ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Нині існує підвищений інтерес до вирощування конопель, а також до продуктів з неї. Основні дослідження спрямовані на використанні насіння та волокон. Водночас костру, яка залишається, пропонується використовувати для мульчування, виготовлення утеплювачів та підстилок для тварин. З огляду на високий вміст целюлози в її складі при низькому вмісті неорганічних складових вона може бути перспективною сировиною для отримання мікрокристалічної целюлози (МКЦ). Тому метою нашої роботи було отримання МКЦ з костри коноплі, встановлення її фізико-хімічних характеристик та порівняння їх з показниками МКЦ, отриманої раніше з іншої луб’яної культури льону. Для досліджень використовували повітряно-суху конопляну костру – відходи після вилучення волокна з технічних конопель. Вона має такі характеристики: вологість 8 %, частка органічних компонентів до сухої маси 97.3 % (целюлози – 48.4, геміцелюлози – 25.8, лігніну – 20.9 % мас.) та неорганічних компонентів – 2.7 %. Для одержання мікрокристалічної целюлози конопляну костру піддавали органо-сольвентному варінню. За допомогою методів низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту, XRD, XRF, FTIR-ATR, AFM, TGA та DSC досліджено структуру та морфологію МКЦ. Встановлено, що органосольвентним методом варіння можна отримати МКЦ з виходом 83.2 %. Отриманий продукт був білою речовиною без смаку та запаху з 96.9 % органічних компонентів (включаючи 98.5 % целюлози 1.5 % лігніну) та 3.1 % неорганічних компонентів (включаючи 91.4 % SiO₂). Методом XRD підтверджено наявність кристалічної складової в отриманому МКЦ за рахунок наявності інтенсивності пікового рефлексу в області 2θ = 22–23°, що відповідає площині 002 кристалічної ґратки природної целюлози I. За цими даними розраховано індекс кристалічності – 0.88. Спектр FT-IR зразка показує типові функціональні групи, що відповідають МКЦ. На термограмах (TGA) є дві чіткі області втрати маси. Встановлено, що отримані зразки мають питому поверхню 2.6 м²/г та діаметр пор 3.6 нм, що свідчить про непористу структуру МКЦ. Метод AFM показує, що частинки розподілені по всьому скану, при цьому відсутні скупчення частинок та їхні агломерати, висота елементів яких коливається від 5.0 до 11.1 нм. Шорсткість поверхні Ra = 1.3–1.4 нм.

1. MacGilp R. A Brief History of Hemp. 2021. https://hempeyewear.com/blogs/blog/the-history-of-hemp

2. Viskovi'c J., Zheljazkov V.D., Sikora V., Noller J., Latkovi'c D., Ocamb C.M., Koren A. Industrial Hemp (Cannabis sativa L.) Agronomy and Utilization: A Review. Agronomy. 2023. 13(3): 931. https://doi.org/10.3390/agronomy13030931

3. Gruzinska I., Smagina A., Perepelitsa O., Gerasimenko N., Popsuy A. Green book. Technical hemp market. (Kyiv, 2020). [in Ukrainian].

4. Tutek K., Masek A. Hemp and Its Derivatives as a Universal Industrial Raw Material (with Particular Emphasis on the Polymer Industry) - A Review. Materials. 2022. 15(7): 2565. https://doi.org/10.3390/ma15072565

5. Antorán D., Alvira D., Peker M.E., Malón H., Irusta S., Sebastián V., Manyà J.J. Waste Hemp Hurd as a Sustainable Precursor for Affordable and High-Rate Hard Carbon-Based Anodes in Sodium-Ion Batteries. Energy Fuels. 2023. 37(13): 9650. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c01040

6. Single Convention on Narcotic Drugs. 1961. United Nations.

https://www.unodc.org/pdf/convention_1961_en.pdf

7. Kozachenko O. "Legalization" of technical hemp. Will Ukraine be able to become a major producer and exporter of this culture? 2023. https://delo.ua/business/legalizaciya-texnicnix-konopel-ci-zmoze-ukrayina-stati-velikim-virobnikom-ta-eksporterom-cijeyi-kulturi-421071/ [in Ukrainian].

8. Milica Pojic, Brijesh K Tiwari Industrial Hemp: Food and Nutraceutical Applications. (Elsevier Inc., 2022).

9. 'Explosive' demand for hurd in Europe is bright signal for hemp building. 2022. News, Building, Europe, Fiber, Hempcrete.

10. Isikgora F.H., Becer C.R. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polym. Chem. 2015. 6(25): 4497. https://doi.org/10.1039/C5PY00263J

11. Ventura-Cruz S., Tecante A. Nanocellulose and microcrystalline cellulose from agricultural waste: Review on isolation and application as reinforcement in polymeric matrices. Food Hydrocolloids. 2021. 118: 106771. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106771

12. Wang J., Zhang R., Quan C., Shao X., Hu Na, Yao X., Dong C. Green preparation of porous corncob microcrystalline cellulose, and its properties and applications. Cellulose. 2022. 29: 7125. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04724-1

13. Trachea D., Hussinb M.H., Chuinb C.T.H., Sabarc S., Fazitad M.R.N., Taiwod O.F.A., Hassand T.M., Haafiz M.K.M. Microcrystalline cellulose: Isolation, characterization and bio-composites application - A review. Int. J. Biol. Macromol. 2016. 93(Part A): 789. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.09.056

14. Yu C., Wu W., Gao M., Liu Y. Modified Cellulose with BINAP-Supported Rh as an Efficient Heterogeneous Catalyst for Asymmetric Hydrogenation. Catalysts. 2022. 12(1): 83. https://doi.org/10.3390/catal12010083

