ТЕХНОЛОГИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МОНОСАХАРИДОВ ИЗ СТЕБЛЕЙ РИСА

АННОТАЦИЯ

Для очистки полей стебли риса обычно сжигают, что наносит серьезный экологический ущерб. В данной работе для решения этих проблем исследователи внедрили технологию извлечения ценных моносахаридов из стеблей риса, которые не имеют большого промышленного значения. Стебли риса были взяты с рисовых полей Сурхандарьинской области. В качестве ионной жидкости использовали диметилсульфоксид мочевины. Ультразвуковую обработку проводили с использованием ультразвукового диспергатора УЗДН-2Т с температурным диапазоном 80–140°С, частотой 45 кГц и мощностью 10, 30 и 50 Вт в течение 5–20 минут. Проведен анализ ЯМР-спектров синтезированных веществ. Изучены факторы, влияющие на процесс (температура, время и концентрация). Результаты представлены в таблицах.

ABSTRACT

Rice stalks are usually burned to clear fields, causing serious damage to the environment. In this work, to solve these problems, researchers have proposed a technology for extracting valuable monosaccharides from rice stalks, which are of little industrial importance. Rice stalks were obtained from rice fields in Surkhandarya region. Dimethyl sulfoxide urea was used as the ionic liquid. Ultrasonic treatment was carried out using an ultrasonic disperser UZDN-2T with a temperature range of 80-140°C, a frequency of 45 kHz and a power of 10, 30 and 50 W for 5-20 minutes. An analysis of the NMR spectra of the synthesized substances was carried out. Factors influencing the process (temperature, time and concentration) were studied. The results are presented in the tables.

Ключевые слова: трифторуксусная кислота, раствор, гидролиз, арабиноза, ксилоза, глюкоза, манноза, галактоза, природный полимер, стебель риса, диметилсульфоксид мочевины.

Key words: Trifluoroacetic acid, solution, hydrolysis, arabinose, xylose, glucose, mannose, galactose, natural polymer, rice stalk, dimethylsulfoxide urea.

Введение

Извлекая из стеблей риса различные соединения, можно повысить его значимость в промышленности. С помощью ионной жидкости установлена ​​возможность извлечения соединений из стеблей тростника, конопли и других растений [5]. Процесс растворения целлюлозы, содержащейся в стебле риса, сопровождается разрывом молекулярных водородных связей. Переработка лигниноцеллюлозного сырья в условиях ИЖ (ионная жидкость) научно обоснована и перспективно ее применение в промышленных масштабах [4]. Для этого в качестве ИЖ использовали диметилсульфоксид мочевины. Диметилсульфоксид является важным биоразлагаемым растворителем и менее вреден, чем другие вещества подобного рода. Доказано, что как сильный растворитель он весьма эффективен при разделении целлюлозы на фракции [6].

Материал и метод исследования. Стебли риса были взяты с рисовых полей Сурхандарьинской области. В качестве ионной жидкости использовали диметилсульфоксид мочевины. Ультразвуковую обработку проводили с использованием ультразвукового диспергатора УЗДН-2Т с температурным диапазоном 80–140°С, частотой 45 кГц и мощностью 10, 30 и 50 Вт в течение 5–20 минут.

  Стебли риса обрабатывали в ионной жидкости в течение 5, 10, 15 минут при температуре 80, 110, 140°С под воздействием ультразвукового излучения мощностью 10, 30, 50 Вт в трех различных условиях. Полученные природные полимеры гидролизовали с помощью трифторуксусной кислоты [2].

Анализ и результаты. Согласно полученным результатам, использование ультразвука способствует увеличению выхода продукции и сокращению времени обработки. Выход продукта составил 52,6 % при обработке стеблей риса ультразвуком при 100°C в течение 15 минут при мощности 10 Вт по сравнению с 43,1 % при обработке в течение 60 минут в нормальных условиях.

При увеличении мощности ультразвука до 50 Вт выход продукта увеличивается до 63,1 %. Доказано, что увеличение мощности ультразвука на 50 Вт увеличивает количество гемицеллюлозы на 6 % и лигнина на 10 % в течение 15 минут. Это зависит от эффективного разрыва сшивок между лигнином и гемицеллюлозой при ультразвуковой обработке. В обычных условиях, т. е. без ультразвука, обработка стеблей риса занимает на 7 часов больше.

