CC BY
37
УДК 544.77.032.16:664
А. Р. Ивлева, А. В. Канарский, Я. В. Казаков, Е. О. Окулова
ВЗАИМОСВЯЗЬ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
ОДНОЛЕТНИХ РАСТЕНИЙ
Ключевые слова - целлюлоза, структурно - морфологические свойства, водопоглощение, жиропоглощение.
Установлено, что адсорбционные свойства целлюлозы однолетних растений по отношению к воде и жиру зависят от структурно - морфологических свойств волокон. Показано, что с увеличением длины и уменьшением ширины волокон целлюлозы увеличивается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру.
Key words - cellulose, structural and morphological properties, water holding capacity, fat binding capacity.
It was established that the adsorption properties of cellulose annual plants to water and fat are dependent on structural and morphological properties of the fibers. It has been shown that increasing the length and decreasing the width of pulp fibers increases their adsorption capacity with respect to water and fat.
Ведение
Современная структура питания населения России характеризуется недостатком потребления пищевых волокон (ПВ), витаминов и минеральных веществ.
Адекватный рацион питания должен включать разнообразные пищевые и биологически активные вещества. Особенно важно роль в питании человека ПВ - полимерных веществ растительного происхождения (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, камеди и лигнин), не перевариваемых организмом и предназначенных для нормализации функций желудочно - кишечного тракта. ПВ не несут в себе незаменимых пищевых веществ, однако их потребление необходимо для поддержания здоровья организма. ПВ уменьшают риск развития сердечно - сосудистых заболеваний, сахарного диабета, способствуют выведению из организма тяжелых металлов, радионуклидов, положительно влияют на функционирование прямой кишки, снижая риск развития ожирения. Разработка и реализация технологий получения ПВ и поиски путей их восполнения в пище являются составной частью комплексного решения проблемы сбалансированного питания. Среди них:
1. введение в ежедневный рацион питания растительной биомассы, содержащей повышенное количество ПВ;
2. производство и использование КПВ, выделяемых преимущественно из вторичных ресурсов переработки зерна и другого сырья;
3. производство новых комплексных продуктов питания, обогащенных ПВ [1,2].
Реализация возможности использования нетрадиционного растительного сырья, запасы которого оцениваются в 800 млрд. т, в качестве источника ПВ позволит получить экономически выгодные для промышленности ПВ, а их производство устранит имеющийся недостаток в этом виде ингредиентов пищи. Поэтому создание современных и прогрессивных технологий переработки нетрадиционного растительного сырья, отходов растительного происхождения может открыть широкие перспективы для получения добавок пищевых и биологически актив-
ных веществ и создания на их основе функциональных продуктов питания [3].
Промышленно освоенным сырьем для получения целлюлозы являются хлопок и древесина. В последнее время из - за отсутствия на отечественном рынке целлюлозного сырья, в частности для химической переработки, все больший интерес проявляют к дешевому и ежегодно возобновляемому источнику сырья (соломе травянистых растений). Травяная целлюлоза по основным физико-химическим и физико - механическим характеристикам не уступает древесной целлюлозе [4,5].
В настоящее время, несмотря на сильно возросший за последние годы интерес к пищевым волокнам, их адсорбционные свойства все еще недостаточно изучены и исследования в этой области актуальны [6].
Цель работы - установить взаимосвязь структурно - морфологических свойств целлюлозы с ее адсорбционными свойствами.
Для достижения цели решались следующие задачи:
- исследование структурно - морфологических свойств волокон;
- исследование адсорбционных свойств волокон;
Предварительная обработка целлюлозы
В качестве целлюлозного волокна использовали: тростниковую целлюлозу (образец А); соломенную целлюлозу (образец B); пшеничную целлюлозу (Unicell (WF 90, 200, 500)), обработанную механическим способом на оборудовании компании InterFiber (Польша) в промышленных условиях (образцы C, D, Е). Образцы A и B подвергались обработке в лабораторных условиях, описанные в статье [2].
Микроскопическое исследование целлюлозных волокон
Анализ волокон проводился на исследовательском моторизованном микроскопе высокого разрешения Imager M2m Carl Zeiss.
Приготовления препарата выполняли по общепринятой методике [2,8].
