ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2024.250.405-422isplta-402Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ. БИОТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGY OF WOOD. BIO TECHNOLOGYВлияние способа культивирования гриба Rhizopus orizae F-1030 на гидролизатах нейтральносульфитного щелока на эффективность синтеза молочной кислотыThe fungus Rhizopus orizae F-1030 cultivating mode on neutral sulfite liquor hydrolysates affects the lactic acid synthesis efficiencyhttps://orcid.org/0000-0003-3289-3977МингазоваЛ. А.MingazovaL. A.

Мингазова Лейсан Азатовна – старший преподаватель кафедры пищевой инженерии, кандидат технических наук

420015, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан

Mingazova Leysan A. – PhD (Technical), Senior Lecturer of the Department of Food Engineering

420015. K. Marx str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan

zleisan1@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4563-9847КрякуноваЕ. В.KryakunovaE. V.

Крякунова Елена Вячеславовна – доцент кафедры пищевой инженерии, кандидат биологических наук

420015, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан

Kryakunova Elena V. – PhD (Biology), Associate Professor, Department of Food Engineering

420015. K. Marx str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan

oscillatoria@rambler.ruГалиеваА. Р.GalievaA. R.

Галиева Айгуль Рафиковна – ассистент кафедры пищевой инженерии

420015, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан

 

Galieva Aigul R. – Assistant of the Department of Food Engineering

420015. K. Marx str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan

 

af.signal@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8194-6185КанарскаяЗ. А.KanarskayaZ. А.

Канарская Зося Альбертовна – доцент кафедры пищевой биотехнологии

420015, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан

Kanarskaya Zosya A. – PhD (Technical), Associate Professor of the Department of Food Biotechnology

420015. K. Marx str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan

 

zosya_kanarskaya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3541-2588КанарскийА. В.KanarskiiA. V.

Канарский Альберт Владимирович – профессор кафедры пищевой биотехнологии,доктор технических наук, профессор

420015, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика Татарстан

 

Kanarskii Albert V. – DSc (Technical), Professor of the Department of Food Biotechnology

420015. K. Marx str. 68. Kazan. Republic of Tatarstan

alb46@mail.ruКручина-БогдановИ. В.Kruchina-BogdanovI. V.

Кручина-Богданов Игорь Вадимович – генеральный директор, кандидат химических наук 

194021, пер. Институтский, д. 5Б, Санкт-Петербург

Kruchina-Bogdanov Igor V. – PhD (Chemical), General manager

194021. Institutskiy per. 5B. St. Petersburg

 

igogo011@gmail.comБелкинаЕ. В.BelkinaE. V.

Белкина Екатерина Васильевна – инженер-технолог, заместитель директора по качеству

614037, ул. Бумажников, д. 1, г. Пермь

Belkina Ekaterina V. – Process Engineer, Deputy Director for Quality

614037. Bumazhnikov str. 1. Perm

ekaterina.belkina@pcbk.ruКазанский национальный исследовательский технологический университетРоссияKazan National Research Technological UniversityRussian FederationООО «АМТ»РоссияAMT LLCRussian FederationООО «Прикамский картон»РоссияPrikamsky Karton LLCRussian Federation2024271120240250405422Copyright © Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Галиева А.Р., Канарская З.А., Канарский А.В., Кручина-Богданов И.В., Белкина Е.В., 20242024Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Галиева А.Р., Канарская З.А., Канарский А.В., Кручина-Богданов И.В., Белкина Е.В.Mingazova L.A., Kryakunova E.V., Galieva A.R., Kanarskaya Z.А., Kanarskii A.V., Kruchina-Bogdanov I.V., Belkina E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/402

