Что общего у колбасы и бумаги? Ответ: целлюлоза — органическое соединение и углевод, получаемый преимущественно из древесины. Ученые Пермского Политеха рассказали о необычных способах применения этого полисахарида и объяснили, как он помогает работе кишечника, зачем нужен в хлебе и консервах, как отличить целлофан от полиэтилена (да, это разные вещи), чем хороши изделия из вискозы и может ли биотопливо из древесины составить конкуренцию бензину.
Пермские ученые рассказали о необычных способах применения целлюлозы / © John Kinnander, unsplash
Целлюлоза — это волокнистый полуфабрикат. Материал относится к полисахаридам — органическим веществам, состоящим из элементов — углерода, кислорода и водорода. Представляет собой волокна, скрепленные между собой в прочную ткань с помощью связующего вещества древесины — лигнина.
«Для получения целлюлозы могут использоваться все породы древесины. В России перерабатывают как хвойные (ель, пихту, сосну, лиственницу), так и лиственные — осину, тополь, березу. За рубежом больше распространены дуб, бук и другие для нашей страны ценные и очень дорогие деревья», — рассказывает Фирдавес Хакимова, доктор технических наук, процессор кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Какой путь проходит дерево, прежде чем оказаться бумагой или картоном? Для получения целлюлозы используются только здоровые деревья, без гнили. Заготовка древесины проходит в лесосеках, принадлежащих целлюлозно-бумажному предприятию, а срубленные растения компенсируют высадкой молодых саженцев. Длинные стволы деревьев распиливают на бревна длиной один-полтора метра, — в целлюлозно-бумажной отрасли они называются балансами. Затем их очищают от коры и измельчают на щепочки размером 2-3 сантиметра и толщиной 3-5 миллиметров.
Эту щепу сортируют для отделения крупных щепочек и мелких опилок. После этого их подвергают варке с помощью химикатов при высокой температуре и под давлением. В этом процессе из древесины удаляется 70-80 процентов лигнина. Поэтому сваренная щепа легко разделяется на отдельные целлюлозные волокна. Из этих волокон путем механических обработок получают целлюлозную массу. В зависимости от назначения в нее добавляют химикаты, которые придают бумаге специфические свойства. Бумажная масса подается на бумагоделательную машину, которая представляет собой сложнейший агрегат, состоящий из множества вращающихся деталей и узлов. Там из массы получают листовой продукт, который затем проходит сложные процессы прессования и сушки для удаления оставшейся в бумаге воды и получения сухого бумажного полотна.
Тем не менее целлюлоза применяется не только в производстве бумаги и картона. Ученые Пермского Политеха рассказали, где еще можно встретить это вещество и какую роль оно играет в составе.
«В фармацевтике для изготовления таблеток используется порошковая микрокристаллическая целлюлоза — добавка Е460. Она широко применяется в медицине и фармацевтике в качестве вспомогательного вещества для жидких, сыпучих и таблетированных форм лекарств, а также для суспензий, мазей, кремов и зубных паст. В стоматологии она входит в состав адгезивных (скрепляющих) материалов. Многие оболочки для капсул также делают из целлюлозы», — рассказывает Ольга Носкова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Применение микрокристаллической целлюлозы способствует повышению прочности, гладкости, стабильности и однородности таблеток. Эти препараты лучше растворяются и быстрее усваиваются организмом. Микроцеллюлоза позволяет контролировать постепенное высвобождение активного вещества на протяжении длительного времени. При этом сама она не переваривается и не усваивается организмом, а потому не наносит вреда.
Добавка Е460 активно используется и в пищевой промышленности. Целлюлоза выступает как стабилизатор (вещество-текстуратор), а также эмульгатор, препятствующий слеживанию и комкованию продуктов питания. Ее добавляют в хлебобулочные и кондитерские изделия, рыбные консервы, майонез и другие соусы, молочные продукты. При изготовлении колбасных изделий, мясных консервов вещество повышает их стойкость. В составе изделия (например, колбасы) производители должны указывать наличие порошковой микрокристаллической целлюлозы. Вред ни колбасе, ни организму человека она не наносит.
