Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАЗНЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСТЕЙ МИСКАНТУСА УРОЖАЯ 2014 ГОДА

Гисматулина Ю.А. 1
1 ФГБУН «Институт проблем химико-энергетических технологий» Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)
В данной работе определен химический состав целого растения и разных морфологических частей (листа и стебля) мискантуса сорта Сорановский – мискантус китайский (веерник китайский Miscanthus sinensis Anderss.) урожая 2014 года (возраст 4 года), выращенного на плантации ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск, Алтайский край). Массовая доля основного компонента – целлюлозы в целом растении составляет 53,1 %, массовая доля нецеллюлозных компонентов: жировосковой фракции, золы и лигнина составляет 4,98; 5,87 и 22,0 % соответственно. Установлено, что целлюлоза превалирует в стебле мискантуса (55,7 % против 43,3 %), а нецеллюлозные компоненты (жировосковая фракция, зола, кислоторастворимый лигнин) – в листе. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для выделения целлюлозы целесообразней использовать стебель мискантуса с целью получения целлюлозы высокого качества и с большим выходом.
мискантус сорта Сорановский
жировосковая фракция
целлюлоза по Кюршнеру
зольность
пентозаны
кислоторастворимый лигнин
1. Булаткин Г.А., Митенко Г.В. Перспективная энергетическая культура // Экологический вестник России. – 2013. – № 7. – С. 31–36.
2. Вураско А.В., Дрикер Б.Н., Мозырева Е.А., Земнухова Л.А., Галимова А.Р., Гулемина Н.Н. Ресурсосберегающая технология получения целлюлозных материалов при переработке отходов сельскохозяйственных культур // Химия растительного сырья. – 2006. – № 4. – С. 5–10.
3. Вшивкова И.А., Пен Р.З., Каретникова Н.В. Свойства пероксидной целлюлозы из однолетних растений. 1. Кинетика делигнификации пшеничной соломы надуксусной кислотой // Химия растительного сырья. – 2012. – № 4. – С. 13–17.
4. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В., Золотухин В.Н. Получение целлюлозы из мискантуса и соломы льна-межеумка азотнокислым и комбинированным способами / Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 6-й Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с межд. участием, г. Бийск, 24–26 мая 2012 г. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013. – С. 270–274.
5. Григорьева Н.П., Нугманов О.К., Нусинович Д.С., Сопин В.Ф., Лебедев Н.А. Технология получения целлюлозы из травянистых растений и ее свойства // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – № 3. – С. 165–168.
6. Кроткевич П.Г., Шумейко К.И., Волошина Л.А., Нестерчук Е.Н., Петрунь И.И. Морфологические особенности и химический состав Miscanthus sinensis Anderss. как сырья для целлюлозно-бумажной промышленности // Растительные ресурсы. – 1983. – Т. XIX. – Вып. 3. – С. 321–323.
7. Лендьел П., Моравли Ш. Химия и технология целлюлозного производства / пер. с нем. Ф.Б. Дубровинской под ред. А.Ф. Тищенко. – М.: Лесн. промышленность, 1978. – С. 131–133, 447–450.
8. Михаилиди А.М., Котельникова Н.Е., Геньш К.В., Кушнир Е.Ю., Базарнова Н.Г. Состав и свойства древесины и целлюлозы тропических пород растений // Химия растительного сырья. – 2013. – № 1. – С. 15–28.
9. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. – М.: Экология, 1991. – С. 73–75, 79–80, 106–107, 161–164.
10. Ткачева Н.И., Морозов С.В., Григорьев И.А., Могнонов Д.М., Колчанов Н.А. Модификация целлюлозы – перспективное направление в создании новых материалов // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2013. – Т. 55. – № 8. – С. 1086-1107.
11. Шипина О.Т., Гараева М.Р., Александров А.А. ИК-спектроскопические исследования целлюлозы из травянистых растений // Вестник Казанского технологического университета. – 2009. – № 6. – С. 148–152.
12. Шумный В.К., Вепрев С.Г., Нечипоренко Н.Н., Горячковская Т.Н., Слынько Н.М., Колчанов Н.А., Пельтек С.Е. Новая форма Мискантуса Китайского (Веерника Китайского Мiscanthus Sinensis Anders.) как перспективный источник целлюлозосодержащего сырья // Вестник ВОГиС. – 2010. – Т. 14. – № 1. – С. 122–126.
13. Brosse N., Dufour A., Meng X., Sun Q., Ragauskas A. Miscanthus: a fast-growing crop for biofuels and chemicals production // Biofuels, Bioprod., Bioref. – 2012. – Vol. 6. – I. 5. – P. 580–598.
14. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Veprev S.G., Sakovich G.V., Shumny V.K. Cellulose from Various Parts of Soranovskii Miscanthus // Russian Journal of Genetics: Applied Research. – 2015. – Vol. 5. – № 1. – Р. 60–68.
15. Michael B. Jones, Mary Walsh. Miscanthus: For Energy and Fibre. Published by Earthscan, 2001. – 192 p.

