Борщевик Сосновского (БС) в настоящее время представляет собой опасный инвазионный вид, распространение которого вышло из-под контроля. Каждый год площадь территории в нашей стране, которые он заселяет, неуклонно возрастает. Это угрожает биоразнообразию природных ландшафтов, так как благодаря выделяемым растением веществам подавляется местная растительность. Контакт человека с БС опасен для здоровья. Токсические свойства БС связаны с алкалоидами, тритерпеновыми сапонинами, флавоноидами, фуранокумаринами (фотодинамическая активность), включающими в себя бергаптен, ксантотоксин, изопимпинелин. Ежегодно тратятся миллионы рублей на химическую борьбу с БС, что приводит к загрязнению окружающей среды канцерогенными метаболитами гербицидов. Выписываются штрафы владельцам земельных участков за неубранный борщевик. Однако все применяемые меры сдерживания распространения БС недостаточно эффективны.
БС является уникальным растением с большим биологическим потенциалом. Это холодостойкая культура с высокой приспособляемостью к климатическим условиям, коротким периодом вегетации, приспособляемостью к короткому световому дню, повышенной радиации и гипоксии. Это двулетнее монокарпическое растение, которое в первый год образует розетку листьев, а на второй год цветет и дает семена. Корневая система БС достигает 2 м в глубину, благодаря этому он хорошо добывает влагу и питательные вещества. Одно растение может давать до 100 тыс. семян, которые могут сохранять всхожесть в почве до 12–15 лет, что также затрудняет эффективную борьбу с этим растением.
В настоящее время уже известны и разработаны различные технологии, которые позволяют экономически выгодно перерабатывать БС в различные полезные продукты и материалы, которые будут рассмотрены в этой статье.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Производство биоэтанола из БС включает в себя ряд последовательных технологических операций:
1) предварительная обработка сырья: сбор, измельчение и получение сока двух-, трехкратным прессованием;
2) добавление дрожжей Sarcharomyces cerevisiae, которые за счет ферментов инвертазы и зимазы превращают сахарозу вначале в глюкозу и фруктозу, а затем в этанол и СO2 . Процесс брожения занимает 3–5 дней;
3) дистилляция с получением спирта-сырца;
4) ректификация спирта-сырца с получением конечного продукта — биоэтанола.
Сырье лучше всего убирать в фазу бутонизации-цветения, когда содержание сахарозы в растении максимально до 17–31 %. Для сравнения: содержание сахара в сахарной свекле 24 %. Расчеты показали, что выход биоэтанола составляет 79–145 л/т [3].
Добавление этилового спирта к бензину позволяет уменьшить стоимость топлива и количество вредных выбросов. При производстве и сжигании 1 л биоэтанола в атмосферу попадает столько же СО2 , сколько до этого было поглощено теми же растениями в фотосинтезе. Такое топливо популярно в США и Бразилии, но там для этих целей используют специально выращиваемые сахарный тростник, сахарную свеклу и топинамбур. Эти культуры уступают борщевику по выходу биоэтанола, имеют высокую себестоимость за счет затрат на возделывание. Кроме того, в условиях продовольственного кризиса подобное использование пищевого сырья является этической проблемой.
Однако этанол из БС имеет низкое качество, неприятный запах, крепость не превышает 90 объемных процентов. Имеющиеся в нем примеси — это нерастворимые в воде соединения (кетоны, карбоновые кислоты), полифункциональные продукты, карбонильные соединения, эфиры. Решить эту проблему можно двухкратной простой перегонкой с последующей ректификацией и получить этиловый спирт, соответствующий требованиям ГОСТ Р 57251-2016 на пищевой этиловый спирт [1]. Кроме того, этиловый спирт широко применяется в парфюмерии, медицине, для производства органических веществ, таких как ди этиловый эфир, уксусная кислота, красители, является сырьем для получения бездымного пороха. Потребность в этаноле в мире ежегодно растет, и Россия могла бы обеспечивать им не только собственные нужды.
Из сока БС можно получать биобутанол. Биобутанол не вызывает коррозию двигателя, у него выше энергетическая ценность, чем у биоэтанола.
Добавление к соку актиномицетов, выделяющих энзимы, позволяет получать биомицин (антибиотик) и витамин В12.
ПРОИЗВОДСТВО САХАРА
Технология получения сахара из БС мало отличается от аналогичной из традиционных сахароносных культур. Особенно перспективным это может быть для северных регионов, где климатические условия не позволяют возделывать сахароносы. В России производится более 6 млн т свекловичного сахара в год. За счет получения сахара из БС можно было бы сократить посевные площади под сахарной свеклой в южных регионах, так как урожайность его значительно выше, и таким образом снизить нагрузку на окружающую среду. Сахарные заводы, перерабатывающие сахарную свеклу, летом простаивают из-за отсутствия сырья. Переработка БС в это время позволила бы увеличить рентабельность производства. Россия только в 2019 г. экспортировала более 200 тыс. т сахара в страны СНГ: Казахстан, Азербайджан. Объемы этих поставок можно было бы увеличить и получать дополнительную прибыль.
