Структура биокомпозиционных материалов на основе древесных опилок и свекловичного жома с левансодержащим биосвязующим

Леван - это внеклеточный полисахарид, который представляет собой полимер фруктозы. В химическом отношении бактериальный леван - нейтральный разветвленный полисахарид, построенный из остатков D-фруктофуранозы, которые в основной цепи соединены связями β-2 → 6, а в местах разветвлений — α-2 → 1 [1; 2; 3].

Леван обладает сильными адгезивными свойствами, поэтому одним из перспективных направлений его применения является замена им токсичных термореактивных смол, используемых при производстве композиционных материалов [4].

Одной из проблем в настоящее время является переработка отходов из растительного сырья. Жом сахарной свеклы – это отход свеклосахарного производства, представляющий собой первичную клеточную стенку, состоящую преимущественно из целлюлозы, связующих гликанов и пектиновых веществ [5].

Исходя из этого, целью нашего исследования являлось получение биокомпозиционных материалов на основе сосновых опилок и свекловичного жома с биосвязующим на основе левана, а также определение структуры полученного материала.

Материалы и методы. На первом этапе работы было получено биосвязующее на основе экзополисахарида A. vinelandii штамм D–08 культуру выращивали в течение 72 часов при 28° С. Состав агаризованной среды был следующим: г/л: K 2 HPO 4 – 0,8; KH 2 PO 4 – 0,2; CaSO 4 ∙ 7H 2 O – 0,2; МgSO 4 ∙ 7H 2 O – 0,2; Na 2 MnO 4 – 0,05; FeCl 3 – 0,05; дрожжевой экстракт – 0,5; сахароза – 20,0; агар-агар – 20,0.

С целью получения инокулята выращивание A. vinelandii штамм D–08 проводили на жидкой сахаросодержащей среде следующего состава: г/л: K 2 HPO 4 – 0,8; KH 2 PO 4 – 0,2; CaSO 4 ∙ 7H 2 O – 0,2; МgSO 4 ∙ 7H 2 O – 0,2; Na 2 MnO 4 – 0,05; FeCl 3 – 0,05; дрожжевой экстракт – 0,5; сахароза – 20,0. Культивирование A. vinelandii осуществляли в термостатируемом шейкере 72 часа при 250 об/мин и температуре 28° С.

Полученным инокулятом засеивали питательные среды, в состав которых вошли отходы пищевых производств - меласса, послеспиртовая барда и молочная сыворотка (в соотношении 1:1:1) с добавлением лигноцеллюлозных наполнителей в соотношении 1:3, 1:6 к питательной среде. Культивирование проводили в течение 72 часов (3 суток) при 250 об/мин и температуре 28° С.

Известно, что для роста бактерий A. vinelandii необходимы такие компоненты, как углеводы, спирты, органические кислоты, минералы в виде фосфорных и кальциевых солей [4]. Используемые нами отходы пищевых производств содержат вещества, необходимые для роста микроорганизма, так и для образования и накопления полисахарида левана.

На втором этапе работы были получены биокомпозиционные материалы на основе сосновых опилок и свекловичного жома с биосвязующим на основе левана.

Полученную нами культуральную жидкость с лигноцеллюлозным наполнителем подвергали упариванию и высушиванию в сушильном шкафу при температуре 50° С. Высушенную массу загружали в пресс-форму и подвергали горячему прессованию при температуре 140° С и давлении 19,6 МПа (15 т) в течение 5 минут.

На третьем этапе мы изучали структуру полученных биокомпозиционных материалов.

Изучение структуры биокомпозиционных материалов проводили на многофункциональном растровом электронном микроскопе с интегрированной системой фокусированного ионного пучка Quanta 200 i 3D (FEI Company, США).

Результаты и их обсуждение. Нами было отмечено, что вид лигноцеллюлозного наполнителя в среде культивирования не оказывал отрицательного влияния на рост и развитие бактерии A. vinelandii штамм D–08 .

На третьи сутки полученная нами культуральная жидкость обладала густой и вязкой консистенцией, что показано на рисунке 1. Наиболее это было выражено в среде с содержанием смеси свекловичного жома и сосновых опилок в соотношении 1:1.

1                    2                    3                   4

Рис. 1. Культуральная жидкость бактерий A. vinelandii штамм D–08 при росте на питательной среде с лигноцеллюлозным наполнителем: 1 – без лигноцеллюлозного наполнителя; 2 – с древесными опилками; 3 – с древесными опилками и свекловичным жомом (отношение лигноцеллюлозного наполнителя к питательной среде 1/3); 4 – с древесными опилками и свекловичным жомом (отношение лигноцеллюлозного наполнителя к питательной среде 1/6).

Электронное микроскопирование полученных нами материалов позволило получить изображение структуры образцов в высоком разрешении. На рисунке 2 можно наблюдать структуру прессованного материала, представляющего собой сосновые опилки без биосвязующего.

TM3000 0766          2015.05.21 N D8 9 х400  200 um

Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия композиционного материала на основе сосновых опилок без биосвязующего.

Изображение демонстрирует наличие дезориентированных частиц на поверхности образца и наличие пустот (пор), следовательно, уменьшается площадь контакта частиц. Данный факт может негативно сказаться как на прочностных характеристиках материала, так и на избыточном водопоглощении.

Также нами был взят образец на основе сосновых опилок с левансодержащим биосвязующим, представленный на рисунке 3. Количество пор сравнительно снижалось. В результате, можно предполагать, что леван заполнил пространство между опилками и, следовательно, образовалась более плотная структура материала.

Рис. 3. Сканирующая электронная микроскопия биокомпозиционного материала на основе сосновых опилок с левансодержащим связующим.

Третий образец представлял собой смесь свекловичного жома и сосновых опилок с левансодержащим биосвязующим, представленный на рисунке 4. Поверхность образца была представлена упорядоченными параллельными волокнами, которые плотно прилегают друг другу, что исключает наличие пор между ними.

TM3000_0717          2015.04.21 N D9.9 *400  200 um

Рис. 4. Сканирующая электронная микроскопия биокомпозиционного материала на основе сосновых опилок и свекловичного жома с левансодержащим связующим.

Вероятно, что использование свекловичного жома и левансодержащего биосвязующего позволяет получить материал, в котором происходит эффективное обволакивание древесных опилок и появляются условия для создания большего числа клеевых слоев за счет адгезивных свойств левана и веществ, входящих в состав свекловичного жома. Стоит предположить, что это вызвано присутствием в свекловичном жоме пектиновых веществ и связующих гликанов (растительной целлюлозы). Такая плотная структура материала может служить предпосылкой для высоких физико-механических свойств.