3.3.3. Прямая биоконверсия растительного сырья микроорганизмами

Под прямой биоконверсией понимают аэробный или анаэробный процессы переработки растительного сырья с использованием микроорганизмов без предварительной его обработки химическими или биологическими методами.

Примерами способа прямой биоконверсии растительного сырья являются процессы твёрдофазного культивирования: выращивание микроорганизмов и высших грибов на растительном сырье с целью получения биологически активных веществ, а также компостирование растительных отходов, в том числе и с калифорнийскими червями, с целью получения органических удобрений. К способу прямой биоконверсии можно отнести процесс силосования растительного сырья, а также получение кормовых белковых добавок микробиологическим путём из зерносырья. В данном разделе представлены процессы выращивания микроорганизмов, базидиальных грибов на основе целлюлозо- и пентозансодержащего сырья, а также получение кормовых белковых добавок из зерносырья.

Прямая биоконверсия целлюлозо- ипентозансодержащегорастительного сырья микроорганизмами. Исследованы процессы прямой биоконверсии древесных и сельскохозяйственных отходов поверхностным и глубинным культивированием микроорганизмов, образующих ферментные системы, катализирующие расщепление целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и хорошо растущих на лигноцеллюлозных материалах с целью обогащения их белком. Способ применяют в производстве целлюлолитических ферментов с использованием микроскопических грибов Trichoderma viride (Tr. reesei 18б2/КК).

В последнее время во многих странах мира возрос интерес к проблеме получения белка пищевого и кормового назначения путём культивирования различных микроорганизмов на твёрдых питательных средах, чаще всего на целлюлозосодержащих промышленных и городских отходах. Этот интерес обусловлен тем, что процесс получения белка на твёрдом питательном субстрате должен быть более экономически выгодным по сравнению с получением кормовых дрожжей на растительных гидролизатах, так как исключает дорогостоящий процесс кислотного гидролиза и ферментативного гидролиза, требующего специального получения ферментов.

Так, были проведены исследования по обогащению хлопковой шелухи белком путём поверхностного выращивания микроскопического гриба Sporotrichum pulverulentum. Хлопковая шелуха содержит 3-4% белка, содержание белка повышалось до 13% [68].

В Индии созданы процессы превращения отхода сахарного тростника в белковый корм посредством культивирования целлюлолитических бактерий Сellulomonas sp. [68].

При изучении механизма ферментативной деструкции целлюлозы с помощью актиномимцетов Thermjmjnjspora fusca и микроскопического гриба Sporotrichum pulverulentum было показано, что субстраты, содержащие лигнин и целлюлозу высокой кристалличности, менее пригодны для утилизации и дают продукт с меньшим содержанием белка. Так, при выращивании актиномицетов на еловой древесине получен белок 14,4% (время выращивания 6 суток), в то время как на целлобиозе – 59,0%. При выращивании микроскопического гриба на порошкообразной целлюлозе с высокой кристалличностью содержание белка составило 6,0%, на древесных отходах после механического размола – 13,8%, на аморфной целлюлозе – 32%, а на целлобиозе – 40,2%.

При глубинном выращивании микроскопических грибов Бабицкой с сотрудниками [66,75] проверено около 100 культур микроскопических грибов при росте на нативной соломе и соломе, обработанной паром. Содержание белка в продукте было от 14 до 21%. Наилучшие результаты получены с грибом Trichoderma lignorium.

Авторами сделан вывод, что такие микроорганизмы, как бактерии, актиномицеты, дрожжи и плесневые грибы используют в основном для получения белка на довольно простых целлюлозосодержащих субстратах. При использовании в качестве субстрата древесины эти микроорганизмы существенно уступают высшим дереворазрушающим грибам.

Дереворазрушающие грибы часто встречаются в природе, насчитывают более 1,5 тысячи видов и делятся на две основные группы: возбудители бурой и белой гнили. Возбудители белой гнили способны глубоко разрушать лигнин, а грибы ? возбудители бурой гнили разрушают, прежде всего, целлюлозу и другие полисахариды. Разрушение целлюлозы и лигнина вызвано комплексом ферментов (до 20 различных ферментов), которые выделяют дереворазрушающие грибы (раздел 3.2). Несмотря на обилие и разнообразие ферментов у грибов и их способность использовать составные элементы древесины, процессы разрушения в природных условиях идут очень медленно, достигая нескольких лет и более. Авторы считают, что главным фактором, ограничивающим скорость роста грибов, является недостаток азота в древесине. Кроме того, для питания грибов необходимо ещё элементы: сера, фосфор, калий, магний, железо, медь, цинк, марганец, молибден, кальций, галлий, бор, скандий, ванадий. В настоящее время научились выращивать дереворазрушающие грибы за более короткие сроки [69,76]. При поверхностном культивировании мицелия грибов (Schizophyllum commune, Coriolus pubescens, Coriolus hirsutus, Pleurotus ostreatus, Panus tigrinus) на осиновом опиле с минеральными добавками и оптимальной влажностью 65% в течение 5-21 суток растительно-грибной концентрат имел содержание белка 3,75-7,0%; при выращивании на кукурузной кочерыжке в течение 8-11 суток содержание протеина в продукте составило 5,1-8,1% [69].

Выращивание плодовых тел грибов на древесине, отходах бумажного и сахарного производства в некоторых странах известно давно.

В России повсеместно выращивают вешенку на соломе, освоено производство шампиньонов на компостах, включающих солому [78]. С целью интенсификации производства грибов развивается технология подготовки субстрата с использованием ферментов. Организовано производство мицелия этих грибов в Москве ? «Заречье», в Саратове ? частная фирма «Сантана», в Новочеркасске ? «Сатурн», в Кирове ? «Ягодное» [78,79].

