Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

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 [6]. Исторически в России крупномасштабное производство целлюлозы традиционно было ориентировано на древесину. Тем не менее недревесные источники целлюлозы: лен, конопля, тростник, солома злаков – представлены и обоснованы в современном справочнике химика-технолога промышленно значимыми видами сырья [4]. Поиск нового сырья, дающего высокие урожаи биомассы с высоким содержанием целлюлозы, выращиваемого традиционными методами сельского хозяйства, может оказаться весьма перспективным способом вовлечения новых источников высококачественной целлюлозы для многоцелевого использования [7].

Особый интерес представляет энергетическая культура мискантус – род многолетних травянистых растений семейства мятликовых. 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) [9]. В настоящее время зарубежными исследователями установлено, что это мискантус зарекомендовал себя в качестве перспективного целлюлозосодержащего сырья как для производства целлюлозы и продуктов ее химической модификации, так и для биотехнологического получения растворимых углеводов и биотоплива [9, 10]. Химический состав биомассы мискантуса различных генотипов по зарубежным источникам представлен в основном целлюлозой 40-60 % и лигнином 10–30 % [8, 9].

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). 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 [7].

Известно, что химический состав злаков и других недревесных растений зависит от следующего ряда факторов: генотип, тип почвы, используемые питательные вещества, возраст посадки, биоклиматическое местоположение и погода в течение сельскохозяйственного сезона. Кроме того, функция определенной морфологической части растения принципиально влияет на соотношение трех полимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Известно, что морфологические части соломы злаковых культур имеют разный химический состав. Так, в междоузлиях содержится больше целлюлозы, а больший процент золы, в которой основным компонентом служит кремнезем – нерастворимая зола, наблюдается в листьях и пазухах листьев. Больший процент лигнина содержится в сердцевинах узлов и в листьях [3, 11].

Поскольку отсутствуют данные по химическому составу листа и стебля мискантуса, а также зависимости состава от возраста плантации, целью данной работы было определение химического состава разных морфологических частей пяти урожаев мискантуса сорта Сорановский.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись пять урожаев мискантуса сорта Сорановский – Miscanthus sinensis Andersson, веерник китайский различного возраста, выращенные на экспериментальной делянке ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск) при полном отсутствии агротехнических приемов (подкормки, полива, рыхления и борьбы с сорняками), а именно: урожай 2011 года (возраст плантации 1 год), урожай 2012 года (возраст плантации 2 года), урожай 2013 года (возраст плантации 3 года), урожай 2014 года (возраст плантации 4 года), урожай 2015 года (возраст плантации 5 лет).

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 химического состава проводили в целом растении и листе и стебле отдельно.

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 [5]. Влажность определяли на анализаторе влажности МВ 23/МВ 25 («OHAUS», США).

Результаты исследования и их обсуждение

Химический состав разных морфологических частей пяти урожаев мискантуса сорта Сорановский представлен в таблице.

Как следует из представленных данных, целое растение у всех пяти урожаев мискантуса характеризуется химическим составом в следующих диапазонах: м.д. ЖВФ 2,81–5,71 %, зольность 3,57–6,30 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина 20,13–23,81 %, м.д. пентозанов 18,57–25,33 %, м.д. целлюлозы 41,70–53,60 %. Полученные результаты согласуются с зарубежными данными для различных генотипов мискантуса в части основных компонентов: целлюлозы и лигнина [8, 9]. Целлюлоза является главным компонентом, составляющим 40–60 % и формирующим каркас, гемицеллюлозы (в частности, пентозаны) составляют 20–40 % и являются матричным веществом, состоящим из различных полисахаридов, на лигнин приходится 10–30 %, он обеспечивает жесткость структуры [8, 10].

