Комбинированная термообработка соломы пшеницы в среде глубокого эвтектического растворителя

Использование глубоких эвтектических растворителей для процессов предварительной обработки растительной биомассы вызвало широкий научный интерес вследствие их экологичности и возможности варьирования состава с целью получения заданных свойств. Целью проведенного исследования являлась оценка влияния ультразвукового воздействия на эффективность конверсии соломы пшеницы при термообработке в среде глубокого эвтектического растворителя. Использован растворитель состава хлорид триэтиламмония / щавелевая кислота (молярное соотношение 1:1). Комбинированную обработку смеси соломы и глубокого эвтектического растворителя (массовое соотношение 1:20) проводили при температуре 90, 100, 110 и 120 °С в течение 10 мин. Использовали ультразвук с частотой 44 кГц и мощностью 50 Вт. Установлено, что повышение температуры обработки в интервале 90–120 °С способствует извлечению лигнина и гемицеллюлоз из биомассы соломы. Степень делигнификации соломы после обработки при 120 °С составила 64,2%, а степень извлечения гемицеллюлоз – 67,5%. Целлюлоза в условиях обработки более устойчива к гидролитическим процессам по сравнению с гемицеллюлозами и лигнином. В условиях обработки степень гидролиза целлюлозы не превышает 15%. Использование ультразвукового облучения позволило сократить продолжительность термообработки до 10 мин и повысить эффективность ферментолиза целлюлозы соломы. При ферментолизе фракции технической целлюлозы, выделенной из продуктов термообработки соломы при 100 °С, получен выход сахаров в количестве 40,8% а.с.м., что составляет 83% от теоретически возможного и превышает выход сахаров из исходной соломы в 4,5 раза.

1. Taherzadeh M.J., Karimi K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review // International Journal of Molecular Sciences. 2008. Vol. 9, no. 9. P. 1621–1651. DOI: 10.3390/IJMS9091621.

2. Ranjan A., Moholkar V.S. Comparative study of various pretreatment techniques for rice straw saccharification for the production of alcoholic biofuels // Fuel. 2013. Vol. 112. P. 567–571. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.03.030.

3. Zhang Z., Lv P., Ji H., Ji X., Tian Z., Chen J. Functional deep eutectic solvent for lignocellulose valorization via lignin stabilization and cellulose functionalization // Green Chemistry. 2024. Vol. 26, no. 6. P. 3453–3465. DOI: 10.1039/D3GC04749K.

4. Morais E.S., Da Costa Lopes A.M., Freire M.G., Freire C.S.R., Silvestre A.J.D. Unveiling modifications of biomass polysaccharides during thermal treatment in cholinium chloride : lactic acid deep eutectic solvent // ChemSusChem. 2021. Vol. 14, no. 2. P. 686–698. DOI: 10.1002/cssc.202002301.

5. Yu H., Han X., Zhang T., Peng Y., Chen H., Pu J. In situ pretreatment of wood samples with deep eutectic solvents for enhanced lignin removal and enzymatic saccharification efficiency optimization // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 217. P. 118839 DOI: 10.1016/j.indcrop.2024.118839.

6. Шашкина С.С., Евстафьев С.Н. Эффективность процесса делигнификации соломы пшеницы в среде глубокого эвтектического растворителя // Химия растительного сырья. 2024. N 4. С. 64–71. DOI: 10.14258/jcprm.20240414932. EDN: EIJRCU.

7. Chen Z., Wang Y., Cheng H., Zhou H., Hemicellulose degradation: an overlooked issue in acidic deep eutectic solvents pretreatment of lignocellulosic biomass // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 187. P. 115335. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.115335.

8. Kumar A.K., Parikh B.S., Shah E., Liu L.Z., Cotta M.A. Cellulosic ethanol production from green solvent-pretreated rice straw // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2016. Vol. 7. P. 14–23. DOI: 10.1016/j.bcab.2016.04.008.

9. Lee C.B.T., Wu T.Y., Ting C.H., Tan J.K., Siow L.F., Cheng C.K., et al. One-pot furfural production using choline chloride-dicarboxylic acid based deep eutectic solvents under mild conditions // Bioresource Technology. 2019. Vol. 278. P. 486–489. DOI: 10.1016/j.biortech.2018.12.034.

