Химический состав волокна и костры лубяных культур и продуктов их щелочной делигнификации

Данная работа посвящена исследованию химического состава волокна и костры льна-долгунца и конопли, полученных в России в промышленных условиях, а также химического состава продуктов щелочной делигнификации перечисленных объектов. Щелочная делигнификация осуществлялась при атмосферном давлении 4%-м раствором гидроксида натрия, химический состав определялся «мокрыми» методами. Химический состав костры конопли российских производителей исследован впервые. Установлено, что в исследованных объектах массовая доля целлюлозы составляет от 42,3 до 66,1%, а после щелочной делигнификации выход продуктов достигает 47,0–50,0%. Выявлено сходство поведения волокна льна-долгунца и конопли при щелочной делигнификации: содержание целлюлозы увеличивается в 1,2–1,3 раза, содержание пентозанов снижается в 4,3–6,3 раза, а содержание лигнина практически не изменяется. Поведение костры льна-долгунца и конопли кардинально различается при щелочной делигнификации. Костра льна-долгунца устойчива к щелочной делигнификации: содержание целлюлозы увеличивается в 1,4 раза, содержание пентозанов снижается в 4,2 раза, содержание лигнина увеличивается в 1,4 раза, что обусловлено природой лигнина. Костра конопли легко поддается щелочной делигнификации: содержание целлюлозы увеличивается в 1,8 раза, содержание пентозанов снижается в 5,8 раза, содержание лигнина снижается в 2,2 раза; в продукте щелочной делигнификации содержится 87,3% целлюлозы, 5,4% пентозанов, 8,2% лигнина. Прогнозируется высокая перспективность использования костры конопли для химической и биотехнологической трансформации.

1. Ma H., Guna V., Raju T., Murthy A.N., Reddy N. Converting flax processing waste into value added biocomposites // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 195. P. 116434. DOI: 10.1016/j.indcrop.2023.116434.

2. Yano H., Fu W. Hemp: a sustainable plant with high industrial value in food processing // Foods. 2023. Vol. 12, no. 3. P. 651. DOI: 10.3390/foods12030651.

3. Wawro A., Batog J., Gieparda W. Chemical and enzymatic treatment of hemp biomass for bioethanol production // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, no. 24. P. 5348. DOI: 10.3390/app9245348.

4. Wawro A., Batog J., Gieparda W. Polish varieties of industrial hemp and their utilisation in the efficient production of lignocellulosic ethanol // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 21. P. 6467. DOI: 10.3390/molecules26216467.

5. Макаров И.С., Голова Л.К., Виноградов М.И., Егоров Ю.А., Куличихин В.Г., Михайлов Ю.М. Новое гидратцеллюлозное волокно из льняной целлюлозы // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. N 1. С. 13–21. DOI: 10.6060/rcj.2020641.2. EDN: RDRPRG.

6. Дымникова Н.С., Ерохина Е.В., Морыганов А.П. Лубяные волокна – новые возможности для «зеленой» нанотехнологии // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. N 1. С. 22–31. DOI: 10.6060/rcj.2020641.3. EDN: ZEWAPE.

7. Kozłowski R.M., Mackiewicz-Talarczyk M., Wielgusz K., Praczyk M., Allam A.M. Bast fibres: flax // Handbook of natural fibres. Vol. 1: Types, properties and factors affecting breeding and cultivation. Woodhead Publishing, 2020. Р. 93–162. DOI: 10.1016/B978-0-12-818398-4.00006-2.

8. Yan L., Chouw N., Jayaraman K. Flax fibre and its composites – a review // Composites Part B: Engineering. 2014. Vol. 56. P. 296–317. DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.08.014.

9. Khan S.H., Rahman M.Z., Haque M.R., Hoque M.E. Characterization and comparative evaluation of structural, chemical, thermal, mechanical, and morphological properties of plant fibers // Annual Plant: Sources of Fibres, Nanocellulose and Cellulosic Derivatives. Singapore: Springer, 2023. P. 1–45. DOI: 10.1007/978-981-99-2473-8_1.

10. Ji A., Jia L., Kumar D., Yoo C.G. Recent advancements in biological conversion of industrial hemp for biofuel and value-added products // Fermentation. 2021. Vol. 7, no. 1. P. 6. DOI: 10.3390/fermentation7010006.

11. Каретникова Н.В., Чендылова Л.В., Пен Р.З. Делигнификация льняной костры // Химия растительного сырья. 2018. N 1. С. 155–162. DOI: 10.14258/jcprm.2018012757. EDN: YRVTOE.

12. Shaimerdenov Zh.N., Temirova I.Zh., Aldieva A.B., Iztayev A. Use of oilseed flax waste for production of technical cellulose // ылым ж не білім. 2020. No. 1-2 (58). P. 12–16.

13. Azhar S.W., Xu F., Qiu Y. Evaluation and characterization of cellulose nanofibers from flaxseed fiber bundles // AATCC Journal of Research. 2021. Vol. 8, no. 4. P. 8–14. DOI: 10.14504/ajr.8.4.2

14. Lialina N., Yudicheva O., Samoilenko A., Berezovskyi Yu., Moroz O., Bondar-Pidhurska O., et al. Evaluation of the quality of cellulose semi-finished products from technical hemp and the possibility of their further use // Fibres and Textiles. 2023. Vol. 30, no. 3. P. 48–54. DOI: 10.15240/tul/008/2023-3-006.

