Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Произведен обзор наиболее распространенных видов лигноцеллюлозного растительного сырья и коммерчески доступной целлюлозы. На основании анализа химического состава растительного сырья и коммерческих препаратов целлюлозы, в качестве объектов исследования были выбраны препараты целлюлозы со структурой нативной целлюлозы I и выделенной целлюлозой Iа, а также получена целлюлоза II из нативной целлюлозы растительного сырья. Проведена механохимическая обработка выбранных объектов исследования (а-целлюлозы, фибриллярной целлюлозы и растительного сырья – соломы пшеницы) в механохимическом оборудовании с ударно-сдвиговым и истирающим типом воздействия. Планетарная мельница-активатор АГО-2 оказывает наибольшее воздействие на структуру целлюлозы в индивидуальном виде и в составе растительного сырья, приводящее к снижению индекса кристалличности, размеров частиц и степени полимеризации, а также к возрастанию удельной площади поверхности. Изучено изменение основных физико-химических параметров, описывающих степень разупорядочение супрамолекулярной структуры лигноцеллюлозных материалов. Анализ степени кристалличности, степени полимеризации, удельной площади поверхности, размеров частиц целлюлозы в зависимости от времени проведения механохимической обработки позволило определить условия, приводящие к достаточному уровню разупорядочения структуры для изучения процесса рекристаллизации целлюлозы. В качестве другого примера природных полимеров с аморфно-кристаллическим строением рассмотрен хитозан различной молекулярной массы. Механическая обработка хитозана позволила получить аморфизованные образцы. Полученные рентгенограммы аморфизированных образов были усреднены и аппроксимированы, что позволило разработать универсальный способ оценки индекса кристалличности хитозана. В дальнейшем планируется апробировать и расширить данный способ определения индекса кристалличности для целлюлозы и других аморфно-кристаллических полимеров природного происхождения. Реакционная способность препаратов целлюлозы и продуктов механической обработки в гетерогенных реакциях, к которым относится процесс рекристаллизации, была оценена с помощью ферментативного гидролиза. Были определены оптимальные условия проведения ферментативного гидролиза для оценки реакционной способности. Начальный участок кинетической кривой был использован для определения начальных скоростей реакции ферментативного гидролиза. Показано, что начальная скорость и выход гидролиза для выделенной целлюлозы после механической обработки увеличивается незначительно, напротив для растительного сырья наблюдается возрастание скорости и выхода ферментативного гидролиза из-за снижения экранирующего действия полифенольных соединений в результате механической обработки. Продемонстрировано, что при достаточном разупорядочении структуры для инициирования процесса рекристаллизации достаточным является 30% влажность материала, при которой наблюдается образование физической фазы воды. Восстановление кристалличности целлюлозы происходит в первый час нагрева влажных препаратов целлюлозы, продолжительность обработки не оказала значимого влияния. В процессе взаимодействия а-целлюлозы с водой происходит восстановление кристаллической структуры Ia и, как следствие, кристалличности. Фибриллярная целлюлоза рекристаллизуется с фазовым переходом нативной целлюлозы I в целлюлозу II. Реакционная способность обработанной водой а-целлюлозы превышает доступность целлюлозы II для действия ферментов. Аморфизация в течение 45 минут с последующей рекристаллизацией приводит к понижению реакционной способности, напротив образцы, механически обработанные в течение 30 минут, превысили реакционную способность относительно образцов сравнения. Рекристаллизация фибриллярной целлюлозы снижает реакционную способность по сравнению с аморфизованными препаратами фибриллярной целлюлозы и целлюлозой II. Время взаимодействия с водой не оказывают значительного влияния на начальную скорость и выход ферментативного гидролиза рекристаллизованных препаратов целлюлозы. Помимо целлюлозы в работе было рассмотрено влияние механической обработки и последующее воздействие воды при повышенных температурах на другой природный полимер с аморфно-кристаллическим строением, состоящий глюкозы – тапиоковый крахмал (С-тип кристаллической структуры). В процессе желатинизации (нагрев суспензии крахмала в воде) происходит процесс рекристаллизации полимерной цепи в условиях гетерогенной обработки. При этом кристаллическая структура исходного крахмала с C-типа переходит в B-тип. Наблюдаемое явление характерно только для аморфизованного крахмала.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения второго этапа Проекта был рассмотрен процесс рекристаллизации целлюлозы в составе растительного сырья и составе модельных объектов, представляющие собой супрамолекулярные комплексы на основе растительного сырья с разными соотношениями между структурообразующими полимерами «целлюлоза – гемицеллюлоза – лигнин». В качестве объектов исследования были выбраны: солома пшеницы (Triticum durum L.), сосновый опил (Pínus sylv´estris), солома тростника (Phrágmites austrális) и шелуха гречихи (Fagopýrum). Модельные образцы супрамолекулярных комплексов на основе соломы пшеницы были получены последовательным извлечением компонент растительной клеточной стенки: экстрактивных веществ, гемицеллюлоз, лигнина. Проведена механохимическая обработка выбранных объектов исследования в планетарной мельнице-активаторе