Для чего используются семена клещевины? Применение, масло и промышленность

Мало какая культура может сравниться по промышленной универсальности с клещевиной (Ricinus communis L.). Один гектар хорошо возделанной клещевины даёт сотни килограммов семян с содержанием масла до 57 процентов — масла, не имеющего аналогов среди растительных масел мира. Это масло питает отрасли, столь разные, как аэрокосмическая, косметическая, производство высокоэффективных полимеров и фармацевтика. При этом само растение приносит и агрономические выгоды: это одна из лучших культур для севооборота, оставляющая почву более богатой и лучше структурированной для следующей культуры.

Это руководство охватывает все значимые направления использования клещевины — от масла, получаемого на перерабатывающем заводе, до полимера в конце производственной цепочки, — и объясняет, почему понимание всей цепочки создания стоимости имеет значение, если Вы рассматриваете клещевину как товарную культуру.

Клещевина в кратком изложении

Клещевина относится к семейству молочайных (Euphorbiaceae) и выращивается коммерчески в тропических и субтропических регионах, причём Индия сегодня является мировым лидером по производству. В умеренном климате её возделывают как однолетник, достигающий от одного до трёх метров в высоту в зависимости от гибрида. Современные гибриды клещевины от Laboulet Semences выведены специально для максимизации выхода масла и обеспечения механизированной уборки, что делает культуру пригодной для крупномасштабного товарного производства в значительно более широком диапазоне сред.

Семена — технически «бобы», хотя клещевина не является бобовой культурой, — развиваются внутри колючих коробочек на цветочных кистях. Каждое семя содержит ядро, богатое триглицеридами, окружённое твёрдой пятнистой семенной оболочкой. Именно из этого ядра касторовое масло извлекается прессованием или растворителем. Семенная оболочка и оставшийся шрот представляют собой отдельный побочный продукт со своим набором применений.

Семена содержат от 35 до 57 процентов масла по массе. Современные коммерческие гибриды в среднем дают 48–52 процента, что исключительно много для масличной культуры, — сопоставимо с лучшими показателями подсолнечника и значительно выше сои или рапса. Высокая масличность — одна из главных селекционных целей Laboulet: гибриды, такие как LS Peter, отбираются не только по урожайности с гектара, но и по качеству и количеству масла в каждом семени.

Основное применение: извлечение касторового масла

Доминирующее применение семян клещевины, на которое приходится практически всё мировое коммерческое производство, — это извлечение касторового масла. Это масло имеет химический состав, не похожий ни на одно другое природное растительное масло: приблизительно 87–90 процентов его жирных кислот составляет рицинолевая кислота — гидроксижирная кислота C18, которая в значимых количествах не встречается ни в одном другом масле или жире.

Эта уникальная химия — основа исключительной промышленной универсальности касторового масла. Гидроксильная группа в молекуле рицинолевой кислоты позволяет ей вступать в реакции, на которые стандартные масла, такие как подсолнечное, пальмовое или соевое, не способны. Она обеспечивает маслу исключительную стабильность вязкости в широком диапазоне температур, выдающиеся смазочные свойства и возможность химического превращения в десятки производных продуктов.

Как извлекают касторовое масло

Извлечение идёт по одному из двух промышленных маршрутов в зависимости от конечного применения:

• Холодный отжим (экспеллерное прессование) — обрушенные семена механически прессуют при низкой температуре. Масло первого отжима сохраняет естественный бледно-жёлтый цвет и пригодно для фармацевтических, косметических и пищевых применений. Обычно выход составляет около 40 процентов от массы семян.
• Экстракция растворителем — жмых дополнительно экстрагируется гексаном (аналогично переработке сои и рапса) для извлечения остаточного масла. Это обеспечивает максимальный суммарный выход масла, но требует дальнейшего рафинирования. Большая часть касторового масла технического назначения производится именно таким образом.

После экстракции сырое масло фильтруют, депарафинизируют и рафинируют до различных категорий в зависимости от конечного рынка: USP-категории для фармацевтики, косметической категории для средств личной гигиены и технической категории для промышленных применений.