Целлюлоза является наиболее распространенным природным биополимером. Благодаря ряду ценных свойств, таких как высокая прочность, биосовместимость, нетоксичность, биоразлагаемость и доступность, – целлюлоза является востребованным продуктом многоцелевого назначения и стартовой основой для получения широкого спектра новых материалов [10]. Промышленно освоенными видами сырья для получения целлюлозы являются хлопок и древесина. В последнее время из-за отсутствия на отечественном рынке целлюлозного сырья все больший интерес проявляется к дешевому и ежегодно возобновляемому сырью. В работах [5, 11] авторы Н.Г. Григорьева и О.Т. Шипина рассматривают в качестве целлюлозосодержащего сырья травянистые растения, такие как лен, рапс, донник, люцерна, подсолнечник, конопля, камыш и др., И.А. Вшивкова с коллегами [3] в качестве сырья для пероксидной целлюлозы исследуют пшеничную солому, А.В. Вураско с коллегами [2] – солому и шелуху риса, А.М. Михаилиди и др. [8] – древесину пальмы Howea fosteriana, кактус Cereus Peruvians и стволовую часть драцены Dracaena Sanderiana, Ю.А. Гисматулина с коллегами – мискантус и солому льна-межеумка [4].

Особый интерес представляет энергетическая культура мискантус – род многолетних травянистых растений семейства мятликовых. По мнению Г.А. Булаткина и Г.В. Митенко [1], в ближайшие годы среди энергетических культур основное внимание будет отведено мискантусу китайскому (Miscanthus sinensis Andersson). За рубежом активно ведутся исследования по возможности использования различных видов мискантуса: в основном мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus), мискантуса китайского (Miscanthus sinensis) и мискантуса сахароцветкового (Miscanthus sacchariflorus) [15]. В России в 2006 году в ИЦиГ СО РАН выведена авторская форма мискантуса китайского сорта Сорановский (веерник китайский Miscanthus sinensis Andersson) с измененной структурой корневой системы, образующей длинные побеги с ростовыми почками и быстро колонизирующей почвенное пространство, создавая сплошную и ровную (без кочек) плантацию мискантуса. Мискантус не требователен к почвам и имеет высокий прирост биомассы на уровне 10–15 т/га/год. Максимальная продуктивность посадок достигается на 3–4-й год, после чего ежегодный урожай биомассы сохраняется до 15–20 лет. Данный вид мискантуса В.К. Шумный и др. [12] рассматривают как перспективное целлюлозосодержащее сырье для России.

Целью данной работы являлось исследование химического состава мискантуса сорта Сорановский, выращенного на делянке ИПХЭТ СО РАН в 2014 году, возраст посадки четыре года: растения в целом, листа и стебля отдельно.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлся мискантус сорта Сорановский – Miscanthus sinensis Andersson, веерник китайский, урожая 2014 года (возрастом четыре года), выращенный на экспериментальной делянке ИПХЭТ СО РАН в 2014 году при полном отсутствии агротехнических приемов (подкормки, полива, рыхления и борьбы с сорняками).

Сбор урожая проводили в октябре 2014 года. Масса всего урожая 26,8 кг, урожайность – 0,74 кг на 1 м2. Средняя масса одного растения – 0,010 кг. Плотность посадки составила 74 растения на 1 м2. Средняя длина одного растения – 2,00 м, некоторые растения достигали высоты 2,30 м.

Для исследования химического состава мискантуса брали зрелые растения с наибольшей высотой и соцветиями-метелками, характеризующими спелость мискантуса. Растение разделяли на морфологические части: лист и стебель отдельно. Измельчение всех образцов мискантуса проводили ножницами.

Определение зольности (в пересчёте на абсолютно сухое сырьё – а.с.с.), массовой доли (м.д.) экстрактивных веществ – жировосковой фракции (ЖВФ) (экстрагент – дихлорметан, а.с.с.), м.д. кислотонерастворимого лигнина (а.с.с.), м.д. целлюлозы методом Кюршнера (а.с.с.) проводили по стандартным методикам анализа растительного сырья [9]. Влажность определяли на анализаторе влажности МВ 23/МВ 25 («OHAUS», США).

Результаты исследования и их обсуждение

Химический состав мискантуса сорта Сорановский урожая 2014 года (возраст 4 года), выращенного на плантации ИПХЭТ СО РАН: растение в целом, лист и стебель отдельно – представлен в таблице и для наглядности полученных результатов на рисунке.

Как следует из представленных данных, растение в целом характеризуется м.д. ЖВФ 4,98 %, зольностью 5,87 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина 22,0 %, м.д. пентозанов 21,0 %, м.д. целлюлозы 53,1 %. Полученные результаты согласуются с зарубежными данными для различных генотипов мискантуса в части основных компонентов: целлюлозы и лигнина [13, 15].

