9.3. Твердофазная ферментация растительного сырья

Твердофазная ферментация – процесс, протекающий не в водной среде, а в массе измельченного влажного сырья.

В странах Дальнего Востока и Индокитая процессы этого типа используются для приготовления национальных блюд на основе соевых бобов или смесей соевых бобов с пшеницей или рисом. Сначала проводят аэробную ферментацию бобов грибами рода Aspergillus, затем сбраживают продукты ферментации в анаэробных условиях дрожжевыми или бактериальными культурами. Другой пример – производство ферментного препарата кодзи, который применяется японцами в тех же целях, что и солод европейцами. Он представляет собой выращенную на отварном рисе или другом зерне культуру грибов Aspergillus orysae.

К настоящему времени твердофазная ферментация нашла применение в следующих процессах переработки отходов растительного сырья:

– получении ферментов;

– обогащении лигноцеллюлозного сырья белком одноклеточных;

– силосовании;

– компостировании.

К достоинствам таких процессов следует отнести невысокие энергетические затраты, а также то, что твердофазная ферментация может функционировать как технология малого масштаба, ориентированная на местное сырье.

9.3.1. Получение ферментов

Твердофазной ферментацией получают ферментные препараты в том случае, если продуцентами являются грибы. Основными продуцентами амилолитических ферментов являются грибы родов Aspergillus, Rhizopus: Asp. orysae, Asp. awamori, Asp. batatae, Rh. delemar, Rh. niveus; протеолитических – грибы родов Aspergillus, Penicillium: Asp. flavus, Asp. orysae, Asp. niger, Asp. awamori, Asp. terricola, P. chrysogenum; пектолитических – грибы рода Aspergillus: Asp. awamori, Asp. niger, Asp. terreus, Asp. foetidus; целлюлолитических – грибы родов Trichoderma, Penicillium: Tr. viride, Tr. roseum, P. notatum. Природные штаммы грибов синтезируют комплекс ферментов, мутанты – как правило, преимущественно один.

Большинство ферментов микроорганизмов индуцибельны, т. е. требуют для своего синтеза присутствия в среде индукторов. Часто индуктором является субстрат, на который действует данный фермент. Для синтеза ферментов, расщепляющих крахмал, в качестве питательной среды используют пшеничные отруби, соевую муку; для синтеза пектиназ – свекловичный жом; целлюлаз – солому, опилки, отруби; протеиназ – биошроты масличного сырья.

Твердофазную ферментацию проводят при влажности сырья 55–65%, температуре 35–38С, значении рН среды 4–5. Расход воздуха на аэрацию рассчитывают на отвод биологического тепла. Культивирование ведут до образования конидий, так как на этой стадии резко снижается продукция ферментов.

Из полученной поверхностной культуры ферменты экстрагируют водой. Экстракт, содержащий 6–12% сухих веществ, упаривают под вакуумом и проводят осаждение ферментов солями или органическими растворителями. Далее в зависимости от требуемой чистоты препарата проводят кристаллизацию, удаление примесей.

9.3.2. Обогащение растительного сырья белком одноклеточных

Выше отмечалось, что структура лигноцеллюлозного комплекса устойчива к ферментативному воздействию и в природе не существует микроорганизмов, способных быстро и эффективно разрушать эту структуру.

Вместе с тем данный процесс широко распространен в окружающей среде, следовательно, могут быть подобраны микроорганизмы и определены условия эффективного обогащения лигноцеллюлозного сырья белком одноклеточных. В зависимости от свойств сырья и вида микроорганизмов в сырье остается неиспользованным различное количество лигнина, целлюлозы и гемицеллюлоз. Однако эти остатки либо могут сами потребляться животными как компоненты кормов, либо не оказывают негативного влияния на организм животного. Таким образом, готовый кормовой препарат представляет собой смесь неиспользованного растительного сырья и биомассы микроорганизмов.

Отбор продуцентов ведут по выходу белка от использованного субстрата, его аминокислотному составу, содержанию витаминов, нуклеиновых кислот, усвояемости белка в желудочно-кишечном тракте сельскохозяйственных животных. При этом учитывается, что эффективность конверсии лигноцеллюлозного комплекса выше при применении ассоциаций микроорганизмов, чем отдельных культур. Так, наибольшей целлюлолитической активностью обладают мицелиальные грибы родов Trichoderma и Chaetomium: T. viride, T. lignorum; C. celluloluticum, синтезирующие на термообработанной соломе до 12% белка. При выращивании их совместно с дрожжами Candida lipolytica или Endomycopsis fibuligera содержание белка увеличивается с 12 до 18%.

Шведская сахарная корпорация разработала процесс «Симба», в котором на крахмало- и целлюлозосодержащих субстратах выращивают совместно дрожжи Candida utilis как активный продуцент белка и Endomycopsis fibuligera, синтезирующий гидролитические ферменты. Последний имеет низкую скорость роста, и в конечном продукте преобладают дрожжи Candida utilis.

Крахмалсодержащие отходы являются наиболее пригодными для обогащения белком одноклеточных по следующим причинам:

1) они не требуют предварительной обработки;

2) на таких отходах растут не только грибы, но и более распространенные в производстве кормовых добавок дрожжевые микроорганизмы;

3) скорость роста микроорганизмов выше, причем они развиваются не только на поверхности сырья, но и внутри гранул крахмала;

4) неиспользованный микроорганизмами крахмал сам доступен для усвоения животными.

Содержание белка в отходах переработки картофеля после их ферментации достигает 18–20%.

Таким образом, на современном этапе может быть организовано обогащение белком одноклеточных путем твердофазной ферментации таких отходов, как отруби разных видов зерна, картофельная мезга, свекловичный жом, верховой торф.

Применение таких процессов сдерживается рядом обстоятельств:

– рассредоточенностью сырья и проблемой его хранения для обеспечения бесперебойной работы дрожжерастильных установок;

– сложностью получения и поддержания культуры микроорганизмов (требуются специалисты биотехнологи);

– непостоянным составом сырья, что усложняет технологию и препятствует получению гарантированных показателей (выход и состав продукта);

– высокой себестоимостью продукта.