Научная статья на тему 'Обработка соломы пшеницы в среде сверхкритического диоксида углерода'

Обработка соломы пшеницы в среде сверхкритического диоксида углерода Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
143
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛОМА ПШЕНИЦЫ / WHEAT STRAW / СВЕРХКРИТИЧЕСКИЙ ДИОКСИД УГЛЕРОДА / SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE / ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ / ENZYMATIC HYDROLYSIS / СО 2-ЭКСТРАКТ / СО 2 EXTRACT

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Хоанг Куанг Кыонг, Фомина Елена Сергеевна, Евстафьев Сергей Николаевич, Привалова Елена Андреевна

Приведены результаты изучения влияния температуры и давления на выход и состав экстрактивных веществ, выделенных из соломы пшеницы в статических условиях процесса сверхкритическим диоксидом углерода в интервале температур 110-200°С и давления 10-20 МПа, и на реакционную способность соломы к ферментативному гидролизу. Установлено, что увеличение температуры и давления процесса способствует повышению выхода СО 2-экстракта. В его составе идентифицировано более 70 соединений, представленных алканами, сложными эфирами, карбоновыми кислотами, альдегидами, кетонами, стеролами и др. Показано, что обработка соломы пшеницы сверхкритическим диоксидом углерода в статических условиях повышает ее реакционную способность к ферментативному гидролизу.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Хоанг Куанг Кыонг, Фомина Елена Сергеевна, Евстафьев Сергей Николаевич, Привалова Елена Андреевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SUPERCRITICAL СО 2-TREATMENT OF WHEAT STRAW

The article reports on the results of studying temperature and pressure effect on the yield and composition of wheat straw extracts isolated by a supercritical carbon dioxide under static conditions within the temperature range of 110-200°C and pressure of 10-20 MPa. The СО 2-treated wheat straw ability to enzymatic hydrolysis is examined as well. It is found that with the raise in pressure and temperature of the process the СО 2 extract yield increases. The authors have identifies more than 70 compounds represented by alkanes, esters, carboxylic acids, aldehydes, ketones, sterols and others to compose the extract. Wheat straw subjected to supercritical СО 2 static treatment is shown to improve its enzymatic hydrolysis ability.

Текст научной работы на тему «Обработка соломы пшеницы в среде сверхкритического диоксида углерода»

7. Reape T.J., McCabe P.F. Apoptotic-like regulation of programmed cell death in plants // Apoptosis. 2010. V.15. P.249-256.

8. Rikhvanov E.G., Gamburg K.Z., Varakina N.N., Rusaleva T.M., Fedoseeva I.V., Tauson E.L., Stupnikova I.V., Stepanov A.V., Borovskii G.B., Voinikov V.K. Nuclear-mitochondrial crosstalk during heat shock in Arabidopsis cell culture / The Plant Journal. 2007. V.52. P.763-778.

9. Samali A., Holmberg C.I., Sistonen L., Orrenius S. Thermo-tolerance and cell death are distinct cellular responses to stress: dependence on heat shock proteins / FEBS Letters 461. 1999. P.306-310.

10. Xanthoudakis S., Roy S., Rasper D., Hennessey T., Aubin Y., Cassady R., Tawa P., Ruel R., Rosen A., Nicholson D.W. Hsp60 accelerates the maturation of pro-caspase-3 by upstream activator proteases during apoptosis / EMBO Journal. 1999. V.18. P.2049-2056.

УДК 577.15

ОБРАБОТКА СОЛОМЫ ПШЕНИЦЫ В СРЕДЕ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

© Хоанг Куанг Кыонг1, Е.С. Фомина2, С.Н. Евстафьев3, Е.А. Привалова4

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты изучения влияния температуры и давления на выход и состав экстрактивных веществ, выделенных из соломы пшеницы в статических условиях процесса сверхкритическим диоксидом углерода в интервале температур 110-200°С и давления 10-20 МПа, и на реакционную способность соломы к ферментативному гидролизу. Установлено, что увеличение температуры и давления процесса способствует повышению выхода СО2-экстракта. В его составе идентифицировано более 70 соединений, представленных алканами, сложными эфирами, карбоновыми кислотами, альдегидами, кетонами, стеролами и др. Показано, что обработка соломы пшеницы сверхкритическим диоксидом углерода в статических условиях повышает ее реакционную способность к ферментативному гидролизу. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: солома пшеницы; сверхкритический диоксид углерода; ферментативный гидролиз; СО2-экстракт.

