Биоконверсия лактозы в этанол дрожжами Kluyveromyces lactis как этап утилизации подсырной сыворотки

Увеличение количества лактозасодержащих отходов на фоне роста производства сыров в России и повсеместно в мире повысили интерес к поиску новых эффективных биотехнологий их переработки, в том числе путем биоконверсии лактозы в этанол. В работе использована подсырная сыворотка с исходным содержанием лактозы 40 г/л и рН 4,84, три промышленных штамма Kluyveromyces lactis – Y-2035, Y-2037, Y-2040 и штамм сравнения Saccharomyces cerevisae Y-187. Культивирование дрожжей проводили в ферментере ФА-2 (Проинтех, Россия) в течение 48 ч в сыворотке с добавлением подпитывающих растворов и ионов цинка, при температуре 34 °C, перемешивании и аэрации. В качестве показателей динамики и эффективности биотехнологического процесса периодически определяли рН, число дрожжевых клеток, концентрацию белка, лактозы и этанола в культуральной среде, используя для этого коммерческие наборы для определения этих веществ, рассчитывали скорость роста, процент и среднюю скорость утилизации лактозы, среднюю скорость образования этанола, а также эффективность ферментации. В результате показано, что штаммы K. lactis Y-2035, K. lactis Y-2037 и K. lactis Y-2040 способны утилизировать от 76,3 до 86,0 % лактозы, при этом в среде образуется от 17,7 до 21,0 г/л этанола. Эффективность ферментации варьирует у штаммов K. lactis от 75,6 до 89,7 % против 5,6 % у штамма сравнения S. Cerevisiae Y-187. Штамм K. lactis Y-2037 среди изученных обладает максимальной способностью к утилизации лактозы и образованию этанола. Технологию переработки лактозосодержащих отходов молочной промышленности путем конверсии лактозы в этанол дрожжевыми культурами K. lactis предложено использовать для получения перспективного сырья, уменьшения объемов загрязнений, а также для внутреннего производства биоэтанола, рекомендовать использовать для этого штамм K. lactis Y-2037.

1. Просеков А.Ю. Тенденции развития сыродельной отрасли в России // Сыроделие и маслоделие. – 2024. – № 4. – С. 3–6.

2. Recent advances in whey processing and valorisation: technological and environmental perspectives / D. Buchanan, W. Martindale, E. Romeih, E. Hebishy // International Journal of Dairy Technology. – 2023. – Vol. 76. – P. 291–312. – DOI: 10.1111/1471-0307.12935.

3. Bioethanol production from renewable raw materials and its separation and purification: a review / A. Bušić, N. Mardetko, S. Kundas [et al.] // Food Technology and Biotechnology. – 2018. – Vol. 56, № 10. – P. 289–311. – DOI: 10.17113/ftb.56.03.18.5546.

4. Ethanol production from cheese whey and expired milk by the brown rot fungus Neolentinus lepideus / K. Okamoto, S. Nakagawa, R. Kanawaku, S. Kawamura // Fermentation. – 2019. – Vol. 5, № 49. – P. e290. – DOI: 10.3390/fermentation5020049.

5. Bioprospecting of microbial strains for biofuel production: metabolic engineering, applications, and challenges / M.F. Adegboye, O.B. Ojuederie, P.M. Talia, O.O. Babalola // Biotechnology for Biofuels. – 2021. – Vol. 14, № 1. – P. e5. – DOI: 10.1186/s13068-020-01853-2.

6. Papademas P., Kotsaki P. Technological utilization of whey towards sustainable exploitation // Advances in Dairy Research. – 2019. – Vol. 7, Iss. 4. – P. e231. – DOI: 10.35248/2329-888X.19.7.231.

7. Promising renewable raw for ethanol biosynthesis / Y.A. Zimina, M.V. Postnova, K.S. Abbas [et al.] // European Journal of Molecular Biotechnology. – 2020. – Vol. 8, № 1. – P. 42–51. – DOI: 10.13187/ejmb.2020.1.42.

8. Bioethanol production from renewable sources: Current perspectives and technological progress / H. Zabed, J. Sahu, S. Akter [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 71. – P. e76. – DOI: 10.1016/j.rser.2016.12.076.

9. Selection and subsequent physiological characterization of industrial Saccharomyces cerevisiae strains during continuous growth at sub- and- supra optimal temperatures / K.Y.F. Lip, E. García-Ríos, C.E. Costa [et al.] // Biotechnology Reports. – 2020. – Vol. 26. – P. e00462. – DOI: 10.1016/j.btre.2020.e00462.

