issn 1029-5151 · web viewthe enzyme activities were determined by dinitrosalicylic acid (dns)...

ISSN 1029-5151ISSN 1029-5143 (on-line)

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

2 2009

http://chem.wood.ruhttp://www.chem.asu.ru/chemwood/

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ЛИГНИН ДРЕВЕСИНЫ ДУБА

УчредителиАлтайский государственный университетИнститут химии и химической технологии СО РАНКрасноярский государственный университетСибирский государственный технологический университет Сибирский НИИ торфа СО РАСХНТомский государственный университетТомский политехнический университет

Главный редакторН.Г. БАЗАРНОВА

Редакционный совет

Ю.Д. Алашкевич, В.И. Белоглазов, В.К. Дубовый, Д.А. Дулькин, И.Н. Ковернинский,

Б.Н. Кузнецов, А.В. Кучин, Ю.С. Оводов, Г.А. Толстиков

Редакционная коллегияЭ.Л. Аким, В.А. Бабкин, К.Г. Боголицын, Н.В. Бодоев, Л.М. Бурлакова, Т.И. Бурмистрова,

Л.С. Гальбрайх, А.Ф. Гоготов, И.П. Дейнеко, В.А. Елкин, А.А. Ефремов, В.И. Комаров,

С.Г. Маслов, А.И. Михайлов, Р.З. Пен, С.М. Репях, С.З. Роговина, В.И. Рощин, Г.Л. Рыжова,

А.С. Смолин, О.М. Соколов, Р.А. Степень, Н.Е. Судачкова, В.Е. Тарабанько, Г.М. Телышева,

А.В. Ткачев, А.Н. Трофимов, В.С. Шевелуха

Ответственный секретарь – В.И. Маркин

Журнал теоретических и прикладных исследований

Номер государственной регистрации ПИ №77–16614

Журнал основан при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №96-07-89501)

Журнал реферируется в РЖ «Химия» (ВИНИТИ) и Chemical Abstracts (CAS)

Подписной индекс 46465 (Роспечать)

Все права защищены. Ни одна из частей журнала либо издание в целом не могут быть размножены каким бы ни было способом без разрешения авторов или издателя.

Подписка на журнал оформляется через фирмы-партнеры ЗАО «Международная книга-Периодика» или непосредственно в ЗАО «МК-Периодика» по адресу:117049, Москва, ул. Б. Якиманка, 39, ЗАО «МК-Периодика»Тел.: (095) 238-14-85, 238-46-34; факс: 238-46-34E-mail: [email protected]: http://www.periodicals.ru; http://www.mkniga.ru

Адрес редакции журнала:656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61,Алтайский государственный университет,«Химия растительного сырья»Тел. (3852) 36-73-88 E-mail: [email protected]://chem.wood.ruhttp://www.chem.asu.ru/chemwood/

3

Алтайский государственный университет, 2009

СОДЕРЖАНИЕОбзоры

Айзенштадт М.А., Боголицын К.Г.

ПЕРОКСИДАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИГНИНА И ЕГО МОДЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ................................................................................................................5

БОЙМИРЗАЕВ А.С. СТЕРИЧЕСКАЯ ЭКСКЛЮЗИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ.............................................................................................................................................19

Биополимеры растений

ДРАЧЕВ А.А., СЕВАСТЬЯНОВА Ю.В., КОМАРОВ В.И., МИЛОВИДОВА Л.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОБАВКИ ЛИСТВЕННОЙ ЩЕПЫ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ХВОЙНОЙ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.....................................................................................................29

ДРАЧЕВ А.А., СЕВАСТЬЯНОВА Ю.В., КОМАРОВ В.И., МИЛОВИДОВА Л.А. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ХИМИКАТОВ ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ НА СВОЙСТВА ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ......................37

CIL I., BERMEK H., ATIK C. IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHINGSTAGE OF HEMP PULP.......................................................................................................................................43

ХВИЮЗОВ С.С., КОСЯКОВ Д.С., БОГОЛИЦЫН К.Г., ГОРБОВА Н.С. ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ НА КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФАТНОГО ЛИГНИНА В СИСТЕМЕ ВОДА – ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИД..................................................................................................................................47

ГОЛЯЗИМОВА О.В., ПОЛИТОВ А.А., ЛОМОВСКИЙ О.И. УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ............................................................................................................................53

ГОЛЯЗИМОВА О.В., ПОЛИТОВ А.А., ЛОМОВСКИЙ О.И. МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ......................................................................59

АЛАУДИНОВА Е.В., МИРОНОВ П.В. ЛИПИДЫ МЕРИСТЕМ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ХВОЙНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТАВА ЖИРНЫХ КИСЛОТ ФОСФОЛИПИДОВ ЗИМУЮЩИХ МЕРИСТЕМ LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. И PINUS SYLVESTRIS L................................65

АЛАУДИНОВА Е.В., МИРОНОВ П.В. ЛИПИДЫ МЕРИСТЕМ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ХВОЙНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ. 2. ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ЖИРНЫХ КИСЛОТ ФОСФОЛИПИДОВ МЕРИСТЕМ LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. И PINUS SYLVESTRIS L.......................................................71

ЗУБОВ К.В., ЗУБОВ А.В., ЗУБОВ В.А. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СГУСТКА-12 В КАРТОФЕЛЬНОМ АМИЛОПЕКТИНЕ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ КЛУБНЯ. ВЛИЯНИЕ БЕЛЫХ ШУМОВ..............................................................................................................................77

Низкомолекулярные соединения

ГУБИН К.В., ХАНИНА М.А. ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАДЗЕМНОЙ ЧАСТИ URTICA CANNABINA L. ФЛОРЫ СИБИРИ......................................................................................................................89

ХАЛИЛОВ Р.М., МАМАТХАНОВ А.У., СОТИМОВ Г.Б., МАМАТХАНОВА М.А. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЛАНОРИНА ИЗ PSEUDOSOPHORA ALOPECUROIDES........................93

АСИЛБЕКОВА Д.Т., ТУРСУНХОДЖАЕВА Ф.М. ЛИПИДЫ ЛИСТЬЕВ CAPPARIS SPINOSA L.............97

СЕРКЕРОВ С.В., МУСТАФАЕВА С.ДЖ. НОВЫЙ КОМПОНЕНТ ACHILLEA FILIPENDULINA LAM.101

КАРПОВА Е.А., ХРАМОВА Е.П., ФЕРШАЛОВА Т.Д. ФЛАВОНОИДЫ И АСКОРБИНОВАЯ КИСЛОТА У НЕКОТОРЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА BEGONIA L..........................................................................105

АРТЕМКИНА Н.А., ГОРБАЧЕВА Т.Т. СОДЕРЖАНИЕ ФЕНОЛОВ В КОРЕ ЕЛИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ СУКЦЕССИИ БИОГЕОЦЕНОЗОВ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА............................111

БЕЖУАШВИЛИ М.Г., МУСАШВИЛИ Н.Д. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРОКАТЕХИНА И СИРИНГИЛА В КОЖИЦЕ ВИНОГРАДА КРАСНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СОРТОВ...................................117

СЫСОЕВА М.А., ЮМАЕВА Л.Р., ГАМАЮРОВА В.С., ЗИЯТДИНОВА Г.К., БУДНИКОВ Г.К., ХАЛИТОВ Ф.Г. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ ВОДНЫХ И СПИРТОВЫХ ИЗВЛЕЧЕНИЙ ЧАГИ...........................................................................................................121

Торф и продукты его переработки

ЖЕРЕБЦОВ С.И., МУСИН Ю.В., МОИСЕЕВ А.И. ВЛИЯНИЕ АЛКИЛИРОВАНИЯ НА СОСТАВ И ВЫХОД БИТУМОИДОВ ТОРФА....................................................................................................................125

Технология

СИМКИН Ю.Я., БЕСЕДИНА И.Н. ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ БРИКЕТОВ СУХОЙ ОКОРКИ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ...........................................................131

ЕПИФАНЦЕВА Н.С., СИМКИН Ю.Я. ВЛИЯНИЕ СРОКОВ ПОРАЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКИМ ШЕЛКОПРЯДОМ НА ПРОЦЕССЫ УГЛЕОБРАЗОВАНИЯ...............................................135

Чистова Н.Г. ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ СУХИМ СПОСОБОМ.............141

ПЕТРУШЕВА Н.А., ЧИСТОВА Н.Г., ЗАРИПОВ З.З., ЧИЖОВ А.П., АЛАШКЕВИЧ Ю.Д. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ....................................................................................................................................145

Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д., Петрушева Н.А. ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ РОСПУСКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ...............................................149

КОЖУХОВ В.А., АЛАШКЕВИЧ Ю.Д. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОЖЕВОЙ ГАРНИТУРЫ С УДАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПРИ РАЗМОЛЕ ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ.........................................153

АЛАШКЕВИЧ Ю.Д., МАРЧЕНКО Р.А., РЕШЕТОВА Н.С. ПРОЦЕСС БЕЗНОЖЕВОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ В УСТАНОВКЕ «СТРУЯ–ПРЕГРАДА»..................................................157

АЛАШКЕВИЧ Ю.Д., ВОРОНИН И.А., КОВАЛЕВ В.И., РЕШЕТОВА Н.С. РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ НЕТРАДИЦИОННЫМ СПОСОБОМ........................................................................165

Краткие сообщения

ШАЛДАЕВА Т.М. СОДЕРЖАНИЕ ФЛАВОНОИДОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ARTEMISIA ABSINTHIUM L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ....................169

Персоналии

АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ КУЧИН............................................................................................................171

История

ПАМЯТИ ВЛАДИМИРА НИКОЛАЕВИЧА КРЕСТИНСКОГО (08.04.1882 – 22.10.1939).......................173

Хроника

РЕШЕНИЕ IV ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ»...............................................................175

АВТОРСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ №2 (2009)............................................................................................................177

Сведения об авторах...........................................................................................................................................179

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2009. №2. С. 5–18.

Обзоры

УДК 630*813.11:577.15

ПЕРОКСИДАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИГНИНА И ЕГО МОДЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

© М.А. Айзенштадт*, К.Г. Боголицын

Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины, 17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: [email protected]

В обзоре рассмотрены литературные данные по применению ферментов суперсемейства пероксидаз растительного и грибного происхождения в качестве катализаторов процесса окисления лигнина и его модельных соединений пероксидом водорода. Дана сравнительная характеристика строения и механизма каталитического действия данных ферментов. Ферменты семейства пероксидаз грибного и растительного происхождения имеют схожее строение, однако отмечается более высокая стабильность и рН-оптимум для растительных пероксидаз. Сделан вывод о перспективности проведения исследований по изучению влияния функциональной природы, полимолекулярных свойств и закономерностей редокс-превращений в процессе каталитического окисления лигнинных веществ растительными пероксидазами.

Ключевые слова: ферменты, лигнинпероксидаза, марганецпероксидаза, лакказа, пероксидаза хрена, каталитическое окисление, лигнин, модельные соединения лигнина.

Введение

В настоящее время ведущую роль в окислительной деструкции лигнина отводят ферментам, относящимся к классу оксидоредуктаз, а именно к суперсемейству пероксидаз растений. Изучение данного суперсемейства ферментов ведется сравнительно давно. Первое упоминание о пероксидазах появилось в 1855 г., после того как Шейнбен провел окисление ряда органических соединений разбавленными растворами пероксида водорода в присутствии экстрактов из растений и животных. Однако выделением пероксидаз в сравнительно чистом виде и изучением основных их свойств наиболее полно занимался А.Н. Бах с сотрудниками, в ряде их работ 1903–1904 гг. сообщается о выделении пероксидазы и изучении ее каталитической активности [1].

Несмотря на вековую историю, интерес к изучению и использованию данных ферментов не ослабевает. Они являются достаточно широко используемыми в иммуноферментных анализах; на основе рекомбинантных пероксидаз разрабатываются высокочувствительные биосенсоры для определения различных соединений в сложных многокомпонентных смесях, в том числе и при анализе загрязнений в окружающей среде. В настоящее время они получают все более широкое распространение в исследованиях, связанных с изучением биотрансформации и биодеградации лигнина (одной из проблем целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности). Это одно из самых молодых направлений биотехнологии, получившее свое развитие после того, как удалось выделить данный класс окислительных ферментов, охарактеризовать и подтвердить их окислительную способность (лигнолитическую способность) по отношению к лигниноподобным веществам, устойчивым к действию других классов окислительных ферментов.

Рассматриваемое суперсемейство пероксидаз подразделяется на три класса на основе гомологии аминокислотных последовательностей. Класс I включает микробиальные пероксидазы, бактериальные каталазы – пероксидазы (КФ 1.11.1.6), дрожжевую цитохром С пероксидазу (КФ 1.11.1.5) и аскорбатпероксидазы растений (КФ 1.11.1.11). Класс II – это пероксидазы грибов, включающие лигнинпероксидазу (LiP), марганецпероксидазу (МпР) и секреторные пероксидазы растительного типа. Класс III – это классические пероксидазы растений, такие как пероксидаза хрена (HRP), арахиса и сои.

* Автор, с которым следует вести переписку.

М.А. АЙЗЕНШТАДТ, К.Г. БОГОЛИЦЫН

Пероксидазы двух последних классов (КФ 1.11.1.7) гликозилированы, содержат четыре дисульфидные связи и два катиона кальция на молекулу фермента [2, 58]. Большинством авторов [3–8] установлено, что наиболее перспективное применение для процесса окисления лигнина и его модельных соединений имеют следующие пероксидазы: лигнинпероксидаза, марганецпероксидаза и лакказа; в ряде работ [9–13] представлены данные по применению пероксидазы, выделенной из корней хрена. Основной функцией данных ферментов является прямое, как у LiP, или опосредованное медиатором (катионрадикалом у LiP, хелатированными органическими кислотами ионами Мn3+ у МnР) одноэлектронное окисление ароматических субстратов до соответствующих радикалов и двухэлектронное восстановление пероксида водорода до воды.

1. Особенности строения пероксидаз

Лигнинпероксидаза (LiP) является хорошо изученной пероксидазой грибного происхождения, вместе с другими грибными пероксидазами ее относят к классу II надсемейства пероксидаз. Молекулярная масса ее составляет около 40 кДа. Изоэлектрические точки лежат в области pI = 3,2–4,7.

Она обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в результате чего имеет способность окислять не только фенольные, а еще и нефенольные модельные соединения лигнина, ароматические эфиры и полициклические ароматические соединения. Изоферменты Н2 и Н8 имеют очень близкие структуры с единой общей укладкой, принципиально сходной с укладкой пероксидазы хрена (HRP) – типичного представителя класса III растительных пероксидаз. Однако четыре дисульфидных мостика изофермента Н2 (Cys3–Cys15, Cys14–Cys285, Cys34–Cys120, Cys249–Cys317) расположены иначе, чем четыре аналогичных мостика HRP [14]. LiP содержит как соседствующие с гемом, так и отдаленные Са-связывающие сайты, однако в ней отсутствуют дополнительные структурные элементы между α-спиралями F и G, характерные для пероксидаз класса III. Активный центр LiP сходен с закрытой структурой активного центра HRP (так называемый гемовый карман) и отличается от других гемсодержащих белков: глобинов, каталазы, хлоропероксидазы и др., у которых гем экспонирован наружу. Как и у HRP, у изоферментов LiP, по данным разных авторов, ион Fe3+ имеет пять [15] или шесть лигандов [16] (рис. 1). Вероятно, различия в трактовке связаны с тем, что в определенных условиях координационное число гемового железа может изменяться. В работе [17] показано, что фермент может переходить из одной формы в другую. При 25 °С высокоспиновое трехвалентное железо в ферменте преимущественно имеет пять лигандов, как у HRP, а при 2 °С и ниже – шесть. Таким образом, LiP так же, как и HRP, имеет вакантную позицию для координации шестого лиганда, расположенную напротив пятого. Спектральное сходство рассматриваемых пероксидаз подтверждается исследованиями [29, 30], данные пероксидазы принадлежат к гемопротеинам с высокоспиновым железом Fe3+. Полоса Соре и другие полосы поглощения в видимой области близки для данных ферментов (табл. 1).

8

ПЕРОКСИДАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИГНИНА …

Согласно литературным данным [18], предполагается, что для LiP и HRP окисление небольших субстратов происходит на δ-мезосайте гема (атом углерода между метильными группами 1 и 3, обеспечивающий перенос электрона от восстанавливающего субстрата окисленным интермедиатом фермента). Между тем LiP менее

способна к модификации мезосайта гема и быстро инактивируется пероксидом водорода, в отличие от HRP. Также было высказано предположение о существовании в молекуле LiP двух различных субстрат-связывающих центров. Прямыми доказательствами этого предположения являются данные рентгеноструктурного анализа нативного фермента, приведенные в работе [19]. Первый (неспецифический) субстрат – связывающий центр – находится на δ-мезосайте гема, а второй (специфический) – вблизи Тrр171, который необходим для окисления классических субстратов данной пероксидазы.

Сходство строения активного центра ферментов, а именно наличие проксимального гистидинового остатка, дистального гистидинового остатка и аргининового остатка, расположенных сходным образом, подтверждаются также с помощью ЯМР-спектроскопии [32].

Таблица 1. Полосы поглощения лигнинпероксидазы (LiP), Mn-зависимой пероксидазы (МnР) из Ph. chrysosporium и пероксидазы хрена (HRP) [31]

Форма фермента Максимумы полос, нмФерри-, высокоспиновая

LiP, pH 4,5 407 500 – – 632MnP, pH 4,5 406 502 – – 632HRP, pH 6,0 403 500 – – 641

Ферри-, низкоспиноваяLiP–CN 423 – 540 – –

MnP–CN 421 – 546 – –HRP–CN 422 – 539 – –LiP–N3 418 – 540 575 –

MnP–N3 417 – 542 580 –HRP–N3 416 – 534 565 –

Ферро-LiP 435 – – 556 –

MnP 433 – – 554 –HRP 437 – – 556 –

Ферро-СОLiP–СО 420 – 535 568 –

MnP–СО 423 – 541 570 –HRP–СО 423 – 541 575 –

LiP 38A H E S I R L V F H D S I A I S P 54…166 E L E L V W M L S A H S V A 179

MnP 37A H E V I R L T F H D A I A I S R 53…163 P F E V V S L L A S H S V A 176

HRP 33A A S I L R L HF H D C F VNGC 49…160S S D L V A L S G G H T F G 173

а) б)

Рис. 2. Гомология в области активного центра у LiP, MnP, HRP. Идентичные и сходные остатки выделены [33]: а – проксимальный гистидин; б – дистальный гистидин

Рис. 1. Структура активного центра пероксидазы

9


В настоящее время сложилось мнение, что субстраты классических пероксидаз растений можно разбить на три группы.

К первой относят двухэлектронные доноры электронов, для которых главным является связывание вблизи активного центра (у плоскости гема, иодит-ион) или даже проникновение внутрь активного центра.

Вторая группа представляет собой достаточно простые одноэлектронные ароматические субстраты, которые (как это было показано для феруловой кислоты) связываются вблизи активного центра HRP.

Третья группа – это субстраты, окисляющиеся по цепи переноса электронов.В случае первой группы субстратов, механизм их окисления включает перенос феррильного кислорода

на субстрат, для которого необходимо прямое взаимодействие субстрата с феррильным кислородом. Субстраты второй группы связываются вблизи активного центра фермента. В третьей группе субстратов, если предполагать отсутствие специфических взаимодействий субстрата с активным центром, субстратная специфичность определяется редокс-потенциалами субстратов и окисленных форм фермента и их стабильностью, так как каталитический процесс представляет собой окислительно-восстановительную реакцию. Это мнение основано на данных Данфорда о возрастании констант скорости восстановления окисленных форм фермента с ростом восстановительного потенциала в ряду замещенных аминов и фенолов [20–22].

В отличие от LiP и HRP марганецпероксидаза (МnР) не способна окислять наиболее устойчивые нефенольные подструктуры лигнина. Активность МnР полностью зависит от наличия Мn2+, который окисляется ферментом до Мn3+. Поэтому механизм действия МnР заключается в образовании сильного окислителя – Мn3+, который далее, независимо от фермента, окисляет различные соединения, т.е. служит в этой реакции редокс-медиатором. В настоящее время МnР найдена у нескольких десятков видов базидомицетов. Ее молекулярная масса составляет около 45 кДа, изоэлектрическая точка лежит в области pI = 3–4, содержание сахаров 10–17% [23]. Однако в литературе описаны некоторые истинные МnР, способные к марганецнезависимому окислению [24]. Так, МnР Ceriporiopsis subvermispora непосредственно окисляет некоторые ароматические амины, однако для окисления гваякола присутствие марганца необходимо. Структура МnР сходна со структурой HRP, LiP и других пероксидаз грибов и растений. Однако уникальной характеристикой фермента является марганецсвязывающий сайт. Сайт связывания Мn2+ в МnР впервые предсказан на основании гомологии фермента и LiP, а затем изучен рентгенографически в ферменте, закристаллизованном в присутствии Мn2+. Сайт его связывания расположен на поверхности белка и свободно доступен из раствора. Никаких других сайтов прочного продуктивного связывания Мn2+ в МnР не обнаружено, хотя ранее считалось, что сайт связывания марганца близок к δ-мезосайту гема в LiP и HRP (в нативном ферменте Мn2+ окружен четырьмя карбоксильными группами, одна из которых образует ионную пару с соседним остатком Argl77) [25]. Поэтому при окислении олигомерных фенольных моделей лигнина МnР гораздо менее реакционноспособна, чем LiP и HRP. Важным моментом является чувствительность ферментов к избытку пероксида водорода: LiP наиболее чувствительна к инактивации избытком пероксида водорода (инактивация наблюдается уже при 25-кратном его избытке), МnР менее чувствительна (требует 250-кратного избытка пероксида водорода), а наименее чувствительна HRP (выдерживает более чем 500-кратный избыток пероксида водорода), что характеризует последнюю как наиболее стабильную форму. Данный факт связан с повышением рН-оптимума этих ферментов (LiP – 3,0; МnР – 4,5; HRP – 6,0) [26].

