Синтез молочной кислоты грибом Rhizopus oryzae F-1030 на питательных средах из сульфитных щелоков

УДК

663.15

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-2-146-158

Аннотация

Существующие в настоящее время способы получения и выделения молочной кислоты недостаточно эффективны и приводят к образованию большого количества загрязняющих окружающую среду отходов, переработка которых экономически невыгодна. При этом половина мирового объема производства молочной кислоты осуществляется микробиологическим методом, основанном на сбраживании таких ценных сахаросодержащих субстратов, как сахароза, меласса, рафинадная патока, сахарный сироп и др. Применение сахаросодержащих субстратов значительно увеличивает себестоимость конечного продукта. Для решения экономической и экологической проблем производства молочной кислоты необходимо пересматривать существующую сырьевую базу и вводить в молочнокислое производство более дешевые и доступные источники углеводов, например сульфитные щелока, образующиеся при варке целлюлозы. в свою очередь, для повышения экономической эффективности целлюлозно-бумажного производства следует максимально полно использовать такие побочные продукты российских предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, как сульфитные щелока, которые в химическом отношении являются комплексом неорганических и органических соединений, содержащим, в частности, моно- и олигосахариды. Рассмотрена зависимость выхода молочной кислоты, синтезируемой грибом-продуцентом R. oryzae F-1030 на питательных средах, приготовленных на основе сульфитных щелоков, от используемого метода культивирования. При отъемно-доливном методе культивирования по мере исчерпания сахаров в среде производилась замена культуральной жидкости на аналогичный объем стерильной питательной среды при сохранении биомассы гриба-продуцента, при периодическом методе культивирования по мере исчерпания сахаров в среде синтезированная молочная кислота осаждалась гашеной известью, а восстановление редуцирующих веществ в культуральной жидкости достигалось добавлением концентрированного сульфитного щелока. Установлено, что наибольший выход молочной кислоты наблюдается при использовании отъемно-доливного метода культивирования гриба R. oryzae F-1030 на питательной среде на основе сульфитного щелока, приготовленной по технологии, рекомендованной в промышленности при подготовке питательных сред для культивирования дрожжей. При невозможности провести полную промышленную предварительную обработку сульфитного щелока от содержащихся в нем вредных примесей рекомендуется использовать периодический метод культивирования гриба R. oryzae F-1030 для получения большего выхода молочной кислоты.

Сведения об авторах

Л.А. Мингазова, аспирант; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3289-3977
А.В. Канарский, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-8113-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3541-2588
Е.В. Крякунова, канд. биол. наук, доц.; ResearcherID: Z-3038-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4563-9847
З.А. Канарская, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAG-2997-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8194-6185
Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Республика татарстан, Российская Федерация, 420015; е-mail: zleisan1@mail.ru, alb46@mail.ru, oscillatoria@rambler.ru, zosya_kanarskaya@mail.ru

Ключевые слова

сульфитный щелок, R. oryzae, отъемно-доливной метод культивирования, периодический метод культивирования, молочная кислота

Для цитирования

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 // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 2. с. 146–158. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-146-158