SUPERCRITICAL СОг-TREATMENT OF WHEAT STRAW Hoang Quang Cuong, E.S. Fomina, S.N. Evstafyev, E.A. Privalova

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article reports on the results of studying temperature and pressure effect on the yield and composition of wheat straw extracts isolated by a supercritical carbon dioxide under static conditions within the temperature range of 110-200°C and pressure of 10-20 MPa. The C02-treated wheat straw ability to enzymatic hydrolysis is examined as well. It is found that with the raise in pressure and temperature of the process the СО2 extract yield increases. The authors have identifies more than 70 compounds represented by alkanes, esters, carboxylic acids, aldehydes, ketones, sterols and others to compose the extract. Wheat straw subjected to supercritical СО2 static treatment is shown to improve its enzymatic hydrolysis ability. 5 figures. 1 tables. 4 sources.

Key words: wheat straw; supercritical carbon dioxide; enzymatic hydrolysis; СО2 extract.

В настоящее время большинство развитых стран как в качестве исходного сырья использует биомассу,

в той или иной степени развивает альтернативную содержащую аккумулированную в форме углеводоро-

энергетику, поскольку понимает, что классические дов солнечную энергию. Получение биотоплива из

источники энергии исчерпаемы. В этом отношении лигноцеллюлозного сырья является одним из пер-

биоэнергетика обладает явным преимуществом, так спективных способов решения данной проблемы, и

1Хоанг Куанг Кыонг, студент, тел.: 89246244736, е-mail: uanqcuonqhvktqs@vahoo.com Hoang Quanq Cuonq, Student, tel.: 89246244736, e-mail: uanqcuonqhvktqs@yahoo.com

2Фомина Елена Сергеевна, старший преподаватель кафедры химии и пищевой технологии, тел.: (3952) 405122, е-mail: v35@istu.edu

Fomina Elena, Senior Lecturer of the Department of Chemistry and Food Technoloqy, tel.: (3952) 405122, e-mail: v35@istu.edu

3Евстафьев Сергей Николаевич, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химии и пищевой технологии, тел.: (3952) 405123, е-mail: esn@istu.edu

Evstafyev Serqey, Doctor of Chemistry, Professor, Head of the Department of Chemistry and Food Technoloqy, tel.: (3952) 405123, e-mail: esn@istu.edu

"Привалова Елена Андреевна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии и пищевой технологии, тел.: (3952) 405122, е-mail: v35@istu.edu

Privalova Elena, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Chemistry and Food Technoloqy, tel.: (3952) 405122, e-mail: v35@istu.edu

использование в качестве сырья соломы злаковых культур позволит частично заменить традиционные энергоресурсы.

Для повышения эффективности получения сбраживаемых сахаров методом ферментативного гидролиза используются различные способы обработки лигноцеллюлозного сырья, основанные на физических, механических, химических и биологических методах воздействия [1]. Как правило, все эти методы являются недостаточно эффективными и в экологическом плане не безопасными. Одним из наиболее перспективных способов предподготовки лигноцеллюлозного сырья является суб- или сверхкритическая экстракция диоксидом углерода. Эта новая, щадящая технология выделения растительных компонентов основана на способности двуокиси углерода при температурах и давлениях выше критических трансформироваться в определенное агрегатное состояние, которое называется флюидным. При этом, плотность сверхкритического флюида незначительно отличается от плотности жидкости, то есть флюид обладает значительной емкостью, вязкость близка к вязкости газа, коэффициент диффузии имеет промежуточное значение, что существенно ускоряет процессы массопере-носа. Такое сочетание свойств делает чрезвычайно привлекательным использование сверхкритического диоксида углерода в качестве экстрагента.

Современная экстракционная промышленность вынуждена использовать растворители - экстрагенты, обладающие не только большей извлекающей способностью, но и отвечающие требованиям современных стандартов качества и гигиены. Одним из решений данной проблемы является применение в качестве экстрагента сжиженного СО2 газа. Биологически

активные вещества в СО2-экстрактах находятся в легко усвояемых формах - в жирорастворенном состоянии. Кроме того, биологически активные вещества сохраняются в СО2-экстрактах в нативном (живом) виде и естественных пропорциях. По сравнению с другими традиционными растворителями, использующимися при выделении биологически активных веществ (петролейный эфир, бензол, гексан, изопропанол, три-хлорэтилен и пр.), неоспоримыми преимуществами сверхкритического диоксида углерода являются: стабильность, инертность, негорючесть, дешевизна и доступность. Использование диоксида углерода безопасно для окружающей среды, он легко отделяется от продуктов экстракции при снижении давления. При обработке лигноцеллюлозы предполагается [2], что диоксид углерода в сверхкритических условиях вызывает механическое разрушение лигноцеллюлозного комплекса без заметного гидролиза полисахаридов.

