12.1.1. Методы выделения пв с преимущественным содержанием целлюлозы

Целлюлоза в растениях очень редко находится в свободном со­стоянии, ей, как правило, сопутствуют гемицеллюлозы и лигнин. Если гемицеллюлозы достаточно быстро гидролизуются и целлю­лозу легко освободить от них, то удалить лигнин очень трудно.

Природную целлюлозу можно разделить на два типа: лигноцеллюлозу (древесина, кустарники, листья и трава, морские и речные макро- и микроводоросли и т. д.) и чистую целлюлозу (хлопок, его отходы и лен).

Удаление лигнина очень важный шаг в получении пищевых во­локон целлюлозы. Состав природных целлюлозосодержащих ма­териалов (ЦСМ) представлен в таблице 12.1. Данные, приведен­ные в таблице, свидетельствуют о том, что лигнин присутствует почти во всех растительных материалах, исключение составляет только природой обработанный материал — верховой торф.

Методы делигнификации ЦСМ разделяют на химические и биологические. Предобработка ЦСМ осуществляется физически­ми и механическими методами.

К физическим методам предобработки относятся различные виды облучения и другие способы:

• облучения γ-лучами или потоком электронов;

• обработка микроволновым излучением (2400—2500 мГц);

• нагревание на воздухе или в атмосфере СО₂ (100 °С), в воде или в керосине, охлаждение, воздействие повышенного или пони­женного давления, действие ультразвука.

Эти методы вызывают частичную деградацию сложной струк­туры целлюлозы и лигнина, особенно кристаллической.

К механическим методам предобработки отно­сят различные способы измельчения сухих и влажных ЦСМ:

• на шаровых, коллоидных и вибромельницах;

• в дезинтеграторах;

• на дробилках;

• на вальцах.

Химическая делигнификация ЦСМ осуществляется кипячением или автоклавированием в течение 30—60 мин в раз­бавленных растворах щелочи (1—2 %), обычно NaOH или NH₄OH, а также обработкой перегретым водяным паром. Делигнификация может быть проведена сульфатной и сульфитной варкой (способ, принятый в целлюлозно-бумажной промышленности), а кроме того, раствором аммиака, смешанным с пероксидом водорода или надуксусной кислотой или со смесью 99,9%-го уксусного ангид­рида и 30%-го пероксида водорода (1:1 при 80 °С), водными рас­творами этанола или бутанола. Делигнификация этанолом осуще­ствляется при рН 8,2, температуре 150 °С и избыточном давлении 0,5 МПа; бутанолом — в смеси с водой (1:1) в присутствии не­больших добавок (до 0,3 %) НС1, NH₃, NaOH или Na₂CO₃, про­цесс осуществляется в течение 1 ч при 170 °С. В качестве катали­заторов используют H₂SO₄, FeCl₃, NH₄H₂PO₄, антрахинон (при 165 °С, 3 мин), бензол, нитробензол, толуол, фенол, уксусную кис­лоту (при 120 °С, 2 ч). Возможна делигнификация ЦСМ этиленгликолем, озоном.

У нас в стране осуществлена предобработка целлюлозы мето­дом взрывной дефибрации ЦСМ по декомпрессионному принци­пу или паровым взрывом. ЦСМ подвергают кратковременному воздействию перегретого пара под высоким давлением (несколько секунд, 240...300 °С, 3,5—7,5 МПа) в присутствии или отсутствии SO₂, далее давление сбрасывают, что вызывает взрыв ЦСМ. Лиг­нин плавится, целлюлоза частично деградирует, а гемицеллюлозы гидролизуются.

К биологическим методам предобработки ЦСМ относят использование лигнолитических микроорганизмов, спо­собных утилизировать лигнин из лигнинцеллюлозы в качестве источника углерода или ферментов, синтезируемых этими микро­организмами. Такие микроорганизмы встречаются среди грибов, актиномицетов, бактерий, дрожжей. Но биологические методы пока недостаточно изучены. Пока они очень длительны (сутки и даже месяцы), но относительно эффективны, поскольку увеличи­вают реакционную способность ЦСМ в несколько раз.

Ферментативная деградация лигнина перспективна и эффек­тивна при переработке древесного растительного сырья, а получа­емые отходы можно использовать для получения кормового белка и сырья для химической промышленности. Однако пока еще не найдены активные продуценты лигнинразрушающих ферментов, хотя исследования в данном направлении ведутся уже более 50 лет. В 50-е годы XX в. было показано, что разложение целлюлозы и лиг­нина древесины осуществляют базидиальные грибы, которые обра­зуют на поверхности гниющего дерева красно-коричневую (бурую) и белую гниль. Возбудители бурой гнили (Brown-rot fungi) активно гидролизуют целлюлозу, гемицеллюлозные комплексы и лишь не­значительно воздействуют на лигнин, т. е. вызывают реакцию деметилирования лигнина. В то же время возбудители белой гнили (White-rot fungi) разрушают древесину, превращая ее в белую массу. Они действуют в первую очередь на лигнин и почти не затрагива­ют целлюлозу. К таким грибам можно отнести следующие виды: Pofyporus versicolor, Pleurotus ostreatus, Poria subacida. Разложение этими грибами лигнина идет окислительным путем, который включает деметилирование, образование дифенолов под действи­ем диоксигеназ. Однако эти и другие грибы вызывают медленное гниение древесины и не используются для практических целей.

