CC BY
35РАЗДЕЛ 2. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2019.01.023 УДК 665.7.032.53/40.40
ЗАВИСИМОСТЬ РОСТОСТИМУЛИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОБОЛОЧЕК ОВСА, ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА И ТОРФА
Е.Ю. Феллер, О. И. Копылова, Д.А. Авдеева, М.В. Ефанов, А.А. Беушев, В. В. Коньшин
Проблема утилизации и использования огромного количества отходов растительного происхождения стоит очень остро для сельскохозяйственных регионов России. Одним из вариантов решения данной проблемы является применение в качестве стимуляторов роста и удобрений оболочек злаковых, лузги, половы, соломы и других отходов. В качестве метода активации, повышающего эффективность получаемых стимуляторов может быть использован метод взрывного автогидролиза.
В работе изучен химический состав обработанных по методу взрывного автогидролиза отходов растительного происхождения: оболочек овса посевного Avena sativa, лузги подсолнечника Helianthus и полезного ископаемого - торфа. Обработанные при давлении водяного пара 1,6 и 1,8 МПа материалы в дальнейшем были использованы в качестве стимуляторов роста семян пшеницы сорта Омская 36.
В ходе проведенных исследований был изучен химический состав (содержание основных компонентов в материале) с целью выбора наиболее эффективного ростостимулятора.Для исследования ростостимулирующих свойств были получены суспензии с содержанием модифицированных продуктов в количестве 0,1-5 г/л. Проведенные по стандартным методикам исследования энергии прорастания и всхожести семян показали, что при обработке водяным паром материалов наиболее эффективные ростостимулирующие свойства показали суспензии, полученные из обработанных оболочек овса.
Ключевые слова: взрывной автогидролиз, ростостимулирование, химический состав, лигнин, целлюлоза, раствор, торф, лузга подсолнечника, оболочка овса, пшеница.
ВВЕДЕНИЕ
В сельском хозяйстве используются различные вещества, которые положительно влияют на рост и всхожесть семян. Благодаря многолетним исследованиям установлено, что использование удобрений приводит к накоплению химическими элементами не только корневой системой, но и той частью растений, которая предназначена для употребления в пищу. В связи с этим, с экологической точки зрения, становится более перспективным использование ростостимуляторов природного происхождения. Рассматривая экономическую составляющую вопроса, нельзя не подметить то, что разнообразные отходы растительного происхождения являются легкодоступными, безопасными и более выгодными.
Применение вторичного сырья растительного происхождения в качестве удобрений оправдано благодаря его обработки насыщенным водяным паром. Одним из часто используемых способов, считается метод взрывного автогидролиза, ВАГ [1-3]. Преимуществом данного процесса является его быстрота (протекает в течение нескольких секунд или минут), а также отсут-
ствие химических реагентов, что позволяет говорить об экологической чистоте процесса.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объектов исследования было использовано легкодоступное сырье: оболочки (лузга) овса посевного Avëna satíva, лузга подсолнечника НвНапМив и торф.Обработка материалов производилась в реакторе ВАГ[4-7]. Давление водяного пара составило 1,6 МПа и 1,8 МПа. При более высоких давлениях водяного пара происходило сильная деструкция используемого материала, при давлениях пара ниже 1,6 МПа не в полной мере протекает процесс образования питательных веществ. Продолжительность обработки водяным паром составила 10 минут.
Химический анализ основных компонентов модифицированного растительного сырья (целлюлоза, лигнин, легкогидролизуемые полисахариды - ЛГП, редуцирующие вещества - РВ) проводили по методикам, приведенной в работе [8].
Для изучения ростостимулирующих свойств, из модифицированных по методу взрывного автогидролиза материалов были изготовлены водные суспензии с концентрацией 0,1, 0,5,
1,0, 3,0, 5,0 г/л и оставлены на сутки. В качестве эталонного образца выступала дистиллированная вода[9].
