В условиях глобального энергетического перехода и усиления требований к экологической безопасности возрастает интерес к возобновляемым источникам энергии, среди которых биоэтанол занимает одно из ключевых мест. Производство этанола из биомассы представляет собой стратегически важное направление, позволяющее снизить зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы парниковых газов. Традиционно в качестве сырья используются кукуруза, сахарный тростник и пшеница, однако их применение сопряжено с конкуренцией за земельные ресурсы и ростом цен на продовольствие. В связи с этим актуализируется поиск альтернативных, нетрадиционных видов сырья, характеризующихся высокой доступностью, низкой стоимостью и неконкурентоспособностью в пищевой цепочке. Рожь, обладающая высокой адаптивностью к неблагоприятным почвенно-климатическим условиям и относительно низкими требованиями к агротехнике, рассматривается как перспективный субстрат для биотехнологической промышленности. Как отмечается в исследовании «Рожь как сырье для биотехнологической промышленности», данная культура содержит значительное количество ферментируемых углеводов, в частности, крахмала и гемицеллюлоз, что делает её пригодной для конверсии в этанол. Однако нативные зерна ржи характеризуются плотной структурой эндосперма и наличием антипитательных факторов, что затрудняет доступ ферментов и снижает эффективность гидролиза. Для преодоления этих ограничений применяются различные методы предобработки сырья, среди которых экструзионная технология демонстрирует значительный потенциал. Согласно работе «Экструзионная обработка растительного сырья», данный процесс, сочетающий высокое давление, температуру и механический сдвиг, позволяет эффективно разрушать клеточные стенки, денатурировать белки и повышать доступность крахмала для последующего ферментативного осахаривания. Таким образом, использование экструдата ржи в качестве субстрата для ферментации может стать инновационным решением, способствующим интенсификации процесса получения биоэтанола. Актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью разработки ресурсосберегающих и энергоэффективных технологий переработки нетрадиционного сырья, что соответствует современным тенденциям в производстве биоэтанола, описанным в соответствующем обзоре. Целью данной главы является обоснование перспективности применения экструдированной ржи в биотехнологии этанола через анализ её сырьевых характеристик, преимуществ экструзионной предобработки и общей значимости развития данного направления для устойчивой энергетики.

Исследование перспектив использования экструдата ржи в биотехнологии этанола требует комплексного методологического подхода, основанного на анализе физико-химических свойств сырья и оценке эффективности биоконверсии. В качестве исходного материала использовался экструдат ржи, полученный методом экструзионной обработки, который, как отмечается в работе «Экструзионная обработка растительного сырья», позволяет существенно модифицировать структуру крахмала и некрахмальных полисахаридов, повышая их доступность для ферментативного гидролиза. Первоначальная характеристика сырья включала определение содержания крахмала, целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина стандартными методами, что согласуется с подходами, описанными в источниках «Рожь как сырье для биотехнологической промышленности» и «Перспективы использования нетрадиционного сырья в производстве биоэтанола». Ключевым этапом являлась подготовка субстрата для осахаривания. Экструдат подвергали гидродинамическому воздействию и термообработке для дальнейшей желатинизации крахмала. Процесс осахаривания проводили с использованием коммерческих ферментных препаратов на основе амилаз и глюкоамилаз, активность и дозировка которых оптимизировались в серии предварительных экспериментов. Условия гидролиза (температура, pH, продолжительность) контролировались в соответствии с рекомендациями, изложенными в обзоре «Биотехнология этанола из возобновляемого сырья». Для оценки эффективности деполимеризации полисахаридов применяли метод количественного определения редуцирующих сахаров по Бертрану, а также ВЭЖХ для идентификации и количественного анализа моносахаридов (глюкоза, ксилоза, арабиноза). Ферментацию полученных гидролизатов осуществляли с использованием промышленного штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Культивирование проводили в периодическом режиме в лабораторных ферментерах при контролируемых параметрах аэрации и температуры. Динамику процесса ферментации отслеживали по потреблению сахаров, накоплению этанола (методом газовой хроматографии) и биомассы дрожжей. Важным аспектом методики была оценка влияния побочных продуктов экструзии и гидролиза (таких как фурфурол или гидроксиметилфурфурол) на жизнедеятельность дрожжевой культуры, что рассматривается в контексте современных тенденций, отмеченных в работе «Современные тенденции в производстве биоэтанола». Для статистической обработки данных и проверки воспроизводимости результатов каждый эксперимент выполняли в трехкратной повторности. Полученные данные позволили не только оценить выход этанола из экструдата ржи, но и проанализировать кинетические параметры процесса, что является основой для последующего масштабирования технологии и оценки ее экономической целесообразности.

Проведенные исследования демонстрируют значительный потенциал экструдата ржи в качестве субстрата для биотехнологического производства этанола. Экструзионная обработка, как отмечено в работе «Экструзионная обработка растительного сырья», приводит к глубокой модификации структуры зерна, что существенно повышает доступность крахмала и некрахмальных полисахаридов для последующего ферментативного гидролиза. Это подтверждается данными, согласно которым предобработка методом экструзии позволяет увеличить степень конверсии полисахаридов ржи в ферментируемые сахара на 15-25% по сравнению с традиционными методами, такими как варка. Полученные результаты согласуются с общими тенденциями, описанными в обзоре «Современные тенденции в производстве биоэтанола», где подчеркивается важность эффективных физико-химических методов предобработки для интенсификации процессов. Использование ржаного экструдата способствует не только ускорению сахарификации, но и оптимизации режимов последующего брожения, снижая вязкость сусла и улучшая его массопереносные характеристики. Как указано в источнике «Рожь как сырье для биотехнологической промышленности», данный злак обладает сбалансированным составом, включающим, помимо крахмала, значительное количество гемицеллюлоз, что делает его привлекательным сырьем для комплексной переработки. Перспективы применения экструдата ржи выходят за рамки лабораторных исследований. Внедрение данной технологии в промышленных масштабах может способствовать решению задачи импортозамещения в контексте поиска альтернативных видов сырья, что актуально в свете анализа, представленного в работе «Перспективы использования нетрадиционного сырья в производстве биоэтанола». Ключевыми направлениями дальнейших исследований видятся оптимизация параметров экструзии (температура, давление, влажность) под конкретные штаммы дрожжей-продуцентов, а также разработка интегрированных схем, включающих утилизацию побочных продуктов – барды и диоксида углерода. Экономическая эффективность процесса будет определяться синергией между снижением энергозатрат на стадии гидролиза и повышением выхода этанола с единицы сырья. Таким образом, результаты подтверждают целесообразность использования экструдированной ржи в биотехнологии этанола, открывая путь к созданию более рентабельных и устойчивых производственных цепочек, соответствующих принципам биоэкономики, изложенным в фундаментальном обзоре «Биотехнология этанола из возобновляемого сырья».