Еще один фермент, относящийся к классу грибных пероксидаз (группа медьсодержащих оксидаз), – лакказа. Данный фермент один из немногих, исследуемых с конца XIX в. Все растительные лакказы являются мономерными белками с молекулярной массой 90–130 кДа и изоэлектрической точкой, находящейся в области pI = 3,0–5,1, и высоким содержанием углеводов 22–45%.[27]. До настоящего времени все функции лакказ не определены. Считается, что в растениях лакказы участвуют в синтезе лигнина, катализируя реакцию полимеризации структурных единиц лигнина, которая протекает по свободно-радикальному механизму. Основными физиологическими функциями грибных лакказ считается участие в процессах деградации лигнина, развития и морфогенеза грибов, в патогенезе и детоксикации. Однако лакказы не обладают специфичностью по отношению к субстрату-донору и способны катализировать окисление широкого круга неорганических и органических соединений. Таким образом, субстратами лакказы являются органические ароматические соединения, многие из которых представляют собой фенольные подструктуры лигнина. Разрушение нефенольных подструктур лигнина определяется

10


редокс-потенциалом Т1 центра фермента (редокс-потенциал лакказ не превышает 800 мВ, в то время как потенциалы ионизации большинства нефенольных подструктур лигнина весьма высоки, более 1,4 В) [28].

Таким образом, особенности строения вышеприведенных пероксидаз, обуславливающие их субстратную специфичность по отношению к лигнинным соединениям, достаточно хорошо изучены; данные пероксидазы имеют схожее строение активного центра, однако наиболее широкое применение в процессе окисления лигнина нашли грибные пероксидазы: МпР, LiP, лакказа. Что же касается пероксидазы хрена, то ее использование ограничено небольшим кругом исследований в области окисления простых мономерных фенольных структур. При этом, с точки зрения практического применения, необходимо отметить ее высокую стабильность и более высокий рабочий рН-оптимум, в отличие от грибных пероксидаз. Отмеченные факты дают возможность предположить перспективность использования фермента – пероксидазы хрена, как катализатора процессов биодеградации лигнина.

2. Обобщенная схема пероксидазного окисления субстратов

Рассмотрим каталитический цикл окисления субстратов пероксидаз. Как было отмечено выше, сходство строения активного центра рассматриваемых грибных (LiP, MnP, лакказа) и растительных пероксидаз (HRP) дает основание предположить однотипность протекания процесса окисления ими ароматических субстратов различной природы.

Согласно литературным данным, рассмотренные выше ферменты катализируют окисление различных электрон–донорных субстратов пероксидом водорода. Механизм их пероксидазного окисления является трехстадийным, включающим образование двух промежуточных соединений (рис. 3) [8].

Каталитический цикл гемсодержащих пероксидаз включает следующие этапы:1. Ферри-фермент подвергается двухэлектронному окислению пероксидом водорода, превращаясь в так

называемое «Соединение 1»;2. «Соединение 1» производит одноэлектронное окисление субстрата, восстанавливаясь в форму,

называемую «Соединением 2»;3. «Соединение 2» производит еще одно

одноэлектронное окисление субстрата, восстанавливаясь в исходный ферри-фермент (табл. 2).

В соответствии с вышесказанным, процесс окисления лигнина и родственных ему соединений включает следующие элементарные стадии:

1) окисление фермента пероксидом водорода;

2) одноэлектронное окисление субстрата окисленными формами фермента с образованием субстратного катион-радикала;

3) депротонирование и/или фрагментация катион-радикала, приводящие к дочерним радикалам;

4) одноэлектронное окисление дочерних радикалов окисленными формами фермента;

5) окисление дочерних радикалов кислородом с промежуточным образованием гидроперекисей.

Подтверждением корректности применения представленной схемы пероксидазного окисления по отношению к модельным соединениям и препаратам лигнина могут служить данные следующих исследований.

Рис. 3. Схема пероксидазного окисления субстрата (S), образующего катионрадикал

11


Так, проведенный в работах [36, 37] анализ стационарной кинетики пероксидазного окисления вератрилового спирта показал, что данная реакция протекает по обычному для пероксидаз «пинг-понг» механизму, согласно которому реакция фермента с одним из субстратов (Н2О2) приводит к образованию окисленной формы фермента, которая в свою очередь, взаимодействует со вторым субстратом (вератриловым спиртом). Стехиометрия окисления в данном случае 1± 0,05 моль Н2О2 на 1 моль вератрилового спирта.

При окислении фенил-гваякола, а также фенольных олигомеров с β-О-4-связью (ди-, три-, и тетрамера) соединение LiP I существенно активнее соединения 2. Константы скоростей окисления этих субстратов соединением LiP I в ряду ди-, три-, и тетрамера снижаются от 12 до 3,6 ·105 M–1с–1. Значения констант для соединений 2 тоже снижаются с увеличением размера субстрата. Однако диапазон изменения констант окисления олигомеров не превышает трех-четырех раз, что позволяет сделать предположение о несущественной роли длины субстрата в непосредственном окислении лигнина. Для стационарной реакции значения Km и kkat составляют 0,16 мМ и 7,7 с–1 (в литературе представлены данные по активности пероксидазы хрена в отношении гваякола: для стационарной реакции значение Кm составляет 0,27 мМ) [45].

При окислении олигомерных фенольных моделей лигнина соединение 1 Мn-пероксидазы значительно реакционноспособнее соединения 2, но гораздо менее реакционноспособно, чем LiP I. Константы скоростей окисления этих субстратов MnPI варьируют от 1·105 для гваяцильного димера до 1,1 ·103 M-1c-1 для тетрамера. МnРII обладает незначительной активностью к этим субстратам [40].

Таким образом, окисление субстратов различными пероксидазами осуществляется однотипно, с образованием промежуточных соединений 1 и 2, однако в силу структурных особенностей и свойств данных ферментов, эти соединения образуются с различной скоростью, характеризующей полноту протекания процесса окисления.

Далее проанализируем механизм каталитических редокс-превращений лигнинных соединений в условиях пероксидазного окисления.

Таблица 2. Полосы поглощения в спектрах окисленных форм LiP [34] и HRP [35]

ФерментМаксимумы, нм

Соединение 1 Соединение 2LiP 408, 550, 608, 650 420, 525, 556

HRP 400, 557, 662, 650 420, 527, 554

3. Механизм пероксидазного окисления лигнина и родственных ему соединений

Согласно представленному выше механизму пероксидазного окисления различных субстратов их превращение начинается с одноэлектронного окисления, приводящего к образованию катион-радикала. Поэтому при рассмотрении химических аспектов пероксидазного окисления лигнина основным является вопрос о трансформации образующихся катион-радикалов лигнина и родственных ему соединений. На рисунке 4 представлены наиболее типичные примеры превращений синтетических моделей лигнина, окисляемых пероксидом водорода в присутствии лигнинпероксидазы.

Основная часть этих реакций (1–3) интерпретируется на основе схемы, предложенной Шумейкером для описания превращений катион-радикалов фенилкарбинолов (1) (рис. 5).

Такие катион-радикалы (2) либо отщепляют протон и подвергаются повторному одноэлектронному окислению в кетоны или альдегиды (3) (путь А), либо распадаются на фрагменты с разрывом Сα–Сβ связи (путь В). Один из этих фрагментов представляет собой катион (4), теряющий далее протон и превращающийся в нейтральную молекулу (5), а другой – радикал (6), который окисляется ферментом или атмосферным кислородом. Соотношение этих альтернативных путей зависит от прочности Сα–Сβ связи в первичном катион-радикале. У первичных фенилкарбинолов (в частности, у вератрилового спирта) оба пути совпадают.

Для окислительно-гидролитического деметилирования (реакция 4, рис. 4) ключевой стадией, по-видимому, является атака воды на катион-радикал. Об участии воды в этой реакции свидетельствует включение кислородной метки в хинон при проведении реакции в среде Н2

18O [38]. Последняя реакция (реакция 5, рис. 4), представляет собой окислительное сочетание фенолов при их окислении пероксидом водорода, которое катализируется многими пероксидазами.

Наличие большого объема исследований в данной области все же не дает полного понимания о механизме действия ферментов на сам лигнин. LiP, MnP и лакказы считаются ключевыми ферментами в окислении фенольных и нефенольных структур лигнина до катионрадикалов, подвергающихся затем серии

12


неферментативных реакций, включающих расщепление С–С и С–О-связей и фрагментацию трехмерной сетки лигнина. Существует несколько мнений о действии ферментов на лигнин. Некоторые исследователи утверждают [8], что деполимеризация лигниновой матрицы и других высокомолекулярных субстратов опосредуется низкомолекулярным деметоксифенильным медиатором типа вератрола, образующим под действием фермента стабильную катионрадикальную частицу.

Рис. 4. Примеры превращений лигниноподобных соединений при лигниназном окислении

Ar C

OH

R

H

-eAr C

OH

R

H

-H+

Ar C

OH

R-e, -H+

Ar C

O

R

Ar C

OH

H+ R

Ar CHO-H+

A

B

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Рис. 5. Пероксидазное окисление арилкарбинолов [39]

Другие исследователи придерживаются иной точки зрения, что фермент способен непосредственно действовать на лигнин [40]. Известно, что окислительная деполимеризация ферментами модельных димеров лигнина с разными типами связей (рис. 6) не требует участия медиатора.

Далее рассмотрим более детально, как протекает пероксидазное окисление некоторых соединений, представляющих собой модели лигнина. В процессе окисления гваяцильных структур лигнина со свободной реакционной ОН-группой наблюдается инактивация фермента данными субстратами. Образующиеся при окислении данных фенольных субстратов феноксирадикалы не могут участвовать в реакциях переноса заряда, а в отсутствие катионрадикалов становится возможной реакция соединения II с пероксидом водорода с образованием неактивного соединения III [45].

13


Типичный пример данного явления – окисление фенольного субстрата феруловой (4-окси-3-метоксикоричной) кислотой. В ходе ее окисления наблюдается инактивация фермента по двум возможным путям. Первый – пероксид зависимая инактивация, вызванная накоплением соединения III даже при относительно низких концентрациях пероксида. Второй механизм инактивации включает взаимодействие феноксирадикалов или продуктов окисления феруловой кислоты с ферментом [47]. Так, в результате пероксидазного окисления феруловой кислоты пероксидом водорода наблюдается образование димеров и тримеров с последующей их дальнейшей полимеризацией (рис. 7) [48].

Данное явление наблюдается и для эвгенола, при окислении его пероксидом водорода в присутствии пероксидазы хрена (рис. 8) [49].

Гваякол (2-метоксифенол) также хорошо окисляется и соединением I и соединением II фермента, с образованием димера (рис. 9) [46]. Согласно представленной схеме, явление дальнейшей полимеризации не наблюдается, что объясняется строением данного соединения, а именно отсутствием заместителя в п-положении.

Данное предположение подтверждают работы [53, 54], в которых исследуется лигнинпероксидазное окисление препаратов лигнина, предварительно подвергнутых исчерпывающему метилированию. Этот процесс приводит не к конденсации, а к тем же низкомолекулярным продуктам деградации, что и окисление моделей лигнина.

Рис. 6. Модельные нефенольные димеры лигнина с разными типами связей: β-1 (1), β-О-4 (2) и β-5 (3)

14


Рис. 7. Образование димерных и тримерных структур в результате пероксидазного окисления феруловой кислоты пероксидом водорода

15


Рис. 8. Предполагаемая полимеризация структур, полученных в ходе пероксидазного окисления эвгенола пероксидом водорода

Рис. 9. Образования окрашенного продукта 3,3-диметокси-4,4-дибензохинона в ходе реакции пероксидазного окисления гваякола пероксидом водорода

Несколько иной характер носит ферментативное окисление диметоксилированных ароматических соединений. Так, 1,2,4,5-тетраметоксибензол окисляется пероксидом водорода в присутствии всех вышерассмотренных ферментов через катоионрадикал до 2,5-диметокси-п- и 4,5-диметокси-о-бензохинона в соотношении 4 : 1 с выделением двух молей метанола на моль субстрата. При этом в случае пероксидазы хинонные атомы кислорода заимствуются из молекул воды, т.е. происходит отщепление метоксильной группы как целого. Вообще, катионрадикалы являются короткоживущими промежуточными продуктами при окислении ди- и тетраметоксибензолов и их производных. Их образование включает как ферментативные так и целый ряд последовательных неферментативных стадий. Примером в данном случае может служить окисление 3,4-диметоксибензилового спирта (вератрола) до вератрового альдегида. В процессе окисления затрагивается не ароматическое кольцо, а, в основном, боковая цепь. Образующийся катионрадикал подвергается неферментативным превращениям в результате нуклеофильной атаки молекулой воды: происходит отщепление протона с образованием бензильного радикала (рис. 10) [44].

В аэробных условиях этот радикал может присоединять молекулу кислорода, образуя при этом оксибензилпероксирадикал. Разложение последнего дает супероксиданион и вератральдегид (до 83%).

Таким образом, при ферментативном окислении ароматических субстратов кислород отвечает за образование пероксирадикалов, которые могут затем вовлекать в цепные неферментативные реакции новые молекулы субстрата, значительно ускоряя его превращение. Но роль кислорода в данном процессе особенно

16


важна, так как необходимо преодолевать явление рекомбинации углеродных радикалов, образуемых при выбросе протона катионрадикалами – непосредственными продуктами ферментативного окисления.

Рис. 10. Неферментативное превращение катионрадикала вератрола и образование вератральдегида в аэробных условиях

За последнее время активно стали развиваться исследования, направленные на получение «синтетического лигнина» – вещества, сходного по структуре, свойствам и строению с природным лигнином (так называемый дигидрополимер – ДГП). Он образуется при пероксидазном окислении мономерных структур как гваяцильного, так и сирингильного ряда. Примером может служить процесс синтеза лигнина при пероксидазном окислении монолигнола синапового спирта (рис. 11) [50].

ДГП как близкий аналог природного лигнина широко применяется в научных исследованиях, поскольку можно управлять его молекулярной массой и мономерным составом, а также включать в нужные места изотопные метки.

Показано, что данный полимер – аналог елового лигнина – разрушается пероксидазой напрямую, согласно рисунка 12 [41].

В литературе приведены сведения о процессе окисления димерных соединений, принадлежащих к классу β-О-4 моделей, лигнинпероксидазой [51, 52]. Данные модели имитируют наиболее распространенный в лигнинах тип димерных фенилпропановых блоков. В молекуле субстрата, принадлежащего к классу β-О-4 моделей, присутствуют два несопряженных диалкоксифенильных остатка, которые могут окисляться лигнинпероксидазой независимо. Если реакция начинается с одноэлектронного окисления диметоксифенильной части молекулы, происходит либо Сα–Сβ -фрагментация первичного катион-радикала, приводящая к вератровому альдегиду (8) и продуктам (9), (10), либо его депротонирование и повторное окисление дочернего радикала в кетон (11) (рис. 13).

Если же реакция начинается с одноэлектронного окисления метоксифеноксильного фрагмента молекулы, то происходит гидролитическое расщепление С-О-связей в катион-радикале (в частности, ведущее к соединению (14)) или внутримолекулярная атака -гидро-ксильной группы с образованием промежуточного кеталя (15) (рис. 14).

Рис. 11. Димеризация монолигнолов сирингильного типа под действием системы пероксид водорода + пероксидаза хрена

17


Таким образом, катион-радикалам лигниноподобных веществ свойственно множество превращений. Выбор направления зависит от прочности Сα–Сβ -связи (фрагментация), доступности для атаки воды (гидролитическое деметилирование), вероятности одноэлектронного окисления дочернего радикала (образование кетонов и альдегидов без фрагментации), а также вида самого фермента.

Рис. 12. Пероксидазное окисление структуры лигнина с образованием ряда продуктов

Данные схемы наглядно демонстрируют, что природа и положение заместителей определяют распределение электронной и спиновой плотности, пространственные взаимодействия, а значит и ход реакции пероксидазного окисления. Так, для модельных соединений лигнина, имеющих заместителей в п-положении, свойственна полимеризация мономерных структур с образованием димеров и тримеров, что существенно снижает скорость их ферментативного окисления.

18


Рис. 13. Лигнинпероксидазное окисление модели лигнина типа β-О-4 в аэробных условиях. Основные реакции с разрывом С–С связей

Рис. 14. Лигнинпероксидазное окисление модели лигнина типа β-О-4 в аэробных условиях. Основные реакции с разрывом С–О связей

Заключение

Таким образом, анализ результатов исследований, приведенный выше, позволяет нам сделать следующие выводы.

1. Ферменты семейства пероксидаз грибного и растительного происхождения имеют схожее строение, однако отмечается более высокая стабильность и рН-оптимум для растительных пероксидаз.

2. Природными катализаторами процесса окисления являются растительные пероксидазы, которые входят в состав фенолоксидазно-пероксидазного комплекса ферментов и используются микроорганизмами для деструкции лигнина [42, 43].

3. Механизм пероксидазного окисления лигнина включает следующие основные стадии: – двухэлектронное окисление фермента пероксидом водорода с образованием соединения 1;

19


– одноэлектронное окисление субстрата окисленной формой фермента (соединением 1) с образованием субстратного катион-радикала и соединения 2;

– одноэлектронное окисления субстрата соединением 2 с образованием продукта окисления субстрата и восстановления исходной формы фермента.

Рассмотрение вопросов взаимодействия лигнина и его модельных соединений с комплексом пероксидаза – пероксид водорода свидетельствует о перспективности использования данного класса ферментов как катализаторов процесса окисления в силу их стабильности, специфичности и эффективности действия.

Поэтому, несомненно, актуальными и приоритетными для химии лигнина являются исследования по изучению влияния функциональной природы, полимолекулярных свойств и закономерностей редокс-превращений в процессе каталитического окисления лигнинных структур растительными пероксидазами.

Список литературы1. Андреева В.А. Фермент пероксидаза: участие в защитном механизме растений. М., 1988. 128 с.2. Газарян И.Г., Хушпульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений //

Успехи биологической химии. 2006. Т. 46. С. 303–322.3. Young R.A. and Akhtar M. Environmentally friendly technologies for paper industry. Canada : John Wiley &Sons, Inc.,

1998. 307 p. 4. Have R., Teunissen P.J. Oxidative mechanisms involved in lignin degradation by White-Rot Fungi // Chem. Rev. 2001.

№101. P. 3397–3413.5. Левит М.Н., Шкроб А.М. Лигнин и лигниназа // Биоорганическая химия. 1992. Т. 18. №3. С. 309–345.6. Беккер Е.Г. Выделение, свойства и основные закономерности действия лигнолитических ферментов (лакказы,

лигниназы, Мn- пероксидазы): Дис. … канд. хим. наук. М., 1993.7. Болобова А.В., Аскадский А.А., Кондратенко В.И., Рабинович М.Л. Теоретические основы биотехнологии

древесных композитов. Кн. II: Ферменты, модели, процессы. М., 2002. 343 с. 8. Shimada M., Higuchi L. Degradation of lignin // Wood and cellulosic chemistry / Ed. D. N.-S. Hon, N. Shiraishi.: N. Y. and

Basel: Mercek Dekker. 1991. P. 525–591.9. Стрельский В.А., Бейгельман А.В., Чупка Э.И. Спектрофотометрическое исследование кинетики окисления

модельных соединений и лигнина комплексом пероксидаза-Н2О2 // Химия природных соединений. 1982. №1. С. 109–112.

10. Стрельский В.А. Пероксидазное окисление лигнина и его модельных соединений: Дис. … канд. хим. наук. Л., 1986.11. Hewson W.D., Dunford H.B. Oxidation of p-Cresol by Horseradish Peroxidase Compound I // The Journal of Biological

chemistry. 1976. V. 251. №19. P. 6036–6042.12. Thompson D., Norbeck K., Olsson L., Constantin-Teodosiu D. Peroxidase-catalysed oxidation of Eugenol: formation oa a

cytotoxic metabolite (s) // The Journal of Biological chemistry. 1989. V. 264. №2. P. 1016–1021.13. Banci L., Bertini I., Bini T. et al. Binding of horseradish, lignin, and manganese peroxidases to their respective substrates //

Biochemistry. 1993. V. 32. №22. P. 5825–5831.14. Smith А.Т., Veitch N.C. Substrate binding and catalysis in heme peroxidases // Curr. Opin. Chem. Biol. 1998. V. 2. P. 269–278.15. Kuila D., Tien M., Fee J.A., Ondrias M.R. Resonance raman spectra of extracellular ligninase: evidence for a heme active

site similar to those of peroxidases // Biochemistry. 1985. V. 24. P. 3394–3397.16. Andersson L.A., Renganathan V., Chiu A.A. et al. Spectral characterization of diarylpropane oxygenase, a novel peroxide-

dependent, lignin- degradation heme enzyme // The Journal of Biological chemistry. 1985. V. 260. №10. P. 6080–6087.17. Andersson L.A., Renganathan V., Loehr T.M. et al. Lignin-peroxidase: resonance Raman spectral evidence for compound II

and for a temperature – dependent coordination-state equilibrium in the ferric enzyme // Biochemistry. 1987. V. 26. №8. P. 2258–2263.

18. Henricsen A., Smith A.T., Gajhede M. Structural alignment of rsAPX and CcP // The Journal of Biological chemistry. 1999. V. 274. P. 35005–35011.