Промышленное применение: куда идёт большая часть касторового масла

Подавляющее большинство мирового производства касторового масла потребляет промышленность. Сферы применения широки и глубоко встроены в современные производственные цепочки поставок.

Полиамид 11 и Rilsan: наиболее ценное превращение

Самое высокоценное промышленное применение касторового масла — производство полиамида 11 (PA11), продаваемого под торговой маркой Rilsan компанией Elf Atochem (ныне Arkema). Это биополимер конструкционного назначения, полностью получаемый из касторового масла, — один из немногих промышленных полимеров с полностью возобновляемым углеродным следом.

Процесс начинается с крекинга рицинолевой кислоты при высокой температуре с получением 11-аминоундекановой кислоты, которая затем полимеризуется в полиамид 11. Elf Atochem разработала это превращение и развила высокоурожайные гибриды клещевины (через своё исследовательское подразделение COSTASEM) именно для обеспечения надёжных поставок качественного сырья.

Rilsan / полиамид 11 находит применение везде, где нужен гибкий, лёгкий, химически стойкий полимер в жёстких условиях:

• Текстильные волокна — спортивная одежда, технические ткани;
• Литьевые детали и трубки — топливные магистрали, тормозные трубки, медицинские трубки;
• Изоляция проводов — высокоэффективные электрические кабели;
• Морская нефтедобыча — гибкие райзеры и шлангокабели в глубоководной добыче нефти и газа, где критично сочетание химической стойкости и гибкости под давлением;
• Покрытия — порошковые покрытия для антикоррозионной защиты;
• Автомобильные компоненты — подкапотные детали, элементы топливной системы.

Цепочка от клещевины до Rilsan — один из наиболее показательных примеров того, как сельскохозяйственное сырьё превращается в высокоэффективный промышленный продукт. Это также одна из причин, по которой клещевина имеет устойчивый долгосрочный промышленный рынок, не колеблющийся так резко, как рынки продовольственных товаров.

Смазочные материалы и гидравлические жидкости

Исключительный индекс вязкости касторового масла — оно остаётся текучим при -18 °C и сохраняет стабильность при высоких температурах — делает его одной из наиболее эффективных натуральных смазок. Ключевые области применения включают:

• Авиационные смазочные материалы — касторовое масло было первоначальной смазкой для ранних авиационных и гоночных двигателей; оно по-прежнему используется в поршневых авиационных двигателях и высокопроизводительных двухтактных двигателях, поскольку прилипает к металлическим поверхностям даже при сбое масляного давления;
• Гидравлические жидкости — особенно там, где требуется биоразлагаемость и низкая токсичность (сельское хозяйство, пищевая промышленность);
• Пластичные смазки — в сочетании с литиевыми и иными загустителями;
• Масла для двухтактных гоночных двигателей — касторовые масла (исторический пример — Castrol R) по-прежнему предпочтительны в мотоциклах, картах и классическом автоспорте за высокую прочность плёнки под нагрузкой.

Краски, покрытия и клеи

Дегидратированное касторовое масло (DCO), получаемое удалением гидроксильной группы у рицинолевой кислоты, ведёт себя аналогично тунговому маслу как высыхающее масло, что делает его ценным в алкидных смолах для красок и лаков. Производные касторового масла также используются в уретановых покрытиях, герметиках и клеях благодаря их реакционной способности с изоцианатами.

Пластификаторы и поверхностно-активные вещества

Этоксилированное касторовое масло (касторовое масло, прореагировавшее с этиленоксидом) даёт семейство неионогенных ПАВ, широко применяемых в промышленных моющих средствах, текстильной обработке и агрохимических препаратах. Гидрированное касторовое масло служит восковидным пластификатором в косметике и фармацевтике.

Биотопливо

Касторовое масло может быть переэтерифицировано в биодизель (FAME — метиловые эфиры жирных кислот) тем же процессом, что и соевый или рапсовый биодизель. Однако высокое содержание рицинолевой кислоты придаёт касторовому биодизелю очень высокую температуру помутнения, ограничивая его прямое использование в холодном климате. Он чаще применяется как компонент смесей или сырьё для специализированных биотоплив и биопластиков.

