CC BY
73
УДК 664
З. Ш. Мингалеева, О. А. Решетник
ПОЛУЧЕНИЕ ДРОЖЖЕВОЙ БИОМАССЫ НА ГИДРОЛИЗАТАХ ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: дрожжи, антиоксиданты, биомасса, культивирование, стимуляция.
Исследованы процессы получения дрожжей Candida scottii на гидролизатах древесины при различных способах культивирования в присутствии антиоксидантов.
Keywords: yeast, antioxidants, biomass, cultivation, stimulation.
Investigated the processes for producing yeast Candida scottii on of wood hydrolyzate at various ways of of cultivation in the presence of antioxidants.
Микроорганизмы способны сравнительно быстро перестраиваться в соответствии с изменениями окружающей среды. Представленная природой возможность управления их ростом и размножением может осуществляться, прежде всего, интенсификацией процессов основного метаболизма клетки различными факторами среды.
В настоящее время известно, что ряд веществ, добавленных в среду культивирования, оказывает стимулирующее или угнетающее действие на рост микроорганизмов. Факторы внешней среды, которые могут ускорять рост микроорганизмов, не вовлекаясь непосредственно в основной метаболизм, рассматриваются как активаторы или стимуляторы процессов жизнедеятельности клеток.
Из анализа литературных данных следует, что проблема исследования стимулирующего действия веществ различной природы и происхождения на рост, развитие, накопление и качество биомассы дрожжей не является новой. Однако в последнее время было получено множество соединений, обладающих биологической активностью, в частности фенольной природы, к которым можно отнести ан-тиоксиданты (АО), действие которых на физиологию дрожжей до конца не изучено, поэтому проведение дальнейших исследований в этом направлении представляет значительный интерес.
Антиоксиданты играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов, защищая их от повреждающего действия широкого круга токсикантов с помощью регулирования процессов перекис-ного окисления липидов, прежде всего в клеточных мембранах.
В экспериментах использовали антиоксидан-ты - производные 2,6-дитрет-бутил-фенола, полученные в лаборатории или на промышленных установках.
Влияние антиоксидантов на рост дрожжей изучали в условиях культивирования на питательных средах, содержащих в качестве источника углерода и энергии гидролизаты растительного сырья.
В состав питательной среды, содержащей углеводы в качестве источника углерода и энергии, водонерастворимые АО вводили в растворе 96 % этилового спирта, либо в виде композиции на основе ПАВ. Были использованы водорастворимые композиции ионола с товарным названием Агидол-Д (10% ионола, 20,2% гидролизата кормовых дрожжей, 17,3% растительного жира, 0,3% салициловой
кислоты, 2% соляной кислоты и 49% воды) и Аги-дол-К (6,8% ионола, 9% растительного жира, 14% белково-витаминного концентрата, 0,2% консерванта и 70% воды).
В условиях периодического культивирования дрожжей Candida scottii КС-2 - продуцента биомассы - на гидролизатах древесины в присутствии антиоксидантов выявлено положительное влияние этих веществ на рост исследуемого штамма.
При выращивании на качалочных колбах в контрольном варианте масса биомассы составила 0,87-0,93 г АСБ, в опытных - 1,05-1,15 г АСБ, то есть на 15-27 % больше (табл. 1).
Таблица 1 - Показатели периодического культивирования дрожжей Candida scottii КС-2 в присутствии антиоксидантов
Антиоксиданты Содержание остаточных РВ в среде, % Масса биомассы, г АСБ Увеличение АСБ,%
контроль опыт контроль опыт
Фенозан-Ы (0,0001 г/л) 0,21 0,20 0,93±0,05 1,07±0,02 15,1
3,5- дитретбутил-4-гидрокси-бензойная кислота (0,1 г/л) 0,20 0,19 0,87±0,02 1,05±0,03 20,7
Основание Манниха в фузе (0,1 г/л) 0,19 0,18 0,91±0,03 1,09±0,04 19,8
Ионол в фузе (0,1 г/л) 0,19 0,18 0,90±0,06 1,15±0,04 27,8
Агидол-К (0,1 г/л) 0,19 0,19 0,90±0,07 1,14±0,06 26,7
При культивировании на лабораторном ферменте в присутствии биостимуляторов масса биомассы увеличивалась на 15-22%, выход биомассы от субстрата - на 57-71% (табл. 2).
Следующим этапом работ явилось исследование влияния биостимуляторов на рост дрожжей в условиях культивирования непрерывным способом. Эксперименты показали, что в присутствии исследуемых биостимуляторов наблюдается увеличение удельной скорости роста дрожжей на 9-23 %, вы-
хода АСБ от РВ на 19-44 % по сравнению с контролем (табл. 3).
