CC BY
26УДК 676.166.7:577.152.3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СОЛОМЫ ЗЛАКОВЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ ГИДРОТРОПНЫМ СПОСОБОМ, И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
М.Н. Денисова
Проведено исследование гидротропного способа получения целлюлозы из соломы злаковых. Установлено, что полученные образцы целлюлозы характеризуются содержанием а-целлюлозы до 83 %. Приведены результаты исследования полученных образцов гидротроп-ной целлюлозы в качестве субстратов для ферментативного гидролиза. Показано, что наибольшей реакционной способностью к ферментативному гидролизу характеризуется образец целлюлозы из соломы овса.
Ключевые слова: солома злаковых, целлюлоза, гидротропный способ, субстрат, ферментативный гидролиз, редуцирующие вещества.
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия рост потребления целлюлозы приводит к поиску новых альтернативных сырьевых источников для ее получения. Перспективными источниками целлю-лозосодержащего сырья являются растительные отходы сельского хозяйства [1-5]. Применение отходов растениеводства, в которых содержание целлюлозы составляет 35-45 %, обусловлено их доступностью, ежегодной возобновляемостью, а также нерешенной проблемой их рационального использования. После переработки злаковых растений получают одновременно два вида отходов - солому и шелуху, при этом сбор соломы достигает до 3 т/га, а доля шелухи составляет до 28 % от массы собранного зерна [1-5]. Применение в качестве целлюлозосодержащего сырья отходов злаковых растений может решить проблему недостатка целлюлозы многоцелевого назначения и расширит перспективы использования недревесного растительного сырья, объемы которого достаточны для промышленного получения народнохозяйственных продуктов.
Экологически безопасные технологии получения целлюлозы, разрабатываемые в настоящее время основаны на способах делиг-нификации целлюлозосодержащего сырья безопасными или малоопасными реагентами [1-3, 6-8]. Одним из перспективных способов получения целлюлозы является гидро-тропная делигнификация растительного сырья [6-10]. Этот способ задействует нейтральный варочный реагент и обеспечивает максимальный коэффициент использования
сырья - одновременное выделение двух биополимеров: целлюлозы и лигнина.
Ранее было показано выделение образцов целлюлозы из мискантуса гидротропным способом с последующим получением из них глюкозных гидролизатов [8-10]. Так как в литературе отсутствуют примеры предварительной гидротропной обработки растительных отходов сельского хозяйства, а именно соломы злаковых с последующим получением субстратов для ферментативного гидролиза, то изучение процесса гидролиза образцов гидротропной целлюлозы из соломы злаковых является актуальным.
Целью настоящей работы является исследование гидротропного способа получения целлюлозы из соломы злаковых и изучение их реакционной способности к ферментативному гидролизу.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объекта исследования использовалась солома пшеницы и овса, урожая 2015 г., собранная с полей Алтайского края.
Перед началом работы солома была измельчена в сечку до размера частиц 5-10 мм.
Химический состав исходного сырья и основные характеристики полученных образцов целлюлозы (массовые доли целлюлозы по Кюршнеру, а-целлюлозы, лигнина, пенто-занов, золы, экстрактивных веществ) определяли по стандартным методикам анализа [11]. Химический состав сырья представлен в таблице 1.
Гидротропная делигнификация соломы пшеницы и овса проведена в универсальной
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СОЛОМЫ ЗЛАКОВЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ ГИДРОТРОПНЫМ СПОСОБОМ, И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
термобарической установке объемом 2,3 л. Варку проводили при следующих условиях: варочный реагент - 35 % раствор бензоата натрия, модуль процесса - 10:1, температура - 180 °С, продолжительность - 3 ч. Характеристики полученных образцов целлюлозы приведены в таблице 1.
