spfpХранение и переработка сельхозсырьяStorage and Processing of Farm Products2072-96692658-767XРОСБИОТЕХ10.36107/spfp.2022.364spfp-364Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ И ПРОДУКЦИИ АПКRESEARCH ON TRAITS OF SUBSTANCES AND AGRIBUSINESS PRODUCTSИсследование влияние предварительной обработки жома сахарной свёклы (Beta vulgaris L.) на молекулярную структуру лигнинаStudy on the Effect of Sugar Beet Pulp Pretreatment (Beta Vulgaris L.) on the Molecular Structure of Ligninhttps://orcid.org/0000-0001-9621-0691ЦарёваМария АлександровнаTsarevaMaria A.tsareva@vniitek.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8923-0029КазанцевЕгор ВалерьевичKazantsevEgor V.tsareva@vniitek.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8567-9320ПротункевичИрина ВалерьевнаProtunkevichIrina V.irina.protunkevitch@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7526-6503ГорячеваЕлена ДавидовнаGorjachevaElena D.

к.т.н., доц., заведующий кафедрой "Пищевая безопасность" ФГБОУ ВО "МГУПП"

goryachevaed@mgupp.ruВсероссийский научно-исследовательский институт технологии консервирования – филиал ФГБНУ «Всероссийский научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 142703, Россия, Московская область, Ленинский городской округ, г. Видное, ул. Школьная, д. 78РоссияRussian Research Institute of Canning Technology – branch of Gorbatov Research Center for Food SystemsRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт кондитерской промышленности – филиал ФГБНУ «Всероссийский научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 107076, Россия, г. Москва, ул. Электрозаводская, д. 20РоссияRussian Research Institute of Confectionery Industry – branch of Gorbatov Research Center for Food SystemsRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет пищевых производств»РоссияMoscow State University of Food ProductionRussian Federation202203102022036777Copyright © Царёва М.А., Казанцев Е.В., Протункевич И.В., Горячева Е.Д., 20222022Царёва М.А., Казанцев Е.В., Протункевич И.В., Горячева Е.Д.Tsareva M.A., Kazantsev E.V., Protunkevich I.V., Gorjacheva E.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.spfp-mgupp.ru/jour/article/view/364

Введение. Лигнин – сложное полифенольное соединение сетчатого строения, входит в состав матрикса клеточной стенки высших растений и придаёт ей механическую жесткость и микробиологическую резистентность. Цель: Изучить особенности химической связи лигнина сахарной свёклы (Beta vulgaris L.) с матриксом клеточной стенки. Существующие исследования молекулярных особенностей лигнина затрагивают в основном лигнин древесины различных пород и в редких случаях лигнин вторичного сырья, что делает актуальными исследования в этой области для разных видов растительного сырья. Материалы и методы. Объект исследований представлен жомом сахарной свёклы. В методику исследования входило получение препарата гидролизного лигнина и его спектров в инфракрасной области. Результаты и их обсуждение. В ходе работы было установлено, что при исключении этапа экстракции гемицеллюлозы в процессе подготовки сырья для производства лигнина качество полученных образцов не меняется. Результаты ИК-спектроскопии показали, что полученные образцы содержат пектин в сочетании с лигнином. Взаимодействие пектина и лигнина происходит с помощью остатков феруловой кислоты посредством сложноэфирных связей. Выводы. В результате проведённых исследований было установлено, что способ извлечения лигнина из растительного сырья не влияет на качество полученного препарата. В составе матрикса клеточных стенок сахарной свёклы имеет место прочное соединение лигнина  и некоторой части пектина посредством мостиков из остатков феруловой кислоты. Это потенциально может способствовать частичному проявлению препарата лигнина, выделенным из жома сахарной свёклы, дополнительных физико-химических свойств.

Background

Background: Lignin is a complex polyphenolic compound with a network structure, which is part of the matrix of the cell wall of higher plants and gives it mechanical rigidity and microbiological resistance. Existing studies of the molecular characteristics of lignin mainly affect the lignin of wood of various species and, in rare cases, the lignin of secondary raw materials, which makes research in this area relevant for different types of plant materials. The article presents studies of the features of the chemical bond between sugar beet lignin (Beta vulgaris L.) and the cell wall matrix. Materials and methods: The object of research is sugar beet pulp. The research methodology included obtaining a preparation of hydrolytic lignin and its spectra in the infrared region.

