Биоконверсия целлюлозосодержащего сырья. Ферментативный гидролиз целлюлозы (обзор литературы)

Автор: Шубаков А.А., Михайлова Е.А., Мартынов В.В.

Журнал: Известия Коми научного центра УрО РАН @izvestia-komisc

Статья в выпуске: 4 (56), 2022 года.

Бесплатный доступ

Лигноцеллюлоза - наиболее распространенный на земле биополимер. Гидролиз лигноцеллюлозы до сбраживаемых сахаров является предпосылкой для ее успешного использования в качестве субстрата для крупномасштабного производства промышленно значимой продукции с добавленной стоимостью. Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы осуществляется ферментами целлюлазами, гемицеллюлазами, лигниназами в синергизме или индивидуально. В обзоре описан ферментативный гидролиз целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Даны сведения о твердофазной и глубинной ферментациях микроорганизмов, используемых для получения целлюлаз. Охарактеризованы методы повышения уровня продуцирования и активности целлюлаз. Описано промышленное применение целлюлаз, в том числе для получения биоэтанола.

Еще

Целлюлазы, гемицеллюлазы, лигниназы, грибы, ферментация, биоэтанол

Короткий адрес: https://sciup.org/149141395

IDR: 149141395 | DOI: 10.19110/1994-5655-2022-4-27-38

Список литературы Биоконверсия целлюлозосодержащего сырья. Ферментативный гидролиз целлюлозы (обзор литературы)

