ИЗУЧЕНИЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ЗЛАКОВЫХ РАСТЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

Разработка новых продуктов на основе растительных биополимеров, а также рационального использования недревесного растительного сырья представляют собой проблемы современным тенденциям развития науки. Решение таких проблем требует всестороннее изучить структурной организации растительных биополимеров, что полученные результаты могут быть использованы для оптимизации получения и использования как природных, так и аналогичных искусственных наноматериалов. Для этих целей были изучены надмолекулярная структура лигноцеллюлозных материалов-злаковых растений, Показано, что структуры исследуемых образцов имеет наличие разнообразных структур, с участием крупных фрагментов, а также с бесформенными гладкими участками и отдельных изолированных фрагментов. На основании данных дифрактограмм были рассчитаны степени кристалличности исследуемых образцов.

ABSTRACT

The development of new products based on plant biopolymers, as well as the rational use of non-wood plant raw materials, pose problems to modern trends in the development of science. Solving such problems requires a comprehensive study of the structural organization of plant biopolymers, so that the results obtained can be used to optimize the production and use of both natural and similar artificial nanomaterials. For these purposes, the supramolecular structure of lignocellulose materials-cereals - was studied, it was shown that the structures of the studied samples have a variety of structures, involving large fragments, as well as shapeless smooth areas and individual isolated fragments. On the basis of these diffractograms, the degrees of crystallinity of the studied samples were calculated.

Ключевые слова: рисовая солома, рисовая лузга, стебли кукуруза, стебли сорго, рентгенографические исследование, дифрактограмма, степень кристалличность, макроцепь.

Keywords: rice straw, rice husk, stalks corn, stalks stalks, X-ray examination, diffractogram, degree of crystallinity, macrochain.

Введение. Целлюлоза является наиболее распространенным в природе биополимерным материалом, область применения которого расширяются с каждым годом, а имеющиеся запасы при рациональном использовании могут быть неисчерпаемыми.

Наряду с другими биополимерами, целлюлоза находит широкое применение в целлюлозно-бумажной, химической, текстильной промышленности, в медицине, а также представляет собой один из наиболее перспективных биологических материалов для развития нанотехнологий. Производство наноцеллюлозных волокон и их использование для создания композитных материалов представляется собой новую и перспективную область, что обусловлено высокой прочностью и жесткостью полимерных волокон в сочетании с их способностью к биологическую разложении [1-5].

Данная работа посвящается проблемы использования природных полимеров для изготовления инновационных продуктов. Решение таких проблем невозможно без знания их структурных характеристик на надмолекулярном и различного рода внешних воздействий на структурное состояние.

Надмолекулярная структура характеризует взаимное расположение макроцепей и их агрегатов, количественными характеристиками которой служат размер и форма агрегатов, их степень упорядоченности, обусловленная уровнем межмолекулярного взаимодействия.

Материалы и методы и исследования. Исходным сырьем для исследования служили солома и лузга риса сорта Жайхун, культивируемого в Каракалпакии, стебли кукурузы, твердый остаток стеблей сорго сахарного после отделения углеводов. Объекты (рисовую лузгу, рисовую солому, стебли кукурузы, стебли сорго) измельчали до мукообразного состояния и экстрагировали спирто-бензольной смесью (1:2) в аппарате Сокслета, по методу TAPPI [6].

Рентгенографические исследования злаковых растений проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН – 3Н с монохроматизированном CuK_α излучением, при 22 кВ и силе тока 10мА. Принцип рентгенографии основан на рассеянии рентгеновских лучей исследуемым образцом с последующей фиксацией рассеянных лучей ионизационным счетчиком [7].

Для изучения надмолекулярной структуры злаковых растений проведено растровое электронно-микроскопическое исследование на приборе РЭМ-200.

Результаты и обсуждение. На основе полученные данных исследовании надмолекулярных структуры злаковых растений, показало что в рисовой соломы наличие разнообразных структур, с участием крупных фрагментов, с продольными складками, а также с бесформенными гладкими участками, областей ячеистого характера и отдельных изолированных фрагментов (до 250 мкм), а в рисовой лузги показало наличие довольно широкой и протяженной области с определенной продольной ориентацией, также с удлиненными фрагментами размером 30-50 мкм, небольшого участка с порами 50-110 мкм рис 1-2.