В 70—80-е годы было показано, что разрушать лигнин способ­ны также аскомицеты (Ascomycetes: Penicillium, Aspergillus), несо­вершенные грибы (Fusarium, Alternaria), а также актиномицеты ро­дов Streptomyces и Thermomonospora, бактерии родов Achromobacter, Agrobacterium, Pseudomonas.

Необходимо отметить, что состав лигнина разных пород де­ревьев неодинаков: лигнин хвойных пород имеет мономером конифериловый спирт; лиственных пород — конифериловый и синаповый спирты, а травянистых растений — конифериловый и паракумаровый, или n-оксикоричный, спирты:

Фенилпропаноидные единицы в молекуле лигнина различ­ным образом соединены между собой при помощи эфирных и С—С-связей, которые очень устойчивы к воздействию фермен­тов. Лигнин содержит значительное количество функциональных групп, но в связи с большими сложностями извлечения его из дре­весины в нативном виде четких представлений о его строении пока нет.

Жесткая аморфная нестереорегулярная структура лигнина от­личается неупорядоченной полимеризацией радикалов, образо­ванных растительными пероксидами из мономеров-предшествен­ников — кумарового, синапового и кониферилового спирта.

Насчитывают не менее десяти типов связей между фенилпро-пановыми структурными единицами лигнина. Наиболее часто встречаются β-О-4- и С—С-связи типа β-1. В лигнине много метильных, метокси- и гидроксильных групп. Лигнины различного происхождения отличаются главным образом мономерами и соот­ношением этих мономеров в составе того или другого лигнина.

Деградация лигнина — сложный, трудноконтролируемый про­цесс. В нем участвует ряд окислительных ферментов, таких, как лигниназа, фенолоксидазы (лакказа, тирозиназа), пероксидаза и др. Очень важно в этом процессе и соотношение этих ферментов в ре­акционной среде.

Технологические особенности микробной деградации лигнинсодержащего сырья пока еще полностью не изучены, поскольку нигде не получают лигниназных препаратов для последующего использования при обработке лигнина. Поэтому сейчас стоит за­дача поиска природных микробных продуцентов лигнинразруша-ющих ферментов и разработки условий их культивирования для последующего получения технических препаратов и их апробации на различных вариантах лигнинсодержащего сырья.

Изучение биохимического состава различных представителей нетрадиционного для пищевой промышленности растительного сырья, а именно: образцов березовых и сосновых опилок, листьев березы и соломы хлебных злаков, проведенное в МГУПП, показа­ло, что сосновые опилки наиболее богаты целлюлозой, которая составляет в них в среднем 51 %, тогда как в остальных видах ис­следованного сырья содержание целлюлозы меньше и варьирует в пределах 32—43 % в зависимости от вида растительного сырья.

Выделенная из них и очищенная целлюлоза может быть ис­пользована в виде пищевой добавки, способной снижать калорий­ность пищи, быть диспергатором, улучшать товарный вид и каче­ство пищевых продуктов.

С целью поиска активного продуцента лигнинразрушающих фер­ментов, способного быстро трансформировать биополимеры расти­тельного сырья, было испытано более 100 культур микроорганизмов: грибов, относящихся к родам Aspergillus, Penicilliwn, Trichoderma, Fusariwn, Mucor, Rhizopus, Oospora, а также бактерий родов Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Micrococcus, дрожжей родов Candida, Endomycopsis, Trichosporon и актиномицетов рода Streptomyces. На основа­нии проведенного скрининга микроорганизмов был выбран штамм Streptomyces mersei C-24, способный утилизировать лигнин на 73,9 % в условиях глубинной ферментации на питательной среде следующего состава, %: сосновые опилки — 10, NH₄NO₃ — 1,5, КН₂РО₄ — 0,5, MgSO4 • 7H2O — 0,01, кукурузный экстракт — 2, глюкоза — 1.

Из культуральной жидкости S.mersei С-24 путем осаждения белка этанолом при соотношении культуральная жидкость: эта­нол 1:3, отделения осадка фильтрацией и сушкой под вакуумом при температуре 40...50°С был получен ферментный препарат лигниназы, обладающий гемицеллюлазной, лактазной и пероксидазной активностями.

Выделенный ферментный препарат использовали для получе­ния концентрата пищевых волокон с повышенным содержанием целлюлозы (КПВЦ) из сосновых опилок по разработанной тех­нологической схеме, представленной на рисунке 12.3. Обработка растительного сырья ферментным препаратом позволила полу­чить КПВЦ следующего состава, %: целлюлоза — 87, гемицеллюлоза — 11, лигнин — 2.

Исследования функциональных свойств полученного КПВЦ показали, что он может быть использован при производстве функ­циональных пищевых продуктов, в частности хлебобулочных изделий.