Литература

1. Голомб Л.М. Физико-химические основы технологии выпускных форм красителей. Ленинград: химия, 1974. 224 с. [Golomb L.M. Physics and Chemistry of the Technology of Commercial Dyes. Leningrad, Khimiya Publ., 1974. 224 p.].
2. Грачева И.М., Гаврилова Н.Н., Иванова Л.А. технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров. М.: Пищевая пром-сть, 1980. 448 с. [Gracheva I.M., Gavrilova N.N., Ivanova L.A. Technology of Microbial Protein Preparations, Amino Acids and Fats. Moscow, Pishchevaya promyshlennostʼ Publ., 1980. 448 p.].
3. Григорьева Р.З., Куракин М.С. товароведение продовольственных товаров. Кемерово: КемтИПП, 2008. 115 с. [Grigorʼyeva R.Z., Kurakin M.S. Food Commodity Science. Kemerovo, KemTIPP Publ., 2008. 115 p.].
4. Зиганшин Д.Д., Сироткин А.С. особенности глубинного и поверхностного культивирования грибов Trichoderma для получения биопрепаратов на основе клеток гриба // Вестн. технол. ун-та. 2017. Т. 20, № 10. С. 155–158. [Ziganshin D.D., Sirotkin A.S. Features of the Deep and Surface Cultivation of Trichoderma Fungi for Obtaining Biological Products Based on Fungal Cells. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2017, vol. 20, no. 10, pp. 155–158].
5. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений. М.: химия, 1970. 343 с. [Korenman I.M. Photometric Analysis. Methods for Determination of Organic Compounds. Moscow, Khimiya Publ., 1970. 343 p.].
6. Корнеева О.С., Мотина Е.А., Яковлева С.Ф., Яковлев А.Н. влияние условий культивирования на рост биомассы Yarrowia lipolytica – продуцента кормового белка // Вестн. ВГУИт. 2016. № 1. С. 182–185. [Korneeva O.S., Motina E.A., Yakovleva S.F., Yakovlev A.N. Effect of Culture Conditions on the Growth of Biomass Yarrowia lipolytica – Producing Protein Feed. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2016, no. 1, pp. 182–185]. DOI: 10.20914/2310-1202-2016-1-182-185
7. Левина Е.А., Атыкян Н.А., Ревин В.В. влияние источников углеродного и азотного питания на биосинтез целлюлаз грибами Lentinus tigrinus ВКМ F-3616 D и Trichoderma viride ВКМ F-1131 // Вестн. ВГУ. Сер.: химия. Биология. Фармация. 2016. № 1. С. 85–93. [Levina E.A., Atykyan N.A., Revin V.V. The Effect of Carbon and Nitrogen Sources on the Production of Cellulases by Fungi Lentinus tigrinus VKM F-3616 D and Trichoderma viride VKM F-1131. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Khimiya. Biologiya. Farmatsiya [Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy], 2016, no. 1, pp. 85–93].
8. Мухин В.А. Влияние сернистого ангидрида на ксилотрофные грибы // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий: Материалы II междунар. конф., Оренбург, 17–18 дек. 2002 г. Оренбург: Изд-во ОГПУ, 2002. 196 с. [Mukhin V.A. The Influence of SO2 on Wood-Destroying Fungi. Biodiversity and Biological Resources of the Urals and Adjacent Territories: Materials of II International Conference, Orenburg, December 17–18, 2002. Orenburg, OGPU Publ., 2002. 196 p.]. DOI: 10.13140/RG.2.1.3291.8806
9. Новожилов Е.В. Оценка биоресурса сульфитных щелоков как сырья для производства кормовых дрожжей // Изв. вузов. Лесн. журн. 1999. № 2-3. С. 180–188. [Novozhilov E.V. Evaluation of Sulfite Liquors Bioresource as Raw Material for Nutrient Yeast Production. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1999, no. 2-3, pp. 180–188]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/ab7/ab7f2300221c7ded546d5483246aa51a.pdf
10. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М.: Просвещение, 1987. 815 с. [Ovchinnikov Yu.A. Bioorganic Chemistry. Moscow, Prosveshcheniye Publ., 1987. 815 p.].
11. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков / под ред. Б.Д. Богомолов [и др.]. М.: лесн. пром-сть, 1989. 360 с. [Processing of Sulfate and Sulfite Liquors. Ed. by B.D. Bogomolov et al. Moscow, Lesnaya promyshlennostʼ Publ., 1989. 360 p.].
12. Смирнов Р.Е. Производство сульфитных волокнистых полуфабрикатов. СПб.: СПбГТУРП, 2010. 146 с. [Smirnov R.E. Production of Sulphite Pulp. Saint Petersburg, SPbGTURP Publ., 2010. 146 p.].
13. Химия углеводородов нефти / под ред. Б.Т. Брукса [и др.]. М.: Гостоптехиздат, 1959. Т. 3. 583 с. [Chemistry of Petroleum Hydrocarbons. Ed. by B.T. Brooks et al. Moscow, Gostoptekhizdat Publ., 1959, vol. 3. 583 p.].
14. Шарков В.И., Сапотницкий С.А., Дмитриева О.А., Туманов И.Ф. Технология гидролизных производств. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 407 с. [Sharkov V.I., Sapotnitskiy S.A., Dmitriyeva O.A., Tumanov I.F. Technology of Hydrolysis Production. Moscow, Lesnaya promyshlennostʼ Publ., 1973. 407 p.].
15. Шинкарев С.М., Самуйленко А.Я., Неминущая Л.А., Скотникова Т.А., Павленко И.В., Рубцова Г.Н., Канарский А.В., Мингазова Л.А. Совершенствование микробиологического синтеза молочной кислоты // Вестн. технол. ун-та. 2017. т. 20, № 18. С. 165–170. [Shinkarev S.M., Samujlenko A.I., Neminuschiy L.A., Skotnikova T.A., Pavlenko I.V., Rubtsova G.N., Kanarskiy A.V., Mingazova L.A. Improvement of Microbiological Synthesis of Lactic Acid. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2017, vol. 20, no. 18, pp. 165–170].
16. Abd Alsaheb R.A., Aladdin A., Othman N.Z., Abd Malek R., Mei Leng O., Aziz R. et al. Lactic Acid Applications in Pharmaceutical and Cosmeceutical Industries. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 2015, vol. 7, iss. 10, pp. 729–735.
17. Ghaffar T., Irshad M., Anwar Z., Aqil T., Zulifqar Z., Tariq A. et al. Recent Trends in Lactic Acid Biotechnology: A Brief Review on Production to Purification. Journal of Radiation Research and Applied Sciences, 2014, vol. 7, iss. 2, pp. 222–229. DOI: 10.1016/j.jrras.2014.03.002
18. Khalid K. An Overview of Lactic Acid Bacteria. International Journal of Biosciences, 2011, vol. 1, no. 3, pp. 1–13.
19. Komesu A., Oliveira J.A.R.d., Martins L.H.d.S., Wolf Maciel M.R., Maciel Filho R. Lactic Acid Production to Purification: A Review. BioResources, 2017, vol. 12(2), pp. 4364–4383.
20. Martineza F.A.C., Balciunas E.M., Salgado J.M., Gonzalez J.M.D., Converti A., Oliveira R.P.D.S. Lactic Acid Properties, Applications and Production: A Review. Trends in Food Science & Technology, 2013, vol. 30, iss. 1, pp. 70–83. DOI: 10.1016/j.tifs.2012.11.007
21. Rattanachaikunsopon P., Phumkhachorn P. Lactic Acid Bacteria: Their Antimicrobial Compounds and Their Uses in Food Production. Annals of Biological Research, 2010, vol. 1(4), pp. 218–228.
22. Rhee S.J., Lee J.-E., Lee C.-H. Importance of Lactic Acid Bacteria in Asian Fermented Foods. Microbial Cell Factories, 2011, vol. 10, art. S5. DOI: 10.1186/1475-2859-10-S1-S5
23. Simion A.I., Grigoras C.G., Bardaşu L.E., Dabija A. Modelling of the Thermophysical Lactic Acid Aqueous Solutions. Density and Viscosity. Food and Environment Safety, 2012, vol. XI, iss. 4, pp. 49–58.
24. Wu X., Jiang S., Liu M., Pan L., Zheng Z., Luo S. Production of L-Lactic Acid by Rhizopus Oryzae Using Semicontinuous Fermentation in Bioreactor. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2011, vol. 38, pp. 565–571. DOI: 10.1007/s10295-010-0804-8
25. Yuwa-amornpitak T., Chookietwattana K. L-Lactic Acid Production from Cassava Starch by Thermotolerant Rhizopus microsporus LTH23. Journal of Biological Sciences, 2014, vol. 14, iss. 4. pp. 284–291. DOI: 10.3923/jbs.2014.284.291

