Траметес разноцветный на службе циркулярной экономики. Часть 3. Области применения

траметес 3 1

Пищевая промышленность

Сегодня проводится множество исследований применения ферментов Trametes versicolor (траметеса разноцветного) в области продуктов питания. Ферментация их компонентов может привести к значительному улучшению функциональных характеристик. Ферменты траметеса — лакказа, пероксидаза и тирозиназа, способны катализировать окисление белков, полисахаридов и полифенолов и обладают хорошим потенциалом для создания пищевых коллоидов [1].

Кроме этого, T. versicolor содержит различные биологически активные вещества: полисахариды, стерины, фенолы и тритерпеноиды. Они обладают антирадикальной, антиоксидантной, антибактериальной активностью и ингибируют (подавляют) ацетилхолинэстеразу — важное свойство с точки зрения неврологии. Все это открывает возможности использования гриба в пищевой промышленности в виде биомассы или экстрактов.

Еще один аспект применения в этой области траметеса разноцветного — получение ценных полифенолов для продуктов питания. Некоторые виды лигноцеллюлозной биомассы богаты «хорошими» фенольными соединениями, такими как эллаговая кислота, галловая кислота, кофейная кислота, пирокатехол, катехин, феруловая кислота и другие. Но традиционные способы их извлечения, как правило, не отвечают требованиям пищевой промышленности. Твердофазная ферментация или ферментативная обработка траметесом, может стать «чистой» альтернативой технологий производства полифенолов из субстратов, богатых фенолом [2].

Кормопроизводство

В животноводстве лигноцеллюлозные биомассы часто используются как полноценный корм или как добавки в кормовой смеси. Затраты на корма составляют 60-70% от всех затрат в животноводстве. Причем 25% кормов переходят в отходы, поскольку не перевариваются скотом. Плохое усвоение корма приводит к выделению животными большого количества паров метана (в результате отрыжки и газоиспускания). По этой причине животноводство рассматривают в качестве одного из основных источников выбросов метана — фактора глобального потепления. Помимо этого, неполное переваривание кормов отражается на составе и объемах сточных вод и навоза в животноводстве, что также вызывает серьезные экологические проблемы.

В ходе многочисленных экспериментов выяснилось, что различные виды фуража, ферментированного Trametes versicolor, обладают более высокой питательной ценностью и лучше усваиваются крупным рогатым скотом. В настоящее время активно разрабатываются стратегии питания крупного рогатого скота, включающие соответствующую рецептуру и надлежащее использование ферментированных добавок [3].

Очищение воды

траметес 3 2
Источник: Adobe Stock/Alexander Kurlovich

Ранее мы описывали, как использование грибных культур способствует биодеградации органических микрозагрязнений (фармацевтические препараты, красители другие). Ферментативная система T. versicolor характеризуется высокими показателями разрыва межмолекулярных связей, деметилирования, гидроксилирования, дехлорирования и раскрытия ароматических колец. Но продукты биодеградации с участием грибных культур могут быть более токсичными, чем исходные вещества, поэтому в настоящее время исследования ориентированы на идентификацию этих продуктов и анализ их токсичности [4].

В процессе очистки сточных вод образуются значительные объемы осадков, которые могут быть утилизированы в качестве почвенных добавок. Но, как правило, этому препятствует наличие целого ряда загрязняющих веществ. Гранулы мицелия T. versicolor были успешно использованы для удаления различных загрязняющих веществ из такого рода осадков [5].

Очищение почвы

T. versicolor имеет хорошие перспективы использования для удаления загрязняющих веществ из почвы. В этой области грибные культуры обладают значительными преимуществами перед бактериями — они устойчивы к токсичным соединениям, благодаря содержащемуся в клеточных стенках хитину и внеклеточным ферментам. Кроме этого, форма роста гиф (нитевидных образований, поглощающих воду и питательные вещества) позволяет T. versicolor распространяться далеко от исходной точки (например, лигноцеллюлозной биомассы). Это также повышает эффективность биоремедиации почв [6].

Мицелиальные композиты

траметес 3 3
Фото: nammex.com

Известны примеры успешного культивирования T. versicolor на побочных продуктах сельского хозяйства для получения мицелиальных композитов, а также выделенного из мицелия хитина. Композиты из биомассы мицелия, привлекают коммерческий и научный интерес, благодаря экологически чистому процессу производства.

