CC BY
89
Химия растительного сырья. 2012. №1. С. 31-37.
Биополимеры растений
УДК 541.64.02/04
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ, СТЕБЛЕЙ РЖИ, РАПСА И СОИ
© В.И. Торгашов , О.В. Зубец, Е.В. Герт, Ф.Н. Капуцкий
Учреждение Белорусского государственного университета «НИИ физико-химических проблем», Минск (Республика Беларусь), e-mail: cell@niks.by
Для сравнительного исследования тонкой надмолекулярной структуры целлюлозы из лиственной древесины, стеблей масличных и злаковых культур использованы трансмиссионная электронная микроскопия в сочетании с методиками ультразвукового диспергирования объектов и гидролиза их до «предельной степени полимеризации», а также рентгенофазовый анализ. Основу волокнистого строения целлюлозы всех видов составляют однородные микрофибриллы с поперечным размером 100 А. Микрокристаллы всех разновидностей целлюлозы характеризуются игольчатой морфологией, что наряду с данными рентгеновской дифракции свидетельствует о принадлежности их к полиморфной модификации целлюлоза-I. Обсуждена вероятная причина наблюдения некоторыми авторами на рентгенограммах соломенной целлюлозы рефлексов разных полиморфных модификаций.
Ключевые слова: древесина, целлюлоза, стебли ржи, рапса, сои, электронная микроскопия, морфология, микрофибриллы, микрокристаллы, рентгенограммы, полиморфные модификации.
Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (проект В-852). Введение
Древесина остается основным сырьевым источником для постоянно растущего производства целлюлозы и волокнистых полуфабрикатов. Частичная замена ее на альтернативное однолетнее растительное сырье является наиболее реальной возможностью сохранения лесных ресурсов и экологии природной среды. Показательна в этом отношении целлюлозно-бумажная промышленность Китая, где доля недревесной целлюлозы в общем объеме производства составляет около 30% [1]. К общепризнанному однолетнему сырью для получения бумаги и картона относятся текстильные волокна (хлопок, лен, конопля, рами, джут) и солома злаковых культур (пшеница, рожь, рис, эспарто, тростник) [2, с. 34]. Не прекращается поиск дополнительных сырьевых материалов. Показана, например, пригодность борщевика Сосновского («травы Геракла») [3], соломы гречихи, плодовых оболочек (шелухи) риса, овса и гречихи [4].
В 1990-е гг. нами было предложено выделять целлюлозные полуфабрикаты из стеблей рапса и других масличных культур в связи с началом их стремительного распространения в Беларуси, в том числе и по программе реабилитации территорий, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС [5]. Это предложение мотивировалось довольно высоким содержанием в стеблях масличных культур целлюлозы и надежной дезактивацией растительной ткани в условиях азотнокисло-натронного способа делигнификации [6]. В последние годы организацию производства целлюлозных полуфабрикатов из стеблей рапса сочли целесообразным и специалисты Украинского НИИ бумаги [7]. Соответствующие аргументированные предложения внесены ими в Государственную комплексную программу производства дизельного биотоплива на основе рапсового масла, аналогичную той, которая существует и в Беларуси. Стебли масличных культур не находят в сельском хозяйстве столь масштабного применения, как солома хлебных злаков, и с учетом повсеместного развития производства дизельного биотоплива представляются нам перспективным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Однако на сегодняшний день этот вид сырья и получаемая из него продукция изучены мало.
* Автор, с которым следует вести переписку.
В данной статье обсуждаются результаты сравнительного исследования морфологической и фазовой структуры целлюлозы из лиственных пород древесины, стеблей масличных и злаковых культур. Проведение этого исследования стимулировала и появившаяся информация [8] об отличии кристаллической структуры соломенной целлюлозы от структуры целлюлозы из традиционных сырьевых источников.
Экспериментальная часть
Основными объектами исследования являлись образцы небеленой целлюлозы, выделенной в относительно мягких условиях азотнокисло-натронным способом из стеблей ярового рапса и сои. Условия де-лигнификации растительных материалов и методики анализа целлюлозы на содержание сопутствующих компонентов указаны в работе [9]. Содержание остаточного лигнина, пентозанов и золы составляло соответственно в целлюлозе из рапса 4,3, 17,1 и 1,5%, а в целлюлозе из сои - 4,5, 18,2 и 1,1%.