Мицелий базидиальных грибов является переспективным продуцентом белка. Его выращивают поверхностным и глубинным способом. Для поверхностного способа выращивания используют крахмалсодержащее сырьё ? зерно. А на целлюлозо- и пентозансодержащем сырье его выращивают глубинным способом. Мицелий грибов имеет белок 36,7-44,8% . В состав белка входят все незаменимые аминокислоты, а по количеству серосодержащих аминокислот белок грибов превосходит бактериальные и дрожжевые белки. Так, в мицелии гриба Oxyphorus populinus было идентифицировано 16 аминокислот: аспарагиновая, глютаминовая, серин, глицин, треонин, аланин, валин, пролин, лейцин, ?-фенилаланин, метионин, тирозин, лизин, гистидин, аргинин, триптофан. Мицелий дереворазрушающих грибов содержит в незначительном количестве нуклеиновые кислоты. Усвояемость азотистых веществ дереворазрушающих грибов может достигать 80-90%. Кроме белковых веществ в состав мицелия грибов входят углеводы [глюкоза (13,8-18,0%), Д-манноза (1,0-5,7%), ксилоза (2,0-8,0%); Д-галактоза, арабиноза и рамноза отсутствуют], витамины группы В, эргостерин, стероидные соединения, являющиеся исходным материалом для синтеза некоторых гормональных препаратов.

При глубинном культивировании мицелия грибов (Schizophyllum commune, Coriolus pubescens, Coriolus hirsutus, Pleurotus ostreatus) в суспензии опила осины (3% воздушно-сухих опилок, смешанных с минеральной средой Norkans в соотношении 1:1, рН 5,0-5,5, t=26-28оС, в течение 7-15 суток) растительно-грибной концентрат имел содержание белка 5,0-7,4%.

Изучен химический состав образцов шести штаммов мицелия вешенки в зависимости от условий культивирования, фазы роста и состава питательной среды.

Выращенный в одинаковых условиях мицелий изученных штаммов имеет сходный общий состав: от 3 до 5% связанной воды, от 6 до 7 % водорода органических соединений, от 39 до 42 % углерода, от 6 до 9 % азота и от 4 до 6 % золы на абсолютно сухую биомассу (АСБ).

Наблюдаются общие для всех изученных штаммов вешенки закономерности в изменении содержания белка (общего и легкорастворимого) в зависимости от состава среды и фазы роста мицелия. Имеют место колебания от 12 до 50 % от АСБ. Содержание липидов в мицелии различных штаммов колеблется незначительно и составляет от 2,7 до 6% от АСБ. В составе свободных липидов обнаружены жирные кислоты с числом углеродных атомов от 8 до 20. Олеиновая кислота составляет до 56% от суммы жирных кислот. Среди насыщенных кислот преобладают стеариновая (до 24%) и пальмитиновая (до 16%). Наблюдаются определенные изменения в соотношении жирных кислот при различных условиях культивирования.

Мицелий вешенки обыкновенной, выращенный в глубинных условиях, содержит витамины группы В: тиамин – от 6 до 18; рибофлавин – от 30 до 40; ниацин – от 300 до 600, пиридоксин – от 0,4 до 1,6 и биотин – от 0,14 до 0,18 мкг/г АСБ в зависимости от штамма.

Плодовые тела высших грибов, растущих на целлюлозосодержащих субстратах, а также и их мицелий содержат вещества, обладающие лечебными свойствами. Так, сок плодовых тел шампиньонов является активным бактерицидным веществом. Известно, что при эпидемиях брюшного тифа люди, систематически питавшиеся шампиньонами, как правило, не заболевали этой болезнью. Уже более 10 лет тому назад из плодовых тел шампиньона был получен антибиотик агаридоксин, который обладает сильными бактерицидными свойствами.

Многие растущие на деревьях грибы содержат противоопухолевые активные вещества. Например, из чаги получают препарат для профилактики онкологических заболеваний.

На Западе сложилась отрасль фармацевтическая микология и сейчас там культивируют лекарственные грибы, как Lentinus edodes ? шиитаке, Ganoderma lucidum ? рейши, Grifola frondosa ? маи-таки и т.д. Из комбинаций мицелия этих грибов, выращенного глубинным способом, получают лекарственные препараты с широким спектром действия.

По последним данным полисахаридами из лисичек, которые назвали К-10, в Германии стали лечить заболевания печени. Уже получены первые статистические данные – хорошо поддаются лечению лисичками гемангиомы печени, жировое перерождение печени, гепатит С. Aнтигельминтный препарат "Лисички" – это вытяжка хиноманнозы, губительно действующей на гельминтов, их личинки и яйца.

В Японии производят полисахаридные препараты онкостатического действия: Крестин, выделяемый из Coriolus versicolor, Лентинан ? из шиитаки, Сонифилан ? из Schizophyllum commune и т.д.

Лекарственные препараты из плодовых тел грибов получают в Китае. В настоящее время в китайской медицине используют около 30 видов грибов.

В Белоруссии получают лекарственный препарат на основе культуральной жидкости шиитаке. На Украине производят 16 препаратов из грибов комплексного лечебного действия [78,79].

Таким образом, в настоящее время процесс прямой биоконверсии целлюлозо- и пентозансодержащего растительного сырья целесообразно использовать с целью получения пищевого белка путём поверхностного выращивания плодовых тел базидиальных грибов и глубинного выращивания их мицелия на прозрачных субстратах, атакже с целью получения лекарственных препаратов на их основе.