19. Montellano O. Catalytic sites of hemoprotein peroxidases // Annu Rev. Pharmacol. Toxicol. 1992. V. 32. P. 89–107.20. Rodrigues-Lopez J.N., Gilabert M.A., Tundela J., Thorneley R.N. Reactivity of Horseradish peroxidase Compound II to -

ward substrates: kinetic evidence for a two-step mechanism // Biochemistry. 2000. V. 39. P. 13201–13209.21. Dunford H.B., Adeniran A.J. Hammet rho sigma correlation for reactions of horseradish

peroxidase Compound II with phenols // Arch. Biochem. Biophys. 1986. V. 251. P. 536–542.22. Van Haandel M.J., Claassens M.M., Van der Hount N. Differential substrate behavior of phenol and aniline derivatives dur-

ing conversion by HRP // Biochim. Biophys. Acta. 1999. V. 1435. P. 22–29.23. Schneegab I., Hofrichter M., Scheibner K., Fritsche W. Purification of the main manganese peroxidase isoenzyme MnP2

from the white-rot fungus Nematoloma frowardii // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1997. V. 48. P. 602–60524. Crestini C., DAnnibale A., Sermanni G.G., Saladino R. The reactivity of phenolic and nonphenolic residual kraft lignin

model compounds with Mn (II) - peroxidase from Lentinula edodes II // Bioorg. Med. Chem. 2000. V. 8. №2. P. 433–438.25. Gelpke M.D.S., Youngs H.L., Gold M.N. Role of arginine 177 in the Mn2+ binding site of manganese peroxidase // Eur. J.

Biochem. 2000. V. 267. P. 7038–7045.

20


26. Bockle В., Martinez M.J., Guillen F., Martinez A.T. Mechanism of peroxidase inactivation in liquid cultures of the ligni-nolytic fungus Pleurotus pulmonarius // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V. 65. №3. P. 923–928.

27. Marbach I., Harel E., Mayer A.M. Pectin a second inducer for laccase production by Botrytis cinerea // Phytochemistry. 1985. V. 24. P. 2559–2561.

28. Xu F. Effects of Redox potential and hydroxyl inhibition on the pH activity profile on fungel laccases // J. Biol. Chem. 1997. V. 272. №2. P. 924–928.

29. Tien M., Kirk Т.К. Lignin – degradating enzyme from Phanerocha ete Chrysosporium: purification, characterization and catalytic properties of a unique H2O2-requiring oxygenaze // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1984. V. 81. №8. P. 2280–2284.

30. Kuila D., Tien M., Fee J.A., Ondrias M.R. Resonance Raman spectra of extracellular ligninase: evidence for a heme active site similar to those of peroxidases // Biochemistry. 1985. V. 24. №14. P. 3394–3397.

31. Gold M.H., Wariishi H., Valli K. Degradation of 2,4-dinitrotoluene by the lignin-degradation fungus // ACS Symposium Se-ries. 1989. V. 389. P. 127–140.

32. La Mar G.N., Thanabal V., De Ropp J.S. Peroxidase catalyzed polymerization of phenol // Biochemistry. 1989. V. 28. №4. P. 1934.33. Godfrey B. J., Mayfield M.B., Brown J.A., Gold M.H. Characterization of a gene encoding a manganese peroxidase from

Phanerochaete Chrysosporium // Gene. 1990. V. 93. №1. P. 119–124.34. Renganathan V., Gold M.H. Role of molecular oxygen in lignin peroxidase reactions // Biochemistry. 1986. V. 25. №7.

P. 1626–1631.35. Dure L., Cormier M.J. Additional of the peroxidase // J. Biol. Chem. 1964. V. 239. P. 2351–2359.36. Tien M., Kirk Т., Bull C., Fee J.A. Steady-state and transident state kinetic studies on the oxidation of 3,4-dimetoxybenzyl alco-

hol catalyzed by the ligninase of Phanerochaete Chrysosporium Burds // J. Biol. Chem. 1986. V. 261. №4. P. 1687–1693.37. Glenn J.K., Gold M.H. Purification and characterization of an extracellular Mn (II) – dependent peroxidase from the lignin –

degradating basidiomycete, Phanerochaete Chrysosporium // Arch. Biochem. And Biophys. 1985. V. 242. №2. P. 329–341.38. Kersten P.J., Kalyanaraman В., Hammel K.E., Reinhammar В., Kirk Т.К. Mechanism of oxidative С alpha- С beta cleavage

of a lignin model dimmer by Phanerochaete Chrysosporium ligninase. Stoichiometry and involvement of free radicals // Biochem. J. 1990. V. 268. №2. P. 475–480.

39. Schoemaker H.E., Harvey P.J., Bowen R.M., Palmer J.M. On the mechanism of enzymatic lignin breakdown // FEBS Lett. 1985. V. 183. №1. P. 7–12.

40. Band L., Ciofi-Baffoni S., Tien M. Lignin and Mn peroxidase- catalyzed oxidation of phenolic lignin oligomers // Ibid. 1999. V. 38. №10. P. 3205–3210.

41. Kirk Т.К., Farrel R.L. Enzymatic «combustion»: the microbial degradation of lignin // Ann. Rev. Microbiol. 1987. P. 125–131.42. Cardwell E.S., Steellink С. The oxidation-reduction potentials of compound I/compound II and compound II/ferric couples

of horseradish peroxidases A2 and C // Biochem. Biophys. Acta. 1969. P.105–109.43. Loung M., Steellink С On the mechanism of enzymatic lignin breakdown // Phytochemistry. 1973. V. 12. P.2152–2157.44. Khindaria A., Grover T.A., Aust S.D. Evidence for formation of the veratryl alcohol cation radical by the lignin

peroxidase // Biochemistry. 1995. V. 34. P. 6020–6025.45. Koduri R.S., Tien M. Oxidation of quaiacol by lignin peroxidase. Role of veratryl alcohol // The Journal of Biological

Chemistry. 1995. V. 270. №38. P. 22254–22258.46. Laszlo J.A., Compton D.L. Comparison of peroxidase activities of hemin, cytochrom С and microperoxidase-11 in molecu-

lar solvents and imidasolum - based ionic liquids // J. Mol. Cat. B. 2002. V. 18. P. 109–120.47. Ward G., Hadar Y., Dosoretz C.G. Inactivation of lignin peroxidase during oxidation of the highly reactive substrate ferulic

asid // Enzyme Microb. Technol. 2001. V. 29. №1. P. 34–41.48. Outgenoeg G., Dirksen E., Ingemann S., Hilhorst R. Horseradish Peroxidase – catalyzed oligomerization of Ferulic Asid on a

Template of a Tyrosine – containing tripeptide // The Journal of Biological Chemistry. 2002. V. 277. №24. P. 21332–21340.49. Tompson D., Norbeck K., Olsson L., Constantin-Teodosiu D. Peroxidase-catalyzed oxidation of Eugenol: formation of a car-

botoxic metabolite (s) // The Journal of Biological Chemistry. 1989. V. 264. №2. P. 1016–1021.50. Holmgren A. Biochemical control aspects in lignin polymerization: Doctoral thesis, Royal Institute of Technology.

Stockholm, 2008.51. Kirk Т.К. Biochemistry and genetics of cellulose degradation // Acad. Press. Inc. 1988. P. 315–332.52. Hwang R.H., Kennedy J.F., Melo E.H.M A probable lignin structure by conformational analysis // Carbohydrate polymers.

1989. V. 10. №1. P. 15–30.53. Kurek В., Monties В., Odier E. Influence of the physical state of lignin on its degradability by the lignin peroxidase of

Phanerochaete Chrysosporium // Enzyme Microb. Technol. 1990. V. 12. №10. P. 771–777.54. Hammel K.E., Moen M.A. Depolymerization of a synthetic lignin in vitro by lignin peroxidase // Enzyme Microb. Technol.

1991. V. 13. №1. P. 15–18.55. Howes B.D., Feis A., Raimondi L., Smulevich G. The critical role of the proximal calcium ion in the structural properties of

horseradish peroxidase // The Journal of Biological Chemistry. 2001. V. 276. №44. P. 40704–40711.56. Klapper M., Hackett D.P. The Oxidatic Activity of Horseradish Peroxidase // The Journal of Biological Chemistry. 1963.

V. 238. №11. P. 3736–3742.57. Угарова Н.Н., Лебедева О.В., Савицкий А.П. Пероксидазный катализ и его применение. М., 1981. 92 c.58. Neilsen K.L., Indiani G., Henriksen A. et al. Differential activity and structure of highly similar peroxidases. Spectroscopic,

crystallographic and enzymatic analyses of lignifying Arabidopsis thaliana peroxidase A2 and HRP A2 // Biochemistry. 2001. V. 40. P. 11013–11021.

21


Поступило в редакцию 28 января 2009 г.

После переработки 8 мая 2009 г.

22


УДК 541.64:543.544

СТЕРИЧЕСКАЯ ЭКСКЛЮЗИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ

© А.С. Боймирзаев

Научно-технологический комплекс «Фан ва тараккиёт», Ташкентский государственный технический университет, ул. М. Голиб, 7а, Ташкент, 100174 (Узбекистан) E-mail: [email protected]

В статье обсуждены принципы проведения анализа и исследования молекулярно-массовых характеристик водорастворимых полисахаридов методом эксклюзионной хроматографии. Рассмотрен сравнительный анализ хроматографических свойств сорбентов и подвижных фаз в исследовании водорастворимых полисахаридов различной природы (нейтральной, кислой и основной). Для устранения влияния агрегированных макромолекул полисахаридов на процесс эксклюзионной хроматографии предложен альтернативный метод – асимметричное фракционирование течением под влиянием поля.

Ключевые слова: стерическая эсклюзионная хроматография, полисахариды, электростатические и полиэлектролитные эффекты, неподвижная фаза, подвижная фаза, детектор многоуглового рассеяния лазерного света, вискозиметрия, молекулярно-массовое распределение.

I. Введение

Водорастворимые полимеры синтетического и природного происхождения находят широкое применение при производстве материалов различного назначения, используемых в химической, текстильной, фармацевтической, пищевой, косметической промышленности, сельском хозяйстве, медицине и ветеринарии [1–7]. Среди синтетических водорастворимых полимеров, в основном, используются поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, полиакриловая и полиметакриловая кислоты [1].

К водорастворимым производным полимеров природного происхождения относятся эфиры целлюлозы и хитозан. Простые эфиры целлюлозы, например, Na-карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), Na-сульфат целлюлоза, обладают эмульгирующими, стабилизирующими, загущающими, клеящими, пленкообразующими свойствами и поэтому они играют важную роль в нефтяной, текстильной, пищевой, фармацевтической, косметической отраслях промышленности [2–4].

Уникальные свойства хитозана, включающие высокую биосовместимость и адгезию, а также возможности химической модификации, послужили серьезным основанием к его основному применению в биомедицине. Кроме того, он является перспективным материалом для создания композиционных полимерных пленок, волокон, ионообменников и т.д. [5–7].

Для воспроизводимого регулирования свойств водорастворимых полимеров, помимо химической структуры и степени замещения, к их важным характеристикам следует отнести молекулярно-массовое распределение (ММР), молекулярную массу (ММ) и зависящий от термодинамического качества растворителя радиус вращения. Средние ММ фракций обычно определяют вискозиметрическим или каким-либо другим методом, а для фракционирования из множества существующих методов наиболее эффективным зарекомендовала себя стерическая эксклюзионная хроматография (СЭХ) [8, 9]. Помимо фракционирования полимеров, этот метод является наиболее эффективным при изучении структурных изменений, происходящих в макромолекулах в процессах окисления [10, 11] и гидролиза [12–16], определении ММР при контроле чистоты полисахаридов, предназначенных для приготовления лекарств [17] и т.д. На основе разделения метода СЭХ лежит молекулярно-ситовый механизм, согласно которому

А.С. БОЙМИРЗАЕВ

макромолекулы, продвигаясь вдоль хроматографической колонки, разделяются в соответствии с их гидродинамическими размерами. Это условие строго соблюдается, когда полностью отсутствуют энтальпийные взаимодействия между ионогенными группами полимера и поверхностью сорбента. СЭХ гидрофильных полимеров имеет свои особенности. Это связано с тем, что многие гидрофильные полимеры являются полиэлектролитами и при их хроматографировании наблюдаются побочные эффекты, нарушающие механизм разделения СЭХ.

II. Общая характеристика СЭХ

Сущность метода СЭХ состоит в разделении высокомолекулярных соединений по размерам макромолекул в колонках, заполненных пористыми сорбентами, часто называемыми гелями, с широким диапазоном диаметра пор, а именно, в среднем от 8 до 500 нм.

К достоинствам СЭХ относятся: использование небольших количеств исследуемого образца (в пределах мг), широкий интервал ММР (103–107 г/моль) и кратковременность анализа [18].

Разделение при СЭХ достигается на основе гидродинамического объема индивидуальных макромолекул и благодаря тому, что поры гелей проницаемы только для молекул определенных размеров. При прохождении раствора полимера через колонку, макромолекулы полимера проникают в те поры геля, которые доступны им по размеру. Небольшие по размеру макромолекулы проникают наиболее глубоко в поры геля и удерживаются в колонке более длительное время, чем более крупные макромолекулы. Макромолекулы с размерами, превышающими размеры наибольших пор, не удерживаются в колонке и элюируются первыми (рис. 1).

Рис. 1. Схема механизма разделения макромолекул в СЭХ [18]

Объём элюирования VR макромолекул в СЭХ определяется из выражения:

VR = Vo + Kd Vp,

где Vo – свободный или межчастичный объем колонки; Vp – объем пор сорбента; Kd – коэффициент распределения. Общий объем СЭХ колонки определяется как Vo+Vp+Vматрицы, где Vматрицы – объем матрицы сорбента. Кd зависит от гидродинамического объема макромолекул и колеблется от нуля (молекулярный размер больше, чем самый большой размер пор) до единицы (размер молекул меньше размера самых маленьких пор): 0 ≤ Kd ≤ I.

На результаты СЭХ могут иметь влияние, например, адсорбция, ионная эксклюзия или деформация молекул из-за сил растяжения потока. Если растворы полисахарида содержат их агрегаты или ассоциаты, это может затруднить и даже сделать полностью невозможным процесс эксклюзионной хроматографии. В таком случае колонка действует как фильтр, который препятствует прохождению агрегата [18].

24

СТЕРИЧЕСКАЯ ЭКСКЛЮЗИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ …

II.1. Сорбенты для СЭХ

В качестве наполнительного материала колонок для СЭХ водорастворимых полисахаридов нашли применение жесткие носители: пористое стекло (биоглас), пористый силикагель (порасил), а также полужесткие и мягкие носители: сшитые сополимеры стирола и дивинилбензола (стирогель), поливинилацетатные, полиакриламидные и декстрановые (сефадекс) гели [9]. Ниже приводятся примеры, использующихся в последнее время, различных гелей. Так, например, в пористом силикагеле по эксклюзионному механизму выполнено разделение водных растворов декстранов Т-10, Т-20, Т-40, Т-70, Т-110, Т-161, Т-250, Т-500 [19]. Shodex ОН Pak KB 806 был применен для изучения ММР пуллулана с использованием в качестве подвижной фазы 0,05 н водного раствора NaH2PO4 при pH 4.95 [20]. ММР хитозана получено на высокосшитом полидивинилбензоле, используя в качестве элюента 4%-ный водный раствор уксусной кислоты [21]. Жесткий гель Jordi GBR (полидивинилбензол с привитой глюкозой) был использован при СЭХ декстранов с водной и водно-диметилсульфоксидной подвижными фазами [22]. Все еще используются сшитые декстрановые гели – сефадекс G-50 и G -100 [17], а также Superose 12 HR 10 [14]. Существенным недостатком декстрановых гелей является деструкция углеводной матрицы, обусловливающая появление пиков, не соответствующих разделяемым веществам [9]. В последнее время для исследования ММР водорастворимых эфиров целлюлозы широко используются TSK GM PW (Toya Soda, Япония) [23], PL Aquagel OH (Polymer Laboratories, Англия) [24] и PSS Suprema (Polymer Standard Service, Германия) [25].

II.2. Хроматографы и методы детектирования при эксклюзионной хроматографии полисахаридов

Для СЭХ используются жидкостные хроматографы различных фирм-производителей (Хьюлет-Паккард, Дюпон, Бекман, Вариан, Шимадзу, Алтекс и др.), которые выпускают, помимо самих приборов, комплектующие части к ним, насосы, детекторы, упакованные сорбентом колонки, инжекторы, фильтры и др.

Исходя из поставленных задач, для хроматографического исследования выбирается подходящий хроматограф и укомплектовывают его соответствующими колонками и чувствительными детекторами [18]. В связи с низкой концентрацией вводимого образца полимера к чувствительности детекторов предъявляются особые требования. В СЭХ применяют следующие типы детекторов: дифференциальные рефрактометры [21, 22], фотометр многоуглового лазерного светорассеяния (ФМЛС) [10–12, 26–28], реже используют УФ детекторы [8, 9].

Дифференциальные рефрактометры измеряют непосредственно отклонение светового пучка, обусловленное различием в показателях преломления образца и эталонной жидкости. С его помощью можно определить небольшие изменения показателя преломления. Показатель преломления ∆n пропорционален изменению плотности ∆ρ (при концентрации полимера ∆с) раствора. Недостаток рефрактометрических детекторов – высокая чувствительность к изменениям температуры. Повышение температуры вызывает увеличение уровня шумов [8].

При малоугловом лазерном рассеянии света измерения проводят в интервале углов 2–10°. Поскольку объем рассеяния света геометрически определен, получаемые значения Мw представляют собой абсолютные величины. Достоинством такого детектора является то, что проблема осветления раствора образца для исследования сводится к минимуму, что связано с очень маленьким объемом (0,1 мкл) рассеивания. Кроме того, этот метод детектирования не сопряжен с деструкцией полимеров; обеспечивает возможность абсолютной калибровки при определении ММ; высокая чувствительность позволяет исследовать небольшие объемы разбавленных растворов образцов; конструкция измерительной кюветы позволяет исключить фоновое рассеяние; длинноволновый лазерный излучатель дает возможность исключить флуоресценцию. Поэтому этот метод детектирования нашел широкое применение в СЭХ водорастворимых полисахаридов для определения ММ, радиуса вращения и ММР [10–12, 26–29]. Недостатком детектора малоуглового лазерного светорассеяния является то, что СЭХ более низкомолекулярных фракций невоспроизводима и эта проблема увеличивается из-за более низкой интенсивности сканирования света [18, 26].

С помощью ФМЛС и рефрактометрического детектора в СЭХ можно определить абсолютные значения молекулярных масс исследуемых полимеров и не требуется провести калибровки колонок с полимерными стандартами [12, 18, 30, 31]. Используя такой хроматограф, авторы работы [28, 32, 33] для водорастворимых простых эфиров целлюлозы определили ММР, ММ и RG. При проведении СЭХ метилгидроксиэтилцеллюлозы (МГЦ) [28] элюент дегазировали с использованием дегазатора ERK 3315а.

25


Пробы вводили через автоматизированный узел ввода НР серии 1100 (Хьюлетт Паккард). Непосредственно перед колонками установлен поликарбонатный фильтр с размерами пор 0,8 мкм (Nucleopore, Cornino Costar Bodenheim). Для фракционирования МГЦ использованы четыре TSK PW XL колонки, установленные в порядке уменьшения размеров пор (TSK G 6000 PW XL, G 5000 PW XL, G 4000 PW XL и G 3000 PW XL). Колоночный термостат служит для поддержки постоянной температуры 25 °С в эксклюзионных колонках. Детекторами служили ФМЛС и дифференциальный рефрактометр. Измеренные данные вносятся в стандартный персональный компьютер (ПК) с программой ASTRA 2.11в и просчитывается в версии ASTRA для Windows 4.73.04.

Диаграмма элюирования раствора образца МГЦ с мономодальной кривой для концентрационного (рефрактометрического) (сплошная линия) и светорассеянного (пунктирная линия) сигналов показана на рисунке 3. На графике приведены также кривая для ММ (абсцисса слева) и радиус вращения в интервале от 100 до 30 нм (абсцисса справа). Отсюда определены средневесовая ММ Мw = 318 000 г/моль и средний радиус вращения RG= 67 нм [28].

В ФМЛС светорассеивающая кювета дает возможность on-line детектирования (т.е. «в темпе поступления информации») полимерных молекул в потоке элюента. Информация по ММ здесь может быть получена непосредственно как функция интенсивности рассеяния. Использование ФМЛС имеет то преимущество, что информация о радиусе вращения (RG) молекул больше, чем λ/20 может быть получена на угловой зависимости рассеяния света [18]:

Кс/Rj = 1/М + 16π2 no2RG

2sin2 (j/2)/3Мλ + …, (1)

где K = 4 π2 no2 (dn/dc)2/NAλ4, Rj = Ij h2/IoVs.

Интенсивность рассеяния света при угле j, I j вносится как понижающий параметр Rj, который нормализует до интенсивности падающего излучения Io и расстояние от детектора h, от рассеивающего объема Vs. Интенсивность рассеянного света зависит от ММ и от радиуса вращения RG.

Необходимо учитывать, что определение функции распределения производных целлюлозы при сочетании рефрактометрического детектора с ФМЛС возможно лишь в случае изолированных клубков в системах растворителей, которые не формируют агрегаты, а образуют дисперсии.

26


Рис. 2. Схема хроматографа для СЭХ [24]. 1 – элюент, 2 – дегазатор, 3 – насос, 4 – пульсирующий демпфер, 5 – фильтр, 0,02 мкм, 6 – автоматический узел ввода пробы, 7 – фильтр, 0,8 мкм, 8 – защитная колонка, 9 – СЭХ колонка, 10 – дифференциальный рефрактометр, 11 – ФМЛС , 12 – слив, 13 – ПК

Рис. 3. Диаграмма элюирования метилгидроксиэтилцеллюлозы с кривыми сигнала рефрактометрического детектора (—) и сигнала детектора многоуглового лазерного светорассеяния (---), а также радиуса вращения (RG) и молярной массы (Мw) [24]

II.3. Роль подвижной фазы в СЭХ водорастворимых полисахаридов

В качестве подвижной фазы при СЭХ водорастворимых полисахаридов используются вода в случаях минимальных взаимодействий элюируемых веществ с пористыми частицами неподвижной фазы или друг с другом и растворы электролитов. Вода применяется в основном при СЭХ нейтральных полисахаридов совместно, например, полужесткого геля сефадекс С-15 [34] и полиакриламидных гелей [35].

