Кукурузные кочерыжки как перспективное сырье для биотехнологических производств

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

КУКУРУЗНЫЕ КОЧЕРЫЖКИ

КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ СЫРЬЕ 
ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОИЗВОДСТВ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 663.1:633.15
ББК 36:42.112

К89

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Т. В. Багаева

канд. техн. наук, доц. С. Г. Николаева

 
К89 

Авторы: Р. Т. Валеева, О. В. Ананьева, С. А. Понкратова, 
М. Ю. Шурбина, Э. И. Нуретдинова 
Кукурузные кочерыжки как перспективное сырье для биотехнологических производств : монография / Р. Т. Валеева [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2019. – 132 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2638-5 

Представлены основные характеристики кукурузы и кукурузных коче
рыжек, рассмотрена возможность применения кукурузных кочерыжек в биотехнологических производствах. Освещены результаты многолетних исследований авторского коллектива по комплексной переработке кукурузных кочерыжек, а также отражены результаты работ российских и зарубежных коллективов.

Предназначена для магистров, обучающихся по направлению 19.04.01 

«Биотехнология». Может быть использована широким кругом специалистов в 
области комплексной переработки отходов растительного сырья, а также бакалаврами и аспирантами при выполнении лабораторных практикумов, курсовых, дипломных и исследовательских работ. 

Подготовлена на кафедре химической кибернетики.

ISBN 978-5-7882-2638-5
© Валеева Р. Т., Ананьева О. В., 

Понкратова С. А., Шурбина М. Ю., 
Нуретдинова Э. И., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 663.1:633.15
ББК 36:42.112

Введение

Важнейшим условием гарантии продовольственной безопасно
сти Российской Федерации является повышение качества жизни путем 
достаточного обеспечения населения продуктами питания высокого 
качества, независимо от любых факторов как внутреннего, так и 
внешнего характера, а также обеспечение соответствующего уровня 
потребления рациональных норм как по энергетической ценности пищевого рациона, так и по соотношению питательных веществ. В связи с 
этим Министерство сельского хозяйства Российской Федерации разработало государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы. С 2015 года в рамках этой программы 
реализуются новые подпрограммы, нацеленные на решение приоритетных задач, поставленных Президентом России и Правительством РФ 
перед агропромышленным комплексом, а именно [1]:

– обеспечение продовольственной независимости России в па
раметрах, заданных Доктриной продовольственной безопасности РФ;

– ускоренное импортозамещение;
– повышение конкурентоспособности российской сельскохозяй
ственной продукции на внутреннем и внешнем рынках в рамках 
вступления России во Всемирную торговую организацию;

– повышение финансовой устойчивости предприятий агропро
мышленного комплекса; 

– устойчивое развитие сельских территорий; 
– воспроизводство и повышение эффективности использования 

в сельском хозяйстве земельных и других ресурсов;

– экологизация производства.
21 августа 2012 года был издан Приказ Минсельхоза России

№ 441 «Об отраслевой целевой программе “Производство и переработка зерна кукурузы в РФ на 2013–2015 годы”». Целью программы 
является устойчивое развитие производства и переработки конкурентоспособного зерна кукурузы [2]. Задачами программы являются увеличение объемов производства зерна, конкурентоспособных семян 
гибридов кукурузы отечественной селекции и увеличение объемов ее
переработки. Однако в последние годы повысился интерес к многотоннажным возобновляемым отходам сельского хозяйства как к перспективному сырью для получения полезной человеку продукции. Организация только комплексной переработки отходов производства сельского хозяйства может оказаться высокоприбыльным предприятием [3].

1. КУКУРУЗА

Кукуруза – одна из важнейших и высокоурожайных культур в 

современном мировом земледелии, которая используется в разных отраслях (рис. 1.1). Ее широкое распространение обусловлено высокой 
потенциальной урожайностью. В настоящее время кукуруза возделывается в 60 странах, общая посевная площадь в мире составляет 
142,7 млн га, ежегодный урожай зерна – более 450 млн т [4], а доля в 
мировом балансе производства зерна кукурузы составляет 31 %, пшеницы – 27 %, ячменя – 7 % [5–8].

