Получение чистой целлюлозы из мискантуса с предельно высокой степенью полимеризации

В связи с постоянным расширением областей применения нитратов целлюлозы требуются новые прекурсоры – высоковязкие образцы целлюлозы. Данное направление обусловлено тем, что высокая вязкость целлюлозы обеспечивает возможность получения целого ряда марок нитратов целлюлозы, востребованных различными областями применения в экономике и медицине. Мискантус гигантский является дешевым многолетним сырьем с высоким потенциалом для химической трансформации. В ходе проведенного исследования из образцов мискантуса гигантского с массовой долей целлюлозы 49,4–52,8%, выращенных в Московской, Калужской и Пензенской областях Российской Федерации, выделены образцы целлюлозы со степенью полимеризации в диапазоне 1600–1890. Выход образцов целлюлозы составил 34% в пересчете на сырье или 64% в пересчете на нативную целлюлозу. Полученные образцы целлюлозы характеризуются высоким качеством: массовая доля α-целлюлозы достигает 93,8–96,6%, при этом сумма нецеллюлозных компонентов составляет 2,90–4,22%. Сравнение полученных результатов с опубликованными данными о качестве целлюлозы из различных источников целлюлозосодержащего сырья указывает на лидирующую позицию мискантуса гигантского по степени полимеризации целлюлозы. Таким образом, установлена возможность получения из стеблей мискантуса гигантского качественной целлюлозы с предельно высокой степенью полимеризации 1890. Высокие значения массовой доли α-целлюлозы и степени полимеризации целлюлозы из отечественного мискантуса гигантского могут гарантировать необходимые прочность, термостабильность, пленкообразующую способность и сродство к белкам нитратов целлюлозы, причем аналогично импортной хлопковой целлюлозе.

1. Kane J.L., Schartiger R.G., Daniels N.K., Freedman Z.B., McDonald L.M., Skousen J.G., et al. Bioenergy crop Miscanthus x giganteus acts as an ecosystem engineer to increase bacterial diversity and soil organic matter on marginal land // Soil Biology and Biochemistry. 2023. Vol. 186. P. 109178. DOI: 10.1016/j.soilbio.2023.109178.

2. Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К., Зенкова А.А., Скиба Е.А. Биотехнологическая трансформация биомассы мискантуса гигантского в бактериальную наноцеллюлозу // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. Т. 14. N 4. С. 504–513. DOI: 10.21285/achb.947. EDN: PZKEDW.

3. Yu Y., Li M., Yu M., Wang T. Comprehensive analysis of Miscanthus NF-YA genes reveals potential involvement in drought stress adaptation // Plants. 2025. Vol. 14, no. 19. P. 3100. DOI: 10.3390/plants14193100.

4. Гущина В.А., Лыкова А.С., Остробородова Н.И., Володькин А.А. Применение многоцелевой культуры Miscanthus giganteus в ландшафтном фитодизайне // Нива Поволжья. 2023. N 1. С. 1010. DOI: 10.36461/NP.2023.65.1.015. EDN: JCAVIC.

5. Гущина В.А., Лыкова А.С., Остробородова Н.И., Володькин А.А., Осипов Е.С. Оценка возможности использования мискантуса гигантского как целлюлозосодержащего сырья в лесостепи Среднего Поволжья // Нива Поволжья. 2024. N 3. С. 1002. DOI: 10.36461/NP.2024.71.3.007. EDN: QDCVLM.

6. Sukhikh S., Babich O., Ivanova S., Kriger O., Prosekov A., Noskova S., et al. Production of nanocellulose from miscanthus biomass // Current Research in Green and Sustainable Chemistry. 2024. Vol. 8. P. 100412. DOI: 10.1016/j.crgsc.2024.100412.

7. Tarchoun A.F., Trache D., Abdelaziz A., Bekhouche S., Boukeciat H., Sahnoun N., et al. Making progress towards promising energetic cellulosic microcrystals developed from alternative lignocellulosic biomasses // Journal of Energetic Materials. 2022. Vol. 42, no. 1. P. 97–122. DOI: 10.1080/07370652.2022.2032484.