Исходное сырье и гидротропные целлюлозы подверглись ферментативному гидролизу. Для гидролиза субстратов использовали ферментные препараты «Целлолюкс-А». «Целлолюкс-А» стандартизирован по целлю-лазе, «Брюзайм BGX» - по гемицеллюлазе. Методика исследования реакционной способности к ферментативному гидролизу подробно описана в работе [10]. Гидролиз субстратов осуществлялся в ацетатном буфере (рН = 4,7) при температуре (45±2) °С и концентрации субстрата 33 г/л. Для контроля концентрации редуцирующих веществ (РВ) каждые 8 ч проводили отбор проб объемом 5 мл. Концентрацию редуцирующих веществ в пересчете на глюкозу определяли на спектрофотометре «UNICO UV-2804» (США) с использованием динитросалицилового реактива. По окончании ферментативного гидролиза реакционную массу отфильтровали с
Для оценки реакционной способности к ферментативному гидролизу в качестве субстратов были исследованы образцы исходного растительного сырья и гидротропной целлюлозы, полученной из него. Оценка реакционной способности к ферментативному гидролизу выбранных субстратов проведена по концентрации образующихся в процессе гидролиза (в течение 72 ч) редуцирующих веществ в
получением готового гидролизата и твердого остатка субстрата.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты определения химического состава растительного сырья (таблица 1) показывают, что содержание целлюлозы в соломе злаковых составляет около 50 %, что характеризует ее как перспективный источник целлюлозы. Солома пшеницы и овса характеризуются высоким содержанием пентоза-нов (более 22 %) и лигнина (более 18 %). Для соломы злаковых характерна высокая зольность (от 4 % до 7 %). Кроме того, солома овса содержит в своем составе до 6 % экстрактивных веществ.
Проведение гидротропной делигнифика-ции соломы злаковых при температуре 180 °С и продолжительности 3 ч привело к гидролизу целлюлозной матрицы. В результате гидролиза из целлюлозы была удалена часть нецеллюлозных компонентов, что привело к концентрированию целлюлозы до 80 % (таблица 1). Полученные образцы целлюлозы из соломы пшеницы и овса схожи по основным характеристикам.
гидролизате и скорости их накопления. На рисунке 1 представлена зависимость концентрации редуцирующих веществ от продолжительности ферментативного гидролиза.
Исходя из полученных данных (рисунок 1 и таблица 2), можно сделать вывод, что из исследуемых субстратов меньшая реакционная способность у исходного растительного сырья.
Таблица 1 - Характеристики субстратов
Субстрат Массовая доля*, %
а-целлюлоза целлюлоза по Кюршнеру пентозаны лигнин зола экстрактивные вещества
Солома пшеницы - 48,5 23,6 20,7 4,3 2,7
Солома овса - 46,9 22,4 18,2 6,6 5,6
Целлюлоза из соломы пшеницы 83,3 - 6,4 7,3 2,14 0,70
Целлюлоза из соломы овса 81,2 - 6,1 7,1 4,71 0,79
* - в пересчете на абсолютно сухое сырье ** - экстрагент - метилен хлористый
М.Н. ДЕНИСОВА
Рисунок 1 - Зависимость концентрации редуцирующих веществ от продолжительности ферментативного гидролиза соломы злаковых и гидротропной целлюлозы, полученной из них
После 8 ч гидролиза наблюдается схожий рост редуцирующих веществ, как для соломы пшеницы, так и для соломы овса. После 16 ч результаты гидролиза показывают о повышении роста концентрации редуцирующих веществ для соломы овса, при этом концентрация редуцирующих веществ при гидролизе соломы пшеницы остается практически на одном уровне на протяжении всего процесса.
Как и в случае гидролиза исходного сырья, образец целлюлозы из соломы овса, начиная с 8 ч и на протяжении всего процесса гидролиза характеризуется максимальным выходом редуцирующих веществ (60,9 % после 72 ч гидролиза).
Таким образом, результаты ферментативного гидролиза показали эффективность гидротропной обработки, так как это привело к увеличению степени конверсии.
Таблица 2 - Результаты ферментативного гидролиза соломы злаковых и гидротропной целлюлозы, полученной из них
Показатели ферментативного гидролиза Наименование субстрата
Солома пшеницы Солома овса Целлюлоза из соломы пшеницы Целлюлоза из соломы овса
Конечная концентрация редуцирующих веществ, г/л 3,11 4,35 20,0 21,2
Выход редуцирующих веществ в пересчете на массу субстрата, % 8,9 12,5 57,4 60,9
ВЫВОДЫ
Проведено исследование гидротропного способа получения целлюлозы из соломы злаковых, на примере соломы пшеницы и овса. Установлено, что полученные образцы целлюлозы характеризуются схожими показателями качества и содержат в своем составе до 83 % а-целлюлозы.