При анализе изображений волокон в окуляре микроскопа и на экране компьютера обращают внимание на визуальные особенности морфологической структуры волокон: форма, размеры, состояние поверхности, наличие и форма пор, состояние концов волокон, наличие фрагментов сосудов [8]. Для фиксации морфологических особенностей делаются цветные цифровые снимки с разрешением 2594x1936 пикселей.
На рис.1 представлены микрофотографии целлюлозы. Тростниковая целлюлоза (А) и соломенная целлюлоза (В), состоят из сравнительно длинных, лентообразных и тонкостенных лубяных волокон, похожих на волокнистые клетки либри-форма лиственной древесины. Некоторые клетки имеют канал и мелкие поры. Практически все тростниковые волокна имеют хотя бы один оборванный конец, оборванные концы образуют большое количество мелочи. Встречаются как узкие, так и широкие волокна. Большинство волокон перевиты и имеют дефекты на поверхности.
м
А
6 /Z
"X
\
в
Л4
Ч
I j;
п
Tv
C
Я с
I
f 1
D
Г J ■>.1 L <Г у Щ
i 41 ** i* %
< г
■ - ,
Е
Рис. 1 - Микрофотографии целлюлозы: А - тростниковая целлюлоза; В - соломенная целлюлоза; С - промышленная целлюлоза Unicell WF 500, D - промышленная целлюлоза Unicell WF 200, Е - промышленная целлюлоза Unicell WF 90
Соломенная целлюлоза содержит как относительно длинные и узкие, так и широкие волокна, с большим количеством оборванных концов и мелочи. Волокна прозрачные, лентовидные, перевитые. На поверхности отдельных волокон прослеживаются многочисленные линии, характеризующие дефекты клеточной стенки. Мелочь имеет разнообразную форму, от нитчатой до практически квадратной с неровными и разлохмаченными краями.
Целлюлоза, обработанная в промышленных условиях, также проявляет отражение результатов механической обработки. Характерные черты волокон однолетних растений сохраняются только у крупных фракций - WF 500 и WF 200, которые сохраняют волокнистую веретенообразную форму, но имеют оборванные концы, изломы, перекрутки и повреждения поверхности. Целые волокна у фракции WF 200 практически не встречаются. Частицы фракции WF 90 представляют собой преимущественно очень короткие фрагменты волокон с длиной в 2 - 4 раза больше ширины, каждый из фрагментов сохраняет волокнистую структуру и дефекты на поверхности. Частицы этой фракции уже нельзя рассматривать как волокна, а только как частицы с фибриллярной структурой. Тем не менее, в результате данных обработок ни в одной из фракций не наблюдается ворса на поверхности как результата внешнего фибриллирования, то есть развития поверхности волокон не происходит.
Анализ структурно - морфологических характеристик волокон
Структурно - морфологические свойства по расширенному списку показателей определяли с помощью автоматического анализатора волокна L&W Fiber Tester [9]. Описание прибора приводится в статье [2].
Данные по структурно - морфологическим свойствам целлюлозных волокон представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Структурно - морфологические свойства целлюлозных волокон
Характеристика Образец*
А В С D Е
4р, мм 0,884 0,899 0,520 0,356 0,193
Ьср, мкм 21,8 21,3 21,9 21,8 25,0
f % 88,0 88,5 89,0 90,5 93,0
m, % 0,9 0,9 2,5 4,5 17,9
nf 0,830 1,064 0,87 0,818 0,802
* обозначения на рис.1.
Визуально отмеченные на рис.1 изменения размеров и формы подтверждены результатами измерения. Целлюлоза тростника и соломы, сохраняет волокнистую форму и структуры, и имеет размеры, характерные для волокон однолетних растений -средняя длина 0,884 и 0,899 мм, и средняя ширина 21,3 и 21,8 мкм. Различия геометрии и морфологии минимальны и связаны, видимо, с различиями природного сырьевого источника. Механическая обработка с использованием примененной технологии и оборудования с последующим фракционированием приводят к существенному снижению средней длины волокна от 0,520 до 0,193, то есть цель фракционирования достигнута. Некоторое повышение средней ширины волокна в мелких фракция (от 21,8 до 25,0 мкм) связано с тем, что при расчете средних значений длины, ширины и формы фрагменты, отнесенные к мелочи, не учитываются. Одновременно резко повышается доля мелочи с 0,9 % до 2,5-17,9%.
