Использование ферментов в целлюлозно-бумажной промышленности
Ферменты |
ВВЕДЕНИЕ. Целлюлоза – ценный материал, который |
ры белого плесневого гриба Ophiostoma piliferum и |
получают из древесины в результате удаления поли- |
инкубируют в течение нескольких недель. Технология |
|
|
оз и лигнина. Продукты переработки целлюлозы ис- |
была отработана в масштабе около 100 тонн; в ре- |
|
пользуются в целлюлозно-бумажной и химической |
зультате крафт-процесс происходил со значительно |
|
промышленности. В 2004 г. в мире было произведе- |
большей эффективностью и качество продукта за- |
|
но около 160 млн тонн целлюлозы и 330 млн тонн |
метно повышалось по сравнению с традиционными |
|
бумаги и картона, из них более половины – в северо- |
методами. |
|
американских странах на 1 тонну бумаги расходуется |
ФЕРМЕНТЫ ДЛЯ ОТБЕЛИВАНИЯ БУМАГИ. Получен- |
|
3,3 тонн древесины и 0,4 тонны нефти; сточные во- |
ная в результате крафт-процесса или сульфитной об- |
|
ды предприятий целлюлозно-бумажной промышлен- |
работки целлюлозная масса легко поддается обра- |
|
ности очень загрязнены: при производстве 1 тонны |
ботке ферментами. Отбеливание массы с помощью |
|
целлюлозы в сточные воды попадает 1 кг AOX и |
ClO2 позволяет избавиться от нежелательных крася- |
|
55 кг ХПК. Таким образом, современное целлюлоз- |
щих компонентов. Предварительная обработка цел- |
|
но-бумажное производство характеризуется высоки- |
люлозной массы ксиланазами значительно повыша- |
|
ми затратами энергии и сырья и загрязняет окружаю- |
ет эффективнсть отбеливания: при этом снижается |
|
щую среду. Поэтому ведется активная работа по |
расход химикатов и улучшается качество отбелива- |
|
поиску новых технологий в этой области. Свойства |
ния. В 1992 г. в странах Северной Европы в эксплу- |
|
конечного продукта – целлюлозы или бумаги – зави- |
атацию были введены 10 целлюлозно-бумажных |
|
сят от вида древесины, используемой в качестве сы- |
комбинатов, на которых бумажная масса перед отбе- |
|
рья, и способа переработки. Эвкалипт и тополь отно- |
ливанием подвергалась обработке ксиланазами. Об- |
|
сятся к твердым сортам древесины, они очень |
щий объем производства составил около 1000 т/сут. |
|
быстро растут, однако эта древесина плохо поддает- |
Данный метод позволил сократить расход ClO2 на |
|
ся обработке. Мягкая древесина (береза, сосна, ель) |
5 кг/т массы. Цена фермента составила ~2 долл. |
|
построена из более длинных волокон: она хорошо |
США/т целлюлозы и заметной экономической прибы- |
|
поддается обработке, однако годовой прирост этих |
ли применение фермента не принесло, однако уро- |
|
деревьев невелик. По сравнению с твердыми сорта- |
вень загрязнения сточных вод снизился примерно на |
|
ми мягкая древесина содержит меньше полиоз |
треть. Среди множества изученных ксиланаз чаще |
|
(14–17%), но больше лигнина (26–32%). Одной из |
используются ферменты из Clostridium thermocellum |
|
задач современных биотехнологических разработок в |
и Streptomyces roseiscleroticus, а также рекомби- |
|
области целлюлозно-бумажного производства явля- |
нантный белок, ген которого выделен из термофиль- |
|
ется снижение содержания лигнина в мягкой древе- |
ного микроорганизма Thermotoga maritima и клони- |
|
сине путем введения чужеродных генов или с помо- |
рован в клетках Escherichia coli. Температурный |
|
щью культур растительных клеток. |
оптимум для этого фермента составляет около |
|
ПРОИЗВОДСТВО ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МАССЫ. Целлюлоз- |
95 °С. В настоящее время существуют коммерческие |
|
ную массу получают механическим, термомеханиче- |
препараты ферментов из Trichoderma longibrachiatum |
|
ским или химическим способом после валки леса, |
и T. reesei. |
|
окорки и размельчения в древесную стружку. Чаще |
КОНТРОЛЬ СМОЛООБРАЗОВАНИЯ. Некоторые сорта |
|
всего используется химический способ, когда в усло- |
древесины, например сосна, содержат повышенное |
|
виях высокого давления при 170 °С лигнин деполи- |
количество триглицеринов, которые в жестких усло- |
|
меризуется под действием Na2S/NaOH. Этим мето- |
виях получения целлюлозной массы вызывают осмо- |
|
дом, получившим название крафт-процесса, в мире |
ление. Использование липаз, выделенных из микро- |
|
производится более 80% всей целлюлозы. Другой |
организмов, позволяет бороться с этой проблемой. |