При СЭХ полисахаридов, содержащих кислые или основные функциональные группы, в случае использования воды имеют место электростатические взаимодействия растворенного вещества с неподвижной фазой. Для подавления такого взаимодействия иногда прибегают к повышению температуры колонки [35]. Однако это не всегда дает ожидаемый эффект. Последний достигается, если в качестве

27


элюента применяют растворы электролитов, оптимальную концентрацию которых необходимо определять для каждого конкретного случая [9]. Некоторые полисахариды, например, арабиногалактан, наряду с полиэлектролитными эффектами способны образовывать в воде ассоциаты [36]. Для подавления полиэлектролитных эффектов и разрушения ассоциатов арабиногалактана авторы [32] применили элюент, содержащий фосфорную кислоту и бромистый литий.

На TSK PW колонках в зависимости от разделяемых полисахаридов были использованы различные элюенты [37]. По причине отрицательной заряженности этих гелей неионные полисахариды, во избежание адсорбционных явлений, фракционированы 0,1 М раствором нитрата натрия. В этих же условиях происходит разделение анионных полисахаридов без взаимодействия с неподвижной фазой. При элюировании водой нормальные хроматограммы получены лишь для низкомолекулярного декстрана. При фракционировании катионных полимеров для снижения адсорбционных взаимодействий использован в качестве элюента 0,5 М раствор уксусной кислоты, содержащий 0,3М сульфата натрия. Причем уменьшение концентрации последнего до 0,1 М приводило к невоспроизводимым результатам.

Гидрофильные катионные полимеры, гликольхитозан, ДЭАЭ-декстран успешно фракционируются в 0,8 М нитрате натрия. Однако концентрация нитрата натрия ниже 0,4 М недостаточна для предотвращения адсорбции. В таблице 1 приведены отдельные полимеры для СЭХ водорастворимых полисахаридов различной природы (нейтральной, кислой и основной) с условиями проведения хроматографического процесса, включающими используемые колонки, элюенты и тип детектора.

III. Влияние концентрации полимера на процесс элюирования

При отсутствии межмолекулярных взаимодействий макромолекул полимера объем элюирования VR

остается постоянным вплоть до критической концентрации С* полимера (рис. 4). Это справедливо для нейтральных и анионных полисахаридов. Например, для ксантана или сукциногликана критическая концентрация С*<0,1 г/л [45]. Выше критической концентрации объем элюирования увеличивается. Концентрационные эффекты особенно ярко проявляются при исследовании полиэлектролитов в СЭХ.

Таблица 1. Условия для стерической эксклюзионной хроматографии для полисахаридов различной природы

Полисахариды Неподвижная фаза, колонка, температура Подвижная фаза Детектор Литература

НейтральныеЛаминародекстрины Сефадекс G-15

(100 0,5) смВода Рефрактометр 34

Галактоманнан, галактан Биогель P-100(48 0,1) см

50 мМ, АсONa, pH 5,2 УФ, 490 нм 38

2 колонки TSK PW (6000+5000)

0,1 М LiNO3 Рефрактометр 39

Галактоолигосахариды Shodex KS-802,(30 0,8) см, 80 °С

Вода Рефрактометр 35

Олигосахариды Biogel P-2, P-6, (25х0,46) см

0,1M NaCl УФ,232 нм 40

Декстрины Jordi GBR (25 0,46) см

Вода+ДМСО Дифференциальный рефрактометр

22

Гидроксиэтилцеллюлоза TSK PW 6000, 5000, 4000, 3000 (25 0,46) см

0,1 М NaNO3 Дифференциальный рефрактометр +

многоугловое лазерное светорассеяние

18

Амилоза, амилопектин Силикагель с диольной фазой (25 0,46) см

ДМСО+МеОН (15%) +АсОNH4

Дифференциальный рефрактометр

41

КислыеПектин TSK PW 6000, 5000,

4000, 3000 (30 0,7) см, 30 °С

0,44 М АсОН+0,06М АсОNa+0,1М

Na2SO4+ 1 мл пропионовой кислоты

- // - 41

Рамногалактуровая фракция гидролизата пектина

TSK HW503 или HW 55S

(50 0,25) см

50 мМ AcONH4 буферный раствор,

рН 5,2

- // - 42

28


Альгинат натрия, гиалуронат натрия, карбоксиметилцелюлоза, хондроитин сульфат натрия

TSK GM PW(60 0,75) см

0,1 М NaNO3 - // - 37

ОсновныеХитозан Поливинилбензол,

(25 0,46) см4%-ный водный АсОН - // - 21

Пиперазин производные хитозана

TSK GMPWXL

2 (30 0,75 см)0,3 М АсОH (рН 4,5) +

0,2 М ацетат натрияДетектор по

многоугловому рассеянию света, рефрактометр,

вискозиметр

43

Гликольхитозан TSK GM PW(60 0,75) см

0,5 M АсОН +0,3 М Na2SO4 или 0,8 М

NaNO3

Дифференциальный рефрактометр

37

Хитозан ацетат, кватернизированный амилопектин

Пористый силикагель с привитыми

аммонийными. группами

0,05 М АсОNH4 - // - 44

Так, макромолекулы полиэлектролита при продвижении вдоль хроматографической колонки испытывают на себе действие двух факторов. В соответствии с молекулярно-ситовым эффектом молекулы с большей ММ занимают положение в передней части хроматографической зоны. При этом начинает действовать эффект, связанный с зависимостью размеров молекул полиэлектролитов от их концентрации в растворе. Более крупные молекулы, попавшие в переднюю часть зоны, где концентрация раствора меньше, чем в центре, дополнительно «разворачиваясь», увеличиваются в размерах и «догоняют» молекулы, движущиеся в центральной части хроматографической зоны. Последняя в результате этого приобретает сильно вытянутый передний фронт и резко обрывающийся задний. На выходе из колонки хроматограмма имеет такой вид, который дает возможность заключить о полиэлектролитной природе элюируемого вещества. В таких случаях необходимо устранить влияние концентрации полимера на форму хроматограмм и объем элюирования разделяемых макромолекул оптимальным подбором ионной силы или рН раствора. Поэтому при интерпретации подобной хроматограммы в процессе определения ММР следует учитывать не только калибровочную зависимость, установленную для данной системы, но и концентрационный эффект, связанный с набуханием полимерного клубка.

Рис. 4. Влияние концентрации декстрана на объем элюирования. Декстран T-40, Mw=40 000, растворитель: Н2О-этиленгликоль (1%) [45]

При высоких концентрациях полимера (>C*) селективность фракционирования по ММ снижается. Следовательно, для получения оптимальных результатов необходимо вводить в колонку раствор образца полимера с концентрацией ниже критической С* [45].

29


IV. Влияние агрегации молекул на элюционные свойства полисахаридов

При подготовке образцов полисахаридов к анализу методом СЭХ часто возникают проблемы, связанные с образованием в растворах ассоциатов и агрегатов в зависимости от рН или ионной силы раствора [26, 27]. Ответственными за агрегацию макромолекул полисахаридов могут быть кулоновские силы, гидрофобные взаимодействия или образование водородных связей. В этом случае для предотвращения агрегации используются те же методы, которые применяются для устранения или уменьшения адсорбции. Если полисахариды, например, водорастворимые производные целлюлозы, содержат в растворе агрегированные или немолекулярные дисперсии, такие супрамолекулярные структуры не способны проникать через промежутки между частицами геля в эксклюзионных колонках и не будут извлечены после того, как элюент пройдет через колонку [18]. В таких случаях диаграмма элюирования получается ошибочной, поскольку неизвестно, какая часть макромолекул удерживается в агрегированных структурах. Определение в процентах количества полимера, действительно прошедшего через колонку, позволяет оценить качество фракционирования и значение функций полученного распределения, например, при СЭХ водорастворимых производных целлюлозы (табл. 2)

Таблица 2. Средняя ММ, радиус вращения и выход некоторых производных целлюлозы, полученные при фракционировании методом СЭХ [18]

Образец Мw 10–3, г/моль Mw/Mn RG, нм Выход, масс.%Метилцеллюлоза (МЦ)

МЦ1 65 2,4 36 94 ± 10МЦ2 183 3,9 47 90 ± 10МЦ3 166 2,7 48 85 ± 10МЦ4 231 4 61 84 ± 10МЦ5 351 2,2 78 83 ± 10

Метилгидроксиэтилцеллюлоза (МГЭЦ)МГЭЦ 1 297 2,1 71 99 ± 10МГЭЦ 2 335 2,6 82 98 ± 10МГЭЦ 3 360 2,9 90 92 ± 10МГЭЦ 4 299 2,3 72 87 ± 10МГЭЦ 5 294 2,9 76 72 ± 10

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)КМЦ 1 176 3,2 60 96 ± 10КМЦ 2 375 2,9 95 95 ± 10КМЦ 3 839 1,4 135 42 ± 10

Как видно из таблицы 2, степень выхода образцов метилцеллюлозы и карбоксиметилцеллюлозы уменьшается с увеличением молекулярной массы Мw с 94 до 83% и с 96 до 42%, соответственно, в то время как для образцов метилгидроксиэтилцеллюлозы такой закономерности не наблюдается. Для значений с низким процентом извлечения функция распределения несет в себе непредсказуемость доли агрегированного полимера высокой ММ. По причине неопределенности состава агрегированных структур возникают трудности при интерпретации функции распределения, получаемой при фракционировании методом СЭХ.

Избежать влияния адсорбции и агрегации при определении ММ можно, если использовать альтернативный метод СЭХ – метод асимметричного фракционирования течением под влиянием поля (АФТП) [18, 46]. В отличие от СЭХ и других хроматографических методов разделение по ММ этим методом происходит в асимметричном канале, заполненном элюентом. К потоку элюента через всю поверхность канала прикладывается внешнее поле или подается второй поток растворителя под углом 90° [18]. Этот поток продвигает введенный в канал образец к противоположной стенке канала, формируя, таким образом, равновесный слой, толщина которого различна и зависит от присущего макромолекулам коэффициент диффузии. Поток элюента, текущего вдоль канала, имеет параболический профиль, так как в центре канала скорость течения элюента является наибольшей. Под влиянием поперечного потока макромолекулы большего размера сдвигаются к противоположной стенке сильнее, чем молекулы меньшего размера. Благодаря более высокому коэффициенту диффузии молекулы меньшего размера быстрее входят в поток параболического профиля и элюируются раньше более крупных молекул. Все другие аспекты описанного выше метода: ввод образца, двойное детектирование (рефрактометрическое и ФМЛС ), обработка

30


полученных данных – такие же, как и при СЭХ [18]. Метод АФТП позволяет разделять полимеры с широким диапазоном ММ (от 103 до 1012), что соответствует размеру частиц от 10–3 до 1 мкм, а также определять, помимо ММ, и радиус вращения. Результаты, полученные авторами работы [18], показали, что фракционирование частично агрегированных водорастворимых производных целлюлозы предпочтительно проводить методом асимметричного фракционирования под влиянием поля.

V. Заключение

Несмотря на многочисленные проблемы, рассмотренные в обзоре, СЭХ является важным аналитическим методом, ценность которого состоит в возможностях эффективного фракционирования водорастворимых полисахаридов, изучения их структурных изменений в процессах окисления или гидролиза, определения молекулярной массы, радиуса вращения и молекулярно-массового распределения. Этот метод имеет большое значение при идентификации, проведении кинетических исследований, происходящих с участием полисахаридов, контроле процессов кислотного и ферментативного гидролиза, а также при контроле чистоты полисахаридов, предназначенных для пищевой и фармацевтической промышленности.

Список литературы

1. Geoffrey Lee. Surfactants and Polymers in Drug Delivery. Drugs and the Pharmaceutical Sciences. Marcel Dekker, New York, Basel, 2002. V. 122. 336 p.

2. Huan-ying Shi, Li-ming Zhang, Yu-qian Ma, Ju-zhen Yi. Synthesis and Characterization of Water-Soluble Cellulose Derivatives with Thermo- and pH-Sensitive Functional Groups // Journal of Macromolecular Science. 2007. Part A. V. 44. №10. P. 1109–1113.

3. Кряжев В.Н., Широков В.А. Состояние производства эфиров целлюлозы // Химия растительного сырья. 2005. №3. С. 7–12.

4. Fiedorowicz M., Kapusniak J., Karolczyk-Kostuch S .Selected novel materials from polysaccharides // Polimery. 2006. V. 51. №7–8. P. 517–523.

5. David L. Kaplan. Biopolymers from Renewable Resources. Springer. 1998. 417 p. 6. Kumar M.N.V.R. A review of chitin and chitosan applications // Reactive and Functional Polymers. 2000. V. 46. P. 1.7. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / Под. ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихорева, В.Г. Варламова.

М., 2002. 368 с.8. Teresa M., Laguna R., Medrano R., Plana M.P. and Tarazona M.P. Polymer characterization by size-exclusion chro-

matography with multiple detection // Journal of Chromatogr. A . 2001. V. 919. P. 13–19.9. Mori S, Barth H.G.Size-exclusion chromatography. Berlin, Springer. 1999. 234 p.10. Tsuguyuki S. Misahiro Y., Akira I. TEMPO mediated oxidation of native cellulose: SEC-MALLS analysis of water

soluble and insoluble fractions in the oxidized products // Cellulose. 2005.V. 12. №3. P. 305–315.11. Izumi S., Masahiro Y., Tsugyuki S., Akira I. SEC-MALLS analysis of cellouronic acid prepared from regenerated cel -

lulose by TEMPO-mediated oxidation // Cellulose. 2006. V. 13. №1. P. 73–80.12. White D.R., Hudson P., Adamson J.T. Dextrin characterization by high-perfomance anion-exchange chromatography-

pulsed amperometric detection and size-exclusion chromatography-multiangle light scattering – refractive index detec -tion // J. Chromatogr. A. 2003. V. 997. №1–2. P. 79–85.

13. Cohen A., Schagerlof H., Nilsson C., Melander C., Tjerneld F., Gorton L. Liquid chromatography-mass spectroscopy analysis of enzyme-hydrolysed carboxymethylcellulos for investigation of enzyme selectivity and substituent pattern // J. Chromatogr. A. 2004. V. 1029. №46. P. 3.

14. Melander M., Vuorinen T. Determination of the degree of polymerization of carboxymethylcellulose by size-exclusion chromatography // Carbohydrate Polymers. 2001.V. 46. №3. P. 227–233.

15. Liu Yi-jun, Jang Yin, Feng Yun-fang, Han Dong Cin. Investigation of molecular weight and molecular weight distribution of chitosan and its product destruction by gel-permeation chromatography// J. Funck. Polym. 2004. №4. P. 671–674.

16. Новиков В.Ю. Кислотный гидролиз хитина и хитозана // Журнал прикладной химии // 2004. Т. 77. №3. С. 490–493.17. Чушенко В.Н., Дихтярев С.И., Шабатура О.А., Карамова О.Е. Использование гель-хроматографии в

исследовании и анализе полисахаридов // Фармаком. 2001. №1. С. 56–61.18. Kulicke W.-M., Clasen C., Lohman C. Characterization of water-soluble cellulose derivatives in term of the molar

mass and particle size as well as their distribution // Macromol. Symp. 2005. V. 223. P. 151–174.19. Eltekov A.-Yu. Liquid chromatography of dextrans on porous silica beds // J. Chromatogr.A. 2005. V. 1100. №1.

P. 15–19.20. Shingel K.I., Tsarekov V.M., Petrov P.T. Size-exclusion chromatography study of the molecular weight distribution of

γ-irradiated pullulan // Carbohydr.Research. 2000. V. 324. №4. P. 283–287.21. Хабаров В.Б., Пронин А.Д., Гринь А.Б., Самуйленко А.Я. Изучение молекулярно-массового распределения

полимерных молекул хитозана методом ВЭЖХ // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. Казань, 12–17 июня 2006 г.М., 2006. С. 139–145.

31

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00219673

http://books.google.de/books?q=inpublisher:%22Springer%22&hl=ru&source=gbs_summary_r&cad=0

http://www.informaworld.com/smpp/title~content=t713597274~db=all~tab=issueslist~branches=44#v44


22. Merienne S., Busnel J-P., Fricoteaux F., Frudhomme J.-C. Size-exclusion chromatography of dextrans in DMSO as eluent // J.Liq.Chromatogr.and related technol. 2000. V. 23. №11. P. 1745–1756.

23. Hoogendam C.W., de Keizer A, Cohen Stuart M.A. and Bijsterbosch B.H. Persistence Length of Carboxymethyl Cellu-lose As Evaluated from Size Exclusion Chromatography and Potentiometric Titrations // Macromolecules. 1998. V. 31. №18. P. 6297–6309.

24. Beister J. Bestimmung von Molmassen, Teilchengrossen und deren Verteilungen an hydrofob und hydrophyl modifizieren Cellulosederivaten. Zur Erlangung der Doktorgrades des Fachbereiches Chemie der Universitat Hamburg. 2001.

25. Boymirzaev A.S.Size-exclusion chromatography of water-soluble cellulose esters // Russian Journal. Phys.Chem. 2006. V. 80. №8. P. 1347–1349.

26. He feng-ga.Study of polysaccharides of mustard // Spectrosc. and Spectral Anal. 2006. V. 26. №2. P. 321–323. 27. Berggen R., Berthold F., Sjoholm E., Lindstrom M. Improved methods for evaluating the molar mass distributions of

cellulose in kraft pulp // J. Appl. Polym. Sci. 2003.V. 88. №5. P. 1170–1179.28. Pfefferkorn P.,Beister J., Hild A., Thielking H., Kulicke W.-M. Determination of the molar mass and the radius of gy-

ration, together with their distributions for methylhydroxyethylcelluloses // Cellulose. 2003. V. 10. P. 27–36.29. Masahiro Y., Izumi S., Akira I. SEC-MALLS analysis of softwood kraft pulp using LiCl/1,3-dimethyl-2-imidasol-

dinone as an eluent // Cellulose. 2005. V. 12. №2. P. 151–158.30. Dupont A.-L., Mortha G. Comparative evaluation of size-exclusion chromatography and viscometry for the characteri -

zation of cellulose // J. Chromatog. A. 2004. V. 1026. №1–2. P. 129–141.31. Wittgren B, Stefansson M and Porsch B .Interaction between sodium dodecyl sulphate and non-ionic cellulose deriva -

tives with online multiangle light scattering and refractometric detection // J. Chromatogr. A. 2005. V. 1082. №2. P. 166–175.

32. Porsch B, Andersson M, Wittgren B, Wahlund KG. Molecular mass distribution analysis of ethyl(hydroxyethyl)cellu -lose by size-exclusion chromatography with dual light-scattering and refractometric detection // J. Chromatogr. A. 2002. V. 946. №1–2. P. 69–81.

33. Keary M. Characterization of METHOCEL cellulose ethers by aqueous SEC with multiple detectors // Carbohydrate Polymers. 2001.V. 45. №3. P. 293–303.

34. Wu, Chi-San . Column Handbook for Size Exclusion Chromatography. 1999, Academic Press. 461 p.35. Kimura K., Matsimoto K., Ishahara C., Harada K., Miyagi A. Structure determination of galacto-oligosaccharides by

pyridylamination and NMR spectroscopy // Carbohydrate Res. 1995. V. 270. P. 33–42.36. Медведева С.А., Александрова Г.П., Танцирев А.П. Гель-проникающая хроматография арабиногалактана //

Известия вузов. Лесной журнал. 2002. №6. С. 104–114.37. Kato Y., Matsuda T., Hashimoto T. New gel permeation column for the separation of water soluble polymers //

J. Chromatogr. 1985. V. 332. P. 39–42.38. Petkowicz C.L.O., Milas M., Mazeau K., Bresolin T. etс. Conformation of galactomannan: experimental and modelling

approaches // Food Hydrocolloids. 1999. V. 13. №3 . P. 263–266.39. Parker A., Lelimonsin D., Minion C.,Boulenguer P. Binding of galactomannans to kappa-carrageenan after cold mixing

// Carbohydr. Res. 1995. V. 272. P. 91–96.40. Hyun Ok Yang, Nur Sibel Gunay, Toshihiko Toida, Balagurunathan Kuberan, Guangli Yu, Yeong Shik Kim and

Robert J. Linhardt. Preparation and structural determination of dermatan sulfate–derived oligosaccharides // Glycobiol-ogy. 2000. V. 10. №10. P. 1033–1039.

41. Majdoub H., Roudesli S., Picton L., Le Cerf D., Muller G., Grisel M. Prickly pear nopals pectin from Opuntia ficus-in-dica physico-chemical study in dilute and semi-dilute solutions // Carbohydrate polymers. 2001. V. 46. №1. P. 69–79.

42. Zhan D., Janssen P., Mort A.J. Scarcity or complete lack of single rhamnose residues interspersed within the homo -galacturonan regions of citrus pectin // Carbohydrate Res. 1998. V. 308. P. 373–380.

43. Holappa J., Soininen P., Asplund T., Luttikhedde T., Masson M., Jarvinen T. Novel water-soluble quaternary piper-azine derivatives of chitosan - synthesis and Characterization // Macromol. Biosci. 2006. №6. P. 139–144.

44. Hui Liu ,Yumin Du , Xiaohui Wang ,Liping Sun. Chitosan kills bacteria through cell membrane damage // International journal of food microbiology. 2004. V. 95. №2. P. 147–155.

45. Rinaudo M. Tinland B.Some problems in aqueous size-exclusion chromatography of synthetic polymer and biopolymer characterization // J. Appl. Polym. Sci. Appl. Polym. Symp. 1991. V. 48. P. 19–31.

46. Woon-Jung Kim, Chul Hun Eum, Seung-Taik Lim, Jung-HaHan et al. Separation of Amyloseand Amylopectin in Corn Starch Using Dual-programmed Flow Field-Flow Fractionation // Bull. Korean Chem. Soc. 2007. V. 28. №12. P. 2489–2492.

Поступило в редакцию 2 июня 2008 г.

После переработки 12 декабря 2008 г.

