Применение сульфитных щелоков в качестве питательной среды для культивирования продуцента молочной кислоты Rhizopus oryzae F-1030

УДК

663.15

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-5-163-173

Аннотация

Мицелиальные грибы Rhizopus oryzae хорошо известны своей способностью гидролизовать полисахариды растительного происхождения. Эти грибы широко используют для производства различных продуктов, таких как органические кислоты (молочная кислота, фумаровая кислота), этанол и гидролитические ферменты (глюкоамилазы, полигалактуроназы). Для синтеза экзопродуктов R. oryzae необходимы различные источники углерода, богатые 5- и 6-углеродными сахарами. При производстве молочной кислоты микробиологическим методом в промышленных масштабах применяют дорогостоящее растительное сахаросодержащее сырье, а это существенно увеличивает конечную стоимость продукта. В статье показано, что в качестве альтернативного источника углерода для микробиологического синтеза молочной кислоты можно использовать более дешевые субпродукты целлюлозно-бумажного производства – сульфитные щелока. Они содержат большое количество углеводов – продуктов неполного гидролиза целлюлозы – гемицеллюлоз, моно- и олигомерных сахаров. Состав сульфитных щелоков позволяет рассматривать их в качестве потенциального субстрата для синтеза молочной кислоты микробиологическим методом. Изучена зависимость выхода молочной кислоты от состава питательной среды на основе сульфитного щелока и метода культивирования гриба R. oryzae F-1030. В качестве дополнительных источников азота и фосфора в питательную среду вносили (NH4)2SO4 и KН2PO4. Использованы два способа культивирования: отъемно-доливный, когда по мере исчерпания редуцирующих сахаров полностью заменяли питательную среду; периодический, в этом случае недостаток редуцирующих сахаров в среде компенсировали добавлением упаренного сульфитного щелока. Поскольку питательная среда на основе сульфитного щелока содержит продукты неполного гидролиза целлюлозы и ксиланы, определяли ксиланазную и целлюлазную активность гриба R. oryzae F-1030, что позволило судить об эффективности усвоения им содержащихся в питательной среде углеводов. Установлено, что для получения большего выхода молочной кислоты культивирование гриба R. oryzae F-1030 на питательной среде из сульфитного щелока целесообразнее проводить отъемно-доливным способом, при этом добавление минеральных источников азота и фосфора практически не влияет на конечный выход молочной кислоты.

Благодарность: Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университета.

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

Л.А. Мингазова, аспирант; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3289-3977
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
А.В. Канарский, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-8113-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3541-2588
Казанский национальный исследовательский технологический университет, ул. К. Маркса, д. 68, Казань, Республика Татарстан, Россия, 420015; е-mail: zleisan1@mail.ru, Oscillatoria@rambler.ru, zosya_kanarskaya@mail.ru, alb46@mail.ru

Ключевые слова

сульфитный щелок, Rhizopus oryzae, молочная кислота, целлюлаза, ксиланаза, отъемно-доливной способ культивирования, периодический способ культивирования

Для цитирования

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 // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 5. С. 163–173. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-5-163-173

Литература

1. Борщевская Л.Н., Гордеева Т.Л., Калинина А.Н., Синеокий С.П. Спектрофотометрическое определение молочной кислоты // Журнал аналит. химии. 2016. Т. 71, № 8. С. 787–790. Borshchevskaya L.N., Gordeeva T.L., Kalinina A.N., Sineokii S.P. Spectrophotometric Determination of Lactic Acid. Zhurnal analiticheskoy khimii [Journal of Analytical Chemistry], 2016, vol. 71, no. 8, pp. 787–790. DOI: https://doi.org/10.7868/S004445021608003X

2. Евелева В.В., Новицкая И.Б., Черпалова Т.М., Никулина И.Д. Технологические инновации в производстве пищевой молочной кислоты // Пищевая пром-сть. 2014. № 4. С. 26–28. Eveleva V.V., Novitskaya I.B., Cherpalova T.M., Nikulina I.D. Technological Innovations in Production of Food Lactic Acid. Pishchevaya promyshlennost’ [Food Industry], 2014, no. 4, pp. 26–28.

