Исследователи активно ведут работы по замене традиционных источников целлюлозы, (хлопок и древесина) на альтернативные, в том числе на мискантус и солому льна-межеумка. Список нового сырья постоянно возрастает, но только промышленно доступные источники целлюлозы приобретают особую значимость [1, 3, 5, 8, 10, 12, 15].

Мискантус – энергетическая культура с высоким ежегодным приростом биомассы в течение 15–25 лет, которая может быть успешно выращиваться по всей территории страны. За рубежом активно ведутся исследования по переработке различных видов мискантуса, в основном мискантуса китайского (Miscanthus sinensis), мискантуса гигантского (Miscanthus giganteus) и мискантуса сахароцветкового (Miscanthus sacchariflorus) [10, 12]. Сведения о химическом составе зарубежных видов мискантуса приведены в обзоре [11]. Согласно данному литературному источнику целлюлоза (от 40 до 60 %) с ее уникальной структурой повторения β-D-глюкопиранозных молекул, формирующих каркас, является главным ресурсом для большинства производств биоматериалов и биотоплива; гемицеллюлозы (от 20 до 40 %) являются матричным веществом, состоящим из различных полисахаридов; лигнин (от 10 до 30 %) обеспечивает жесткость и целостность структуры. В России это растение рассматривают как перспективное целлюлозосодержащее сырье для производства целлюлозы и продуктов ее химической модификации. Массовый урожай мискантуса зависит от многих факторов: генотипа, типа почвы, используемых питательных веществ, возраста посадки, биоклиматического местоположения и погоды в течение сельскохозяйственного сезона [11].

Для промышленного освоения производства целлюлозы из недревесных источников в России большой интерес представляет солома льна-межеумка. Поскольку семена используются для производства льняного масла, обладающего ценными пищевыми и лечебными свойствами, объемы выращивания этой культуры постоянно возрастают по всей России [2, 9]. Солома льна-межеумка – реальный отход производства масличного семени, по утилизации которого нет готовых решений. В качестве целлюлозосодержащего сырья лен-межеумок в настоящее время не находит применения из-за отсутствия технологии выделения целлюлозы и ее переработки. Привлекательность льна-межеумка в качестве источника целлюлозы обусловлена следующими факторами: высоким содержанием в волокне α-целлюлозы (до 80 %, аналогичный показатель древесины находится на уровне от 40 % до 60 %); низкой стоимостью стейки (луба), поскольку затраты на возделывание льна-межеумка полностью окупаются продукцией переработки семян; высокой степенью полимеризации льняной целлюлозы, что с учетом низкой ее стоимости позволяет расширить гамму вырабатываемых на ее основе целлюлозных материалов [4, 6, 2, 9]. Использование этих видов целлюлозосодержащего сырья позволит заменить древесину и зарубежный хлопок.

Исходя из вышеизложенного целью данной работы являлось определение химического состава недревесного целлюлозосодержащего сырья – семи урожаев мискантуса и пяти урожаев соломы льна-межеумка.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись два различных источника целлюлозосодержащего сырья: мискантус и солома льна-межеумка. К группе первого объекта исследования относились семь урожаев мискантуса сорта Сорановский – Miscanthus sinensis Andersson, веерник китайский. Два урожая мискантуса, выращенные в Новосибирской области, урожая 2011 года возрастом 2 и 4 года и 5 урожаев мискантуса, выращенных на экспериментальной делянке ИПХЭТ СО РАН: возрастом один год (урожай 2011 года), два года (урожай 2012 года), три (урожай 2013 года), четыре года (урожай 2014 года) и пять лет (урожай 2015 года) соответственно. У всех семи урожаев мискантуса химический состав был определён в разных морфологических частях: как в целом растении, так и в листе и стебле по отдельности. К второй группе исследований относилась солома льна-межеумка пяти различных урожаев, собранных и обмолоченных в разное время, а именно: солома урожая 2011 года, убранная с поля в 2012 году; солома урожая 2012 года, убранная с поля в том же году; солома урожая 2013 года, убранная с поля в 2014 году; солома урожая 2012 года, убранная с поля в 2014 году; солома урожая 2014 года, убранная с поля в 2014 году.

Для исследования химического состава мискантуса брали зрелые растения с наибольшей высотой и соцветиями-метелками, характеризующими спелость мискантуса. Измельчение всего сырья 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 [7].

Результаты исследования и их обсуждение

В таблице приведен химический состав разных урожаев мискантуса: в растении в целом, в листе и стебле отдельно и соломы льна-межеумка разных урожаев.