32

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%236201%231999%23999869996%23104049%23FLA%23&_cdi=6201&_pubType=J&_auth=y&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=906aae0fa44f91422c75e26f7dacd23e

http://www.sciencedirect.com/science/journal/0268005X

http://www.ecampus.com/newbk_searchresult.asp?qtype=author&qsearch=Wu%2C+Chi-San


Биополимеры растений

УДК 676.032

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОБАВКИ ЛИСТВЕННОЙ ЩЕПЫ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ХВОЙНОЙ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

© А.А. Драчев, Ю.В. Севастьянова*, В.И. Комаров, Л.А. Миловидова

Архангельский государственный технический университет,наб. Северной Двины, 17, Архангельск, (Россия) E-mail:[email protected]

Изучено влияние основных факторов варки и добавки лиственной щепы в количестве от 0 до 20% на показатели хвойной сульфатной целлюлозы. Показано, что добавка лиственной щепы в количестве 15% не оказывает значительного влияния на показатели механической прочности полученных образцов целлюлозы.

Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, антрахинон, пропиточные химикаты, выход полуфабриката, число Каппа, показатели механической прочности целлюлозы.

Введение

Одним из путей увеличения выхода хвойной сульфатной целлюлозы и снижения себестоимости полуфабриката может быть использование в качестве сырья смеси хвойной и лиственной древесины. Современные стандарты производства хвойной небеленой целлюлозы предусматривают использование хвойной технологической щепы, примесь лиственных пород в которой не должна превышать 10%. Считается, что такое количество лиственной древесины в технологическом сырье не оказывает влияния на выход целлюлозы, её свойства и скорость варки [1]. В то же время данные по комплексной оценке влияния добавки лиственной древесины на выход, деформационные и прочностные характеристики хвойной сульфатной целлюлозы практически отсутствуют.

Экспериментальная часть

Для изучения проблемы был проведен эксперимент с использованием метода математического планирования на основе четырехфакторного униформ-ротатабельного плана 2-го порядка Бокса-Хантера [2], в котором наряду с основными факторами варки (расход активной щелочи (G – х3, %), температура (T – х2, °С), продолжительность процесса (τ – х4, мин)) исследовалась добавка лиственной щепы (F – х1, %) в количестве от 0 до 20. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 1. Остальные условия варки были стабилизированы: гидромодуль – 3,7; начальная температура варки – 100 °С; продолжительность подъема до максимальной температуры – 90 мин.

В качестве выходных параметров на первом этапе эксперимента рассматривались общий выход полуфабриката (Вобщ, % – y1), выход сортированной целлюлозы (Всорт, % – у2), число Каппа (ЧК – у3), а также показатели черного щелока – содержание сухих веществ (Ccв, % – у4), содержание остаточной активной щелочи (EOH

ост, г/л в ед. Na2O – у5) (табл. 2).При анализе влияния исследованных факторов варки на выходные параметры учитывали абсолютную

величину и знак при коэффициентах. Известно, что коэффициенты уравнения регрессии вида bi (b1…b3) дают представление о степени и направлении влияния соответствующего фактора.


А.А. ДРАЧЕВ, Ю.В. СЕВАСТЬЯНОВА, В.И. КОМАРОВ, Л.А. МИЛОВИДОВА

Таблица 1. Уровни варьирования исследуемых факторов

Факторы F, % T, ºС G, % τ, мин№ фактора, обозначение х1 х2 х3 х4

Основной уровень (0) 10 170 17 125Шаг варьирования 5 3 2 10Верхний уровень (+1) 15 173 19 135Нижний уровень (-1) 0 167 15 115Звездное плечо (α=2,000) 10 6 4 20Максимум (+α) 20 176 21 145Минимум (-α) 0 164 13 105*F – породный состав щепы (%); Т – температура варки (ºС); G – расход активной щелочи (% ед. Na2O); τ – продолжительность стоянки на конечной температуре (мин).

Таблица 2. Значение коэффициентов уравнений регрессий для показателей целлюлозы из смеси хвойной и лиственной щепы и показателей черного щелока

Коэффициент у1 у2 у3 у4 у5

b0 53,3 52,6 52,5 16,57 5,8b1 0,0 0,0 0,0 0,00 0,0b2 –1,7 –0,6 –4,0 0,26 –0,6b3 –2,5 –0,6 –5,8 1,28 2,8b4 0,0 0,6 0,0 0,13 –0,3b12 0,0 0,0 0,0 0,00 –0,5b13 0,5 0,4 1,2 0,00 0,0b14 –0,4 0,0 0,0 0,00 –0,3b23 0,0 –0,7 –2,4 0,00 0,0b24 0,0 –0,5 0,0 0,00 –0,9b34 0,0 –0,7 –1,0 0,00 0,0b11 0,0 0,0 0,0 –0,12 0,3b22 0,0 –0,5 –1,0 0,00 0,3b33 0,9 –0,4 –1,5 0,00 0,6b44 –0,5 –0,4 0,0 0,00 0,0

КМК 0,94 0,89 0,96 0,95 0,98Fтабл 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06Fрасч. 7,38 2,40 7,02 5,87 2,62

*у1 – общий выход целлюлозы (Вобщ, %); у2 – выход сортированной целлюлозы (Всорт, %); у3 – число Каппа (ЧК); у4 – содержание сухих веществ в черном щелоке (Ссв, %); у5 – содержание эффективной щелочи в черном щелоке (EOH

ост, г/л ед.Na2O)

По абсолютной величине и знаку при коэффициентах можно судить о степени влияния факторов и об искривлении ими исследуемой поверхности отклика. Чем выше значения коэффициентов при линейных членах уравнения, тем сильнее выражено влияние фактора. Значимые коэффициенты парных взаимодействий вида bij (b12…b23) свидетельствуют об искривлении поверхности отклика в исследуемой области, а коэффициенты, учитывающие квадратичные эффекты bii (b11…b33), указывают на наличие экстремумов, положительный знак при коэффициенте парного взаимодействия приводит к усилению влияния фактора хi на значение отклика при увеличении фактора хj.

Значимые коэффициенты, отражающие влияние исследуемых параметров варки (при х1, х2, х3), в уравнениях для общего выхода и степени делигнификации отрицательны, т.е. увеличение интенсивности варки закономерно снижает эти показатели. Парное взаимодействие факторов в большей степени влияет на выход сортированной целлюлозы. Коэффициенты, учитывающие квадратичные эффекты, значительны по величине для b22 и b11. При этом их значения отрицательны для выхода сортированной целлюлозы и положительны для общего выхода и числа Каппа, что свидетельствует о наличии максимума и минимума на поверхности отклика. В свою очередь этот факт свидетельствует о необходимости оптимизации этих факторов по показателю выхода и числу Каппа целлюлозы.

Для демонстрации избирательности влияния основных параметров варки на выход и число Каппа целлюлозы построены поверхности, отражающие совместное влияние исследуемых факторов.

34

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОБАВКИ ЛИСТВЕННОЙ ЩЕПЫ …

Обсуждение результатов

Анализ полученных коэффициентов регрессии показал, что в исследуемом интервале добавки лиственной древесины от 0 до 20% значения коэффициентов для выхода (Вобщ – у1 и Всорт – у2) и числа Каппа (ЧК – у3) сульфатной целлюлозы незначимы, что подтверждается характером поверхностей отклика (рис. 1).

Довольно заметное влияние на изменение числа Каппа и выхода хвойной сульфатной целлюлозы оказывает одновременное увеличение добавки лиственной древесины и расхода щелочи (b13=1,20), температуры и расхода щелочи (b23= –2,43), расхода щелочи и продолжительности варки (b34=-0,97). Значения коэффициентов b23 и b34 отрицательны, т.е. при одновременном увеличении этих факторов число Каппа целлюлозы снижается, что является закономерным. Положительное значение коэффициента b13

обусловлено, скорее всего, низкими значениями остаточной эффективной щелочи – 3…8 г/л. Такой уровень концентрации остаточной эффективной щелочи приводит к переосаждению остаточного лигнина и росту числа Каппа (рис. 2).

Рис. 1. Влияние основных факторов варки и добавки лиственной щепы на число Каппа и общий выход

35


хвойной сульфатной целлюлозы

Рис. 2. Влияние основных факторов варки и добавки лиственной древесины на содержание остаточной активной щелочи в черном щелоке при варке хвойной сульфатной целлюлозы

Следует отметить неоднозначное влияние изменения расхода щелочи на процесс при одновременном изменении температуры: при варке на низких температурах увеличение расхода щелочи почти не влияет на число Каппа, однако при повышении температуры до 174...176 °С увеличение расхода щелочи приводит к снижению числа Каппа полуфабриката. Этот факт, скорее всего, объясняется низким уровнем остаточной эффективной щелочи и невысокими начальными концентрациями активной щелочи.

Характер изменения поверхностей отклика и значений коэффициентов в уравнениях регрессии для общего выхода (Вобщ, %) и выхода сортированной целлюлозы (Всорт, %) свидетельствует о преобладающем влиянии температуры (b2= –1,67, b3= –2,46 для общего выхода; b2= –0,56, b3 = –0,57 для выхода сортированной целлюлозы). Следует отметить, что на выход сортированной целлюлозы заметное влияние оказывает продолжительность варки (b4=0,58), тогда как на общий выход влияние этого фактора незначимо.

Влияние параметров варки и добавки лиственной щепы на стандартные показатели механической прочности (разрывная длина (L, м), сопротивление продавливанию (П, кПа), сопротивление раздиранию (R, мН)) получаемых полуфабрикатов представлено на рисунке 3, значения рассчитанных коэффициентов регрессии представлены в таблице 3.

Средний уровень значений разрывной длины (L) полученных образцов полуфабрикатов составил 11300 м при интервале изменений 9700…11700 м. Основной фактор, который приводит к росту этого показателя в диапазоне значений числа Каппа 35…58, – добавка лиственной древесины (b1=130,9). К снижению величины разрывной длины образцов целлюлозы приводит увеличение расхода активной щелочи на варку (b3= –118,4) и продолжительности процесса (b4= –160,9).

На сопротивление продавливанию (П) оказывают влияние те же факторы, что и на изменение разрывной длины, но, судя по характеру поверхностей отклика, это влияние более заметно. Повышение температуры варки при отсутствии добавки лиственной древесины приводит к увеличению сопротивления продавливанию, что может быть объяснено снижением числа Каппа в этой зоне с 60 до 40 (рис. 1). При максимальной добавке лиственной древесины (20%) повышение температуры варки приводит к снижению сопротивления продавливанию полученных образцов целлюлозы. В этой части эксперимента для температуры варки 174…176 °С наблюдается явное нарушение избирательности варки: снижается выход

36


полуфабриката практически без изменения его числа Каппа. Для этих точек характерны также низкие значения концентрации остаточной эффективной щелочи (ЕOH

ост~5 г/л) (табл. 2).

Таблица 3. Значения коэффициентов уравнений регрессии для основных свойств волокна образцов целлюлозы, полученной из смеси лиственной и хвойной щепы

Коэффициент у1 у2 у3 у4 у5 у6 у7 у8 у9 у10 у11

b0 0,7110 18097 1,740 558,5 5904,3 178,3 80,1846 3,19 11315 595,9 966,1b1 0,0000 459 0,070 0,0 0,0 0,0 0,8252 –0,04 131 0,0 –17,3b2 0,0100 0 –0,053 0,0 0,0 4,5 1,0779 0,05 0 7,2 24,4b3 0,0000 0 –0,075 0,0 121,2 0,0 0,0000 0,00 –118 –11,2 62,1b4 0,0088 635 –0,049 0,0 0,0 0,0 0,0000 0,00 –161 5,3 –16,5b12 0,0000 –431 0,044 0,0 0,0 –6,4 –2,1237 –0,05 –258 –8,8 0,0b13 0,0000 –369 –0,094 0,0 0,0 0,0 0,0000 0,00 –128 –4,7 –10,7b14 0,0000 0 0,000 0,0 0,0 4,4 0,0000 0,05 140 0,0 0,0b23 0,0000 0 0,066 0,0 0,0 0,0 0,0000 0,00 0 0,0 0,0b24 –0,0152 353 –0,046 0,0 –147,23 4,9 –1,0238 0,07 0 –8,8 0,0b34 0,0000 –427 –0,042 0,0 0,0 –2,3 –1,0905 0,00 –136 0,0 0,0b11 0,0000 0 0,000 35,4 138,29 –5,3 –0,8602 –0,07 –140 0,0 10,4b22 –0,0144 0 0,019 21,3 –119,71 –4,5 –1,3777 –0,09 0 –9,2 0,0b33 0,0000 –276 0,063 0,0 –148,84 –5,6 –1,6389 –0,03 –227 –4,0 11,4b44 0,0000 0 0,000 20,8 0 –2,4 0,0000 –0,04 0 0,0 0,0

КМК 0,64 0,79 0,90 0,64 0,73 0,80 0,74 0,73 0,85 0,88 0,91Fтабл 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06 4,06Fрасч. 42,27 4,35 0,30 5,59 2,24 0,76 2,76 1,44 0,93 0,99 0,61

Адекватность нет нет да нет да да да да да да да* у1 – плотность отливки (ρ), г/см3; у2 – нулевая разрывная длина (L0), м; у3 – межволоконные силы связи (Fсв), МПа; у4 – жесткость при растяжении (St), кН/м; у5 – начальный модуль упругости (E1), МПа; у6 – энергия, поглощаемая при растяжении образца до разрушения (ТЕА), Дж/м2; у7 – разрушающее напряжение (р), МПа; у8 – деформация разрушения (p), %; у9 – разрывная длина (L); у10 – сопротивление продавливанию (П), кПа; у11 – сопротивление продавливанию (R), мН

Влияние расхода активной щелочи на сопротивление продавливанию целлюлозы (П) в целом аналогично влиянию температуры, но менее заметно в интервале добавок лиственной древесины 0…6% и более заметно при высоких добавках.

Изменение показателя сопротивления раздиранию (R) имеет противоположный характер. Но на этот показатель при среднем значении R=966 мН и интервале 930…1100 мН оказывают влияние все исследуемые факторы варки. Максимальное влияние на этот показатель оказывает расход щелочи (b3=62,13).

Влияние исследованных факторов варки на изменение деформационных характеристик, а именно жесткости при растяжении (St, кН/м), начального модуля упругости (E1, МПа), энергии, поглощаемой при растяжении образца до разрушения (ТЕА, Дж/м2), разрушающего напряжения (р, МПа), деформации разрушения (p, %) (табл. 3) в исследуемом диапазоне варьируемых факторов, практически отсутствует: коэффициенты bi незначимы или имеют низкие значения. Можно отметить лишь влияние расхода активной щелочи на начальный модуль упругости (Е1) (b3=121,2 при b0=5904), влияние добавки лиственной древесины (b1= –0,04) и температуры варки (b2=0,05) на деформацию разрушения (εр) при среднем значении 3,2%, а также влияние добавки лиственной древесины (b1=0,82) и температуры (b2=1,078) на разрушающее напряжение при среднем значении σр=80,18 МПа.

Влияние факторов варки на фундаментальные свойства волокна представлено на рисунке 4. При среднем значении межмолекулярных сил связи (Fсв) 1,74 МПа интервал изменения этой величины 1,60…2,18 МПа. На данную характеристику волокна оказывают влияние все рассматриваемые факторы, при этом увеличение доли лиственной древесины приводит к повышению межволоконных сил связи, увеличение расхода щелочи, температуры варки и продолжительности стоянки – к снижению. Максимальное значение данного показателя наблюдается при максимальной добавке лиственной древесины. Максимальное влияние на межволоконные силы связи по оценке абсолютных значений bi оказывает расход щелочи.

Среднее значение нулевой разрывной длины (L0.) (рис. 4) 18100 м при колебаниях от 16600 до 19400 м. На этот показатель заметное влияние оказывают добавка лиственной древесины (b1=458,7) и продолжительность варки (b4=634,5), что обусловлено влиянием этого параметра на число Каппа. Необходимо отметить также парное влияние исследованных параметров варки, причем коэффициенты b12, b13 и b34 имеют отрицательное

37


значение, т.е. при увеличении одного из параметров увеличение другого приводит к снижению прочности волокна. Например, при повышении доли лиственной древесины повышение температуры приводит к снижению L0. Следует также отметить наличие зоны оптимума L0 для расхода активной щелочи (b33= –275,7).

Рис. 3. Влияние основных факторов варки и добавки лиственной щепы на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы

Анализ поверхностей отклика (рис. 4) свидетельствует о разнонаправленном влиянии факторов варки на L0 при нулевом и максимальном содержании лиственной древесины. Так, при варке 100%- ной хвойной древесины снижение температуры варки и расхода активной щелочи приводит к снижению L0, при 15–20%-ной добавке лиственной древесины зависимость изменяется на обратную. Возможное объяснение этому – характер удаления гемицеллюлоз в условиях низких значений остаточной эффективной щелочи.

38


Рис. 4. Влияние основных факторов варки и добавки лиственной щепы на фундаментальные свойства хвойной сульфатной целлюлозы

Выводы

1. В исследуемом интервале изменения факторов варки добавка лиственной щепы в количестве от 0 до 20% не приводит к изменению выхода и числа Каппа целлюлозы. Коэффициенты регрессии b1, определяющие влияние породного состава на выход и число Каппа целлюлозы, незначимы.

2. Изменение породного состава сырья при одновременном изменении параметров варки х2 и х4 также не оказывает влияния на выход целлюлозы (коэффициенты b12 , b14 незначимы).

3. Наиболее заметное влияние в диапазоне изменения исследованных факторов варки на общий выход, выход сортированной целлюлозы оказывает температура варки. При повышении температуры варки до 174…176 °С дополнительно проявляется значительное влияние расхода активной щелочи на число Каппа целлюлозы.

39


4. Добавка лиственной щепы от 0 до 20% от общей массы оказывает существенное влияние на изменение характеристик разрывной длины и сопротивление раздиранию образцов целлюлозы. Увеличение содержания лиственной щепы приводит к повышению значений показателя разрывной длины (при средних значениях L=11315 b1=131) и снижению сопротивления раздиранию образцов (при средних значениях R=966 b1=–17,3).

5. Установлено, что собственная прочность волокна, оцениваемая по показателю нулевой разрывной длины (L0), в исследованном диапазоне факторов возрастает с увеличением доли лиственной щепы в сырье (b1= 458,7). Наиболее заметное влияние оказывает, помимо добавки лиственной древесины, продолжительность варки (b4= 634,5). Следует также отметить наличие зоны оптимума L0 для расхода активной щелочи (b33= –275,7). Показано, что увеличение содержания лиственной древесины приводит к повышению межволоконных сил связи (Fсв), повышение расхода активной щелочи, температуры и продолжительности варки в исследуемом диапазоне – к снижению этого показателя.

6. Влияние факторов варки в исследованном диапазоне на изменение деформационных характеристик проявились незначительно. Влияние добавки лиственной древесины и температуры варки проявляется для деформации разрушения εр (b1= –0,041, b2= 0,051) и разрушающего напряжения (b1= –0,8252 b2= 1,0779). На начальный модуль упругости Е1 образцов целлюлоза наибольшее влияние оказывает температура варки (b2= –0,92 при b0= 45,3), расход активной щелочи (b3= –1,32).


Таким образом, добавка лиственной древесины до 15…20% может быть осуществлена в условиях производства хвойной сульфатной целлюлозы без заметного изменения основных характеристик целлюлозы в широком интервале значений числа Каппа получаемого полуфабриката.


1. ГОСТ 15815–83 Щепа технологическая. Технические условия. Введен 24.08.1983 взамен ГОСТ 15815–70.2. Пен Р.З., Менчер Э.М. Статистические методы в целлюлозно-бумажном производстве. М., 1973. 20 с.

Поступило в редакцию 19 ноября 2008 г.


40


УДК 676.022.6 : 547.673.1

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ХИМИКАТОВ ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ НА СВОЙСТВА ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

© А.А. Драчев, Ю.В. Севастьянова*, В.И. Комаров, Л.А. Миловидова

Архангельский государственный технический университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск, (Россия) E-mail: [email protected]

Выполнено исследование влияния различных модификаций антрахинонов и диспергаторов на избирательность сульфатной варки хвойной древесины, проведена оценка влияния исследованных химикатов на показатели механической прочности целлюлозы.

Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, антрахинон, пропиточные химикаты, выход полуфабриката, число Каппа, показатели механической прочности целлюлозы.

Введение

Одним из способов повышения выхода и качества полуфабрикатов и увеличения скорости варки целлюлозы может быть использование антрахинона и различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Оценка эффективности использования химических добавок в промышленных условиях достаточно сложна и требует длительного времени. Наиболее полное представление о работе ПАВ и новых модификаций антрахинонов в настоящее время позволяет получить эксперимент, проведенный в лабораторных условиях. Цель эксперимента, результаты которого представлены в статье, состояла в сравнении эффективности добавок антрахинонов (АХ) и диспергаторов (ПАВ) ряда фирм.


Сравнение эффективности добавок ряда антрахинонов на процесс варки сульфатной хвойной целлюлозы проводилось в интервале значений числа Каппа целлюлозы 30…50 единиц. Для выполнения исследования различными фирмами были использованы три вида антрахинонов, которые в дальнейшем обозначаются – А, В, С.

Для варки целлюлозы использовался промышленный образец щепы. Варки проводились в стационарных лабораторных автоклавах объемом 600 мл при следующих условиях: гидромодуль – 3,7, подъем температуры – от 80 °С до конечной в течение 2 ч. Расход антрахинонов составлял 0,05% от массы древесины. Режимы варок для получения целлюлоз с различным числом Каппа представлены в таблице 1.

У полученных образцов целлюлозы определялись общий выход, выход сортированной целлюлозы, число Каппа, сорность (табл. 2), стандартные показатели механической прочности (сопротивление продавливанию (П), сопротивление раздиранию (R), разрывная длина (L)), фундаментальные свойства волокна (собственная прочность волокна (L0), межволоконные силы связи (Fcв)), характеристики деформативности (жесткость при растяжении (St), начальный модуль упругости (E1), разрушающее напряжение (σраз), деформация разрушения (εраз), энергия, поглощенная при растяжении образца (ТЕА)) (табл. 3). Показатели прочности и деформативности определяли у отливок целлюлозы с массой 1 м2 75 г и степенью помола 30 °ШР.