Селиванов, А. С. Стабильность ферментных препаратов в условиях, моделирующих распылительную сушку / А. С. Селиванов // Химия растительного сырья. – 2002. – № 2. – С. 121–127.
Биотехнологический потенциал дереворазрушающих грибов для получения биотоплива / В. В. Володин, Н. Н. Шергина, В. В. Мартынов [и др.] // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. – 2021. – Т. 17, № 4. – С. 11–23.
Продуцирование целлюлаз аскомицетным грибом Trichoderma viride после длительного хранения в коллекции / А. А. Шубаков, С. О. Володина, В.В. Мартынов [и др.] // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. – 2021. – Т. 17, № 4. – С. 48–54.
Ферментативный гидролиз порошковых целлюлоз, полученных различными методами / М. А. Торлопов, Д. В. Тарабукин, С. В. Фролова [и др.] // Химия растительного сырья. – 2007. – № 3. – С. 69–76.
Кинетика ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов при различных концентрациях субстрата / В. В. Будаева, Е. А. Скиба, О. В. Байбакова [и др.] // Катализ в промышленности. – 2015. – Т. 15, № 5. – С. 60–66.
An overview on fungal cellulases with an industrial perspective / S. Sajth, P. Priji, S. Sreedevi [et al.] // J. Nutr. Food Sci. – 2016. – Vol. 6, N 1. – P. 1–13.
Dashtban, M. Fungal bioconversion of lignocellulosic residues; Opportunities and Perspectives / M. Dashtban, H. Schraft, W. Qin // Int. J. Biol. Sci. – 2009. – Vol. 5, N 6. – P. 578–595.
Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview / J. Perez, J. Munoz- Dorado, T. de la Rubia [et al.] // Int. Microbiol. – 2002. – Vol. 5. – P. 53–63.
Plant cell walls to ethanol / D. B. Jordan, M. J. Bowman, J. D. Braker [et al.] // Biochem. J. – 2012. – N 442. – P. 241–252.
Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов / И. М. Грачева, А. Ю. Крявова. – Москва : Элевар, 2000. – 512 с.
Cellulase production using biomass feed stock and its application in lignocellulose saccharification for bio-ethanol production / R. K. Sukumaran, R. R. Singhania, G. M. Mathew [et al.] // Renew. Energy. – 2009. – Vol. 34, N 2. – P. 421–424.
Enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass / B. Yang, Z. Dai, S.-Y. Ding [et al.] // Biofuels. – 2011. – Vol. 2, N 4. – P. 421–450.
Mandels, M. Induction of cellulase in Trichoderma viride as influenced by carbon sources and metals / M. Mandels, E. T. Reese // J. Bacteriol. – 1957. – Vol. 73, N 2. – P. 269–278.
Cellulase production by continuous culture of Trichoderma reesei Rut C30 using acid hydrolysate prepared to retain more oligosaccharides for induction / C.-M. Lo, Q. Zhang, N. V. Callow [et al.] // Bioresour. Technol. – 2010. – Vol. 101, N 2. – P. 717–723.
Regulation and improvement of cellulase production: Recent advances / N. Ali, M. A. Athar, Y. Н. Khan [et al.] // Nat. Res. – 2014. –Vol. 5. – P. 857–863.
The carbohydrate-active enzymes database (CAZy): an expert resource for glycogenomics / B. L. Cantarel, P. M. Coutinho, C. Rancurelom [et al.] // Nucl. Acids Res. – 2009. – Vol. 37. – P. 233–238.
Hildén, L. Recent developments on cellulases and carbohydrate- binding modules with cellulose affinity / L. Hildén, G. Johansson // Biotechnol. Lett. – 2004. – Vol. 26. – P. 1683–1693.
Fungal cellulases / C. M. Payne, B. C. Knott, H. B. Mayes [et al.] // Chem. Rev. – 2015. – Vol. 115. – P. 1308–1448.
Клесов, А. А. Ферментативный гидролиз целлюлозы III. Закономерности образования глюкозы и целлобиозы при действии полиферментных целлюлазных систем на нерастворимую (природную) целлюлозу / А. А. Клесов, С. Ю. Григораш // Биоорганическая химия. – 1981. – Т. 7, № 10. – С. 1538–1552.
Purification and properties of endoglucanase from a sugar cane bagasse hydrolyzing strain, Aspergillus glaucus XC9 / Y. M. Tao, X. Z. Zhu, J. Z. Huang [et al.] // J. Agric. Food Chem. – 2010. – Vol. 58, N 10. – P. 6126–6130.
Purification and characterization of an endoglucanase from Aspergillus terreus highly active against barley ß-glucan and xyloglucan / A. Nazir, R. Soni, H. Saini [et al] // World J. Microbiol. Biotechnol. – 2009. – Vol. 25, N 7. – P. 1189–1197.
Purification and characterization of a thermostable intra- cellular ß-glucosidase with transglycosylation properties from filamentous fungus Termitomyces clypeatus / S. Pal, S. P. Banik, S. Ghorai [et al.] // Bioresour. Technol. – 2010. – Vol. 101. – P. 2412–2420.
Parry, J. B. Purification of the major endoglucanase from Aspergillus fumigatus Fresenius / J. B. Parry, J. C. Stewart, J. Heptinstall // Biochem. J. – 1983. – Vol. 213. – P. 437–444.
