Ферментативный гидролиз арабиногалактана древесины лиственницы сибирской
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2025-5-153-168Ключевые слова:
арабиногалактан, Rhizopus oryzae, β-галактозидаза, ферментативный гидролиз, простые сахара, редуцирующие веществаАннотация
При получении целлюлозы из растительного сырья образуются вторичные ресурсы в виде гидролизатов полисахаридов и лигнина, которые могут выступать субстратом в микробиотехнологии для производства биопродуктов. К экономически привлекательным субстратам для культивирования микроорганизмов следует отнести и арабиногалактан, переходящий по действующей технологии в щелок при получении целлюлозы из древесины лиственницы. Разработана и технология варки целлюлозы древесины лиственницы с предварительной экстракцией арабиногалактана горячей водой, что делает его доступным в качестве сырья для микробиологии. Однако не все микроорганизмы обладают необходимыми ферментами для расщепления данного субстрата, поэтому для повышения биодоступности арабиногалактан необходимо подвергнуть предварительному каталитическому, предпочтительно ферментативному, гидролизу, который является более экологически безопасным по сравнению с химическим гидролизом. Данная работа посвящена исследованию потенциала использования β-галактозидазного ферментного комплекса Rhizopus oryzae F-1030 для биодеградации арабиногалактана. Показана способность гриба метаболизировать и ассимилировать арабиногалактан как единственный источник углерода. Установлено, что увеличение биомассы гриба находится в прямой зависимости от концентрации арабиногалактана в среде. Подбор рациональных условий инкубирования внеклеточной β-галактозидазы R. oryzae F-1030 после удаления из культуральной жидкости биомассы гриба позволил достичь эффективного уровня расщепления арабиногалактана с обогащением среды редуцирующими веществами, представленными простыми сахарами. Установлено, что β-галактозидаза R. oryzae F-1030 при температуре 60 °С, рН 7,0±0,2, наличии постоянного перемешивания проявляет высокую ферментативную активность при всех исследованных концентрациях арабиногалактана. Отмечено, что в первые 3 сут. инкубирования происходит основной прирост концентрации редуцирующих веществ в среде культивирования, тогда как в последующем увеличения содержания редуцирующих веществ почти не наблюдается вследствие истощения доступных для гидролиза ферментом β-галактозидазой связей в молекулах арабиногалактана, а также из-за возможного взаимодействия фермента с продуктами реакции. Доказано, что активность фермента β-галактозидазы R. oryzae F-1030 находится в прямой зависимости от концентрации арабиногалактана и температуры среды культивирования. Полученные результаты позволяют рассматривать β-галактозидазу R. oryzae F-1030 в качестве перспективного фермента для биомодификации арабиногалактана и для совместного применения как фермента, так и арабиногалактана в кормовой промышленности.
Скачивания
Библиографические ссылки
Баранова В.Н., Селиванец Е.И., Боровская Л.В. Влияние внешних факторов на ферментативные реакции // The scientific heritage. 2021. No 79. С. 37–40. Baranova V., Selivanets E., Borovskaya L. Influence of External Factors on Enzymatic Reactions. The Scientific Heritage, 2021, no. 79, pp. 37–40. (In Russ.).
Болтовский В.С. Ферментативный гидролиз растительного сырья: состояние и перспективы // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Сер.: Хіміч. навук. 2021. Т. 57, No 4. C. 502–512. Boltovsky V.S. Enzymatic Hydrolysis of Plant Raw Materials: State and Prospects. Vescì Nacyânalʹnaj akadèmìì navuk Belarusì. Seryâ hìmìčnyh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series, 2021, vol. 57, no. 4, pp. 502–512. (In Russ.). https://doi.org/10.29235/1561-8331-2021-57-4-502-512
Бушнева О.А., Оводова Р.Г., Шашков А.С., Чижов А.О., Гюнтер Е.А., Оводов Ю.С. Структурное исследование арабиногалактана и пектина из каллуса Silene vulgaris (M.) G. // Биохимия. 2006. Т. 71, No 6. С. 798–807. Bushneva O.A., Ovodova R.G., Shashkov A.S., Chizhov A.O., Gunter E.A., Ovodov Yu.S. Structural Studies of Arabinogalactan and Pectin from Silene vulgaris (M.) G. callus. Biokhimiya = Biochemistry (Moscow), 2006, vol. 71, no. 6, pp. 644–651. https://doi.org/10.1134/S0006297906060083
Галяутдинова И.А., Канарский А.В., Канарская З.А., Кузнецов А.Г. Эффективность культивирования дрожжей Debaryomyces hansenii и Guehomyces pullulans на питательных средах из арабиногалактана // Вестн. технол. ун-та. 2016. Т. 19, No 16. С. 96–99. Galyautdinova I.A., Kanarskiy A.V., Kanarskaya Z.A., Kuznetsov A.G. Efficiency of Debaryomyces hansenii and Guehomyces pullulans Yeasts Cultivation in Nutrient Media of Arabinogalactan. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta = Herald of Technological University, 2016, vol. 19, no. 16, pp. 96–99. (In Russ.).