Поэтому использование ультразвука для растворения стеблей риса в ионной жидкости позволяет сэкономить до 5–6 часов времени. Около 5,9 % лигнина фракционируется при обработке стеблей риса при температуре 100°C в течение 1 часа в нормальных условиях, а при использовании ультразвука мощностью 10 Вт эта цифра увеличивается до 10 % за 15 минут.

В результате отделения от лигнина и гемицеллюлозы доля гидролизуемых полисахаридов во фракции ТС увеличивается после термической обработки и за счет ослабления прочности сетки водородных связей. В результате, несмотря на уменьшение количества полисахаридов, увеличивается выделение моносахаридов после кислотного гидролиза фракции (табл. 1).

Таблица 1.

Количество моносахаридов в гидролизатах фракций ТС

Увеличение выделения моносахаридов происходит за счет гидролиза целлюлозы, что обеспечивает увеличение доли глюкозы в гидролизатах от 28,9 % при 100 °С (1 ч.) и до 45,4 % при 150 °С (1 ч.). Повышение реакционной способности целлюлозы при кислотном гидролизе может быть связано с результатом ее очистки от лигнина и гемицеллюлозы и перевода кристаллической целлюлозы в аморфную форму при термической обработке.

Уменьшение количества гемицеллюлоз во фракциях ТС, разделенных при температуре выше 120℃, подтверждается анализом состава гидролизатов фракций. В изученном температурном диапазоне доли арабинозы и ксилозы уменьшаются с 69,8 % до 51,8 % от общего количества моносахаридов. Максимальная глубина гидролиза фракции ТС при 140°С (2 ч.) может быть обусловлена ​​низким содержанием лигнина и дополнительной мягкостью структуры целлюлозы. Количество полисахаридов во фракции составляет 82,1 %, что соответствует 78 % гидролизуемых кислотой. Количество глюкозы в полученном гидролизате выше, чем ксилозы.

Гемицеллюлоза легче гидролизуется трифторуксусной кислотой, чем техническая целлюлоза. Из результатов, представленных в таблице 2, видно, что общий выход моносахаридов, полученных при гидролизе фракций ГС, варьируется от 73 % до 81 %, но в то же время количество моносахаридов в гидролизатах фракций ТС не более 64 % единичной фракции.

Одним из ведущих компонентов моносахаридов является ксилоза, что позволяет предположить, что фракции гемицеллюлозы содержат большое количество ксилана. Уменьшение количества ксилозы при повышении температуры обработки может быть вызвано вторичными изменениями с образованием производных фурана и ряда других ингибиторов химических процессов.

Таблица 2.

Состав полученных моносахаридов фракции ГС

Количество арабинозы не зависит от температуры и продолжительности обработки и колеблется от 5,9 % до 7,2 %. Аналогичное количество содержится в глюкозе. Также были обнаружены очень небольшие количества галактозы и маннозы. Максимальный выход моносахаридов при гидролизе фракций ГС был получен после обработки стеблей риса в среде диметилсульфоксида при 140°С в течение 2 часов и составил 81,2 % по отношению к фракции.

Процент природных полимеров, гидролизуемых раствором трифторуксусной кислоты, составляет около 64 % ​​от массы фракции технической целлюлозы (ТС). В составе гидролизуемых моносахаридов зафиксировано относительно высокое количество глюкозы, ксилозы и арабинозы, что указывает на наличие во фракции гемицеллюлоз (ГС) [3].

Ксилоза и арабиноза являются основными моносахаридами фракции ГС, поскольку содержание глюкозы во фракции гидролизата не превышает 5 %. Более 80 % фракции ГС состоит из природных полимеров, гидролизуемых раствором трифторуксусной кислоты с образованием арабинозы, ксилозы, глюкозы, маннозы и галактозы.

Из данных, приведенных в таблице 3, видно, что доля ТС составила 63,6 %, а фракция ГС – 20,7 % от полисахаридов, полученных из стеблей риса.

По проценту распада полисахаридов на моносахариды видно, что ксилоза является одним из ведущих компонентов моносахаридов (27,30 и 67,80 %), что позволяет оценить наличие ксилана во фракциях гемицеллюлозы.

