Ферментативный гидролиз арабиногалактана древесины лиственницы сибирской. С. 153–168

УДК

674.8:663.15

DOI:

10.37482/0536-1036-2025-5-153-168

Аннотация

При получении целлюлозы из растительного сырья образуются вторичные ресурсы в виде гидролизатов полисахаридов и лигнина, которые могут выступать субстратом в микробиотехнологии для производства биопродуктов. К экономически привлекательным субстратам для культивирования микроорганизмов следует отнести и арабиногалактан, переходящий по действующей технологии в щелок при получении целлюлозы из древесины лиственницы. Разработана и технология варки целлюлозы древесины лиственницы с предварительной экстракцией арабиногалактана горячей водой, что делает его доступным в качестве сырья для микробиологии. Однако не все микроорганизмы обладают необходимыми ферментами для расщепления данного субстрата, поэтому для повышения биодоступности арабиногалактан необходимо подвергнуть предварительному каталитическому, предпочтительно ферментативному, гидролизу, который является более экологически безопасным по сравнению с химическим гидролизом. Данная работа посвящена исследованию потенциала использования β-галактозидазного ферментного комплекса Rhizopus oryzae F-1030 для биодеградации арабиногалактана. Показана способность гриба метаболизировать и ассимилировать арабиногалактан как единственный источник углерода. Установлено, что увеличение биомассы гриба находится в прямой зависимости от концентрации арабиногалактана в среде. Подбор рациональных условий инкубирования внеклеточной β-галактозидазы R. oryzae F-1030 после удаления из культуральной жидкости биомассы гриба позволил достичь эффективного уровня расщепления арабиногалактана с обогащением среды редуцирующими веществами, представленными простыми сахарами. Установлено, что β-галактозидаза R. oryzae F-1030 при температуре 60 °С, рН 7,0±0,2, наличии постоянного перемешивания проявляет высокую ферментативную активность при всех исследованных концентрациях арабиногалактана. Отмечено, что в первые 3 сут. инкубирования происходит основной прирост концентрации редуцирующих веществ в среде культивирования, тогда как в последующем увеличения содержания редуцирующих веществ почти не наблюдается вследствие истощения доступных для гидролиза ферментом β-галактозидазой связей в молекулах арабиногалактана, а также из-за возможного взаимодействия фермента с продуктами реакции. Доказано, что активность фермента β-галактозидазы R. oryzae F-1030 находится в прямой зависимости от концентрации арабиногалактана и температуры среды культивирования. Полученные результаты позволяют рассматривать β-галактозидазу R. oryzae F-1030 в качестве перспективного фермента для биомодификации арабиногалактана и для совместного применения как фермента, так и арабиногалактана в кормовой промышленности.

Сведения об авторах

А.Р. Галиева¹, ассистент; ORCID: https://orcid.org/0009-0005-9562-0871
Е.В. Крякунова¹, канд. биол. наук; ResearcherID: Z-3038-2019,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4563-9847
Л.А. Мингазова¹, канд. техн. наук; ResearcherID: AAO-9184-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3289-3977
З.А. Канарская¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAG-2997-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8194-6185
А.В. Канарский^1*, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-8113-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3541-2588
А.Г. Кузнецов², канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AEX-1353-2022,
¹Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, Россия, 420015; af.signal@mail.ru, Oscillatoria@rambler.ru, leisan1@mail.ru, zosya_kanarskaya@mail.ru, alb46@mail.ru*
²Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Ивана Черных, д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 198095; anton.kuznetsov@hotmail.com

Ключевые слова

арабиногалактан, Rhizopus oryzae, β-галактозидаза, ферментативный гидролиз, простые сахара, редуцирующие вещества

Для цитирования

Галиева А.Р., Крякунова Е.В., Мингазова Л.А., Канарская З.А., Канарский А.В., Кузнецов А.Г. Ферментативный гидролиз арабиногалактана древесины лиственницы сибирской // Изв. вузов. Лесн. журн. 2025. № 5. С. 153–168. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2025-5-153-168

