CC BY
53
УДК 66.094.943
М. В. Харина (асп.), В. М. Емельянов (д.т.н., проф., зав. каф.)
Влияние предварительной обработки на изменение структуры целлюлозосодержащего сырья
Казанский национальный исследовательский технологический университет, кафедра химической кибернетики 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, тел. (843) 2314010, e-mail: emelianov@front.ru
M. V. Kharina, V. M. Emelyanov
Effect of pre-treatment on the restructuring of cellulose material
Kazan National Research Technological University 68, Karl Marx Str, 420015, Kazan, Russia; ph. (843) 2314010, e-mail: emelianov@front.ru
Исследовано влияние предварительной обработки пшеничной соломы и свекловичного жома сернистой кислотой на изменения их структурной организации. Показано, что большим изменениям при предварительной обработке сернистой кислотой подвержены волокна свекловичного жома. При воздействии сернистой кислоты на пшеничную солому уменьшается длина волокон, наблюдаются трещины и дефекты поверхности, линейная структура волокон при этом остается ненарушенной.
Ключевые слова: предварительная обработка; пшеничная солома; свекловичный жом; структурные изменения; электронная сканирующая микроскопия.
The effect of wheat straw and sugar beet pulp pretreatment with sulfurous acid on the changes in their structural organization was investigated. It is shown that sugar beet pulp fiber incurs the large changes during pretreatment. The length of wheat straw fiber was decreased, cracks and surface defects were observed, but linear fiber of wheat structure was unbroken.
Key words: pretreatment; wheat straw; sugar beet pulp; structural changes; electron scanning microscopy.
При проведении ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих материалов в их нативном виде выход Сахаров достигает менее 20% от теоретически возможного 1. Для повышения степени конверсии полисахаридов проводят предварительную обработку целлюлозо-содержащего сырья. Детальное изучение изменения структуры целлюлозосодержащего сырья в процессе предварительной обработки позволит понять характер протекающих физико-химических процессов.
Целью работы являлось изучение изменения структуры волокон свекловичного жома и пшеничной соломы при обработке сернистой кислотой.
Материалы и методы
В работе использовали жом сахарной свеклы (Beta vulgaris), выработанный на ООО «Буинский сахарный завод» (г. Буинск,
Дата поступления 03.09.13
февраль 2013 г.) и высушенную на воздухе солому пшеницы Triticum sp., заготовленную по окончании вегетационного периода (2011— 2012 гг., Республика Татарстан). Для экспериментов использовали измельченную солому с размером частиц 1—3 мм.
Предварительную обработку растительного сырья осуществляли сернистой кислотой в термостатируемых капсулах на лабораторной установке оригинальной конструкции 2'3.
Сканирующая электронная микроскопия и энергодисперсионный анализ проводились на сканирующем зондовом микроскопе Carl Zeiss EVO LS 10. Ускоряющее напряжение: 5 кВ, рабочее расстояние 30—33 мм, детектируемый сигнал — вторичные электроны, тип детектора — SE1.
Результаты и их обсуждение
Структурная организация растительного сырья во многом обуславливает его восприимчивость к конверсии 4. Ксилема пшеничной
а б в
Рис. 1. Структура пшеничной соломы: а — измельченная пшеничная солома до обработки; б, в — пшеничная солома после обработки 1.18% сернистой кислотой при температуре 200 оС в течение 15 мин. Масштаб 200 мкм.
а б
Рис. 2. Структура пшеничной соломы: а — измельченная пшеничная солома до обработки; б— пшеничная солома после обработки 1.18% сернистой кислотой при температуре 200 оС в течение 15 мин. Масштаб 20 мкм.
а б в
Рис. 3. Сканирующая электронная микрофотография волокон свекловичного жома до проведения предварительной обработки: а — масштаб 20 мкм; б — масштаб 10 мкм; в - масштаб 200 мкм.
соломы представлена вторичной клеточной стенкой,основными компонентами которой являются целлюлоза, связующие гликаны и лигнин. Как видно из рис. 1, при предварительной обработке 1.18% сернистой кислотой при температуре 200 оС в течение 15 мин структура пшеничной соломы претерпевает изменения, уменьшается размер частиц, на частичках соломы появляются изломы и сколы (рис. 1б, в).
В пшеничной соломе волокна тесно прилегают друг к другу и имеют выраженную линейную структуру, что хорошо просматривается при большем увеличении на рис. 2.