Целью работы являлось выявление влияния давления и температуры процесса сверхкритической СО2-экстракции на выход и состав экстрагируемых веществ из соломы пшеницы и эффективность ее ферментативного гидролиза.

Экспериментальная часть

В работе использовали воздушно-сухие, измельченные до крупности 1-5 мм образцы соломы пшеницы. Компонентный состав соломы, в % на абсолютно сухую массу (а.с.м.): целлюлоза 41,9, лигнин 23,5, пентозаны 18,9.

Сверхкритическая СО2-экстракция пшеницы выполнена в статических условиях на установке R-401 производства южнокорейской компании «Reaction Engineering», принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема установки СОт-экстракции: 1 - реактор; 2 - приемник; 3 - подогреватель;

4 - холодильник; 5 и 6 - насосы высокого давления

В термостатированный при заданной температуре реактор объемом 0,5 дм3 помещали контейнер с предварительно высушенной в сушильном шкафу (105оС) навеской пшеницы (2-3 г). После герметизации в реактор насосом высокого давления со скоростью 10 см3/мин подавали жидкий диоксид углерода до создания рабочего давления и фиксировали время начала опыта. По истечении времени опыта диоксид углерода с экстрактом выводили в приемник, где поддерживали температуру 40оС и давление 5 МПа.

Образцы соломы до и после обработки подвергали ферментолизу. Подготовка образцов для ферментативного гидролиза включала сушку при 65-70°С, измельчение и просеивание с отбором фракции крупностью менее 1 мм.

Для гидролиза был использован ферментный комплекс «Целлолюкс-А» с целлюлазной активностью 2000 ед/г (ПО «Сиббиофарм», Бердск).

Гидролиз проводили при температуре 50°С, рН 4,7-4,8 (ацетатный буфер) и интенсивном перемешивании реакционной среды со скоростью 100 об/мин. Концентрация ферментного препарата в реакционной среде 2,5 мг/см , отношение массы субстрата к массе раствора 1:50. По окончании гидролиза субстрат отделяли от гидролизата фильтрованием.

Степень гидролиза целлюлозы оценивали по изменению концентрации редуцирующих веществ в гид-ролизатах, которую определяли методом Дюбуа (фенол-сернокислотный метод) [3]. Интенсивность поглощения регистрировали на спектрофотометре КФК-3 при 490 нм. Концентрацию углеводов рассчитывали по калибровочному графику, в качестве стандарта для построения калибровочного графика использовали раствор глюкозы с известной концентрацией.

Состав СО2-экстрактов и продуктов ферментативного гидролиза соломы анализировали методом ГХ-МС на хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором НР 5975 фирмы «Agilent Technologies». Энергия ионизации - 70 эВ. Температура сепаратора -280 оС, ионного источника -230 оС. Кварцевая колонка 30000 х 0,25 мм со стационарной фазой (95% диметил - 5% дифенилполисилок-сан).

Условия анализа СО2-экстрактов: 3 мин изотермы при 100оС с последующим подъемом температуры до 250оС со скоростью 4 град/мин с выдержкой в течение 75 мин при 250оС.

Условия анализа моносахаридов: 3 мин изотермы при 125оС с последующим подъемом температуры до 250оС со скоростью 6 градусов в минуту с выдержкой в течение 10 мин при 250оС. В качестве внутреннего стандарта использовали ксилит. Анализировали образцы после силилирования смесью триметилхлорси-лана и гексаметилдисилазана в среде пиридина [4].

Идентификацию компонентов осуществляли с использованием библиотеки масс-спектров «NIST11». Относительное количественное содержание компонентов СО2-экстрактов вычислено методом внутренней нормализации по площадям пиков без корректирующих коэффициентов чувствительности.

Обсуждение результатов

В результате выполненной работы получили данные о количественном выходе СО2-экстракта из соломы пшеницы в зависимости от температуры в интервале 110-200 °С при постоянном давлении 30 МПа (рис. 2) и в зависимости от давления в интервале 1030 МПа при температуре 200 оС (рис. 3). Продолжительность обработки составляла 60 мин.