Литература

1. Баранова В.Н., Селиванец Е.И., Боровская Л.В. Влияние внешних факторов на ферментативные реакции // The scientific heritage. 2021. No 79. С. 37–40.
2. Болтовский В.С. Ферментативный гидролиз растительного сырья: состояние и перспективы // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Сер.: Хіміч. навук. 2021. Т. 57, No 4. C. 502–512. https://doi.org/10.29235/1561-8331-2021-57-4-502-512
3. Бушнева О.А., Оводова Р.Г., Шашков А.С., Чижов А.О., Гюнтер Е.А., Оводов Ю.С. Структурное исследование арабиногалактана и пектина из каллуса Silene vulgaris (M.) G. // Биохимия. 2006. Т. 71, No 6. С. 798–807. https://doi.org/10.1134/S0006297906060083
4. Галяутдинова И.А., Канарский А.В., Канарская З.А., Кузнецов А.Г. Эффективность культивирования дрожжей Debaryomyces hansenii и Guehomyces pullulans на питательных средах из арабиногалактана // Вестн. технол. ун-та. 2016. Т. 19, No 16. С. 96–99.
5. Гусева Е.Ю., Романцева Ю.Н. Апробирование арабиногалактана в процессе переработки продукции мараловодства // Вестн. КрасГАУ. 2019. No 7. С. 143–146.
6. Кузнецов А.Г., Махотина Л.Г., Аким Э.Л. Использование биополимера арабиногалактана при производстве целлюлозных композиционных материалов // Дизайн. Материалы. Технология. 2012. No 5 (25). С. 82–84.
7. Кулешова М.А., Рудакова В.А. Ферментативный гидролиз отходов переработки дикорастущего плодово-ягодного сырья северных районов европейской части России // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: тез. докл. XI Всерос. науч.-практ. конф. Бийск: АлтГТУ, 2018. С. 366–368.
8. 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. No 2. С. 146–158. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-2-146-158
9. Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Галиева А.Р., Канарская З.А., Канарский А.В., Кручина-Богданов И.В., Белкина Е.В. Влияние способа культивирования гриба Rhizopus orizae F-1030 на гидролизатах нейтрально-сульфитного щелока на эффективность синтеза молочной кислоты // Изв. С.-Петерб. лесотехн. акад. 2024. No 250. С. 405–422. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.250.405-422
10. Митина Г.В., Сокорнова С.В., Махотина Л.Г., Кузнецов А.Г., Аким Э.Л. Перспективы использования арабиногалактана для культивирования высших грибов и микроорганизмов – продуцентов средств защиты растений // Вестн. защиты растений. 2012. No 3. С. 28–32.
11. Митина Г.В., Сокорнова С.В., Титова Ю.А., Махотина Л.Г., Кузнецов А.Г., Первушин А.Л. Использование макро- и микромицетов в биоконверсии растительного сырья // Изв. РГПУ им. А.И. Герцена. 2013. No 163. С. 69–79.
12. Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Канарский А.В. Биосинтез ксиланаз и целлюлаз грибами рода Trichoderma на послеспиртовой барде // Вестн. технол. ун-та. 2012. Т. 15, No 19. С. 120–122.
13. Никанова Л.А. Использование дигидрокверцетина и арабиногалактана в питании поросят-отъемышей // Вестн. АПК Верхеволжья. 2019. No 3 (47). С. 47–50. https://doi.org/10.35694/YARCX.2019.47.3.010
14. Першакова Т.В., Хагур Р.Н. Исследование влияния арабиногалактана на качество кондитерских изделий // Науч. журн. КубГАУ. 2012. No 84 (10). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/72.pdf (дата обращения: 21.04.25).
15. Полыгалина Г.В., Чередниченко В.С., Римарева Л.В. Определение активности ферментов. Справочник. М.: ДеЛи принт, 2003. 375 с.
16. Разработка ветеринарного препарата на основе биологически активных соединений биомассы лиственницы: отчет о НИР / ФГБОУ ВО Иркутский ГАУ; рук-ль Ч.Б. Кушеев. Иркутск, 2018. ГК NoФ.2018.206347. 99 с.
17. Скрипнюк А.А., Рябцева С.А. Современные методы получения β-галактозидаз // Наука. Инновации. Технологии. 2014. No 3. С. 197–204.
18. Торшков А.А. Влияние арабиногалактана на продуктивные качества цыплят-бройлеров // Изв. ОГАУ. 2010. No 27-1. С. 203–205.
19. Фомичев Ю.П., Никанова Л.А., Дорожкин В.И., Торшков А.А., Романенко А.А., Еськов Е.К., Семенова А.А., Гоноцкий В.А., Дунаев А.В., Ярошевич Г.С., Лашин С.А., Стольная Н.И. Дигидрокверцетин и арабиногалактан – природные биорегуляторы в жизнедеятельности человека и животных, применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. М.: Науч. библиотека, 2017. 702 с.
20. Черникевич И.П. Ферментативный катализ // Журн. ГрГМУ. 2008. No 1. С. 21–27.
21. Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В. Влияние перемешивания на эффективность ферментативного гидролиза высококонцентрированных сред экструдированного крахмала кукурузы // Вестн. ВГУИТ. 2020. Т. 82, No 3. С. 96–103. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-96-103
22. Advances in Biorefineries. Biomass and Waste Supply Chain Exploitation. Ed. by K. Waldron. Cambridge, Sawston: Woodhead Publ., 2014. 902 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-85709-521-3.50033-8
23. Arabinogalactan Market Analysis by Animal Feed, Pharmaceuticals, Cosmetic and Others through 2035. New York, Future Market Insights Publ., 2025. 250 p.