Рисунок 1. Надмолекулярная структура рисовой соломы

Рисунок 2. Надмолекулярная структура рисовой лузги

Надмолекулярная структура сорго наблюдается в виде отдельных удлиненных фрагментов, с глубокими продольными складками, а также в виде бесформенной массы Структурное исследование кукурузы показало наличие удлиненного участка складчатой структуры, с расщеплениями на их концах, а также отдельные расщепленные фрагменты рис 3-4.

Рисунок 3. Надмолекулярная структура стеблей сорго

Рисунок 4. Надмолекулярная структура стеблей кукурузы

Длина волны рентгеновского излучения, обычно используемого для исследования полимеров, составляет 1,54 Å (излучение CuK_α). Расчет степени кристалличности (СК, %) проводили п.о оценке интенсивности максимального пика по формуле:

СК = 

где, J_k и J_α - интенсивности кристаллического рефлекса и аморфного рассеяния, соответственно. Для рентгенографических исследований образцов рисовой лузги, рисовой соломы, стеблей кукурузы и стеблей сорго сняты дифрактограммы в интервале углов 2θ=8-35°.

На основании данных дифрактограмм были рассчитаны степени кристалличности исследуемых образцов (табл.1).

Рентгенографические исследования образцов целлюлозы злаковых растений проводили в аналогичных условиях. Для рентгенографических исследований образцов целлюлозы рисовой лузги, рисовой соломы, стеблей кукурузы и стеблей сорго сняты дифрактограммы в интервале углов 2θ = 8 –35°.

Таблица 1.

Степень кристалличности злаковых растений, %

На основании данных дифрактограмм были рассчитаны степени кристалличности исследуемых образцов целлюлозы (табл.2).

Таблица 2.

Степень кристалличности целлюлозы злаковых растений, %

Сравнение значения степени кристалличности исходных растений и их целлюлоз показывает, что в образцах стеблей кукурузы происходит увеличение степени кристалличности с 62 до 72%, в образцах рисовой лузги с 46 до 58%, рисовой соломы с 40 до 54%. Следует отметить достаточно высокое значение степени кристалличности целлюлозы, выделенной из стеблей кукурузы и сорго, сравнимое со степени кристалличности хлопковой целлюлозы.

Заключение. Делается вывод о том, что полученные результаты могут быть использованы для оптимизации получения и использования как природных, так и аналогичных искусственных наноматериалов на их основе и исследуемые образцы целлюлозы злаковых растений по степени упорядоченности располагаются в следующий ряд: «целлюлоза СК>целлюлоза СС>целлюлоза РЛ>целлюлоза РС».

Список литературы:

1. Lee, Koon Yang. Nanocellulose and sustainability: production, properties, applications, and case studies / Koon Yang Lee. – Boca Raton: CRC Press, 2018. -295
2. Teixeira, R.S. Nanoindentation study of the interfacial zone between cellulose fiber and cement matrix in extruded composites / R.S.Teixeira, G.H.D. Tonoli, S.F. Santos, E.Rayyn, V.Amigy, H.Savastano Jr.,F.A.Rocco Lahr // Cement and Concrete Composites. – 2018. V. 85. P. 1-8
3. Hubbe, A.M. Nanocellulosa in thin films, costings, and plies for packaging applications: a review / A.M.Hubbe, A.Ferrer, P.Tyagi, Y,Yin, C.Salas // Bio Resources. – 2017. –V. 12. №1. – P.2143-2233
4. Li, S. Devolepment and applications of trans-parent conductive nanocellulose paper / Shohui. Li, Pooi See Lee // Science and Technology of Advanced Materials. – 2017. V. 18. №1. –P. 620-633
5. Musa. A. Sunthesis of Nanocrystalline Cellulose Stabilixed Copper Nanoparticles / A.Musa, M.B.Ahmad et al // Journal of Nanomaterials. – 2016. V.1. –P.1-7
6. Практические работы по химии древесины и целлюлозы / А.В. Оболенская, В.П. Щеголева, Г.Л. Аким, Э.Л. Аким [и др.]. – М. : Лесная промышленность, 1965. – 411 с
7. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ // под. ред. В.И.Петрова. – М.: Мир, 1984. – С.30.