Таким образом, установлено, что использование ультразвука при термообработке стеблей риса в условиях диметилсульфоксида мочевины способствует увеличению СТД, снижению температуры и продолжительности процесса.

Таблица 3.

Состав продуктов, выделенных после ультразвуковой термической обработки стеблей риса

Независимо от температуры были получены более высокие выходы фракций ГС и лигнина по сравнению с аналогичными температурными режимами обработки без ультразвука, что предполагалось как следствие усиленного массопереноса.

Рисунок 1. Спектры ЯМР ароматических соединений

Увеличение мощности ультразвука в большей степени способствует удалению примесей из биомассы стеблей риса во фракции ГС и в меньшей степени во фракции лигнина. Максимальная чистота (68,1 %) была получена при облучении ультразвуком мощностью 50 Вт при температуре 140 °С в течение 15 минут. В этих условиях из стеблей риса экстрагируется более 90 % гемицеллюлозы.

По данным ИК-спектроскопии и элементного анализа, применение ультразвука практически не влияет на химический состав фракций, если они связаны с извлечением высокомолекулярных компонентов для повышения продуктивности фракций. Предполагается, что степень насыщения водородом и степень окисления полисахаридных фракций связаны с повышением температуры обработки и удалением ароматических соединений остатков лигнина. Ферментативный гидролиз выделенных фракций полисахаридов и первичных стеблей риса проводили с использованием фермента «Cello – lux A» с целью оценки эффективности предварительной обработки стеблей риса в условиях диметилсульфоксида мочевины и определения оптимальных условий обработки, обеспечивающих максимальный выход моносахарида. Эксперимент проводился в течение 4 и 48 часов в условиях ацетатного буфера (рН 4,7-4,9).

Выводы. В результате исследования техническая целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин были очищены до 71,2 % при обработке ультразвуком мощностью 50 Вт в течение 15 минут при температуре 100°С. При этом продуктивность фракции составила 47,5 %. Установлено, что содержание целлюлозы в исходном стебле риса составляло около 47,5 %, а более 90 % соединений, содержащихся в стебле риса, были экстрагированы ультразвуковой обработкой с помощью ионной жидкости.

Список литературы:

1. Aликyлoвa Д.A., Уpoзoв М.К., Кypбaнoвa P.И. Тepмичeскaя oбpaбoткa pисoвoй сoлoмы в иoннoй жидкoй сpeдe нa oснoвe хлopидa 1-бyтил-3-мeтилимидaзoлa // Унивepсaльный жypнaл «Нayчныe исслeдoвaния». – 2023. – Т.1. – Вып. 2. – С. 299–290.
2. Danielle U. Pascoli, Anthony Dichiara, Eleftheria Roumeli, Rick Gustafson, Renata Bura. Lignocellulosic nanomaterials production from wheat straw via peracetic acid pretreatment and their application in plastic composites //  Carbohydrate Polymers. – Vol. 295. –  2022. – P. 119857.
3. Hakimov M., Siddiqov G‘., Rahmonberdieva R., Siddiqova А. Scutellaria cordifrons o‘simligi yer ustki qismining polisaxaridlari. NamDU ilmiy axborotnomasi // Научный вестник НамГУ. – 2018. – Т. I.
4. Mohammed, A. A. B. A., Omran, A. A. B., Hasan, Z., Ilyas, R. A., Sapuan, S. M. (2021). Wheat Biocomposite Extraction, Structure, Properties and Characterization: A Review // Polymers. – № 13(21). – P. 3624.
5. Smuga-Kogut M, Walendzik B, Lewicka-Rataj K, Kogut T, Bychto L, Jachimowicz P, Cydzik-Kwiatkowska A. Application of Proton Ionic Liquid in the Process of Obtaining Bioethanol from Hemp Stalks // Energies. – 2024. – Vol. 17 (4). – P.972.
6. Wawer, Jaroslav, Jakub Karczewski, Robert Aranowski, Rafał Piątek, Danuta Augustin-Nowacka, and Piotr Bruździak // Influence of Urea and Dimethyl Sulfoxide on K-Peptide Fibrillation // International journal of molecular sciences. – Vol. 23. – 2022. – P. 3027.