|
метод – сульфитный, когда древесная стружка обра- |
Кроме того, при отбеливании обработанной липазами |
|
батывается избытком SO2. В основе новейших техно- |
массы уменьшается образование хлорсодержащих |
|
логий ферментативной деградации лигнина для про- |
производных триглицеринов. |
|
изводства целлюлозы и бумаги лежат естественные |
УДАЛЕНИЕ ТИПОГРАФСКОЙ КРАСКИ. На одном из |
|
процессы гниения. |
этапов переработки бумажной макулатуры необходи- |
|
ПРОЦЕССЫ ГНИЕНИЯ. В настоящее время ведутся ис- |
мо удалить со старой бумаги печатную типографскую |
|
следования возможностей использования микроор- |
краску. Эту операцию значительно облегчает обра- |
|
ганизмов, разрушающих лигнин, прежде всего, |
ботка смесью ферментов, содержащей целлюлазы, |
|
белых плесневых грибов для первичной обработки |
ксиланазы и липазы. |
|
древесины. Примером может служить процесс |
|
94 |
Cartapip®, разработанный фирмой Clariant Со. Для |
|
деградации лигнина в древесные стружки вносят спо- |
|
Использование ферментов в целлюлозно-бумажной промышленности
|
|
Измельчение |
|
|
|
|
Отбеливание |
|
|
|
Добавки |
|
|||
Древесная стружка |
Целлюлозная масса |
|
|
|
Целлюлоза |
Бумага |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод |
|
Условия |
|
Химический |
Особенности |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
процесс |
|
|
|
|
|
|||
Сульфатирование |
|
Na2S, NaOH, 2 ч, |
Разрушение лигнина |
Так получают около 80% |
|
||||||||||
(крафт-процесс) |
|
~ 170 °С, рН 13–14 |
под действием HS– |
целлюлозной массы; в жестких |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
условиях происходит частичное |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разрушение целлюлозы и полиоз |
||||
Сульфирование |
|
SO |
, HSO –, SO 2–, Ca2+, |
Разрушение лигнина |
По сравнению с крафт-процесс- |
||||||||||
|
2 |
3 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mg2+, Na+, NH4+, |
в результате |
сом – меньшая степень |
|
||||||||||
|
|
рН 13–14, 1–4 ч, |
сульфирования |
деградации лигнина |
|
||||||||||
|
|
125–180 °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Отбеливание хлором |
|
Сl2, OCl–, ClO2 |
|
Разрушение лигнина |
Образование вредных |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
и пигментов в результате |
для природной среды |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
хлорирования |
хлорсодержащих продуктов |
|||||||
Отбеливание |
|
|
|
|
|
|
Разрушение лигнина |
|
|
|
|
|
|||
с использованием |
|
|
|
|
|
|
и пигментов в результате |
|
|
|
|
|
|||
O2–, H2O2– |
|
|
|
|
|
|
перокисления |
|
|
|
|
|
|||
Разложение лигнина |
Валка |
Валка |
Питательные |
|
||
|
|
|
||||
|
|
вещества, |
|
|||
Древесные стружки |
|
деревьев, |
деревьев, |
Древесные стружки |
||
Напыление |
инокулят |
|||||
|
очистка |
очистка |
|
|||
|
|
от коры, |
от коры, |
|
|
|
|
|
распил |
распил |
|
|
|
|
|
|
|
Движущаяся |
|
|
|
|
|
|
лента |
|
|
Проветривание |
Разложение |
|
|
Разложение в реакторе |
||
|
на открытом грунте |
|
с неподвижным слоем |
|||
Перемешивание |
|
Обработка |
|
|
||
Размягченные |
|
отходящего |
|
|
||
|
газа |
|
|
|||
стружки |
Био- |
|
|
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
реактор |
|
|
|
|
Механическое измельчение, отбеливание |
Стерильный |
|
|
|||
влажный воздух |
|
|
||||
Ферментативное разложение ксилана и осветление целлюлозной массы |
|
|||||
Ксилан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ксилан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
твердых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мягких |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
пород |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пород |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
деревьев |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
деревьев |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
К ксиланазам относятся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
β-ксиланаза |
β-глюкуронидаза |
|
|
α-арабинозидаза |
|
|
Эстераза |
β-ксилозидаза |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
xyl = ксилоза, ara = арабиноза, MeGlcA = 4-О-метил-D-глюкуроновая кислота, Ac = ацетил |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышение эффективности отбеливания |
|
|
|||||||||||||||||||
|
