Цивилизация
Наноцеллюлоза бактериального происхождения синтезируется из продуктов ферментативного распада растительного недревесного сырья. Однако напрямую «скармливать» бактериям растительное сырье невозможно, нужна предварительная обработка. Сибирские ученые рассмотрели пять способов химического воздействия на сырье. Из полученных продуктов синтезировали образцы бактериальной наноцеллюлозы и оказалось, что четыре из пяти способов предварительной обработки позволяют получить материал высокого качества. Статья опубликована в журнале Polymers. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Бактериальная наноцеллюлоза — один из наиболее перспективных материалов для технической химии и производства медицинских изделий. Например, бактериальная наноцеллюлоза может применяться в медицине для создания искусственной кожи. Бактериальная целлюлоза играет активную роль в стимулировании регенеративных процессов, помогая заживлению ран. Уже сегодня ее применяют для создания новых материалов и нанокомпозитов. Благодаря большой площади поверхности и пористой структуре, наноцеллюлоза также способна впитывать большое количество различных веществ, что может быть использовано в медицине для создания повязок. Высокая прочность бактериальной наноцеллюлозы определяет ее применение в качестве материала для 3D-печати некоторых видов человеческой ткани, например, хрящей.
Ее синтезируют микроорганизмы, выращенные на питательной среде с глюкозой. Наиболее доступный способ получения глюкозы – это разложение полисахаридов из растительного сырья с помощью ферментов. Однако в растениях содержатся трудно разрушаемые полимеры, необходимые растениям для укрепления клеток. Поэтому перед ферментативной обработкой требуется еще одна, химическая.
В процессе биосинтеза микроорганизмы выделяют наноразмерную нить целлюлозы и, так как все это происходит в водной среде, содержание в ней влаги составляет 99%. Способность полученного материала поглощать и удерживать воду настолько велика, что осушить ее удается только при температуре выше 90˚С и при заморозке от –12˚С до –30˚С. В отличие от медицинских изделий из растительной целлюлозы, изделия из бактериальной наноцеллюлозы более совместимы с человеческим организмом. Гель-пленку можно использовать для восстановления или замены твердой мозговой оболочки, а также в качестве заживляющих покрытий при ожогах и обширных ранах. Из нее даже изготавливают внутренние органы и контактные линзы.
Химики и биотехнологи из Института проблем химико-энергетических технологий показали, что солома злака мискантуса и плодовые оболочки овса могут служить источником глюкозы для целлюлозосинтезирующих бактерий. В качестве предварительной химической обработки ученые предложили следующие типы воздействия: высокотемпературная обработка под давлением, обработка в одну стадию разбавленным раствором азотной кислоты или разбавленным раствором гидроксида натрия и двухстадийная комбинированная обработка разбавленными растворами азотной кислоты и гидроксида натрия в прямом и обратном порядке. После подобного воздействия эффективность последующего распада сырья с помощью ферментов увеличивается в 4-7 раз. Для проверки свойств получаемого материала ученые провели биосинтез бактериальной наноцеллюлозы и оказалось, что четыре из пяти способов позволяют получить бактериальную наноцеллюлозу высокого качества: сохраняется уникальная сетчатая структура наноразмерных нитей.
«Мы единственные в России, кто использует солому мискантуса и плодовые оболочек овса с целью получения субстратов для биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы. Наиболее эффективна оказалась одностадийная обработка разбавленным раствором азотной кислоты или разбавленным раствором гидроксида натрия. Такой способ прост и обеспечивает высокий выход глюкозы, до 83,4%», – отметили авторы статьи: кандидат технических наук Екатерина Кащеева, кандидат технических наук Юлия Гисматулина и кандидат химических наук Вера Будаева.