10. Zandona E., Blažić M., Režek Jambrak A. Whey utilization: sustainable uses and environmental approach // Food Technology and Biotechnology. – 2021. – Vol. 59, № 2. – P. 147–161. – DOI: 10.17113/ftb.59.02.21.6968.

11. Origin of lactose fermentation in Kluyveromyces lactis by interspecies transfer of a neo-functionalized gene cluster during domestication / J.A. Varela, M. Puricelli, R.A. Ortiz-Merino [et al.] // Current Biology. – 2019. – Vol. 29. – P. 4284–4290. – DOI: 10.1016/j.cub.2019.10.044.

12. Молекулярный полиморфизм генов β-галактозидазы LAC4 у молочных и природных штаммов дрожжей Kluyveromyces / Л.В. Лютова, Г.И. Наумов, А.В. Шнырева, Е.С. Наумова // Молекулярная биология. – 2021. – Т. 55, № 1. – С. 75–85. – DOI: 10.31857/S0026898421010109.

13. Vu H.H., Jin C., Chang J.H. Structural basis for substrate recognition of glucose-6-phosphate dehydrogenase from Kluyveromyces lactis // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 2021. – Iss. 553. – P. 85–91. – DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.02.088.

14. Аббас К.С., Лушникова Е.С., Новочадов В.В. Оценка лактозоконвертирующей способности дрожжей Kluyveromyces lactis в зависимости от концентрации цинка в среде культивирования // Природные системы и ресурсы. – 2024. – №1. – С. 18–25. – DOI: 10.15688/nsr.jvolsu.2024.1.2.

15. Feng C.T., Du X., Wee J. Microbial and chemical analysis of non-Saccharomyces yeasts from Chambourcin hybrid grapes for potential use in winemaking // Fermentation. – 2021. – Vol. 7. – P. 1–22. – DOI: 10.3390/fermentation7010015.

16. Koushki M., Jafari M., Azizi M. Comparison of ethanol production from cheese whey permeate by two yeast strains // Journal of Food Science and Technology. – 2012. – Vol. 49. – P. 614–619. – DOI: 10.1007/s13197-011-0309-0.

17. Оценка эффективности процесса биосинтеза этанола дрожжами рода Saccharomyces / И.В. Калинина, Р.И. Фаткулина, Н.В. Попова, А.Р. Шарипова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Пищевые и биотехнологии. – 2018. – Т. 6, № 4. – С. 74–82. – DOI: 10.14529/food180410.

18. Bioprospecting Kluyveromyces marxianus as a robust host for industrial biotechnology / M. Bilal, L. Ji, Y. Xu [et al.] // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2022. – Vol. 10. – P. e851768. – DOI: 10.3389/fbioe.2022.851768.

19. Evaluation of Kluyveromyces spp. for conversion of lactose in different types of whey from dairy processing waste into ethanol / A.M. Ohstrom, A.E. Buck, X. Du, J. Wee // Frontiers in Microbiology. – 2023. – Vol. 14. – P. e1208284. – DOI: 10.3389/fmicb.2023.1208284.

20. Bio-utilization of cheese manufacturing wastes (cheese whey powder) for bioethanol and specific product (galactonic acid) production via a two-step bioprocess / X. Zhou, X. Hua, L. Huang, Y. Xu // Bioresource Technology. – 2019. – Vol. 272. – P. 70–76. – DOI: 10.1016/j.biortech.2018.10.001.

21. Marcus J.F., DeMarsh T.A., Alcaine S.D. Upcycling of whey permeate through yeast-and Mold-driven fermentations under anoxic and oxic conditions. Fermentation. – 2021. – Vol. 7. – P. 1–16. – DOI: 10.3390/fermentation7010016.

22. Жарыкбасова К.С. Фазовое распределение экотоксикантов в молочном сырье // Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет). – 2009. – № 3(11). – С. 24–26.

23. Tesfaw A. The current trends of bioethanol production from cheese whey using yeasts: biological and economical perspectives // Frontiers in Energy Research. – 2023. – Vol. 11. – P. e11. – DOI: 10.3389/fenrg.2023.1183035/full.

24. Invited review: acid whey trends and health benefits / D. Rocha-Mendoza, E. Kosmerl, A. Krentz [et al.] // Journal of Dairy Science. – 2021. – Vol. 104. – P. 1262–1275. – DOI: 10.3168/jds.2020-19038.