Рис. 2. Зависимость выхода СОт-экстракта соломы пшеницы от температуры (30 МПа, 60 мин)

Рис. 3. Зависимость выхода СО2-экстракта соломы пшеницы от давления (200оС, 60 мин)

Согласно полученным данным, в статических условиях экстракции сверхкритическим диоксидом углерода повышение давления в интервале 10-30 МПа и температуры в интервале 110-200 оС способствует увеличению выхода экстракта. Максимальный выход СО2-экстракта (0,73% на а.с.м.) получен при давлении 30 МПа и температуре 200оС. Зависимость выхода экстракта от давления близка к линейной. При повышении температуры в интервале 110-150оС прирост выхода экстракта незначительный. Наиболее выраженное увеличение выхода экстракта наблюдается при температурах выше 150оС.

Повышение температуры и давления процесса не только способствует повышению выхода СО2-экстракта, но и влияет на его групповой состав (рис. 4 и 5).

В составе экстрактов идентифицировано более 70 соединений. Независимо от условий процесса обра-

ботки основными групповыми компонентами экстрактов являются углеводороды, сложные эфиры и стеро-лы. В следовых количествах присутствуют альдегиды и спирты. В составе углеводородов более 80% приходится на алканы С14-С32, остальная часть представлена терпенами, моноалкилбензолами и циклоалка-нами. Основным компонентом терпенов является лимонен. В составе экстрактов в минорных количествах обнаружены терпеноиды: о-цимол, изоцениол и тер-пинеол.

Сложные эфиры СО2-экстрактов включают эфиры аскорбиновой кислоты и лактоны гидроксикислот С12-С16. При повышении температуры процесса доля сложных эфиров и карбоновых кислот состава С8-С18 в экстрактах повышается, а доля кетонов и стеролов снижается. Основными представителями кислот являются олеиновая и стеариновая кислоты, кетонов -метилкетоны С15-С18, стеролов - в-ситостерол.

Рис. 4. Зависимость группового состава СО2-экстрактов от температуры (30 МПа, 60 мин): 1 - кетоны; 2 - углеводороды; 3 - карбоновые кислоты; 4 - сложные эфиры; 5 - стеролы; 6 - альдегиды; 7 - спирты

Рис. 5. Зависимость группового состава СО2-экстрактов от давления (200 С, 60 мин): 1 - кетоны; 2 - углеводороды; 3 - карбоновые кислоты; 4 - сложные эфиры; 5 - стеролы; 6 - альдегиды; 7 - спирты

Увеличение выхода СО2-экстрактов при изменении давления процесса получено за счет извлечения карбоновых кислот, стеролов и высокомолекулярных спиртов.

Обработка соломы пшеницы сверхкритическим диоксидом углерода в статических условиях повышает ее реакционную способность к ферментативному гидролизу в 3,5-4,5 раза (таблица). Степень гидролиза целлюлозы соломы в зависимости от условий обработки изменяется от 16,4 до 22,7%. Отмечено снижение ее при использовании температуры выше 150оС и давления более 20 МПа.

В составе гидролизатов методом ГХ-МС идентифицированы арабиноза, ксилоза, глюкоза, галактоза и в минорных количествах манноза. Доминирующими моносахаридами являются глюкоза и ксилоза.

Выводы

В результате проведенной работы было показано,

что:

1. Увеличение температуры и давления в условиях сверхкритической СО2-экстракции способствует

Библиограф

1. Справочник химика: в 6 т. / Никольский Б.П., Григоров О.Н., Позин М.Е. и др. Л.: Химия, 1968. Т.5. 974 с.

2. Kim, K., Hong, J. Supercritical CO2 pretreatment of lignocellu-lose enhances enzymatic cellulose hydrolysis // Bioresource Technology. 2001. V.77. P.139-144.

повышению выхода экстракта из соломы пшеницы.

2. Основными групповыми компонентами СО2-экстрактов являются углеводороды, сложные эфиры и стеролы.

Степень ферментативного гидролиза целлюлозы соломы пшеницы, %

Условия проведения экстракции Степень гидролиза, %

Температура, оС Давление, МПа

110 30 22,7

150 30 22,1

200 30 16,4

200 20 19,2

200 10 19,3

Исходная солома 4,9

3. Обработка соломы пшеницы сверхкритическим диоксидом углерода в статических условиях повышает ее реакционную способность к ферментативному гидролизу.

Статья поступила 22.01.2014 г.

ский список

3. Dubois M., Gilles K.A. Colorimetric method for determination of sugars and related substances //Analyt. Chem. 1956. V.28, P.350-356.

4. Оводов Ю.С. Газожидкостная хроматография углеводов: обзор. Владивосток. Изд-во АН СССР, 1970. 70 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.