В основе проведения опытов был использован ГОСТ 12038-84[10]. В контейнеры для проращивания зерен (растильни) закладывали заранее прокаленный при температуре 180°С песок и разравнивали. Семена пшеницы сорта «Омская 36» трамбовкой вдавливали в песок на глубину, равную их толщине. После этого, наполняли контейнеры водной суспензией в объеме 75 мл (60% влагоемкости песка) и ставили в темное место при температуре 28°С. Контроль энергии прорастания и всхожести семян проводили на 4 и 8 сутки, соответственно. Во всех проведенных опытах энергия прорастания семян составила не менее 90 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования влияния водных суспензий обработанных методом ВАГ препаратов на длину побега ростков пшеницы (измерения проводились на 8 сутки) приведены
20
на рисунках 1 и 2.
При обработке водяным паром при давлении 1,6 МПа материалов растительного происхождения выделить наиболее активный стимулятор роста довольно затруднительно. При концентрациях водных суспензий 0,5 г/л максимальных рост стебля пшеницы наблюдался при использовании модифицированных овса и торфа. При более высоких концентрациях (5 г/л) лучшие показатели роста демонстрировали суспензии лузги подсолнечника и торфа.
Иная картина наблюдается при использовании водных суспензий материалов, модифицированных в условиях ВАГ при давлении 1,8 МПа. Во всем концентрационном диапазоне за исключением самых высоких концентраций максимальная длина ростка пшеницы наблюдается при использовании модифицированных оболочек овса. При концентрации суспензий 3-5 г/л неплохие стимулирующие свойства показывают суспензии лузги подсолнечника.
О)
ю о
15
10
с; Д
овес торф
лузга
0,1 0,5 1 3
Концентрация растворов, г/л
5
Рисунок 1 - Влияние концентраций раствора суспензий торфа, оболочки овса и лузги подсолнечника, обработанных по методу ВАГ при давлении 1,6 МПа на длину ростка пшеницы «Омская 36»
20
2
с
, 15
е
Ю
о 10
овес торф лузга
0,1 0,5 1 3
Концентрация растворов, г/л
5
Рисунок 2 - Влияние концентраций раствора суспензий торфа, оболочки овса и лузги подсолнечника, обработанных по методу ВАГ при давлении 1,8 МПа на длину
ростка пшеницы «Омская 36»
5
0
5
0
Е.Ю. ФЕЛЛЕР, О.И. КОПЫЛОВА, Д.А. АВДЕЕВА, М.В. ЕФАНОВ, А.А. БЕУШЕВ, В.В. КОНЬШИН
Для объяснения данных результатов был проведен химический анализ как материалов, обработанных по методу ВАГ, так и исходных образцов. Результаты анализа на содержание основных компонентов растительного сырья приведен в таблице 1.
Исходя из представленных данных. сле-
1*1
-О. . Л-он
V
H
H+
R2 R3 R2 R3
где R1=H, CH2OH, COOH; R2=R3 = OH.
дует, что в процессе ВАГ наблюдается увеличение содержания целлюлозы и лигнина за счет деструкции и перехода в водорастворимое состояние легкогидролизуемых полисахаридов. Данный процесс можно выразить следующей схемой:
H3O+
OH
^O
с; +
H HO
O
R2 R3
R2 R3
Таблица 1 -Содержание основных компонентов исходного и обработанного по методу ВАГ материала растительного происхождения
С
H
Показатель Материал
оболочки овса лузга подсолнечника торф
исход- 1,6 1,8 ис- 1,6 1,8 ис- 1,6 1,8
ный МПа МПа ходный МПа МПа ходный МПа МПа
Целлюлоза, % 34,0 29,1 40,2 38,1 44,0 43,2 13,1 25,9 24,0
Лигнин, % 13,7 30,8 45,7 27,1 45,4 48,5 23,6 47,3 51,0
ЛГП, % 48,0 23,3 12,8 9,1 8,0 4,9 20,2 8,9 4,8
РВ, % - 11,4 4,2 - 1,9 1,4 - - -
В оболочках овса содержание ЛГП превышает содержание ЛГП как в торфе, так и лузге подсолнечника. Максимально данный процесс реализуется при обработке водяным паром оболочек овса. При этом происходит частичное образование редуцирующих веществ, которые также могут проявлять росто-стимулирующие свойства.