По табличным данным прослеживается, что независимо от местоположения и возраста плантации большая доля нецеллюлозных компонентов (ЖВФ – 3,40–7,70 % против 1,28–4,30 %; зола – 6,66–11,50 % против 1,43–2,96 %; кислотонерастворимый лигнин – 21,99–25,30 % против 14,95–20,51 %), за исключением пентозанов содержится в листе. Целлюлоза (48,10–56,58 % против 35,95–43,57 %) и пентозаны (20,92–27,91 % против 19,78–20,83 %) сосредоточены в стебле. Сравнивая семь урожаев мискантуса между собой, можно сделать вывод о том, что целлюлоза превалирует в стебле, а нецеллюлозные компоненты (за исключением пентозанов) в листе. Такие результаты позволяют сделать вывод о том, что независимо от места произрастания и возраста растения стебель характеризуется большим содержанием целлюлозы и меньшим содержанием нецеллюлозных компонентов, в сравнении с листом. Исключением являются пентозаны (нецеллюлозный компонент), которые преобладают в стебле.

Полученные данные по содержанию целлюлозы и лигнина в мискантусе согласуются с результатами определения химического состава, опубликованного в зарубежной литературе для различных разновидностей и генотипов мискантуса [11, 13]. Кроме зависимости содержания целлюлозы и нецеллюлозных компонентов от морфологической части мискантуса отмечается еще одна закономерность: увеличение м.д. целлюлозы и снижение нецеллюлозных компонентов по мере взросления растения. Так, на примере пяти урожаев мискантуса, выращенных в г. Бийске, прослеживается увеличение м.д. целлюлозы год от года – с 41,70 % (для годовалого растения) до 53,60 % (для пятилетнего растения). Полученные результаты говорят о целесообразности переработки мискантуса с целью получения целлюлозы. Установлено, что стебель мискантуса является более перспективным для выделения целлюлозы, чем лист, так как в нем большое содержание целлюлозы при меньшем содержании нецеллюлозных компонентов.

Химический состав разных урожаев мискантуса: в растении в целом, в листе и стебле отдельно и соломы льна-межеумка разных урожаев

Примечание. * – в пересчете на а.с.с.; Л – лист; С – стебель.

Солома льна-межеумка так же, как и мискантус, является перспективным целлюлозосодержащим сырьем. У всех пяти урожаев соломы льна-межеумка вне зависимости от времени сбора и обмолачивания достаточно высокое содержание м.д. целлюлозы на уровне 48,87–56,00 %. Содержание нецеллюлозных компонентов находится в следующих пределах: м.д. кислотонерастворимого лигнина – 16,85–23,41 %; м.д. золы – 1,80–3,41 %; ЖВФ – 2,36–10,44 %; м.д. пентозанов – 10,40–22,27 %. М.д. целлюлозы по Кюршнеру находится на уровне 50 %, что свидетельствует о возможности получения целлюлозы из этого вида сырья. Обнаруженное высокое содержание ЖВФ в соломе льна-межеумка, достигающее 10,44 %, что хорошо согласуется с общими представлениями о масличности отходов переработки масличного сорта льна [14]. Полученные результаты химического состава соломы льна-межеумка позволяют сделать вывод о возможности получения качественных целлюлоз непосредственно из соломы льна-межеумка без предварительного выделения волокна.

В результате проведенных исследований по химическому составу недревесного сырья – мискантуса и соломы льна-межеумка установлено, что содержание целлюлозы у этих альтернативных источников находится на уровне 50 % и переработка их в целлюлозу является целесообразной.

Выводы

В ходе проделанной работы определен химический состав недревесного целлюлозосодержащего сырья – семи урожаев мискантуса и пяти урожаев соломы льна-межеумка. У мискантуса химический состав был определен в целом растении и листе и стебле отдельно. Установлено, что независимо от местоположения и возраста плантации целлюлоза превалирует в стебле мискантуса, 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. Установлено, что по мере взросления растения увеличивается содержание целлюлозы и снижается содержание нецеллюлозных компонентов.

Установлено, что солома льна-межеумка так же, как и мискантус, является перспективным целлюлозосодержащим сырьем. У всех пяти урожаев соломы льна-межеумка вне зависимости от времени сбора и обмолачивания достаточно высокое содержание целлюлозы на уровне 48,9–56,0 %.

В результате проведенных исследований по химическому составу недревесного сырья – мискантуса и соломы льна-межеумка установлено, что содержание целлюлозы у этих альтернативных источников находится на уровне 50 % и переработка их в целлюлозу является целесообразной.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № II.2 Комплексной программы СО РАН «Интеграция и развитие».