Производство молочной кислоты в промышленном масштабе ведется в основном путем микробиологической ферментации сахарсодержащего сырья. При этом стоимость субстрата для промышленного производства молочной кислоты определяет практически половину стоимости всего производства. Использование индивидуальных сахаров в качестве источника углерода для микробиологического синтеза молочной кислоты приводит к сильному удорожанию производства. Лигноцеллюлозная биомасса является одним из наиболее распространенных природных возобновляемых источников углерода, применение которой в биотехнологическом производстве в качестве сахаросодержащего субстрата ограничено отсутствием у большинства промышленных штаммов микроорганизмов целлюлолитических ферментов. Мицелиальный гриб Rhizopus orizae является промышленным продуцентом молочной кислоты, способным метаболизировать лигноцеллюлозу. Рост микроорганизмов, потребление субстрата и выход молочной кислоты определяется активностью метаболизма клеток продуцента и зависит от условий культивирования. Регуляция микробиологического производства молочной кислоты осуществляется изменением таких факторов среды, как температура, pH, концентрация питательных веществ в субстрате и концентрация конечного продукта. В работе осуществлялся подбор условий культивирования гриба R. oryzae F-1030 на нейтрально-сульфитных щелоках, позволяющие получить оптимальное соотношение биомассы и количества синтезируемой молочной кислоты. Показано, что кислотность питательной среды зависит от концентрации метаболитов, продуцируемых грибом на разных стадиях физиологической зрелости. Изменение содержания редуцирующих веществ в питательной среде обусловлено скоростью роста клеток гриба R. oryzae F-1030 и активностью целлюлолитических ферментов. Статистически значимых различий в количестве синтезируемой молочной кислоты и приросте биомассы в зависимости от способа культивирования гриба R. oryzae F-1030 на ферментолизате нейтрально-сульфитного щелока выявлено не было. На прирост биомассы гриба R. oryzae F-1030 оказывает влияние как вид гидролизующего агента (кислота или ферментный препарат), так и состав питательной среды, в частности наличие солей азота, фосфора, серы, калия. При культивировании гриба R. oryzae F-1030 на кислотном гидролизате нейтрально-сульфитного щелока рекомендуется использовать периодический способ культивирования.

The industrial lactic acid production is based on microbiological fermentation of sugar-containing feedstock. Generally, the price on the substrate controls almost half the cost of the entire production. The use of pure individual sugars as a carbon source for the microbiological lactic acid synthesis leads to a significant rise in production expenses. Lignocellulosic biomass is one of the most common natural renewable sources of carbon, the use of which in biotechnological production as a carbohydrate-containing substrate is limited mostly due to the lack of cellulolytic enzymes in most strains of microorganisms used on industrial scale. The filamentous fungus Rhizopus orizae is an industrial lactic acid producing microorganism capable of metabolizing lignocellulose. The growth of microbial mass, substrate consumption rate and lactic acid yield are controlled by the metabolic activity of the producer cells, the latter depending on the cultivation mode. The microbiological lactic acid production regulation is carried out by changing such factors of nutrient medium as temperature, pH, nutrient concentration in the substrate and the final product concentration. The work involved the conditions’ selection for fungus R. oryzae F-1030 cultivation on neutral sulfite liquor, which made it possible to attain the optimal ratio of biomass and the synthesized lactic acid yield. It has been shown that the nutrient medium acidification is affected by the physiological maturity of the fungus. The level of reducing substances in the nutrient medium is controlled by the growth rate of the fungus R. oryzae F-1030 cells and the activity of its cellulolytic enzymes. There were no statistically significant differences in the amount of synthesized lactic acid and biomass growth depending on the mode of the fungus R. oryzae F-1030 cultivation on the neutral sulfite liquor after treatment with externally added enzymes. The growth of fungus R. oryzae F-1030 biomass is influenced by both the type of hydrolyzing agent (acid or enzyme) and the composition of the nutrient medium, in particular the presence of nitrogen, phosphorus, sulfur, and potassium salts. The batch cultivation mode was demonstrated as optimal for the fungus R. oryzae F-1030 to grow on the neutral sulfite liquor after acid hydrolysis.