Объектами сравнения служили промышленная беленая бисульфитная целлюлоза из лиственных пород древесины, производимая на Светлогорском ЦКК, и целлюлоза из озимой ржи азотнокисло-натронного способа делигнификации [9]. Содержание остаточного лигнина, пентозанов и золы в последней составляло 2,2, 15,0 и 0,9%.
Трансмиссионный электронный микроскоп ЭМ-125 при ускоряющем напряжении 75kV использовали для изучения морфологического строения объектов на уровне микрофибрилл и микрокристаллов. Для выделения микрофибрилл из волокон применяли ультразвуковое диспергирование разбавленных водных суспензий целлюлозы на установке УЗДН-2т (22 кГц, 0,5 ч). Осаждение наиболее тонких продуктов диспергирования на свежерасщепленную поверхность слюды проводили после отстаивания суспензий с целью осаждения крупных фрагментов. Аналогичные препаративные процедуры предшествовали исследованию микрокристаллов после их выделения путем гидролиза волокон целлюлозы 2,5 М раствором кипящей HCl при жидкостном модуле 50 мл/г в течение 1 ч до так называемой предельной степени полимеризации. Препараты микрофибрилл и микрокристаллов для просмотра в микроскопе готовили методом самооттененных Pd-C реплик с использованием вакуумного испарителя ВУП-4к.
Рентгенограммы объектов исследования записывали на дифрактометре HZG-4/a (Cuka - излучение, Ni - фильтр) при скорости сканирования сцинтилляционного счетчика квантов 1 град/мин. Образцы для съемки в виде плоских дисков одинаковой массы (200 мг) готовили методом прессования. Условия полготовки всех образцов и записи рентгенограмм были идентичными. Для расчета индекса кристалличности использовали методику [10].
Обсуждениерезультатов
В работе [9] методами оптической и растровой электронной микроскопии было показано, что в состав целлюлозы из стеблей масличных культур входят те же самые анатомические элементы (волокнистые и сопутствующие им неволокнистые), что и в состав хорошо изученной на уровне разрешающей способности оптического микроскопа целлюлозы из соломы хлебных злаков. Соломенная целлюлоза нашла широкое применение в бумажной промышленности благодаря преобладанию в ее составе относительно коротких (до 1,5 мм), тонких (13-15 мкм) лентообразных лубяных волокон с характерными элементами продольного закручивания, мелкими порами и заостренными концами. Известно определенное морфологическое сходство этих волокон с волокни-стыми клетками либриформа лиственной древесины, однако последние заметно толще [2, с. 34].
Трансмиссионные электронные микрофотографии (рис. 1) отображают морфологию «конструктивных» элементов лубяных волокон целлюлозы из стеблей рапса и сои, а также (для сравнения) волокон либриформа лиственной целлюлозы на тонком надмолекулярном уровне, достигаемом в результате ультразвукового диспергирования объектов. Как видно, наиболее глубокому уровню продольного расщепления волокон целлюлозы всех указанных видов под действием ультразвуковых волн соответствуют весьма одно -родные микрофибриллы с поперечным размером ~ 100 А. Аналогичная картина фибриллярного строения характерна и для целлюлозы из соломы хлебных злаков. Очевидно, что именно эти микрофибриллы (рис. 1в) служат «строительным материалом» для более крупных фибриллярных агрегатов и в конечном счете волокон. Таким образом, в основе строения волокон целлюлозы из лиственных пород древесины, стеблей масличных культур и хлебных злаков лежит один и тот же структурный элемент - микрофибрилла с поперечным размером ~ 100 А. Следует отметить, что поперечный размер микрофибрилл целлюлозы из разных сырьевых источников может существенно различаться, например, в случае хлопковой целлюлозы он составляет ~ 250 А [2]. По нашим наблюдениям, целлюлоза из стеблей масличных и злаковых культур более склонна к продольной дезагрегации, чем лиственная целлюлоза. Причиной большей агрегативной устойчивости целлюлозы из лиственных пород древесины может быть заметное превосходство ее над целлюло-
зой однолетних растений по кристалличности, что следует даже из визуального сравнения интенсивности и ширины рефлексов соответствующих однотипных рентгенограмм, приведенных на рисунке 2. Согласно угловому распределению рефлексов все объекты исследования относятся к полиморфной модификации целлюлоза-1. Установлено присутствие только этой модификации и в отдельно рассмотренной белоснежной губчатой массе, заполняющей внутреннюю полость стеблей рапса и сои [9]. Рефлексы только целлю-лозы-1 наблюдались на рентгенограммах целлюлозных полуфабрикатов, выделенных нами в относительно мягких условиях делигнификации азотнокисло-натронным способом из различных видов травянистых растений: осоко-злакового разнотравья, соломы ржи, овса, льна, кипрея (Иван-чая).
