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
Год урожая мискантуса, возраст плантации |
Морфологическая часть мискантуса |
Массовая доля компонентов*, % |
||||
ЖВФ |
зола |
лигнин |
пентозаны |
целлюлоза по Кюршнеру |
||
2011 год; 1 год |
Целое растение |
5,71 |
6,30 |
22,23 |
25,33 |
41,70 |
Л |
7,70 |
11,50 |
23,94 |
20,66 |
38,74 |
|
С |
4,30 |
2,96 |
20,51 |
27,91 |
48,10 |
|
2012 год; 2 года |
Целое растение |
4,78 |
6,20 |
23,81 |
23,59 |
44,45 |
Л |
6,12 |
8,71 |
25,30 |
20,67 |
40,51 |
|
С |
3,96 |
2,09 |
18,43 |
26,58 |
50,22 |
|
2013 год; 3 года |
Целое растение |
2,81 |
4,62 |
21,11 |
25,10 |
47,84 |
Л |
4,61 |
7,53 |
23,92 |
20,83 |
43,68 |
|
С |
1,85 |
2,03 |
17,16 |
27,41 |
50,70 |
|
2014 год; 4 года |
Целое растение |
4,98 |
5,87 |
21,99 |
21,00 |
53,10 |
Л |
6,32 |
9,23 |
23,64 |
20,32 |
43,29 |
|
С |
2,68 |
2,13 |
14,95 |
22,98 |
55,72 |
|
2015 год; 5 лет |
Целое растение |
3,57 |
3,57 |
20,13 |
18,57 |
53,60 |
Л |
6,14 |
6,66 |
22,81 |
19,98 |
43,57 |
|
С |
2,09 |
2,19 |
16,05 |
20,92 |
56,58 |
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».
Библиографическая ссылка
Гисматулина Ю.А. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЯТИ УРОЖАЕВ МИСКАНТУСА СОРТА СОРАНОВСКИЙ: РАСТЕНИЕ В ЦЕЛОМ, ЛИСТ, СТЕБЕЛЬ // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 4. – С. 23-26;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35855 (дата обращения: 16.08.2024).