Гагарина И.Н., Горькова И.В., Гаврилова А.Ю., Костромичёва Е.В.,

Ботуз Н.И.

ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет», Россия

Получение технического волокна целлюлозы из вторичного сельскохозяйственного сырья

В настоящее время наблюдается огромный интерес к методам выработки целлюлозы из вторичного сельскохозяйственного сырья. Однако наряду с целлюлозой, возможно получение дополнительных продуктов, которые будут востребованы и потенциально снизят себестоимость целлюлозы. Применяя метод постепенного извлечения, можно добиться получения максимального количества ценных продуктов. Первым продуктом, образующимся при комплексной переработке вторичного сырья, является комплекс водорастворимых веществ. Водные экстракты, образующихся в ходе развития растения веществ ранее практически не исследовались. По своей природе это питательные вещества растения, «не успевшие стать» вторичными метаболитами.

В связи с этим целью работы является исследование влияния различных способов экстрагирования растительного сырья на производства БАВ.

Материалы и методы. Объектами исследования была выбрана овсяная солома и дрожжи Schizosaccharomyces acidodevoratus.

Овес является однолетней зерновой культурой, очень широко культивируемой в средних широтах. По распространению овес занимает одно из ведущих мест в зерновом балансе. В лечебных целях используется не только зерно, но и овсяная солома.

В состав основных компонентов соломы овса входят: клетчатка -37 %, безазотистые экстрактивные вещества – 36% , в том числе лигнин 20% (табл.1).

Таблица 1.-Химический состав соломы овса (Avena Sativa)

Протеин %	Жир %	Клетчат-ка %	БЭВ %	Зола %	В 1 кг содержится
					кормовых ед.	переваримого протеина, г
5,12	1,69	37,60	35,90	4,79	0,28	12,65

Приготовление водных экстрактов соломы овса осуществлялось по 5 вариантам: 1. -экстракция горячей водой в поле ультразвука частотой 50 кГц, интенсивностью 230 – 322 Вт/см в течение 10 мин; 2. – экстракция при нормальном давлении, температуре 100⁰С в течение 0,5 часа; 3. – экстракция при нормальном давлении, температуре 100⁰С в течение 1 часа; 4. – экстракция при нормальном давлении, температуре 100⁰С в течение 1,5 часов; 5. – экстракция при повышенном давлении, температуре 120⁰С в течение 0,25 часа. Для экстракции было взято соотношение сырьё: экстрагент 1:10 (по весу).

Результаты исследования и их обсуждение. На рисунке 1 изображена динамика извлечения водорастворимых БАВ из соломы овса в зависимости от времени термообработки при t=100⁰С.

Рисунок 1. - Динамика извлечения водорастворимых БАВ из соломы овса в зависимости от времени термообработки при t=100⁰С

Анализ графика показал, что количество экстрактивных веществ возрастает с увеличением времени экстракции, максимальное извлечение БАВ наступает через 1,5 часа кипячения.

На рисунке 2 изображены графики извлечения водорастворимых БАВ из соломы овса в зависимости от температуры обработки. По полученным данным было показано, что увеличение температуры не влечет увеличение скорости экстракции БАВ.

Рисунок 2. - Динамика извлечения водорастворимых БАВ из соломы овса в зависимости от температуры обработки за 15 минут экстракции

Таким образом, повышать температуру до 120⁰С является экономически не выгодным, так как не сокращает время извлечения экстрактивных веществ из соломы овса.

Рисунок 3. - Динамика извлечения водорастворимых БАВ из соломы овса в зависимости от времени УЗ-обработки

В ходе эксперимента был рассмотрен физический способ воздействия на выход экстрактивных веществ – это использование УЗ.

По литературным данным показано, что ультразвуком из сырья растительного происхождения в диапазоне частот 19 кГц – 1 МГц возможно извлекать практически все известные соединения, продуцируемые растениями.

Вопреки литературным данным, добиться значительного увеличения скорости экстракции и соответственно выхода экстрактивных веществ нам не удалось.

Результаты представлены на графике рисунка 3. За 10 мин обработки количество экстрактивных веществ составило только 8 % к количеству экстрактивных веществ при термообработке за 1,5 часа.

После экстракции экстрактивных веществ представляет интерес исследования остатка соломы овса, а именно соотношение лигнина и клетчатки.