Рис. 1.1. Кукуруза

Кукуруза относится к семейству злаков (Gramineae), подсемей
ству просовидных (Panicoidae), трибе маисовых (Maydeae) [9, 10]. Кукуруза (Zea mays L.) – одна из наиболее древних и распространенных в 
мире культур с широким спектром использования в продовольственных, кормовых и технических целях (рис. 1.2). На продовольственные 
цели во всем мире используется около 20 % зерна кукурузы, на технические – 15–20 % и около двух третьих идет на корм скоту [11].

Кукуруза – ценное сырье для крахмалопаточной промышленно
сти. Из сухого зерна кукурузы выход крахмала составляет в среднем 
около 60 %, а из картофеля лишь около 20 % [11–14]. В последние годы растут объемы его использования для получения многих ценных 
продуктов, в том числе крупы, муки, крахмала, спирта и масла [4, 6, 

15–19]. Из 1 т зерна кукурузы получается до 350 л высококачественного этилового спирта, а из других видов зерна – лишь 200–250 л. Из зародыша кукурузного зерна вырабатывают полноценное пищевое масло. Также 1 т зерна кукурузы можно переработать в 27 кг кукурузного 
масла, богатого витамином Е [11].

Рис. 1.2. Основные производители кукурузы

(составлено АБ-центром на основе данных Росстата) [20]

Однако не только зерно кукурузы, но и само растение является 

важным источником сырья (табл. 1.1) для различных отраслей промышленности: перерабатывающей, пищевой, микробиологической, химической, медицинской, фармацевтической, спиртовой, [14, 21–23], также
оно используется при производстве биотоплива [11, 12, 21, 23, 24].

Таблица 1.1

Распределение сухого вещества в корме – кукурузе [25]

Урожайность сухого вещества

Распределение СВ
Содержание СВ

Початок
Зерно
46
46
47

Стержень
9

Обычный лист
5
54

Листья
20
25

Стебли
20
100
100
35

Стержни початков кукурузы служат сырьем для получения фур
фурола, лигнина, целлюлозы и других продуктов [6]. Находят применение также стебли и другие вегетативные части растения, из которых
получают строительные и упаковочные материалы, бумагу, линолеум, 
вискозу, изоляционные материалы, кинопленку, почвоулучшающие
добавки, пеллеты (альтернативный вид топлива) [11, 12]. Ведущими 
мировыми производителями зерна кукурузы являются США, Китай, 
Бразилия, Аргентина, Мексика [12]. В Российской Федерации возделывание кукурузы на больших площадях в производственных условиях началось еще в середине 50-х годов прошлого столетия [22, 26]. 

Кукуруза является одной из ценных зерновых и кормовых куль
тур в России, 1 кг зерна кукурузы содержит 1,34 кормовых единиц
[23, 24], тогда как в 1 кг силоса содержится 0,18–0,22 кормовых единиц, а в зерностержневой массе – 0,64–0,78 [15, 27]. 

В Российской Федерации производство зерна кукурузы состав
ляет 2–5 млн т в год при потребности 12–14 млн т, однако в последнее 
время отмечается тенденция его роста (рис. 1.3) [12, 28, 29]. 

Рис. 1.3. Производство кукурузы в России с 1990 по 2015 гг.
(составлено АБ-центром на основе данных Росстата) [20]

При сборе урожая на полях образуются многотоннажные агро
промышленные отходы в виде стеблей, листьев, кочерыжек, которым
не всегда находят рациональное применение [30–33]. 

Кукуруза имеет большое агрономическое значение. Это одно
домное, раздельнополое, перекрестноопыляющееся, ветроопыляемое,
однолетнее растение рода злаковых (Роасеае) имеет прямостоячий 
гладкий стебель круглой формы высотой 2–3 м и до 6 м и толщиной от 
2 до 7 см с сердцевиной, заполненной паренхимными клетками –
мездрой [9, 13, 34, 35].