3. 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.

4. 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. Mingazova L.A., Kanarsky A.V., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A. Lactic Acid Synthesis by Fungus Rhizopus oryzae F-1030 on Growth Media Based on Sulphite Liquors. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 146–158. DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-2-146-158

5. Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Канарский А.В. Биосинтез ксиланаз и целлюлаз грибами рода Trichoderma на послеспиртовой барде // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15, № 19. С. 120–122. Morozova Yu.A., Skvortsov E.V., Alimova F.K., Kanarsky A.V. The Biosynthesis of Xylanase and Cellulase by Fungi of Trichoderma Genus on DDGS. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2012, vol. 15, no. 19, pp. 120–122.

6. Намханов В.В., Будаев Б-Ж.А., Товаршинов А.И., Борбоев Л.В. Влияние материалов зубных протезов на органы полости рта // Вестн. БГУ. 2009. № 12. C. 143–149. Namhanov V.V., Budaev B-Zh.A., Tovarshinov A.I., Borboev L.V. Influence of Materials of Dental Artificial Limbs on Bodies of Oral Cavity. Vestnik buryatskogo gosuniversiteta [BSU bulletin], 2009, no. 12, pp. 143–149.

7. Никанова Л.А. Влияние органических кислот на продуктивность, резистентность, микробиоценоз кишечника и биохимические показатели сыворотки крови свиней // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32, № 7. С. 65–67. Nikanova L.A. Influence of Organic Acids on Productivity, Resistance, Intestinal Microbiocenosis and Biochemical Parameters of Blood Serum of Pigs. Dostizheniya nauki i tekhniki APK [Achievements of Science and Technology of AIC], 2018, vol. 32, no. 7, pp. 65–67. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10715

8. Новожилов Е.В. Оценка биоресурса сульфитных щелоков как сырья для производства кормовых дрожжей // Изв. вузов. Лесн. журн. 1999. № 2-3. С. 179–188. Novozhilov E.V. Assessment of Sulfite Liquors Bioresource as a Raw Material for Nutrient Yeast Production. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1999, no. 2-3, pp. 179–188. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/eea/179_188.pdf

9. Няникова Г.Г., Комиссарчик С.М., Хрусталёва М.В. Исследование условий культивирования Rhizopus oryzae для получения молочной кислоты и биосорбента // Изв. СПбГТИ (ТУ). 2012. Т. 17, № 43. С. 56–60. Nyanikova G.G., Komissarchik S.M., Khrustaleva M.V. A Study of the Rhizopus oryzae Cultivation Conditions for Lactic Acid and Biosorbent Preparation. Izvestiya SPbGTI (TU) [Bulletin of St PbSIT (TU)], 2012, vol. 17, no. 43, pp. 56–60. DOI: https://doi.org/10.1002/chin.201240145

10. Самуйленко А.Я., Гринь С.А., Еремец В.И., Шинкарев С.М., Неминущая Л.А., Скотникова Т.А., Лермонтов С.А., Зимагулова Л.А., Галиева А.Р. Тенденции развития производства молочной кислоты // Вестн. технол. ун-та. 2017. Т. 20, № 1. С. 162–166. Samujlenko A.Ya., Grin S.A., Eremets V.I., Shinkarev S.M., Neminuschiy L.A., Skotnikova T.A., Lermontov S.A., Zimagulova L.A., Galieva A.R. Lactic Acid Production Trends. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2017, vol. 20, no. 1, pp. 162–166.

11. Филиппова В.Н. Фруктовые кислоты. Их роль в косметике // Сервис в России и за рубежом. 2007. Т. 2, № 2. C. 163–165. Filippova V.N. Fruit Acids and Their Role in Cosmetics. Servis v Rossii i za rubezhom [Services in Russia and abroad], 2007, vol. 2, no. 2, pp. 163–165.

12. 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 promyshlennost ʼ Publ., 1973. 407 p.