Таблица 2 - Показатели периодического культивирования дрожжей Candida scottii КС-2 в присутствии антиоксидантов (лабораторный фермент)
Антиоксиданты АСБ, г Выход АСБ от РВ, г/г
контроль опыт контроль опыт
Ионол в фузе (0,01 г/л) 6,68±0,17 8,16±0,11 0,21 0,36
% стимуляции 22,2 71,4
Основание Манниха в фузе (0,01 г/л) 7,26±0,06 8,38±0,07 0,23 0,36
% стимуляции 15,4 56,5
Агидол-К (0,01г в пересчете на ионол) 7,10±0,11 8,68±0,17 0,20 0,33
% стимуляции 22,2 65,0
В таблице 3 представлены показатели развития кормовых дрожжей при культивировании непрерывным способом в присутствии антиоксидан-тов: ионола, Агидола-Д, основания Манниха, где К -контроль; Оп-опыт.
Таблица 3 - Показатели роста дрожжей Candida scottii КС-2 при культивировании непрерывным способом в присутствии антиоксидантов
Антиокси-данты Накопленная биомасса, г АСБ Удельная скорость роста, ч-1 Выход АСБ от РВ, г/г
К Оп К Оп К Оп
Ионол 41,3 61,9 0,23 0,25 0,34 0,49
% стимуляции 49,9 8,7 44,1
Агидол-Д 52,4 72,3 0,22 0,26 0,47 0,56
% стимуляции 37,9 18,2 19,1
Основание Манниха 55,7 89,3 0,22 0,27 0,49 0,66
% стимуляции 60,3 22,7 34,7
Сравнительное изучение влияния антиоксидантов на рост дрожжей по показателю «масса АСБ» в условиях периодического и непрерывного способов культивирования показало, что при культивировании непрерывным способом стимулирующее действие этих веществ проявляется сильнее: соответственно 15-28 % и 50-60 % стимуляции относительно контроля (рис. 1).
И |111 ■■■■■■■■ ШШ '■'■'■'■
О 100--ШШ'-111 -ШШ ■■■■■■■■-
< 1111::::: 1111: : : ¡111: : :
50--ЖЪ ^'-111 -ill "
о -I—^^•■•■•■•■'1—,—ШШ- - - А—,—шш-------- -
контроль нонол основание
Манниха
□ периодический способ культивирования
□ непрерывный способ культивирования
Рис. 1 - Влияние антиоксидантов на рост дрожжей Candida scottii КС-2 при различных способах культивирования (лабораторный ферментер)
В условиях опытно -промышленных испытаний антиоксиданта ионола в отделении чистой культуры использовали композицию ионол-фуза (вода-фуза 1,3/1, ионол 5 % КОН 1,2 %). Композицию в концентрации 1-10-2 г/л (в пересчете на ионол) добавляли только в малый инокулятор (V = 0,63 м3); за эффектом ее действия следили по выходу дрожжей Candida scottii КС-2 в малом, а затем в большом (V = 5 м3) инокуляторах.
Критерием окончания процесса в малом ино-куляторе служило снижение концентрации РВ среды до 0,15-0,20%, после чего дрожжи переводили в большой инокулятор, где критерием окончания процесса служили снижение содержания РВ до 0,150,20% и доведение объема до 1,5 м3.
Результаты опытно-промышленных испытаний свидетельствуют, что в присутствии ионола наблюдается увеличение массы биомассы (по прессованным дрожжам) на 8-29%, увеличение удельной скорости роста дрожжей до 0,26-0,27 ч-1, сокращение продолжительности процесса выращивания чистой культуры на 6 часов.
Следующим этапом исследований явились промышленные испытания в производственных дрожжерастительных аппаратах объемом 1300 м3, для реализации которых была выбрана композиция Агидол-Д. Технологическая схема при проведении испытаний осталась практически неизменной; в схему был введен лишь технологический узел дозирования стимулирующей композиции. Состав питательной среды и условия культивирования соответствовали технологическому регламенту.
Следует отметить, что в отличие от лабораторных исследований, где сусло разбавляли водой, в условиях промышленных испытаний для разбавления сусла использовали «бражку» после биологического доокисления, то есть использовали замкнутую схему водопользования.
Технологические параметры четырехсуточ-ного контрольного процесса выращивания дрожжей в выбранных дрожжерастильных аппаратах ДРА-III и ДРА-IV оказались сравнимыми (таблица 4). По данным микробиологического контроля состояние дрожжей в ДРА-III и ДРА-IV за указанный контрольный период было одинаковым.