АГО-2 с ударно-сдвиговым типом воздействия. Показано, что продолжительная механическая обработка растительного сырья приводит к снижению индекса кристалличности, размеров частиц и степени полимеризации, а также к возрастанию удельной площади поверхности. Достижение предела измельчения было продемонстрировано при механическом воздействии в течение 45 минут, обеспечивающем наибольшее разупорядочение объектов исследования, подходящим для дальнейшего изучения процесса рекристаллизации целлюлозы. Основным отличием, наблюдаемым при механической обработке супрамолекулярных комплексов, от растительного сырья можно выделить снижение показателей удельной поверхности при увеличении продолжительности воздействия. Увеличение удельной площади поверхности внутри каждой серии экспериментов согласуется с морфологическими исследованиями, указывающими на образование плотных агрегатов частиц. Реакционная способность целлюлозы в составе растительного сырья, супрамолеклярных комплексов, продуктов механической обработки и рекристаллизованных образцов контролировалась с помощью реакции ферментативного гидролиза. Начальная скорость и выход гидролиза для супрамолекулярных комплексов после удаления экстрактивных веществ и последующего удаления гемицеллюлоз становится ниже соответствующих показателей относительно исходной соломы пшеницы. Наблюдаемый эффект связан, во-первых, с экстракцией легкогидролизуемых сахаров и, во-вторых, с экранирующим действием лигнина при одновременном вычитании вклада гемицеллюлоз из общего выхода восстанавливающих сахаров. Последовательное удаление экстрактивных веществ и лигнина (снятие экранирующего действия полифенолов) способствует повышению начальной скорости и выхода гидролиза. Данный супрамолекулярный комплекс характеризуется высокой реакционной способностью вследствие ферментативного расщепления, как целлюлозы, так и гемицеллюлоз. Целлюлоза соломы пшеницы после выделения всех структурообразующих полимеров обладает меньшей реакционной способностью в сравнении с коммерческими препаратами индивидуальной целлюлозы. Механическая обработка приводит к увеличению начальных скоростей и выхода гидролиза. Разупорядочение в большей степени оказывает влияние на параметры гидролиза в случае супрамолекулярных комплексов после удаления экстрактивных веществ и последующего удаления гемицеллюлоз. Процесс рекристаллизации при комнатной и повышенной температурах объектов исследования был исследованы с помощью рентгенофазового анализа и оценки реакционной способности в гетерогенных условиях ферментативного гидролиза. Разупорядоченная целлюлоза I в растительном сырье претерпевает фазовый переход в смесь целлюлозы I и II при рекристаллизации. Продолжительность и температура водной обработки существенно не влияет на перестройку параллельных полимерных цепей целлюлозы I в антипараллельную целлюлозу II. Степень рекристаллизации целлюлозы в составе соломы пшеницы и соснового опила зависит от температуры водной обработки. Особенности химического состава шелухи гречихи (наличие меланинов) определяют отличительное протекание рекристаллизации целлюлозы, которая не зависит от температуры и времени обработки, что указывает на зависимость процесса рекристаллизации целлюлозы от источника (химического состава). Образцы, полученные удалением экстрактивных веществ, имеют наибольшее сходство со структурой исходной соломы пшеницы, и также демонстрируют зависимость степени рекристаллизации от температуры водной обработки. Образцы супрамолекулярных комплексов с удаленными экстрактивными веществами и гемицеллюлозами (в составе комплекса присутствуют целлюлоза и лигнин) и образцы с уделенными экстрактивными веществами и лигнином (в составе комплекса присутствуют целлюлоза и гемицеллюлозы) демонстрируют схожие значения индексов кристалличности и, следовательно, степень рекристаллизации целлюлозы. Температура обработки не оказывает существенного влияния на показатель рекристаллизации в обоих случаях. Нативная целлюлоза, оставшаяся после последовательного удаления структурообразующих полимеров, рекристаллизуется в смесь целлюлозы I и II, с зависимостью степенью кристалличности от температуры водной обработки. Изменение супрамолекулярного состава и структуры оказывает значительное влияние на реакционную способность в гетерогенных реакциях. Водная обработка снижает начальную скорость гидролиза. Эффективность ферментативного воздействия (выход гидролиза) имеет более сложную зависимость от химического состава супрамолекулярного комплекса. Глубина рекристаллизации целлюлозы зависит от состава супрамолекулярного комплекса и от температуры водной обработки, но не зависит от продолжительности взаимодействия с водой. Реакционная способность рекристаллизованной целлюлозы в составе растительного сырья значительно снизилась, что указывает на физическое затруднение доступа к целлюлозе ферментов. Низкая реакционная способность целлюлозы в составе растительного сырья после рекристаллизации так же объясняется не полным фазовым переходом целлюлозы I в целлюлозу II. В качестве другого примера природного полимера с аморфно-кристаллическим строением в контексте изучения процесса рекристаллизации был рассмотрен хитин, имеющий значительное сходство с кристаллической структурой целлюлозы. Показано, что водная обработка аморфизованных биополимеров приводит к частичному восстановлению упорядоченности кристаллической структуры с фазовым переходом в более стабильную полиморфную модификацию. Степень рекристаллизации не зависит от продолжительности водной обработки.