ПРОИЗВОДСТВО ПЕЛЛЕТ
Жом, образующийся после отжима сока, можно использовать для изготовления «евротоплива» — пеллет. Технология включает следующие стадии:
1) сушка жома при температуре 250 °С до влажности 8–15 %;
2) гранулирование на прессгрануляторе;
3) охлаждение гранул;
4) упаковка.
Для придания пеллетам циллиндрической формы к жому добавляют 1,5 % хвойных опилок. При сгорании пеллеты выделяют приятный запах, похожий на ладан [4].
Из жома можно также получать техническую целлюлозу, содержание которой в биомассе БС около 60 %. Предпочтение отдается окислительно-органосольвенитному способу [8]. Далее из целлюлозы производят весьма востребованный материал — упаковочный картон.
Жом может являться сырьем для получения биоугля путем пиролиза (сжигание при высокой температуре без доступа воздуха) после смешивания его с древесной щепой. Биоуголь востребован в сельском хозяйстве для улучшения физических свойств почвы. Образующееся при пиролизе тепло можно применять для обогрева помещений, теплиц и др.
Появились перспективные разработки по производству из жома и биомассы БС весьма востребованного материала — биопластика [2]. Замена биопластиком обычных видов пластмасс может существенно снизить загрязнение окружающей среды ксенобиотиками, в том числе водной среды микропластиком.
ПРОИЗВОДСТВО ЭФИРНЫХ МАСЕЛ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
БС — ценное эфиромасличное растение, превосходящее культивируемые виды. Он накапливает эфирные масла во всех органах — от 5 до 11 % в семенах [5]. С 1 га БС можно получить до 1 т семян и из них извлечь до 24–40 кг эфирных масел. В 1 кг биомассы содержится до 8 г кумаринов. Эфирные масла БС — это природные гербициды, не имеющие отрицательных свойств синтетических. Кумарины, флавоноиды востребованы для изготовления лекарственных препаратов при заболеваниях печени, диабета, обладают антигельминтными свойствами. Ведутся исследования по оценке их антиконвульсионных и гепатопротекторных свойств.
Эфирные масла и смолы БС при горении выделяют большое количество тепловой энергии, следовательно, могут служить альтернативой нефтепродуктам в химическом производстве и др. Эфирные масла востребованы в парфюмерной промышленности и могут применяться для санации помещений.
КОРМОВЫЕ ЦЕЛИ
В молодом возрасте БС хорошо поедается оленями, лосями, медведями, зубрами, козами и коровами. В фазу цветения в биомассе содержится до 3–35 % белков. Для крупного рогатого скота это нажировочный корм, который быстро восстанавливает силы ослабевших за зиму животных. Однако фуранокумарины, содержащиеся в биомассе, стимулируют выработку эстрагенов, которые вызывают у коров бесплодие, может пропасть молоко.
Силос из БС имеет большую кислотность, поэтому требует смешивания с другими травами. В жоме после отжима сока сохраняется до 16 % белка, 17 аминокислот, витамины С, Р и др.
Таким образом, несмотря на высокую пищевую ценность, в животноводстве использование БС имеет ограничения. Биомассу желательно скармливать животным после удаления из нее кумаринов либо в смеси с другими кормами.
Имеются исследования, что в условиях аквакультуры тиляпиям давали комбикорм и листья борщевика. Отмечали хорошую поедаемость при добавлении в корм 10 и 24 % БС, прирост рыб при этом достигал 87,2–92,1 %.
Пектины из БС ценны для фармавцевтической промышленности как физиологически активные вещества с мощными энтеросорбирующими свойствами, способны выводить из организма человека тяжелые металлы (ртуть, свинец, кобальт и др.) [6].
Из новых технологий переработки БС следует отметить предложение о получении суперконденсаторов — устройств для накопления энергии из двух электродов с малым расстоянием между ними. Для этого подходят стебли БС, состоящие из твердой коры и мягкого, похожего на губку, внутреннего сердечника. Перспективной разработкой является получение из сока БС биостимулятора, содержащего оксикислоты и их натриевые и калиевые соли, применение которого позволило повысить урожайность картофеля [7].
ВЫВОДЫ
Богатый химический состав, большая продуктивность борщевика позволяют сделать его незаменимым сырьем в химической, медицинской, парфюмерной и пищевой промышленности, кормопроизводстве, альтернативным источником энергии. Для этого существует достаточное количество экономически выгодных и малоотходных технологий. Их внедрение позволило бы существенно улучшить ситуацию с ограничением распространения БС. Однако решить эту проблему невозможно без продуманных организационно-экономических мероприятий, касающихся безопасного для людей способа заготовки исходного сырья, особенно дикорастущего, включая средства механизации. Также для успешного внедрения технологий переработки необходимо сформировать устойчивый рынок востребованной продукции.