Selection of herbaceous cellulose-containing raw materials for biotechnological processing

封面

如何引用文章

全文:

详细

The use of cellulose-containing plant materials for obtaining bioproducts comprises a relevant research direction in the field of sustainable economic development. Herbaceous cellulose-containing raw materials are among the most widespread and easily renewable resources. In this study, we set out to identify herbaceous cellulose-containing raw materials suitable for biotechnological processing among the following plants: cane, miscanthus (Soranovsky variety), water hyacinth, iceberg lettuce, Sudan grass, oat husk, flax straw (Linum usitatissimum L.). Preliminary chemical treatment of raw materials was carried out by the conventional method of alkaline delignification at atmospheric pressure. The obtained substrates were converted into a solution of reducing sugars by enzymatic hydrolysis. The method of alkaline delignification of initial raw materials was found to be suitable for obtaining products with the cellulose mass content of 82.9–93.1% by the Kurschner method. This conversion rate can be considered a good indicator for further enzymatic hydrolysis. According to the results of enzymatichydrolysis of alkaline delignification products, the highest reactivity to enzymatic hydrolysis was demonstrated by the alkaline delignification products of miscanthus (Soranovsky variety), iceberg lettuce and oat husk. For these plants, the concentration of reducing substances reached 25.0, 28.4 and 26.9 g/l, under the yield of reducing substances from the substrate mass of 75.0, 85.2 and 80.7%, respectively. Therefore, the high reactivity of these plant materials makes them prospective candidates for further biotechnological processing. Other investigated plant materials require optimization of the alkaline delignification stage to increase their reactivity to enzymatic hydrolysis.

