ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИГНИНА ДРЕВЕСИНЫ PANUS TIGRINUS УДК 634.0.865+582.282+576.8

Химия растительного сырья. 2001. №3. С. 111–118.
УДК 634.0.865+582.282+576.8
ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИГНИНА ДРЕВЕСИНЫ
СОСНЫ, ОБРАБОТАННОЙ ГРИБОМ PANUS TIGRINUS

*
Д.А. Кадималиев, В.В. Ревин, В.В. Шутова
Мордовский государственный университет, г. Саранск (Россия)
e-mail biotech@moris.ru
Исследовано влияние условий прессования на свойства лигнина при изготовлении древесностружечных плит из
сосновых опилок, обработанных лигнолитическим грибом P. tigrinus ВКМ 3616-D. Биообработка приводит к
возрастанию в лигнине опилок суммарного количества гидроксильных и карбоксильных групп, фенольных
гидроксилов. Связующие свойства лигнина зависят от температуры прессования. Изменение температуры вызывает
сдвиг в интенсивности поглощения лигнина в УФ-области. Изучено изменение содержания функциональных групп
лигнина в процессе прессования. Отмечено, что вовлечение этих групп в процесс связывания зависит от
температуры прессования.
Введение
В России, занимающей одно из ведущих мест в заготовке древесины, ежегодно получают миллионы
кубометров отходов в виде стружек, опилок, щепы и т. д. Большая часть этих отходов идет на
изготовление строительных материалов – древесностружечных плит (ДСП).
В существующих технологических процессах изготовления таких плит в качестве связующих веществ
используют синтетические смолы – фенолформальдегидные, карбамидные, эпоксидные и др., причем
затраты на них составляют около трети от себестоимости плит. Согласно данным здравоохранения, в
процессе эксплуатации ДСП на основе синтетических связующих в окружающую среду выделяются
аллергические и токсические для человека вещества [1].
Проблема создания экологически чистых прессованных материалов без применения токсичных
связующих в настоящее время весьма актуальна и привлекает внимание исследователей во многих
странах мира. Одним из путей решения этой проблемы является биотехнология, в основе которой лежит
направленная трансформация полимеров древесных отходов [2, 3].
Микробиологическую трансформацию древесных субстратов осуществляют, главным образом,
мицелиальные грибы, способные к биосинтезу большого количества внеклеточных окислительных и
гидролитических ферментов, специфичных по отношению к основным компонентам древесины –
целлюлозе, гемицеллюлозам и лигнину [4, 5].
Наибольший интерес представляют грибы, вызывающие так называемую белую гниль. Под
действием ферментов этих грибов расщепляются, главным образом, лигнин и гемицеллюлозы, а
*
Автор, с которым следует вести переписку.
112
Д.А. КАДИМАЛИЕВ, В.В. РЕВИН, В.В. ШУТОВА
фибриллярная целлюлоза практически не затрагивается. Такая модификация приводит к образованию
большого количества реакционноспособных групп – карбоксильных, карбонильных, фенольных
гидроксильных – в лигнине и полисахаридах. За счет этих групп при прессовании на фоне высоких
температур между опилками могут возникать прочные химические связи, приводящие к образованию
общей полимерной структуры [6]. Реализация такой технологии дает возможность использовать
связующую способность естественных полимеров древесины вместо токсичных синтетических.
Вместе с тем в силу сложности физико-химических и энзиматических процессов, протекающих в
древесине под действием микроорганизмов, очень трудно проводить направленную трансформацию. Нет
однозначного понимания также роли и места лигнина и продуктов его биодеградации при изготовлении
плит. Наряду с биообработкой на состояние лигнина и, как следствие, на качество плит в значительной
степени могут влиять условия прессования [7].
Поэтому целью работы было изучение влияния условий прессования на свойства лигнина
биомодифицированного древесного сырья и установление зависимости между физико-механическими
свойствами плит, состоянием лигнина и условиями прессования древесного
сырья, обработанного
грибом Panus tigrinus.