Results

Results: In the course of the work, it was found that with the exclusion of the hemicellulose extraction stage in the process of preparing raw materials for the production of lignin, the quality of the obtained samples does not change. The results of IR spectroscopy showed that the obtained samples contain pectin in combination with lignin. The interaction of pectin and lignin occurs with the help of ferulic acid residues through ester bonds.Conclusion: As a result of the research, it was found that the method of extracting lignin from plant materials does not affect the quality of the resulting preparation. In the composition of the matrix of sugar beet cell walls, there is a strong connection of lignin and some part of pectin through bridges from ferulic acid residues. This can potentially contribute to the partial manifestation of the lignin preparation isolated from sugar beet pulp, additional physical and chemical properties.

лигнинИК-спектроскопияжом сахарной свеклыгваяцилпропановые мономерысирингилпропановые мономерыгваяцил-сирингильный типпектинферуловая кислотаligninIR spectroscopysugar beet pulpguaiacyl propane monomerssyringyl propane monomersguaiacyl syringyl typepectinferulic acidReferencesSarkanen, K.V., & Ludwig, C.H. (eds) (1971). Lignins: Occurrence, formation, structure and reactions. Wiley-Interscience, New York. 916 pp.Sarkanen, K.V., & Ludwig, C.H. (eds) (1971). Lignins: Occurrence, formation, structure and reactions. John Wiley & Sons, New York. 916 pp.Adler, E., & Marton, J. (1959). Carbonyl groups in lignin. I. Acta Chem Scand, 13(2):75-96. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.13-0075Adler, E., & Marton, J. (1959). Carbonyl groups in lignin. I. Acta Chem Scand, 13(2):75-96. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.13-0075Chang, H., Cowling, E.B., & Brown, W. (1975). Comparative Studies on Cellulolytic Enzyme Lignin and Milled Wood Lignin of Sweetgum and Spruce. Mitteilungen zur Chemie, Physik, Biologie und Technologie des Holzes, 29(5):153-159. https://doi.org/10.1515/hfsg.1975.29.5.153Chang, H., Cowling, E.B., & Brown, W. (1975). Comparative Studies on Cellulolytic Enzyme Lignin and Milled Wood Lignin of Sweetgum and Spruce. Mitteilungen zur Chemie, Physik, Biologie und Technologie des Holzes, 29(5):153-159. https://doi.org/10.1515/hfsg.1975.29.5.153Шорыгина, Н.Н., Резников, В.М., & Елкин, В.В. (1976). Реакционная способность лигнина. Москва, Наука. 368 с.Shorygina, N.N., Reznikov, V.M., & Elkin, V.V. (1976). The Reactivity of Lignin. Moscow, Nauka Publ. 368 p.Тарабанько, В.Е., Кудрашев, А.В., Первышина, Е.П., Кузнецов, Б.Н., & Коропачинская, Н.В. (1998). Новые процессы разделения ванилина и сиреневого альдегида. Химия растительного сырья, 3:93-97.Tarabanko, V.E., Kudrashev, A.V., Pervyshina, E.P., Kuznetsov, B.N., & Koropachinskaya, N.V. (1998). New processes for the separation of vanillin and lilac aldehyde. Himija rastitel'nogo syr'ja = Chemistry of Plant Raw Materials, 3:93-97.Грушников, О.П., & Елкин, В.В. (1973). Достижения и проблемы химии лигнина. Москва, Наука. 296 с.Grushnikov, O.P., & Elkin, V.V. (1973). Advances and problems in lignin chemistry. Moscow, Nauka Publ.. 296 с.Карпунин, И.И., Кузьмич, В.В., & Козлов, Н.Г. (2013). О природе связи лигноуглеводного комплекса еловой древесины. Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя хiмiчных навук, 1:115-120.Karpunin, I.I., Kuzmich, V.V., & Kozlov, N.G. (2013). On the nature of the lignocarbohydrate complex relationship of spruce wood. Vesci Nacyjanal'naj akadjemii navuk Belarusi. Seryja himichnyh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Series of Chemical Sciences, 1:115-120.Дудкин, М.С., Громов, В.С., Ведерников, Н.А., Каткевич, Р.Г., & Черно, Н.К. (1991) Гемицеллюлозы. Рига, Зинатне. 