Производство бумаги и картона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в результате предварительного гидролиза |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
США/Канада |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
128 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидролизаскоростиСнижение |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Все другие страны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
|
|
|
|
|
Отбеливание |
Оптимальная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
область |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Китай |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отбеливание |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
Япония |
|
|
|
|
|
|
|
|
39 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Финляндия/Швеция |
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Германия |
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гидролиз |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
Франция |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
20 |
|
|
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Объем производства, млн т (2004) |
|
|
|
|
|
Добавление смеси ферментов |
|
95 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ферменты |
Пектиназы |
разрушают пектин и тем самым обеспечивают текс- |
|
|
ВВЕДЕНИЕ. Пектиназы – группа ферментов, которые |
|
туру и вкусовые качества фруктов и овощей при их |
|
созревании. Пектиназы нашли применение при пере- |
|
работке овощей и фруктов; объем мирового произ- |
|
водства пектиназ составляет ~1000 т в год. |
|
ПЕКТИНЫ – кислые полисахариды с молекулярной |
|
массой 30 000–300 000. Основной структурной |
|
единицей пектина являются молекулы метил-D-га- |
|
лактуроновой кислоты, соединенные между собой |
|
δ-1,4-связью. Боковые цепи разнообразны по со- |
|
ставу: они могут содержать D-арабинозу, D-ксилозу |
|
или D-галактозу. Высокомолекулярные пектины, со- |
|
держащие много эфирных связей, формируют |
|
в растительных клетках первичную клеточную стен- |
|
ку, поэтому их называют «клеточным цементом». |
|
При гидролизе эфирных связей и деполимеризации |
|
образуются короткие цепи пектина, несущие отри- |
|
цательный заряд. При взаимодействии с ионами |
|
кальция эти цепи формируют гелеобразную структу- |
|
ру, в результате чего происходит размягчение рас- |
|
тительной ткани. Этот процесс лежит в основе со- |
|
зревания овощей и фруктов. В промышленности |
|
гидролиз пектина используется при получении фру- |
|
ктовых и овощных пюре и соков. |
|
ПЕКТИНАЗЫ. К пектиназам относятся следующие |
|
ферменты: |
|
1. Эндополигалактуроназы (КФ 3.2.1.15) |
|
2. Экзополигалактуроназы (КФ 3.2.1.67) |
|
3. Пектатлиаза (КФ 4.2.2.2) |
|
4. Экзопектатлиаза (КФ 4.2.2.9) |
|
5. Пектинлиаза (КФ 4.2.2.10) |
|
6. Пектинэстераза (КФ 3.1.1.11) |
|
Для промышленной переработки овощей и фруктов |
|
применяют препарат, содержащий несколько фер- |
|
ментов. Соотношение между количествами фермен- |
|
тов в этой смеси определяет свойства конечного про- |
|
дукта. |
|
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПЕКТИНАЗ. Все пекти- |
|
новые ферменты, используемые в пищевой промыш- |
|
ленности, получают из непатогенных штаммов плес- |
|
невых грибов (Aspergillus, Rhizopus). Большинство |
|
ферментов синтезируются в поверхностных культу- |
|
рах Aspergillus или Rhizopus, при этом в качестве пи- |
|
тательной среды чаще всего служат пшеничные отру- |
|
би. Уже через 100 ч культивирования при высокой |
|
влажности в питательной среде обнаруживается зна- |
|
чительная ферментативная активность. Для выделе- |
|
ния фермента применяют экстракцию и ультрацент- |
|
рифугирование. После стерилизации и добавления |
|
стабилизаторов (глицерин, сорбит) препарат готов к |
|
использованию. В продажу ферменты поступают в |
96 |
жидком или высушенном виде, а также в виде грану- |
лята. Препараты пектиназ содержат несколько фер- |
ментов, поэтому стандартизация пектиназной и других активностей (целлюлазной, гемицеллюлазной, гликозидазной и др.) крайне затруднена. С использованием штаммов, оптимизированных методами генетической инженерии, становится возможным получение вполне определенных ферментов. Отметим, что борьба потребителей против применения генных технологий при производстве продуктов питания затрудняет проведение разработок в этой области.
