Оптимизация и масштабирование производства α-амилазы Aspergillus oryzae при твердофазной ферментации жмыхов пищевых масличных культур

Введение: Амилазы, вырабатываемые грибами при твердофазной ферментации, — наиболее широко применяемые в промышленности ферменты, спрос на которые на мировом рынке постоянно растёт. Использование недорогого сырья позволяет снизить производственные затраты, а переработка твёрдых отходов рассматривается как перспективный способ промышленного производства многих ферментов. Применение α-амилазы в пищевой промышленности, производстве кормов и других отраслях промышленности с годами расширяется. Кроме того, в связи с быстрым развитием пищевой промышленности в странах с развивающейся экономикой растёт спрос на обработанные продукты и готовую к употреблению пищу. Эти факторы существенно влияют на мировой рынок ферментов. По оценкам, к концу 2024 года объём мирового рынка α-амилазы достигнет 320,1 млн долларов США (Grand View Research Inc., 2016). В настоящем исследовании α-амилазу получали с помощью Aspergillus oryzae при твердофазной ферментации недорогих субстратов — арахисового жмыха (GOC), кокосового жмыха (COC) и кунжутного жмыха (SOC). Гриб выращивали на этих богатых питательными веществами субстратах для получения фермента. Фермент экстрагировали, частично очищали и оценивали его стабильность при различных значениях pH и температуры. Оптимизировали влияние pH, продолжительности инкубации и температуры на выработку α-амилазы A. oryzae. Для оптимизации процесса и определения влияния всех параметров на выработку α-амилазы использовали план Бокса — Бенкена (BBD) в рамках методологии поверхности отклика (RSM). Также изучили экономические показатели производства α-амилазы в ферментере пилотного масштаба.

Результаты: Оптимизация субстрата с помощью плана Бокса — Бенкена в рамках методологии поверхности отклика показала, что наиболее подходящим субстратом для A. oryzae является арахисовый жмых: максимальная выработка α-амилазы составила 9868,12 Ед/г сухого субстрата. Дальнейшая оптимизация параметров процесса показала, что оптимальны начальная влажность 64%, pH 4,5, продолжительность инкубации 108 ч и температура 32,5 °C. При масштабировании процесса и использовании оптимизированных условий в ферментере пилотного масштаба выработка увеличилась на 11,4% и составила 10 994,74 Ед/г сухого субстрата. Частично очищенная α-амилаза была наиболее стабильна при pH 6,0 и температуре 55 °C. Согласно экономическому анализу, стоимость производства частично очищенной α-амилазы составила 622 рупии/л.

Выводы: С помощью трёхмерных контурных графиков методологии поверхности отклика проанализировали параметры процесса, повышающие секрецию α-амилазы. Анализ показал, что контурные линии в большей степени отражали влияние температуры инкубации и pH; оба параметра значимо влияли на активность α-амилазы (p < 0,05). Затем оптимизированные параметры применили для производства α-амилазы в пилотном ферментере объёмом 600 л. Использованные субстраты богаты питательными веществами, поэтому дополнительное внесение питательных веществ не требовалось. Таким образом, предложен экономически целесообразный способ производства α-амилазы с использованием ферментера пилотного масштаба.