а) б)
Рис. 1. Трансмиссионные электронные микрофотографии микрофибрилл целлюлозы из лиственных пород древесины (а), стеблей рапса (б, в) и сои (г)
а)
40 45
2 0, ёе§
б)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
2 0,
500
0
0
0
5
15
20
25
30
35
В)
40 45
2 ® , ёе§
Рис. 2. Рентгенограммы целлюлозы из лиственных пород древесины (а), стеблей рапса (б) и сои (в)
В связи с этим неожиданны данные работы [8], согласно которым кристаллическая структура целлюлозы из соломы хлебных знаков, в отличие от кристаллической структуры хлопковой и древесной целлюлозы, - это смесь разновидностей полиморфных модификаций. Это утверждение противоречит результатам многолетних наблюдений и устоявшемуся представлению о том, что в процессе биосинтеза целлюлозы, независимо от ее происхождения, всегда формируется кристаллическая решетка природной полиморфной модификации, обозначаемой на основании индивидуальности рентгенограммы как целлюлоза-1. Другие полиморфные модификации с характерными рентгенограммами являются, по сути дела, искусственными, сформированными путем определенного воздействия (совокупности или последовательности воздействий) на кристаллическую решетку целлюлозы-1. По данным ИК-спектроскопии, действительно, существует несколько разновидностей природной модификации, отличающихся системой водородных связей, в некоторых видах целлюлозы, например, бактериальной, рами, туницина [11]. Однако твердо установлено, что препараты природной целлюлозы с разными ИК-спектрами дают одинаковую картину дифракции рентгеновских лучей, поскольку различия в системах водородных связей сопровождаются лишь незначительными изменениями электронной плотности [11].
На приведенных в работе [8] рентгенограммах целлюлозы из соломы овса, ржи и пшеницы, помимо довольно размытых рефлексов целлюлозы-1, присутствуют рефлексы, характерные для целлюлозы-П (отчетливый при 2© ~ 12 град. и слабый, в виде плеча, при 2© ~ 20 град.), а также неожиданно четкий рефлекс в области 2© ~ 24-25 град. Последний, согласно имеющимся данным [11], может иметь отношение и к модификации целлюлоза-1У, и к наименее изученной модификации целлюлоза-х. По нашему убеждению, наблюдаемые в работе [8] отклонения от кристаллической структуры целлюлозы-1 привнесены в конечные продукты жесткими условиями делигнификации исходного растительного сырья. Использовалась 3 -часовая
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
30
35
обработка соломы водно-этанольной смесью (1 : 1) в присутствии №ОН при 150 °С и давлении 6 атм. В условиях столь жесткого воздействия иа растительную ткань логично допустить частичное полиморфное превращение ее компонента целлюлозы-1 как в целлюлозу-П (через образование алкоголятов), так и в цел-люлозу-1У, формирование которой всегда является результатом высокотемпературной обработки в жидких средах (глицерине, растворе щелочи) [11]. При этом нельзя не принимать во внимание вероятность повышенной податливости полиморфным превращениям соломенной целлюлозы-1, в сравнении с целлюлозой-1 более высокой кристалличности из хлопкового и древесного сырья.
