Аспекты комплексного использования нетрадиционного растительного сырья (Sorghum) в биотехнологических производствах

В настоящее время актуальной проблемой перерабатывающих отраслей промышленности является расширение сырьевой базы и сокращение образования отходов на основе принципов рационального использования сельскохозяйственного сырья и современных биотехнологических процессов его глубокой конверсии в целевые продукты, обеспечивающие ресурсосбережение, эффективную замену традиционных зерновых культур на другие виды растительного сырья [1, 2]. Особенно это относится к производствам спирта, ферментных препаратов и других ингредиентов, которые методами биотехнологии перерабатывают существенное количество зерна пшеницы, кукурузы и ржи, имеющих широ- кую востребованность в пищевой промышленности [3–5]. Решение данной проблемы заключается в подборе перспективных видов растительного сырья и эффективных для их конверсии ферментных систем, в исследовании биосинтетической способности и метаболизма микроорганизмов при культивировании их на питательных средах, приготовленных на основе нетрадиционных видов сырья.

Цель работы – систематизация и обобщение результатов исследований, посвященных изучению свойств, состава основных полимеров растительной культуры сорго, способов ее комплексной биотехнологической переработки в ресурсосберегающих технологиях на примере производства спирта.

Объекты и методы исследований

Объектами исследования являлись актуальные данные научных статей об особенностях биохимического состава сахарного сорго и методах его комплексной конверсии в этанол и лизин. Поиск и отбор статей для составления обзора по тематике осуществляли по ключевым словам и их комбинациям в библиографических базах eLIBRARY, Google Scholar, Scopus, Elsevier. В качестве временного периода принят интервал 2008–2022 гг.

Результаты и их обсуждение

В работах ряда исследователей было показано, что перспективным сырьем для использования в спиртовом производстве может служить сельскохозяйственное растение Sorghum bicolor (L.) Moench [6–8]. Зерновое сорго отличается хорошей устойчивостью к условиям выращивания, обладает высокой продуктивностью, способностью к образованию зеленой массы, в соке стеблевой части которой содержатся углеводы [9–11]. В последние годы этой культуре придается важное значение:   селекционерами-растениеводами получены и испытаны новые сорта сахарного сорго, отличающиеся не только высоким содержанием в зерне крахмала, но и повышенной способностью к синтезу зеленой расти- тельной массы; расширяются посевные площади для их возделывания [9, 12].

Анализ биохимического состава зерна сорго показал, что по содержанию крахмала многие сорта зернового сорго превосходили традиционно применяемые в спиртовом производстве зерновые культуры, такие как пшеница, рожь и кукуруза [11–15], и различались по уровню содержания белка и гемицеллюлозы (рис. 1) [16].

Перспективность использования сорго зернового в качестве полноценного сырья исследована в производствах спирта, пива, крахмала и кормов [7, 11, 16–18]. В то же время мало изучена взаимосвязь состава основных полимеров зерна с выходом и качеством целевых продуктов. Результатами последних исследований показано, что крахмалистость зерна являлась основным фактором, обеспечивающим выход спирта, однако присутствие в зерне некрахмальных полисахаридов и белка, определяющих повышенную вязкость сусла, оказывало корректирующее влияние на уровень синтеза этанола [16].

Кроме того, в ряде работ показано, что еще одним важным преимуществом растения Sorghum является его способность к быстрому образованию зеленой массы и активному син-

Рис. 1. Содержание ( %) крахмала, гемицеллюлозы и белка в зерне сорго разных сортов в сравнении с зерном пшеницы, кукурузы и ржи [16]

тезу углеводов в соке стеблей растения, из которого заготавливают концентрат для длительного хранения и использования [15, 19–22].

В результате исследований, проведенных во ВНИИ пищевой биотехнологии, подтверждена перспективность комплексного использования многокомпонентного растения сорго (зерно и сок из стеблей зеленой массы) не только как сырья для производства этилового спирта, но и как источника углеводов для микробной конверсии их в лизин при культи- вировании Brevibacterium RCAM 01129 на средах, содержащих барду, полученную после сбраживания сусла дрожжами Sасcharomyces cerevisiae, и отъем сусла из зерна сорго (рис. 2) или сока стеблей сорго (рис. 3) [16, 22–25].

Исследователями показано, что количество крахмала в зерне сорго ещё не является гарантом высокого выхода целевых продуктов [16]. Питательные среды, приготовленные на основе сорта (V), который характеризовался самым

■ Выход спирта, г/100г сырья ■ Лизин в кормовой добавке, %

Рис. 2. Зависимость выхода спирта и лизина от сорта и особенностей биохимического состава зерна [16]

■ Содержание РВ, %   ■ Содержание лизина, г/дм3 ■ Биомасса, D

Рис. 3. Динамика конверсии углеводов, синтеза лизина и роста биомассы при культивировании Brevibacterium RCAM 01129 на средах, содержащих отъем сусла из сока стеблей сорго и барду [22, 25]

Сравнительная характеристика кормовых продуктов, полученных на основе комплексной конверсии зернового сорго на спирт и кормовые продукты [16]