На рис. 2б отчетливо видны образующиеся после предварительной обработки соломы провалы, затемнения и трещины, указывающие на изменения волокон, но линейная структура при этом не нарушена. Таким образом, предварительная обработка пшеничной соломы сернистой кислотой приводит к незначительным изменениям структуры волокон целлюлозы.
Волокна свекловичного жома значительно отличаются по структуре от волокон пшеничной соломы (рис. 3).
а б в
Рис. 4. Сканирующая электронная микрофотография волокон свекловичного жома: а, б — после предварительной обработки 1% сернистой кислотой при 190 оС в течение 10 мин при гидромодуле 1:3; в — после предварительной обработки 1% сернистой кислотой при 190 оС в течение 10 мин при гидромодуле 1:5.8. Масштаб 20 мкм.
Жом сахарной свеклы, в отличие от соломы злаковых культур, представляет собой первичную клеточную стенку, состоящую преимущественно из целлюлозы, связующих глика-нов и пектиновых веществ. На рис. 4 хорошо просматриваются поры, образующиеся при удалении пектиновых веществ и связующих гликанов из волокон свекловичного жома. Отчетливо видны сосудистые пучки паренхимы свекловичного жома (рис. 4а) и срез флоэмы паренхимы (рис. 4б).
Исследования показали, что большим изменениям при предварительной обработке сернистой кислотой подвержены волокна свекловичного жома. Это связано с тем, что во вторичных клеточных стенках ксилемы соломы
Литература
1. Dadi A. P., Schall C. A., Varanasi S. // Chin. Sci. Bull.- 2007.- №51.- С.2432.
2. Мухачев С. Г., Емельянов В. М., Шавалиев М. Ф., Елчуев Р. Т., Валеева Р. Т., Нуртдинов Р. М., Буйлин А. М. // Вестн. Каз. ТУ.- 2009.-№5.- С.21.
3. Нуртдинов Р. М., Мухачев С. Г., Валеева Р. Т., Емельянов В. М., Шавалиев М. Ф., Шагивале-ев И. В., Якушев И. А. // Вестн. Каз. ТУ.-2011.- №2.- С.143.
4. Cosgrove D. J. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol.-2005.- №6.- С.850.
5. Стахеев И. А., Коломиец Э. И., Здор H. A. Биотехнология малотоннажного производства микробного протеина.- Минск: Наука и техника, 1991.- 264 с.
6. Корольков И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. - М.: Лесная промышленность, 1990.- 272 с.
злаковых микрофибриллы организованы в слои, образующие неразделимые высокоориентированные волокна, в то время как в первичных клеточных стенках они располагаются хаотично. В связи с низким содержанием в свекловичном жоме лигнина (3.0-8.0 % от абсолютно сухого вещества жома) 5 по сравнению с соломой (содержание лигнина до 24.5% от абсолютно сухого вещества соломы) 6, его клеточная структура менее прочная по сравнению с соломой и в большей степени подвергается деструкции сернистой кислотой.
Низкая степень кристалличности целлюлозы и низкое содержание лигнина в свекловичном жоме обуславливают более мягкие режимы его обработки по сравнению с соломой злаковых культур.
References
1. Dadi A. P., Schall C. A., Varanasi S. Chin. Sci. Bull.- 2007.- №51.- С.2432.
2. Mukhachev S. G., Emel'yanov V. M., Shavaliev M. F., Elchuev R. T., Valeeva R. T., Nurtdinov R. M., Builin A. M. Vestnik Kaz. TU.- 2009.-№5.- P.21.
3. Nurtdinov R. M., Mukhachev S. G., Valeeva R. T., Emel'yanov V. M., Shavaliev M. F., Shagivaleev I. V., Yakushev I. A. Vestnik Kaz. TU.- 2011.- №2.- P.143.
4. Cosgrove D. J. Nat. Rev. Mol. Cell Biol.-2005.- №6.- P.850.
5. Stakheev I. A., Kolomiets Je. I., Zdor H. A. Biotehnologiya malotonnazhnogo proizvodstva mikrobnogo proteina.- Minsk: Nauka i tehnika, 1991.- 264 p.
6. Korol'kov I. I. Perkolyatsionnyi gidroliz rastitel'nogo syr'ya.- M.: Lesnaja promyshlen-nost', 1990.- 272 p.
