Омск, Омская область, Россия
Омск, Омская область, Россия
Интенсификация процесса биоконверсии возобновляемых ресурсов растительного происхождения является приоритетным направлением современной биотехнологии. Важной стороной проведения обработки и предобработки целлюлозного сырья (в том числе отрубей) является получение в конечном продукте высокого содержания редуцирующих веществ. Цель исследования – определение оптимальных условий химической трансформации растительных полимеров для получения биологически ценных веществ. Это позволит снизить себестоимость конечного продукта биотехнологического производства. В данной работе конверсию полимеров пшеничных отрубей осуществляли в процессе химической обработки серной кислотой. Оценка степени конверсии полимеров проводилась на нативных и механически активированных пшеничных отрубях фракции 600, 200 и 100 мкм. Исследования кинетики процесса высокотемпературного химического гидролиза механически активированных пшеничных отрубей осуществляли при варьировании технологических параметров: в диапазоне температуры 120–130 °С, концентрации серной кислоты 0,6–0,9 %, продолжительности обработки 30–60 мин и гидромодуле 1:8;9;10. Количественный и качественный состав моно- и дисахаридов гидролизатов определяли методом ВЭЖХ. В работе использовали комплекс общепринятых и стандартных методов исследований. Определение состава пшеничных отрубей показало низкое содержание в них лигнина (7,55 %), высокое – пентозанов (17,9 %). Были определены оптимальные технологические условия трансформации полисахаридов с наибольшим содержанием редуцирующих веществ в гидролизатах – 640 мг/г отрубей: гидромодуль 1:10, температура 120 °С, продолжительность 45 мин и концентрация серной кислоты 0,9 %. Наибольшее изменение содержания моно- и дисахаридов гидролизатов установили для пентоз, количество их в пересчете на ксилозу – 78,2 мг/г отрубей. Количество легкогидролизуемых углеводов и клетчатки пшеничных отрубей при химической обработке уменьшалось на 80 и 19 % соответственно. В данном исследовании установили оптимальные параметры химического гидролиза пшеничных отрубей для их конверсии в целевые продукты биосинтеза – биологически ценные углеводы. Это является перспективным направлением исследований и практического их использования в производстве биотоплива, химических веществ и пищевых добавок.
Отруби, гидролиз, полимеры, целлюлоза, хроматография, механическая активация, конверсия
1. Clifton-Brown J, Harfouche A, Casler MD, Jones HD, Macalpine WJ, Murphy-Bokern D, et al. Breeding progress and preparedness for mass-scale deployment of perennial lignocellulosic biomass crops switchgrass, miscanthus, willow and poplar. GCB Bioenergy. 2018;11(1):118-151. https://doi.org/10.1111/gcbb.12566
2. Wang L, Tian Y, Chen Y, Chen J. Effects of acid treatment on the physicochemical and functional properties of wheat bran insoluble dietary fiber. Cereal Chemistry. 2022;99(2):343-354. https://doi.org/10.1002/cche.10494
3. Jia M, Chen J, Liu X, Xie M, Nie S, Yi C, et al. Structural characteristics and functional properties of soluble dietary fiber from defatted rice bran obtained through Trichoderma viride fermentation. Food Hydrocolloids. 2019;94:468-474. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.03.047
4. Bhatia L, Sharma A, Bachheti RK, Chandel AK. Lignocellulose derived functional oligosaccharides: production, properties, and health benefits. Preparative Biochemistry and Biotechnology. 2019;49(8):744-758. https://doi.org/10.1080/10826068.2019.1608446
5. Awasthi MK, Tarafdar A, Gaur VK, Amulya K, Narisetty V, Yadav DK, et al. Emerging trends of microbial technology for the production of oligosaccharides from biowaste and their potential application as prebiotic. International Journal of Food Microbiology. 2022;368. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2022.109610
6. Bhatia R, Lad JB, Bosch M, Bryant DN, Leak D, Hallett JP, et al. Production of oligosaccharides and biofuels from Miscanthus using combinatorial steam explosion and ionic liquid pretreatment. Bioresource Technology. 2021;323. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124625
7. Procentese A, Raganati F, Olivieri G, Russo ME, Rehmann L, Marzocchella A. Deep Eutectic Solvents pretreatment of agro-industrial food waste. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2018;11. https://doi.org/10.1186/s13068-018-1034-y
8. Wen Y, Niu M, Zhang B, Zhao S, Xiong S. Structural characteristics and functional properties of rice bran dietary fiber modified by enzymatic and enzyme-micronization treatments. LWT. 2017;75:344-351. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2016.09.012
9. Биоконверсия отходов производства растворимого кофе в продукты кормового назначения / E. B. Башашкина [и др.] // Экология и промышленность России. 2011. № 1. С. 18-19.
