Растительная биомасса как возобновляемый источник сахаросодержащего сырья

Целлюлоза — это гомополимер, состоящий из молекул глюкозы, соединенных в-1,4 связью. Количество звеньев глюкозы в молекуле целлюлозы во вторичной клеточной стенке растений как правило варьирует от 7000 до 14 000, в первичной клеточной стенке молекулы целлюлозы состоят из около 500 звеньев глюкозы. Между отдельными молекулами целлюлозы образуются ван-дер-ваальсовы и водородные связи, в результате чего формируются микрофибриллы и волокна целлюлозы. Внутри микрофибриллы все молекулы целлюлозы имеют одинаковую ориентацию, восстановленные концы соседних сахарных цепей расположены на одном конце микрофибриллы. Упорядоченные в микрофибриллы молекулы формируют кристаллическую решетку волокна, перемежающуюся с аморфными фрагментами. Степень кристаллизации в природной целлюлозе составляет 60−90%. По данным рентгеноструктурного анализа различают как минимум 4 кристаллических формы.

Первичная клеточная стенка растений состоит из целлюлозных фибрилл, погруженных в матрикс, в состав которого входят другие полисахариды (рисунок 1). Матрикс состоит из полисахаридов, которые для удобства описания делят обычно на пектины и гемицеллюлозы. Пектины — это кислые полисахариды с относительно высокой растворимостью. Гемицеллюлозы — это смешанная группа полисахаридов, растворимых в щелочах. У гемицеллюлоз, как и у целлюлозы, молекулы имеют форму цепи, однако их цепи короче, менее упорядочены и сильно разветвлены. Клеточные стенки гидратированы: 60—70% их массы обычно составляет вода. По свободному пространству клеточной стенки вода перемещается беспрепятственно. У некоторых клеток, например, у клеток мезофилла листа, на всем протяжении их жизни имеется только первичная клеточная стенка. Однако у большинства клеток на внутреннюю поверхность первичной клеточной стенки (снаружи от плазматической мембраны) отлагаются дополнительные слои целлюлозы, так возникает вторичная клеточная стенка. В любом слое вторичного утолщения целлюлозные волокна располагаются под одним и тем же углом, но в разных слоях этот угол различен, чем и обеспечивается еще большая прочность структуры. Некоторые клетки, такие, как трахеальные элементы ксилемы и клетки склеренхимы, претерпевают интенсивную лигнификацию (одревеснение). При этом все слои целлюлозы пропитываются лигнином — сложным полимерным веществом, не относящимся к полисахаридам. Лигнин скрепляет целлюлозные волокна и обеспечивает твердый и жесткий матрикс, усиливающий прочность клеточных стенок на растяжение и, в особенности, на сжатие. Это главный опорный материал дерева. Он также предохраняет клетки от повреждения под действием физических и химических факторов.

Вся растительная биомасса представляет собой композицию одних и тех же составных частей — экстрагируемых веществ, целлюлозы, гамицеллюлозы, крахмала, пектинов, лигнина, белка и золы. У разных растений различается лишь их соотношение (рисунок 2). Механическая и химическая предобработка может также до некоторой степени изменить соотношение компонентов.

К экстрагируемым веществам относят все вещества, находящиеся вне растительной клетки и не являющиеся структурными компонентами клеточной стенки. Эти вещества могут быть легко экстрагированы водой или органическими растворителями. Механическая, физическая или химическая обработка биомассы может приводить к высвобождению содержимого клеток и увеличению количества экстрагируемых веществ.

Целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектины и лигнин являются углеводами и представляют собой различные полимеры пента и гекса сахаров. Крахмал — полимер глюкозы, молекулы которой соединены альфа-гликозидными связями. Крахмал содержится в запасающих органах растений — клубнях, корнеплодах и семенах. Основным полисахаридом стеблей и листьев растений является целлюлоза. Это также полимер глюкозы, однако молекулы глюкозы в целлюлозном волокне соединяются бета-гликозидными связями. Пектины — разветвленные полисахариды, состоящие главным образом из молекул галактуроновой кислоты и её метилового эфира, — наиболее распространены во фруктах и молодых тканях растений.

Лигнин производится клеткой когда она уже фактически закончила рост. Это нерегулярный полимер, разветвленные макромолекулы которого построены главным образом из остатков замещенных фенолоспиртов. Содержание золы в растительной биомассе фактически характеризует неорганические компоненты. В зависимости от состава полисахаридов клеточной стенки, растения предпочтительнее для пищи, корма или биоэнергетики [Henry, 2010]. Так, например, переработка сахарного тростника дает два cопродукта — сахар и биоэтанол. В мире производится 1560 миллионов тонн сахарного тростника, в основном в Бразилии (33%) и Индии (22,6%). Сахарного тростника снимают 3−8 урожаев с одного корня. Урожайность 50 — 150 т/га. Биомасса сахарного тростника разделяется на две части — сахарный сироп (меласса) и оставшиеся выжатые части стеблей (багасса). Из сахарного сиропа получают патоку, а багассу или непосредственно сжигают в печах, или перерабатывают в биоэтанол [Tammisola, 2010]. Багасса насыщена остаточными сахарами после удаления сахарного сиропа и обладает достаточной экономической эффективностью для получения этанола с помощью существующих технологий.