Экспериментальная часть
Для исследования использовали опилки древесины сосны размером 1,5×0,2 (0,5) см, влажностью 6–
10%.
Гриб Panus tigrinus штамм 317 (ВКМ 3616-D), разрушающий лигнин, выделен и селекционирован на
кафедре биотехнологии Мордовского госуниверситета [8]. Посевной материал выращивали в две стадии.
На первой стадии маточные колбы с грибом культивировали в глубинных условиях на среде Чапека с
кукурузным экстрактом (20,57 г/л по а.с.в.) и 20 г/л сахарозы. На второй стадии посевной материал
переносили в колбы объемом 500 мл, содержащие модифицированную среду Кирка с соевой мукой и
целлолигнином. Колбы засевали материалом из маточных колб по 10 мл на 100 мл жидкой питательной
среды и помещали на качалку.
Далее проводили твердофазное культивирование на сосновых опилках. Для этого необессмоленные
навески субстрата, стерилизованные при 160°С 2 ч, помещали в растильни слоем в 3–4 см, засевали
инокулятом и проводили культивирование при 25–27°С. После этого растильни с проросшими
субстратами высушивали до влажности 7–10%. Субстрат загружали в пресс-форму (5×15 см) и
проводили горячее прессование на вулканизационном гидравлическом прессе ВП-9030 при давлении
5 МПа в течение 20 мин. В опытах варьировали температуру прессования от 120 до 170°С. Полученные
таким образом плиты испытывали на физико-механические свойства. Часть материала отбирали на
проведение физико-химических анализов. Контролем служили непрессованные опилки, обработанные и
не обработанные грибом.
Лигнин
выделяли
с
помощью
диоксана
по
модифицированному
методу
Бьеркмана
[9].
Предварительно опилки экстрагировали смесью бензола и спирта (2 : 1 по объему) в течение 2 ч, затем
промывали дистиллированной водой, высушивали при 60°С, измельчали на шаровой мельнице в среде
толуола и проводили экстракцию диоксаном. Для выделения лигнина из прессованных материалов их
ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИГНИНА ДРЕВЕСИНЫ …
113
предварительно расщепляли на опилки. В выделенном лигнине определяли содержание фенольных
гидроксильных групп спектрофотометрическим Δε-методом [10].
Образцы выделенных для ИК-спектроскопии лигнинов готовили на вазелиновом масле в виде тонких
пленок с использованием пластин из KBr. ИК-спектры регистрировали на спектрофотометре «Specord
75 IR» (Германия) в диапазоне 3800-600 см-1. Относительное содержание функциональных групп
рассчитывали методом внутренней нормировки, при этом общую площадь всех пиков поглощения
принимали за 100%.
Спектроскопию лигнина в УФ- и видимой области проводили в растворе диоксана (0,03 мг/мл) в
кюветах толщиной 1 см на спектрофотометре «Specord M 40» (Германия), управляемом компьютером
IBM-486 с автоматической регистрацией спектров поглощения.
Количественное определение лигнина проводили по методу, описанному в работе [11].
Обсуждение результатов
Наши исследования показали, что общее количество лигнина пластиков, изготовленных с
использованием обработанного грибом сырья, составило 27,4%. Это ниже, чем в пластиках из
необработанного сырья (31%), поскольку под действием лигнолитических ферментов, выделяемых
грибом, происходит биодеградация данного полимера. Горячее прессование вызывает незначительное
снижение общего количества лигнина как в опилках, обработанных P. tigrinus, так и в необработанных.
Это, вероятно, связано с тем, что в таких условиях происходит частичная деструкция лигнина.
Лигнин, выделенный жесткими методами, хотя и более полно отражает его количественное
содержание, в то же время значительно отличается от природного [12]. Между тем наши
предварительные данные позволили предположить, что при прессовании изменения в лигниновой части
древесины происходят на структурном уровне. Поэтому для изучения изменений физико-химических
свойств лигнина после прессования использовали лигнин, выделенный по методу Бьеркмана [9].