488 с.Dudkin, M.S., Gromov, V.S., Vedernikov, N.A., Katkevich, R.G., & Cherno, N.K. (1991). Hemicelluloses. Riga, Zinatne Publ. 488 p.Chua, M.G.S., Chen, Ch.-L., Chang, H.-M. & Kirk, T.K. (1982). 13C NMR Spectroscopic Study of Spruce Lignin Degraded Phanerochaete Chrysosporium. Holzforschung, 36(4):165-172. https://doi.org/10.1515/hfsg.1982.36.4.165Chua, M.G.S., Chen, Ch.-L., Chang, H.-M. & Kirk, T.K. (1982). 13C NMR Spectroscopic Study of Spruce Lignin Degraded Phanerochaete Chrysosporium. Holzforschung, 36(4):165-172. https://doi.org/10.1515/hfsg.1982.36.4.165Fengel, D., & Wegener, G. (ed.). (2011). Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. Berlin, New York, Walter de Gruyter. 2011. 157 p. https://doi.org/10.1515/9783110839654Fengel, D., & Wegener, G. (ed.). (2011). Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. Berlin, New York, Walter de Gruyter. 2011. 157 p. https://doi.org/10.1515/9783110839654Eriksson, Ö., Goring, D.A.I. & Lindgren, B.O. (1980). Structural studies on the chemical bonds between lignins and carbohydrates in spruce wood. Wood Sci. Technol., 14:267-279. https://doi.org/10.1007/BF00383454Eriksson, Ö., Goring, D.A.I. & Lindgren, B.O. (1980). Structural studies on the chemical bonds between lignins and carbohydrates in spruce wood. Wood Sci. Technol., 14:267-279. https://doi.org/10.1007/BF00383454Gellerstedt G., & Pettersson E.-L. (1975). Light-induced oxidation of lignin. The behaviour of structural units containing a ring-conjugated double bond // Acta Chem Scand B, 29:1005-1010. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.29b-1005Gellerstedt G., & Pettersson E.-L. (1975). Light-induced oxidation of lignin. The behaviour of structural units containing a ring-conjugated double bond // Acta Chem Scand B, (29):1005-1010. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.29b-1005Fergus, B.J., Procter, A.R., Scott, J.A.N. et al. (1969). The distribution of lignin in sprucewood as determined by ultraviolet microscopy. Wood Sci. Technol., 3:117-138. https://doi.org/10.1007/BF00639636Fergus, B.J., Procter, A.R., Scott, J.A.N. et al. (1969). The distribution of lignin in sprucewood as determined by ultraviolet microscopy. Wood Sci. Technol., 3:117-138. https://doi.org/10.1007/BF00639636Hatakeyama, H, & Kubota, K (1972) Thermal analysis of lignin by differential scanning calorimetry. Cellulose Chem Technol, 6(5):521-529.Hatakeyama, H, & Kubota, K (1972) Thermal analysis of lignin by differential scanning calorimetry. Cellulose Chem Technol, 6(5):521-529.Koshijima, T., Watanabe, T., & Yaku, F. Structure and properties of the lignin-carbohydrate complex polymer as an amphipathic substance. In: Glasser, W.G., & Sarkanen, S. (eds) (1989) Lignin: properties and material. ACS Symp Ser, 397:11-28. https://doi.org/10.1021/bk-1989-0397.ch002Koshijima, T., Watanabe, T., & Yaku, F. Structure and properties of the lignin-carbohydrate complex polymer as an amphipathic substance. In: Glasser, W.G., & Sarkanen, S. (eds) (1989). Lignin: properties and material. ACS Symp Ser, 397:11-28. https://doi.org/10.1021/bk-1989-0397.ch002Lai, Y.-Z., & Sarkanen, K.V. Isolation and structural studies. In: Sarkanen K.V., & Ludwig C.H. (eds) (1971). Lignins. Occurrence, formation, structure and reactions. Wiley-Interscience, New York. pp. 165-189.Lai, Y.-Z., & Sarkanen, K.V. Isolation and structural studies. In: Sarkanen K.V., & Ludwig C.H. (eds) (1971). Lignins. Occurrence, formation, structure and reactions. Wiley-Interscience, New York. pp. 165-189.Lin, S.Y., & Detroit, W. (1981). Chemical heterogeneity of technical lignins: Its significance in lignin utilization. In: Proceedings of the 1st International Symposium on Wood and Pulping Chemistry. Stockholm, Sweden. pp. 44-52.Lin, S.Y., & Detroit, W. (1981). Chemical heterogeneity of technical lignins: Its significance in lignin utilization. In: Proceedings of the 1st International Symposium on Wood and Pulping Chemistry. Stockholm, Sweden. pp. 44-52.Oganesyants, L.A., Panasyuk, A.L., & Kuzmina, E.I. (2019). Rational use of the secondary resources of the vineyard and winebranding industry. Food systems, 2(2):20-26. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-20-26Oganesyants, L.A., Panasyuk, A.L., & Kuzmina, E.I. (2019). Rational use of the secondary resources of the vineyard and winebranding industry. Food systems, 2(2):20-26. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-20-26Кондратенко В.В. и др. (2018). О декатионизации пектинсодержащего сырья на примере свекловичного жома. Научные труды СКФНЦСВВ, 21:42-48. https://www.kubansad.ru/media/uploads/files/nauchnye_trudy_skzniisiv/tom_21/07.pdfKondratenko, V.V. et al. (2018). On deactivation of pectin-containing raw materials by the example of sugar beet pulp. Scientific Nauchnye trudy SKFNCSVV = Proceedings of the North-Caucasus Federal Scientific Center for Horticulture, Viticulture and Winemaking, 21:42-48. https://www.kubansad.ru/media/uploads/files/nauchnye_trudy_skzniisiv/tom_21/07.pdfЦарёва, М.А. (2017). Разработка научно обоснованных параметров декатионизации свекловичного жома перед ступенчатым ферментированием. В сборнике научных трудов XI Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов отделения сельскохозяйственных наук Российской академии наук: Пищевые системы: теория, методология, практика. Москва, ВНИХИ – филиал "ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова" РАН. С. 354-354.Tsareva, M.A. (2017). Development of scientifically justified parameters of sugar beet pulp deactivation before step-by-step fermentation. In: The collection of research papers of the XI International Scientific-Practical Conference of Young Scientists and Specialists of the Department of Agricultural Sciences of the Russian Academy of Sciences: Food Systems: Theory, Methodology, Practice. Moscow, VNIIHI - branch of Gorbatov Federal Research Center fo Food Systems. С. 354-354.Кондратенко В.В. и др. (2016). Влияние режимов обработки на некоторые свойства полигликанов свекловичного жома. В Материалах VI Международной научно-практической конференции Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты. Краснодар, 2016. С. 42-46Kondratenko, V.V. et al. (2016). Influence of processing modes on some properties of beet pulp polyglycans. In Proceedings of VI International Scientific and Practical Conference "Innovative food technologies in the field of storage and processing of agricultural raw materials: fundamental and applied aspects". Krasnodar. pp. 42-46.Puchkova, T.S., Pikhalo, D.M., & Karasyova, O.M. (2019). About the universal technology of prcessing Jerusalem artichoke and chicory for inulin. Food systems, 2(2):36-43. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-36-43Puchkova, T.S., Pikhalo, D.M., & Karasyova, O.M. (2019). About the universal technology of prcessing Jerusalem artichoke and chicory for inulin. Food systems, 2(2):36-43. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-36-43Posokina, N.E., Alabina, N.M., & Davydova, A.Y. (2019). Development of functional beverages from plant raw materials. Food systems, 2(2):44-47. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-44-47Posokina, N.E., Alabina, N.M., & Davydova, A.Y. (2019). Development of functional beverages from plant raw materials. Food systems, 2(2):44-47. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2019-2-2-44-47Krikunova, L.N., Obodeeva, O.N., Zakharov, M.A., & Danilyan, A.V. (2018). Development of technological parameters of the two-stage method of dried Jerusalem artichoke preparation for distillation. Food systems, 1(1):24-34. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2018-1-1-24-34Krikunova, L.N., Obodeeva, O.N., Zakharov, M.A., & Danilyan, A.V. (2018). Development of technological parameters of the two-stage method of dried Jerusalem artichoke preparation for distillation. Food systems, 1(1):24-34. https://doi.org/10.21323/2618-9771-2018-1-1-24-34Оленников, Д.Н., & Танхаева, Л.М. (2006). Методика количественного определения группового состава углеводного комплекса растительных объектов. Химия растительного сырья, 4:29-33.Olennikov, D.N., & Tankhaeva, L.M. (2006). Method of quantitative determination of group composition of carbohydrate complex of plant objects. Himija rastitel'nogo syr'ja = Plant chemistry, 4:29-33.Сакович, Г.В., Ильясов, С.Г., Василишин, М.С., Будаева, В.В., & Егоров, В.Ю. (2008). Результаты комплексной переработки биомассы. Ползуновский вестник, 3:259-266.Sakovich, G.V., Ilyasov, S.G., Vasilishin, M.S., Budaeva, V.V., & Egorov, V.Yu. (2008). Results of complex processing of biomass. Polzunovskiy Vestnik, 3:259-266.El Mansouri, N.-E., Yuan, Q., & Huang, F. (2011). Characterization of alkaline lignins for use in phenol-formaldehyde and epoxy resins. BioResources, 6(3):2647-2662.El Mansouri, N.-E., Yuan, Q., & Huang, F. (2011). Characterization of alkaline lignins for use in phenol-formaldehyde and epoxy resins. BioResources, 6(3):2647-2662.Rashid, T., Kait, Ch. F., & Murugesan, Th. (2016). A “Fourier Transformed Infrared” Compound Study of Lignin Recovered from a Formic Acid Process. Procedia Engineering, 148:1312-1319. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.547Rashid, T., Kait, Ch. F., & Murugesan, Th. (2016). A “Fourier Transformed Infrared” Compound Study of Lignin Recovered from a Formic Acid Process. Procedia Engineering, 148:1312-1319. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.547Lin, S.Y., & Dence, C.W. (eds) (1992). Methods in Lignin Chemistry. Springer Berlin, Heidelberg. 578 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-74065-7Lin, S.Y., & Dence, C.W. (eds) (1992). Methods in Lignin Chemistry. Springer Berlin, Heidelberg. 578 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-74065-7Tetsuo, K., & Takashi, W. (2003). Association Between Lignin and Carbohydrates in Wood and Other Plant Tissues. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. 329 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-05191-7Tetsuo, K., & Takashi, W. (2003). Association Between Lignin and Carbohydrates in Wood and Other Plant Tissues. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. 329 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-05191-7Chylińska, M., Szymańska-Chargot, M., Kruk, B., & Zdunek, A., (2016). Study on dietary fibre by Fourier transform-infrared spectroscopy and chemometric methods. Food Chemistry, 196:114-122. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.09.029Chylińska, M., Szymańska-Chargot, M., Kruk, B., Zdunek, A., (2016). Study on dietary fibre by Fourier transform-infrared spectroscopy and chemometric methods. Food Chemistry, 196:114-122. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.09.029Голубев, В.Н., & Шелухина Н.П. (1995). Пектин: химия, технология, применение. Москва, Изд. Акад. технолог. наук. 387 с.Golubev, V.N., & Shelukhina, N.P. (1995). Pectin: chemistry, technology, application. Moscow, Acad. Technologist. Sciences Publ. 387 с.Sajjadi, S.E., Shokoohinia, Y., & Moayedi, N.S. (2012). Isolation and Identification of Ferulic Acid From Aerial Parts of Kelussia odoratissima Mozaff. Jundishapur J Nat Pharm Prod., 7(4):159-62. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3941869Sajjadi, S.E., Shokoohinia, Y., & Moayedi, N.S. (2012). Isolation and Identification of Ferulic Acid From Aerial Parts of Kelussia odoratissima Mozaff. Jundishapur J Nat Pharm Prod., 7(4):159-62. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3941869

The authors declare that there are no conflicts of interest present.