Для оценки эффективности и целесообразности добавки диспергаторов при варке хвойной сульфатной целлюлозы были получены образцы целлюлозы с числом Каппа 30, 40 и 50 по режимам, представленным в таблице 1. Для варок использовались четыре диспергатора, которые в дальнейшем обозначаются – 1, 2, 3, 4. Расходы диспергаторов были установлены по данным фирм-производителей и составляли 10 кг/т целлюлозы. Результаты варок целлюлозы с добавками диспергаторов представлены в таблице 5.



Таблица 1. Режимы варок хвойной сульфатной целлюлозы с разным числом Каппа

Параметры варкиЧисло Каппа целлюлозы

30 (режим №1) 40 (режим №2) 50 (режим №3)Температура, °С 167 167 167Расход активной щелочи, % 17,3 15,5 14,3Продолжительность, мин 116 115 115


1. Исследование добавки антрахинонов. Как следует из представленных в таблице 2 данных, добавка всех исследованных образцов антрахинонов в интервале значений числа Каппа 30…50 единиц привела к повышению общего выхода целлюлозы и снижению количества непровара.

Добавка антрахинонов В и С привела также к снижению числа Каппа, т.е. ускорению процесса варки. Эффект ускорения был тем больше, чем выше число Каппа полуфабриката: для целлюлоз, полученных по режиму №1, снижение данного показателя составило 2…3 единицы, для режима №2 – 3…4 единицы, для режима №3 – 8…10 единиц. При добавках антрахинонов на варку происходит значительное снижение сорности целлюлозы по сравнению с контрольными образцами, определяемой по содержанию крупного сора площадью более 5 мм2.

Повышение числа Каппа в контрольных варках от 30 до 40 единиц сопровождается увеличением разрывной длины (L) и сопротивления продавливанию (П). Дальнейшее повышение числа Каппа до 50 единиц не повлияло на эти показатели. Сопротивление раздиранию (R) практически не зависит от числа Каппа в исследованном диапазоне его изменений (табл. 3).

Добавка антрахинона приводит к некоторому повышению разрывной длины (L) и сопротивления продавливанию (П), причем наиболее заметное повышение сопротивления продавливанию отмечается для образцов целлюлозы с числом Каппа 30. Соответственно, сопротивление раздиранию (R) при добавке антрахинонов снижается, причем наиболее заметное снижение этого показателя происходит для целлюлоз, полученных по этому же режиму. Полученные результаты согласуются с данными по изменению выхода целлюлозы при добавке антрахинона и подтверждаются характером изменения межволоконных сил связи (Fcв), которые представлены в таблице 4.

В таблице 4 представлены данные по влиянию добавки антрахинона на фундаментальные и деформационные свойства целлюлозы. Следует отметить, что повышение числа Каппа от 30 до 50 в контрольных образцах целлюлозы сопровождается снижением плотности образцов с 0,800 до 0,72 г/см3, а также ростом таких деформационных характеристик, как жесткость при растяжении (St), начальный модуль упругости (E1), разрушающее напряжение (σраз), деформация разрушения (εраз), энергия, поглощенная при растяжении образца (ТЕА). Прослеживается также тенденция к повышению прочности волокна и сил связи, причем наибольший прирост для Fсв имеет место при повышении числа Каппа от 40 до 50.

Оценивая влияние добавок антрахинона на собственную прочность волокна, можно отметить слабое влияние добавок на этот показатель для значений числа Каппа 40 и 50. Повышение L0 при добавках антрахинона наблюдается только для образца целлюлозы с числом Каппа 30.

Таблица 2. Влияние добавки различных антрахинонов хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки

Используемыйхимикат

Выход целлюлозы, % Число Каппа

Сорность, 1/м2

пл. ≥ 5 мм2общий сортированной№1 Контроль

АВС

48,050,352,449,9

46,549,651,849,1

33,833,730,831,8

477956379

№2 КонтрольАВС

51,052,653,251,2

47,549,852,450,8

42,841,934,939,8

900541318573


52,653,653,452,8

47,849,248,648,8

52,852,142,544,7

––––

42

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ХИМИКАТОВ ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ …

Таблица 3. Влияние добавки различных антрахинонов на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Используемый химикат L, м П, кПа R, мН№1 Контроль

АВС

10000106001160011400

549623649696

1070823831855


11400110001155012300

623586593643

1026761729996


11400102001115012000

641648715659

1055941960911

Таблица 4. Влияние добавки антрахинонов на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Химикат г/см3

Фундаментальные свойства Деформационные характеристики

FСВ, МПа L0, м St, кН/м E1, МПа TEA, Дж/м2 p, % р, МПа№1 Контроль

АВС

0,800,860,800,79

1,801,721,742,17

16300178001820015600

540582659613

5950672767096001

136135156173

2,892,692,712,98

80,391,393,090,4


0,730,760,750,71

1,761,121,951,85

16600151001680015000

560565545576

5676557257845593

151165148176

2,913,062,903,13

83,683,687,086,9


0,720,720,770,74

1,972,312,302,30

17000160001520017000

598605626646

5457570058576298

206142200183

3,572,823,353,16

82,673,286,287,8

Изменение деформационных характеристик целлюлозы, как уже отмечалось, зависит от изменения числа Каппа. Влияние добавки антрахинонов на деформационные свойства целлюлозы в большей степени проявляется для целлюлозы с числом Каппа 30 – при этом четко прослеживается тенденция к повышению жесткости при растяжении (St), начального модуля упругости (E1), работы и деформации разрушения (TEA и εр), что позволяет говорить о повышении гибкости волокон, скорее всего за счет сохранения гемицеллюлоз.

Для образцов целлюлозы с числом Каппа 40 и 50 эти изменения менее заметны.2. Влияние добавок диспергаторов (ПАВ). Полученные данные показали, что, в отличие от добавок

антрахинонов, добавки диспергаторов не повлияли на выход и число Каппа целлюлозы в интервале его значений 30…50. Но в этом случае, как и при добавках антрахинона, значительно снижается содержание крупной костры, хотя и в меньшей степени, чем при добавке антрахинона.

Изменение стандартных показателей механической прочности образцов целлюлоз (табл. 6) при добавке диспергаторов в целом незначительно. Некоторое повышение разрывной длины и сопротивления продавливанию отмечается для образцов целлюлозы с числом Каппа 30 и 40 при добавке образца диспергатора №3.

Добавка диспергаторов практически не повлияла на изменение фундаментальных и деформационных характеристик хвойной сульфатной целлюлозы (табл. 7). Влияние добавки диспергаторов на величину сил связи (Fсв) в наибольшей степени проявилось для образцов целлюлозы с числом Каппа 30 и 40. Изменение деформационных характеристик также носит случайный характер, не зависящий от добавки диспергаторов.

В таблице 8 представлены результаты варок при совместном использовании добавок антрахинона и диспергатора.Полученные данные подтверждают ранее зафиксированный результат, представленный в части 1:

использование антрахинона приводит к снижению числа Каппа при сохранении выхода целлюлозы. Этот эффект более заметен для целлюлоз с числом Каппа 50, при этом опять же существенно снижается содержание крупного сора.

43


Для образцов целлюлозы с числом Каппа 40 и 50 при добавке смеси антрахинона и диспергатора наблюдается снижение показателя сопротивления раздиранию, что согласуются с ростом сил связи (табл. 9 и 10).

Таблица 5. Влияние добавки различных ПАВ на выход и основные показатели хвойной сульфатной целлюлозы


Используемый химикат

Выход целлюлозы, %Число Каппа Сорность, 1/м2,

пл. ≥ 5 мм2общий сорт.№1 Контроль

3234

47,648,548,148,047,2

46,948,546,746,545,5

33,030,132,733,333,9

377238350127268

№2 Контроль3234

50,250,248,148,350,3

47,548,143,747,749,2

42,842,639,843,241,2

987493573668732


49,450,049,050,051,8

48,747,646,349,648,0

51,052,451,145,752,1

–––––

Таблица 6. Влияние добавки ПАВ на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Используемый химикат L, м П, кПа R, мН№1 Контроль

3234

100009500100001130010200

549514577632634

107094110581074972


1140011900114001020011000

623667557633628

10000922

1050010441043


11400117001170089009800

641649617526628

10551098120013921043

Таблица 7. Влияние добавки ПАВ на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Химикат

г/см3

Фундаментальные свойства Деформационные характеристикиFСВ, МПа L0, м St, кН/м E1, МПа TEA, Дж/м2 p, % р, МПа


0,800,730,740,610,71

1,801,222,011,562,68

1630016700184001700016600

540521570606550

59505171545346585257

136135126170135

2,892,962,662,972,81

80,370,070,468,972,0


0,730,740,720,730,74

1,762,212,032,002,06

1660018200172001690016400

560555550598571

56765833497957185966

151145168167133

2,912,813,223,242,88

83,688,175,197,875,2


0,720,760,730,64

1,972,062,202,27

17000154001605016400

598643653547

5457590059544352

206216186139

3,573,483,173,04

82,688,785,156,7

44

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ХИМИКАТОВ ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ …

4 0,73 2,02 16700 545 4973 176 3,50 71,3

Таблица 8. Влияние совместной добавки антрахинона С и пропиточного химиката 4 на выход и основные показатели хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Добавка смеси Общий выход, %Выход

сортированной целлюлозы, %

Число Каппа Сорность, 1/м2, пл. ≥ 5 мм2

№1 –+

47,650,4

46,948,6

33,029,3

377111

№2 –+

51,250,9

47,544,0

42,829,4

587187

№3 –+

49,553,5

48,749,5

51,040,2

––

Таблица 9. Влияние добавки антрахинона С и диспергатора 4 на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы

Режим варки Добавка смеси L, м П, кПа R, мН№1 –

+1000011800

549596

1070823

№2 –+

1140011000

623654

10000831

№3 –+

1140011000

641610

1055950

Таблица 10. Влияние добавки ПАВ на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы


Добавка смеси г/см3 Фундаментальные свойства Деформационные характеристики

FСВ, МПа L0, м St, кН/м E1, МПа TEA, Дж/м2 p, % р, МПа№1 –

+0,800,73

1,802,02

1630015400

540570

59505726

136161

2,892,98

80,385,5

№2 –+

0,730,76

1,762,34

1660015050

560551

56765526

151147

2,912,81

83,683,6

№3 –+

0,720,71

1,972,22

1700016000

598591

54575413

206177

3,573,28

82,677,3

Выводы

1. Использование антрахинона при варке хвойной сульфатной целлюлозы в количестве 0,05% к массе древесины обеспечивает повышение выхода целлюлозы на 1,0…1,5% и снижение количества непровара. При этом существенно снижается (на 50…80%) содержание крупной (5 мм2 и более) костры.

2. Добавка антрахинона обеспечивает повышение разрывной длины и сопротивления продавливанию (L и П) и снижение сопротивления раздиранию. Наиболее заметный эффект наблюдается для образцов целлюлоз с числом Каппа 30: разрывная длина возрастает на 10…15%, сопротивление продавливанию на 10…25%, а сопротивление раздиранию снижается на 20…22%.

3. Для этих же образцов целлюлозы наиболее заметно влияние добавки антрахинона на изменение фундаментальных свойств и деформационных характеристик: в данном случае возрастает жесткость при растяжении (St) – на 10…20%, а начальный модуль упругости (Е1) – 10…12%. Можно отметить, что эффективность исследованных образцов антрахинонов не имеет принципиальных различий.

4. Добавка диспергаторов при сульфатной варке хвойной целлюлозы в первую очередь приводит к снижению сорности, что свидетельствует об улучшении процесса пропитки. Совместное использование для варки антрахинона и диспергатора приводит к ускорению варки и снижению числа Каппа, но этот эффект не превышает эффекта, достигаемого при добавке одного антрахинона.


Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наиболее целесообразным при варке хвойной сульфатной целлюлозы является использование антрахинона. Использование диспергаторов при производстве данного полуфабриката малоэффективно.


45



46


UDK 676.022.6

IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHING STAGE OF HEMP PULP

© I. Cil1, H. Bermek2, C. Atik1*

1Istanbul University, Faculty of Forestry, Bahcekoy Istanbul, 34473 (Turkey) E-mail: [email protected] Technical University, Istanbul (Turkey)

Pretreatment of hemp pulp with xylanase was investigated. Unbleached hemp pulp was treated with commercial xylanase, and then bleached with hydrogen peroxide. Control pulp bleached with out xylanase was compared with xylanase bleached pulp. Application of xylanase was found to have a positive effect on followed peroxide stage in terms of low kappa number and high brightness of pulp.

Keywords: hemp, xylanase, peroxide, bleaching.

This work was supported by the Research Fund of the Istanbul University. Project Number T-269/18062003.

Introduction

The process following the cooking and causing the great deal of environmental pollution in pulp production is bleaching, especially conventional chlorine bleaching. Therefore researchers try to develop bleaching methods, which will reduce chlorine consumption or totally omit the chlorine from the process. Part of these studies is fo-cussed on biological processes in pulp bleaching. Due to the difficulties on the controls of fungal growth, the usage of fungi for bleaching purposes does not find a wide utilization. On the other hand, after initial reports that xylanase enhances bleaching of pulp and saves up to 25 % chlorine containing chemicals [1], research was focused on xy-lanase and other fungal enzymes. Xylanases provide the possibility of selectively removing up to 20% of xylan from kraft pulp [2]. Nowadays prebleaching of pulps with xylanase is being applied in many plants. Meanwhile, Totally Chlorine Free bleached pulp production is estimated as more than 15% of total pulp production [3].

One potential source of fiber source is agricultural crops, either in the form of residues of food crops or plants grown especially for fiber. One species that have generated interest as a fiber source is industrial hemp ( Canabis sativa L.). Hemp has a number of properties (long and strong fiber, low lignin content) that favor its use as a paper-making raw material [4].

The objective of the present study was to evaluate the benefit of the treatment of hemp pulp with enzyme in terms of pulp yield, bleachability and quality of the pulp.

Materials and methods

Unbleached hemp was supplied by the Mopak Taskopru Mill Turkey. Commercial xylanase Pulpzyme HC from NovoNordisk were used.

The enzyme activities were determined by dinitrosalicylic acid (DNS) method [5]. 200 µl of diluted enzyme so-lution was incubated with 1.8 ml of %1 (w/v) birch wood xylan (Sigma) solution (100 mM/l acetate buffer with 0,4% Tween 20 pH 5) at 50 °C for 10 min. One unit (U) of xylanase activity was defined as the amount of enzyme that catalyses the release of one micromole of xylose equivalent per minute of reaction.

* Autor to correspondence.

IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHING …

Chemical bleaching of pulps. The bleaching of pulps was carried out using oxygen (O), chelating (Q), enzyme (X) and hydrogen peroxide (P) treatments in sequence OQXP. All bleaching stages except oxygen were performed in plastic ziplock bags in a water bath with intermittent kneading. The oxygen stage was carried out in a 450 cm³ stainless steel pressurized vessel immersed into a water bath. Oxygen stage conditions were 40 g pulp (o.d.), 10% consistency, 70 °C temperature, one hour duration, 1,5% NaOH, 0.2% MgSO4 and pressurized with oxygen (1 MPa). The EDTA treatment was carried out at % 3 consistency using 0,2% EDTA for 60 minutes at 60 °C. The pulps (10% consistency and without buffer) were treated with 600 mU/g and 900 mU/g dry pulp Xylanase AN for one hour at 60 °C, pH 5. The multiple variations of peroxide bleaching stages were performed, and consistency 10%, NaON – 1,5%, MgSO4 – 0,2% conditions was equal for all of them. The peroxide concentration, temperature and duration conditions were consequently 2% H2O2 and 3% H2O2, 70 and 80 °C, 2 and 3 hours

The control samples were bleached with omitting the xylanase treatment under the equal other conditions. At the end of the bleaching stage, spent liquor was removed from pulp by centrifuging to 35% dry matter content and the pulp was washed. Prior to use and after each bleaching step pulp was thoroughly washed with one liter of distilled water, and finally with 0,5% H2SO4.

Analyses of pulps. Handsheets were prepared in buhner funnel, while distilled water was used for stock prepara-tion and sheet formation. Chemical properties of pulp were determined according to TAPPI test methods. Optical properties were determined with Elrepho 3300 spectrophotometer (Datacolor) according to ISO test methods.

Results and discussion

Figure 1 shows that during the O and Q bleaching stages kappa number values decrease steadily. Kappa number of xylanase stage with 600 mU/g xylanase remains approximately the same decreasing trend of previous bleaching stages. Increasing of enzyme concentration from 600 to 900 mU/g also corresponds to decrease of kappa number with about 0,4 points (in other words increasing of enzyme concentration with 50% corresponds to 3,9 times more effective lignin removing).

Lignin removing ratio in peroxide stages was also straight proportional to peroxide concentration and tempera -ture conditions of the particular case. Increase of peroxide concentration from 2 to 3% and temperature from 70 to 80 °C cause 7,4% increase of lignin removing. While difference in kappa number between control and low xylanase treated samples are 0,31 points for low temperature and peroxide concentration, the differences for high enzyme were at least 1,05 point and higher. After prolongation of peroxide stages form 2 to 3 hours, the decrease ratios in kappa number for all cases do not change at all.

Alkaline solubility data (Figure 2) shows decrease of hemicellulose ratio after O stage and increase during the following Q stage. As it is expected the hemicellulose ration decrease after xylanase treatment and decreasing de-pend on concentration of enzyme. Enzymatic pretreatment of pulps contribute to alpha cellulose degradation. After peroxide stage of enzyme treated hemp the S18 solubility increase with about 1,0 point.

S10 solubility of bleached pulp decreases after O stage. In other words the ratio of hemicellulose and low molecu-lar weight cellulose decrease. During the stage oxygen and alkaline cause peeling reaction [6], therefore removed hemicellulose and low molecular weight fraction in pulp decrease. During the following bleaching stages the degra-dation occur faster than removing therefore S10 solubility values increase. After O stage the ISO brightness develop-ment of hemp pulps was approximately 6 points. The brightness development can be increased with further increase of temperature, but the cellulose degradation (mass lost) increase to and drain ability decrease dramatically.

During the chelating was not observed significant changes on pulp brightness properties, while decrease was ob-served after enzymatic treatments. In spite of this decrease (3,4–2,8%) during the enzyme stage the ISO brightness values after peroxide stage increase rapidly (23%) to the level (11%) higher than the control. The highest brightness value was reached at 80 °C temperature and 3% peroxide conditions.

49

I. CIL, H. BERMEK, C. ATIK

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

0 1 2 3 4 5 6 7

Reaction time (hour)

Kapp

a Nu

mbe

r

O EDTA P-2% / 70 °C P-3% / 70 °C P-2% / 80 °C P-3% / 80 °C X-600 X-900 P-2%/70 °C (X-600)P-3%/70 °C (X-600) P-2%/70 °C (X-900) P-3%/70 °C (X-900)P-2%/80 °C (X-600) P-3%/80 °C (X-600) P-2%/80 °C (X-900)P-3%/80 °C (X-900)

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

0 1 2 3 4 5 6 7


S 18


Figure 1. Changes of Kappa number during the bleach-ing stages of pulp

Figure 2. Changes of S18 solubility during the bleaching stages of pulp

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

9,50

10,00

0 1 2 3 4 5 6 7


S 10


40,00

42,00

44,00

46,00

48,00

50,00

52,00

54,00

56,00

58,00

60,00

0 1 2 3 4 5 6 7


ISO

Brig

htne

ss


Figure 3. Changes of S10 solubility during the bleaching stages of pulp

Figure 4. Changes of ISO brightness during the bleaching stages of pulp

Conclusion

Treatment of hemp pulp with xylanase has a positive effect on hydrogen peroxide bleaching stage. There was observed decrease of kappa number value with one point while the increase of ISO brightness was more significant. After xylanase treatment the effectiveness of peroxide bleaching stage nearly doubled

Reaching the same brightness level of hemp pulp without the xylanase treatment will be possible with prolonga-tion of treatment, increasing of temperature or increasing of peroxide concentration. But, in all these cases the degra-dation of cellulose will be higher as it was seen in pulp solubility data.

50

IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHING …

Bibliography

1. Viikari L., Rauna M., Kantelinen A., Linko M., Sundquist J. Bleaching with enzymes. Biotechnology in the Pulp and Paper Industry // 3rd International Conference Stockholm, Proceedings 1986. P. 67–69

2. Kantelinen A., Hortling B., Sundquist J., Linko M., Viikari L. Proposes Mechanism of the enzymatic bleaching of kraft pulp with xylanases // Holzforshung. 1993. V. 47. P. 318–324.

3. Young R.A., Akhtar M. Environmentally friendly technologies for the pulp and paper industry. Jon Wiley & Sons, Inc. 1998.

4. Bowyer J.L. Industrial hemp (Canabis sativa L.) as a papermaking raw material in Minesota: Technical, economic and environmental considerations. 2001.

5. Bailey, M.J., A note on the use of dinitrosalicylic acid for determining the products of enzymatic reactions // Applied Microbiology and Biotechnology, 1988. V. 29. P. 494–496.

6. Sousa I.J., Bouchard J., Methot M., Berry R., Argyropoulos D.S. Carbonhydrates in Oxygen delignification. Part I: Changes in Cellulose crystallinity // Journal of pulp and paper sciance 2002. V. 28. P. 167–170.

Поступило в редакцию 1 сентября 2008 г.

После переработки 3 ноября 2008 г.

51


УДК 544.354.081.7

ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ НА КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФАТНОГО ЛИГНИНА В СИСТЕМЕ ВОДА – ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИД

© С.С. Хвиюзов*, Д.С. Косяков, К.Г. Боголицын, Н.С. Горбова

Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины, 17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: [email protected]

Методом УФ-спектрофотометрического титрования определены величины констант кислотности фракций сульфатного лигнина с различной молекулярной массой в смесях воды с диметилсульфоксидом. Получены зависимости рКа трех основных структурных единиц макромолекул лигнина от среднемассовой молекулярной массы.

