Исследование процессов роста спиртовых и кормовых дрожжей на сернокислотных гидролизатах растительного сырья. Часть 3. Исследование процессов роста спиртовых дрожжей на сернокислотных гидролизатах смеси пшеничной соломы и отрубей

УДК 663.1

Р. Т. Валеева, Э. И. Нуретдинова, С. Г. Мухачев, М. Ю. Шурбина, О. В. Красильникова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РОСТА СПИРТОВЫХ И КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

НА СЕРНОКИСЛОТНЫХ ГИДРОЛИЗАТАХ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ.

ЧАСТЬ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РОСТА СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

НА СЕРНОКИСЛОТНЫХ ГИДРОЛИЗАТАХ СМЕСИ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ И ОТРУБЕЙ

Ключевые слова: культивирование, гидролизаты, пшеничная солома, отруби, удельная скорость роста, оптическая

плотность, титр клеток, спиртовые дрожжи.

Проведены экспериментальные исследования по проверке влияния сернокислотных гидролизатов смеси пшеничной соломы и отрубей на процессы роста спиртовых дрожжей.

Key words: cultivation, hydrolysates, wheat straw, bran, specific growth rate, optical density, the titer of cells, yeast alcohol.

Experimental studies to test the effect of sulfuric acid hydrolysates mixture of wheat straw and bran on the growth of yeast alcohol.

Введение

Спиртовая промышленность является самым крупномасштабным биотехнологическим производством. Одна из особенностей состояния экономики современного периода во многих цивилизованных странах - интенсивное развитие спиртовой промышленности. Экономичность производства спирта зависит от многих факторов: стоимости и доступности сырья, способов его обработки, продуктивности и физиологической активности применяемых в производстве штаммов микроорганизмов. Основная часть затрат приходится на сырье, и данные затраты составляют 60 - 70 %. Причем цены на сырье не намного уступают мировым, а иногда и превосходят их. За последние годы стоимость сырья, используемого в спиртовой промышленности, топлива,

электроэнергии и воды значительно возросла, поэтому вопросы экономии ресурсов имеют актуальное значение [1-2].

Многими авторами ведутся работы по модернизации и повышению эффективности спиртового производства: работы по экономии сырья на стадии выращивания посевной культуры дрожжей, по интенсификации процессов наращивания биомассы дрожжей с высокой концентрацией клеток, по сокращению потери спирта и сырья, по ускорению процессов разбраживания и брожения [3-5].

С учетом проводимых и проведенных ранее работ [6] были продолжены исследования процессов роста спиртовых дрожжей на гидролизатах растительного сырья и влияния гидролизатов на физиологическое состояние дрожжей, условия и продолжительность культивирования, с

сохранением высокого качества биомассы дрожжей.

Материалы и методы исследования

В работе исследовались широко применяемые культуры спиртовых дрожжей, относящиеся к царству грибов Fungi, классу Ascomycetes, семейству Endomycetaciae, к роду

Saccharomyces, виду cerevisiae. Для дрожжей этого рода характерно сбраживание углеводов с образованием этанола, поэтому они имеют наибольшее значение в отраслях промышленности, основой которых является спиртовое брожение. В данной работе были исследованы спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae 1334, Saccharomyces cerevisiae 1986, Saccharomyces cerevisiae У-717 и гидролизаты смеси пшеничной соломы и отрубей, полученные

высокотемпературным гидролизом смеси пшеничной соломы и отрубей серной кислотой [7].

В первых трех процессах культивирования спиртовых дрожжей использовали в качестве контрольной среды минеральную среду Ридер и в качестве подпитки - сернокислотный гидролизат смеси пшеничной соломы и отрубей. В последующих трех процессах использовали минеральную среду Ридер и вместо глюкозы и в качестве подпитки - сернокислотный гидролизат смеси пшеничной соломы и отрубей.

По полученным данным

хроматографического анализа в состав сернокислотного гидролизата смеси пшеничной соломы и отрубей входят компоненты, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Состав гидролизата смеси пшеничной соломы и отрубей

Компоненты мг/мл

Рамноза 0,149

Арабиноза 2,639

Галактоза 1,017

Глюкоза 5,963

Ксилоза 5,512

Галактуроновая кислота 0,020

Глюконовая кислота 0,052

15,352

Культивирование спиртовых дрожжей проводили на качалочных колбах объемом 750 мл при объеме питательной жидкости 100 мл в течение 24 часов. Условия проведения процесса

культивирования спиртовых дрожжей аналогичны предыдущим исследованиям [6]. Качалка обеспечивает непрерывное встряхивание или вращение сосудов с частотой 220 мин-1.

Контроль над состоянием дрожжевых клеток осуществляли методом прямой оптической микроскопии, следили за температурой, кислотностью среды, динамикой роста и содержанием редуцирующих веществ

культуральной жидкости [8]. В течение всего процесса выращивания дрожжевой массы под микроскопом контролировали морфологию дрожжевых клеток, наличие цепей, ветвистых форм, присутствие посторонней микрофлоры, а также количество мертвых и почкующихся клеток.

Концентрация редуцирующих веществ в фильтрате гидролизата составляла 4,0 - 4,1% масс.

Обработка данных велась в среде табличного процессора Excel: проведение расчетов; создание графиков и диаграмм, позволяющих наглядно отображать информацию и результаты.

Результаты и обсуждения

Проведены экспериментальные

исследования по проверке влияния сернокислотных гидролизатов растительного сырья на процесс роста спиртовых дрожжей.