8. Poudel J., Bhattarai S., Nath N., Tanti B. An exclusive review of microcrystalline cellulose: Structure and applications, and limitations // Materials Today Communications. 2025. Vol. 45. P. 112247. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.112247.

9. Ревин В.В., Кленова Н.А., Редькин Н.А., Белоусова З.П., Тукмаков К.Н., Маркова Ю.А. [и др.]. Получение и изучение свойств композитов на основе бактериальной целлюлозы и поли-N, N-диметил-3,4-метиленпирролидиний хлорида // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. C. 102–110. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-1-102-110. EDN: YINZJF.

10. Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Cellulose nitrates-blended composites from bacterial and plant-based celluloses // Polymers. 2024. Vol. 16, no. 9. P. 1183. DOI: 10.3390/polym16091183.

11. Roslan N.J., Jamal S.H., Rashid J.I.A., Norrrahim M.N.F., Khim O.K., Yunus W.M.Z.W. Response surface methodology for optimization of nitrocellulose preparation from nata de coco bacterial cellulose for propellant formulation // Heliyon. 2024. Vol. 10, no. 4. P. e25993. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e25993.

12. Tang R., Xie M.Y., Li M., Cao L., Feng S., Li Z., et al. Nitrocellulose membrane for paper-based biosensor // Applied Materials Today. 2022. Vol. 26. P. 101305. DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101305.

13. Tang R., Xie M., Yan X., Qian L., Giesy J.P., Xie Y. A nitrocellulose/cotton fiber hybrid composite membrane for paper-based biosensor // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 6457–6469. DOI: 10.1007/s10570-023-05288-4.

14. Morris E., Pulham C.R., Morrison C.A. Structure and properties of nitrocellulose: approaching 200 years of research // RSC Advances. 2023. Vol. 13, no. 46. P. 32321–32333. DOI: 10.1039/d3ra05457h.

15. Toader G.A., Nitu F.R., Ionita M. Graphene oxide/ nitrocellulose non-covalent hybrid as solid phase for oligo-DNA extraction from complex medium // Molecules. 2023. Vol. 28, no. 12. P. 4599. DOI: 10.3390/molecules28124599.

16. Tarchoun A.F., Trache D., Hamouche M.A., Abdelaziz A., Boukeciat H., Chentir I., et al. Elucidating the characteristics of a promising nitrate ester polysaccharide derived from shrimp shells and its blends with cellulose nitrate // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 4941–4955. DOI: 10.1007/s10570-023-05200-0.

17. Touidjine S., Boulkadid M.K., Trache D., Louafi E., Akbi H., Belkhiri S., et al. Synergetic effect of nano and micro titanium dioxide on the thermal decomposition behavior and chemical stability of nitrocellulose // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. Vol. 148. P. 6909–6925. DOI: 10.1007/s10973-023-12185-2.

18. Gao H., Chen L., Nan F., Wang B., Cao X., Meng D., et al. The integration of civilian nitrocellulose in propellant with highly improved mechanical property and thermal stability, and study on its combustion behavior // Polymer Degradation and Stability. 2024. Vol. 221. P. 110689. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2024.110689.

19. Aljafree N.F.A., Norrrahim M.N.F., Samsuri A., Yunus W.Z.W. Advancements in nitrated nanocellulose: from structural insights to energetic applications // Cellulose. 2025. Vol. 32. P. 8047–8099. DOI: 10.1007/s10570-025-06724-3.

20. Chen M., Ren M., Zhu M., Zhang H., Chen T., Zhang Y., et al. Effect of degree of polymerization on regenerated cellulose ultrafiltration membrane performance through ZnCl 2 /AlCl 3 aqueous solvent system // Carbohydrate Polymers. 2024. Vol. 345. P. 122557. DOI: 10.1016/j.carbpol.2024.122557.