Гусева Е.Ю., Романцева Ю.Н. Апробирование арабиногалактана в процессе переработки продукции мараловодства // Вестн. КрасГАУ. 2019. No 7. С. 143–146. Guseva E.Yu., Romantseva Yu.N. The Testing of Arabinogalactan in the Course of Deer Farming Products Processing. Vestnik KrasGAU = The Bulletin of KrasGAU, 2019, no. 7, pp. 143–146. (In Russ.).
Кузнецов А.Г., Махотина Л.Г., Аким Э.Л. Использование биополимера арабиногалактана при производстве целлюлозных композиционных материалов // Дизайн. Материалы. Технология. 2012. No 5 (25). С. 82–84. Kuznetsov A.G., Makhotina L.G., Akim E.L. Usage of Biopolimer Arabinogalactan in Production of Cellulose Composites. Dizajn. Materialy. Tekhnologiya = Design. Materials. Technology, 2012, no. 5 (25), pp. 82–84. (In Russ.).
Кулешова М.А., Рудакова В.А. Ферментативный гидролиз отходов переработки дикорастущего плодово-ягодного сырья северных районов европейской части России // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: тез. докл. XI Всерос. науч.-практ. конф. Бийск: АлтГТУ, 2018. С. 366–368. Kuleshova M.A., Rudakova V.A. Enzymatic Hydrolysis of Waste from Wild-Growing Fruit and Berry Raw Materials Processing from Northern Regions of the European Part of Russia. Tekhnologii i oborudovanie khimicheskoj, biotekhnologicheskoj i pishchevoj promyshlennosti: Proceedings of the XI All-Russian Scientific and Practical Conference. Biysk, Altai State Technical University Publ., 2018, pp. 366–368. (In Russ.).
Мингазова Л.А., Канарский А.В., Крякунова Е.В., Канарская З.А. Синтез молочной кислоты грибом Rhizopus oryzae F-1030 на питательных средах из сульфитных щелоков // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. No 2. С. 146–158. Mingazova L.A., Kanarsky A.V., Kryakunova E.V., Kanarskaya Z.A. Lactic Acid Synthesis by Fungus Rhizopus oryzae F-1030 on Growth Media Based on Sulphite Liquors. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2020, no. 2, pp. 146–158. (In Russ.). https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-2-146-158
Мингазова Л.А., Крякунова Е.В., Галиева А.Р., Канарская З.А., Канарский А.В., Кручина-Богданов И.В., Белкина Е.В. Влияние способа культивирования гриба Rhizopus orizae F-1030 на гидролизатах нейтрально-сульфитного щелока на эффективность синтеза молочной кислоты // Изв. С.-Петерб. лесотехн. акад. 2024. No 250. С. 405–422. Mingazova L.A., Kryakunova E.V., Galieva A.R., Kanarskaya Z.A., Kanarskii A.V., Kruchina-Bogdanov I.V., Belkina E.V. The Fungus Rhizopus orizae F-1030 Cultivating Mode on Neutral Sulfite Liquor Hydrolysates Affects the Lactic Acid Synthesis Efficiency. Izvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii, 2024, no. 250, pp. 405–422. (In Russ.). https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.250.405-422
Митина Г.В., Сокорнова С.В., Махотина Л.Г., Кузнецов А.Г., Аким Э.Л. Перспективы использования арабиногалактана для культивирования высших грибов и микроорганизмов – продуцентов средств защиты растений // Вестн. защиты растений. 2012. No 3. С. 28–32. Mitina G.V., Sokornova S.V., Mahotina L.G., Kuznetsov A.G., Akim E.L. The Perspectives of Arabinogalaktan for Cultivation Microbiological Control Agents and Mushrooms. Vestnik Zashchity Rasteniy = Plant Protection News, 2012, no. 3, pp. 28–32. (In Russ.).
Митина Г.В., Сокорнова С.В., Титова Ю.А., Махотина Л.Г., Кузнецов А.Г., Первушин А.Л. Использование макро- и микромицетов в биоконверсии растительного сырья // Изв. РГПУ им. А.И. Герцена. 2013. No 163. С. 69–79. Mitina G., Sokornova S., Titova Ju., Mahotina L., Kuznetsov A., Pervushin A. The Usage of Macro- and Micromycetes in the Bioconversion of Wood Raw Material. Izvestiya RGPU im. A.I. Gertsena = Izvestia: Herzen University Journal of Humanities & Sciences, 2013, no. 163, pp. 69–79. (In Russ.).
Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Канарский А.В. Биосинтез ксиланаз и целлюлаз грибами рода Trichoderma на послеспиртовой барде // Вестн. технол. ун-та. 2012. Т. 15, No 19. С. 120–122. Morozova Yu.A., Skvorсov E.V., Alimova F.K., Kanarskiy A.V. Biosynthesis of Xylanases and Cellulases by Fungi of the Genus Trichoderma on Post-Alcohol Stillage. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta = Herald of Technological University, 2012, vol. 15, no. 19, pp. 120–122. (In Russ.).
Никанова Л.А. Использование дигидрокверцетина и арабиногалактана в питании поросят-отъемышей // Вестн. АПК Верхеволжья. 2019. No 3 (47). С. 47–50. Nikanova L.A. The Use of Dihydroquercetin and Arabinogalactan in the Diet of Weaned Piglets. Vestnik APK Verhevolzh’ya = Agroindustrial Complex of Upper Volga Region Herald, 2019, no. 3 (47), pp. 47–50. (In Russ.). https://doi.org/10.35694/YARCX.2019.47.3.010
Першакова Т.В., Хагур Р.Н. Исследование влияния арабиногалактана на качество кондитерских изделий // Науч. журн. КубГАУ. 2012. No 84 (10). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/72.pdf (дата обращения: 21.04.25). Pershakova T.V., Khagur R.N. Investigation of the Influence of Arabinogalaktan on the Quality of Confectionery Products. Nauchnyj zhurnal KubGAU = Scientific Journal of KubSAU, 2012, no. 84 (10), art. no. 0841210072. (In Russ.).
Полыгалина Г.В., Чередниченко В.С., Римарева Л.В. Определение активности ферментов. Справочник. М.: ДеЛи принт, 2003. 375 с. Polygalina G.V., Cherednichenko V.S., Rimareva L.V. Determination of Enzyme Activity. Handbook. Moscow, DeLi print Publ., 2003. 375 p. (In Russ.).
Разработка ветеринарного препарата на основе биологически активных соединений биомассы лиственницы: отчет о НИР / ФГБОУ ВО Иркутский ГАУ; рук-ль Ч.Б. Кушеев. Иркутск, 2018. ГК NoФ.2018.206347. 99 с. Development of a Veterinary Drug Based on Biologically Active Compounds of Larch Biomass: Research Report. Irkutsk State Agrarian University; Research Director Ch.B. Kusheev. Irkutsk, 2018, State Corporation no. F.2018.206347. 99 p. (In Russ.).
Скрипнюк А.А., Рябцева С.А. Современные методы получения β-галактозидаз // Наука. Инновации. Технологии. 2014. No 3. С. 197–204. Skripnyuk A.A., Riabtseva S.A. Modern Methods for Producing β-galactosidase. Nauka. Innovatsii. Tekhnologii = Science. Innovations. Technologies, 2014, no. 3, pp. 197– 204. (In Russ.).
Торшков А.А. Влияние арабиногалактана на продуктивные качества цыплят-бройлеров // Изв. ОГАУ. 2010. No 27-1. С. 203–205. Torshkov A.A. Evaluation of Arabinogalactan on the Productive Qualities of Broiler Chickens. Izvestiya Orenburgskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universitata = Izvestia Orenburg State Agrarian University, 2010, no. 27-1, pp. 203–205. (In Russ.).
Фомичев Ю.П., Никанова Л.А., Дорожкин В.И., Торшков А.А., Романенко А.А., Еськов Е.К., Семенова А.А., Гоноцкий В.А., Дунаев А.В., Ярошевич Г.С., Лашин С.А., Стольная Н.И. Дигидрокверцетин и арабиногалактан – природные биорегуляторы в жизнедеятельности человека и животных, применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. М.: Науч. библиотека, 2017. 702 с. Fomichev Yu.P., Nikanova L.A., Dorozhkin V.I., Torshkov A.A., Romanenko A.A., Es’kov E.K., Semenova A.A., Gonotskij V.A., Dunaev A.V., Yaroshevich G.S., Lashin S.A., Stol’naya N.I. Dihydroquercetin and Arabinogalactan – Natural Bioregulators in Human and Animal Life, Application in Agriculture and Food Industry. Moscow, Nauchnaya biblioteka Publ., 2017. 702 p. (In Russ.).
Черникевич И.П. Ферментативный катализ // Журн. ГрГМУ. 2008. No 1. С. 21–27. Chernikevich I.P. Enzymatic Сatalysis. Zhurnal Grodnenskogo Gosudarstvennogo Meditsinskogo Universiteta = Journal of the Grodno State Medical University, 2008, no. 1, pp. 21–27. (In Russ.).
Шариков А.Ю., Иванов В.В., Амелякина М.В. Влияние перемешивания на эффективность ферментативного гидролиза высококонцентрированных сред экструдированного крахмала кукурузы // Вестн. ВГУИТ. 2020. Т. 82, No 3. С. 96–103. Sharikov A.Yu., Ivanov V.V., Amelyakina M.V. Effect of Agitation on the Efficiency of Enzymatic Hydrolysis of Highly Concentrated Media of Extruded Corn Starch. Vestnik VGUIT = Proceedings of VSUET, 2020, vol. 82, no. 3, pp. 96–103. (In Russ.). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-96-103
Advances in Biorefineries. Biomass and Waste Supply Chain Exploitation. Ed. by K. Waldron. Cambridge, Sawston: Woodhead Publ., 2014. 902 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-85709-521-3.50033-8
Arabinogalactan Market Analysis by Animal Feed, Pharmaceuticals, Cosmetic and Others through 2035. New York, Future Market Insights Publ., 2025. 250 p.
Cheng J., Wei C., Li W., Wang Y., Wang S., Huang Q., Liu Y., He L. Structural Characteristics and Enhanced Biological Activities of Partially Degraded Arabinogalactan from Larch Sawdust. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, vol. 171, pp. 550–559. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.01.039
Ghosh K., Takahashi D., Kotake T. Plant Type II Arabinogalactan: Structural Features and Modification to Increase Functionality. Carbohydrate Research, 2023, vol. 529, art. no. 108828. https://doi.org/10.1016/j.carres.2023.108828
Ito K., Fukuoka K., Nishigaki N., Hara K., Yoshimi Y., Kuki H., Takahashi D., Tsumuraya Y., Kotake T. Structural Features Conserved in Subclass of Type II Arabinogalactan. Plant Biotechnology, 2020, vol. 37, iss. 4, pp. 459–463. https://doi.org/10.5511/plantbiotechnology.20.0721a
Kalenborn S., Zühlke D., Harder J. Proteomic Insight into Arabinogalactan Utilization by Particle-Associated Maribacter sp. MAR_2009_72. FEMS Microbiology Ecology, 2024, vol. 100, iss. 5, art. no. fiae045. https://doi.org/10.1093/femsec/fiae045
Leszczuk A., Kalaitzis P., Zdunek A. Review: Structure and Modifications of Arabinogalactan Proteins (AGPs). BMC Plant Biology, 2023, vol. 23, art. no. 45. https://doi.org/10.1186/s12870-023-04066-5