Биологическая доброкачественность

сернокислотных гидролизатов соломы и отрубей оценивалась по скорости роста сахаромицетов. В качестве критериев сравнения процессов роста сахаромицетов при различных прописях исследуемых питательных сред были выбраны начальная концентрация редуцирующих веществ, степень конверсии и удельные энергозатраты.

Кривые роста и удельные скорости роста спиртовых культур, выращенных на сернокислотных гидролизатах смеси пшеничной соломы и отрубей представлены на рисунках 1- 4.

Рис. 1 - Динамика роста спиртовых культур на сернокислотных гидролизатах: 1, 3 - Saccharomyces cerevisiae 1986, 2, 4 - Saccharomyces cerevisiae1334, 5, 6 - Saccharomyces cerevisiae Y-717

Рис. 2 - Кинетика роста биомассы спиртовых культур на сернокислотных гидролизатах

Рис. 3 - Удельная средняя скорость роста спиртовых культур на сернокислотных гидролизатах

Рис. 4 - Удельная максимальная скорость роста спиртовых культур на сернокислотных гидролизатах

Максимальные выходы биомасс представлены в таблице 2.

Концентрации редуцирующих веществ в первых трех процессах при использовании подпиток гидролизатом снижались от 2,56 до 0,4 % масс., а в последующих процессах, при использовании гидролизатов с начальной концентрацией РВ 1,7 % масс., минимальная концентрация составила 0,67 % масс.

У всех исследуемых культур (в процессах 13) лучшее потребление РВ было у культур

Засскаготусе^' сегеуг^чае У-1986, Засскаготусе^' сегеуг^чае У-1334 и более медленное у Засскаготусе^' сегеуг^чае У - 717,а при

использовании подпиток, потребление РВ происходило идентично.

Таблица 2 - Максимальные выходы биомасс дрожжей до и после подпитки гидролизатом

№ Культура До подпиток После подпиток

Среда Ридер с подпитками

1 Sacckaromyces cerevisiae Y- 1986 0,134 0,724

2 Sacckaromyces cerevisiae Y- 1334 0,163 0,470

3 Sacckaromyces cerevisiae Y- 717 0,217 0,815

Питательная среда с гидролизатом

4 Sacckaromyces cerevisiae Y- 1986 0,339 0,617

5 Sacckaromyces cerevisiae Y- 1334 0,377 2,195

6 Sacckaromyces cerevisiae Y- 717 0,199 1,586

Таким образом, сернокислотный гидролизат смеси соломы и отрубей может быть использован в процессах наработки посевных культур спиртовых дрожжей Засскаготусе^' сегеуг^чае У-1986 и Засскаготусе^' сегеуг^чае У- 1334, а невысокие показатели прироста биомассы при культивировании Засскаготусе^' сегеуг^чае У - 717 на гидролизате смеси соломы и отрубей серной кислотой свидетельствует о необходимости более тщательной обработки исследуемых гидролизатов.

Литература

1. А.С. Олийничук, Л.В. Левандовский, А.Ф. Ткаченко Производство спирта и ликероводочных изделий, 1, 3031, (2008).

2. Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Р.Т. Валеева, Биотехнология, 1, 49-53, (2002).

3. А. А. Кухаренко, С. Н. Сорокодумов, И. В. Бельчаков, Экология и промышленность России, 8, 4-6, (2000).

4. В.А. Поляков, Материалы III Международной научно-практической конференции «Посвященная к 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии» (Москва, Россия) Пищпром. Москва, 2001. С. 5-22.

5. Л.В. Римарева, Материалы III Международной научно-практической конференции Посвященная к 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии (Москва, Россия) Пищпром. Москва, 2001. С. 26-36.

6. Р.Т. Валеева, А. С. Понкратов, С.Г. Мухачев, Э.И. Нуретдинова, М.Ю. Шурбина, Вестник Каз. технол. унта, 17, 16, 167 - 169, (2014).

7. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, Р.М. Нуртдинов, О.В. Красильникова, Вестник Каз. технол. ун-та, 17, 21, 198199, (2014).

8. Н.Б. Градова, Е.С. Бабусенко, И.Б. Горюнова, Н.А. Гусарова, Лабораторный практикум по общей микробиологии, ДеЛи принт, Москва, 2001, 132 с.

9. Э.И. Нуретдинова, А.С. Понкратов, Р.Т. Валеева, А.И. Галиева, М.Ю. Шурбина, С.Г. Мухачев, Материалы XIII Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, Россия, Апрель 15-17, 2014) . Казань,2014. С. 72.

10. Э.И. Нуретдинова, А.С. Понкратов, Р.Т. Валеева, М.Ю. Шурбина, Материалы Ш-ей Международной научно-практической конференции «Биотехнология -перспективы развития» (Уфа, Россия, Май 28-29,2014). БГПУ. Уфа, 2014. С. 26-27.

© Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; Э. И. Нуретдинова - студент 5 курса группы 6101-11 той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, ksoes@mi.ru; М. Ю. Шурбина - студент 5 курса группы 6101-11 той же кафедры; О. В. Красильникова - аспирант той же кафедры.

© R. T. Valeeva - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru; E. 1 Nuretdinova - student, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; S S. G. Mukhachev - candidate of technical sciences, associate professor department of chemical cybernetics, KNRTU, ksoes@mi.ru; M. Y. Shurbina - student, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; O. V. Krasilnikova - graduate, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU.