vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2021-11-2-299-309vuzbiochemi-607Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYСостав неорганических компонентов стеблей топинамбураComposition of inorganic components in Helianthus tuberosus stemsКовеховаА. В.KovekhovaA. V.

Ковехова Анна Васильевна - кандидат химических наук, доцент, ДВФУ; научный сотрудник, ИХ ДВО РАН.

690950, Владивосток, ул. Суханова, 8; 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159.

Anna V. Kovekhova - Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor, Far Eastern Federal University; Researcher, Institute of Chemistry FEB RAS.

8, Sukhanov St., Vladivostok, 690950; 159, Stoletiya Vladivostoka Ave., Vladivostok, 690022.

kovekhova.av@dvfu.ruАрефьеваО. Д.ArefievaO. D.

Арефьева Ольга Дмитриевна - кандидат педагогических наук, доцент, ДВФУ; научный сотрудник, ИХ ДВО РАН.

690950, Владивосток, ул. Суханова, 8; 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159.

Olga D. Arefieva - Cand. Sci. (Pedagogy), Associate Professor Far Eastern Federal University; Researcher, Institute of Chemistry FEB RAS.

8, Sukhanov St., 690950, Vladivostok; 159, Stoletiya Vladivostoka Ave., Vladivostok, 690022.

arefeva.od@dvfu.ruДиденкоН. А.DidenkoN. A.

Диденко Нина Алексеевна - научный сотрудник лаборатории химической радиоспектроскопии.

690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159.

Nina A. Didenko - Researcher, Laboratory of Chemical Radio Spectroscopy, Institute of Chemistry FEB RAS.

159, Stoletiya Vladivostoka Ave., Vladivostok, 690022.

ЗемнуховаЛ. A.ZemnukhovaL. A.

Земнухова Людмила Алексеевна - доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории химии редких металлов.

690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159.

Liudmila A. Zemnukhova - Dr. Sci. (Chemistry), Professor, Chief Researcher, Laboratory of Chemistry of Rare Metals, Institute of Chemistry FEB RAS.

159, Stoletiya Vladivostoka Ave., Vladivostok, 690022.

zemnukhova@ich.dvo.ruДальневосточный федеральный университет; Институт химии ДВО РАНРоссияFar Eastern Federal University; Institute of Chemistry Far-Eastern Branch, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут химии ДВО РАНРоссияInstitute of Chemistry Far-Eastern Branch, Russian Academy of SciencesRussian Federation202104072021112299309Copyright © Ковехова А.В., Арефьева О.Д., Диденко Н.А., Земнухова Л.A., 20212021Ковехова А.В., Арефьева О.Д., Диденко Н.А., Земнухова Л.A.Kovekhova A.V., Arefieva O.D., Didenko N.A., Zemnukhova L.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/607

Приведены результаты исследования неорганических компонентов в экстрактах стеблей топинамбура, полученных при различных значениях рН, и образцах золы. Установлено, что природа экстрагента оказывает значительное влияние на выход экстрактивных веществ из измельченных стеблей: наибольший выход (45%) достигается действием раствора гидроксида натрия, минимальный (31%) - дистиллированной воды. Как показали данные атомно-абсорбционного анализа, основными ионами в экстрактах, полученных в разных средах, являются ионы калия, кальция, натрия, магния и железа. Массовая доля золы после обработки стеблей растворами при разных значениях рН изменяется от 0,4 до 2,3%. Наименьшим выходом золы характеризуется образец стеблей после экстракции кислотой. По данным энергодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектроскопии во всех образцах золы содержатся преимущественно соединения К, Са, Si и Р. Наиболее высокое содержание кремния в золе стеблей наблюдается после кислотного гидролиза, что позволяет использовать ее в качестве кремнийсодержащего материала. Также были исследованы зольные компоненты сердцевины и внешней части стебля в сравнении с исходным образцом. По характеру термического разложения исходный образец и внешняя оболочка сходны между собой и отличаются от сердцевины. Зольность исходного образца составляет 4,3%, при этом зольность сердцевины стебля выше, чем внешней оболочки ~ в 2 раза (7 и 3,8% соответственно). Результаты ИК-спектроскопии показали, что характер расщепления полос в ИК-спектрах образцов золы зависит от части стебля и предварительной обработки сырья при разных значениях рН. В золе исходного образца, сердцевины, внешней оболочки, а также в золе остатков после водного и щелочного гидролизов стебля присутствуют полосы поглощения карбонатных групп. В ИК-спектрах золы стебля после кислотной обработки наблюдаются полосы поглощения, характерные для аморфного диоксида кремния. По данным рентгено-фазового анализа изученные образцы золы находятся в аморфно-кристаллическом и кристаллическом состоянии, проведена идентификация фаз.