10. Florindo C., McIntosh A.J.S., Welton T., Branco L.C., Marrucho I.M. A closer look into deep eutectic solvents: exploring intermolecular interactions using solvatochromic probes // Physical Chemistry Chemical Physics. 2018. Vol. 20, no. 1. P. 206–213. DOI: 10.1039/C7CP06471C.

11. Zhang L., Yu H., Liu S., Wang Y., Mu T., Xue Z., Kamlet– Taft parameters of deep eutectic solvents and their relationship with dissolution of main lignocellulosic components // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2023. Vol. 62, no. 29. P. 11723–11734. DOI: 10.1021/acs.iecr.3c01309.

12. Ji Q., Yu X., Yagoub A.E.A., Chen L., Zhou C. Efficient removal of lignin from vegetable wastes by ultrasonic and microwave-assisted treatment with ternary deep eutectic solvent // Industrial Crops & Products. 2020. Vol. 149. P. 112357. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112357.

13. Ong V.Z., Wu T.Y., Lee C.B.T.L., Cheong N.W.R., Shak K.P.Y. Sequential ultrasonication and deep eutectic solvent pretreatment to remove lignin and recover xylose from oil palm fronds // Ultrasonic Sonochemistry. 2019. Vol. 58. P. 104598. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2019.05.015.

14. Lee K.M., Hong J.Y., Tey W.Y. Combination of ultrasonication and deep eutectic solvent in pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced enzymatic saccharification // Cellulose. 2021. Vol. 28. P. 1513–1526. DOI: 10.1007/s10570-020-03598-5.

15. Sharma D., Tsai M.-L., Dong C.-D., Yadav A., Nargotra P., Sun P.-P., et al. An innovative recyclable deep eutectic solvent-ultrasound pretreatment of pineapple leaf waste biomass for enhanced bioethanol production // Biomass Conversion and Biorefinery. 2025. Vol. 15. P. 29027–29040. DOI: 10.1007/s13399-024-06223-8.

16. Jose D., Sivakumar R., Areeya S., Sampath M.K., El Bari H., Wanmolee W., et. al. Combinatorial study of deep eutectic solvent and ultrasonication Pretreatment in napier grass to enhance bioethanol production // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2026. Vol. 198. P. 2490–2512. DOI: 10.1007/s12010-025-05566-w.

17. Guo M., Wang Z., Mu Y., Jiang H., Zhang W., Wu R., et al. Ultrasound-assisted enzymatic and fungal pretreatment enhances the structural modification and saccharification of bamboo biomass // International Journal of Biological Macromolecules. 2026. Vol. 338. P. 149817. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2025.149817.

18. Sharma V., Nagorta P., Sharma S., Bajaj B.K. Efficacy and functional mechanisms of a novel combinatorial pretreatment approach based on deep eutectic solvent and ultrasonic waves for bioconversion of sugarcane bagasse // Renewable Energy. 2021. Vol. 163. P. 1910–1922. DOI: 10.1016/j.renene.2020.10.101.

19. Шашкина С.С., Евстафьев С.Н. Обработка соломы пшеницы в среде глубокого эвтектического растворителя для повышения эффективности ферментативного гидролиза // Химия растительного сырья. 2026. N 1. С. 123–130. DOI: 10.14258/jcprm.20260117337. EDN: MLAEQD.

20. Bogolitsyn K.G., Popov N.V., Skrebets T.E., Mamatmurodov H.B., Ladesov A.V. Solvatochromic parameters of deep eutectic solvents based on choline chloride and carboxylic acids // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2025. Vol. 99. P. 2646–2654. DOI: 10.1134/S0036024425702140.

21. Segal L., Creely J.J., Martin A.E., Conrad C.M. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer // Textile Research Journal. 1959. Vol. 29, no. 10. P. 786−794. DOI: 10.1177/004051755902901003.

22. Евстафьев С.Н., Хоанг К.К. Влияние условий обработки на выход и состав продуктов фракционирования соломы пшеницы в среде хлорида 1-бутил-3-метилимидазолия // Химия растительного сырья. 2016. N 4. С. 27–34. DOI: 10.14258/jcprm.2016041308. EDN: XELXAX.

23. Dubois M., Gilles K.A., Hamilton J., Robers P.A., Smith F. Colorimetric method for determination of sugars and related substances // Analytical Chemistry. 1956. Vol. 28, no. 3. P. 350–356. DOI: 10.1021/ac60111a017.