21. Fang Z., Li B., Liu Y., Zhu J., Li G., Hou G., et al. Critical role of degree of polymerization of cellulose in super-strong nanocellulose films // Matter. 2020. Vol. 2, no. 4. P. 1000–1014. DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.016.

22. Козлов В.К., Сабитов А.Х. Степень полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. N 9-10. С. 34–38. DOI: 10.30724/1998-9903-2018-20-9-10-34-38. EDN: YUSBID.

23. Tarasova E., Krasnou I., Enkhsaikhan G., Abousharabia I., Nunes C.C.Z., Karthegesu D., et al. Reactive extrusion of cellulose esters in ionic liquid: exploring properties and performance across different cellulose types and degrees of polymerization // Cellulose. 2024. Vol. 31. P. 10223–10240. DOI: 10.1007/s10570-024-06203-1.

24. Tu W.C., Weigand L., Hummel M., Sixta H., Brandt-Talbot A., Hallett J.P. Characterisation of cellulose pulps isolated from Miscanthus using a low-cost acidic ionic liquid // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 4745–4761. DOI: 10.1007/s10570-020-03073-1.

25. Singh S.S., Lim L.-T., Manickavasagan A. Enhanced microfibrillation of Miscanthus × giganteus biomass by binary-enzymes pre-treatment // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 177. P. 114537. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.114537.

26. Przybysz K., Małachowska E., Martyniak D. Boruszewski P., Iłowska J., Kalinowska H., et al. Yield of pulp, dimensional properties of fibers, and properties of paper produced from fast growing trees and grasses // BioResources. 2018. Vol. 13, no. 1. P. 1372–1387. DOI: 10.15376/biores.13.1.1372-1387.

27. Rodrigues R.C.L.B., Rodrigues B.G., Canettieri E.V., Martinez E.A., Palladino F., Wisniewski A., et al. Comprehensive approach of methods for microstructural analysis and analytical tools in lignocellulosic biomass assessment – a review // Bioresource Technology. 2022. Vol. 348. P. 126627. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.126627.

28. Скиба Е.А., Кащеева Е.И., Золотухин В.Н., Кухленко А.А. Ферментативный гидролиз высококонцентрированных субстратов, полученных из мискантуса гигантского // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. T. 14. N 3. C. 394–405. DOI: 10.21285/achb.933. EDN: YXAMLK.

29. Kashcheyeva E.I., Korchagina A.A., Gismatulina Y.A., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Simultaneous production of cellulose nitrates and bacterial cellulose from lignocellulose of energy crop // Polymers. 2024. Vol. 16, no. 1. P. 42. DOI: 10.3390/polym16010042.

30. Danielewicz D., Surma-Slusarska B. Miscanthus giganteus stalks as a potential non-wood raw material for the pulp and paper industry. Influence of pulping and beating conditions on the fibre and paper properties // Industrial Crops and Products. 2019. Vol. 141. P. 111744. DOI: 10.1016/j.indcrop.2019.111744.

31. Yang H., Zhang Y., Kato R., Rowan S.J. Preparation of cellulose nanofibers from Miscanthus × giganteus by ammonium persulfate oxidation // Carbohydrate Polymers. 2019. Vol. 212. P. 30–39. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.02.008.

32. Tsalagkas D., Börcsök Z., Pásztory Z., Gogate P., Csóka L. Assessment of the papermaking potential of processed Miscanthus × giganteus stalks using alkaline pretreatment and hydrodynamic cavitation for delignification // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 72. P. 105462. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2021.105462.

33. Жегров Е.Ф., Милёхин Ю.М., Берковская Е.В. Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив: монография. В 2 т. М.: Изд-во РИЦ МГУП им. И. Федорова, 2011. Т. 2. Технология. 551 с.