Структуру и свойства лигнина исследовали с применением спектроскопии в УФ- и ИК-областях, а также
спектрофотометрическим определением фенольных гидроксильных групп.
УФ-спектры лигнинов, выделенных из древесины, прессованной при различных режимах,
представлены на рисунках 1 и 2. Как показывают результаты, все выделенные лигнины дают сходные
спектры в УФ- и видимой областях. Спектральные кривые имеют максимум поглощения около 280 нм со
спадом по направлению к более коротким волнам и с выраженным плечом в области 300–360 нм, что
совпадает с данными литературы [13, 14], согласно которым спектр лигнина представляет собой сумму
поглощений ряда изолированных хромофорных систем пяти типов. Полоса 274–280 нм обусловлена,
главным образом, поглощением структурных фрагментов производных п-оксифенилпропана. В спектрах
выделенных нами лигнинов наблюдается батохромное смещение этой полосы к 280–283 нм, вследствие
введения метоксильной группы в ароматическое ядро, что указывает на наличие кониферилового спирта
в исследуемых образцах. Плечо на спектральной кривой в области 300–350 нм обусловлено
присутствием фрагментов, содержащих карбонильную группу в α-положении и хинонметид.
Лигнины, выделенные из различных образцов, имели сходные спектры в УФ- и видимой областях, в
то же время наблюдались четкие различия в интенсивности поглощения в области 280 нм, что указывает
на изменение суммарного количества ароматических структур. У лигнинов, выделенных из опытных
114
Д.А. КАДИМАЛИЕВ, В.В. РЕВИН, В.В. ШУТОВА
образцов, изготовленных при температуре 120°С, интенсивность поглощения в области 280 нм
значительно ниже, чем у лигнинов непрессованных образцов.
Повышение температуры прессования до 150°С и далее до 170°С приводит к резкому увеличению
интенсивности поглощения при 280 нм во всех опытных образцах, с той лишь разницей, что эта
закономерность больше выражена для лигнинов образцов из ферментированного сырья. Вероятно, при
температуре 120°С преобладают реакции окисления, разрушения ароматических колец. При более
высоких температурах преобладают процессы конденсации и полимеризации, с образованием α-5-связей,
что характерно для хвойных пород древесины, в результате чего увеличивается количество
ароматических структур. Это предположение подтверждается данными испытания полученных плит
(табл. 1).
ИК-спектры лигнинов сосны, выделенных из различных образцов прессованных опилок,
представлены на рисунках 3 и 4 относительное содержание отдельных групп – в таблицах 2 и 3. Из
представленных данных видно, что в лигнине прессованного материала без предварительной обработки
P. tigrinus положение полосы 3660-3000 см-1, обусловленной колебаниями гидроксильных групп,
включенных в водородную связь, остается неизменным. Под влиянием прессования наблюдается
увеличение количества данных групп. Это можно объяснить тем, что под влиянием давления и
температуры происходит разрыв химических связей в молекуле лигнина, приводящий к освобождению
гидроксильных групп. То, что происходят процессы деструкции молекул лигнина, подтверждает также и
уменьшение интенсивности поглощения при 1580 см-1 (колебания ароматического скелета), 1250 см-1
(колебания гваяцильного ядра), 1070 см-1 (колебания ОН-групп алифатических спиртов), а также
увеличение интенсивности полосы при 1700 см-1, обусловленной содержанием несопряженных
карбонильных групп -С=О. Таким образом, при температуре прессования 120°С в необработанном
грибом сырье происходит разрыв β-О-4 связей, разрушение ароматических колец и реакции окисления,
что подтверждается и данными УФ-спектров (рис. 1).
С увеличением температуры прессования до 170°С наблюдаются процессы конденсации, о чем
свидетельствует увеличение количества ароматических структур (полоса при 1580 см-1), уменьшается
количество гидроксильных групп (полоса при 3660-3000 см-1).