Косметика и средства личной гигиены

Косметика — наиболее заметное потребительское применение касторового масла. Те же свойства, которые делают его ценным для промышленности — высокая вязкость, плёнкообразующая способность, увлажняющий эффект и смазывающие свойства, — хорошо переносятся на продукты личной гигиены.

• Губная помада и бальзам для губ — касторовое масло является основной масляной базой в большинстве рецептур помад, обеспечивая блеск, сцепление и равномерное распределение пигментов;
• Уход за волосами — густое касторовое масло (особенно ямайское чёрное касторовое масло, обработанное золой) широко используется как средство для ухода за волосами и кожей головы;
• Увлажняющие средства для кожи — касторовое масло холодного отжима — эффективный окклюзивный и увлажняющий агент для сухой кожи;
• Тушь и подводка для глаз — как кондиционирующий и плёнкообразующий ингредиент;
• Уход за ногтями — в средствах для укрепления ногтей и обработки кутикулы.

Фармацевтическое применение

Касторовое масло применяется в медицине тысячелетиями. Сегодня его фармацевтические применения включают:

• Стимулирующее слабительное — касторовое масло имеет одобрение FDA как безрецептурное слабительное в США. При приёме внутрь рицинолевая кислота активирует EP3-рецепторы в стенке кишечника, стимулируя перистальтику. Используется для быстрой подготовки кишечника перед медицинскими процедурами;
• Эксципиент и носитель — полиэтоксилированное касторовое масло (Cremophor EL) является стандартным солюбилизирующим вспомогательным веществом для нерастворимых препаратов, включая таксол (паклитаксел) в противоопухолевой химиотерапии;
• Наружное смягчающее средство — в препаратах для заживления ран, глазных каплях и дерматологических продуктах;
• Индукция родов — исторически использовалось для вызова родов (самостоятельный приём не рекомендуется).

Шрот клещевины: побочный продукт после извлечения масла

После извлечения масла остаётся шрот (или жмых). Этот шрот имеет высокое содержание белка и потенциально ценен как корм для животных или удобрение, однако есть принципиальное ограничение: он содержит рицин и рицинин — высокотоксичные соединения, присутствующие в эндосперме семени.

Необработанный касторовый шрот токсичен для скота и человека. Однако термическая обработка и другие методы детоксикации могут снизить или устранить рицин, давая детоксицированный шрот, используемый как:

• Органическое азотное удобрение — наиболее распространённое применение сырого (недетоксицированного) жмыха; по соотношению N-P-K он близок к хлопковому шроту и медленно разлагается в почве;
• Корм для животных — только после корректной детоксикации (автоклавирование при высокой температуре и давлении) и подтверждения анализами; нормативные требования различаются по странам.

Вопрос детоксикации — одна из причин, почему перерабатывающие предприятия клещевины требуют существенных инвестиций и почему отрасль извлечения масла, как правило, сосредоточена на относительно небольшом числе специализированных заводов.

Сельскохозяйственное применение: клещевина как культура севооборота

Помимо прямых продуктов из семян, клещевина представляет значительную ценность как культура севооборота — аспект, особенно важный для аграриев, интегрирующих её в существующую систему земледелия.

Пятилетний опыт севооборота, сравнивавший девять культур, показал, что кукуруза после клещевины дала 110,88 процента контроля — значительно выше, чем кукуруза после фасоли (104 %), после сои (104 %) или после подсолнечника (100 %). Ни один другой партнёр по севообороту в опыте не превзошёл клещевину по последующей урожайности кукурузы.

Почему клещевина приносит пользу последующей культуре?