«Используют добавку, прежде всего, как инертный наполнитель, уменьшающий калорийность хлебобулочных и кондитерских изделий. Вкусовые и другие потребительские качества готовых продуктов питания при этом не ухудшаются, но замедляется их очерствение», — отмечает Ольга Носкова.
Часто добавку Е460 можно встретить в продуктах «для похудения». Дело в том, что, попадая в желудочно-кишечный тракт, микроцеллюлоза разбухает. Наш мозг получает сигнал о поступлении пищи, которой на самом деле меньше, чем ему кажется. Волокна МКЦ не содержат калорий и не влияют на общий рацион. Благодаря им человек чувствует себя сытым даже при небольшом количестве пищи. Но для достижения такого эффекта необязательно прибегать к специальным таблеткам или порошкам с микроцеллюлозой. Достаточно добавлять к каждому приему пищи фрукты или овощи — источники клетчатки.
Высокое содержание пищевых волокон в целлюлозе оказывает положительное влияние на микрофлору ЖКТ и общее состояние здоровья. Она снижает симптомы раздраженного кишечника, очищает его и стимулирует перистальтику, нормализует уровень холестерина, укрепляет иммунную систему и повышает защитные функции организма, помогает при отравлениях и интоксикациях.
«Целлюлоза — это клетчатка. Она не усваивается в пищевом тракте человека, но частично перерабатывается микрофлорой прямой кишки. Вещество структурирует пищу и нормализует деятельность желудочно-кишечного тракта», — добавляет Ольга Носкова.
Микроцеллюлоза в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности вреда организму не наносит. Она является очень хорошим сорбентом (собирает в кишечнике вредные вещества), потому что она не выводит из организма полезные микроэлементы — железо, кальций, магний. Установлена суточная норма потребления МКЦ — не более 25 г.
«Хлопок — самое богатое целлюлозой сырье. В нем ее содержится до 99%, при этом из этого растения материал высокого сорта получить очень легко. Хлопковая целлюлоза используется главным образом для химической переработки с получением высокопрочной кордной нити, которую применяют для армирования автомобильных и авиационных шин, а также для получения износостойких банкнотных видов бумаги (деньги, ценные бумаги). В качестве сырья для получения целлюлозы во многих странах используют лен, коноплю, тростник, камыш, стебли злаковых растений. Такая практика характерна для безлесных регионов», — объясняет Фирдавес Хакимова.
«Еще одно распространенное применение целлюлозы из хлопка — порох. Для этого сырье сначала нитруют (то есть в молекулу целлюлозы вводят группу NO2) и получают нитрат целлюлозы. Затем в вещество добавляют пластификаторы — вещества, повышающие эластичность и пластичность материала при его переработке. После прессования это химическое соединение превращается в порох — вещество, способное выделять тепло и гореть с выделением газообразных продуктов. Все пороха для артиллерийского и стрелкового вооружения делают на основе целлюлозы», — рассказывает Сергей Котельников, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Рубашки, носки, платья, постельное белье и многие другие текстильные изделия производят не только из синтетики, хлопка и льна. Вискоза — это искусственный материал, который производят из натурального сырья — целлюлозы.
«Для получения вискозных волокон требуется растворимая целлюлоза. Ее подвергают обработке химикатами, чтобы изменить свойства и получить эфиры целлюлозы. Затем их растворяют, а полученную массу пропускают через сита с круглыми или щелевыми отверстиями (фильеры). Так получают нити или пленки. Первые используют для производства ткани, а вторые — пищевой упаковки», — рассказывает Фирдавес Хакимова.
Одежда из вискозы получается легкой и дышащей, приятной к телу и гипоаллергенной. В отличие от хлопка, она не так прочна, поэтому такие вещи рекомендуют стирать вручную или на бережном режиме при 30 градусах. Ткань лучше сушить в горизонтальном положении, причем вдали от солнечных лучей.
Целлофан — это прозрачный, тонкий и гибкий материал, который получают из целлюлозы. Он часто используется для упаковки продуктов, так как обладает хорошими барьерными свойствами, защищая содержимое от влаги и загрязнений.
«Целлюлозу обрабатывают концентрированным раствором щелочи. Затем измельченную массу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в разбавленном растворе едкого натра для получения вискозы — вязкого раствора. Целлофан получают благодаря специальной машине — агрегату из формовочной и отделочной частей, сушилки и приемного механизма, наматывающего готовую пленку в рулоны. Проходя по ленте, целлофан обрабатывается дополнительными веществами, например, глицерином — он повышает эластичность и прочность материала, делает его водоотталкивающим», — объясняет Ольга Носкова.
Многие путают целлофан и полиэтилен, используют эти слова в качестве синонимов. Однако это два принципиально разных полимера, второй именно синтетический. Он образуется при нагревании углеводородных соединений, которые содержатся в попутных газах нефти. Их разложением (пиролизом) добывают этилен, а его полимеризацией получают полиэтилен.
Как отличить два материала? Целлофановые продукты имеют маркировку «РАР», полиэтилен обозначают «ПЭ», «ПЭТ» и «ПЭВП». Он крепче, а целлофан быстрее рвется. Упаковка из вискозы пропускает воздух и иногда воду, а синтетический полимер воздухо- и водонепроницаем. Разлагается целлофан до 2-3 лет, а нефтепродукту для этого потребуется более 100 лет.
«Из целлюлозы получают биоэтанол, который может быть использован в смесях с бензином в двигателях внутреннего сгорания. Людям давно известны методы производства этанола из крахмалсодержащего сырья (кукурузы, зерна), даже фруктов и ягод. Производственники много лет пытаются заменить более дорогие виды сырья дешевой древесиной, а еще лучше — древесными отходами, ведь это гораздо выгоднее», — рассказывает Ирина Пермякова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
Глюкоза является строительным элементом длинных цепочек крахмала. Этанол (этиловый спирт) добывают путем ее сбраживания, обычно это делают с помощью дрожжей. Поэтому достаточно расщепить полисахарид на составные элементы, и получается готовая еда для дрожжей и биотопливо.
«Целлюлоза тоже состоит из глюкозы, только ее бета-изомера. Такие цепочки соединенных молекул прочнее, чем крахмал, и расщепляются сложнее. Помимо целлюлозы в древесине много других компонентов: гемицеллюлозы, лигнина, смолистых веществ. Далеко не все из этого сбраживается в этанол, поэтому от некоторых компонентов также нужно избавиться. Так что производство этанола из древесины более сложная, трудоемкая задача, но вполне решаемая. Помимо чистой древесины можно использовать щепу, стружку, древесный брак и отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Главное, чтобы в составе сырья была целлюлоза», — объясняет биохимик ПНИПУ.
Биоэтанол из древесного сырья может быть использован в смесях с бензином, но полный переход на чистое биотопливо или на смеси с его высоким содержанием возможен только для специально выпускаемых модифицированных двигателей. Их называются Flexible-fuel vehicle (FFV) — автомобиль с гибким выбором топлива.
У биоэтанола, как и у его смесей с бензином, конечно, есть свои достоинства по сравнению с чистым бензином. Прежде всего, это экологические преимущества, поскольку при сжигании этанола существенно сокращаются выбросы дымовых газов, частиц сажи, углекислого газа. Биотопливо получают из растительного сырья, а значит, оно является углеродно-нейтральным (в отличие от нефтепродуктов). При сжигании биоэтанола выделяется такое же количество углерода, что и поглотили растения.
Сможет ли биоэтанол составить конкуренцию бензину? Вопрос сложный, потому что сильно зависит от региона производства, страны, экономического стимулирования. Например, в странах, где цена на бензин высокая или есть компенсации от государства за производство экологичного топлива, а климат позволяет легко выращивать крахмалистое сырье, биоэтанол может быть вполне конкурентоспособен. В более холодных регионах, составляющих основную часть России, производство этанола из древесного сырья обойдется дороже бензина.