This article studies inorganic components in Heliánthus tuberósus stems. Ash samples and extracts obtained at different pH values were examined. It is established that the extractant's nature has a significant effect on the yield of extractive substances from the ground stems: the greatest (45%) and the minimum (31%) yield was achieved by sodium hydroxide and distilled water, respectively. According to atomic absorption spectrometry, the main ions in the extracts obtained in different media are those of potassium, calcium, sodium, magnesium and iron. Following treatment of stems with solutions having different pH values, the mass fraction of ash varied from 0.4 to 2.3%. The smallest ash yield was observed for a stem sample after acid extraction. According to energy dispersive X-ray fluorescence spectrometry, all ash samples contained predominantly K, Ca, Si and P compounds. Acid hydrolysis produced the highest level of Si in samples, which allows this ash to be used as a silicon-containing material. The ash components of the core and outer part of the stem were compared with the initial sample. According to the nature of thermal decomposition, the initial sample and the outer shell were similar between themselves, though differing from the core. The ash content of the initial sample was 4.3%, with the ash content of the stem core being ~2 times higher than that of the outer shell (7 and 3.8%, respectively). The results of IR spectroscopy showed that splitting of bands in the IR spectra of ash samples depend on the part of the stem and the pre-treatment of raw materials at different pH values. The ash of the initial sample, core and outer shell, as well as the ash of the residues after the aqueous and alkaline hydrolysis of the stem, showed the absorption bands of carbonate groups. The IR spectra of the stem ash after acid extraction contained absorption bands characteristic of amorphous silicon dioxide. According to the conducted X-ray analysis, the studied ash samples were in an amorphous-crystal and crystalline state. The identification of phases was carried out.