Мицелиальные композиты состоят из сетей нитевидных гиф. Вместо энергоемких процессов химического синтеза, для их создания используют биосинтез, в результате которого дешевые органические отходы превращаются в экономичные экологически чистые материалы. Эти продукты (вспененные полимеры) используются в основном для производства упаковки и строительных материалов. Их механические характеристики значительно варьируются и определяются архитектурой гиф, составом клеточной стенки и композитов и кинетикой роста.

В последнее время предложен целый ряд новых потенциальных областей применения мицелиальных композитов, включая акустические демпферы, суперсорбенты, бумагу, текстиль, конструкционные и электронные элементы. Но медленный рост биомассы ухудшает технико-экономические показатели крупномасштабного производства, которые должны конкурировать с показателями производства синтетических материалов.

T. versicolor имеет тримитическую гифальную систему, которая обладает более высокой скоростью удлинения гиф по сравнению с мономитическими гифальными системами. Благодаря этому гриб может быть хорошим производителем биомассы для мицелиальных композитов [7].

Производство биотоплива

Лигноцеллюлозная биомасса имеет хорошие перспективы использования в качестве возобновляемого ресурса для производства биоэтанола и биогаза. Но ее прямое преобразование в биотопливо представляет собой сложную задачу, из-за высокого содержания в сырье лигнина. Аналогичная проблема характерна для биогазовых заводов, поскольку лигнин не может быть преобразован в метан в процессе анаэробного сбраживания и оказывается в непереработанном остатке.

Для производства биоэтанола требуется селективная лигнинолитическая ферментная система, обеспечивающая удаление лигнина. Основное препятствие, ограничивающее крупномасштабное производство — стоимость отвечающих требованиям коммерческих ферментов для обработки лигноцеллюлозной биомассы. По этой причине лигнолитический потенциал T. Versicolor является предметом исследований в приложении к производству биоэтанола [8].

Биогаз в большинстве случаев производят путем совместного анаэробного сбраживания навоза и лигноцеллюлозной биомассы. Однако в этом процессе оба субстрата имеют низкую скорость гидролиза, что снижает эффективность производства биоэнергии. Выход метана часто не превышает 60% от теоретического,но в остатке анаэробного сбраживания присутствует значительная доля лигноцеллюлозной биомассы. Для ее предварительной обработки используют траметес разноцветный. Этот процесс прошел испытания на пилотных установках и имеет хорошие перспективы промышленного использования [9].

Статья подготовлена с использованием материалов Михаила Владимировича Вишневского.

Источники:

  1. Li X., Li S., Liang X. et al. Applications of oxidases in modification of food molecules and colloidal systems: Laccase, peroxidase and tyrosinase. Trends in Food Science and Technology, v. 103, pp. 78–93.
  2. Maderia Jr., J.V., Teixeria C.B., Macedo G.A. Biotransformation and bioconversion of phenolic compounds obtainment: an overview. Critical Reviews in Biotechnology, 2015, v. 35, pp. 75–81.
  3. Tan B., Yin Y., 2017. Environmental sustainability analysis and nutritional strategies of animal production in China. Annual Review of Animal Bioscience, 2017, v . 5, pp. 171–184.
  4. Dalecka B., Strods M., Juhna T., Rajarao G.K., 2020. Removal of total phosphorus, ammonia nitrogen and organic carbon from non-sterile municipal wastewater with Trametes versicolor and Aspergillus luchuensis. Microbiology Research, 2020, v. 241.
  5. Tisma M., Znidarsic-Plazl P., Selo G. et al. Trametes versicolor in lignocellulose-based bioeconomy: State of the art, challenges and opportunities Bioresource Technology, 2021, v. 330, an 124997.
  6. Nyanhongo G.S., Gübitz G., Sukyai P. et al. Oxidoreductases from Trametes spp. in Biotechnology: A Wealth of Catalytic Activity. Food Technology and Biotechnology, 2007, v. 45, pp. 250–268.
  7. Jones, M., Huynh, T., Dekiwadia, C., Daver, F., John, S., 2017. Mycelium composites: a review of engineering characteristics and growth kinetics. J. Bionanosci. 11, 241–257.
  8. Kudahettige R.L., Holmgren M., Imerzeel P., Sellstedt A.Characterization of bioethanol production from hexoses and xylose by the white rot fungus Trametes versicolor. Bioenergy Research, v. 5, pp. 277–285.
  9. Pecar D., Pohleven F., Gorsek, A. Kinetics of methane production during anaerobic fermentation of chicken manure with sawdust and fungi pre-treated wheat straw. Waste Management, 2020, v. 102, pp. 170–178.