CC BY
83
УДК 544.77.032.16:664
А. Р. Ивлева, А. В. Канарский, Я. В. Казаков, Ю. В. Севастьянова
ВЛИЯНИЕ ЛИГНИНА И ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН
Ключевые слова: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы, водопоглощение, жиропоглощение.
Установлено, что адсорбционные свойства целлюлозы однолетних и многолетних растений по отношению к воде и жиру зависят от содержания остаточного лигнина и количества легкогидролизуемых полисахаридов. Показано, что с увеличением содержания лигнина и гемицеллюлозы уменьшается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру.
Key words: cellulose, lignin, hemicellulose, water holding capacity, fat binding capacity.
It was established that the adsorption properties of the pulp of annual and perennial plants in relation to water and fat depend on the content of residual lignin and the amount of easy-hydrolyzed polysaccharides. It is shown that with increase in the content of lignin and hemicellulose decreases their adsorption capacity with respect to water and fat.
Актуальность
Растительные волокна, формирующие клеточные стенки растений, в основном построены из полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ) и лигнина [1].
Значительное количество растительных волокон содержится в нетрадиционных видах одревесневшего растительного сырья: побочных продуктах переработки зерна, лиственной и хвойной древесине, тростнике, травах и других сельскохозяйственных культурах. Известно, что в растениях ежегодно образуется до 50 - 100 млрд. т целлюлозы и эквивалентное ей количество ГМЦ и лигнина [2].
Полисахариды находят широкое применение в промышленности и медицине. Перечень полисахаридов велик, каждый из них обладает рядом ценных свойств. В медицине полисахариды оказывают противоопухолевое, антисклеротическое, антитоксическое действие. В пищевой промышленности полисахариды придают продуктам определенную форму и консистенцию. Используют волокна так же для изготовления бумаги, картона, пленок, а так же применяют в химической и нефтяной промышленности.
Лигнин - это гетерополимер, образующийся из трех основных мономеров. Он является одним из самых стабильных органических соединений и трудно поддается экстракции из растительных тканей [3]. Именно лигнин придает древесине прочность. Для того, чтобы получить чистую целлюлозу для производства бумаги и вискозной бумаги, лигнин из древесины удаляется. Он является источником получения белого кристаллического альдегида, применяется в парфюмерной и фармацевтической
промышленности. Рассматривая физико-
химические свойства растительных волокон, следует выделить:
- гидрофильность и высокую
водоудерживающую способность, которая различается в зависимости от вида растительного волокна.
- высокую адсорбционную способность волокон по отношению к воде.
- склонность растительных волокон к биодеградации ферментами микроорганизмов [4].
В процессах адсорбции важнейшую роль играют аморфные области целлюлозы, в которых и происходят наибольшие изменения. Повышенная адсорбционная способность гемицеллюлоз и других нецеллюлозных полисахаридов обусловлена их аморфным строением, благодаря чему практически все гидроксильные группы доступны молекулам воды. Лигнин, в отличие от углеводов клеточной стенки, менее гидрофилен [5].
Высокая практическая ценность растительных волокон определяет необходимость более глубокого изучения их структуры и адсорбционных свойств, именно эти свойства предопределяют применение растительных волокон в различных отраслях промышленности [6].
Целью настоящей работы являлось исследование влияние содержания лигнина и гемицеллюлозы в волокнах однолетних и многолетних растений на их адсорбционные свойства.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение содержания остаточного лигнина и легкогидролизуемых полисахаридов в растительных волокнах.
2. Определение адсорбционных свойств растительных волокон по отношению к воде и жиру.
Материалы и методы исследований
Объектами исследования были
фракционированные и не фракционированные растительные волокна однолетних и многолетних растений. Не фракционированные волокна подвергались обработке в лабораторных условиях. Методика обработки описана в статье [6]. Фракционированные волокна обрабатывали механическим способом в промышленных условиях. Определение легкогидролизуемых полисахаридов определяли с помощью метода, описанным А.В. Оболенской [7].
В коническую колбу емкостью 500 мл помещают около 5 г (с точностью до 0,0002 г) волокон с известной влажностью и вливают 200 мл 2 % НС1. Реакционную колбу ставят на кипящую водяную баню и закрывают пробкой, в которую вставлен обратный холодильник. Через 3 ч гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов считают законченным.
Содержимое реакционной колбы переносят на фарфоровую воронку с бумажным фильтром и фильтруют с помощью насоса. Остаток на фильтре промывают горячей водой до отрицательной реакции на кислоту по метилоранжу и сохраняют для определения содержания трудногидролизуемых полисахаридов. Фильтрат и промывные воды собирают в мерную колбу и доводят объем их дистиллированной водой до 500 мл. После тщательного перемешивания в гидролизате легкогидролизуемых полисахаридов определяют концентрацию редуцирующих веществ по методу Бертрана или эбулиостатическим методом.