24. Cheng J., Wei C., Li W., Wang Y., Wang S., Huang Q., Liu Y., He L. Structural Characteristics and Enhanced Biological Activities of Partially Degraded Arabinogalactan from Larch Sawdust. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, vol. 171, pp. 550–559. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.01.039
25. Ghosh K., Takahashi D., Kotake T. Plant Type II Arabinogalactan: Structural Features and Modification to Increase Functionality. Carbohydrate Research, 2023, vol. 529, art. no. 108828. https://doi.org/10.1016/j.carres.2023.108828
26. Ito K., Fukuoka K., Nishigaki N., Hara K., Yoshimi Y., Kuki H., Takahashi D., Tsumuraya Y., Kotake T. Structural Features Conserved in Subclass of Type II Arabinogalactan. Plant Biotechnology, 2020, vol. 37, iss. 4, pp. 459–463. https://doi.org/10.5511/plantbiotechnology.20.0721a
27. Kalenborn S., Zühlke D., Harder J. Proteomic Insight into Arabinogalactan Utilization by Particle-Associated Maribacter sp. MAR_2009_72. FEMS Microbiology Ecology, 2024, vol. 100, iss. 5, art. no. fiae045. https://doi.org/10.1093/femsec/fiae045
28. Leszczuk A., Kalaitzis P., Zdunek A. Review: Structure and Modifications of Arabinogalactan Proteins (AGPs). BMC Plant Biology, 2023, vol. 23, art. no. 45. https://doi.org/10.1186/s12870-023-04066-5
29. Li N., Yang F., Su J., Shi S., Ordaz-Ortiz J.J., Cheng X., Xiong S., Xu Y., Wu J., Wang H., Wang S. Structure Characterization of an Arabinogalactan from Cynanchum atratum and its Immune Stimulatory Activity on RAW264.7 Cells. International Journal of Biological Macromoleclules, 2022, vol. 194, pp. 163–171. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.11.172
30. Liu Z., Zhao C., Deng Y., Huang Y., Liu B. Characterization of a Thermostable Recombinant β-Galactosidase from a Thermophilic Anaerobic Bacterial Consortium YTY-70. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2015, vol. 29, iss. 3, pp. 547–554. https://dx.doi.org/10.1080/13102818.2015.1015244
31. Malyar Yu.N., Borovkova V.S., Kazachenko A.S., Fetisova O.Yu., Skripnikov A.M., Sychev V.V., Taran O.P. Preparation and Characterization of Di- and Tricarboxylic Acids-Modified Arabinogalactan Plasticized Composite Films. Polymers, 2023, vol. 15, no. 9, art. no. 1999. https://doi.org/10.3390/polym15091999
32. Pokatilov F.A., Akamova H.V., Kizhnyaev V.N. Synthesis and Properties of Tetrazole-Containing Polyelectrolytes Based on Chitosan, Starch, and Arabinogalactan. E-Polymers, 2022, vol. 22, iss. 1, pp. 203–213. https://doi.org/10.1515/epoly-2022-0026
33. Qi H., Tang S., Bian B., Lai C., Chen Y., Ling Z., Yong Q. Effect of H₂O₂-VC Degradation on Structural Characteristics and Immunomodulatory Activity of Larch Arabinogalactan. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2024, vol. 12, art. no. 1461343. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1461343
34. Ruiz-Ramírez S., Jiménez-Flores R. Invited Review: Properties of β-Galactosidases Derived from Lactobacillaceae Species and Their Capacity for Galacto-Oligosaccharide Production. Journal of Dairy Science, 2023, vol. 106, iss. 12, pp. 8193–8206. https://doi.org/10.3168/jds.2023-23392
35. 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. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2012.03.007
36. Sasaki Y., Yanagita M., Hashiguchi M., Horigome A., Xiao J.-Z., Odamaki T., Kitahara K., Fujita K. Assimilation of Arabinogalactan Side Chains with Novel 3-O-β-L-Arabinopyranosyl-α-L-Arabinofuranosidase in Bifidobacterium pseudocatenulatum. Microbiome Research Reports, 2023, vol. 2, art. no. 12. https://doi.org/10.20517/mrr.2023.08
37. Srivastava N., Rathour R., Jha S., Pandey K., Srivastava M., Thakur V.K., Sengar R.S., Gupta V.K., Mazumder P.B., Khan A.F., Mishra P.K. Microbial Beta Glucosidase Enzymes: Recent Advances in Biomass Conversation for Biofuels Application. Biomolecules, 2019, vol. 9, no. 6, art. no. 220. https://doi.org/10.3390/biom9060220
38. Tang S., Jiang M., Huang C., Lai C., Fan Y., Yong Q. Characterization of Arabinogalactans from Larix principis-rupprechtii and Their Effects on NO Production by Macrophages. Carbohydrate Polymers, 2018, vol. 200, pp. 408–415. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.08.027
39. Volford B., Varga M., Szekeres A., Kotogán A., Nagy G., Vágvölgyi C., Papp T., Takó M. β-Galactosidase-Producing Isolates in Mucoromycota: Screening, Enzyme Production, and Applications for Functional Oligosaccharide Synthesis. Journal of Fungi, 2021, vol. 7, no. 3, art. no. 229. https://doi.org/10.3390/jof7030229
40. Zvereva M.V., Zhmurova A.V. Synthesis, Structure, and Spectral Properties of ZnTe-Containing Nanocomposites Based on Arabinogalactan. Russian Journal of General Chemistry, 2022, vol. 92, pp. 1995–2004. https://doi.org/10.1134/S1070363222100139