Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов

https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11

Полный текст:

Аннотация

В связи с возрастающим научным интересом к разработке эффективных способов трансформации различных источников целлюлозосодержащего сырья в ферментабельные сахара возникла необходимость разработки универсальной методики определения реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов. Практическая значимость такой методики заключается в максимальной доступности для лабораторий опытно-промышленных производств, занимающихся апробированием и масштабированием биотехнологических процессов. Предложенная в данной работе методика полностью соответствует предъявляемым современным требованиям и основана на спектрофотометрическом и хроматографическом определении редуцирующих веществ в ферментативных гидролизатах предварительно подготовленных субстратов, при этом биокатализ осуществлялся композицией доступных ферментных препаратов «Целлолюкс-А» и «Брюзайм-BGX». Дополнительно данная методика предполагает гравиметрический анализ твердых осадков после гидролиза субстратов. Как правило, для контроля можно ферментировать целлюлозосодержащее сырье без предварительной обработки, но можно использовать и коммерческие виды целлюлозы. Установлено, что применение методики позволило оперативно и с высоким качеством оценить реакционную способность к ферментативному гидролизу ряда выбранных субстратов. В отличие от обсуждаемых в литературе методов ферментативного гидролиза для оценки эффективности ферментов, данная методика позволяет с использованием одной и той же композиции ферментных препаратов расположить в ряд по убыванию реакционной способности к гидролизу выбранные виды целлюлозосодержащего сырья, а также показать зависимость исследуемой способности субстратов от способа предварительной химической обработки. Полученные результаты могут быть представлены в виде зависимости концентрации (выхода) редуцирующих веществ от продолжительности ферментативного гидролиза субстрата, а также в виде рассчитанных значений скорости гидролиза, конечных выходов редуцирующих веществ, в том числе и пентоз, содержания глюкозной составляющей редуцирующих веществ и убыли по массе. Методика была многократно апробирована при анализе широкого круга целлюлозосодержащих субстратов: получены достоверные результаты оценки их реакционной способности. Методика также позволяет прогнозировать результаты масштабирования ферментативного гидролиза, в том числе и в водной среде, при получении питательных сред для микробиологического синтеза.

Об авторах

Е. И. Кащеева
Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Екатерина Ивановна Кащеева
г. Бийск


В. В. Будаева
Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Вера Владимировна Будаева
г. Бийск


Список литературы

1. Chen B., Zhao B., Li M., et al. Fractionation of rapeseed straw by hydrothermal/dilute acid pretreatment combined with alkali post-treatment for improving its enzymatic hydrolysis / Biores. Technol. 2017. Vol. 225. P. 127 – 133.

2. Sills D. L., Gossett J. M. Using FTIR to predict saccharification from enzymatic hydrolysis of alkali-pretreated biomasses / Biotechnol. Bioeng. 2012. Vol. 109. N 2. P. 353 – 362.

3. Alvira P., Tomбs-Pejу E., Ballesteros M., et al. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review / Biores. Technol. 2010. Vol. 101. N 13. P. 4851 – 4861.

4. Li K., Wan J., Wang X., et al. Comparison of dilute acid and alkali pretreatments in production of fermentable sugars from bamboo: Effect of Tween 80 / Industrial Crops and Products. 2016. Vol. 83. P. 414 – 422.

5. Sun S., Sun S., Cao X., et al. The role of pretreatment in improving the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials / Biores. Technol. 2016. Vol. 199. P. 49 – 58.

6. Van Dyk J. S., Pletschke B. I. A review of lignocellulose bioconversion using enzymatic hydrolysis and synergistic cooperation between enzymes — factors affecting enzymes, conversion and synergy / Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30. N 6. P. 1458 – 1480.

7. Gama M. Bacterial NanoCellulose from Biotechnology to Bio-Economy. — N.Y.: Elsevier, 2016. — 240 p.

8. Sakovich G. V., Skiba E. A., Budaeva V. V., et al. Technological fundamentals of bacterial nanocellulose production from zero prime-cost feedstock / Doklady Biochemistry and Biophysics. 2017. Vol. 477. P. 357 – 359.

9. Барам Г. И. Развитие метода микроколоночной высокоэффективной жидкостной хроматографии и его применение для решения комплексных аналитических задач: дис. ... докт. хим. наук. — Иркутск, 1997. — 56 с.

10. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. — М.: Экология, 1991. — 320 с.