Наряду с рентгенофазовым анализом для сравнительной оценки структурной упорядоченности объектов исследования использовали известную методику кислотного гидролиза целлюлозы до так называе -мой предельной степени полимеризации. В соответствии с ней величина выхода трудногидролизуемой (микрокристаллической) фракции прямо пропорциональна кристалличности исходного материала, а потеря его массы в результате гидролиза - соответственно обратно пропорциональна. Значения количественной оценки кристалличности объектов исследования этими независимыми методами находятся в хорошей корреляции. В порядке убывания индекса кристалличности, рассчитанного из рентгенограмм, и соответственно возрастания потери массы при гидролизе (вторая цифра в скобках) объекты располагаются в ряд: лиственная целлюлоза - 0,64 (21,0%); целлюлоза из стеблей сои - 0,59 (23,5%); рапса - 0,57 (26,6%); ржи - 0,55 (31,6%). Как видно по обоим показателям, целлюлоза из соломы ржи оказывается наименее кристаллич-ной. Величина потери ею массы в процессе гидролиза значительно превышает таковую у целлюлозы из стеблей сои, несмотря на более высокое содержание в последней неустойчивых к гидролизу пентозанов (18,2% против 15,0%). Целлюлоза из стеблей сои наиболее близка по кристалличности к целлюлозе из лиственных пород древесины, что согласуется с данными работы [9] о тождественности капиллярно-пористого строения и плотности стенки стебля сои некоторым породам древесины.
Анализ имеющихся данных электронно-микроскопических исследований кристаллической структуры целлюлозы [12, с. 17-57, 13] позволяет отметить следующее. Микрокристаллы целлюлозы основных полиморфных модификаций I и II характеризуются разной морфологией. Идентификация по морфологическим признакам иглоподобных микрокристаллов целлюлозы-1 и более мелких гранулоподобных микрокристаллов целлюлозы-П (регенерированной и мерсеризованной) столь же проста, как и по рентгенограммам. Заметные морфологические отличия между игольчатыми микрокристаллами целлюлозы-1 разного происхождения, исходящие из разницы в размерах, установлены лишь для хлопкового и древесного сырья. Морфология и размеры микрокристаллов целлюлозы-1 из разных пород древесины столь схожи, что распознание этих разновидностей по их изображению не представляется возможным.
В связи с изложенным выше интересно сравнение морфологии микрокристаллических форм древесной целлюлозы и целлюлозы из обсуждаемого однолетнего растительного сырья. Электронные микрофотографии соответствующих препаратов представлены на рисунке 3. Как видно, частицы устойчивой к гидролизу фракции всех объектов исследования характеризуются морфологией, типичной для агрегированных игольчатых микрокристаллов нативной целлюлозы (целлюлозы-1), что согласуется с данными рентгеновской дифракции. По морфологии и размерам агрегаты микрокристаллов целлюлозы из лиственных пород древесины и разных видов однолетнего растительного сырья практически неотличимы. Из сравнения ширины дифракционных максимумов на соответствующих рентгенограммах (см. рис. 2) следует, что микрокристаллы (кристаллиты) лиственной целлюлозы крупнее кристаллитов целлюлозы из однолетних растений. По имеющимся данным [12], среднее значение «предельной степени полимеризации» древесной сульфитной целлюлозы составляет около 200 ангидроглюкозных единиц. Исходя из протяженности ангид-роглюкозного звена - 5,15 А и вытянутой конформации макромолекул целлюлозы средний продольный размер ее микрокристаллов должен быть около 1000 А 0,1 мкм). В электронном микроскопе наблюдаются более протяженные образования из-за чрезвычайно высокой склонности микрокристаллов к агрегации (преимущественно продольной) в процессе их осаждения из разбавленных суспензий на подложку. Поведение микрокристаллов напоминает поведение железных опилок, ориентированных по силовым линиям магнитного поля. По этой причине различие в размерах микрокристаллов лиственной целлюлозы и целлюлозы из однолетних растений на электронных микрофотографиях не видно (см. рис. 3). Тем не менее данные электронной микроскопии (так же, как и рентгеновской дифракции) подтверждают общность морфологического строения и фазовой принадлежности микрокристаллов целлюлозы из традиционных сырьевых источников и из однолетних растений, включая масличные.