34. Шахмина Е.В., Фатхеева А.П., Ишпаева А.А., Малов И.И., Фахрутдинов М.Р., Леднева Н.Ю. [и др.]. Льняная целлюлоза в производстве высокоэнергетических конденсированных систем // Бутлеровские сообщения. 2021. Т. 67. N 9. С. 56–60. DOI: 10.37952/ROI-jbc-01/21-67-9-56. EDN: NJFKNZ.

35. Kälkäjä S., Lappalainen K., Delattre F., Lévêque J.-M. Current status of chemicalor enzyme-assisted ultrasonic pre-treatment processes for lignocellulosic biomass to assess industrialization progress: a review // Current Opinion in Chemical Engineering. 2025. Vol. 48. P. 101124. DOI: 10.1016/j.coche.2025.101124.

36. Chen S., Cao Y., Li F., Ma Z., Zhang K., Xu C., et al. Carbohydrates-first biomass fractionation and valorization: advances, challenges, and future opportunities // Journal of Environmental Management. 2025. Vol. 394. P. 127281. DOI: 10.1016/j.jenvman.2025.127281.

37. Корчагина А.А. Синтез нитратов целлюлозы из целлюлозы мискантуса гигантского сорта Камис, полученной в условиях опытно-промышленного производства // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2023. Т. 13. N 3. С. 392–401. DOI: 10.21285/2227-2925-2023-13-3-392-401. EDN: KXAXSG.

38. Корчагина А.А., Горбатова П.А., Будаева В.В., Золотухин В.Н. Нитрование целлюлозы с высокой степенью полимеризации из мискантуса сорта Сорановский // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2024. Т. 17. N 2. С. 268–278. EDN: OWEJVD.

39. Hassan M.L., Bras J., Hassan E.A., Silard C., Mauret E. Enzyme-assisted isolation of microfibrillated cellulose from date palm fruit stalks // Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 55. P. 102–108. DOI: 10.1016/j.indcrop.2014.01.055.

40. Bogolitsyn K.G., Parshina A.E., Ivanchenko N.L., Bogdanovich N.I., Arkhilin M.A. The capillary and porous structure of the protein-cellulose complexes of Arctic brown algae Laminaria digitata and Saccharina latissima // Cellulose. 2022. Vol. 29. P. 7037–7048. DOI: 10.1007/s10570-022-04707-2.

41. Bogolitsyn K., Parshina A., Mayorova K., Aksenov A., Polomarchuk D., Sinitsyna O., et al. Enzymatic hydrolysis of cellulose-rich fraction of Arctic seaweeds using Penicillium- and Myceliophtora-based glycoside hydrolases // Biomass Conversion and Biorefinery. 2025. Vol. 15. P. 30281–30292. DOI: 10.1007/s13399-024-05934-2.

42. Корчагина А.А., Будаева В.В., Алешина Л.А., Люханова И.В., Бычин Н.В., Сакович Г.В. Модификация растительной целлюлозы и ее синтетического аналога в низкозамещенные продукты этерификации // Известия высших учебных заведений. Серия Химия и химическая технология. 2022. Т. 65. N 6. С. 64–74. DOI: 10.6060/ivkkt.20226506.6598. EDN: QGXUCZ.

43. Бабамуратов Б.Э., Джалилов А.Т., Тураев Х.Х., Изучение способа получения целлюлозы из тростника // Universum: химия и биология. 2021. N 2. P. 54–57. EDN: GYYWQZ.

44. Hallac B.B., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2011. Vol. 5, no. 2. P. 215–225. DOI: 10.1002/bbb.269.

45. Hájková K., Jurczyková T., Filipi M., Bouček J. Chemical pulp from corn stalks // Biotechnology Reports. 2023. Vol. 37. P. e00786. DOI: 10.1016/j.btre.2023.e00786.

46. Bogolitsyn K., Parshina A., Novoselov N., Muravyev A., Abramova E., Khviuzov S., et al. Physicochemical aspects of hydrogel preparation from algal cellulose // International Journal of Biological Macromolecules. 2025. Vol. 310. P. 143499. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2025.143499.

