Биотехнологические аспекты и перспективы производства микробной целлюлазы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»

Биотехнологические аспекты и перспективы производства микробной целлюлазы

Л.В. Шаяпова

А.С. Паненкова

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году. Она является наиболее распространенным органическим полимером, составляющим в мире крупнотоннажное производство биомассы посредством фотосинтеза. Также она считается почти неисчерпаемым источником сырья для различных продуктов. Это самый распространенный и возобновляемый биополимер на земле, отходы которого широко используются в сельском хозяйстве. Перспективной стратегией эффективного использования этого возобновляемого ресурса является микробный гидролиз лигноцеллюлозных отходов и ферментация образующихся в результате восстанавливающих сахаров для получения желаемых метаболитов или биотоплива [4, 5].

Целлюлоза представляет собой кристаллический полимер, целлюлозные цепи которого достаточно устойчивы, с сильным межмолекулярным взаимодействием, обусловленным водородными связями. В природе целлюлоза почти не встречается в нативном состоянии, чаще всего целлюлозные волокна внедряются в структуру других биополимеров, прежде всего гемицеллюлоз и лигнина. Важной особенностью кристаллической решетки является относительная непроницаемость. В полимерной структуре имеются кристаллические и аморфные области и, кроме того, существует несколько типов поверхности. Эта неоднородность делает волокна способными набухать при частичной гидратации, в результате чего микропоры и полости становятся достаточно большими, чтобы обеспечить проникновение более крупных молекул, включая ферменты [1-3, 5].

Микробная деградация лигноцеллюлозных отходов и полученных в результате этого продуктов, осуществляется путем совокупного действия нескольких ферментов, наиболее важными из которых являются целлюлазы, которые продуцируются рядом микроорганизмов и содержат несколько различных классификаций ферментов. Целлюлазы гидролизуют целлюлозу и производят в качестве первичных продуктов глюкозу, целлобиозу и целлоолигосахариды. Данный фермент представляет собой комплекс из трех основных ферментов, действующих совместно: целлобиогидролаза, эндоглюканаза, в-глюкозидаза. Также различают «кислые целлюлазы», максимально активные при рН 4,5-5,5 и 45-55 ?C, и «нейтральные целлюлазы», активные при рН 5,5-8,0 и 50-60 ?C [2-4].

Целллюлазы содержатся в проросшем зерне, грибах, у многих бактерий, а также имеется у ряда животных, которые питаются древесиной (насекомые-ксилофаги, корабельный червь). Способность травоядных животных переваривать клетчатку обусловлена наличием в их желудке, главным образом в рубце, симбиотических микроорганизмов, способных выделять целлюлазу. Микробная целлюлаза является менее дорогостоящей, чем традиционно производимая целлюлаза, и может быть получена из грибов, бактерий и актиномицетов. Целлюлитические микроорганизмы в основном используют углеводы в питании и не могут использовать белки или липиды в качестве источников энергии для роста. Способность секретировать большое количество внеклеточного белка характерна для некоторых грибов, и такие штаммы наиболее подходят для производства более высоких уровней внеклеточных целлюлаз. Одним из наиболее широко изучаемых грибов является Trichoderma reesei, который превращает нативную, а также производную целлюлозу в глюкозу. Наиболее часто изучаемые целлюлитические организмы включают грибы: Trichoderma, Humicola, Penicillium, Aspergillus. Несмотря на то, что некоторые виды грибов могут метаболизировать целлюлозу в качестве источника энергии, только несколько штаммов способны секретировать комплекс ферментов целлюлазы, которые могут иметь практическое применение при ферментативном гидролизе целлюлозы. На сегодняшний день перспективными источниками целлюлаз являются бактерии ввиду их повсеместного распространения, а также небольшой, по сравнению с грибами, длительностью культивирования.

Целлюлазы применяются во многих отраслях промышленности:

пищевая промышленность - экстракция и осветление соков, нектаров; получение каротина и пищевых красителей; размягчение сырья для виноделия; добавка при омолаживании ячменя при пивоварении;

производство детергентов - энзимная добавка в синтетические моющие средства;

текстильная промышленность - применяется для мягкости хлопчатобумажных тканей;

целлюлозно-бумажная промышленность - размягчение целлюлозного сырья, отбеливание; утилизация отходов;

сельское хозяйство - добавка к кормам, повышающая питательную ценность; применяется для заготовки фуража;

производство биотоплива - гидролиз целлюлозного и лигнинсодержащего сырья для производства биоэтанола.

Целлюлазы, используемые в текстильной промышленности, в детергентах, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском хозяйстве для улучшения усвояемости кормов для животных, в пищевой промышленности составляет значительную долю мирового рынка ферментов. В связи с истощением ископаемого газа и загрязнением атмосферного воздуха за счет неполного сжигания топлива, актуальным является производство биоэтанола из лигноцеллюлозы. В частности, актуальной задачей является возможность применения целлюлаз и гемицеллюлаз для осуществления ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного материала. В то же время, при производстве биоэтанола необходимо сократить затраты на ферменты, используемые для гидролиза сырья, а также повысить эффективность процесса, тем самым сделав его экономически выгодным [12-14].

