Биорафинирование кукурузной суспензии в отсутствие питательных добавок в молочную кислоту с помощью Bacillus licheniformis OP16-2 при термо-щелочных условиях и пилотной оценке

Преобразование побочного продукта кукурузы в ценное «зеленое» химическое вещество

Молочная кислота — универсальный компонент современной экономики: она помогает сохранять продукты питания, смягчает кожу в косметике и является важным строительным блоком для биоразлагаемых пластиков. Тем не менее производство больших объёмов устойчиво и дешево по-прежнему остаётся задачей. В этом исследовании рассматривается неожиданный ресурс — кукурузная суспензия, богатый питательными веществами побочный продукт мокрого помола кукурузы — и показано, как стойкая почвенная бактерия может превратить эту жидкую отходную фракцию в высокоценную молочную кислоту без добавления питательных веществ, в горячих и щелочных условиях, которые сами по себе ограничивают контаминацию.

Скрытый ресурс в кукурузной индустрии

При переработке кукурузы на крупных заводах зерна замачивают в тёплой воде с диоксидом серы, чтобы их размягчить и высвободить крахмал. Оставшаяся жидкость, известная как кукурузная суспензия, богата сахарами, аминокислотами, витаминами и минералами. Традиционно её использовали лишь в небольших количествах как добавку в ферментации. Авторы работы поставили более амбициозный вопрос: может ли кукурузная суспензия сама по себе, без дополнительных питательных добавок, служить единственным источником пищи для микроорганизмов, производящих молочную кислоту, превращая низкоценный побочный продукт в центральный сырьевой поток для «биорафинирования без питательных веществ»?

Поиск микробного рабочего коня, любящего тепло и щёлочь

Промышленные ферментации часто сталкиваются с двумя проблемами: стоимостью рафинированных сахаров и риском попадания нежелательных микроорганизмов, портящих среду. Чтобы решить обе задачи, исследователи искали в почвенных образцах по всей Египту бактерии, которые хорошо растут при высоких температурах (около 50–60 °C) и в щелочных условиях (примерно pH 9). Такие жёсткие условия естественно отпугивают распространённые загрязнители. Из 50 кандидатов одна штамм, впоследствии идентифицированный как Bacillus licheniformis OP16-2, выделился. Он мог энергично расти в кукурузной суспензии, выдерживать ингибиторы, такие как соли и серные соединения, оставшиеся после обработки кукурузы, и последовательно преобразовывал доступные сахара в молочную кислоту с очень высокой эффективностью.

Настройка рецептуры для максимального выхода

Выбрав перспективный штамм, команда систематически настраивала условия ферментации. Они проверили разные уровни сахаров в кукурузной суспензии, температуры, начальные количества бактерий и значения pH. Также сравнили два способа контроля pH по мере накопления молочной кислоты: добавление гидроксида натрия (NaOH) или использование твёрдого карбоната кальция. Затем применили продвинутые статистические инструменты, чтобы оценить совместное влияние всех этих факторов, а не по одному. Такой подход выявил оптимальную «зону»: примерно 80–83 г/л сахаров кукурузной суспензии, температура около 45 °C, слабо щелочной pH около 8,5–9,0 и умеренно-высокая стартовая загрузка бактерий. При этих условиях микроорганизм преобразовывал порядка 94% потреблённых сахаров в молочную кислоту — весьма высокий выход.

Масштабирование от колб к пилотному биореактору

Лабораторные колбы полезны для открытий, но реальное значение имеет работа в больших ёмкостях. Поэтому исследователи перешли к 50-литровому биореактору, подавая в него только необработанную кукурузную суспензию, скорректированную по нужному уровню сахаров и pH. В стандартном номинальном цикле они достигли около 74–76 г/л молочной кислоты, что соответствовало их статистическим прогнозам. Чтобы увеличить производство, они перешли на стратегию «многошаговой подпитки» (multi-pulse fed-batch): вместо одновременной загрузки всего сахара его концентрированную суспензию постепенно подавали по мере потребления бактериями. Это поддерживало комфортный для микроорганизмов уровень сахара, избегая стресса от слишком высокой концентрации. В течение примерно недели работы уровни молочной кислоты поднялись до примерно 153 г/л, при этом сохранялись высокий выход и стабильная продуктивность.

Почему это важно для устойчивых материалов

Молочная кислота, полученная из возобновляемых ресурсов, имеет ключевое значение для производства биоразлагаемых пластиков, таких как поли(молочная кислота) (PLA), а также для экологичных растворителей и пищевых ингредиентов. Это исследование демонстрирует, что один прочный штамм бактерий, растущий в термо-щелочных условиях, может превратить кукурузную суспензию — часто рассматриваемую как поток отходов — напрямую в молочную кислоту без добавления дрожжевого экстракта или других дорогих питательных веществ. Сокращая затраты и на сырьё, и на стерилизацию, этот термо-щелочно-«безпитательный» процесс приближает нас к доступному индустриальному производству зелёных химикатов из сельскохозяйственных побочных продуктов, превращая отходы в ценную составляющую более устойчивых потребительских товаров.

Цитирование: Selim, M.T., Salem, S.S., El-Belely, E.F. et al. Nutrient-free biorefinery of corn steep water into lactic acid by Bacillus licheniformis OP16-2 under thermo-alkaline conditions with a pilot-scale assessment. Sci Rep 16, 4357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35828-4

Ключевые слова: ферментация молочной кислоты, кукурузная суспензия, биорафинирование, Bacillus licheniformis, биотопливо и биопластики