Ключевые слова: кислотно-основные свойства, константы кислотности, лигнин, фенольная гидроксильная группа, молекулярная масса, диметилсульфоксид.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 08-03-00427-а).

Введение

Использование ряда диполярных апротонных растворителей и их смесей с водой в качестве делигнифицирующих сред ускоряет процесс растворения природного лигнина. Такие растворители, в первую очередь диметилсульфоксид, являются наиболее оптимальными с термодинамических позиций растворителями лигнина. В то же время в литературе практически отсутствуют данные о реакционной способности препаратов лигнина в таких средах и их смесях с водой. В связи с этим исключительный интерес представляют исследования кислотно-основных равновесий лигнина в неводных растворителях. Лигнин относится к полиэлектролитам и содержит значительное количество фенольных гидроксильных групп, являющихся наиболее активными реакционными центрами макромолекулы. Их диссоциация в растворе в значительной степени определяет реакционную способность полимера в целом, особенно на начальной стадии делигнификации. Для количественной оценки протонодонорной способности применяют константу кислотной ионизации [1, 2]. Известно, что величины рКа родственных лигнину фенолов [3] оказываются ниже, чем рКа

лигнина, что вызвано проявлением ряда физических факторов. Молекулярная масса является универсальной характеристикой, которая определяет результирующее действие физических факторов для макромолекул полимеров. Поэтому представляет несомненный интерес изучение влияния молекулярной массы на кислотно-основные свойства препарата технического лигнина в смесях вода – диметилсульфоксид различного соотношения.


В качестве объекта исследования был выбран препарат сульфатного лигнина компании Sigma-Aldrich (США). Функциональный состав лигнина определен по стандартным методикам [4]. Количество фенольных гидроксильных групп определялось спектрофотометрическим ∆ε-методом и по разнице между содержанием общих кислых и карбоксильных групп, карбонильные группы определялись методом оксимирования,


ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ …

карбоксильные группы – хемосорбционным методом, метоксильные группы определялись по методу Цейзеля-Фибека-Шваппаха. Содержание данных функциональных групп (%) составляет: фенольные гидроксильные группы – 1,94, карбонильные группы – 0,53, карбоксильные группы – 0,61, метоксильные группы – 14,37. Количество метоксильных групп в лигнине свидетельствует о том, что данный препарат был выделен из хвойной древесины.

Сульфатный лигнин был расфракционирован методом дробного осаждения в системе диоксан–циклогексан. Исходный препарат лигнина незначительно растворялся в чистом диоксане, поэтому для повышения растворимости использовали добавку ледяной уксусной кислоты в количестве до 20% от массы диоксана. После добавления осадителя – циклогексана, осадок отделяли центрифугированием и высушивали при 25 °С под вакуумом. Основные характеристики полученных фракций представлены в таблице 1. Изучаемые препараты были охарактеризованы методом ИК-спектроскопии. Спектры записывались в виде таблеток в бромиде калия на Фурье-спектрофотометре IR Prestige-21 (Shimadzu, Япония). Для исходного образца сульфатного лигнина и выделенных фракций в ИК-спектре нет интенсивных полос при 1750–1650 см-1, что подтверждает незначительное содержание карбонильных групп в исходном образце лигнина и показывает отсутствие изменений лигнина при введении уксусной кислоты [5].

Таблица 1. Характеристика фракций сульфатного лигнина

№ фракции Mw Mw/Mn -ОНфен, %1 12400 4,1 1,472 10200 3,8 2,363 6700 2,8 2,724 2100 2,6 4,27

Среднечисленные (Mn) и среднемассовые (Mw) молекулярные массы фракций лигнина определены методом ВЭЖХ, на хроматографе «Милихром-4» с колонкой, заполненной G-гелем [6]. Полидисперсность фракций лежит в диапазоне 2,6–4,1, что представляется приемлемым для метода дробного осаждения лигнина. Содержание фенольных гидроксильных групп в выделенных фракциях определено спектрофотометрическим ∆ε-методом [4].

В стеклянную термостатированную при 25 °С ячейку помещали раствор лигнина концентрацией 0,03 г/л в соответствующем растворителе. Эксперимент проводили при постоянном барботировании аргоном для устранения мешающего влияния растворенного кислорода и перемешивании с помощью магнитной мешалки. Для измерения pH использовали иономер «Эконикс-эксперт» 001-1.-0.1 (ООО Эконикс-Эксперт, Москва) с электродной системой состоящей из стеклянного электрода ЭСЛ-63-07 (ЗИП, Гомель) и хлорсеребряного электрода ЭВЛ-1МЗ (ЗИП, Гомель). Проводили прямое титрование растворов лигнина гидроксидом тетраэтиламмония, измеряя рН раствора и записывая спектр поглощения в диапазоне длин волн от 240 до 400 нм относительно растворителя на спектрофотометре Specord-200 PC (Analytik Jena, Германия) в кварцевых односантиметровых кюветах после каждой добавки титранта.

Расчет величин рКа фенольных гидроксильных групп трех основных структур (I, II и III) фракций сульфатного лигнина был произведен многопараметровым регрессионным анализом кривой титрования при 350 нм по методике, предложенной нами в работе [7].

I II III

Уравнение регрессии при этом имеет вид:

53

С.С. ХВИЮЗОВ, Д.С. КОСЯКОВ, К.Г. БОГОЛИЦЫН, Н.С. ГОРБОВА

где ∆Di – разность оптических плотностей анионной и неионизированной форм лигнина, Dx – оптическая

плотность неионизированной формы лигнина, – показатель активности протона в данной среде,

определяемый введением поправки к измеренному инструментальному значению рН [8].


Результаты расчетов представлены на рисунке 1 в виде зависимостей рКа структур I–III от среднемассовой молекулярной массы в смесях воды с диметилсульфоксидом, содержащих 0,5; 50; 80 и 100 масс. % апротонного растворителя. Переход от водного раствора к диметилсульфоксиду, который практически не обладает электроноакцепторными свойствами, приводит к резкому ослаблению сольватации фенолят-анионов, к увеличению значения рКа структур лигнина. Данный эффект был показан ранее на примере широкого круга модельных соединений [9].

При увеличении молекулярной массы фракций сульфатного лигнина в исследуемом диапазоне наблюдается возрастание значений рКа всех трех типов фенольных структурных единиц макромолекулы, причем зависимости в координатах рКа – Мw близки к линейным. Параметры полученных прямых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов прямолинейной зависимости вида рКа = а + b·Mw для структур сульфатного лигнина

Содержание ДМСО, масс. %

СтруктураI II III

b∙105 a σ* b∙105 a σ* b∙105 a σ*0,5 4,79 6,37 0,31 5,88 8,43 0,26 4,56 10,27 0,3350,0 9,28 7,12 0,01 6,28 9,63 0,07 7,83 11,33 0,2380,0 2,04 9,51 0,33 15,04 10,79 0,25 21,26 12,35 0,64100 0,22 13,40 0,19 1,53 16,46 0,26 29,21 18,53 0,71

σ* – стандартное отклонение величины рКа.

а)

б)

в)

г)

54

ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ …

Зависимость изменений рКа фракций сульфатного лигнина от среднемассовой молекулярной массы для структур I–III (а – 0,5, б – 50,0, в – 80,0, г – 100% диметилсульфоксида)

В соответствии с литературными данными [10–13], влияние молекулярной массы на кислотные свойства структур лигнина определяется суммарным влиянием различных факторов: электростатического, доступности реакционных центров макромолекулы, внутреннего сопряжения и вовлеченности фенольных гидроксильных групп в образование внутримолекулярных водородных связей.

Сущность электростатического фактора заключается в отталкивании ионов основания образующимися при ионизации фенолят-анионами, что препятствует проникновению в глубь макромолекулы ионов титранта [12, 13]. При добавлении щелочи в первую очередь ионизируются структуры, имеющие сопряжённую с бензольным кольцом α-карбонильную группу и обладающие меньшими величинами рК а

фенольных гидроксильных групп. Данный эффект в большей степени должен проявляться в макромолекулах с большей молекулярной массой, что приводит к увеличению значений рКа.

Действие фактора доступности реакционных центров приводит к увеличению значений рКа с ростом молекулярной массы, т.е. проявлению менее выраженных кислотных свойств. Доступность фенольных гидроксильных групп уменьшается с увеличением молекулярной массы. При оценке кислотно-основных свойств необходимо учитывать конформационные особенности полимера. В разбавленных растворах лигнин, по данным [11], присутствует в глобулярной форме, что приводит к снижению доступности фенольных гидроксильных групп, расположенных внутри макромолекулярного клубка.

Внутреннее сопряжение в макромолекулах лигнина оказывает влияние на ионизацию фенольных гидроксильных групп [11]. Фенилпропановые структуры образуют систему сопряжений, в которой происходит перераспределение электронной плотности. Ионизация наиболее «кислых» групп создает избыток электронной плотности на фенолят-анионах, который по системе сопряжений передается на другие звенья макромолекулы, что приводит к повышению электронной плотности на других фенольных гидроксильных группах. В результате происходит снижение их кислотных свойств, значения рК а будут увеличиваться.

Для лигнина, обладающего сетчатой структурой [10], характерно образование внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей. Их наличие может привести к возникновению менее доступной для щелочи микрозоны. Внутримолекулярные водородные связи могут образовываться между различными функциональными группами лигнина, главным образом, между фенольными, спиртовыми гидроксильными, карбонильными и карбоксильными группами. Влияние внутримолекулярных водородных связей на кислотные свойства различно. Если в водородную связь вовлекается недиссоциированная форма фенольной гидроксильной группы, то отщепление протона затрудняется и рКа возрастает. Если же в водородную связь вовлекается ионная форма, то присоединение протона затрудняется и рКа уменьшается. Такие связи могут возникать между спиртовыми гидроксилами и фенолят-анионами [12].

Исходя из полученных нами данных, при увеличении среднемассовой молекулярной массы в диапазоне от 2100 до 12400 а. е. м. рКа структур сульфатного лигнина повышается, что свидетельствует о большем вкладе электростатического фактора и фактора доступности реакционных центров, внутреннего сопряжения в макромолекулах, чем, образовании внутримолекулярных водородных связей.

Наименьшие изменения рКа при изменении молекулярной массы наблюдаются для структур I, что выражается в меньших значениях угловых коэффициентов. Наличие сопряженного с бензольным кольцом электроноакцепторного заместителя приводит к снижению электронной плотности на атоме кислорода фенольной гидроксильной группы. Данные структуры обладают более сильными кислотными свойствами и ионизируются в первую очередь, поэтому действие электростатического фактора и внутреннего сопряжения в макромолекулах будет проявляться в меньшей степени, чем для других структур. Для структур II наблюдается более выраженная зависимость рКа от молекулярной массы, чем для структур I (табл. 2). Наибольшие изменения характерны для структур III, имеющих углерод–углеродную связь в пятом положении, что придает дополнительные пространственные затруднения и вызывает большее проявление электростатического фактора и фактора доступности реакционных центров.

Влияние молекулярной массы на величины рКа зависит от состава растворителя, что проявляется в изменении влияния электростатического фактора и конформаций макромолекул. Диметилсульфоксид

55

С.С. ХВИЮЗОВ, Д.С. КОСЯКОВ, К.Г. БОГОЛИЦЫН, Н.С. ГОРБОВА

обладает сильной донорной способностью и имеет высокое донорное число DNSbCl5=29,8 [14]. Увеличение содержания апротонного растворителя приводит к снижению сольватации фенолят-анионов и меньшей делокализации их заряда. Данный эффект усиливает проявление электростатического фактора. Полученные данные показывают, что при увеличении содержания диметилсульфоксида наибольшие изменения рКа с ростом молекулярной массы характерны для структур III, а для структур I такой тенденции не наблюдается.

Выводы

1. Величины рКа основных структурных единиц сульфатного лигнина линейно возрастают с увеличением среднемассовой молекулярной массы в диапазоне от 2100 до 12400 а. е. м., в связи с чем при исследовании протолитических свойств лигнина необходимо учитывать его макромолекулярные свойства.

2. Наибольшую чувствительность к изменению молекулярной массы демонстрируют структуры с наиболее высокими значениями рКа вследствие проявления ряда макромолекулярных факторов.

3. Присутствие диметилсульфоксида оказывает влияние на взаимосвязь констант кислотности и молекулярной массы лигнина.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук, доценту Д.Г. Чухчину за помощь в определении молекулярных масс препаратов лигнина.


1. Зарубин М.Я., Кирюшина М.Ф., Троицкий В.В. Роль кислотно-основной природы лигнина при химической переработке древесины // Химия древесины. 1983. №5. С. 3–24.

2. Ермакова М.И., Кирюшина М.Ф., Зарубин М.Я. ОН-кислотность родственных лигнину фенолов в ДМСО, диоксане и их смесях с водой // Химия древесины. 1985. №6. С. 61–64.

3. Боголицын К.Г., Горбова Н.С., Косяков Д.С. Кислотно-основные свойства родственных лигнину фенолов в системе вода–апротонный растворитель // Журнал физической химии. 2003. Т. 77. №4. С. 667–671.

4. Закис Г.Ф., Можейко Л.Н., Телышева Г.М. Методы определения функциональных групп лигнина. Рига, 1975. 176 с.

5. Сарканен К.В., Людвиг К.Х. Лигнины: Пер. с англ. М., 1975. 632 с.6. Соколов О.М., Майер Л.В., Чухчин Д.Г. Высокоэффективная жидкостная хроматография лигнинов // Известия

вузов. Лесной журнал. 1998. №2. С. 132–136.7. Боголицын К.Г., Косяков Д.С., Горбова Н.С. Дифференцированное определение констант кислотности

структурных фрагментов лигнина // Химия растительного сырья. 2007. №4. С. 45–52. 8. Александров В.В. Кислотность неводных растворов. Харьков, 1981. 152 с. 9. Горбова Н.С. Кислотно-основные свойства родственных лигнину фенолов в системе вода–апротонный

растворитель: Дис. … канд. хим. наук. Архангельск, 2002. 120 с.10. Чупка Э.И., Оболенская А.В., Никитин В.М. Влияние внутренней структуры лигнина на некоторые его

свойства // Химия древесины. 1970. №5. С. 53–58.11. Самылова О.А., Айзенштадт А.М., Боголицын К.Г. Кислотно-основные свойства лигнина Бъёркмана //

Известия вузов. Лесной журнал. 2003. №6. C. 95–103.12. Чупка Э.И., Оболенская А.В., Никитин В.М. Исследование влияния электростатического фактора на

кислотность функциональных групп в лигнине // Химия древесины. 1971. №10. С. 123–127.13. Чуйко Г.В., Чупка Э.И., Оболенская А.В. О влиянии физических факторов на определение кислых групп в

лигнине // Химия древесины. 1971. №10. С. 129–132.14. Бургер К. Сольватация, ионные реакции и комплексообразование в неводных средах: Пер. с англ. М., 1984. 256

с.

Поступило в редакцию 16 февраля 2009 г.

56


УДК 662.73:543.422.25

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

© О.В. Голязимова1,2, А.А. Политов1,2*, О.И. Ломовский1

1Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ул. Кутателадзе, 18, Новосибирск, 630128 (Россия) E-mail: [email protected]Научно-образовательный центр «Молекулярный дизайн и экологически безопасные технологии» при Новосибирском государственном университетеE-mail: [email protected]

Исследовано влияние предварительной химической обработки на измельчение соломы пшеницы и кукурузы. В результате ферментативного, кислотного и щелочного гидролиза осуществляется химическая модификация различных компонентов растительного сырья: целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнинов. Гидролиз составляющих компонентов лигноуглеводной матрицы приводит к изменению надмолекулярной структуры целлюлозы, уменьшению кристалличности целлюлозы растительного сырья, разрушению взаимодействий между компонентами сырья и, следовательно, к уменьшению прочности волокон лигноцеллюлозы. Эффективность измельчения соломы кукурузы зависит также от типа оборудования. Наибольшая доля мелкой фракции (90% фракции с размером частиц меньше 80 мкм) была получена при измельчении сырья в мельнице АПФ-4 после обработки ферментами. На основе проведенных исследований предложен метод увеличения эффективности измельчения растительного сырья.

Ключевые слова: измельчение, интенсификация, растительное сырье, надмолекулярная структура, предварительная химическая обработка, ферментативная обработка.

Работа выполнена при финансировании по международному проекту МНТЦ (грант №3237), а также по программе МО № 2.2.2.2/340.

Введение

Измельченные растительные лигноцеллюлозные материалы применяют для производства композиционных строительных материалов [1]; в качестве основы для фильтров, в сельском хозяйстве – в виде удобрений, витаминно-белковых кормовых добавок, а также в виде биологически-активных добавок в пищевой и косметической промышленности. Растительную муку получают измельчением сельскохозяйственных отходов на аппаратах молоткового типа. Так как при интенсивном механическом воздействии возможно протекание процессов гидролиза и окисления питательных веществ и витаминов, для сохранения качества получаемого продукта целесообразно применять менее энергоемкое оборудование. Следовательно, интенсификация процесса измельчения растительного сырья при одновременном уменьшении мощности механического воздействия является актуальной задачей.

Прочность лигноцеллюлозных волокон, выполняющих структурную функцию в растительных тканях, обусловлена чередованием аморфных и кристаллических участков в целлюлозе, а также химическими и межмолекулярными взаимодействиями целлюлозы с другими биополимерами: гемицеллюлозой, пектинами, лигнинами.

Механические свойства полимеров обусловлены особенностями их надмолекулярной структуры. Поэтому проводилось исследование влияния предварительной химической обработки на кристалличность целлюлозы.

* Автор, с которым слдеует вести переписку.

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ …

Цель настоящей работы – увеличение интенсивности измельчения лигноцеллюлозного сырья – соломы с помощью предварительного кислотного, щелочного и ферментативного гидролиза. Рассмотрено влияние предварительной обработки на эффективность измельчения соломы на различных типах мельниц.


Эксперименты проводились на соломе пшеницы и кукурузы. Для ферментативного гидролиза был использован ферментный препарат ЦеллоЛюкс-А, с целлюлазной активностью 2000 ед/г, производства ПО «Сиббиофарм», Бердск.

Определение гранулометрического состава сырья. Определение гранулометрического состава соломы проводили методом ситового анализа. Навеску исследуемого материала просеивали через набор сит 80, 125, 200, 300, 400 мкм, затем определяли процентное содержание остатка на каждом сите по отношению к массе исходной навески.

Распределение частиц по размерам в интервале 1–80 мкм определяли с помощью лазерного анализатора размеров частиц Микросайзер 201 А, производства ПКГ «Гранат» (СПб).

Определение степени кристалличности соломы кукурузы. Съемка рентгенограмм проводилась на дифрактометре ДРОН-3М, излучение Cu Kα 1,54 Å, в диапазоне углов 2 = 5–50°.

Изменение структуры лигноцеллюлозы характеризовали индексом кристалличности (ИК) по следующей формуле [2]:

,

где I002 и Ia – расстояние от базовой линии до вершины пика около 2 = 22° и около 2 = 19°.Химическая обработка соломы. Солома пшеницы и кукурузы подвергалась воздействию раствора

фермента (концентрация раствора 1 масс.%), разбавленным раствором соляной кислоты или карбоната натрия.Измельчение соломы. Для экспериментов использовали исходную солому пшеницы и кукурузы,

предварительно обработанную на дезинтеграторе (8255 Nossen, VEB Maschinen Anlagenbau Nossen, Германия, энергопотребление 2,2 кВт/ч), с размером частиц до 1 см.

Измельчение соломы проводилось в мельницах: Fritsch Pulverisette 5 с агатовыми барабанами и шарами (Fritsch, Германия, мощность двигателя 1,5 кВт), в планетарной мельнице АПФ-4 с металлическими шарами и барабанами (ИХТТМ СО РАН, Новосибирск, энергопотребление 7,5 кВт/ч), в вихревой мельнице ВИТ (Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск), производительность мельницы по растительному сырью, до 50 кг/ч, в дезинтеграторе IА 28 (СКТБ «Дезинтегратор», Таллинн, энергопотребление 2,35 кВт/ч).

Результаты и обсуждение

Влияние химической обработки на измельчение соломы. Гранулометрический состав образцов соломы после химической обработки и измельчения в мельнице Fritsch Pulverizette 5 представлен в таблице 1.

Обработка кислотой, щелочью или ферментами приводит к 2,5–3-кратному увеличению массовой доли фракции с размером частиц меньше 80 мкм.

Диаграммы распределения частиц по размерам для образцов №2 и 3 представлены на рисунках 1, 2. Фракция с размером частиц меньше 80 мкм была изучена с помощью лазерного анализатора «Микросайзер». В результате предварительной ферментативной обработки соломы, массовая доля частиц диаметром 50–99 мкм увеличилась почти в три раза. Массовая доля частиц с меньшим размером, например, доли фракций частиц, диаметр которых находится в интервале 1,2–33 и 33–50 мкм, увеличилась почти в 5 раз по сравнению с измельчением без предварительной обработки соломы.

59

О.В. ГОЛЯЗИМОВА, А.А. ПОЛИТОВ, О.И. ЛОМОВСКИЙ

Таблица 1. Гранулометрический состав соломы пшеницы (масс %), после химической обработки и измельчения

Номер образца

Размер частиц, мкм< 80 80–125 125–200 200–300 300–400 >400

1 3 1 4 5 5 822 19 10 14 8 12 373 57 13 16 8 5 14 56 14 10 4 3 45 50 13 12 10 11 5

Образец №1 – солома пшеницы после предварительного измельчения на дезинтеграторе 8255 Nossen. Образец №2 – образец №1, измельченный в мельнице Fritsch Pulverisette 5. 10–15 г соломы измельчали в течение 10 мин.Образец №3 – образец №1, обработанный раствором ферментов, высушенный и измельченный в мельнице Fritsch Pulverisette 5, так же, как и образец №2.Образец №4 – образец №1, обработанный разбавленным раствором соляной кислоты, промытый дистиллированной водой, высушенный и измельченный так же, как и образец №2.Образец №5 – образец №1, обработанный разбавленным раствором карбоната натрия, промытый водой, высушенный и измельченный так же, как и образец №2.