47. Гисматулина Ю.А. Целлюлоза из соломы льна-межеумка // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2022. Т. 15. N 3. С. 377–386. DOI: 10.17516/1998-2836-0301. EDN: IXOCUP.

48. Валишина З.Т., Иванова А.В., Мухаметшин Б.Ф., Александров А.А., Косточко А.В. Исследование свойств азотнокислых эфиров целлюлозы на основе пеньковой целлюлозы // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. N 18. С. 65–68. EDN: WYBSAT.

49. Bicu I., Mustata F. Cellulose extraction from orange peel using sulfite digestion reagents // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102, no. 21. P. 10013–10019. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.08.041.

50. Зайцева Л.А., Волкова А.В., Миневич И.Э. Получение целлюлозного продукта из конопляной лузги // Ползуновский вестник. 2023. N 2. С. 174–183. DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2023.02.023. EDN: WCTYHR.

51. Ibrahim M.M., El-Zawawy W.K., Jüttke Y., Koschella A., Heinze T. Cellulose and microcrystalline cellulose from rice straw and banana plant waste: preparation and characterization // Cellulose. 2013. Vol. 20. P. 2403–2416. DOI: 10.1007/s10570-013-9992-5.

52. Durand K., Daassi R., Rodrigue D., Stevanovic T. Study of purified cellulosic pulp and lignin produced by wheat straw biorefinery // Macromol. 2024. Vol. 4, no. 3. P. 650–679. DOI: 10.3390/macromol4030039.

53. Danielewicz D. Nitric acid-alkali two-stage pulping of wheat straw, industrial hemp, and Miscanthus × giganteus // BioResources. 2023. Vol. 18, no. 4. P. 7629. DOI: 10.15376/biores.18.4.7629-7644.

54. Long L., Tian D., Hu J., Wang F., Saddler J. A xylanaseaided enzymatic pretreatment facilitates cellulose nanofibrillation // Bioresource Technology. 2017. Vol. 243. P. 898–904. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.07.037.

55. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В., Ситникова А.Е., Бычин Н.В., Гладышева Е.К., Шавыркина Н.А. [и др.]. Композиционная бумага из бактериальной наноцеллюлозы и хвойной целлюлозы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 3. С. 460–471. DOI: 10.21285/2227-2925-2021-11-3-460-471. EDN: OEQTVG.

56. Khorasani A.C., Bajestani S.Z., Bajestani A.S. Comparative techno-economic assessment of production of microcrystalline cellulose, microcrystalline nitrocellulose, and solid biofuel for biorefinery of pistachio shell // Bioresource Technology Reports. 2023. Vol. 24. P. 101673. DOI: 10.1016/j.biteb.2023.101673.

57. Boukeciat H., Tarchoun A.F., Abdelaziz A., Boustila C., Bouhantala A., Klapotke T., et al. Pyrolysis mechanism and evolved gas analysis of a promising energetic carbamate-functionalized microcrystalline cellulose nitrate // Fire - PhysChem. 2024. Vol. 4, no. 4. P. 327–332. DOI: 10.1016/j.fpc.2024.04.002.

58. Khorasani A.C., Bajestani S.Z., Bajestani A.S. Comparative techno-economic assessment of production of microcrystalline cellulose, microcrystalline nitrocellulose, and solid biofuel for biorefinery of pistachio shell // Bioresource Technology Reports. 2023. Vol. 24. P. 101673. DOI: 10.1016/j.biteb.2023.101673.

59. Boukeciat H., Tarchoun A.F., Abdelaziz A., Boustila C., Bouhantala A., Klapotke T., et al. Thermal decomposition behavior of ammonium perchlorate/nitrated microcrystalline cellulose carbamate/diethylene glycol dinitrate energetic composite // FirePhysChem. 2025. Vol. 5, no. 5. P. 462–470. DOI: 10.1016/j.fpc.2025.02.004.