Сравнение химического состава листа и стебля отдельно свидетельствует о более высоком содержании нецеллюлозных примесей в листьях мискантуса: ЖВФ (6,32 % против 2,86 %), золы (9,32 % против 2,13 %), кислотонерастворимого лигнина (23,6 % против 15,0 %), за исключением м.д. пентозанов, которых больше в стебле, чем в листе (23,0 % против 20,3 %). Сравнение листа и стебля по м.д. целлюлозы указывает на то, что целлюлоза больше сосредоточена в стебле и составляет 55,7 % против 43,3 %. Разрыв между значениями м.д. целлюлозы в стебле и в листе значителен – 12,4 %.

Следует отметить, что в 1983 году в Киеве П.Г. Кроткевич с коллегами [6] аналогичным образом исследовал химический состав листа и стебля выращенного в ботаническом саду мискантуса китайского – Miscantus sinensis Anderss. В результате было показано, что целлюлоза сосредоточена в большей степени в стебле, чем в листе (54,3 % против 45,1 %), а зола, лигнин и пентозаны – в листе, что полностью согласуется с нашими результатами, приводимыми в данной статье про мискантус сорта Сорановский.

Химический состав мискантуса сорта Сорановский урожая 2014 года (возраст 4 года), выращенного на плантации ИПХЭТ СО РАН: растение в целом, лист и стебель отдельно

Морфологическая часть мискантуса

М.д. ЖВФ*, %

Зольность*, %

М.д. лигнина*, %

М.д. пентозанов*, %

М.д. целлюлозы по Кюршнеру*, %

Целое растение

4,98 ± 0,05

5,87 ± 0,05

22,0 ± 0,5

21,0 ± 0,5

53,1 ± 0,5

Лист

6,32 ± 0,05

9,23 ± 0,05

23,6 ± 0,5

20,3 ± 0,5

43,3 ± 0,5

Стебель

2,68 ± 0,05

2,13 ± 0,05

15,0 ± 0,5

23,0 ± 0,5

55,7 ± 0,5

Примечания: * – в пересчете на а.с.с.; м.д. – массовая доля; ЖВФ – жировосковая фракция.

pic_27.wmf

Химический состав мискантуса сорта Сорановский урожая 2014 года (возраст 4 года), выращенного на плантации ИПХЭТ СО РАН: растение в целом, лист и стебель отдельно, % * – в пересчете на абсолютно сухое сырье

Такие результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что независимо от места произрастания и возраста растения стебель этого растения характеризуется большим содержанием целлюлозы и меньшим содержанием нецеллюлозных компонентов, в сравнении с листом. Такого рода закономерности были описаны для соломы злаковых культур в книге Run-Cang Sun [7]. Что касается непосредственно различных генотипов зарубежного мискантуса, то отсутствует информация о количественных различиях компонентного состава листа и стебля. В соответствии с зарубежными источниками [13, 15] в переработку на топливо, волокно и химические реагенты рекомендовано использовать мискантус в целом без удаления листа.

Кроме того, полученные результаты по урожаю 2014 года согласуются с ранее проведенными исследованиями по определению химического состава листа и стебля более ранних урожаев мискантуса, выращенного в Алтайском крае [14] и Новосибирской области.

Выводы

Определен химический состав целого растения и разных морфологических частей (листа и стебля) мискантуса сорта Сорановский урожая 2014 года (возраст 4 года), выращенного на плантации ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск, Алтайский край). Массовая доля основного компонента – целлюлозы в целом растении составляет 53,1 %, массовая доля нецеллюлозных компонентов: жировосковой фракции, золы и лигнина – составляет 4,98 %, 5,87 и 22,0 % соответственно. Установлено, что целлюлоза превалирует в стебле мискантуса (55,7 % против 43,3 %), а нецеллюлозные компоненты (жировосковая фракция, зола, кислоторастворимый лигнин) – в листе.

Полученные результаты указывают на то, что для выделения целлюлозы целесообразней использовать стебель мискантуса с целью получения целлюлозы высокого качества и с большим выходом. Преимущественное содержание гидролизуемых компонентов (целлюлозы и пентозанов), 64–79 %, свидетельствует о бесспорном высоком биотехнологическом потенциале мискантуса сорта Сорановский.

Рецензенты:

Базарнова Н.Г., д.х.н., профессор, декан химического факультета, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет», г. Барнаул;

Земнухова Л.А., д.х.н., профессор кафедры химических и ресурсосберегающих технологий, Дальневосточный федеральный университет, заведующая лабораторией химии редких металлов, ФГБУН «Институт химии» ДВО РАН, г. Владивосток.


Библиографическая ссылка

Гисматулина Ю.А. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАЗНЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСТЕЙ МИСКАНТУСА УРОЖАЯ 2014 ГОДА // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-22. – С. 4897-4900;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38127 (дата обращения: 22.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074