Кукуруза – это сравнительно не требовательная культура, поэто
му она подходит почти для любой местности [36]. Кукуруза один из 
перспективных видов сырья особенно имеющийся в большом количестве в южных районах России – Кубанской и Краснодарской области
[30, 37, 38] (рис. 1.4) [20]. Основная доля посевных площадей культуры 
на зерно сосредоточена в Южном и Северо-Кавказском федеральных
округах (61–63 % посевных площадей) [12, 39–41], но результаты проведенных исследовательских работ ряда авторов показывают, что кукурузу с успехом можно возделывать в более северных регионах – Среднем Поволжье [16, 24, 42] и Южном Урале [27, 43–45], Среднем Урале 
[46], Зауралье [43, 47], Сибири [48–51], Центральном и Центральном
Черноземном районе [37, 52–56], Нечерноземье [28, 57–59].

другие 

регионы; 4,9%

Краснодарский 

край; 34,3%

Ставропольски

й край; 9,5%
Белгородская 
область; 7,6%

Ростовская 

область; 6,4%

Курская 

область; 5,4%

Воронежская 

обл; 5,3%

КабардиноБалкарская 
Республика; 

4,0%

Тамбовская 
область; 3,0%

Республика 

Татарстан; 2,8%

Липецкая 

область; 2,3%

Республика 

Северная 

Осетия-Алания; 

2,2%

Саратовская 
область; 2,0%

Республика 
Мордовия; 

2,0%

Республика 
Адыгея; 1,5%

Волгоградская 
область; 1,4%

Орловская 

область; 1,4%

Брянская 

область; 1,3%

КарачаевоЧеркесская 
Республика; 

1,0%

Рязанская 

область; 0,8%Нижегородская 

область; 0,8%

Рис. 1.4. Структура производства кукурузы по регионам России 

по состоянию на 2016 (составлено АБ-центром по данным Минсельхоза)

Достижения научно-технического прогресса ныне позволяют 

полностью механизировать производство зерновых, кукурузы и других культур, что привело к росту их урожайности. Многие страны до

вели выход сухого зерна с 1 га до 6 т и выше. Кукуруза стала самой 
урожайной зерновой культурой и одной из самых распространенных 
по занимаемой площади в мире [60]. По площади посева среди продовольственных зерновых культур кукуруза занимает третье место в мире после пшеницы и риса, а среди зернофуражных культур – первое 
[54, 58, 61, 62]. Анализ данных [30, 63] по переработке зернового сырья показывает, что по объему сбора кукуруза располагается после 
пшеницы и составляет 28,5 %. Кукуруза – теплолюбивая культура, отличается повышенной требовательностью к теплу, влаге, освещению и 
обеспечению питательными веществами. Вместе с тем она способна 
эффективно применять хорошие условия для формирования большого 
урожая зерна и листостебельной массы [46, 64, 65]. Кукуруза – светолюбивая культура. Повышенные требования к интенсивному освещению проявляются с первых дней появления всходов [25, 64, 66, 67]. 
Культура весьма требовательна к наличию в почве органического вещества и элементов питания, только при содержании гумуса более 5 % 
и водородного показателя в пределах 6,0–8,5 ед. можно получить хороший урожай [54, 68]. В то же время считают, что кукуруза устойчива к бессменному возделыванию, ее монокультура экономически более целесообразна [54, 69, 70].

Кукуруза является классической силосной культурой в силу 

специфических особенностей химического состава (табл. 1.2, 1.3) на 
разных стадиях своего развития [71]. По содержанию белка и других 
питательных веществ в зерне она близка к другим хлебным культурам, 
но отличается от них высоким содержанием жира [72].

Таблица 1.2

Химический состав кукурузы, % [38]

Белки
5–20

Крахмал
61–83

Сырой жир
4,0–4,6

Сырая клетчатка
2,1–2,2

Cахара
3,0

Гемицеллюлозы:
глюканы
1,3

Пентозаны:
7,0

арабиноксиланы
4,3–5,5

Зола
1,3

Ценность кукурузы определяется как высоким уровнем продук
тивности, так и тем, что в биохимический состав входят белки, жиры,
углеводы, минеральные вещества (К, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu), витамины (B1, B2, B6, фолиевая кислота) [14, 73]. В кукурузе содержится до 
60–70 % углеводов двух основных типов – структурные и неструктурные, или легкогидролизуемые [35, 42, 71, 74]. Кукуруза содержит много легкогидролизуемых углеводов: сахар, крахмал [71, 75]. С развитием растений количество неструктурных углеводов возрастает. Согласно данным ВНИИ кормов [71, 76], в растениях кукурузы до молочновосковой спелости зерна 30 % и более безазотистых экстрактивных
веществ представлены сахарами [71, 77]. В фазу восковой спелости 
примерно такое же количество безазотистых экстрактивных веществ
приходится на долю крахмала, а содержание сахаров резко снижается. 
Аналогичные данные приводят и немецкие ученые [71, 79].