При снижении длины волокна в процессе механической обработки происходит не только изменение размеров, но и формы волокон. Более короткие волокна имеют меньшую искривленность (увеличивается фактор формы /), по всей видимости, за счет обрывов изогнутых сегментов волокон при обработке.
Анализ адсорбционных свойств
Водопоглотительная (ВСС) и жиропогло-тительная (ЖСС) способности определялись согласно методам, описанным в статье [2,7].
Данные по адсорбционным свойствам представлены в Таблице 2. Согласно представленным данным видно, что водопоглотительная и жиропог-лотительная способность целлюлозных волокон, обработанная в лабораторных условиях выше, чем целлюлозы обработанной в промышленных условиях. Это связано, видимо, со структурно - морфологическими свойствами.
Таблица 2 - Адсорбционные свойства целлюлозных волокон
Можно утверждать, что структурные характеристики играют важную роль в кинетике водопо-глощения.
Снижение размеров волокон без развития их поверхности ухудшает адсорбционные свойства клетчатки, причем степень снижения ВСС и ЖСС соответствует степени снижения средней длины волокна.
С уменьшением длины волокон значительно снижаются адсорбционные свойства целлюлозы. А также ссылаясь на ранее проведенный анализ адсорбционных свойств целлюлозы древесных пород, можно сделать вывод, что водо - и жиропоглощение целлюлозы однолетних растений не на много ниже чем у целлюлозы лиственных пород.
Выводы
Адсорбционные свойства целлюлозы однолетних растений по отношению к воде и жиру зависит от структурно - морфологических свойств волокон. С увеличением длины и уменьшением ширины волокон целлюлозы увеличивается их адсорбционная способность по отношению к воде и жиру.
Литература
1. В.В. Матреничева. Автореф. дис. канд. техн. наук, Московский гос. ун-т пищ. производств, Москва, 2005. 28 с.
2. А. Р. Ивлева, А.В. Канарский, Я. В. Казаков, Е.О. Окулова, Вестник Казан. технол. унив., 23, 208- 211 (2014).
3. Н.П. Григорьев, И.Н. Галимуллин, О.К. Нугманов, Н.А. Лебедев, Р.Р. Лутфуллин, Вестник Казан. технол. унив., 14, 326-366 (2014).
4. J. Kazimierczak, J. Wietecka, P. Ciechanska, A. Bloda, Chemik, 68, 9, 755-760 (2014).
5. Л.А. Алешина, В.А. Гуртова, Н.В. Мелех, Структура и физико - химические свойства целлюлоз и нанокомпози-тов на их основе. ПетрГУ, Петрозаводск, 2014. 240 с.
6. О.К. Нугманов, Н.П. Григорьева, Н.А. Лебедев, Химия растительного сырья, 1, 29-37 (2013).
7. Hui Zhang, Advance Journal of Food Science and Technology, 3, 339-347 (2011).К. Д.Горшунова.
8. Дубовый В.К., Гурьев А.В., Казаков Я.В., Комаров В.И. Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона: Учебное пособие; под ред. проф. проф. В.И. Комарова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 230 с.
9. Karlsson Hakan. Fiber Guide. Fiber analysis and process applications in the pulp and paper industry. - AB Lorentzen&Werrte. 2006. 120 p.
Характеристика Образец*
А В С D E
ВСС % 22,08 22,78 19,43 12,91 7,08
ЖСС % 9,89 10,13 6,43 5,24 2,24
* обозначения на рис.1.
© А. Р. Ивлева - асп. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, alla1987-87@mail.ru; А. В. Канарский - д.т.н., профессор той же кафедры, alb46@mail.ru; Я. В. Казаков - к.т.н., зав. каф. технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, j.kazakov@narfu.ru; Е. О. Окулова - асп. каф. технологии целлюлозно-бумажного производства Северный (Арктический) федеральный университет, e.okulova@narfu.ru.
© A. R. Ivleva, Ph.D. Student, Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, alla1987-87@mail.ru; A. V. Kanarsky, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, KNRTU, 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; E. О. Okulova, Ph.D. Student, Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, e.okulova@narfu.ru.