нейтрально-сульфитный щелоккислотный гидролизферментативный гидролизгриб Rhizopus оryzae F-1030молочная кислотапериодический способ культивированияотъемно-доливной способ культивированияneutral sulfite liquoracid hydrolysisenzymatic hydrolysisfungus Rhizopus oryzae F-1030lactic acidbatch cultivation methodweaningtopping cultivation methodReferencesБорщевская Л.Н., Гордеева Т.Л., Калинина А.Н., Синеокий С.П. Спектрофотометрическое определение молочной кислоты // Журнал аналитической химии. 2016. Т. 71. № 8. С. 787–790. DOI: 10.7868/S004445021608003X.Abdel-Rahman M.A., Tashiro Y., Sonomoto K. Recent advances in lactic acid production by microbial fermentation processes. Biotechnology Advances, 2013, vol. 31, pp. 877–902. Doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.04.002.Мингазова Л.А., Канарский А.В., Крякунова Е.В., Канарская З.А. Синтез молочной кислоты грибом Rhizopus oryzae F-1030 на питательных средах из сульфитных щелоков // ИВУЗ. Лесной журнал. 2020. № 2. С. 146–158. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-146-158.Baruah J., Nath B.K., Sharma R., Kumar S., Deka R.C., Baruah D.C., Kalita E. Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products. Frontiers in Energy Research, 2018, vol. 6, pp. 1–19. Doi.org/10.3389/fenrg.2018.00141.Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Канарская З.А., Канарский А.В. Применение сульфитных щелоков в качестве питательной среды для культивирования продуцента молочной кислоты Rhizopus oryzae F-1030 // ИВУЗ. Лесной журнал. 2021а. № 5. С. 163–173. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-5-163-173.Borshchevskaya L.N., Gordeeva T.L., Kalinina A.N., Sineoky S.P. Spektrofotometricheskoe opredelenie molochnoj kisloty. Zhurnal analiticheskoj himii, 2016, vol. 71, no. 8, pp. 787–790. DOI: 10.7868/S004445021608003X. (In Russ.)Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Канарская З.А., Канарский А.В., Кручина-Богданов И.В., Белкина Е.В. Влияние гидролитической обработки на содержание редуцирующих веществ в нейтрально-сульфитных щелоках // Химия растительного сырья. 2021б. № 3. С. 309–316. DOI: 10.14258/jcprm.2021039160.Dumbrepatil A., Adsul M., Chaudhari S., Khire J., Gokhale D. Utilization of molasses sugar for lactic acid production by Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii mutant Uc-3 in batch fermentation. Applied and Environmental Microbiology, 2008, vol. 74, pp. 333–335. DOI: 10.1128/AEM.01595-07.Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Канарский А.В. Биосинтез ксиланаз и целлюлаз грибами рода Trichoderma на послеспиртовой барде // Вестник технологического университета. 2012. Т. 15. № 19. С. 120–122.Fan Y., Zhou C., Zhu X. Selective catalysis of lactic acid to produce commodity chemicals. Catalysis Reviews: Science and Engineering, 2009, vol. 51, pp. 293–324. Doi.org/10.1080/01614940903048513.Ха Т.З., Канарская З.А., Канарский А.В., Щербаков А.В., Щербакова Е.Н. Влияние источника углерода на синтез биомассы и экзополисахаридов бактериями Paenibacillus mucilaginosus // ИВУЗ. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. № 3. С. 509–518. DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-3-509-518.Ha D.T., Kanarskaya Z.A., Kanarsky A.V., Shcherbakov A.V., Shcherbakova E.N. Vliyanie istochnika ugleroda na sintez biomassy i ekzopolisaharidov bakteriyami Paenibacillus mucilaginosus. IVUZ. Prikladnaya himiya i biotekhnologiya, 2019, vol. 9, no. 3, pp. 509–518. DOI: 10.21285/2227-2925-2019-9-3-509-518. (In Russ.)Abdel-Rahman M.A., Tashiro Y., Sonomoto K. Recent advances in lactic acid production by microbial fermentation processes // Biotechnology Advances. 