стебли топинамбуразолаэкстрактивные веществанеорганические компонентыHeliánthus tuberósus stemsashextractive substancesinorganic componentsReferencesПерковец М.В. Инулин и олигофруктоза -больше, чем просто пищевые волокна и пребиотики // Молочная промышленность. 2007. N 9. С. 55-56.Perkovets MV. Inulin and oligofructose mean more than simply edible fibres and prebiotics. Molochnaya promyshlennost'. 2007;9:55-56. (In Russian)Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Дорофеева Л.А., Богданов А.В., Шалина Ж.В. Химический состав вегетативной части топинамбура и ее использование // Лесной журнал. 1997. N 4. С. 71-75.Ryazanova TV, Chuprova NA, Dorofeeva LA, Bogdanov AV, Shalina ZhV. Chemical composition of the vegetative part of Jerusalem artichoke and its use. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal. 1997;4:71-75. (In Russian)Аникиенко Т.И. Химический и микроэлементный состав клубней и зеленой массы топинамбура // Вестник КрасГАУ. 2008. N 2. С. 76-80.Anikienko TI. Chemical and microelement composition of tubers and green mass of Jerusalem artichoke. Vestnik KrasGAU = The Bulletin of KrasGAU. 2008;2:76-80. (In Russian)Старовойтов В.И., Старовойтова О.А., Манохина А.А., Звягинцев П.С. Результаты и проблемы промышленного освоения производства и переработки топинамбура // Вестник Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. 2016. N 17. С. 48-52.Starovoitov VI, Starovoitova OA, Manohina AA, Zvyagintsev PS. About results and problems of developing industrial production and processing of jerusalem artichoke. Vestnik Khakasskogo gosudar-stvennogo universiteta im. N.F. Katanova. 2016;17: 48-52. (In Russian)Papi N., Kafilzadeh F., Fazaeli H. Use of Jerusalem artichoke aerial parts as forage in fat-tailed sheep diet // Small Ruminant Research. 2019. Vol. 174. Issue 53. P. 1-6. https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2019.03.001Papi N, Kafilzadeh F, Fazaeli H. Use of Jerusalem artichoke aerial parts as forage in fat-tailed sheep diet. Small Ruminant Research. 2019;174 (53):1-6. https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2019.03.001Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Багровская Н.А., Родионова М.В. Сорбционная очистка вин // Химия растительного сырья. 2007. N 1. С. 69-73.Nikiforova TE, Kozlov VA, Bagrovskaya NA, Rodionova MV. Sorption cleaning of wines. Khimija rastitel'nogo syr'ja = Chemistry of plant raw materia. 2007;1;69-73. (In Russian)Soldatkina L.M., Zavrichko M.A. Application of agriculture waste as biosorbents for dye removal from aqueous solutions // Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2013. Vol. 4. Issue 1. P. 99104. https://doi.org/10.15407/hftp04.01.099Soldatkina LM, Zavrichko MA. Application of agriculture waste as biosorbents for dye removal from aqueous solutions. Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2013;4(1):99-104. https://doi.org/10.15407/hftp04.01.099Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Натареев С.В., Соловьева Е.А., Ефимов Н.А. Сорбция ионов меди(П) из водных растворов целлюлозосодержащим сорбентом // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. N 7. С. 22-27.Nikiforova TE, Kozlov VA, Natareev SV, Solov'eva EA, Efimov NA. Sorption of copper(II) ions from aqueous solutions with a cellulose-containing sorbent. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Seriya khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = ChemChemTech. 2012;55(7):22-27. (In Russian)Исмоилова М.А., Камилов Х.Ч. Исследование сорбционных свойств стеблей топинамбура // Вестник Технологического университета Таджикистана. 2017. N 3 (30). С. 21-23.Ismoilova MA, Kamilov KhCh. Investigation of sorption properties of topinambura steps. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta Tadzhikistana. 2017;3:21-23. (In Tajik)Солдаткина Л.М. Получение и свойства биосорбентов на основе стеблей топинамбура // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы V Всероссийской конференции с международным участием (Барнаул, 24-26 апреля 2012 г.). Барнаул: Изд-во Алтайского государственного ун-та, 2012. С. 457-458.Soldatkina LM. Preparation and properties of biosorbents based on jerusalem artichoke stems. In: Novye dostizheniya v khimii i khimicheskoi tekhnologii rastitel'nogo syr'ya: materialy V Vserossiiskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchasti-em = Proceedings of the 5-th All-Russian Conference with International Participation “New Achievements in Chemistry and Chemical Technology of Plant Raw Materials”. 24-26 April 2012, Barnaul. Barnaul: Izdatel'stvo Altaiskogo universiteta: 2012, p. 457-458. (In Russian)Чупарина Е.В., Гуничева Т.Н., Белоголова Г.А., Матяшенко Г.В. Применение рентгенофлуоресцентного анализа для изучения распределений химических элементов в разных частях растений (на примере топинамбура) // Аналитика и контроль. 2005. Т. 9. N 4. С. 405-409.Chuparina EV, Gunicheva TN, Belogolova GA, Matyashenko GV. Application of X-ray fluorescence analysis for studying chemical element distributions in different plant parts, examplified by artichoke. Analitika i kontrol = Analytics and Control. 2005;994):405-409. (In Russian)Емелина Т.Н., Рязанова Т.В., Чупрова Н.А. Получение углеводсодержащих субстратов из вегетативной части топинамбура // Химия растительного сырья. 