13. Abd Alsaheb R.A., Aladdin A., Othman N.Z., Malek R.A., Leng O.M., Aziz R., El Enshasy H.A. Lactic Acid Applications in Pharmaceutical and Cosmeceutical Industries. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 2015, vol. 7, iss. 10, pp. 729–735.

14. Abdel-Rahman M.A., Tashiro Y., Sonomoto K. Recent Advances in Lactic Acid Production by Microbial Fermentation Processes. Biotechnology Advances, 2013, vol. 31, iss. 6, pp. 877–902. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.04.002

15. Abdel-Rahman M.A., Xiao Y., Tashiro Y., Wang Y., Zendo T., Sakai K., Sonomoto K. Fed-Batch Fermentation for Enhanced Lactic Acid Production from Glucose/Xylose Mixture without Carbon Catabolite Repression. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2015, vol. 119, iss. 2, pp. 153–158. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2014.07.007

16. Adney B., Baker J. Measurement of Cellulase Activities. Technical Report NREL/TP-510-42628. Golden, CO, National Renewable Energy Laboratory, 2008. 8 p.

17. Ahring B.K., Traverso J.J., Murali N., Srinivas K. Continuous Fermentation of Clarified Corn Stover Hydrolysate for the Production of Lactic Acid at High Yield and Productivity. Biochemical Engineering Journal, 2016, vol. 109, pp. 162–169. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bej.2016.01.012

18. Bailey M.J., Biely J., Poutanen K. Interlaboratory Testing of Methods for Assay of Xylanase Activity. Journal of Biotechnology, 1992, vol. 23, iss. 3, pp. 257–270. DOI: https://doi.org/10.1016/0168-1656(92)90074-J

19. Choudhary J., Singh S., Nain L. Thermotolerant Fermenting Yeast for Simultaneous Saccharification and Fermentation of Lignocellulosic Biomass. Electronic Journal of Biotechnology, 2016, vol. 21, pp. 82–92. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2016.02.007

20. Gao C., Ma C., Xu P. Biotechnological Routes Based on Lactic Acid Production from Biomass. Biotechnology Advances, 2011, vol. 29, is. 6, pp. 930–939. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2011.07.022

21. Hofvendahl K., Hahn-Hägerdal B. Factors Affecting the Fermentative Lactic Acid Production from Renewable Resources. Enzyme and Microbial Technology, 2000, vol. 26, iss. 2-4, pp. 87–107. DOI: https://doi.org/10.1016/S0141-0229(99)00155-6

22. Kleerebezem R., van Loosdrecht M.C.M. Mixed Culture Biotechnology for Bioenergy Production. Current Opinion in Biotechnology, 2007, vol. 18, iss. 3, pp. 207–212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.copbio.2007.05.001

23. Komesu A., Rocha de Oliveira J.A., da Silva Martins L.H., Wolf Maciel M.R., Maciel Filho R. Lactic Acid Production to Purification: A Review. BioResources, 2017, vol. 12, no. 2, pp. 4364–4383. DOI: https://doi.org/10.15376/biores.12.2.Komesu

24. Nakano S., Ugwu C.U., Tokiwa Y. Efficient Production of D-(–)-Lactic Acid from Broken Rice by Lactobacillus delbrueckii Using Ca(OH)2 as a Neutralizing Agent. Bioresource Technology, 2012, vol. 104, pp. 791–794. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.10.017

25. Nancib A., Nancib N., Boudrant J. Production of Lactic Acid from Date Juice Extract with Free Cells of Single and Mixed Cultures of Lactobacillus casei and Lactococcus lactis. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2009, vol. 25, pp. 1423–1429. DOI: https://doi.org/10.1007/s11274-009-0029-z

26. Ofongo R.T.S., Ohimain E.I., Iyayi E.A. Cellulase and Hemicellulase Activity under Submerged Fermentation of Rice Mill Feed by Fungi. International Journal of Environment, Agriculture and Biotechnology, 2019, vol. 4, iss. 1, pp. 233–239. DOI: https://doi.org/10.22161/ijeab/4.1.35