11. ГОСТ 6840–78. Целлюлоза. Метод определения содержания альфа-целлюлозы. — М.: Изд-во стандартов, 1984. — 6 с.

12. ГОСТ 10820–75. Целлюлоза. Метод определения массовой доли пентозанов. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1975. — 7 с.

13. ГОСТ 18461–93. Целлюлоза. Метод определения содержания золы. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. — 8 с.

14. ГОСТ 25438–82. Целлюлоза для химической переработки. Методы определения характеристической вязкости. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 20 с.

15. Thygesen A., Oddershede J., Lilholt H., et al. On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibres / Cellulose. 2005. Vol. 12. N 6. P. 563 – 576.

16. Gusakov A. V., Kondratyeva E. G., Sinitsyn A. P. Comparison of two methods for assaying reducing sugars in the determination of carbohydrase activities / Int. J. Anal. Chem. 2011. Vol. 2011. P. 283658.

17. Вешняков В. А., Хабаров Ю. Г., Камакина Н. Д. Сравнение методов определения редуцирующих веществ: метод Бертрана, эбулиостатический и фотометрический / Химия растительного сырья. 2008. № 4. С. 47 – 50.

18. Федорова Г. А., Кожанова Л. А., Азарова И. Н. Применение микроколоночной высокоэффективной жидкостной хроматографии в медицине. Часть 2 / Вестник восстановительной медицины. 2008. № 2(24). С. 47 – 50.

19. Budaeva V. V., Makarova E. I., Skiba E. A., et al. Enzymatic hydrolysis of the products of hydro-thermobaric processing of Miscanthus and oat hulls / Catalysis in Industry. 2013. Vol. 5. N 4. P. 335 – 341.

20. Makarova E. I., Budaeva V. V., Skiba E. A., et al. Enzymatic hydrolysis of celluloses obtained via the hydrothermal processing of Miscanthus and oat hulls / Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. N 1. P. 67 – 71.

21. Denisova M. N., Makarova E. I., Pavlov I. N., et al. Enzymatic hydrolysis of hydrotropic pulp at different substrate concentrations / Appl. Biochem. Biotechnol. 2016. Vol. 178. N 6. P. 1196 – 1206.

22. Tarabanko V. E., Kaygorodov K. L., Skiba E. A., et al. Processing pine wood into vanillin and glucose by sequential catalytic oxidation and enzymatic hydrolysis / J. Wood Chem. Technol. 2017. Vol. 37. N 1. P. 43 – 51.

23. Skiba E. A., Baibakova O. V., Budaeva V. V., et al. Pilot technology of ethanol production from oat hulls for subsequent conversion to ethylene / Chem. Eng. J. 2017. Vol. 329. P. 178 – 186.

24. Makarova E. I., Budaeva V. V., Kukhlenko A. A., et al. Enzyme kinetics of cellulose hydrolysis of miscanthus and oat hulls / 3 Biotech. 2017. Vol. 7. P. 317.

25. Будаева В. В., Макарова Е. И., Скиба Е. А. и др. Исследование кислотного и ферментативного гидролиза пеллет из рапсовой соломы / Ползуновский вестник. 2013. № 3. С. 173 – 179.

26. Щербакова Т. П., Удоратина Е. В., Макарова Е. И. и др. Влияние механохимических воздействий на эффективность ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного сырья / Ползуновский вестник. 2013. № 3. С. 224 – 230.

27. De Bhowmick G., Sarmah A. K., Sen R. Lignocellulosic biorefinery as a model for sustainable development of biofuels and value added products / Biores. Technol. 2018. Vol. 247. P. 1144 – 1154.

28. Алешина Л. А., Люханова И. В., Будаева В. В. и др. Результаты рентгеноструктурного анализа недревесных целлюлоз / Ученые записки Петрозаводского гос. ун-та. 2011. № 8(121). С. 114 – 117.

29. Hu F., Ragauskas A. Pretreatment and Lignocellulosic Chemistry / BioEnergy Res. 2012. Vol. 5. N 4. P. 1043 – 1066.


Для цитирования:


Кащеева Е.И., Будаева В.В. Определение реакционной способности к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018;84(10):5-11. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11

For citation:


Kashcheyeva E.I., Budaeva V.V. Determination of the reactivity of cellulosic substrates towards enzymatic hydrolysis. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2018;84(10):5-11. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-5-11

Просмотров: 111


ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)