высокая вязкость среды осложняет перемешивание и аэрацию. Поэтому твердофазная ферментация рассматривается как перспективный способ биоконверсии целлюлозолигниновых материалов, которые при переработке в корма могут использоваться без какой-либо дополнительной обработки.

В результате многочисленных исследований в настоящее время разработаны технические средства твердофазного культивирования, технологические режимы и отобранные культуры (Trichoderma viride и Endomycopsis fibuligera) способны конвертировать термоотработанную солому (с добавкой 10% отрубей) в препарат с содержанием не менее 12% белка в течение 5,0—5,5 суток при содержании сухих веществ в среде ферментации 20—31% и биологических потерях сухой массы около 30%.