27. Taherzadeh M.J., Fox M., Hjorth H., Edebo L. Production of Mycelium Biomass and Ethanol from Paper Pulp Sulfite Liquor by Rhizopus oryzae. Bioresource Technology, 2003, vol. 88, iss. 3, pp. 167–177. DOI: https://doi.org/10.1016/S0960-8524(03)00010-5

28. Wee Y.-J., Kim J.-N., Ryu H.-W. Biotechnological Production of Lactic Acid and Its Recent Applications. Food Technology and Biotechnology, 2006, vol. 44, no. 2, pp. 163–172.

29. Yadav A.K., Chaudhari A.B., Kothari R.M. Bioconversion of Renewable Resources into Lactic Acid: An Industrial View. Critical Reviews in Biotechnology, 2011, vol. 31, no. 1, pp. 1–19. DOI: https://doi.org/10.3109/07388550903420970

Ссылка на английскую версию:

Applying Sulfite Liquors as a Nutrient Medium for Cultivation of Lactic Acid Producer Rhizopus oryzae F-1030

APPLYING SULFITE LIQUORS AS A NUTRIENT MEDIUM FOR CULTIVATION OF LACTIC ACID PRODUCER Rhizopus oryzae F-1030

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

Abstract. The filamentous fungi Rhizopus oryzae are well known for their ability to hydrolyze plant polysaccharides. Representatives of this species are widely used for the production of various products, such as organic acids (lactic acid, fumaric acid), ethanol, and hydrolytic enzymes (glucoamylases, polygalacturonases). Various carbon sources such as pentose and hexose sugars are used for the synthesis of R. oryzae exoproducts. Expensive plant sugarcontaining raw materials are used in the lactic acid production by the microbiological method, which significantly increases the final cost of the product. The article demonstrates the possibility of using cheaper by-products of pulp and paper production such as sulphite liquors as an alternative source of carbon for microbiological synthesis of lactic acid. Sulphite liquors contain a large amount of carbohydrates – products of incomplete hydrolysis of cellulose such as hemicelluloses, mono- and oligomeric sugars. The composition of sulfite liquors allows us to consider them as a potential substrate for the synthesis of lactic acid by using different microorganisms. The paper considers the dependence of the lactic acid yield on the composition of the nutrient medium based on sulfite liquor and the cultivation method of the fungus R. oryzae F-1030. As additional sources of nitrogen and phosphorus, (NH4)2SO4 and KH2PO4 were introduced to the nutrient medium. The fungus R. oryzae F-1030 was cultivated by two methods: the semicontinuous culture method, when the nutrient medium was completely replaced after depletion of the reducing sugars in it; the batch culture method, when the lack of reducing sugars in the medium was compensated by the addition of concentrated sulfite liquor. Since the nutrient medium based on sulfite liquor contains the products of incomplete cellulose hydrolysis and xylans, the xylanase and cellulase activities of the fungus R. oryzae F-1030 were measured in order to determine its absorption degree of carbohydrates, contained in the nutrient medium. It was found that it is more expedient to use the semicontinuous method for the fungus R. oryzae F-1030 cultivation on a nutrient medium based on sulfite liquor in order to obtain more synthesized lactic acid. The addition of mineral sources of nitrogen and phosphorus has practically no effect on the final yield of lactic acid.

For citation: Mingazova L.A., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A., Kanarsky A.V. Applying Sulfite Liquors as a Nutrient Medium for Cultivation of Lactic Acid Producer Rhizopus oryzae F-1030. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 5, pp. 163–173. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-5-163-173
Acknowledgements: The work was carried out using the equipment of the Center for Collective Use “Ecology, Biotechnology and Processes for Producing Environmentally Friendly Energy Carriers” of the Volga State University of Technology.

Keywords: sulphite liquor, Rhizopus oryzae, lactic acid, cellulase, xylanase, semicontinuous culture method, batch culture method

---

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license • The authors declare that there is no conflict of interest