Рис. 3. Трансмиссионные электронные микрофотографии микрокристаллов целлюлозы из лиственных пород древесины (а), соломы ржи (б), стеблей рапса (в) и сои (г)
Выводы
1. Основу волокнистого строения целлюлозы из лиственных пород древесины, стеблей ржи, рапса и сои составляют одни и те же структурные элементы - однородные микрофибриллы с поперечным размером ~ 100 А.
2. Микрокристаллы целлюлозы из лиственной древесины, стеблей масличных и злаковых культур характеризуются игольчатой морфологией, присущей полиморфной модификации целлюлоза-I, о чем свидетельствуют и данные рентгеновской дифракции.
Список литературы
1. Целлюлозно-бумажный рынок Китая // Бумага и жизнь [Электронный ресурс] 04.11.2005. Режим доступа: http://www.paperandlife.com/news/news/2005/ll/04/tselljulozno_bumazhn_2381.html
2. Иванов С.Н. Технология бумаги. М., 1970. 695 с.
3. Мусихин П.В., Сигаев А.И. Исследование физических свойств и химического состава борщевика Сосновского и получение из него волокнистого полуфабриката // Современные наукоемкие технологии. 2006. №3. С. 65-68.
4. Вураско A.B., Минакова А.Р., Гулемина H.H., Дрикер Б.Д. Физико-химические свойства целлюлозы, полученной окислительно-органосольвентным способом из растительного сырья // Леса России в XXI веке: 1-я международная научно-практическая интернет-конференция [Электронный ресурс] 2009. Режим доступа: http://ftacademy.ru/science/internet-conference/index.php?c=1&a=66
5. Torgashov V.I., Gert E.V., Zubets O.V. at all. // International Ecological Congress. Voronezh 1996. Proceedings and Abstracts. Section: Technology and the Environment. Korenman M.Y. ed Kansas State University. Manhattan. Kansas. USA. 1996. P. 37.
6. Капуцкий Ф.Н., Торгашов В.И., Зубец O.B., Герд Е.В., Джонс Д.Л., Финк Г.П. Дезактивация однолетнего растительного сырья в условиях азотнокисло-натронного способа получения целлюлозы // Известия нац. академии наук Беларуси. Сер. хим. наук. 2009. №1. С. 83-86.
7. Коптюх Л. Недревесная целлюлоза. О расширении сырьевой базы производства волокнистых полуфабрикатов // Бумага и жизнь. 2008. (73) №7. [Электронный ресурс] 2008. Режим доступа: http://paperandlife.com/journal/onlinejournal/2006/july/nonwood/
8. Кочева Л.С. Структурная организация и свойства лигнина и целлюлозы травянистых растений семейства злаковых: автореф. дис. ... д-ра хим. наук. Архангельск, 2008. 42 с.
9. Торгашов В.И., Герт Е.В., Зубец О.В., Капуцкий Ф.Н. Сравнительное исследование условий выделения, морфологии и свойств целлюлозы из стеблей злаковых и масличных культур // Химия растительного сырья. 2009. №4. С. 45-54.
10. Иоелович М.Я., Веверис Г.П. Определение содержания целлюлозы-II рентгенографическим методом внутреннего стандарта // Химия древесины. 1983. №2. С. 10-14.
11. Джонс Д.В. Дифракция рентгеновских лучей и электронов. В. 1. Структурные исследования // Целлюлоза и ее производные / под ред. Н. Байклза и Л. Сегала; пер. с англ. под ред. З.А. Роговина. Т. 1. М., 1974. С. 119-154; Элефенсон Ё., ТённисенБ. В. 2. Полиморфные модификации // Там же. С. 154-182.
12. Battista O.A. Microcrystal polymer science. N.Y., 1975. 208 с.
13. Герт Е.В., Матюлько A.B., Зубец О.В., Шишонок М.В., Капуцкий Ф.Н. Азотнокислый способ получения порошковых форм цеплюлозы-II с различной морфологией и их сравнительная структурно-сорбционная характеристика // Журналприкладнойхимии. 2003. Т. 76. С. 1375-1381.
Поступило в редакцию 9 марта 2011 г.