15. Zhang W., Shi M., Wang L., Li Y., Wang H., Niu L., Zhang H., Wang L. New insights into nitrogen removal potential in urban river by revealing the importance of microbial community succession on suspended particulate matter. Environ. Res. 2022. 204(D): 112371. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112371

16. Reddy M.I., Sethuramalingam P., Sahu R.K. Isolation of microcrystalline cellulose from Musa paradisiaca (banana) plant leaves: physicochemical, thermal, morphological, and mechanical characterization for lightweight polymer composite applications. J. Polym. Res. 2024. 31: 114. https://doi.org/10.1007/s10965-024-03969-7

17. Belali N., Chaerunisaa A.Y., Rusdiana T. Isolation and Characterization of Microcrystalline Cellulose Derived from Plants as Excipient in Tablet: A Review. Indonesian Journal of Pharmaceutics. 2019. 1(2): 23. https://doi.org/10.24198/idjp.v1i2.21515

18. Tkachenko T.V., Kamenskyh D.S., Sheludko Y.V., Yevdokymenko V.O. Structural and morphological features of microcrystalline cellulose from soybean straw by organosolvent treatment. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2022. 13(4): 455. https://doi.org/10.15407/hftp13.04.455

19. Tkachenko T.V., Haidai O.O., Kamenskyh D.S., Sheludko Y.V., Pavliuk O.V., Yevdokymenko V.O. Physicochemical characteristics of microcrystalline cellulose from switchgrass (Panicum virgatum L.) obtained in the presence of a solid catalyst. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2024. 15(1). 57. https://doi.org/10.15407/hftp15.01.057

20. Tigunova O.O., Beiko N.E., Kamenskyh D.S., Tkachenko T.V., Yevdokymenko V.O., Kashkovskiy V.I., Shulga S.M. Lignocellulosic biomass after explosive autohydrolysis as substrate for butanol. Biotechnol. Acta. 2016. 9(4): 28. https://doi.org/10.15407/biotech9.04.028

21. Deikun I.M., Trembus I.V., Cheryopkina R.I. Tekhnolohiya vyrobnytstva eteriv ta esteriv tselyulozy. Laboratornyy praktykum. (Kyiv, Igor Sikorsky KPI, 2021). [in Ukrainian].

22. Swantomo D., Giyatmi G., Adiguno S.H., Wongsawaeng D. Preparation of microcrystalline cellulose from waste cotton fabrics using gamma irradiation. Eng. J. 2017. 21(2): 173. https://doi.org/10.4186/ej.2017.21.2.173

23. Tkachenko T., Sheludko Y., Yevdokymenko V., Kamenskyh D., Khimach N., Povazhny V., Filonenko M., Aksylenko M., Kashkovsky V. Physico-chemical properties of flax microcrystalline cellulose. Appl. Nanosci. 2022. 12: 1007. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01819-2

24. Hu H., Zhang Y., Liu X., Huang Z., Chen Y., Yang M., Qin X., Feng Z. Structural changes and enhanced accessibility of natural cellulose pretreated by mechanical activation. Polym Bull. 2014. 71: 453. https://doi.org/10.1007/s00289-013-1070-5

25. Getachew M., Gabriel T., Belete A., Gebre-Mariam T. Extraction and Characterization of Cellulose and Microcrystalline Cellulose from Teff Straw and Evaluation of the Microcrystalline Cellulose as Tablet Excipient. J. Nat. Fibers. 2023. 20(2): 2245565. https://doi.org/10.1080/15440478.2023.2245565

26. Latif M.H.A., Mahmood Y.F. Isolation and characterization of microcrystalline cellulose and preparation of nano-crystalline cellulose from tropical water hyacinth. J. Pure Appl. Sci. 2018. 31(1): 180. https://doi.org/10.30526/31.1.1865

27. Jia N., Li S.-M., Ma M.-G., Zhu J.-F., Sun R.-C. Synthesis and characterization of cellulose-silica composite fiber in ethanol/water mixed solvents. BioRes. 2011. 6(2): 1186. https://doi.org/10.15376/biores.6.2.1186-1195

28. Szczes'niak L., Rachocki A., Tritt-Goc J. Glass transition temperature and thermal decomposition of cellulose powder. Cellulose. 2008. 15: 445. https://doi.org/10.1007/s10570-007-9192-2

29. El-Sakhawy M., Hassan M.L. Physical and mechanical properties of microcrystalline cellulose prepared from agricultural residues. Carbohydr. Polym. 2007. 67(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.04.009

30. Trachea D., Hussinb M.H., Chuinb C.T.H., Sabarc S., Nurul Fazitad M.R., Taiwod O.F.A., Hassand T.M., Haafiz M.K.M. Microcrystalline cellulose: Isolation, characterization and bio-composites application. A review. Int. J. Biol. Macromol. 2016. 93: 789. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.09.056

31. Kuthi F.A.A., Rabbi'atul N., Norzali' A., Badri Kh.H. Thermal characteristics of microcrystalline cellulose from oil palm biomass. MJAS. 2016. 20(5): 1112. https://doi.org/10.17576/mjas-2016-2005-17

32. Ardizzone S., Dioguardi F.S., Mussini T., Rondinini S., Vercelli B., Vertova A. Microcrystalline cellulose powders: structure, surface features and water sorption capability. Cellulose. 1999. 6: 57. https://doi.org/10.1023/A:1009204309120

33. MICROCEL® MC-101 Microcrystalline Cellulose. https://www.roquette.com/innovation-hub/pharma/product-profile-pages/microcel-mc101-microcrystalline-cellulose