Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева
Е. В. Исаева
О. Н. Еременко
И. С. Почекутов
ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия для студентов бакалавриата
по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология»
очной формы обучения
Красноярск 2018
1
УДК 630.86(075.8)
ББК 41.8:28.57я73
И85
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент В. Г. К
РЫМКОВА
(Красноярский государственный аграрный университет);
кандидат технических наук, доцент Н. С. Р
ЕШЕТОВА
(Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева)
Исаева, Е. В.
И85 Химия растительного сырья : учеб. пособие / Е. В. Исаева, О. Н. Ере-
менко, И. С. Почекутов ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск,
2018. – 90 с.
Рассмотрены общие вопросы химического состава и свойств компонентов
растительного сырья. Самостоятельному освоению дисциплины помогут
контрольные вопросы, представленные после каждой главы. Изложенный
материал может быть использован при подготовке к лабораторным занятиям,
а также при проведении экспериментальных исследований химических
свойств растительного сырья.
Предназначено для студентов бакалавриата, а также будет полезно магистрантам и аспирантам, круг научных интересов которых включает помимо
химии растительного сырья биохимию и физиологию растений, химию биологически активных веществ.
УДК 630.86(075.8)
ББК 41.8:28.57я73
© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2018
© Исаева Е. В., Еременко О. Н.,
Почекутов И. С., 2018
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................... 4
1. Классификация растительного сырья ................................................. 6
Контрольные вопросы и задания для самоподготовки ................... 10
2. Строение дерева ................................................................................... 11
2.1. Макроскопическое строение древесины .................................... 11
2.2. Микроскопическое строение древесины ................................... 15
2.3. Тонкое строение стенок древесных клеток ............................... 21
Контрольные вопросы и задания для самоподготовки ................... 25
3. Химический состав растительного сырья ......................................... 27
3.1. Химический состав биомассы дерева ........................................ 27
3.2. Химический состав недревесного сырья ................................... 34
Контрольные вопросы и задания для самоподготовки ................... 46
4. Строение основных компонентов растительного сырья ................. 47
4.1. Углеводы растительного сырья .................................................. 47
4.2. Лигнин ........................................................................................... 70
Контрольные вопросы и задания для самоподготовки ................... 77
Послесловие ............................................................................................. 79
Библиографический список .................................................................... 80
Приложения .............................................................................................. 83
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Под растительным сырьем подразумевают древесные (древесина
и кустарники) и недревесные растения (однолетние и многолетние
травянистые растения, в том числе побочные продукты сельского хозяйства). Растительное сырье представляет собой уникальный многокомпонентный полимерный комплекс, образовавшийся путем длительной
эволюции. Древесина и другие растительные материалы могут служить
возобновляемым сырьем для промышленного органического и биохимического синтезов, для производства ценных пищевых и кормовых
продуктов, биологически активных препаратов.
Большинство побочных продуктов и отходов производства
образуются после переработки сельскохозяйственного сырья. Оно
характеризуется ценным химическим составом и также может быть использовано для изготовления необходимой для народного хозяйства
продукции.
При переработке зерна вырабатываются такие побочные продукты, как отруби, мучка, зародыш, которые представляют большую пищевую ценность для человека, так как содержат значительное количество
витаминов и микроэлементов. При переработке сырья растительного
происхождения, например патоки-мелассы, являющейся отходом
сахарного производства, вырабатывается этиловый спирт, глицерин,
пищевые и кормовые дрожжи, пищевые кислоты (лимонная и молочная), глютаминовая кислота, глютамат натрия, витамин В12, растворители. Из хлопковой шелухи и стержней початков кукурузы получают
кормовые дрожжи, фурфурол, этиловый спирт, тетрагидрофуриловый
спирт, фурановые соединения, уксусную кислоту, пищевую глюкозу,
сухие корма для животных. Из барды (отходов пивоваренного производства) получают хлебопекарные дрожжи, глицерин, бетаин, кормовые
дрожжи, витамин В12, сернокислый аммоний, глютамат натрия, биомизин, корм для скота.
Таким образом, большая часть отходов является ценным сырьём,
используемым на корм скоту или для дальнейшей переработки с целью
получения ценных химикатов, пищевых и кормовых добавок, витаминов, антибиотиков и других биологически активных препаратов.
Современные технологии переработки растительного сырья должны базироваться на принципах «зеленой химии», т. е. с минимальным
ущербом для окружающей среды. Создание новых комплексных способов утилизации всей биомассы дерева, включая экстрактивные вещества, смолы, кору, зелень, ветви, корни, и изыскание рациональных путей
максимального использования отдельных компонентов в соответствии
4
с их ценностью требуют углубленных знаний структуры и строения растительной ткани и отдельных компонентов растений, анатомического
и морфологического состава, а также их химического строения.
