СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СТРУКТУРНЫЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ И БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

В данном исследовании представлен сравнительный анализ структурных и физикохимических свойств целлюлозы растительного происхождения, выделенной из сельскохозяйственных отходов (солома пшеницы, кукурузы, хлопка и риса), и бактериальной целлюлозы, синтезированной методом ферментации с использованием Komagataeibacter xylinus (K. xylinus). Растительная целлюлоза была получена путем предварительной обработки системой AlCl₃-глицерин с последующей щелочной очисткой, тогда как бактериальная целлюлоза синтезировалась в статических условиях культивирования в среде Хестрина-Шрамма. Морфология, химическая структура и термическое поведение полученных образцов целлюлозы были систематически охарактеризованы с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и термогравиметрического анализа (TGA/DTG). Результаты SEM показали, что целлюлоза растительного происхождения характеризуется вытянутыми микрофибриллярными структурами с диаметром волокон в диапазоне 5-25 мкм, а также наличием поверхностных микротрещин и пор, сформированных в результате эффективного удаления лигнина и гемицеллюлозы. В отличие от нее, бактериальная целлюлоза формирует плотную, многослойную и высоко взаимосвязанную фибриллярную сеть с существенно меньшим диаметром волокон (2,7-9,7мкм), что отражает ее высокую структурную однородность и чистоту. FTIR-спектры подтвердили наличие общей фундаментальной химической структуры для обоих типов целлюлозы, тогда как ослабление или отсутствие полос поглощения, характерных для лигнина, свидетельствовало об эффективной делигнификации и более высокой химической чистоте бактериальной целлюлозы. В целом результаты демонстрируют, что растительная и бактериальная целлюлоза обладают различными, но взаимодополняющими структурными характеристиками. Целлюлоза растительного происхождения обеспечивает объемную механическую прочность, тогда как бактериальная целлюлоза выполняет функцию наноразмерного армирования, что обосновывает их совместное применение при разработке устойчивых биополимерных композитов и экологически безопасных упаковочных материалов.

1. Environmental sustainability in healthcare: impacts of climate change, challenges and opportunities / E.Y. Koh et al // Singapore Medical Journal. – 2025. – Vol. 66, Suppl. 1. – P. S47- S56.

2. A review on the life cycle assessment of cellulose: from properties to the potential of making it a low carbon material / F. Foroughi et al // Materials. – 2021. – Vol. 14, № 4. – Article 714. https://doi.org/10.3390/ma14040714.

3. Biodegradable polymers: properties, applications, and environmental impact / R. Dallaev et al // Polymers. – 2025. – Vol. 17, № 14. – Article 1981. https://doi.org/10.3390/polym17141981.

4. Advanced biocompatible and biodegradable polymers: a review of functionalization, smart systems, and sustainable applications / L. Abdulsalam et al // Polymers. – 2025. – Vol. 17, № 21. – Article 2901. https://doi.org/10.3390/polym17212901.

5. The plant cell wall – dynamic, strong, and adaptable – is a natural shapeshifter / D. Delmer et al // The Plant Cell. – 2024. – Vol. 36, № 5. – P. 1257-1311. https://doi.org/10.1093/plcell/koad325.

6. Reduction and reuse of forestry and agricultural bio-waste through innovative green utilization approaches: a review / J. Guo et al // Forests. – 2024. – Vol. 15. – Article 1372. https://doi.org/10.3390/f15081372.

7. From waste to wealth: unlocking the potential of cellulase characteristics for food processing waste management / M.H. Hussain et al // Foods. – 2025. – Vol. 14, № 21. – Article 3639. https://doi.org/10.3390/foods14213639.

8. Lignin extraction by using two-step fractionation: a review / M.H. Tanis et al // Molecules. – 2023. – Vol. 29, № 1. – Article 98.

9. Eco-friendly methods for extraction and modification of cellulose: an overview / S. Magalhães et al // Polymers. – 2023. – Vol. 15, № 14. – Article 3138.

10. Using ionic liquids for lignin extraction from lignocellulose and high-value utilization: a review / X. Li et al // Molecules. – 2025. – Vol. 30, № 12. – Article 2514.

11. A comprehensive review of unlocking the potential of lignin-derived biomaterials: from lignin structure to biomedical application / J. Zhao et al // Journal of Nanobiotechnology. – 2025. – Vol. 23, № 1. – Article 538. https://doi.org/10.1186/s12951-025-03604-7.

12. Sharma N. Green chemistry strategies in pulping and biomass valorization: toward a circular bioeconomy / N. Sharma, P. Basera // Frontiers in Chemistry. – 2025. – Vol. 13. – Article 1724324. https://doi.org/10.3389/fchem.2025.1724324.

13. Biodegradable packaging from agricultural wastes: a comprehensive review of processing techniques, material properties, and future prospects / B.D. Kossalbayev et al // Polymers. – 2025. – Vol. 17. – Article 2224.

14. Microbial valorization of agricultural and agro-industrial waste into bacterial cellulose: innovations for circular bioeconomy integration / A.M. Belkozhayev et al // Microorganisms. – 2025. – Vol. 13. – Article 2686. https://doi.org/10.3390/microorganisms13122686.

15. Gomes R.J. Bacterial cellulose production by Komagataeibacter hansenii can be improved by successive batch culture / R.J. Gomes, E.I. Ida, W.A. Spinosa // Brazilian Journal of Microbiology. – 2023. – Vol. 54, № 2. – P. 703-713.

16. Bacterial cellulose for sustainable food packaging: production pathways, structural design, and functional modification strategies / R. Turganova et al // Polymers. – 2025. – Vol. 17, № 23. – Article 3165. https://doi.org/10.3390/polym17233165.

17. A review on the modification of cellulose and its applications / T. Aziz et al // Polymers. – 2022. – Vol. 14, № 15. – Article 3206.

18. A comprehensive review on recent advances in preparation, physicochemical characterization, and bioengineering applications of biopolymers / А. Das et al // Polymer Bulletin. – 2023. – Vol. 80, № 7. – P. 7247-7312.

19. Property evaluation of bacterial cellulose nanostructures produced from confectionery wastes / M.-N. Efthymiou et al // Biochemical Engineering Journal. – 2022. – Vol. 186. – Article 108575.

20. Yilmaz M. Optimization of bacterial cellulose production from waste figs by Komagataeibacter xylinus / M. Yilmaz, Y. Goksungur // Fermentation. – 2024. – Vol. 10. – Article 466.

21. Redeposition of lignin derivatives in AlCl₃–ethanol–glycerol pretreated pine wood: impacts on cellulose structure and enzymatic hydrolysis efficiency / J. Zhao et al // Industrial Crops and Products. – 2025. – Vol. 237. – Article 122200.

22. Antibacterial films made of bacterial cellulose / Z. Sun et al // Polymers. – 2022. – Vol. 14, № 16. – Article 3306. https://doi.org/10.3390/polym14163306.

23. Preparation and characterization of degradable cellulose-based paper with superhydrophobic, antibacterial, and barrier properties for food packaging / X. Jiang et al // International Journal of Molecular Sciences. – 2022. – Vol. 23, № 19. – Article 11158.