作者简介

E. Gladysheva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: evg-gladysheva@yandex.ru

V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

E. Skiba

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: eas08988@mail.ru

E. Kashcheeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: massl@mail.ru

V. Zolotuhin

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: ipcet@mail.ru

参考

  1. Lu H., Yadav V., Bilal M., Iqbal H.M. Bioprospecting microbial hosts to valorize lignocellulose biomass–Environmental perspectives and value-added bioproducts // Chemosphere. 2022. Vol. 288. P. 132574. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132574.
  2. El-Gendi H., Taha T.H., Ray J.B., Saleh A.K. Recent advances in bacterial cellulose: a low-cost effective production media, optimization strategies and applications // Cellulose. 2022. Vol. 29. P. 7495–7533. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04697-1.
  3. Son J., Lee K.H., Lee T., Kim H.S., Shin W.H., Oh J.-M., et al. Enhanced production of bacterial cellulose from Miscanthus as sustainable feedstock through statistical optimization of culture conditions // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022. Vol. 19, no. 2. P. 866. https://doi.org/10.3390/ijerph19020866.
  4. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Тигунцева Н.П. Термохимическое ожижение соломы пшеницы в среде суби сверхкритического тетралина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. N 1. С. 160–166. https://doi.org/10.21285/22272925-2022-12-1-160-166.
  5. van der Cruijsen K., Al Hassan M., van Erven G., Dolstra O., Trindade L.M. Breeding targets to improve biomass quality in miscanthus // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 2. P. 254. https://doi.org/10.3390/molecules26020254.
  6. 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. https://doi.org/10.1007/s13762023-04838-4.
  7. Naeem M., Imran M., Latif S., Ashraf A., Hussain N., Boczkaj G., et al. Multifunctional catalyst-assisted sustainable reformation of lignocellulosic biomass into environmentally friendly biofuel and value-added chemicals // Chemosphere. 2023. Vol. 330, no. 6. P. 138633. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138633.
  8. Bhatia S.K., Jagtap S.S., Bedekar A.A., Bhatia R.K., Patel A.K., Pant D., et al. Recent developments in pretreatment technologies on lignocellulosic biomass: effect of key parameters, technological improvements, and challenges // Bioresource Technology. 2020. Vol. 300. P. 122724. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122724.
  9. Козлов И.А., Гарипов Р.М. Катализ и его роль в процессах глубокой переработки растительной биомассы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 1. С. 188–191. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-188-191.
  10. Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Александров А.А., Печеный Е.А., Нуриев Н.К., Ямашев Т.А.. Управление яркостью травянистой целлюлозы на стадии ее отбелки // Вестник Технологического университета. 2021. Т. 24. N 2. С. 49–55.
  11. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. The effect of thermomechanical pretreatment on the structure and properties of lignin-rich plant biomass // Molecules. 2020. Vol. 25, no. 4. P. 995. https://doi.org/10.3390/molecules25040995.
  12. Капустянчик С.Ю. Особенности развития и формирования биомассы мискантуса в лесостепи Новосибирского Приобья // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. N 12. С. 28–31.
  13. Hronich J.E., Martin L., Plawsky J., Bungay H.R. Potential of Eichhornia crassipes for biomass refining // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2008. Vol. 35, no. 5. P. 393–402. https://doi.org/10.1007/s10295-008-0333-x.
  14. Procentese A., Raganati F., Olivieri G., Russo M.E., Marzocchella A. Pre-treatment and enzymatic hydrolysis of lettuce residues as feedstock for bio-butanol production // Biomass and Bioenergy. 2017. Vol. 96. P. 172–179. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.11.015.
  15. Abdelhalim T.S., Kamal N.M., Hassan A.B. Nutritional potential of wild sorghum: Grain quality of Sudanese wild sorghum genotypes (Sorghum bicolor L. Moench) // Food Science and Nutrition. 2019. Vol. 7, no. 4. P. 1529–1539. https://doi.org/10.1002/fsn3.1002.
  16. Chopda R., Ferreira J.A., Taherzadeh M.J. Biorefining oat husks into high-quality lignin and enzymatically digestible cellulose with acid-catalyzed ethanol organosolv pretreatment // Processes. 2020. Vol. 8, no. 4. P. 435. https://doi.org/10.3390/pr8040435.
  17. Gismatulina Yu.А. Intermediate flax strawderived cellulose // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2022. Vol. 15, no. 3. P. 377–386. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0301.
  18. 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. https://doi.org/10.3390/polym11101645.
  19. Gismatulina Y.A., Budaeva V.V., Kortusov A.N., Kashcheyeva E.I., Gladysheva E.K., Mironova G.F., et al. Evaluation of chemical composition of Miscanthus × giganteus raised in different climate regions in Russia // Plants. 2022. Vol. 11, no. 20. P. 2791. https://doi.org/10.3390/plants11202791.
  20. Miller G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar // Analytical Chemistry. 1959. Vol. 31, no. 3. P. 426–428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030.
  21. de Souza Araújo D.F., da Silva A.M.R.B., de Andrade Lima L.L., da Silva Vasconcelos M.A., Andrade S.A.C., Sarubbo L.A. The concentration of minerals and physicochemical contaminants in conventional and organic vegetables // Food Control. 2014. Vol. 44. P. 242–248. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2014.04.005.
  22. Akinwande V.O., Mako A.A., Babayemii O.J. Biomass yield, chemical composition and the feed potential of water hyacinth (Eichhornia crassipes, Mart. Solms-Laubach) in Nigeria // International Journal of AgriScience. 2013. Vol. 3, no. 8. P. 659–666.
  23. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Yu.A., Mironova G.F., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Skiba E.A., et al. Properties and hydrolysis behavior of celluloses of different origin // Polymers. 2022. Vol. 14. P. 3899. https://doi.org/10.3390/polym14183899.
  24. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. Determination of surface accessibility of the cellulose substrate according to enzyme sorption // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 7. P. 1201. https://doi.org/10.3390/polym11071201.
  25. Höller M., Lunze A., Wever C., Deutschle A.L., Stücker A., Frase N., et al. Meadow hay, Sida hermaphrodita (L.) Rusby and Silphium perfoliatum L. as potential non-wood raw materials for the pulp and paper industry // Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 167. P. 113548. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113548.
  26. Gu Y., Guo J., Nawaz A., ul Haq I., Zhou X., Xu Y. Comprehensive investigation of multiples factors in sulfuric acid pretreatment on the enzymatic hydrolysis of waste straw cellulose // Bioresource Technology. 2021. Vol. 340. P. 125740. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125740.
  27. Ha D.T., Kanarsky A.V., Kanarskaya Z.A., Shcherbakov A.V., Shcherbakova E.N., Pranovich A.V. Impact of cultivation conditions on xylanase production and growth in paenibacillus mucilaginosus // Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2020. Vol. 10, no. 3. P. 459–469. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-3-459-469.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».