Проблема рационального использования сырья многогранна и во
многом обусловливается спецификой перерабатывающей отрасли.
Крупнейшим резервом экономии материальных ресурсов, расширения
ассортимента и увеличения выпуска продукции, повышения результативности перерабатывающего предприятия является комплексное использования сырья.
«Химия растительного сырья» является одним из курсов, в котором студенты, обучающиеся по направлению подготовки «Биотехнология», впервые знакомятся со строением и химическим составом биомассы растений, а также с теоретическими основами процессов химической
и биохимической переработки ее отдельных компонентов с получением
ценных товарных продуктов, таких как этанол, кормовые дрожжи,
целлюлоза, бумага, канифоль, скипидар и др.
Знания, полученные студентами при изучении курса «Химия растительного сырья», будут востребованы при изучении основ технологии
и организации производства, в частности, химической и микробиологической переработки древесины и другого растительного сырья.
Задача данного учебного пособия – способствовать становлению
профессиональных компетенций студентов бакалавриата, обучающихся
по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология», через формирование у них знаний химического состава древесного и недревесного
сырья как основы субстратов биохимических производств, строения
и биологических функций важнейших компонентов растительной клетки, в первую очередь биополимеров (крахмал, целлюлоза, белки, лигнин
и др.) и низкомолекулярных веществ, закономерностей взаимосвязи между структурой и свойствами веществ, а также их биологическим действием.
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Химия растительного сырья». Пособие является непосредственным продолжением теоретического курса химических дисциплин
и позволит обучающимся узнать теоретические основы и приобрести
практические навыки в области химической переработки растительного
сырья.
Материалы пособия охватывают все разделы курса «Химия растительного сырья». Начинать процесс изучения дисциплины рекомендуется с ознакомления с перечнем ключевых слов, приведенных в прил. 1.
Для организации процесса контроля усвоения знаний после каждой главы пособия приведены контрольные вопросы и задания.
5
1. КЛАССИФИКАЦИЯ
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Растительное сырье, используемое для промышленной переработки, представлено многообразными пищевыми и техническими
культурами сельского хозяйства, древесиной, различными видами
растений: масличные, душистые и лекарственные травы (рис. 1.1).
Травы,
побеги,
листья
Корни и
корневища
Цветы
Древесная
кора
Плоды
и ягоды
Растительное сырье
Ароматическое Неароматическое Плодово-ягодное
Свежее
Сушеное
Рис. 1.1. Схема классификации растительного сырья
Источником растительного сырья для химической переработки
служат семенные растения. Основными составляющими любого семенного растения являются стебель, лист и корень. В соответствии с
разделением стеблей на деревянистый и травянистый типы различают
древесные и травянистые растения.
К древесным растениям относят деревья и кустарники. Все
древесные растения обладают проводящей системой. Они являются
многолетними растениями, имеющими твердые стебли, не отмирающие на зиму. Для деревьев и кустарников характерен прирост в толщину, кроме первичного прироста с кончиков главного и боковых
стеблей (верхушечный рост).
Деревья – это многолетние растения, имеющие хорошо выраженный ствол с верхушечным побегом, корневую систему и ветви,
образующие крону. Для ствола, ветвей, корней характерно одревесне-
6
ние, вызываемое лигнификацией – отложением лигнина, придающего
жесткость древесной ткани.
Высота деревьев может достигать 100 м и более при диаметре в
несколько метров. По высоте различают деревья первой (более 25 м),
второй (15–25 м), третьей (7–15 м) величины и низкие (обычно 5–7 м).
В особо благоприятных условиях могут вырастать гигантские деревья, например эвкалипты, секвойи. Возраст деревьев может достигать
нескольких сотен и даже тысяч лет, например, у африканских баобабов возраст составляет 4000–5000 лет, дуба и секвойи – до 2000 лет,
ели – до 1200 лет, лиственницы – 600–950 лет, сосны – 570 лет, березы – 120 лет.
У древесных растений различают хвойные и лиственные древесные породы. Они отличаются свойствами и строением древесины.
Хвойные древесные породы относятся к классу хвойных
(Coniferopsida, или Pinopsida), отделу голосеменных. Хвойные насчитывают семь семейств, около 55 родов и 600 видов. Представители
хвойных пород – это главным образом деревья высотой от 10–15 до
100 м, реже кустарники. Большинство хвойных деревьев вечнозеленые за исключением немногих, сбрасывающих хвою на зиму, например лиственница (род Larix), которая является основной лесообразующей породой России.