Ссылка на английскую версию:

Lactic Acid Synthesis by Fungus Rhizopus oryzae F-1030 on Growth Media Based on Sulphite Liquors

LACTIC ACID SYNTHESIS BY FUNGUS Rhizopus oryzae F-1030 ON GROWTH MEDIA BASED ON SULPHITE LIQUORS

L.A. Mingazova, Postgraduate Student; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3289-3977
A.V. Kanarsky, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: O-8113-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3541-2588
E.V. Kryakunova, Candidate of Biology, Assoc. Prof.; ResearcherID: Z-3038-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4563-9847
Z.A. Kanarskaya, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: AAG-2997-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8194-6185
Kazan National Research Technological University, ul. K. Marksa, 68, Kazan, Republic of Tatarstan, 420015, Russian Federation; e-mail: zleisan1@mail.ru, alb46@mail.ru, oscillatoria@rambler.ru, zosya_kanarskaya@mail.ru

Lactic acid is an industrially important product with an expanding consumer market. However, lactic acid production and isolation methods used at the present time are not effective enough, lead to the formation of large amounts of polluting waste and their recycling is economically unprofitable. At the same time, a half of the worldʼs lactic acid production is carried out by the microbiological method based on the fermentation of such costly sugarcontaining substrates as sucrose, molasses, treacle, sugar syrup, etc. These sugar-containing substrates usage significantly increases the final product cost. In order to solve the conomic and environmental problems of lactic acid production it is necessary to revise the current raw material source and put cheaper and readily available sources of carbohydrates, such as sulphite liquor formed during sulphite pulping, into the lactic acid production. In turn to enhance the economic efficiency of the Russian pulp and paper production it is necessary to use such paper production by-products as sulphite liquor to the fullest extent possible. Sulphite liquor is a chemical complex of inorganic and organic compounds such as monoand oligosaccharides. The article considers the dependence of the output of lactic acid synthesized on the sulphite liquor medium by the fingus R. oryzae F-1030 on the used method of cultivation. In case of the semicontinuous culture method, the culture liquid was replaced with the similar volume of the sterile growth medium with the fungus biomass saving when the sugars in the medium were depleted. In case of the batch culture method, the synthesized  lactic acid was precipitated with calcium hydroxide and the reducing substances recovery in the culture liquid was achieved by adding concentrated sulphite liquor when the sugars in the medium were depleted. The study demonstrates that the largest amount of synthesized lactic acid is obtained when using the semicontinuous method for cultivation of the fingus on the sulphite liquor medium prepared according to the technology recommended in the industry during preparation growth media for yeast cultivation. If it is impossible to carry out a full industrial pre-treatment of sulphite liquor, it is recommended to use the batch culture method for the fungus in order to obtain more synthesized lactic acid.
For citation: Mingazova L.A., Kanarsky A.V., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A. Lactic Acid Synthesis by the Fungus Rhizopus Oryzae F-1030 on Growth Media Based on Sulphite Liquors. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 146–158. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-2-146-158

Keywords: sulphite liquor, R. oryzae, semicontinuous culture method, batch culture method, lactic acid.

Поступила 26.08.19 / Received on August 26, 2019