15. Малюшевская А.П., Малюшевский П.П., Ющишина А.Н. Получение целлюлозы из льняного волокна с использованием электроразрядной объемной кавитации // Электронная обработка материалов. 2020. Т. 56. N 2. С. 49–54. DOI: 10.5281/zenodo.3747835.

16. Валишина З.Т., Александров А.А., Хасанова К.В., Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Дебердеев Р.Я. Оптимизация фазы делигнификации конопляного волокна // Вестник технологического университета. 2023. Т. 26. N 8. С. 47–51. DOI: 10.55421/1998-7072_2023_26_8_47. EDN: DNBWKW.

17. Pen R.Z., Shapiro I.L. Microcrystalline peracetic cellulose from hemp // Practice Oriented Science: UAE – RUSSIA – INDIA: Materials of International University Scientific Forum (United Arab Emirates, 24 February 2023). United Arab Emirates, 2023. P. 61–66. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.115582.

18. Aguado R., Tarrés Q., Mutjé P., Pèlach M.À., Delgado-Aguilar M. Non-covalently cationized nanocellulose from hemp: kinetics, key properties, and paper strengthening // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 188. Part A. P. 115582. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.115582.

19. Ye D., Farriol X. Preparation and characterization of methylcelluloses from some annual plant pulps // Industrial Crops and Products. 2007. Vol. 26, no. 1. P. 54–62. DOI: 10.1016/j.indcrop.2007.01.004.

20. Аксенчик К.В. Получение натрий-карбоксиметилцеллюлозы из льняной целлюлозы твердофазным способом в лабораторных условиях // Ползуновский вестник. 2018. N 2. С. 91–95. DOI: 10.25712/ASTU.20728921.2018.02.017. EDN: VADOBE.

21. Городнев И.О., Иванова И.П., Ибрагимов Н.Г., Голубев А.Е. Изучение кинетики пластификации и надмолекулярной структуры нитратов целлюлозы, полученных из различного целлюлозосодержащего сырья // Российский химический журнал. 2017. Т. 61. N 4. С. 14–34. EDN: VNQLFS.

22. Rizkiah R., Kencanawati K., Rosidin A., Wibowo L. Sintesis nitroselulosa dari serat rami (Boechmerianivea) menggunakan trietilamin // Jurnal Sains dan Teknik. 2021. Vol. 3, no. 1. P. 21–26. DOI: 10.37577/sainteks.v3i1.231.

23. Lawson L., Degenstein L.M., Bates B., Chute W., King D., Dolez P.I. Cellulose textiles from hemp biomass: opportunities and challenges // Sustainability. 2022. Vol. 14, no. 22. P. 15337. DOI: 10.3390/su142215337.

24. Mostafa N.A., Farag A.A., Abo-dief H.M., Tayeb A.M. Production of biodegradable plastic from agricultural wastes // Arabian Journal of Chemistry. 2018. Vol. 11, no. 4. P. 546–553. DOI: 10.1016/j.arabjc.2015.04.008.

25. Plazonić I., Džimbeg-Malčić V., Bates I., Barbarić-Mikočević Ž. Effects of photo-oxidation on the properties of hemp office papers // International Journal of Technology. 2020. Vol. 11, no. 2. P. 215–224. DOI: 10.14716/ijtech.v11i2.3196.

26. Akl M.A., El-Zeny A.S., Hashem M.A., El-Gharkawy E.-S.R.H., Mostafa A.G. Flax fiber based semicarbazide biosorbent for removal of Cr(VI) and Alizarin Red S dye from wastewater // Scientific Reports. 2023. Vol. 13. P. 8267. DOI: 10.1038/s41598-023-34523-y.

27. Golshenas P. The usage of flax as biodiesel and biomass // The Canadian Science Fair Journal. 2023. Vol. 5, no. 1. Available from: https://csfjournal.com/volume5-issue-4-1/2023/1/12/the-usage-of-flax-as-biodieseland-biomass (accessed: 20.09.2023).

28. Batog J., Wawro A., Gieparda W., Bujnowicz K., Foksowicz-Flaczyk J., Rojewski S., et al. Effective use of flax biomass in biorefining processes // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, no. 13. P. 7359. DOI: 10.3390/app13137359.

29. Asquer C., Melis E., Scano E.A., Carboni G. Opportunities for green energy through emerging crops: biogas valorization of Cannabis sativa L. residues // Climate. 2019. Vol. 7, no. 12. P. 142. DOI: 10.3390/cli7120142.

30. Bochek A.M., Shevchuk I.L., Lavrent’ev V.N. Fabrication of microcrystalline and powdered cellulose from short flax fiber and flax straw // Russian Journal of Applied Chemistry. 2003. Vol. 76. P. 1679–1682. DOI: 10.1023/B:RJAC.0000015737.07117.12.

