Кинетика ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов при различных концентрациях субстрата

Изучена кинетика ферментативного гидролиза в ацетатном буфере двух субстратов лигноцеллюлозного материала из мискантуса и плодовых оболочек овса (ПОО) – при различных концентрациях субстрата. Субстраты получены одностадийной обработкой разбавленным раствором азотной кислоты, содержание негидролизуемого компонента – кислотонерастворимого лигнина – составляет 11 и 14 % для мискантуса и ПОО соответственно. В качестве катализатора была применена мультиэнзимная композиция из промышленно доступных ферментных препаратов «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Показано, что обработка раствором азотной кислоты позволяет получать реакционноспособные субстраты для ферментолиза. Научная новизна результатов подтверждена патентом РФ 2533921. Кинетика ферментолиза данных субстратов в ацетатном буфере может быть описана математической моделью на основе модифицированного уравнения Михаэлиса – Ментен. Из экспериментальных данных определены основные кинетические константы ферментолиза для обоих субстратов. Рассчитаны значения равновесных концентраций редуцирующих веществ (РВ) для субстратов в зависимости от их начальной концентрации. Установлено, что начальная скорость ферментолиза для лигноцеллюлозного материала из ПОО выше на 1 г/(л·ч), чем для лигноцеллюлозного материала из мискантуса во всем изученном диапазоне концентраций субстратов (33,3–120,0 г/л). Показано, что выход РВ зависит от начальной концентрации субстратов: при ее увеличении от 33,3 до 120,0 г/л выход РВ снижается в 1,5–2,0 раза, что обусловлено субстратным ингибированием. При  низких начальных концентрациях выходы РВ для субстратов из мискантуса и ПОО близки. При повышении начальной концентрации субстрата до 120,0 г/л выход РВ из лигноцеллюлозного материала мискантуса примерно на 20 % выше выхода РВ для лигноцеллюлозного материала ПОО. Установленные зависимости и построенная математическая модель позволяют оптимизировать значения начальных концентраций субстрата для эффективного проведения ферментолиза.

1. Варфоломеев С.Д., Моисеев И.И., Мясоедов Б.Ф. // Вестник Российской академии наук. 2009. Т. 79. No 7. С. 595—604.

2. Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. // Успехи химии. 2010. Т. 79. No 6. С. 544—564.

3. Ta her zaden M. J., K a r i m i K .// BioResources, 2007. 2 (4). P. 707—738.

4. Sun Y., Chehg J. // Bioresourse Technology. 2002. No 83. Р. 1—11.

5. Третьяков В.Ф., Макарфи Ю.И., Третьяков К.В., Французова Н.А., Талышинский Р.М. // Катализ в промышленности. 2010. No 5. С. 11—32.

6. Бешкарева М.А., Третьяков В.Ф. // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. 2012. Т. 8. No 4. С. 61—62.

7. Ефременко Е.Н., Степанов Н.А., Гудков Д.А., Сенько О.В., Лозинский В.И., Варфоломеев С.Д. // Катализ в промышленности. 2013. No 1. С. 68—77.

8. Проскурина О.В., Короткова О.Г., Рожкова А.М., Матыс В.Ю., Кошелев А.В., Немашкалов В.А., Синицына О.А., Синицын А.П. // Катализ в промышленности. 2013. No 5. С. 65—73.

9. Новожилов Е.В, Аксенов А.С., Демидов М.Л., Чухчин Д.Г., Доценко Г.С., Осипов Д.О., Синицын А.П.// Катализ в промышленности. 2014. No 4. С. 74—80.

10. Hu F., Ragauskas A. // Bioenerg. Res. 2012. 5. P. 1043—1066. Doi: 10.1007/s 12155-012-9208-0.

11. Kabel M.A., Bos G., Zeevalking J., Voragen A.G., Schools H.A. // Bioresour. Technol. 2007. T. 98. P. 2034—2042.

12. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1962. 711 с.

13. Будаева В.В., Гисматулина Ю.А., Золотухин В.Н., Сакович Г.В., Вепрев С.Г., Шумный В.К. // Ползуновский вестник. 2013. No 3. С. 162—168.

14. Limayema A., Ricke Steven C.// Progress in Energy and Combustion Science. 2012. 38. Р. 449—467.

15. Скиба Е.А., Момот Т.О., Бычин Н.В., Золотухин В.Н. // Ползуновский вестник. 2013. No 3. С. 197—202.

16. Будаева В.В., Скиба Е.А., Макарова Е.И., Золотухин В.Н., Сакович Г.В., Удоратина Е.В., Кувшинова Л.А., Щербакова Т.П., Кучин А.В. // Ползуновский вестник. 2013. No 1. С. 215—219.

17. Макарова Е.И., Будаева В.В., Золотухин В.Н., Люханова И.В., А лешина Л.А. // Ползуновский вестник. 2013. No 3. С. 188—193.

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

19. ГОСТ 10820—75. Целлюлоза. Метод определения массовой доли пентозанов. Издание официальное. М.: Изд-во стандартов, 1991. 8 с.

20. Будаева В.В., Макарова Е.И., Скиба Е.А., Сакович Г.В. // Катализ в промышленности. 2013. No 3. С. 60—66.

21. Фараджева Е.Д., Федоров В.А. Общая технология бродильных производств. М.: КолосС, 2002. 408 с.

22. Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология. М.: Академия, 2005. 472 с.

23. Айвазян С.А., Енюков И.С. , Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 с.

24. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. II. СПб.: НПО «Профессионал», 2006, 2007. 916 с.

25. Синицын, А.П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов / А.П. Синицын, А.В. Гусаков, В.М. Черноглазов. М.: Издательство МГУ, 1995. 224 с.

26. Li Li, Wenbing Zhou, Hongwei Wu, Yun Yu, Fen Liu, Duanwei Zhu // BioResources. 2014. Vol. 9. No 3. Р. 3993—4005.

27. Иоелович М.Я. // Химия растительного сырья. 2014. No 1. 61— 6 4.

28. Ioelovich M., Morag E. // Bioresources. 2011. No 6. P. 2818—2835.

29. Ioelovich, M. Morag E. // BioResources. 2012. V. 6. No 4. P. 4672—4682.

30. Пат. 2533921 России. С 1. No 2013140699/20; заявл. 03.09.2013; опубл. 27.11.2014.