1,2
0,9
1
0,8
0,7
0,8
0,5
D
D
0,6
0,6
0,4
0,4
0,3
0,2
0,2
0,1
0
250
300
350
400
450
500
0
250
300
Длина волны, нм
350
400
450
Длина волны, нм
Рис. 1. УФ-спектры лигнинов, выделенных из
прессованных материалов без предварительной
Рис. 2. УФ-спектры лигнинов, выделенных из
прессованных материалов c предварительной
обработки P. tigrinus. ( контроль; – –
обработкой P. tigrinus ( контроль; – –
температура прессования 120°С; - - температура
температура прессования 120°С; - - температура
прессования 150°С; – - – температура прессования
прессования 150°С; – - – температура
170°С)
прессования 170°С)
500
ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИГНИНА ДРЕВЕСИНЫ …
115
Таблица 1. Влияние температуры прессования на физико-механические свойства биопластика из сосны
Вариант опыта
Плотность, кг/м3
Температура
Предел прочности при
прессования, °С
изгибе, МПа
120
5,4
997
150
5,8
1001
170
6,4
1020
Опилки без обработки грибом
Опилки, обработанные P.
120
7,5
1058
tigrinus
150
14,1
1160
170
26,0
1124
Таблица 2. Относительное содержание функциональных групп в лигнине при прессовании опилок без
предварительной обработки P. tigrinus (в %)
Температура прессования сырья, °С
-1
Частота, см
Контроль
120
150
170
3660-3000
18,2±0,6
39,5±1,8
11,6±0,5
14,7±0,7
1700
3,6±0,1
8,1±0,2
6,7±0,1
5,7±0,2
1650
2,4±0,1
7,2±0,3
3,6±0,1
2,9±0,2
1580
12,5±0,4
8,4±0,3
10,9±0,4
12,4±0,5
1320
4,2±0,2
4,9±0,2
13,1±0,6
7,3±0,3
1250
17,1±0,6
7,3±0,3
15,2±0,8
8,5±0,4
1220
4,8±0,2
3,6±0,7
2,6±0,1
3,8±0,1
1115
12,9±0,6
6,7±0,3
15,1±0,7
18,9±0,8
1070
6,5±0,3
2,8±0,1
6,8±0,3
7,6±0,2
1020
15,2±0,6
9,0±0,4
13,6±0,6
16,8±0,7
850-880
2,5±0,1
2,7±0,1
0,9±0,0
1,4±0,6
Таблица 3. Относительное содержание функциональных групп в лигнине после прессования с
предварительной обработкой сырья P. tigrinus (в %)
Условия обработки
-1
Частота, см
контроль
T=120°C
T=150°C
T=170°C
3660-3000
29,9±0,8
17,2±0,8
15,5±0,7
13,7±0,6
1700
4,5±0,2
7,0±0,3
5,1±0,2
1,3±0,0
1650
2,7±0,1
1,8±0,0
3,6±0,2
2,9±0,1
1580
11,6±0,5
8,2±0,4
13,9±0,6
18,9±0,9
1320
6,7±0,2
2,1±0,0
7,4±0,3
-
1250
11,8±0,5
14,8±0,6
15,6±0,7
25,7±1,0
1220
8,6±0,3
6,2±0,2
6,7±0,3
4,1±0,2
1115
6,0±0,2
13,9±0,7
12,9±0,6
13,8±0,6
1070
2,7±0,1
7,9±0,3
1,5±0,0
4,2±0,2
1020
15,1±0,7
20,0±0,9
17,9±0,8
15,2±0,7
850-880
0,6±0,0
1,1±0,0
–
0,3±0,0
116
Д.А. КАДИМАЛИЕВ, В.В. РЕВИН, В.В. ШУТОВА
-1
Особо следует отметить то, что происходит увеличение интенсивности поглощения при 1115 см ,
которую некоторые авторы [14] характеризуют присутствием примесей сахаров или полисахаридов. Это
косвенно подтверждает тот факт, что в древесном сырье в результате процессов конденсации образуются
химические связи между альдегидными группами сахаров и фенольными фрагментами лигнина. Поэтому
на стадии очистки при получении препарата лигнина полисахариды отделяются не полностью.