2002. N 2. С. 117-119.Emelina TN, Ryazanova TV, Chuprova NA. Preparation of carbon-containing substrates from the vegetative part of jerusalem artichoke. Khimija rastitel'nogo syr'ja = Chemistry of plant raw material. 2002;2:117-119. (In Russian)Дорофеева Л.А., Рязанова Т.В., Чупрова Н.А. Исследование вегетативной части топинамбура. 2. Оптимизация процесса выделения целлюлозы // Химия растительного сырья. 1998. N 2. С. 59-62.Dorofeeva LA, Ryazanova TV, Chuprova NA. Study of the vegetative part of jerusalem artichoke. 2. Optimization of the cellulose extraction process. Khimija rastitel'nogo syr'ja = Chemistry of plant raw materia. 1998;2;59-62. (In Russian)Xue C., Zhang X., Wang J., Xiao M., Chen L., Bai F. The advanced strategy for enhancing biobutanol production and high-efcient product recovery with reduced wastewater generation // Biotechnology for Biofuels. 2017. Vol. 10. Article number 148. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0836-7Xue C, Zhang X, Wang J, Xiao M, Chen L, Bai F. The advanced strategy for enhancing biobutanol production and high-efficient product recovery with reduced wastewater generation. Biotechnology for Biofuels. 2017;10. Article number 148. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0836-7Song Y., Wi S.G., Kim H.M., Bae H.-J. Cel-luosic bioethanol production from Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) using hydrohen porexide-acetic acid (HPAC) pretreatment // Bioresource Technology. 2016. Vol. 214. P. 30-36. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.04.065Song Y, Wi SG, Kim HM, Bae H-J. Celluosic bioethanol production from Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) using hydrohen porexide-acetic acid (HPAC) pretreatment. Bioresource Technology. 2016;214:30-36. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.04.065Dziekonska-Kubczak U., Berlowska J., Dziugan P., Patelski P., Pielech-Przybylska K., Balcerek M. Nitric acid pretreatment of jerusalem artichoke stalks for enzymatic saccharification and bioethanol production // Energies. 2018. Vol. 11. Issue 8. P. 2153. https://doi.org/10.3390/en11082153Dziekonska-Kubczak U, Berlowska J, Dzi-ugan P, Patelski P, Pielech-Przybylska K, Balcerek M. Nitric acid pretreatment of jerusalem artichoke stalks for enzymatic saccharification and bioethanol production. Energies. 2018;11(8):2153. https://doi.org/10.3390/en11082153Khatun M.M., Li Y.-H., Liu C.-G., Zhao X.-Q., Bai F.-W., Mahfuza M., et al. Fed-batch saccharification and ethanol fermentation of Jerusalem artichoke stalks by an inulinase producing Saccharo-myces cerevisiae MK01 // RSC Advances. 2015. Vol. 5. P. 107112-107118. https://doi.org/10.1039/C5RA23901JKhatun MM, Li Y-H, Liu C-G, Zhao X-Q, Bai F-W, Mahfuza M, et al. Fedbatch saccharification and ethanol fermentation of Jerusalem artichoke stalks by an inulinase producing Saccharomyces cerevisiae MK01. RSC Advances. 2015;5:107112-107118. https://doi.org/10.1039/C5RA23901JCabral M.R., Nakanishi E.Y., Marmol G., Palacios J., Godbout S., Lagace R., et al. Potential of Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) stalks to produce cement-bonded particleboards // Industrial Crops and Products. 2018. Vol. 122. P. 214-222. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.05.054Cabral MR, Nakanishi EY, Marmol G, Palacios J, Godbout S, Lagace R, et al. Potential of Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) stalks to produce cement-bonded particleboards. Industrial Crops and Products. 2018;122:214-222. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.05.054Пат. № 2628608, Российская Федерация. Способ производства топливных брикетов или гранул / Я.П. Лобачевский, В.В. Михеев, Е.И. Резник, В.И. Еремченко, В.Ю. Малыхин, З.И. Рухая; патентообладатель ВННИ механизации сельского хозяйства; заявл. 01.07.2016; опубл. 21.08.2017/.Lobachevskij YP., Mikheev VV., Reznik EI., Eremchenko VI., Malykhin VYu., Rukhaya ZI. Fuel briquettes or granules roduction method. Patent RF, no. 2628608, 2016. (In Russian)Абдуллаев С.Ф., Сафаралиев Н.М., Пар-тоев К. Исследование биологического поглощения тяжелых металлов растением-фиторемен-диантом - топинамбуром // Химическая безопасность. 2019. Т. 3. N 1. С. 110-117. https://doi.org/10.25514/CHS.2019.1.15009Abdullaev SF, Safaraliev NM, Partoev K. Study of biological absorption of heavy metals by phytoremediation plant jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.). Khimicheskaya bezopasnost' = Chemical Safety Science. 2019;3(1):110-117. (In Russian) https://doi.org/10.25514/CHS.2019.1.15009Беллами Л.Д. Инфракрасные спектры сложных молекул / пер. с англ. В.М. Акимова; под ред. Ю.А. Пентина. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. 590 с.Bellamy LJ. The Infra-red spectra of complex molecules. London: Methuen; New York: Wiley; 1958. 425 p. (Russ. ed.: Bellami LJ. Infrakrasnye spektry slozhnykh molekul. Under the Editorship of Yu.A. Pentin. Moscow: Izdatel'stvo inostrannoi literatury, 1963. 590 p).Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. 175 с.Plyusnina II. Infrared spectra of minerals. Moscow: Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta; 1976. 175 p.(In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.