Следует отметить, что в торфе помимо анализируемых компонентов содержится достаточно большое количество гуминовых веществ, которые в свою очередь также проявляют ростостимулирующие свойства. Причем их избыток приводит к противоположным результатам, а именно к ингибированию и угнетению роста стебля растений. Этим можно объяснить довольно низкую ростостимулиру-ющую активность препаратов, полученных из обработанного по методу ВАГ торфа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено исследование ростоимулиру-ющих свойств обработанных по методу ВАГ оболочек овса Avéna sativa, лузги подсолнеч-никаНвНап^ив и торфа. Установлено, что при обработке водяным паром при давлении 1,6 МПа, максимальный рост стебля пшеницы
наблюдается при использовании водных суспензий, модифицированных овса и торфа концентрацией 0,5 г/л и лузги подсолнечника и торфа концентрацией 5 г/л. Для материалов, обработанных при давлении водяного пара 1,8 МПа, наиболее оптимальным стимулятором роста являются водные суспензии оболочек овса. По-видимому, причиной такого поведения является высокое содержание в оболочках овса (по отношению к другим материалам) стимуляторов роста - ЛГП, которые при автогидролизе деструктируются, переходят в водорастворимое состояние и образуют редуцирующие вещества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. NegroM.J., ManzanaresP., OlivaJ.M., Ballesteros I., Ballesteros M. Changes in various physical/chemical parameters of PinusPinaster wood after steam explosion pretreatment // Biomass and Bioen-ergy. 2003. Vol. 25. Pp. 301 - 308. DOI: 10.1016/S0961-9534(03)00017-5.
2. Asada C., Sasaki C., Uto Y., Sakafuji J., Naka-mura Y. Effect of steam explosion pretreatment with ultra-high temperature and pressure on effective utilization of softwood biomass // Biochemical Engineering Journal. 2012. Vol. 60. Pp. 25-29. DOI: 10.1016/j.bej.2011.09.013.
3. Гравитис Я. А. Теоретические и прикладные
аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы // Химия древесины. 1987. №5. С.321.
4. Коньшин В.В., Протопопов А.В., Ефрюшин Д.Д. Химическая переработка биомассы растительного сырья // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И.Раззакова. 2017. № 3 (43). С. 63-66.
5. Ефанов М.В., Коньшин В.В., Синицын А.А. Получение композиционных материалов из торфа и древесины методом взрывного автогидролиза // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып.1. С. 49-53. DOI: 10.1134^0044461819010067.
6. Коньшин В.В., Феллер Е.Ю. Получение удобрений, стимуляторов роста и кормовых добавок на основе отходов сельского хозяйства, деревообработки // Материалы II межрегиональной научно-практической конференции «От биопродуктов к биоэкономике». 2018. С. 113-116.
7. Афаньков А.Н., Коньшин В.В., Афанькова А.В., Беушева О.С. Практическое использование продуктов баротермической обработки растительного сырья // XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии Тезисы докладов в 5 томах. 2016. С. 49.
8. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леоно-вич А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.
9. Калюта Е.В., Бояринцева А.В., Мальцев М.И., Афаньков А.Н., Коньшин В.В., Беушева О.С., Беушев А.А., Вододохова М.В.Исследование отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности в качестве стимуляторов роста пшеницы // Биотехнология и общество в XXI веке. Сборник статей Международной научно-практической конференции. 2015. С. 356-359.
10. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяй-
ственных культур. Методы определения всхожести (с Изменениями N 1, 2, с Поправкой). - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004 год.
Феллер Елена Юрьевна, аспирант кафедры «Химических технологий»; Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, Барнаул); [email protected], Тел.:89130808180.
Ольга Игоревна Копылова, студент кафедры «(Химических технологий»;Алтай-ский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, Барнаул).
Дарья Алексеевна Авдеева, студент кафедры «(Химических технологий»; Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, Барнаул).
Максим Викторович Ефанов, кандидат химических наук, директор ООО МИП «(Югра-Биотехнологии» (Россия, Ханты-Мансийск).
Александр Анатольевич Беушев, кандидат химических наук, директор института биотехнологии, пищевой и химической инженерии (ИнБиоХим), Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, Барнаул).
Коньшин Вадим Владимирович, доктор химических наук, доцент, заведующий кафедрой,Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Россия, Барнаул), [email protected], Тел.:89059264497.