Purification and characterization of two low molecular weight endoglucanases produced by Penicillium occitanis mutant Pol 6 / S. E. Chaabouni, T. Mechichi, F. Limam [et al.] // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2005. – Vol. 125. – P. 99–112.
Naika, G. S. Purification and characterization of a new endoglucanase from Aspergillus aculeatus / G. S. Naika, P. Kaul, V. Prakash // J. Agric. Food Chem. – 2007. – Vol. 55. – P. 7566–7572.
Metabolic engineering strategies for the improvement of cellulase production by Hypocrea jecorina / C. P. Kubicek, M. Mikus, A. Schuster [et al.] // Biotechnol. Biofuels. – 2009. – Vol. 2. – Article 19.
Shallom, D. Microbial hemicellulases / D. Shallom, Y. Shoham // Curr. Opin. Microbiol. – 2003. – Vol. 6. – P. 219–228.
Biodegradation of lignocellulosics: microbial, chemical, and enzymatic aspects of the fungal attack of lignin / A. T. Martinez, M. Speranza, F. J. Ruiz-Duenas [et al.] // Int. Microbiol. – 2005. – Vol. 8. – P. 195–204.
Arora, D. S. Ligninolytic fungal laccases and their biotechnological applications / D. S. Arora R. K. Sharma // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2010. – Vol. 160. – P. 1760–1788.
Wong, D. W. Structure and action mechanism of ligninolytic enzymes / D. W. Wong // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2009. – Vol. 157. – P. 174–209.
Смирнов, К. А. Особенности твердофазной ферментации / К. А. Смирнов, Ю. Д. Алашкевич, Н. С. Решетова // Химия растительного сырья. – 2009. – № 3. – С. 161–164.
Ануфриева, Э. Н. Конверсия опилок в белково-углеводные кормовые препараты в процессе твердофазной ферментации высшими грибами / Э. Н. Ануфриева // Биоконверсия целлюлозосодержащего сырья. – Сыктывкар, 1992. – С. 51–59. – (Тр. Коми НЦ УрО РАН, № 125).
Ануфриева, Э. Н. Влияние условий культивирования на продуцирование лигноцеллюлазного комплекса дереворазрушающими базидиомицетами / Э. Н. Ануфриева, И. Н. Алексеев, Н. Н. Шергина // Биоконверсия целлюлозосодержащего сырья. – Сыктывкар, 1992. – С. 60–70. – (Тр. Коми НЦ УрО РАН, № 125).
Pandey, A. Solid-state fermentation / A. Pandey // Biochem. Eng. J. – 2003. – Vol. 13. – P. 81–84.
Underkofler, L. A. Production of microbial enzymes and their applications / L. A. Underkofler, R. R. Barton, S. S. Rennert // Appl. Environ. Microbiol. – 1958. – Vol. 6, N 3. – P. 212–221.
Карбоксиметилцеллюлазная активность аскомицетного гриба Trichoderma viride / А. А. Шубаков, Е. А. Михайлова, С. О. Володина [и др.] // Бутлеровские сообщения. – 2022. – Т. 70, №5. – C.107–113.
Yeasts in sustainable bioethanol production: A review / S. H. M. Azhar, R. Abdulla, S. A. Jambo [et al.] // Biochem. Biophys. Rep. – 2017. – Vol. 10. – P. 52–61.
Гарабаджиу, А. Перспективы индустрии биотоплива в России / А. Гарабаджиу, Г. Козлов, В. Галынкин // Энергетика и промышленность России. – 2014. – № 10 (246).
Fractionating recalcitrant lignocellulose at modest reaction conditions / Y. H. Zhang, S. Y. Ding, J. R. Mielenz [et al.] // Biotechnol. Bioeng. – 2007. – Vol. 97. – P. 214–223.
Taherzadeh, M. J. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review / M. J. Taherzadeh, K. Karimi // Int. J. Mol. Sci. – 2008. – Vol. 9. – P. 1621–1651.
Kumar, A. Biotechnological transformation of lignocellulosic biomass in to industrial products: An Overview / A. Kumar, A. Gautam, D. Dutt // Adv. Biosci. Biotechnol. – 2016. – Vol. 7. –P. 149–168.
Bio-ethanol – the fuel of tomorrow from the residues of today / B. Hahn-Hagerdal, M. Galbe, M. F. Gorwa-Grauslund [et al.] // Trends Biotechnol. – 2006. – Vol. 24. – P. 549–556.
McMillan, J. D. Arbinose utilization by xylose-fermenting yeasts and fungi / J. D. McMillan, B. L. Boynton // Appl. Biochem. Biotechnol. – 1994. – Vol. 45. – P. 569–584.
Chu, B. C. Genetic improvement of Saccharomyces cerevisiae for xylose fermentation / B. C. Chu, H. Lee // Biotechnol. Adv. – 2007. – Vol. 25. – P. 425–441.
Influence of calcium ion on ethanol tolerance of Saccharomyces bayanus and alcoholic fermentation by yeasts / R. C. Nabais, I. Sa-Correira, C. A. Viegas [et al.] // Appl. Environ. Microbiol. – 1988. – Vol. 54, N 10. – P. 2439–2446.
Jones, R. P. A review of yeast ionic nutrition: growth and fermentation requirements / R. P. Jones, P. F. Greenfield // Process Biochem. – 1984. – Vol. 19. – P. 48–60.
Dombek, K. M. Magnesium limitation and its role in apparent toxicity of ethanol during yeast fermentation / K. M. Dombek, L. O. Ingram // Appl. Environ. Microbiol. – 1986. – Vol. 52. – P. 975–981.

Еще

Статья научная