• Сохранение почвенной влаги — глубокий стержневой корень клещевины истощает почвенную влагу не больше, чем другие культуры; к концу сезона уровни влаги под клещевиной фактически оказывались выше, чем под кукурузой или другими зерновыми;
• Органическое вещество — большая листовая биомасса при запашке добавляет значительный органический материал;
• Подавление сорняков — после сомкнутости посева плотный полог клещевины затеняет сорняки, снижая банк семян сорняков для следующей культуры;
• Эффект разрывной культуры — прерывание циклов болезней и вредителей зерновых, что характерно для большинства широколиственных культур в севообороте.

Laboulet Semences позиционирует клещевину как стратегического партнёра по севообороту именно потому, что многие клиенты уже выращивают кукурузу, подсолнечник или другие зерновые. Карликовые гибриды LS Peter и LS Harold вписываются в системы полеводства с минимальными дополнительными требованиями к технике: они убираются механизированно, подходят под стандартные междурядья и укладываются в тот же календарь, что и летние культуры в умеренной зоне.

Почему важна масличность: от поля до завода

Для производителей, продающих семена клещевины в промышленную цепочку поставок, масличность — важнейший параметр качества: она напрямую определяет цену за тонну, как и в случае подсолнечника и рапса.

Семена с более высокой масличностью, как правило, дают и более качественное масло с меньшими примесями, что упрощает переработку и снижает расходы на рафинирование. Поэтому селекционная программа Laboulet нацелена не только на урожайность с гектара, но и на процент масла в семени. Коммерческие гибриды Laboulet обычно обеспечивают 48–52 процента масла — в верхней части коммерческого диапазона.

Арифметика проста: при масличности 50 % и полевой урожайности 2 000 кг/га фермер поставляет эквивалент 1 000 литров касторового масла с гектара. При масличности 48 % и той же урожайности — 960 литров: разница в выручке 4 % только за счёт масличности.

О безопасности: рицин в семенах клещевины

Любое обсуждение применения семян клещевины должно затронуть главный нюанс: сырые семена клещевины токсичны для человека и животных из-за присутствия рицина — одного из наиболее токсичных природных белков. Проглатывание даже небольшого числа сырых семян может быть смертельным.

Однако эта токсичность полностью устраняется в ходе стандартной переработки масла. Само масло не содержит рицина: белок разрушается при нагреве, используемом в промышленном извлечении, или удерживается в шроте и водной фазе при экстракции растворителем. Корректно произведённое касторовое масло — как пищевой, так и технической категории — не представляет рисков по рицину для конечного пользователя.

Для аграриев практические соображения безопасности таковы:

• Работать с семенами следует со стандартными СИЗ для сельского хозяйства; избегать вдыхания пыли раздробленных семян или шрота;
• У отдельных людей возможны аллергические реакции на пыль от семян клещевины — это вопрос аллергена, отдельный от токсичности рицина;
• Нельзя использовать сырой шрот клещевины в корм без подтверждённой детоксикации.

Современные неосыпающиеся гибридные сорта (как в линейке Laboulet) минимизируют контакт с семенами при уборке за счёт того, что коробочки остаются целыми до целенаправленного обмолота.

Заключение: культура, которую стоит знать

Семена клещевины используются в исключительно разнообразных сферах — далеко за пределами того, что большинство аграриев ассоциируют с отдельной масличной культурой. Масло — основа высокоэффективного полимера (полиамида 11 / Rilsan), незаменимого в морской нефтедобыче и автомобильных системах. Оно смазывает реактивные двигатели, ухаживает за волосами и кожей, имеет долгую историю в фармацевтике. Шрот удобряет следующую культуру, а само растение улучшает почвенные условия для любой последующей культуры севооборота.

Для аграрного бизнеса, оценивающего, подходит ли клещевина для его хозяйства, ценностное предложение сводится к трём пунктам: устойчивый промышленный рынок, отличная культура-партнёр по севообороту и цепочка создания стоимости, которая вознаграждает высокую масличность, — а именно это и дают современные гибриды. Ознакомьтесь с линейкой гибридов клещевины Laboulet, чтобы подобрать тип — карликовый, высокорослый или полукарликовый, — подходящий Вашей системе земледелия и способу уборки.