2013. Vol. 31. Р. 877–902. Doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.04.002.Mingazova L.A., Kanarsky A.V., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A. Sintez molochnoj kisloty gribom Rhizopus oryzae F-1030 na pitatel'nyh sredah iz sul'fitnyh shchelokov. IVUZ. Lesnoj zhurnal, 2020, no. 2, pp. 146–158. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-146-158. (In Russ.)Baruah J., Nath B.K., Sharma R., Kumar S., Deka R.C., Baruah D.C., Kalita E. Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products // Frontiers in Energy Research. 2018. Vol. 6. P. 1–19. Doi.org/10.3389/fenrg.2018.00141.Mingazova L.A., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A., Kanarsky A.V. Primenenie sul'fitnyh shchelokov v kachestve pitatel'noj sredy dlya kul'tivirovaniya producenta molochnoj kisloty Rhizopus oryzae F-1030. IVUZ. Lesnoj zhurnal, 2021а, no. 5, pp. 163–173. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-5-163-173. (In Russ.)Dumbrepatil A., Adsul M., Chaudhari S., Khire J., Gokhale D. Utilization of molasses sugar for lactic acid production by Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii mutant Uc-3 in batch fermentation // Applied and Environmental Microbiology. 2008. Vol. 74. P. 333–335. DOI: 10.1128/AEM.01595-07.Mingazova L.A., Kryakunova Ye.V., Kanarskaya Z.A., Kanarskiy A.V., KruchinaBogdanov I.V., Belkina YE.V. Vliyanie gidroliticheskoj obrabotki na soderzhanie reduciruyushchih veshchestv v nejtral'no-sul'fitnyh shchelokah. Himiya rastitel'nogo syr'ya, 2021b, no. 3, pp. 309–316. DOI: 10.14258/jcprm.2021039160. (In Russ.)Fan Y., Zhou C., Zhu X. Selective catalysis of lactic acid to produce commodity chemicals // Catalysis Reviews: Science and Engineering. 2009. Vol. 51. P. 293–324. Doi.org/10.1080/01614940903048513.Morozova Yu.A., Skvortsov E.V., Alimova F.K., Kanarsky A.V. Biosintez ksilanaz i cellyulaz gribami roda Trichoderma na poslespirtovoj barde. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta, 2012, Vol. 15, no. 19, pp. 120–122. (In Russ.)Rawoof S.A.A., Kumar P.S., Vo D.-V.N., Devaraj K., Man, Y., Devaraj T., Subramanian S. Production of optically pure lactic acid by microbial fermentation // Environmental Chemistry Letters. 2020. Vol. 19. P. 539–556. Doi.org/10.1007/s10311-020-01083-w.Rawoof S.A.A., Kumar P.S., Vo D.-V.N., Devaraj K., Man, Y., Devaraj T., Subramanian S. Production of optically pure lactic acid by microbial fermentation. Environmental Chemistry Letters, 2020, vol. 19, pp. 539–556. Doi.org/10.1007/s10311-020-01083-w.Saito K., Hasa Y., Abe H. Production of lactic acid from xylose and wheat straw by Rhizopus oryzae // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2012. Vol. 114. P. 166–169. Doi.org/10.1016/j.jbiosc.2012.03.007.Saito K., Hasa Y., Abe H. Production of lactic acid from xylose and wheat straw by Rhizopus oryzae. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2012, vol. 114, pp. 166–169. Doi.org/10.1016/j.jbiosc.2012.03.007.Tejayadi S., Cheryan M. Lactic acid from cheese whey permeate. Productivity and economics of a continuous membrane bioreactor // Applied Microbiology and Biotechnology. 1995. Vol. 43. P. 242–248.Tejayadi S., Cheryan M. Lactic acid from cheese whey permeate. Productivity and economics of a continuous membrane bioreactor. Applied Microbiology and Biotechnology, 1995, vol. 43, pp. 242–248.

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