Таблица 4 - Технологические параметры непрерывного культивирования дрожжей Candida scottii КС-2 на гидролизате древесины в промышленных аппаратах, V = 1300 м3 (контроль)
Параметры процесса ДРА-Ш ДРА- IV
Концентрация дрожжей в ДРА, г/л 30,1 29,9
Удельная скорость протока, ч-1 0,13 0,13
Продуктивность, кг/(м3-ч) 3,89 3,75
Удельный расход РВ, кг/кг 1,92 1,92
Выход АСБ от РВ, кг/кг 0,52 0,52
Производительность ДРА, т АСБ/сутки 11,24 11,12
Общий белок/истинный белок, % 43,1/34,7 41,3/34,9
Средняя температура в аппарате, оС 38,9 37,8
ХПК культуральной жидкости, мг О2/л 7000-8200 7000-9000
Затем провели трехсуточный опытный процесс выращивания дрожжей, усредненные показатели которого приведены в таблице 5.
В ДРА-Ш вносили Агидол-Д в концентрации 1,5-10-1 г/л (в пересчете на ионол), работающий параллельно без добавления антиоксиданта ДРА-ГУ служил контролем. В этих условиях для опытного аппарата (ДРА-ГГГ) наблюдали увеличение следующих технологических показателей процесса по сравнению с контролем (ДРА-ГУ):
- концентрации дрожжей - на 12,2 %;
- продуктивности процесса - на 11,3 %;
- производительности аппарата - на 9,3 %;
- содержания в биомассе общего и истинного белка - на 2,25 и 1,5 % соответственно.
Удельный расход РВ при этом снизился на
15,6 %.
По данным микробиологического контроля, в период испытаний стимулятора состояние дрожжей в опытном чане (ДРА-ГГГ) по сравнению с контрольным аппаратом (ДРА-ГУ) значительно улучшилось: увеличилось количество почкующихся клеток и ветвистых форм.
В ходе испытаний антиоксиданта ионола в условиях промышленного производства кормовых дрожжей были подтверждены результаты предварительных лабораторных исследований: культура дрожжей, растущая в присутствии биостимулятора, активно развивается, для нее характерны высокая
скорость роста, быстрое и более полное потребление субстрата, в результате чего наблюдается: сокращение времени ферментации (в условиях периодического культивирования), увеличение продуктивности биосинтеза, производительности аппарата, снижение удельного расхода субстрата.
Таблица 5 - Технологические показатели непрерывного культивирования дрожжей Candida scottii КС-2 в присутствии Агидола-Д (промышленные испытания, аппараты I300 м3)
Параметры процесса ДРА-Ш (опыт) ДРА-IV (контроль) % стимуляции
Концентрация дрожжей в ДРА, г/л 24,1 27,03 12,2
Скорость протока, ч-1 0,14 0,14 -
Продуктивность, кг/м3 • ч 3,36 3,74 11,3
Удельный расход РВ, кг/кг 2,08 1,80 15,6
Выход АСБ от РВ, кг/кг 0,48 0,55 14,7
Производительность ДРА, т АСБ/сутки 10,15 1,10 9,3
Общий белок/истинный белок, % 45,0/41, 2 47,2/42, 7 2,2/1,5
ХПК культуральной жидкости, мг О2/л 4009800 4009800 -
Удельный расход биостимулятора, г/т АСБ - 8,9 -
Таким образом, в результате исследований различных способов культивирования дрожжей Candida scottii на гидролизатах древесины доказана перспективность использования антиоксидантов, которые позволяют интенсифицировать процессы получения кормовых дрожжей.
Литература
1. Беккер, M.E. Биотехнология / М.Е. Беккер, Т.К. Мие-пиньш, Е.П. Райпулис. - М.: Агропромиздат, 1990. - 331 с.
2. Тишин, В.Б. Исследование влияния некоторых факторов на кинетику роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae при периодическом культивировании / В.Б. Тишин, К. Аль Асаад, М.М. Кхалил// Вестник Международной Академии Холода. - 2007. - №1. - С.44-47.
3. Бурлакова, Е.Б. Биоантиоксиданты: новые горизонты / Е.Б. Бурлакова // Труды Материалы VI международной конференции «Биоантиоксидант». - М.: Экспресс Полиграф Сервис. - 2002. - С. 69-70
4. Мингалеева. З.Ш., Старовойтова О.В., Садриева А.А., Решетник О.А. Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 235-237 (2014)
5. Ямашев Т.А., Решетник О.А., Вестник Казанского технологического университета, 11, 290-296 (2010)
© З. Ш. Мингалеева - д.т.н, профессор кафедры технологии пищевых производств КНИТУ, [email protected]; О. А. Решетник - д.т.н. профессор, зав. кафедрой технологии пищевых производств КНИТУ, [email protected].
© Z. Sh. Mingaleeva, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Technology of Food Productions in KNRTU, [email protected]; O. A. Reshetnik, Doctor of Technical Sciences, Professor, supervisor of the Department of Technology of Food Productions in KNRTU, [email protected].