Li N., Yang F., Su J., Shi S., Ordaz-Ortiz J.J., Cheng X., Xiong S., Xu Y., Wu J., Wang H., Wang S. Structure Characterization of an Arabinogalactan from Cynanchum atratum and its Immune Stimulatory Activity on RAW264.7 Cells. International Journal of Biological Macromoleclules, 2022, vol. 194, pp. 163–171. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.11.172
Liu Z., Zhao C., Deng Y., Huang Y., Liu B. Characterization of a Thermostable Recombinant β-Galactosidase from a Thermophilic Anaerobic Bacterial Consortium YTY-70. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2015, vol. 29, iss. 3, pp. 547–554. https://dx.doi.org/10.1080/13102818.2015.1015244
Malyar Yu.N., Borovkova V.S., Kazachenko A.S., Fetisova O.Yu., Skripnikov A.M., Sychev V.V., Taran O.P. Preparation and Characterization of Di- and Tricarboxylic Acids-Modified Arabinogalactan Plasticized Composite Films. Polymers, 2023, vol. 15, no. 9, art. no. 1999. https://doi.org/10.3390/polym15091999
Pokatilov F.A., Akamova H.V., Kizhnyaev V.N. Synthesis and Properties of Tetrazole-Containing Polyelectrolytes Based on Chitosan, Starch, and Arabinogalactan. E-Polymers, 2022, vol. 22, iss. 1, pp. 203–213. https://doi.org/10.1515/epoly-2022-0026
Qi H., Tang S., Bian B., Lai C., Chen Y., Ling Z., Yong Q. Effect of H₂O₂-VC Degradation on Structural Characteristics and Immunomodulatory Activity of Larch Arabinogalactan. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2024, vol. 12, art. no. 1461343. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1461343
Ruiz-Ramírez S., Jiménez-Flores R. Invited Review: Properties of β-Galactosidases Derived from Lactobacillaceae Species and Their Capacity for Galacto-Oligosaccharide Production. Journal of Dairy Science, 2023, vol. 106, iss. 12, pp. 8193–8206. https://doi.org/10.3168/jds.2023-23392
Saito K., Hasa Y., Abe H. Production of Lactic Acid from Xylose and Wheat Straw by Rhizopus oryzae. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2012, vol. 114, pp. 166–169. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2012.03.007
Sasaki Y., Yanagita M., Hashiguchi M., Horigome A., Xiao J.-Z., Odamaki T., Kitahara K., Fujita K. Assimilation of Arabinogalactan Side Chains with Novel 3-O-β-L-Arabinopyranosyl-α-L-Arabinofuranosidase in Bifidobacterium pseudocatenulatum. Microbiome Research Reports, 2023, vol. 2, art. no. 12. https://doi.org/10.20517/mrr.2023.08
Srivastava N., Rathour R., Jha S., Pandey K., Srivastava M., Thakur V.K., Sengar R.S., Gupta V.K., Mazumder P.B., Khan A.F., Mishra P.K. Microbial Beta Glucosidase Enzymes: Recent Advances in Biomass Conversation for Biofuels Application. Biomolecules, 2019, vol. 9, no. 6, art. no. 220. https://doi.org/10.3390/biom9060220
Tang S., Jiang M., Huang C., Lai C., Fan Y., Yong Q. Characterization of Arabinogalactans from Larix principis-rupprechtii and Their Effects on NO Production by Macrophages. Carbohydrate Polymers, 2018, vol. 200, pp. 408–415. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.08.027
Volford B., Varga M., Szekeres A., Kotogán A., Nagy G., Vágvölgyi C., Papp T., Takó M. β-Galactosidase-Producing Isolates in Mucoromycota: Screening, Enzyme Production, and Applications for Functional Oligosaccharide Synthesis. Journal of Fungi, 2021, vol. 7, no. 3, art. no. 229. https://doi.org/10.3390/jof7030229
Zvereva M.V., Zhmurova A.V. Synthesis, Structure, and Spectral Properties of ZnTe-Containing Nanocomposites Based on Arabinogalactan. Russian Journal of General Chemistry, 2022, vol. 92, pp. 1995–2004. https://doi.org/10.1134/S1070363222100139
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
