catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"10.18412/1816-0387-2019-6-482-489catal-664Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISПолучение питательных сред из лигноцеллюлозы: оптимизация состава мультиэнзимной композицииPreparation of Nutrient Media from Lignocellulose: Compositional Optimization of Multienxyme CocktailМироноваГ. Ф.MironovaG. F.ctls@kalvis.ruСкибаЕ. А.SkibaE. A.ctls@kalvis.ruКухленкоА. А.KukhlenkoA. A.ctls@kalvis.ruИнститут проблем химико-энергетических технологий СО РАН, БийскРоссияInstitute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS, BiyskRussian Federation201914112019196482489Copyright © LLC "KALVIS", 20192019LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/664

Лигноцеллюлоза является глобальным неисчерпаемым ресурсом для получения широкого спектра продуктов биотехнологического синтеза. Повышение эффективности извлечения глюкозы из лигноцеллюлозы позволит повысить выход этих продуктов, а значит, и снизить их себестоимость. Целью работы являлась оптимизация состава мультиэнзимной композиции (МЭК) коммерческих ферментных препаратов (ФП) «Целлолюкс-А», «Ультрафло Коре» и «Брюзайм BGX» для эффективного осуществления ферментативного гидролиза субстрата – шелухи овса, обработанной 4 мас.% азотной кислоты в условиях опытно-промышленного производства. Путем математической обработки экспериментальных данных, полученных в результате реализации симплекс-центроидного плана опытов, выявлено оптимальное соотношение ФП, равное 1/4 : 3/4 : 0 («Целлолюкс-А» – 18 мг/г субстрата, «Ультрафло Коре» – 55 мг/г субстрата). Оптимизированный состав МЭК позволяет повысить выход РВ в 1,95 раза. По уравнению экспериментально-статистической модели изучена кинетика гидролиза при различных концентрациях МЭК. Установлено, что при трехкратном увеличении концентрации МЭК достигается повышение выхода РВ от массы субстрата и выхода глюкозы от массы целлюлозы в субстрате на 13 %. Гидролизат, полученный с применением оптимальной МЭК, использован в качестве питательной среды для биосинтеза ценного биотехнологического продукта – бактериальной наноцеллюлозы, ее выход составил 6,1 % от глюкозы гидролизата.

Lignocellulose is a global inexhaustible resource for obtaining various products of biotechnological synthesis. The enhanced efficiency of glucose extraction from lignocellulose will increase the yield of such products, thus decreasing their cost. The goal of the study was to optimize the composition of multienzyme cocktail (MEC) of commercial enzymatic preparations (EP) Cellolux-A, Ultraflo Core and Bruzyme BGX for efficient enzymatic hydrolysis of the substrate – oat husk treated with 4 wt.% nitric acid under the pilot-plant conditions. Mathematical processing of experimental data obtained by implementation of the simplex-centroid design of experiments revealed the optimal EP ratio equal to 1/4 : 3/4 : 0 (Cellolux-A – 18 mg/g substrate, Ultraflo Core – 55 mg/g substrate). The optimized composition of MEC allows increasing the reducing substances yield by a factor of 1.95. The equation of experimental statistical model was used to investigate the hydrolysis kinetics at different concentrations of MEC. It was shown that a threefold increase in the MEC concentration increases the reducing substances yield versus the substrate weight and the glucose yield versus the cellulose weight in the substrate by 13 %. The hydrolysate obtained using the optimized MEC served as a nutrient medium for biosynthesis of a valuable bioengineering product – bacterial nanocellulose, the yield of which constituted 6.1 % of the hydrolysate glucose.