31. Пучков Е.М., Галкин А.В., Ущаповский И.В. Технология производства сорбентов из костры масличного льна // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2019. Т. 20. N 5. С. 517–525. DOI: 10.30766/20729081.2019.20.5.517-525. EDN: HXBOZL.

32. Badretdinova I., Kasatkina N., Khrameshin A., Spiridonov A., Litvinyuk A. Universal eco-friendly biodegradable packaging for storage and transportation of food and industrial goods based on shives of bast plants // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 380. P. 01014. DOI: 10.1051/e3sconf/202338001014.

33. Скворцова Н.К., Матыс Е.Г., Филимонова Л.А., Валиуллина Е.Р. Поиск способов решения проблем переработки отходов: биоразлагаемые материалы из конопли // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Экономика и право. 2021. N 11. С. 90–99. DOI: 10.37882/2223-2974.2021.11.31. EDN: MVLHQO.

34. Жарких О.А. О перспективах глубокой переработки коноплепродукции // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. 2021. N 23. С. 184–187. EDN: RDKSUU.

35. Исламутов Д.Р., Бикбаева Г.Г. Состояние и перспективы развития коноплеводства // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2020. N 4. С. 36–40. DOI: 10.31563/1684-7628-202056-4-36-40. EDN: UQQQBA.

36. Белопухов С.Л., Хамидреза Б., Байбеков Р.Ф. Влияние гуминово-фульватного комплекса на рост, развитие и качество продукции базилика (Ocimum basilicum L.) // Молочнохозяйственный вестник. 2020. N 2. С. 31–40. EDN: CSNTST.

37. Белопухов С.Л., Барыкина Ю.А., Федяев В.В., Жарких О.А., Дмитревская И.И. Мелиоранты из отходов льняного комплекса // Природообустройство. 2019. N 2. С. 28–34. DOI: 10.34677/1997-6011/2019-2-28-34. EDN: VNGCFN.

38. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass // Bioresource Technology. 2016. Vol. 199. Р. 42–48. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.08.085.

39. Karimi K., Taherzadeh M.J. A critical review of analytical methods in pretreatment of lignocelluloses: composition, imaging, and crystallinity // Bioresource Technology. 2016. Vol. 200. P. 1008–1018. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.11.022.

40. Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Sakovich G.V. Review of current prospects for using miscanthus-based polymers // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 14. P. 3097. DOI: 10.3390/polym15143097.

41. Ovchinnikovа E.V., Mironova G.F., Banzaraktsaeva S.P., Skiba E.A., Budaeva V.V., Kovgan M.A., et al. Bioprocessing of oat hulls to ethylene: Impact of dilute HNO3- or NaOH-pretreatment on process efficiency and sustainability // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021. Vol. 9, no. 49. Р. 16588–16596. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c05112.

42. Skiba E.A., Gladysheva E.K., Golubev D.S., Budaeva V.V., Aleshina L.A., Sakovich G.V., Self-standardization of quality of bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii in nutrient media derived from Miscanthus biomass // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 252. P. 117178. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.117178.

43. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 10. P. 1645. DOI: 10.3390/polym11101645.

44. Liu M., Thygesen A., Summerscales J., Meyer A.S. Targeted pre-treatment of hemp bast fibres for optimal performance in biocomposite materials: a review // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 108. P. 660–683. DOI: 10.1016/j.indcrop.2017.07.027.

45. Shadhin M., Rahman M., Jayaraman R., Chen Y., Mann D., Zhong W. Natural biomass & waste biomass fibers – structures, environmental footprints, sustainability, degumming methods, & surface modifications // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 204. Part A. P. 117252. DOI: 10.1016/j.indcrop.2023.117252.

46. Tarabanko V.E., Vigul D.O., Kaygorodov K.L., Kosivtsov Yu., Tarabanko N., Chelbina Yu.V. Influence of mass transfer and acid prehydrolysis on the process of flax shives catalytic oxidation into vanillin and pulp // Biomass Conversion and Biorefinery. 2022. DOI: 10.1007/s13399-022-02366-8.

47. Baksi S., Saha D., Saha S., Sarkar U., Basu D., Kuniyal J.C. Pre-treatment of lignocellulosic biomass: review of various physico-chemical and biological methods influencing the extent of biomass depolymerization // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. Vol. 20. P. 13895–13922. DOI: 10.1007/s13762-023-04838-4.

48. Богданова О.Ф., Домбровська О.П., Бабіч С.С., Домбровський А.Г. Визначення можливості одержання волокнистих напівфабрикатів з ненаркотичних конопель // Вiсник Херсонського нацiонального технiчного унiверситету. 2018. N 1. С. 67–74.

49. Шавыркина Н.А., Скиба E.А. Получение молочной кислоты из шелухи овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 1. С. 99–106. DOI: 10.21285/2227-2925-2021-11-1-99-106. EDN: NRZZIE.

50. Скиба Е.А. Биосинтез кормовых дрожжей на средах, полученных из плодовых оболочек овса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 3. С. 140–142. DOI: 10.21285/2227-29252016-6-3-140-142. EDN: WZQKFV.