Таблица 1.3

Химический состав зерна кукурузы и его частей [6, 78]

Зерно и его части
Зерно
Эндосперм
Зародыш
Оболочка

В % к целому зерну
–
81,9
11,9
5,3

Массовая доля, %
белка
10,0–14,0
7,0–11,2
14,0–26,0
3,0–4,0

липидов
4,0–8,0
0,6–0,8
17,0–57,0
1,0–2,0

крахмала
60,0–72,0
77,0–86,0
1,5–5,5
5,0–7,3

клетчатки
1,5–2,5
2,4–2,5
2,4–5,2
0,3–1,0

золы
1,0–2,0
0,3–0,8
7,0–10,0
0,5–0,8

Основной недостаток кукурузы – это относительно низкое со
держание протеина. По мере старения травостоя содержание сырого 
протеина в нем снижается. Вместе с тем снижение содержания протеина имеет относительный характер, так как валовое его количество, 
как и БЭВ, остаются неизменными до фазы восковой спелости зерна 
[71, 80]. Невысока и биологическая ценность кукурузного белка, так 
как он содержит мало незаменимых аминокислот. Однако листья и 
стебли по уровню содержания лизина и гистидина не уступают таким 
многолетним культурам, как люцерна и клевер. В кукурузе больше 
чем в других злаковых травах синтезируется метионин [71, 81]. С ростом растений в кукурузе отмечается увеличение содержания сырого 
жира, кальция и фосфора при сохранении оптимального соотношения 

2:1 у последних. С аналогичной закономерностью повышается и энергетическая ценность кукурузы. Помимо этого, зеленая масса кукурузы 
является хорошим источником каротина [71, 82]. Среди прочих полезных соединений, синтезируемых этим растением, можно выделить 
ксантофиллы – лютеин и зеаксантин, накоплением которых обусловлена желтая окраска зерна [83–85]. Эти два каротиноида принципиально важны для предупреждения возрастной макулярной дегенерации [83, 85, 86]. Химический состав и биологическая ценность кукурузы зависят от технологии выращивания, уровня питания, сорта, фазы 
вегетации, климатических и других условий [71, 87]. Необходима экономически обоснованная и экологически безопасная система защиты и 
от всех видов вредителей [88].

Уже давно внимание селекционеров, генетиков и производ
ственников обращено к проблемам [32, 41, 56, 89–91]:

– создания новых высокопродуктивных, урожайных гибридов, 

обладающих низкой уборочной влажностью зерна, высоким содержанием лизина, отзывчивых на удобрение и орошение, с высокой семенной продуктивностью, обладающих комплексной устойчивостью к 
болезням и вредителям [15, 16, 23, 29, 37, 40–42, 46, 49, 55, 56, 92–95]; 

– увеличения зон возделывания [24];
– исследований, связанных с получением исходного материала 

кукурузы с двумя и более початками на одном растении [96];

– увеличения числа многопочатковых растений, которые в усло
виях сильной кратковременной засухи компенсируют бесплодие верхнего початка развитием нижнего (второго) початка [89].

Продуктивность у многопочатковых растений много больше 

массы початков, полученных от однопочатковых растений. По размеру 
первые початки от многопочатковых растений в большинстве бывают 
крупными и в целом не уступают початкам, полученным от однопочатковых растений [89–91]. В отличие от зерновых колосовых, которые являются культурами сплошного сева, кукуруза относится к пропашным культурам и является хорошим предшественником в севообороте – одним из лучших предшественников для яровой пшеницы, способствует улучшению фитосанитарного состояния полей, почти не 
имеет общих с зерновыми культурами вредителей и болезней [4, 18, 
97, 98]. Для повышения эффективности производства кукурузы необходимо совершенствовать организацию производства, повышать плодородие почв, экологически безопасно и эффективно использовать 
земельные ресурсы [56, 99, 100].