Разработка технологий выделения и модификации природных полисахаридов из древесины хвойных пород Арктической зоны и территорий Крайнего Севера для создания новых материалов биомедицинского назначения

Арктические и бореальные экосистемы представляют собой крупнейший непрерывный лесной биом, занимающий около 20 миллионов км2 [1]. Изучение экосистем бореальных лесов важно из-за их чувствительности и уязвимости к региональным и глобальным климатическим изменениям [2]. Арктическая зона на сегодняшний день находится еще на ранних стадиях климатических изменений под влиянием выбросов парниковых газов (углекислый газ и метан), связанных с деятельностью человека. На территории Российской Федерации центральное положение занимают именно арктические зоны Красноярского края [3]. Красноярский край активно принимает участие в мониторинге углеродного баланса за счет создания широких сетей карбоновых полигонов и проведения исследований в данной области [4]. Общемировыми тенденциями в промышленной экологии является разработка процессов и методов, которые снижают негативное воздействие на окружающую среду за счет использования отходов сельскохозяйственных и лесоперерабатывающих производств в качестве сырья [5], что является актуальным, в том числе и для экологической и экономической повестки на территории Красноярского края. Леса Красноярского края не только являются ценным источником древесины, но и вносят значительный вклад в биосферные процессы [6]. Экосистемы всех арктических лесов характеризуются в основном континентально-сухим климатом, где одними из доминирующих видов растений в этих регионах являются хвойные деревья, например лиственница [7], которые отличаются способностью выдерживать низкие температуры, а также расти и размножаться в летних условиях, которые весьма ограничены в арктической местности. Значение древесины, как уникального, постоянно возобновляемого источника химического сырья, непрерывно возрастает во всем мире благодаря таким преимуществам, как нетоксичность, биосовместимость, способность к биологическому разложению. Биомасса активно перерабатывается на целлюлозных предприятиях в широкий спектр продуктов, таких как целлюлозные волокна [8], химикаты [9], электрическая и тепловая энергии [10]. Так же важно отметить, что биотопливо является углеродно-нейтральным и эффективным средством сокращения выбросов парниковых газов по сравнению с преимущественно используемым на сегодняшний день ископаемым топливом [9]. В свою очередь, фракционирование лигноцеллюлозы является первым и наиболее важным этапом технологического процесса биопереработки, который определяет ограничения и возможности получения последующих продуктов из каждого компонента лигноцеллюлозы [11]. Лигноцеллюлоза состоит из трех основных компонентов: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, каждый из которых представляет собой перспективный материал в качестве биоактивного продукта. Так же, благодаря добавлению функциональных групп, в том числе сульфатных, частичной деполимеризации с укорочением основной цепи полимера становится возможным получение новых материалов с широким спектром востребованных свойств. При этом гемицеллюлозы являются ценным химическим сырьем в различных видах производства, таких как, например, фармакология и пищевая промышленности [12, 13], благодаря таким преимуществам как нетоксичность, биосовместимость, способность к биологическому разложению [14]. Большое влияние на физико-химические свойства и антиоксидантную активность гемицеллюлоз оказывает тип используемого сырья, способ выделения и модификации. В настоящее время существует несколько методов извлечения гемицеллюлоз из биомассы, но наиболее перспективным является метод окислительной делигнификации в среде «уксусная кислота–вода–пероксид водорода», характеризующейся высокой способностью отделения лигнина от целлюлозы и гемицеллюлозы без их разложения и применения высоких температур или сильных кислот. Кроме того, наличие катализаторов различной природы, а в особенности на основе металлов переменной валентности (Mo6+, Fe2+, Cu2+, Zn2+), интенсифицирует процесс делигнификации за счет образования пероксокомплексов, которые являются сильными окислителями. Таким образом, эффективное разделение лигноцеллюлозы на ценные химические компоненты, а также синтез новых востребованных биополимеров на их основе позволит решить проблему высокотехнологичной утилизации отходов лесоперерабатывающих предприятий, в том числе на территории Арктики и Крайнего Севера, и в перспективе применить их в различных видах производства.