шелуха овсаазотнокислая обработкаферментативный гидролизмультиэнзимная композициясимплекс-центроидное планированиебактериальная наноцеллюлозаReferencesSchmid R.D. Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. John Wiley & Sons, 2016. 414 p.Schmid R.D. Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. John Wiley & Sons, 2016. 414 p.Arevalo-Gallegos A., Ahmad Z., Asgher M., Parra-Saldivar R., Iqbal H.M.N. // Int. J. Biol. Macromol. 2017. № 99. P. 308-318. doi:10.1016/j.ijbiomac.2017.02.097.Arevalo-Gallegos A., Ahmad Z., Asgher M., Parra-Saldivar R., Iqbal H.M.N. // Int. J. Biol. Macromol. 2017. № 99. P. 308-318. doi:10.1016/j.ijbiomac.2017.02.097.Liu C.G., Xiao Y., Xia X.X., Zhao X.Q., Peng L., Srinophakun P., Bai F.W. // Biotechnol. Adv. 2019. V. 37. №3. P. 491-504. DOI:10.1016/j.biotechadv.2019.03.002.Liu C.G., Xiao Y., Xia X.X., Zhao X.Q., Peng L., Srinophakun P., Bai F.W. // Biotechnol. Adv. 2019. V. 37. №3. P. 491-504. DOI:10.1016/j.biotechadv.2019.03.002.Ong K.L., Li C., Li X., Zhang Y., Xu J., Lin C.S.K. // Biochem. Eng. J. 2019. V. 148. P. 108-115. doi:10.1016/j.bej.2019.05.004.Ong K.L., Li C., Li X., Zhang Y., Xu J., Lin C.S.K. // Biochem. Eng. J. 2019. V. 148. P. 108-115. doi:10.1016/j.bej.2019.05.004.Cubas-Cano E., González-Fernández C., Ballesteros M., Tomás-Pejó E. // Biofuel. Bioprod. Bior. 2018. V. 12. № 2. P. 290-303. doi: 10.1002/bbb.1852.Cubas-Cano E., González-Fernández C., Ballesteros M., Tomás-Pejó E. // Biofuel. Bioprod. Bior. 2018. V. 12. № 2. P. 290-303. doi: 10.1002/bbb.1852.Raza Z.A., Abid S., Banat I.M. // Int. Biodeter. Biodegr. 2018. № 126. P. 45-56. doi: 10.1016/j.ibiod.2017.10.001.Raza Z.A., Abid S., Banat I.M. // Int. Biodeter. Biodegr. 2018. № 126. P. 45-56. doi: 10.1016/j.ibiod.2017.10.001.Cheng Z., Yang R., Liu X., Liu X., Chen H. // Biores. Tech. 2017. № 234. P. 8-14. doi: 10.1016/j.biortech.2017.02.131.Cheng Z., Yang R., Liu X., Liu X., Chen H. // Biores. Tech. 2017. № 234. P. 8-14. doi: 10.1016/j.biortech.2017.02.131.Tian-Yuan Z., Yin-Hu W., Jing-Ha W., Xiao-Xiong W., Deantes-Espinosa V. M., Guo-Hua D., XinT. , Hong-Ying H. // Chem. Eng. J. 2019. V. 367. P. 37-44. doi: 10.1016/j.cej.2019.02.049.Tian-Yuan Z., Yin-Hu W., Jing-Ha W., Xiao-Xiong W., Deantes-Espinosa V. M., Guo-Hua D., XinT. , Hong-Ying H. // Chem. Eng. J. 2019. V. 367. P. 37-44. doi: 10.1016/j.cej.2019.02.049.Raud M., Kikas T., Sippula O., Shurpali N.J. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2019. V. 111. P. 44-56. doi: 10.1016/j.rser.2019.05.020.Raud M., Kikas T., Sippula O., Shurpali N.J. // Renew. Sust. Energ. Rev. 2019. V. 111. P. 44-56. doi: 10.1016/j.rser.2019.05.020.United States Department of Agriculture, Foreign Agricultural Service // World Agricultural Production [Электронный ресурс]. URL: https://apps.fas.usda.gov/psdonline/circulars/production.pdfUnited States Department of Agriculture, Foreign Agricultural Service // World Agricultural Production [Электронный ресурс]. URL: https://apps.fas.usda.gov/psdonline/circulars/production.pdfSkiba E.A., Baibakova O.V., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Vasilishin M.S., Makarova E.I., Sakovich G.V., Ovchinnikova E.V., Banzaraktsaeva S.P., Vernikovskaya N.V., Chumachenko V.A. // Chem. Eng. J. 2017. V. 329. P. 178-186. doi: 10.1016/j.cej.2017.05.182.Skiba E.A., Baibakova O.V., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Vasilishin M.S., Makarova E.I., Sakovich G.V., Ovchinnikova E.V., Banzaraktsaeva S.P., Vernikovskaya N.V., Chumachenko V.A. // Chem. Eng. J. 2017. V. 329. P. 178-186. doi: 10.1016/j.cej.2017.05.182.