Для утилизации агроотходов с использование микробного синтеза рекомендуется применять технологии твердофазного культивирования. Это связано с особенностями роста мицелия грибных штаммов-продуцентов, позволяющими проникать в твердые субстраты.
Однако использование агроотходов в качестве сырья для биотехнологического производства имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах , Abercade
Каждый из типов агропромышленных отходов имеет определенный состав, питательную ценность, начальную влажность, консистенцию и, следовательно, приставляет различный интерес в качестве субстратов для биотехнологической переработки. Современные методы обработки сельскохозяйственных культур, постоянно улучшаются, что приводит к снижению концентрации ценных питательных веществ в агроотходах.
Описание основных технологий производства α-амилазы и глюкоамилазы
α-амилаза (КФ 3.2.1.1; α-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза; гликогеназа) является кальций-зависимым ферментом. α-амилаза способна гидролизовать α-1,4-гликозидную связь в полисахаридной цепи крахмала и других длинноцепочечных углеводов. Таким образом, процесс гидролиза приводит к образованию олигосахаридов различной длины.
Основные сферы применения а-амилазы
Источник: Обзор рынка ферментных препаратов России в 2007 - 2009 годах , Abercade
Глюкоамилаза (КФ 3.2.1.3, α-1,4-глюканглюкогидролаза, амилоглюкозидаза) широко распространена в природе. Она синтезируется многими микроорганизмами и образуется в животных тканях. Глюкоамилаза катализирует гидролиз α-1,4 и α-1,6 – гликозидных связей в крахмале. Фермент последовательно отщепляет концевые остатки α-D-глюкозы с нередуцирующих концов амилозы и амилопектина.
Глюкоамилаза используется главным образом в пищевой промышленности для производства глюкозных и фруктозных растворов из крахмала, также применяется в кондитерской индустрии, хлебопечении, при производстве соков, в пивоварении. Фермент используется как добавка к сельскохозяйственным кормам, в текстильной промышленности, фармацевтической и химической (производство детергентов).
Пищевая и спиртовая промышленность потребляет до 90% произведенных карбогидраз.
Описание основных технологии производства α-амилазы
В настоящее время для промышленного получения α-амилазы применяют продуцентов Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Bacillus stearothermophilus, Aspergillus oryzae.
Для производства α-амилазы применяют как глубинный, так и поверхностный метод культивирования. Традиционно фермент получают глубинным способом ферментации, что связано с простотой получения ферментного препарата, лучшего контроля основных процессов культивирования. Для данного способа ферментирования с использованием бактериальных продуцентов применяют в основном синтетические питательные среды. Хотя в последнее время отмечается тенденция к замене дорогих компонентов среды (гидролизованный крахмал, пептон) более доступными агроотходами.
Поверхностное культивирование представляет альтернативу традиционному глубинному культивированию. Еще в начале 20 века были разработаны технологии по производству амилазы из пшеничных отрубей, используя поверхностное культивирование с использованием ротационно-барабанных биореакторов. Такие технологии применяются сейчас для производства традиционного японского напитка коджи.
Поверхностное культивирование для производства амилазы с использованием грибных продуцентов имеет не только технические и экономические преимущества, над глубинным культивированием. Микроскопические грибы, обладают гифальным ростом, что позволяет глубоко проникать мицелию в культуральную среду и быть толерантным к низкой влажности субстрата.
Интересен факт, что для твердофазного культивирования успешно применяют бактерий рода Bacillus. Производство бактериальных амилаз, с использованием этого метода, уменьшает время культивирования до 24-48 часов.
Выделение и очистка ферментного препарата после культивирования наиболее дорогостоящий процесс, определяющий возможность применения той или иной технологии. Большинство ферментных препаратов выделяются из среды при помощи хроматографических методов. Сейчас разработаны методы одностадийного выделения ферментов. Если не требуется высокоочищенных ферментных препаратов амилазы, то возможно применять метод осаждения сульфатом аммония. В случае применения технологий твердофазного культивирования, в субстрате накапливается высокая концентрация фермента, возможно использовать мелкоизмельченный пек культурационной среды, как амилолитический ферментный препарат (например, в кормовых добавках).
Наглядно выглядит сравнение двух технологий по производству амилазы. При применении глубинного способа культивации штамма-продуцента Bacillus licheniformis CBBD302 (Jiangnan University, China, 2009) на синтетической питательной среде сообщается выход фермента 17530 ед/мл, в то время как при твердофазном культивировании на пшеничных отрубях продуцента Bacillus sp. PS-7 зафиксирован выход фермента 464000 ед/г.
Большинство публикаций 2005-2009 годов рассматривает производство карбогидраз на агросубстратах, используя поверхностное культивирование, как перспективное направление. Исследовательские центры, рассматривающие данную тему, сосредоточены в Индии, Китае, Японии, Тайване, Турции, Бразилии, Иране и Пакистане. Также встречаются публикации российских исследователей. Однако большинство описанных технологий находится на стадии лабораторных испытаний.
Большинство исследователей сходятся во мнении, что применение пшеничных и рисовых отрубей, в качестве субстрата для твердофазного культивирования наиболее продуктивно. Также в качестве потенциального сырья для производства амилазы, рассматриваются агроотходы: подсолнечниковый шрот, шелуха риса, семена хлопка, соевый жмых, отруби риса, банановые отходы, просо и др.
Наиболее перспективно производить термоустойчивые амилолитические препараты. Применение таких ферментов позволяет увеличивать реакционную температуру (до 90°С), что позволяет минимизировать риск микробного загрязнения, уменьшает время реакции, что позволяет уменьшить расход энергии. Термостабильные ферменты используют в спиртовой промышленности. При твердофазном культивировании ферментные препараты амилаз более термостабильны.
С помощью твердофазного метода культивирования на агроотходах возможно получать кислотоустойчивые амилазы (Aspergillus kawachii IFO 4308), термостабильные амилазы (Thermomyces lanuginosus ATCC 58160), а также комплексные ферментные препараты (Rhizopus oryzae MUCL 28168, амилаза + глюкоамилаза, Streptomyces rimosus TM-55 и Aspergillus niger, амилаза + протеаза).
.....
ионы кальция повышают устойчивость альфа амилазы
.....