Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Для решения социальных и экономических проблем представляется целесообразной комплексная переработка растительного сырья в разнообразные продукты, необходимые народному хозяйству, по безотходной технологии. В последние годы интенсивно развиваются исследования в области биоконверсии целлюлозосодержащих субстратов микроорганизмами для получения не только белковых веществ, но и этанола, глюкозы, органических кислот и метана. Этанол и метан, образуемые из растительной биомассы, представляют значительный интерес как энергетические источники уже в настоящее время.
В монографии обобщены результаты исследований отечественных и зарубежных ученых, а также материалы собственных наблюдений авторов по рассматриваемым вопросам. Разработка различных технологий биокопвсрсии целлюлозосодержащих субстратов с целью получения продуктов кормового назначения, биотоплива и сырья для микробиологической промышленности связана с использованием микроорганизмов, способных деградировать целлюлозу. В связи с этим изучение физиологии и биохимии таких микроорганизмов имеет определенное практическое значение.
По мнению авторов, данная книга может оказаться полезной микробиологам, биохимикам, биотехнологам и специалистам Агропрома, студентам и аспирантам соответствующих специальностей и будет способствовать быстрейшему использованию достижений науки в практике.
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Зеленые растения — источник жизни на нашей планете. Они являются посредниками между Солнцем н всеми живыми организмами. Световая энергия Солнца поглощается зеленым растением и в процессе фотосинтеза превращается в химическую энергию органических веществ. Благодаря фотосинтетической деятельности в мире ежегодно улавливается 1021 кал солнечной энергии и образуется 150-109 т сухой растительной массы (биомассы), а ежегодный круговорот углерода составляет 33-109 т. Не менее трети фиксируемого при этом углерода используется на синтез целлюлозы, основное количество которой, синтезируемое в процессе аккумуляции энергии Солнца, находится в древесине. Ее среднегодовая продукция 5• 1010 т, а общая биомасса древесных растений на земном шаре в пересчете на углерод равна 50-10“ т.
Таким образом, в качестве органического полимера целлюлоза занимает доминирующее положение в наземном и морском растительном мире. В свою очередь по истечении известного времени биомасса расщепляется и окисленная до С02 возвращается в атмосферу. Таков цикл углерода. Полученная в процессе фотосинтеза энергия может быть использована живыми организмами для роста и поддержания метаболизма. Деградация целлюлозы — исключительно микробиологический процесс. Большая часть целлюлозы в природе окисляется аэробными микроорганизмами до С02 в соответствии с реакцией
СвН120в+60^6С02+6Н20.
Около 5—10% целлюлозы конвертируется в метан и углекислый газ (СбН^Ор—>-3CH4-j-3C02). В анаэробных экосистемах из целлюлозы образуется около (0,55—1,2) • 109 т метана в год. В атмосфере метан окисляется озоном до С02 и воды. Количество целлюлозы практически не ограничено, так как при рациональном ведении хозяйства она полностью восполняется.
Целлюлоза содержится не только в древесине, но и в травах, льне, конопле, в оболочке семян плодов, в морских водорослях. В хлопковых и лубяных волокнах китайской крапивы имеется до 95—98 % чистой целлюлозы, в соломе и древесине — 40—60%. В природе встречается также внеклеточная бактериальная (Асе-
5
Таблица 1. Полисахариды клеточной стенки высших растений (Whitaker, 1984)
Полисахариды
Структурная классификация
Другие полисахариды
Целлюлоза Пектиновые вещества
Гемицеллюлозы
P-D-Глюкан (связь в положении 4)
Галактоуронаны и рамногалактоуронаны, арабаны,
галактаны и арабиногалактаны
Ксилан (включая арабиноксиланы и (4-О-метил)
глюкуроноксиланы)
Галактоманнаны и глюкоманнаны Р-Л-Глюканы (связь в положении 3 и 4) P-D-Глюкан-каллоза (связь в положении 3) Ксилоглюканы (связанные в положении 4 P-D-Глюканы с боковыми цепями) Арабиногалактаны и глюк> рономаннаны
tobacier x’jlinum и A. acetigenum) и животная целлюлоза (в организмах некоторых ракообразных и улиток). В наиболее чистом виде целлюлоза содержится в хлопковом волокне и продуцируется бактериями рода Ac^tobacter, особенно A. xylinum. Имеетсд также мнение о возможности использования Acetobader xylinutn для получения чистой целлюлозы биотехнологическими методами.
Молекулярная структура целлюлозы хлопка и древесины сходна, однако морфологически древесина организована более сложно, чем хлопок, и представляет собой сочетание растительных клеток разнообразной формы.
Растения содержат множество полисахаридов: крахмал (амилоза и амилопектин), целлюлозу, гемицеллюлозу, пектиновые вещества ч др. (табл. 1). Существует много гликопротеинов, где гликоцепи, содержащие маннозу, ксилозу, фукозу и iV-ацетилглю-козамин, играют важную роль. Крахмал, являясь запасным углеводом, часто наряду с лигнином выполняет структурную функцию в растительной ткани. Пектиновые вещества в ицтактной ткани нерастворимы, их обычно называют протопектинами. Нерастворимость может быть обусловлена величиной полимера и присутствием двухвалентных катионов, таких, как Са2н.