Григорьева О.Н., Харина М.В. // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 10 .С. 128—132.Григорьева О.Н., Харина М.В. // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 10 .С. 128—132.Hu F., Ragauskas A. // Bioenerg. Res. 2012. V. 5. № 4. P. 1043-1066. doi: 10.1007/s12155-012-9208-0.Hu F., Ragauskas A. // Bioenerg. Res. 2012. V. 5. № 4. P. 1043-1066. doi: 10.1007/s12155-012-9208-0.Zeng Y., Himmel M.E., Ding S.-Y. // Biotechnol. Biofuel. 2017. V. 10. № 1. doi: 10.1186/s13068-017-0953-3.Zeng Y., Himmel M.E., Ding S.-Y. // Biotechnol. Biofuel. 2017. V. 10. № 1. doi: 10.1186/s13068-017-0953-3.Bychkov A., Podgorbunskikh E., Bychkova E., Lomovsky O. // Biotechnol. Bioeng. 2019. V. 116. № 5. P. 1231-1244. doi: 10.1002/bit.26925.Bychkov A., Podgorbunskikh E., Bychkova E., Lomovsky O. // Biotechnol. Bioeng. 2019. V. 116. № 5. P. 1231-1244. doi: 10.1002/bit.26925.Skiba E.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Biochem. Eng. J. 2017. V. 126. P. 118-125. doi: 10.1016/j.bej.2016.09.003.Skiba E.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Biochem. Eng. J. 2017. V. 126. P. 118-125. doi: 10.1016/j.bej.2016.09.003.Agrawal R., Semwal S., Kumar R., Mathur A., Gupta R.P., Tuli D.K. Satlewal A. // Front. Energy Res. 2018. V. 6. P. 1-11. doi: 10.3389/fenrg.2018.00122.Agrawal R., Semwal S., Kumar R., Mathur A., Gupta R.P., Tuli D.K. Satlewal A. // Front. Energy Res. 2018. V. 6. P. 1-11. doi: 10.3389/fenrg.2018.00122.Dotsenko A., Gusakov A., Rozhkova A., Sinitsyna O., Shashkov I., Sinitsyn A. // 3 Biotech. 2018, V. 8. № 9. P. 1-8. doi: 10.1007/s13205-018-1419-4.Dotsenko A., Gusakov A., Rozhkova A., Sinitsyna O., Shashkov I., Sinitsyn A. // 3 Biotech. 2018, V. 8. № 9. P. 1-8. doi: 10.1007/s13205-018-1419-4.Caro I., Blandino A., Díaz A.B., Marzo C. // Biofuel. Bioprod. Bior. 2019. V. 13. № 4. P. 1044-1056. doi: 10.1002/bbb.1997.Caro I., Blandino A., Díaz A.B., Marzo C. // Biofuel. Bioprod. Bior. 2019. V. 13. № 4. P. 1044-1056. doi: 10.1002/bbb.1997.Makarova E.I., Budaeva V.V., Kukhlenko A.A., Orlov S.E. // 3 Biotech. 2017. V. 7. №5. P. 1-9. doi: 10.1007/s13205-017-0964-6.Makarova E.I., Budaeva V.V., Kukhlenko A.A., Orlov S.E. // 3 Biotech. 2017. V. 7. №5. P. 1-9. doi: 10.1007/s13205-017-0964-6.Gama M., Dourado F., Bielecki S. (Eds.). Bacterial nanocellulose: from biotechnology to bio-economy. Elsevier, 2016. 260 p.Gama M., Dourado F., Bielecki S. (Eds.). Bacterial nanocellulose: from biotechnology to bio-economy. Elsevier, 2016. 260 p.De Souza S.S., Berti F.V., de Oliveira K.P.V., Pittella C.Q.P., de Castro J.V., Pelissari C., Rambo C.R., Porto L.M. // Cellulose. 2019. V. 26. № 3. P. 1641-1655. doi: 10.1007/s10570-018-2178-4.De Souza S.S., Berti F.V., de Oliveira K.P.V., Pittella C.Q.P., de Castro J.V., Pelissari C., Rambo C.R., Porto L.M. // Cellulose. 