В последние годы было показано, что лигнины – это перспективные природные соединения для создания нового класса биомедицинских препаратов полифункционального назначения, в том числе антиоксидантов, онко- и геропротекторов. Однако сегодня препараты на основе лигнинов, в основном хвойных пород древесины, применяются лишь в качестве энтеросорбентов. Лигнины других классов, в том числе травянистых, практически не используются, что обусловлено недостаточной изученностью этих биополимеров. В связи с этим исследования химической и топологической структуры макромолекул недревесных лигнинов являются весьма актуальными.

Таблица 2.-Сравнительная характеристика образцов соломы, полученных разными способами экстракции

№ и характеристика образца	Массовая доля лигнина, %	Массовая доля клетчатки, %
Солома исходная	22,0	42,46
Солома после термообработки при t=100^0С, р= 1,0 атм, t=1,5 час	16,5	43,19
Солома после термообработки при t=120^0С, р=1,96 атм, t=0,25 час	17,8	44, 07
Солома после УЗ обработки	16,1	45,2

Проанализировав полученные данные, находим, что термообработка и УЗ не значительно влияют на содержание клетчатки, хотя и происходит ее увеличение за счет удаления экстрактивных веществ, а содержание лигнина значительно снижается на 27% от первоначального значения.

Минимальное значение лигнина обнаружено в обработке с УЗ.

Для того чтобы узнать, что происходит со структурой соломы были проанализированы тонкие хрупкие плёнки соломы, что позволило более точно рассмотреть структуру под микроскопом после обработки ультразвуком (рис. 4).

нативная	обработанная УЗ в течение 1 мин	обработанная УЗ в течение 5 мин
обработанная УЗ в течение 10 мин	при термообработке в течение 1,5 час, t=100^0С	при термообработке в течение 20 мин, t=120^0С

Рисунок 4. - Микроструктура соломы овса увеличение в 100 раз

Солома овса в нативном виде имеет гладкие и узкие волокна типа либриформа. Для соломы овса также характерно наличие большого количества сосудов.

При УЗ обработке с повышением времени обработки происходит увеличение зубчатых волокон, скрепленных друг с другом, напоминая «пазл». При 10 минутной обработке вся структура превращается в «волны», но разрыва цепей не наблюдается, что и объясняет низкое количество экстрактивных веществ при УЗ.

Однако такое строение схоже с начальным этапом ферментативного гидролиза целлюлозы. Происходит разрыв β-1,4-связи между соседними остатками глюкозы в неплотно упакованных областях целлюлозы, образуя характерные разрыхления в середине цепи. Это приводит к образованию больших фрагментов со свободными концами.

Таким образом, УЗ обработка заменяет начальную стадию гидролиза целлюлозы, разрушая лигниновый слой и разрыхляя клетчатку.

Аналогичные данные были получены и при термообработке соломы овса.

Хочется отметить и изменения в структуре соломы овса под влиянием дрожжей Schizosaccharomyces acidodevoratus.

Рисунок 5. - Фото соломы овса после ферментации дрожжами Schizosaccharomyces acidodevoratus (увеличение в 100 раз)

На фото видна практически полная делегнификация, отсутствует клеточное наполнение, видна волокнистая структура целлюлозы, схожей с чистой кристаллической целлюлозой.

Выводы.

1. УЗ и термообработка соломы овса приводит к изменению в структуре целлюлозного волокна: жестко скрепленные волокна разрушаются, образуются зубчатые волокна, скрепленных друг с другом, напоминая «волну».

2. Повышение температуры не сокращает время извлечения экстрактивных веществ.

3. Количество ЭВ возрастает с увеличением времени экстракции, максимальное извлечение БАВ наступает через 1,5 часа кипячения.

4. Ферментативная обработка дрожжами Schizosaccharomyces acidodevoratus приводит к получению технического волокна целлюлозы с характерными разрывами из единичных волокон целлюлозы.

Литература

1. В.В. Будаева, Р.Ю. Митрофанов, В.Н. Золотухин. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков. //Ползуновский вестник.- 2008.-№3.

2. О.В. Голязимова, А.А. Политов, О.И. Ломовский. Увеличение эффективности измельчения лигноцеллюлозного растительного сырья с помощью химической обработки. //Химия растительного сырья. -2009.- №2, с. 53–57.

3. Г.В. Сакович, С.Г. Ильясов, М.С. Василишин, В.В. Будаева, В.Ю. Егоров. Результаты комплексной переработки биомассы. //Ползуновский вестник.- 2008.-№ 3.

4. С.Н. Цуканов, В.В. Будаева. Гидротермобарический способ получения целлюлозы из отходов злаков. // Ползуновский вестник.- 2011.- № 4-1.