Содержание легкогидролизуемых полисахаридов вычисляют в процентах от абсолютно сухой целлюлозы по следующей формуле:
Хл = (сл¥к
где g - вес абсолютно сухой целлюлозы, взятой на анализ, г; сл - концентрация редуцирующих веществ в гидролизате легкогидролизуемых полисахаридов,
%; V - объем гидролизата, мл (500 мл); к л -коэффициент для пересчета моносахаридов в полисахариды (к л = 0,89).
Определение содержания лигнина определяли по числу Каппа согласно ГОСТ 10070-74.
Адсорбционная способность по отношению к воде и маслу определялись согласно методам, описанным в статье [8].
Обсуждение результатов
В таблицах 1 и 2 представлены результаты влияния содержания лигнина и гемицеллюлозы на адсорбционную способность фракционированных и не фракционированных волокон. Анализ представленных данных показывает, что адсорбционные свойства фракционированных волокон значительно ниже не фракционированных волокон. Это, видимо, связано с происхождением исходного сырья.
Адсорбционные свойства волокон
взаимосвязаны с содержанием гемицеллюлозы. С увеличением фракций уменьшается содержание гемицеллюлоз и увеличивается адсорбция по отношению к воде и маслу. Содержание лигнина в фракционированных и не фракционированных волокнах не значительно и существенного влияния на адсорбционные свойства не оказывает.
Таблица 1 волокон
Влияние лигнина и гемицеллюлозы на адсорбцию воды и жира не фракционированных
Вид образца Число Каппа/ содержание остаточного лигнина, % Кол-во легкогидролизуемых полисахаридов, % ВСС, % ЖСС, %
Не фракционированные волокна
Тростниковая 0,096 <0,1 16,64 <0,5 22,08 ±0,07 9,89 ±0,16
Лиственная Выборг ЦБК 0,089<0,1 16,35<0,5 23,8 ±0,36 11,97 ±0,08
Лиственная ОАО «АЦБК» 0,089<0,1 16,15<0,5 23,9 ±0,09 11,6 ±0,12
Соломенная 0,055<0,1 15,43<0,5 22,78 ±0,04 10,13 ±0,1
Таблица 2 - Влияние лигнина и гемицеллюлозы на адсорбцию воды и жира фракционированных волокон из соломы.
Вид образца Число Каппа/ содержание остаточного лигнина, % Кол-во легкогидролизуемых полисахаридов, % ВСС, % ЖСС, %
Фракционированные волокна из соломы, мм
итсе11 0,50 0,19<0,1 16,18<0,5 19,43 ±0,36 6,43 ±0,06
итсе11 0,20 0,17<0,1 17,68<0,5 12,91 ±0,31 5,24 ±0,42
итсе11 0,09 0,16<0,1 19,15<0,5 7,08 ±0,44 2,24 ±0,32
ИегЪоМ 0,50 0,14<0,1 18,09<0,5 18,1 ±0,17 6,93 ±0,16
ИегЪоМ 0,16 0,11<0,1 19,78<0,5 14,5 ±0,07 6,28 ±1,28
Выводы
Показано, что с увеличением содержания гемицеллюлозы в растительных волокнах уменьшается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру. Существенного влияния лигнина у изученных волокон не установлено
Литература
1. С.В. Макурина. Дисс. канд. техн. наук, Московский гос. ун-т прикладной биотехнологии, Москва, 2007. 200 с.
2. М.А. Проскурня. Дисс. канд. биол. наук, Курганская гос. сельск. академия им. Т.С. Мальцева, Челябинск, 2009. 198 с.
3. Т.А. Горшкова, Расттельная клеточная стенка как динамическая система. Наука, Москва, 2007. 46 с.
4. Электронный ресурс. - Режим доступа: М1р://оп-1те-%ге11пе88.сотМе%г_ро81.рЬр?1(1=97.
5. В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская, Химия древесины и синтетических полимеров. СПбЛТА, Санкт-Петербург, 1999. 628 с.
6. А. Р. Ивлева, А.В. Канарский, Е.О. Окулова, Вестник технол. унив., 6, 151-153 (2015).
7. А.В. Оболенская, З.П. Ельницкая, А.А. Леонович, Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. Москва, 1991. 320 с.
8. А. Р. Ивлева, А.В. Канарский, Я.В. Казаков, Е.О. Окулова, Вестник Казан. технол. унив., 23,208-211 (2014).
© А. Р. Ивлева - аспирант кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, alla1987-87@mail.ru; А. В. Канарский - д.т.н., профессор кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, alb46@mail.ru; Я. В. Казаков - к.т.н., заведующий кафедрой Технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, j.kazakov@narfu.ru; Ю. В. Севастьянова - к.т.н., доцент, Северного (Аркитечкий) федерального университетаимени М.В. Ломоносова, кафедра технологии целлюлозно-бумажного производства.
© A. R. Ivleva, Ph.D. Student, Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, alla1987-87@mail.ru; A. V. Kanarskiy, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research, alb46@mail.ru; Y. V. Kazakov, Ph.D. (Engineering) Head of Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, j.kazakov@narfu.ru; Y. V. Sevastyanova, As. Professor, Ph.D.(Engineering), Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, j.sevastyanova@narfu.ru.