Лиственные древесные породы относятся к классу двудольных
(Dicotyledones), отделу покрытосеменных. Они очень разнообразны
и распространены во всех лесных районах мира. Число видов лиственных деревьев значительно превышает число видов хвойных и по разным данным составляет от 12000 до 30000. Особенно распространены
и разнообразны они в тропической зоне, где образуют тропические
леса. Широко используется древесина эвкалипта. Имеются эвкалиптовые плантации с деревьями, срок спелости которых от 30 лет.
В России используют в основном осину, тополь, березу, на Западе –
вяз, бук, дуб, граб, клен. Лиственные деревья могут быть листопадными, сбрасывающими листву зимой (в умеренном климате) или в сухой
сезон (в тропическом климате), и вечнозелеными (в тропиках и субтропиках).
Самое большое количество видов деревьев (более пятисот) произрастает в тропических лесах в районе реки Амазонки (Южная Америка), где до сих пор встречаются шликовые пальмы – представители
первых хвойных деревьев Земли. В Северной Америке насчитывается
более 1200 видов древесных пород, 1/6 из которых используется
для технических целей. В Средней Европе произрастает 61 древесная
7
порода, из которых 10 – хвойные и 51 – лиственные. В России видовое разнообразие деревьев и кустарников составляет более 2500 видов, 1000 из которых интродуцирована из других стран.
Как правило, лиственные породы деревьев произрастают в основном в умеренных и южных широтах, а хвойные – в северных.
Основными древесными породами России являются ель, сосна,
лиственница, береза и др. (рис. 1.2).
Древесные породы
Рис. 1.2. Древесные породы России
Кустарники – это жизненная форма растений. Кустарники имеют одревесневшие надземные части. В отличие от деревьев они не
имеют во взрослом состоянии главного ствола, у них есть несколько
или много часто существующих бок о бок и сменяющих друг друга
стволов. Ветвление начинается от поверхности почвы. По величине
кустарники делятся на следующие группы: высокие кустарники
(2–5 м); кустарники средней высоты (1–2 м); кустарники низкие
8
(0,5–1,0 м). Кустарники имеют шаровидную, сноповидную и раскидистую форму кроны. Продолжительность жизни кустарников может
достигать нескольких сотен лет, но у отдельных стволиков она составляет от десяти до сорока лет.
Кустарники бывают лиственные и хвойные. Классифицируют их
также по морозо- и светостойкости.
Важное хозяйственное значение имеют плодовые и ягодные
кустарники. Широко используются кустарники в районах с отсутствием древостоев, особенно это относится к древесине акации.
Травянистые растения имеют зеленые сочные неодревесневшие стебли (вследствие меньшей степени лигнификации клеточных
оболочек). Надземные части (стебель, листья) у них отмирают к концу вегетационного периода. Травянистые растения почти всегда ниже
деревьев и кустарников. Исключение составляет банан, имеющий высоту около семи метров. Также к травянистым растениям относятся
подсолнечник, зерновые и овощные культуры. Различают однолетние,
двулетние и многолетние травянистые растения.
По своему жизненному циклу двулетники подобны однолетним,
но для полного развития им необходим холодный зимний период.
Многолетники за свою жизнь неоднократно цветут и дают семена. Неблагоприятные периоды, как правило, оказывают влияние только на подземные органы с заложенными ростовыми и цветочными
почками. Некоторые виды, особенно растущие в виде подушек, даже
в зимний период сохраняют наземные части зелеными. Подземные
органы этих растений нередко служат местом отложения запасных
питательных веществ и воды. Многолетниками не считаются такие
травянистые растения, которые не могут зимовать в открытом грунте,
хотя для ботаников они и являются многолетниками.
Древесина и различное недревесное сырье используется в гидролизных и микробиологических производствах, а также в целлюлозно-бумажной промышленности. Для биотехнологии все большее значение в качестве источников сырья приобретают воспроизводимые
ресурсы непищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых
веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.
Применение недревесного сырья, в том числе отходов сельского
хозяйства, особенно важно для стран с ограниченными лесными
ресурсами. Ежегодные потенциальные ресурсы недревесного растительного сырья (включая сельскохозяйственное) составляют около
одного миллиарда тонн.
9
Контрольные вопросы и задания
для самоподготовки
1. Приведите классификацию растительного сырья.
2. Что относится к древесным растениям?
3. Чем отличаются друг от друга хвойные и лиственные растения?
4. К каким классам относятся древесные растения?
5. Какие древесные породы относятся к рассеянно-сосудистым?
6. Какие древесные породы относятся к кольцесосудистым?
7. Перечислите основные древесные породы России, имеющие
промышленное значение.
8. Укажите отличительные особенности кустарников.
9. Дайте определение травянистым растениям.
10. Охарактеризуйте направления переработки растительного
сырья.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]