Исследование их реакционной способности к ферментативному гидролизу по сравнению с исходным растительным сырьем показало, что гидротропная обработка способствует увеличению степени конверсии, при этом максимальный выход редуцирующих веществ, достигнут при гидролизе образца целлюлозы из соломы овса - 60,9 %.
Работа выполнена при поддержке гранта по программе «УМНИК 15-11» по договору № 8494ГУ/2015 от 16.12.2015.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пен, Р. З. Делигнификация растительного сырья пероксидом водорода: экологический аспект / Р. З. Пен, А. В. Бывшев, А. А. Полютов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2008. - Вып. 4. - С. 278-280.
2. Вураско, А. В. Получение целлюлозы ще-лочно-окислительно-органосольвентным способом / А. В. Вураско, Б. Н. Дрикер, Э. В. Мертин, Г. В. Астра-това // Фундаментальные исследования. - 2012. -Т. 11, № 3. - С. 586-592.
3. Торгашов, В. И. Получение и бумагообра-зующие свойства целлюлозы из стеблей рапса и сои / В. И. Торгашов, Е. В. Герт, О. В. Зубец, Ф. Н. Капуцкий // Вестник БГУ. - 2008. - Сер. 2., № 2. - С. 12-20.
4. Куценко, Л. И. Получение сульфоэтиловых эфиров целлюлозы из отходов производства льняных волокон / Л. И. Куценко, А. М. Бочек, Е. Б. Каретникова, Е. В. Власова, В. З. Волчек // Химическая технология. - 2007. - Т. 8, № 5. - С. 218-221.
5. Кузнецов, Б. Н. Состав и применение растворимых продуктов каталитической окислительной делигнификации соломы пшеницы / Б. Н. Кузнецов, И. Г. Судакова, Н. В. Гарынцева, Н. М. Иванченко //
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СОЛОМЫ ЗЛАКОВЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ ГИДРОТРОПНЫМ СПОСОБОМ, И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
Химия в интересах устойчивого развития. - 2011. -№ 19. - С. 527-533.
6. Митрофанов, Р. Ю. Гидротропный метод получения целлюлозы из мискантуса / Р. Ю. Митрофанов, В. В. Будаева, М. Н. Денисова, Г. В. Сако-вич // Химия растительного сырья. - 2011. - № 1. -С. 25-32.
7. Denisova, M. N. Pulps isolated from Miscan-thus, oat hulls, and intermediate flax straw with sodium benzoate / M. N. Denisova, V. V. Budaeva, I. N. Pavlov // The Korean Journal of Chemical Engineering. - 2015. - Vol. 32, № 2. - P. 202-205.
8. Денисова, М. Н. Гидротропная делигнифика-ция недревесного сырья : дис. ... канд. техн. наук : 05.21.03 / М.Н. Денисова. - Бийск, 2014. - 137 с.
9. Makarova, E. I. Glucose hydrolyzate from hydro-tropic miscanthus pulp (Tween-80 effect) / E. I. Makarova, M. N. Denisova, I. N. Pavlov, V. V. Budaeva, G. V. Sakovich // Russian Chemical Bulletin - 2014. -№ 9. - С. 2156-2159.
10. Denisova, M. N. Enzymatic hydrolysis of hydro-tropic pulps at different substrate loadings / M. N. Denisova, E. I. Makarova, I. N. Pavlov, V. V. Budaeva, G. V. Sakovich // Applied Biochemistry and Biotechnology. - 2016. - Vol. 178, № 6. - Р. 1196-1206.
11. Оболенская, А. В. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы / А. В. Оболенская, З. П. Ельницкая, А. А. Леонович. - М. : Экология, 1991. - 320 c.
Денисова Марина Николаевна, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории биоконверсии, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), e-mail: aniram-1988@mail.ru, тел.: (3854) 30-59-85.