Химический состав разных морфологических частей пяти урожаев мискантуса сорта Сорановский

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

Установлено, что независимо от возраста плантации большая доля нецеллюлозных компонентов (ЖВФ – 3,40–7,70 % против 1,28–4,30 %; зола – 7,53–11,50 % 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 35,95–43,68 %) и пентозаны (22,98–27,91 % против 19,78–20,83 %) сосредоточены в стебле. Сравнивая пять урожаев мискантуса между собой, можно сделать вывод о том, что целлюлоза превалирует в стебле, а нецеллюлозные компоненты (за исключением пентозанов) – в листе. Учитывая, что данное растение было выращено на неподготовленной почве и без подкормки удобрениями, повышенную зольность в листьях мискантуса можно объяснить только ботанической особенностью растения (злак) [3]. Механическую прочность листьев мискантуса можно связать именно с повышенным содержанием лигнина, придающего пластичность длинным и гибким листьям растения. Следует отметить, что разрыв между значениями м.д. целлюлозы в стебле и листе значителен и составляет от 7 % до 13 %. Такие результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что независимо от 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.

Следует отметить, что в 1983 году в Киеве П.Г. Кроткевич с коллегами [2] аналогичным образом исследовал химический состав листа и стебля мискантуса китайского – Miscantus sinensis Anderss, выращенного в ботаническом саду. 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 в большинстве согласуется с нашими результатами, приводимыми в данной статье про мискантус сорта Сорановский.

Такие результаты сравнения позволяют сделать вывод, о том, что независимо от места произрастания и возраста растения стебель мискантуса характеризуется большим содержанием целлюлозы и меньшим содержанием нецеллюлозных компонентов, в сравнении с листом. Такая закономерность была установлена и для соломы злаковых культур [3].

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 плантации. Так на примере пяти урожаев мискантуса, выращенных в г. Бийске, прослеживается увеличение м.д. целлюлозы год от года – с 41,70 % (для годовалого целого растения) до 53,60 % (для пятилетнего целого растения) и уменьшение нецеллюлозных компонентов, а именно: ЖВФ – с 5,71 до 3,57 %, зольности – с 6,30 до 3,57 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина – с 22,23 до 20,13 % м.д. пентозанов – с 25,33 до 18,57 % соответственно.

Полученные результаты говорят о целесообразности переработки мискантуса с целью получения целлюлозы. Установлено, что независимо от возраста растения стебель мискантуса является более перспективным для выделения целлюлозы, чем лист, так как в нем большое содержание целлюлозы при меньшем содержании нецеллюлозных компонентов, за исключением м.д. пентозанов. Показано, что по мере увеличения возраста плантации повышается содержание целлюлозы и уменьшается содержание нецеллюлозных компонентов.

Выводы

Определен химический состав разных морфологических частей пяти урожаев мискантуса сорта Сорановский, выращенных на плантации ИПХЭТ СО РАН. Установлено, что целое растение у всех пяти урожаев мискантуса характеризуется химическим составом в следующих диапазонах: массовая доля ЖВФ 2,81–5,71 %, зольность 3,57–6,30 %, массовая доля кислотонерастворимого лигнина 20,13–23,81 %, массовая доля пентозанов 18,57–25,33 %, массовая доля целлюлозы 41,70–53,60 %.

Установлено, что независимо от возраста плантации большая доля нецеллюлозных компонентов (ЖВФ – 3,40–7,70 % против 1,28–4,30 %; зола – 7,53–11,50 % 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 35,95–43,68 %) и пентозаны (22,98–27,91 % против 19,78–20,83 %) сосредоточены в стебле.

Установлено, что с увеличением возраста мискантуса повышается массовая доля целлюлозы и снижается содержание нецеллюлозных компонентов. Происходит увеличение массовой доли целлюлозы с 41,70 % (для годовалого целого растения) до 53,60 % (для пятилетнего целого растения) и уменьшение нецеллюлозных компонентов, а именно: ЖВФ – с 5,71 до 3,57 %, зольности – с 6,30 до 3,57 %, массовой доли кислотонерастворимого лигнина – с 22,23 до 20,13 % массовой доли пентозанов – с 25,33 до 18,57 % соответственно.

Полученные результаты говорят о целесообразности переработки мискантуса с целью получения целлюлозы. Установлено, что для выделения целлюлозы целесообразней использовать стебель мискантуса с целью получения целлюлозы высокого качества и с большим выходом.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-33-00232 «мол_а».