При сравнении ИК-спектров лигнинов, выделенных из обработанных грибом P. tigrinus опилок и из
опилок без обработки (см. рис. 3 и 4), можно сделать вывод, что биообработка создает все условия для
протекания процессов полимеризации. Освобождение гидроксильных групп, увеличение фенольных
гидроксилов (колебания при 1220 см-1, характерные для ОН-связи фенольных структур), увеличение
карбонильных групп – все это способствует образованию новых связей между структурными единицами
лигнина в процессе прессования, причем с увеличением температуры эти процессы протекают намного
интенсивнее.
Прессование материалов с предварительной обработкой грибом P tigrinus (табл. 3) также вызывает
значительные изменения в количестве функциональных групп лигнина сосновых опилок. Анализ ИКспектров показал, что с увеличением температуры прессования со 120 до 170°С происходят процессы
поликонденсации в молекуле лигнина. Об этом свидетельствуют: снижение гидроксильных групп (при
температуре
прессования
170°С),
увеличение
относительной
оптической
плотности
полосы,
-1
обусловленной колебаниями ароматического скелета (полоса при 1580 см ), увеличение полосы
-1
поглощения при 1250 см , снижение фенольных гидроксильных групп (полоса при 1220 см-1).
Таким образом, данные, полученные при исследовании ИК-спектров лигнинов, подтверждают наши
выводы, сделанные по спектроскопии в УФ- и видимой области спектра.
В процессах образования древесно-стружечных плит большое значение играют свободные фенольные
гидроксильные группы лигнина, поскольку их наличие необходимо для начальных этапов
поликонденсации лигнина [15].
Фенольные ОН-группы в лигнине определяли спектрофотометрическим ∆ε-методом после
прессования в опилках, подвергнутых биообработке грибом P. tigrinus, и в опилках, не подвергавшимся
обработке. В качестве контроля в первом случае использовали лигнин, выделенный из опилок,
обработанных культуральной жидкостью гриба в течение трех суток; а во втором случае – лигнин,
выделенный из нативных опилок. Полученные результаты представлены на риунке 5.
В необработанных грибом опилках при прессовании при температуре 120°С уменьшается количество
фенольных ОН-групп с 1,55 до 1,00%. С увеличением температуры прессования этот показатель остается
примерно на этом же уровне.
При обработке опилок грибом P. tigrinus под действием ферментов лигнолитического комплекса
происходит частичное разрушение связей β-О-4 между фенилпропановыми единицами [16], что
приводит к некоторому освобождению фенольных гидроксильных групп в лигнине сырья. Это создает
благоприятные условия для создания новых связей между структурными элементами при их сжатии.
При прессовании обработанных грибом опилок с увеличением температуры со 120 до 170°С в
лигнине происходит резкое снижение количества фенольных гидроксильных групп. При температуре
прессования 170°С число свободных фенольных гидроксильных групп снизилось на 90% по отношению
к контролю. Это может свидетельствовать о том, что с увеличением температуры прессования
происходят процессы конденсации за счет образования новых химических связей (вероятнее всего
сложноэфирных). При прессовании в условиях повышенной температуры за счет образования новых
химических связей, очевидно, повышается молекулярная масса лигнинов и, следовательно, улучшаются
физико-механические характеристики древесностружечных плит.
ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЛИГНИНА ДРЕВЕСИНЫ …
117
Рис. 4. ИК-спектры лигнинов, выделенных из
прессованных нативных сосновых опилок (1 –
прессованных сосновых опилок, обработанных P.