ПРИМЕНЕНИЕ. Основные области применения пектиназ: a) размягчение овощей и фруктов; б) переработка плодово-ягодной мезги в соки (яблочный, ягодный) или изготовление вин; пектиназы в этом случае используются для снижения вязкости соков; в) обработка плодов цитрусовых – для предотвращения желирования; г) обработка вина для повышения прозрачности и стабильности. Пример практического использования пектиназ – производство фруктовых и овощных пюре для детского питания и соков с мякотью. За счет добавления пектиназ удается на 5–10% повысить выход сока и значительно облегчить фильтрование.
ЦЕЛЛЮЛАЗЫ И ГЕМИЦЕЛЛЮЛАЗЫ применяются при получении крахмала из кукурузы, экстракции кофе и чая, а также для переработки овощей и фруктов.
Впивоварении добавление глюканаз бактерий или грибов повышает эффективность затирания солода.
ВГермании, однако, использование ферментов, так же как и любых других добавок при производстве пива, запрещено.
Пектин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пектинэстераза |
|
|
|
|
|
|
|
Пектинлиаза* |
|
|
|
|
|
|
|
Пектатлиаза*/поли- |
||
|
|
|
|
|
галактуроназа |
|
|
|
|
|
|
* Образуется |
|
|
|
|
|
|
|
сахароангидрид |
|
||
Производство соков (например, виноградного, черносмородинового или яблочного) |
|
|
|||||
Ягоды |
|
|
|
|
|
|
|
Очистка (водой), освобождение |
|
|
|
|
|
|
|
от плодоножек, косточек, измельчение, |
|
|
|
Контроль |
|
|
|
получение жома |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Мезга |
|
вина |
|
|
|
|
|
Добавление пектиназ, иногда |
|
Мутность |
|
|
|
|
|
c целлюлазами и гемицеллюлазами |
|
|
Пектиназы из |
|
|
||
(30 мин, 30 °С), отжим, декантация, |
|
|
Aspergillus niger |
|
|
||
протирание |
|
|
|
(50 г/1000 л вина) |
|
|
|
Соки с мякотью |
|
|
|
|
|
|
|
Пастеризация или обработка пектиназами, |
Пектиназы из |
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
фильтрация через мембраны |
Aspergillus niger |
|
|
Время, ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Переработка моркови |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пектиназы из Aspergillus niger |
|
Пектиназы и С1-целлюлазы из Aspergillus niger |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мытье и сортировка |
Измель- |
Кратковременное |
Резервуары для размягчения |
|||||||||
корнеплодов |
чение |
прогревание |
|
|
||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пар
|
|
|
|
|
Морковное |
|
|
|
|
|
пюре |
|
|
|
|
|
Морковный |
|
|
|
|
|
сок |
Протирочная машина |
Гомогенизатор |
Деаэратор |
Пастеризатор |
||
Концентрат яблочного сока |
|
|
|
|
|
Сок |
|
|
|
100 |
Морковное |
первичного |
|
Арома- |
|
|
пюре |
отжима |
95–100°С |
% |
|
||
|
|
||||
|
тизаторы |
вязкость, |
80 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Относительная |
|
Морковный |
|
|
|
40 |
сок |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
20 |
|
Тонкий фильтр |
Грубый фильтр |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Резервуары с ферментами: пектиназы и α-амилазы |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
|
|
|
|
|
|
Резервуары для осветления сока: желатин, бентонит |
|
Время реакции, мин |
|
97 |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|