10. Биотехнологический путь переработки отходов производства соевого белка / В. Д. Смирнова [и др.] // Экология и промышленность России. 2010. № 5. С. 14-16.
11. Кислотный и ферментативный гидролиз отходов пивоваренной промышленности / А. В. Васильев [и др.] // Химическая технология. 2007. Т. 8. № 1. С. 17-21.
12. Taherzadeh MJ, Karimi K. Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review. BioResources. 2007;2(3):472-499.
13. Bušić A, Marđetko N, Kundas S, Morzak G, Belskaya H, Šantek MI, et al. Bioethanol production from renewable raw materials and its separation and purification: A review. Food Technology and Biotechnology. 2018;56(3):289-311. https://doi.org/10.17113/ftb.56.03.18.5546
14. Galbe M, Wallberg O. Pretreatment for biorefineries: A review of common methods for efficient utilisation of lignocellulosic materials. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2019;1(1). https://doi.org/10.1186/s13068-019-1634-1
15. Weiss ND, Felby C, Thygesen LG. Enzymatic hydrolysis is limited by biomass-water interactions at high-solids: Improved performance through substrate modifications. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2019;12(3). https://doi.org/10.1186/s13068-018-1339-x
16. Osipov DO, Bulakhov AG, Korotkova OG, Rozhkova AM, Duplyakin EO, Afonin AV, et al. Effect of the milling of wheat bran on its properties and reactivity during biocatalytic conversion. Catalysis in Industry. 2017;9(1):77-84. https://doi.org/10.1134/S2070050417010111
17. Amezcua-Allieri MA, Durán TS, Aburto J. Study of chemical and enzymatic hydrolysis of cellulosic material to obtain fermentable sugars. Journal of Chemistry. 2017;2017. https://doi.org/10.1155/2017/5680105
18. Junejo SA, Geng H, Wang N, Wang H, Ding Y, Zhou Y, et al. Effects of particle size on physicochemical and in vitro digestion properties of durum wheat bran. International Journal of Food Science and Technology. 2019;54(1):221-230. https://doi.org/10.1111/ijfs.13928
19. Onipe OO, Beswa D, Jideani AIO. Effect of size reduction on colour, hydration and rheological properties of wheat bran. Food Science and Technology International. 2017;37(3):389-396. https://doi.org/10.1590/1678-457X.12216
20. Pogorelova NA, Gavrilova NB, Rogachev EA, Schetinina EM. Determining the effectiveness of wheat bran conversion methods for use in food technology. Storage and Processing of Farm Products. 2020;(1):48-57. (In Russ.). https://doi.org/10.36107/spfp.2020.228
21. Lomovsky OI, Lomovskiy IO, Orlov DV. Mechanochemical solid acid/base reactions for obtaining biologically active preparations and extracting plant materials. Green Chemistry Letters and Reviews. 2017;10(4):171-185. https://doi.org/10.1080/17518253.2017.1339832
22. Barbosa FC, Silvello MA, Goldbeck R. Cellulase and oxidative enzymes: New approaches, challenges and perspectives on cellulose degradation for bioethanol production. Biotechnology Letters. 2020;42(6):875-884. https://doi.org/10.1007/s10529-020-02875-4
23. Gil-Montenegro AA, Arocha-Morales JS, Rojas-Pérez LC, Narváez-Rincón PC. Process simulation for xylitol production from brewer’s spent grain in a Colombian biorefinery. Part 1: Xylose production from arabinoxilans extracted by the alkaline pretreatment of BSG. Ingeniería e Investigación. 2019;39(1):15-23. https://doi.org/10.15446/ing.investig.v39n1.70080
