Хлебом не (только) корми: как из злаков делают не только еду, но и биоматериалы будущего

Заправить гоночный болид

Из каких злаков: пшеница, кукуруза, ячмень, сахарный тростник, рис, сахарное сорго.

Каким образом:

Одним ясным августовским днем где-то на северо-западе штата Юта инженер General Motors Марк Диккенс сел за руль Chevrolet Cobalt SS и рванул прямо к горизонту. Он со всей силы вжал педаль в пол, ведь на его пути не было ни одного поворота или светофора, только бескрайняя белая гладь пересохшего соляного озера Бонневилль, будто созданная самой природой для одного — ставить новые скоростные рекорды. Так в 2006 году во время «Недели скорости» мир узнал, что машина на биоэтаноле может разогнаться до 251 километра в час.

Сегодня широко известны два основных «зеленых» жидких топлива — биодизель и биоэтанол. Первое делают из масел рапса, подсолнечника, сои и животных жиров. Второе по сути спирт, который чаще всего производят из злаков: пшеницы, кукурузы или сахарного тростника. Их биомассу помогают перерабатывать бактерии, поглощающие сахар и выделяющие этанол и углекислый газ.

Используют биоэтанол в основном как замену или присадку к бензину: он помогает сократить выбросы вредных веществ и повышает октановое число топлива.

Октановое число зависит от химического состава топлива: чем больше октановое число, тем мягче и эффективнее работает двигатель.

Обогреть дом

Из каких злаков: силосная кукуруза, солома пшеницы, шелуха полбы, рисовая солома.

Каким образом:

Космический аппарат частной спутниковой компании GHGSat в феврале 2022 года, пролетая над долиной Хоакин в Калифорнии, зафиксировал пять подозрительно масштабных выбросов метана. Оказалось, что причина аномалии — коровы, вернее, их отрыжка. Позже в пресс-релизе представители компании прагматично написали: если бы выбросы продолжались хотя бы год, этим газом получилось бы обеспечить энергией 15 402 дома.

Биогаз, основную долю которого составляет метан, — очень перспективное возобновляемое топливо, которое получают из брожения практически любых органических отходов: навоза, помета и, конечно, остатков злаковых культур — соломы пшеницы, шелухи полбы, силосной кукурузы и многого другого.

Биогаз производят бактерии-симбионты, живущие в многокамерном желудке коровы. Инженеры и микробиологи умеют имитировать этот процесс — они используют для этого биогазовые станции. В них загружается растительное сырье, которое ферментируют все те же бактерии в безвоздушной среде. Затем газ очищают от примесей сероводорода и других ненужных компонентов, а после хранят в газгольдерах.

Ферментация — это переработка органических веществ при помощи микроорганизмов.

Сделать бумагу

Из каких злаков: мискантус.

Каким образом:

Бумагу делают из целлюлозы — сложного углевода, которого много в деревьях. Но еще целлюлозу получают из злаков, например из мискантуса, растущего в Азии, Африке и Австралии. Это четырехметровый пушистый куст, очень богатый целлюлозой. Мискантус способен выдавать с одного гектара плантации до четырех тонн целлюлозы — основного сырья для производства бумаги, картона и некоторых видов текстиля. Но зачем нужен мискантус, если есть древесина?

Мискантус — однолетник. Значит, его можно сажать каждую весну и уже осенью получать по 4 тонны целлюлозы. А вот дереву нужно расти десятки лет, прежде чем его можно будет срубить. Мискантус — это злак, который может спасти очень много деревьев.


А еще из мискантуса можно делать топливные пеллеты, одноразовую посуду и биоразлагаемую упаковку для еды.

Оборудовать автомобиль

Из каких злаков: кукуруза, пшеница, рис, ячмень.

Каким образом:

В 2016 году корпорация Renault выпустила автомобиль с приборной панелью из «крахмального» пластика.

Крахмальный полимер черный, блестит, устойчив к ударам и царапинам. Сложно представить, что этот кусок пластмассы когда-то колосился в полях. 

Французы назвали свой пластик Durabio. Хотя он и не является биоразлагаемым, все же приставка «био» намекает на его растительное происхождение: пластик производят из изосорбида, который, в свою очередь, получается из крахмала, а его основными источниками в промышленности становятся такие злаки, как кукуруза, пшеница, рис и ячмень.

Сегодня из биомасс чаще всего производят четыре основных вида биопластика: полигидроксибутират (PHB), полигидроксиалканоат (PHA), полигликолевую кислоту (PGA) и полимолочную кислоту (PLA). Из них делают упаковки, пакеты, посуду, соломинки и даже автомобильные детали и электронные компоненты. Какие-то из них биоразлагаемые, какие-то — нет, но все они, в отличие от «нефтяных» пластиков, производятся из возобновляемого сырья.

Лечить переломы

Из каких злаков: кукуруза, рис, овес.

Каким образом:

На остатках зерна растет гриб Aureobasidium pullulan, который перерабатывает растительные ткани в сложный углевод под названием «пуллулан». 

Гриб предпочитает влажные места, такие как канализация или стены ванных комнат. Крайне устойчив к неблагоприятным условиям. Использует спирт и сахара для создания защитных систем от холода, высоких температур и распада организма из-за высокой концентрации солей и кислотной среды.

Он легко и безвредно разлагается, не пропускает инфекцию, не токсичен, не всасывается в кишечнике или в кожу, не вызывает иммунного ответа. Поэтому его добавляют в приправы и соусы, из него делают косметику, а еще он очень хорош для сращивания переломов и изготовления лекарств.

Грибу нужен крахмал. Для этого хорошо подходят злаки: кукуруза, рисовая мука или овсяная крупа. Из зерна готовят питательную среду, а затем выпускают в нее представителей штамма A. pullulan. Потом продукт гриба фильтруют, высушивают и просеивают, чтобы в итоге получить белый порошок без запаха, который станет каркасом для костной инженерии.

Делать лекарства

Из каких злаков: сахарный тростник.

Каким образом:

У любого человека во рту есть свой маленький завод по переработке сахарозы — самого обычного сахара, который добывают в основном из сахарной свеклы и сахарного тростника (кстати, это злак!). Если съесть сладкую конфету, можно почувствовать, как на зубах через какое-то время образуется липкий шершавый налет. Это декстран — вещество, которое, как оказалось, является отличным кандидатом на роль курьера для доставки лекарств внутри организма человека.

Декстран научились получать из злаков в промышленных масштабах — эту задачу отдают бактериям. Сначала из сахарного тростника выжимают сок, его очищают и выпаривают, а в получившуюся концентрированную сахарозу выпускают микроорганизмы Leuconostoc mesenteroides или Streptococcus mutans. Они производят фермент декстрансукразу, которая расщепляет сахарозу, образуя декстран.

Этот природный полимер биосовместим и биоразлагаем, отлично растворяется в воде и может долго циркулировать в крови. Наночастицы декстрана размером от 1 до 100 нанометров (это 10^-9 метра) можно использовать как сверхмаленькие капсулы для лекарств, способные протискиваться даже внутрь опухолевых клеток, а значит, эффективнее бороться с онкологическими заболеваниями. Декстрановые системы доставки лекарств уже используют в медицине.