Целлюлазы являются индуцируемыми ферментами, и наиболее проблематичным и дорогостоящим аспектом производства промышленной целлюлазы является подходящий индуктор. В качестве такого индуктора может служить лактоза. Однако в промышленном масштабе это может привести к высоким издержкам. Так как ферменты индуцируются целлюлозой, можно использовать целлюлозосодержащие среды при промышленном производстве. Однако необходимо учитывать, что при низких концентрациях целлюлозы производство глюкозы может быть слишком медленным для удовлетворения метаболических потребностей, а именно, - активного роста и функционирования клеток. С другой стороны, синтез целлюлазы может быть остановлен при том, когда выработка глюкозы происходит быстрее, чем потребление. Таким образом, необходимо создать технологические схемы для постепенного добавления субстрата и мониторинга концентрации глюкозы [6, 8-10].

Биологические аспекты обработки целлюлозной биомассы становятся сутью будущих исследований с участием целлюлаз и микроорганизмов, расщепляющих целлюлозу. Проблемы, которые требуют внимания, не ограничиваются только производством целлюлазы, а характеризуются согласованными усилиями по пониманию основной физиологии целлюлозных микробов и использованию этих знаний в сочетании с инженерными принципами для лучшей обработки и использования этого наиболее распространенного природного ресурса [10, 11].

Основными целями будущих перспективных исследований в области производства целлюлаз являются снижение стоимости производства и повышение эффективности данных ферментов. Возможными путями их достижения представляются: оптимизация условий или процессов роста, направленные усилия в области белковой инженерии и микробной генетики для улучшения свойств ферментов.

Библиографический список

целлюлаза фермент биомасса

1. Авдеева, Л.В. Биосинтез целлюлаз пробиотическими штаммами Bacillus subtilis при совместном выращивании [Текст] / Л.В. Авдеева, А.И. Осадчая, М.А. Хархота // Микробиология и биотехнология. - 2010. - №4. - 80-89 с.

2. Клесов, A.A. Ферментативное превращение целлюлозы [Текст] / А.А. Клесов // Итоги науки и техники, Биотехнология, 1. М.: ВИНИТИ. - 1983, с. 63-150.

3. Марков, A.B. Свойства ферментных комплексов, продуцируемых мутантными штаммами Trichoderma reesei [Текст]: диссертация на соискание ученой степени канд. хим. наук. - М: МГУ, 2003. - 201 с.

4. Рабинович, М.Л. Структура и механизм действия целлюлолитических ферментов [Текст] / М.Л. Рабинович, М.С. Мельник, А.В. Болобова. - Биохимия, 2002. - с. 1026-1050.

5. Рабинович, М.Л. Целлюлазы микроорганизмов [Текст] / М.Л. Рабинович, М.С. Мельник, А.В. Болобова. - Прикл. биохим. микробиол., 2002. - с. 355-373.

6. Роговин, З.А. Химия целлюлозы [Текст] / З.А. Роговин. - М.: Химия. - 1972, 519 с.

7. Рынок ферментов России в 2007-2009 годах. Альтернативные технологии производства ферментов [Электронный ресурс]: Abercade, 2010. URL: http://www.abercade.ru/research/analysis/5578.html (дата обращения 18.10.17 г).

8. Синицын, А.П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. [Текст] / А.П. Синицын, А.В. Гусаков, В.М. Черноглазов. - М: МГУ, 1995. - 224 с.

9. Синицын, А.П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. [Текст] / А.П. Синицын, А.В. Гусаков, В.М. Черноглазов. - М: Биотехнология, 2000. - 152 с.

10. Bhal, M.K., Cellulose degrading enzymes and their potential industrial applications [Text] / M.K. Bhal, S. Bhat. - Biotechnol Adv. - 1997. - p. 583-620.

11. Fan, L.T. Mechanism of the enzymatic hydrolysis of cellulose [Text] / L.T. Fan, Y.Н. Lee, D.N. Beardmore: Effects of major structural features of cellulose on enzymatic hydrolysis. - Biotechnol Bioeng, 1980. - p. 177-199.

12. Klemm, D. In Biopolimers [Text] / D. Klemm, H.P. Schmauder, T. Heinze, E. Vandamme, S. De Beats. - Weinheim: Wiley-VCH, 2002. - p. 290-292.

13. Chandrawati, J.S. Textbook of Biotechnology [Text] / J.S. Chandrawati. - APH Publishing, Jan 1, 2008. - 300 p.

14. Ratledge, C. Basic Biotechnology [Text] / C. Ratledge, K. Bjorn. - Cambridge University Press: Medical, 2006. - 666 p.

Размещено на Allbest.ru