2019. V. 26. № 3. P. 1641-1655. doi: 10.1007/s10570-018-2178-4.Kurschner K., Hoffer A. // Fresenius J. Anal. Chem. 1993. V. 92. № 3. P. 145-154.Kurschner K., Hoffer A. // Fresenius J. Anal. Chem. 1993. V. 92. № 3. P. 145-154.Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.TAPPI method T222 om-83. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. In: Test methods 1998—1999. Atlanta. TAPPI Press, 1999.TAPPI method T222 om-83. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. In: Test methods 1998—1999. Atlanta. TAPPI Press, 1999.TAPPI method T211 om-85. Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. In: Test methods. Atlanta. TAPPI Press, 1985.TAPPI method T211 om-85. Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. In: Test methods. Atlanta. TAPPI Press, 1985.Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Appl. Biochem. Microbiol. 2018. V. 54, № 2. P. 179-187. doi: 10.1134/S0003683818020035.Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Appl. Biochem. Microbiol. 2018. V. 54, № 2. P. 179-187. doi: 10.1134/S0003683818020035.Miller G.L. // Anal. Chem. 1959. V. 31. № 3. P. 426-428. doi: 10. 1021/ac60147a030.Miller G.L. // Anal. Chem. 1959. V. 31. № 3. P. 426-428. doi: 10. 1021/ac60147a030.Зедгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. 390 с.Зедгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. 390 с.Варфоломеев С.Д. (ред.). Химия биомассы: биотоплива и биопластики. М.: Научный мир, 2017. 790 с.Варфоломеев С.Д. (ред.). Химия биомассы: биотоплива и биопластики. М.: Научный мир, 2017. 790 с.Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. // Polymers. 2019. V. 11. P. 1-7. doi: 10.3390/polym11071201.Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. // Polymers. 2019. V. 11. P. 1-7. doi: 10.3390/polym11071201.Макарова Е.И., Будаева В.В. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. № 4. С. 51—57. doi: 10.21285/2227-2925- 2017-7-4-51-57.Макарова Е.И., Будаева В.В. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. № 4. С. 51—57. doi: 10.21285/2227-2925- 2017-7-4-51-57.Xu C., Zhang J., Zhang Y., Guo Y., Xu H., Xu J., Wang Z. // Biores. Tech. 2019. V. 292. P. 1-7. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121993.Xu C., Zhang J., Zhang Y., Guo Y., Xu H., Xu J., Wang Z. // Biores. Tech. 2019. V. 292. P. 1-7. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121993.Carreira P., Mendes J.A., Trovatti E., Serafim L.S., Freire C.S., Silvestre A.J., Neto C.P. // Biores. Tech. 2011. V. 102. P. 7354-7360. doi: 10.1016/j.biortech.2011.04.081.Carreira P., Mendes J.A., Trovatti E., Serafim L.S., Freire C.S., Silvestre A.J., Neto C.P. // Biores. Tech. 2011. V. 102. P. 7354-7360. doi: 10.1016/j.biortech.2011.04.081.Chen L., Hong F., Yang X.X., Han S.F. // Biores. Tech. 2013. V. 135. P. 464-468. doi: 10.1016/j.biortech.2012.10.029.Chen L., Hong F., Yang X.X., Han S.F. // Biores. Tech. 2013. V. 135. P. 464-468. doi: 10.1016/j.biortech.2012.10.029.Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Алешина Л.А. // Ползуновский вестник. 2016. № 4. Т. 1. С. 152—156.Гладышева Е.К., Скиба Е.А., Алешина Л.А. // Ползуновский вестник. 2016. № 4. Т. 1. С. 152—156.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.