прессование при 120°С, 2 – прессование при 150°С,
tigrinus (1 – прессование при 120°С, 2 –
3 – прессование при 170°С)
прессование при 150°С, 3 – прессование при 170°С)
Рис. 5. Изменение содержания фенольных
гидроксильных групп в лигнине после
прессования сосновых опилок ( – опилки
обработанные грибом P. tigrinus,
– опилки без
Содержание фенольных гидроксильных групп,%
Рис. 3. ИК-спектры лигнинов, выделенных из
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
обработки грибом)
Контроль
120
150
170
Температура прессования, С
Выводы
Таким образом, при горячем прессовании состояние лигнина в прессованных материалах,
изготовленных из обработанных грибом опилок, зависит от температуры. Вероятно, низкая прочность
плит, изготовленных при температуре 120°С, обусловлена невозможностью протекания реакций
поликонденсации лигнина. Увеличение температуры напротив вызывает процессы поликонденсации
лигнина за счет удаления влаги, что приводит к улучшению качества изготовленных плит.
Список литературы
1.
Malonev T.V. Modern particle board and dry-process fiber board manufacturing. M., 1982. 414 p.
2.
Yamaguchi N., Maeda Y., Sakata I. Bonding among woody fibers by use of enzymatic phenol dehydrogenative
polymerization // Mokuzai Gakkaishi. 1994. Vol. 40. №2. P. 185–190.
3.
Соломатов В.И., Черкасов В.Д. Создание строительных биокомпозитов из древесного и другого растительного
сырья. Сообщение 1. Теоретические предпосылки и принципы // Изв. вузов. Строительство. 1997. №1–2. С. 27–
32.
118
4.
Д.А. КАДИМАЛИЕВ, В.В. РЕВИН, В.В. ШУТОВА
Eriksson K.-E.L., Blanchette R.A., Ander P. Microbial and enzymatic degradation of wood and wood components.
Berlin, 1990. 407 p.
5.
Hammel K.E. Fungal degradation of lignin // Plant litter quality and decomposition. United Kingdom, 1997. P. 33–45.
6.
Стрелков В.П., Бажанов Е.А., Фейло Б.Д. Технологическое производство экологически чистых древесных плит
// Деревообрабатывающая пр-ть. 1998. №2. С. 12–14.
7.
Салин Б.Н., Чемерис М.М., Андреева А.В. Влияние параметров прессования измельченной древесной щепы на
свойства плитного материала «термобалит» // Изв. вузов. Строительство. 1997. №10. С. 52–55.
8.
Ревин В.В., Прыткова Т.Н., Лияськина Е.В., Черкасов В.Д., Соломатов В.И. Свидетельство о депонировании
микроорганизма Panus (Lentinus) tigrinus (Bulliard: Fries) Fries, 317. Регистрационный номер ВКМ F-3616 D
присвоен 5 марта 1998 г.
9.
Грушников О.П., Елкин В.В. Достижения и проблемы химии лигнина. М., 1973. 296 с.
10. Закис Г.Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных. Рига, 1987. 230 с.
11. Zadrazil F., Brunnert H. The influence of ammonium nitrate supplementation on degradation and in vitro digestibility of
straw colonized by higher fungi // European J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1980. №9. P. 37–44.
12. Блажей А., Шутый Л. Фенольные соединения растительного происхождения. М., 1977. 239 с.
13. Шуберт В. Биохимия лигнина / Пер. с англ. М., 1968. 134 с.
14. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М., 1988. 512 с.
15. Guerra A., Ferraz A., Cotrim A.R., da Silva F.T. Polymerization of lignin fragments contained in a model effluent by
polyphenoloxidases and horseradish peroxidase/hydrogen peroxide system // Enzyme Microb Technol. 2000. №5-6. P.
315–323.
16. Бабицкая В.Г. Ферментативная деструкция лигнина, содержащегося в растительных субстратах мицелиальными
грибами // Прикл. биохимия и микробиология. 1994. Т. 30. №6. С. 827–835.
Поступило в редакцию 7 мая 2001 г.
После переработки 29 августа 2001 г