1-19

19-2

5

25-3

3

33-3

8

38-4

3

43-5

0

50-5

7

57-6

6

66-7

5

75-8

7

87-9

9

100-

125

125-

200

200-

300

300-

400

>400

0

5

10

15

20

25

30

35

40

ìàñ

ñîâà

ÿ äî

ëÿ ô

ðàêö

èè, %

размер частиц, мкм

0,48 1,63

1-19

19-2

5

25-3

3

33-3

8

38-4

3

43-5

0

50-5

7

57-6

6

66-7

5

75-8

7

87-9

9

100-

125

125-

200

200-

300

300-

400

>400

0

5

10

15

20

25

30

35

40

мас

сова

я до

ля ф

ракц

ии, %

размер частиц, мкм

2,336,06

Рис. 1. Распределение по размеру частиц для исходной соломы пшеницы после измельчения в мельнице Fritsch pulverisette 5

Рис. 2. Распределение по размеру частиц для соломы пшеницы после ферментативной обработки и измельчения в мельнице Fritsch Pulverisette 5

Измельчение соломы на мельницах разного типа. Для измельчения могут быть использованы различные машины, которые отличаются разнообразием по конструкции, но по принципу действия относятся к аппаратам со стесненным или свободным ударом [3]. В мельницах со стесненным ударом (шаровые, кольцевые мельницы) измельчение происходит под действием мелющих тел при раздавливании, истирании, ударе. В мельницах со свободным ударом измельчение сырья происходит в результате соударения частиц с движущимися рабочими органами машины (дезинтегратор) или при ударе частиц, летящих в потоке газа, с неподвижными рабочими органами устройства (вихревая мельница).

В таблице 2 представлен гранулометрический состав образцов соломы пшеницы и кукурузы после обработки ферментами и измельчения на разных мельницах. Для сравнения эффективности измельчения рассмотрим массовые доли фракций, которые прошли через сито с диаметром ячеек 80 мкм.

Необработанная солома более эффективно подвергается измельчению в струйной мельнице и дезинтеграторе. Доля мелкой фракции после измельчения обработанной соломы пшеницы в шаровой мельнице возрастает в 6 раз, после измельчения в струйной мельнице – в 19 раз. Доля мелкой фракции соломы кукурузы при измельчении в шаровой мельнице увеличилась в 9 раз, а при измельчении на дезинтеграторе – в 13 раз.

Солома после ферментативной обработки легче подвергается измельчению в шаровых мельницах. При измельчении соломы пшеницы после ферментативного гидролиза в шаровой мельнице доля мелкой

60


фракции увеличилась в три раза по сравнению с соломой, измельченной без обработки, при измельчении на струйной мельнице – в 1,3 раза. Таблице 2. Гранулометрический состав

образцов соломы пшеницы и кукурузы, полученных в результате различных способов обработки

№ образца Массовая доля фракции частиц с размером <80 мкм, %

1 32 193 574 505 666 57 448 979 6410 81

Образец №1 – солома пшеницы после предварительного измельчения на дезинтеграторе 8255 Nossen.Образец №2 – образец №1, измельченный в мельнице Fritsch Pulverisette 5. 10–15 г соломы измельчали в течение 10 мин.Образец №3 – образец №1, обработанный раствором фермента, высушенный и измельченный в мельнице Fritsch Pulverisette 5 так же, как и образец №2.Образец №4 – образец №1, измельченный в струйной мельнице ВИТ.Образец №5 – образец №1, обработанный раствором фермента, высушенный и измельченный в мельнице ВИТ.Образец №6 – солома кукурузы, после предварительного измельчения на дезинтеграторе 8255 Nossen.Образец №7 – образец №6, измельченный в мельнице АПФ-4. 30 г соломы измельчали в течение 2 мин.Образец №8 – образец №6, обработанный раствором фермента, высушенный и измельченный в мельнице АПФ-4 так же, как и образец №7.Образец №9 – образец №6, измельченный на дезинтеграторе IА 28.Образец №10 – образец №6, обработанный раствором фермента, высушенный и измельченный на дезинтеграторе IА 28.

Массовая доля мелкой фракции после ферментативной обработки и измельчения соломы кукурузы в шаровой мельнице АПФ увеличилась в 2 раза, при измельчении на дезинтеграторе – в 1,3 раза по сравнению с соломой, измельченной без предварительной обработки.

Механизм влияния химической обработки на прочность лигноцеллюлозы. На рисунке 3 представлены рентгенограммы целлюлозы соломы кукурузы до ферментативного гидролиза, и после обработки ферментами. Целлюлоза в соломе кукурузы представляет собой кристаллическую модификацию целлюлозы I со средними параметрами ячейки: а = 0,82 нм, b = 1,03 нм, с = 0,79 нм, β = 84○ [4, 5]. Пик на рентгенограмме в области углов 2θ 22° соответствует группе рефлексов от кристаллографических плоскостей 002, 200, 102, , . Пик в области углов 2θ 15° соответствует интерференции от плоскостей 101, .

Индекс кристалличности целлюлозы в соломе кукурузы до ферментативного гидролиза составляет 22%. После ферментативного гидролиза индекс кристалличности составляет 50%, следовательно, ферментативный гидролиз целлюлозы осуществляется преимущественно в аморфных участках целлюлозы. Полученные результаты согласуются с литературными данными [6].

В результате обработки растительного сырья разбавленной соляной кислотой гидролизу подвергаются гликозидные связи в полимерных молекулах гемицеллюлоз, а также в полимерных молекулах целлюлозы, в аморфных участках. На рентгенограмме, представленной на рисунке 4, показано, что индекс кристалличности целлюлозы после обработки соломы пшеницы соляной кислотой увеличивается с 54 до 68%. Потеря массы образцов соломы после обработки составляла около 30%. В результате обработки удаляется существенная доля аморфной части растительного сырья – гемицеллюлоз [7].

При обработке образцов соломы раствором соды также осуществляется гидролиз гликозидных связей в молекулах гемицеллюлозы и в аморфных участках целлюлозы, возможно, эфирных связей в лигнинах. После щелочного гидролиза соломы пшеницы индекс кристалличности целлюлозы незначительно увеличивается с 54 до 58% (рис. 4).

Строение растительных волокон определяет их устойчивость к большим механическим нагрузкам: упорядоченные участки целлюлозных волокон придают всей структуре жесткость, а аморфные прослойки в волокнах целлюлозы и аморфный матрикс гемицеллюлоз, пектиновых веществ и лигнина – гибкость. Известно также, при механической нагрузке на аморфно-кристаллические полимеры, в частности при растяжении, деформации подвергаются именно аморфные прослойки полимера [8]. Поэтому гидролиз гликозидных связей в аморфной целлюлозе в результате химической обработки приводит к уменьшению прочности лигноцеллюлозы при измельчении.

61


0 10 20 30 40 50

2

1

2

10 20 30 40 50

2

1

2

3

Рис. 3. Рентгенограммы целлюлозы (солома кукурузы): 1 – до ферментативного гидролиза (индекс кристалличности 22%), 2 – после ферментативного гидролиза (индекс кристалличности 50%)

Рис. 4. Рентгенограммы целлюлозы соломы пшеницы: 1 – исходная солома (индекс кристалличности 54±1%); 2 – солома после обработки раствором Na2CO3

(индекс кристалличности 58±1%); 3 – солома после обработки соляной кислотой (индекс кристалличности 68±2%)

Выводы

Исследовано влияние кислотного, щелочного и ферментативного гидролиза на эффективность измельчения соломы пшеницы и кукурузы. Химическая модификация и механическая обработка соломы – способ повышения эффективности измельчения растительного сырья. Предварительная ферментативная обработка соломы приводит к 5-кратному увеличению массовой доли мелких частиц.

Эффективность измельчения лигноцеллюлозы зависит от типа измельчающего аппарата. Измельчение необработанной соломы пшеницы и кукурузы более эффективно на дезинтеграторе и струйной мельнице, а после предварительной ферментативной обработки – на шаровых мельницах.

Предложен механизм влияния ферментативного гидролиза на прочность лигноцеллюлозы. Изменение надмолекулярной структуры в результате преимущественного гидролиза аморфных прослоек целлюлозы, нарушение целостности целлюлозы как армирующего компонента волокон, гидролиз связей между целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином в процессе химической обработки приводит к уменьшению прочности волокон растительного сырья.


1. Патент №2233087 (Россия) Растительная мука и способ ее получения / Щеглов В.Н., Бушин В.Г., Проскурин А.А. // 27.07.2004.

2. Трипп В.У. Определение кристалличности: Целлюлоза и ее производные. Под ред. Н. Байклза Л. Сегала. М., 1974. Т. 1. С. 214.

3. Rumpf H. Beanspruchungstheorie der Prallzerkleinerung // Chemie Ingenieur Technik. 1959. V. 31. №5. S. 323–337.4. Рабинович М.Л., Болобова А.В., Кондращенко В.И. Теоретические основы биотехнологии древесных

композитов. Кн. 1: Древесина и разрушающие ее грибы. М., 2001. 226 с.5. Алешина Л.А., Глазкова С.В., Луговская Л.А., Подойникова М.В. и др. Современные представления о строении

целлюлоз (обзор) // Химия растительного сырья. 2001. №1. С. 5–36.6. Cao Y., Tan H. Study on crystal structures of enzyme-hydrolyzed cellulosic materials by X-ray diffraction // Enzyme

and Microbial Technology. 2005. №36. P. 314–317.7. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.,

1991. 320 с.8. Куксенко В.С., Слуцкер А.И. Изучение плотности межкристаллитных прослоек в ориентированных

полимерах // Физика твердого тела. 1968. Т. 10. Вып. 6. С. 838–847.

62



После переработки 12 февраля 2009 г.

63


УДК 547.9:582.284.5

МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ

© О.В. Голязимова1,2, А.А. Политов1,2*, О.И. Ломовский1

1Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ул. Кутателадзе, 18, Новосибирск, 630128 (Россия) E-mail: [email protected]Научно-образовательный центр «Молекулярный дизайн и экологически безопасные технологии» при Новосибирском государственном университетеE-mail: [email protected]

Исследован процесс активации ферментативного гидролиза целлюлозы, с помощью периодического механического измельчения субстрата, которое осуществляли по мере уменьшения скорости ферментативной реакции. Обработка приводит к увеличению реакционной способности целлюлозы за счет уменьшения кристалличности целлюлозы и увеличения поверхности целлюлозы, доступной для молекул белка.

Предложенный метод активации процесса ферментативной конверсии лигноцеллюлозы позволяет достичь 90% конверсии углеводной части различного растительного сырья.

Ключевые слова: ферментативный гидролиз, интенсификация, лигноцеллюлоза, солома пшеницы, солома кукурузы, механическая обработка.

Работа выполнена при финансировании по международному проекту МНТЦ (грант №3235), а также по программе МО № 2.2.2.2/340.

Введение

Конверсия лигноцеллюлозы в растворимые углеводы является частью процесса получения биоэтанола из растительного сырья [1–3], поэтому изучению механизма ферментативного гидролиза целлюлозы посвящено большое количество исследований. При изучении процесса ферментативной конверсии полисахаридов растительного сырья показано, что лигноцеллюлоза очень устойчива к действию ферментов и степень ферментативной конверсии не превышает 10–15%. Ферментативному гидролизу целлюлозы препятствуют сопутствующие целлюлозе биополимеры: лигнины, гемицеллюлозы, пектины, а также кристалличность целлюлозы, так как не все целлюлазные ферменты способны катализировать гидролиз кристаллической целлюлозы [4]. Поэтому для увеличения реакционной способности субстрата используют различные методы предварительной обработки. Эти методы направлены на удаление лигнинов и гемицеллюлоз из растительного сырья с помощью различных химических реагентов или лигнолитических ферментов и на разрушение кристаллической структуры целлюлозы физическим воздействием [5–13]. Наиболее эффективными методами предварительной обработки являются химические методы, но обработка проводится при высокой температуре и может привести к деградации сахаров и образованию побочных продуктов, которые ингибируют сбраживание углеводов [14]. Тем не менее после применения предварительной обработки наблюдается уменьшение скорости ферментативного процесса, в результате термической инактивации ферментов, сорбции молекул белка лигнинами, ингибирования реакции продуктами ферментативной реакции, а также в результате увеличения степени кристалличности целлюлозы в процессе гидролиза. Поэтому было предложено применять механическую обработку непосредственно в процессе гидролиза [15]. При этом аморфизация кристаллической целлюлозы и



ферментативный гидролиз происходят одновременно, что способствует увеличению скорости процесса, но существует большая вероятность того, что молекулы белка в процессе обработки подвергаются денатурации.

Цель данной работы – исследование процесса активации ферментативного гидролиза целлюлозы с помощью периодического механического измельчения субстрата, которое осуществляли по мере уменьшения скорости ферментативной реакции. Технической целью работы является достижение 90% степени конверсии целлюлозы и лигноцеллюлозы.

Материалы и методы

Эксперименты проводили на целлюлозе «Ватман №1» и соломе кукурузы.Для гидролиза был использован ферментный комплекс «Целлолюкс-А» с целлюлазной активностью

2000 ед/г (ПО «Сиббиофарм», Бердск).Измельчение целлюлозного субстрата проводили в шаровой мельнице Spex 8, в шаровой мельнице

АПФ-4 (ИХТТМ СО РАН, Новосибирск).Ферментативный гидролиз целлюлозы. Гидролиз целлюлозы проводили при температуре 50 °С, при

рН 4,7 (ацетатный буфер) и постоянном перемешивании реакционной среды со скоростью 400 об/мин. Отношение массы навески субстрата к массе раствора составляло 1: 20. По мере уменьшения скорости гидролиза, субстрат отделяли от раствора фермента центрифугированием, высушивали, измельчали и снова добавляли ферменты.

Концентрацию углеводов в продуктах гидролиза определяли спектрофотометрическим методом по интенсивности поглощения 0,06% раствора гескацианоферрата калия после реакции восстановления Fe(III) продуктами гидролиза в щелочной среде. Для этого 1 мл гидролизата смешивали с 3 мл раствора гексацианоферрата калия, смесь выдерживали в течение 10 минут на кипящей водяной бане. Интенсивность поглощения регистрировали на спектрофотометре СФ-56, концентрацию углеводов рассчитывали по калибровочному графику, в качестве стандарта для построения калибровочного графика использовали раствор глюкозы с известной концентрацией.

Определение индекса кристалличности. Съемка рентгенограмм проводилась на дифрактометре ДРОН-3М, излучение Cu Kα 1,54 Å, в диапазоне углов 2 = 5–50°.

Изменение структуры лигноцеллюлозы характеризовали индексом кристалличности (ИК) по следующей формуле [16]:

,

где I002 и Ia – расстояние от базовой линии до вершины пика около 2 = 22о и, около 2 = 19о.


Гидролиз целлюлозы «Ватман №1». Степень конверсии целлюлозы фильтровальной бумаги составила в условиях, приведенных в разделе «материалы и методы» 30% (рис. 1). Уменьшение скорости ферментативной конверсии может происходить в результате действия различных факторов: ингибирования реакции продуктами гидролиза (целлобиоза ингибирует действие целлюлазных ферментов), термической инактивации ферментов, а также инактивации в результате перемешивания. Добавление ферментов в реакционную среду маленькими порциями через каждые 4 ч не увеличивает степень конверсии целлюлозы.

По видимому, быстрому гидролизу подвергается аморфная часть субстрата. Большая часть оставшейся целлюлозы, имеющая высокую степень кристалличности практически не подвергается гидролизу.

Для увеличения реакционной способности, субстрат подвергали механической активации (рис. 2).После того, как скорость процесса уменьшалась, субстрат извлекали из реакционной среды, промывали,

высушивали и измельчали. Затем добавляли свежий раствор фермента. Применение метода механической активации субстрата позволяет увеличить скорость конверсии целлюлозы и достичь 90% степени конверсии.

Ферментативный гидролиз соломы кукурузы. Растительное сырье является более сложным по химическому составу и строению субстратом по сравнению с фильтровальной бумагой. Степень конверсии исходной соломы пшеницы составляет не более 15% (рис. 3).

66

МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА …

При измельчении происходит уменьшение кристалличности целлюлозы, как показано на дифрактограммах (рис. 5, табл.). Механическая обработка увеличивает реакционную способность целлюлозного субстрата. С помощью механической активации степень гидролиза углеводов соломы кукурузы была увеличена до 40%. Однако аморфная целлюлоза быстро расходуется, оставшаяся целлюлоза имеет высокую степень кристалличности (рис. 5, дифрактограмма 2) и скорость ферментативной реакции снова уменьшается.

Ферментативной конверсии целлюлозы растительного сырья препятствуют лигнины, которые вместе с целлюлозой и гемицеллюлозами образуют лигно-целлюлозный комплекс. Разветвленная сетка лигнина окружает волокна целлюлозы, затрудняет доступ молекулам ферментов к поверхности целлюлозы и уменьшает активность ферментов в результате необратимой сорбции молекул белка на лигнинах. При механическом измельчении активация гидролиза осуществляется благодаря уменьшению кристалличности целлюлозы и увеличению доступности целлюлозного субстрата для молекул белка, так как при измельчении появляется новая поверхность субстрата. С помощью периодической механической активации степень гидролиза соломы кукурузы была увеличена до 90% (рис. 4).

0 5 10 15 200

5

10

15

20

25

30

35

степ

ень

конв

ерси

и, %

âðåì ÿ ãèäðî ëèçà, ÷

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 С

тепе

нь к

онве

рсии

, %

âðåì ÿ ãèäðî ëèçà, ÷

Рис 1. Конверсия исходной целлюлозы «Ватман №1»

Рис. 2. Кинетика конверсии целлюлозы «Ватман №1» с применением механической обработки (момент обработки указан стрелкой)

0 1 20

10

20

30

40

50- 1

- 2

степ

ень

конв

ерси

и, %

t, сутки

0 1 2 3 4 5 6 7 80

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

- 1

- 2

ñòåï

åíü

êîíâ

åðñè

è, %

время гидролиза, сутки

Рис. 3. Конверсия соломы кукурузы в растворимые углеводы: 1 – исходной соломы; 2 – соломы после механической обработки

Рис. 4. Кинетика ферментативной конверсии соломы кукурузы в растворимые углеводы: 1 – гидролиз исходной соломы; 2 – гидролиз с применением механической обработки (момент

67


обработки указан стрелками)

Рис. 5. РФА целлюлозы соломы кукурузы: 1 – после первичной механической активации; 2 – после активации и ферментативного гидролиза; 3 – после активации, ферментативного гидролиза и повторной активации; 4 – после повторной активации и ферментативного гидролиза

Влияние механической обработки и ферментативного гидролиза на кристалличность целлюлозы

Обработка Степень кристалличности, %Измельчение 17Гидролиз (62% конверсии углеводов) 48Повторное измельчение 15Гидролиз (88% конверсии углеводов) 25Третье измельчение 13Гидролиз (95% конверсии углеводов) 17

Изменение степени кристалличности целлюлозы соломы кукурузы после механической обработки субстрата и после ферментативного гидролиза. Целлюлоза в растительном сырье представляет собой кристаллическую модификацию I. На рисунке 5 представлены рентгенограммы целлюлозы соломы кукурузы. Пик на рентгенограмме в области углов 2θ 22º соответствует группе рефлексов от кристаллографических

плоскостей 002, 200, 102, , . Пик в области углов 2θ 15º соответствует интерференции от плоскостей

101, . Изменение степени кристалличности при различных операциях обработки приведено в таблице. В

процессе конверсии соломы кукурузы происходит увеличение степени кристалличности целлюлозы, т.е. ферменты в данном случае катализируют гидролиз целлюлозы в аморфных участках. Вероятно, это является основной причиной уменьшения скорости гидролиза и низкой степени конверсии. В результате механической активации происходит уменьшение кристалличности соломы. Таким образом, периодическая механическая обработка является эффективным методом активации процесса ферментативной конверсии.


Низкая скорость конверсии лигноцеллюлозы уменьшает рентабельность производства и препятствует его промышленному внедрению. Несмотря на многочисленные исследования в этой области и существование различных способов предварительной обработки субстрата, проблема повышения степени конверсии целлюлозы в растворимые сахара остается актуальной, так как многие из способов невозможно применять в промышленных масштабах вследствие токсичности реагентов, появления побочных продуктов или высокой стоимости такой обработки.

Периодическая механическая обработка субстрата является безопасным и эффективным методом увеличения реакционной способности лигноцеллюлозы. По мере уменьшения скорости гидролиза субстрат извлекают из реакционной среды, высушивают, измельчают и снова подвергают гидролизу. Обработка приводит к увеличению реакционной способности целлюлозы за счет уменьшения кристалличности целлюлозы и увеличения поверхности целлюлозы, доступной для молекул белка.

68

МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА …

Очевидно, что при используемых операциях высушивания субстрата и измельчения происходит денатурация ферментов. Но уменьшение ферментативной активности в процессе гидролиза имеет место независимо от воздействия, вследствие процессов термической денатурации и механической инактивации при перемешивании, а также непродуктивной сорбции молекул белка лигнином. Поэтому целесообразно периодически добавлять ферменты в реакционную среду. В нашем случае добавление ферментов в реакционную среду проводят после измельчения субстрата.

Предложенный метод активации процесса ферментативной конверсии лигноцеллюлозы позволяет достичь 90% конверсии углеводной части различного растительного сырья.

Исследование изменения кристаллической структуры в процессе конверсии лигноцеллюлозы соломы кукурузы показало, что в процессе ферментативного гидролиза соломы происходит увеличение степени кристалличности оставшейся части целлюлозного субстрата, т.е. гидролизу подвергаются преимущественно аморфные участки целлюлозы, поэтому механическая активация субстрата, которая приводит к аморфизации целлюлозы, является эффективным способом увеличения реакционной способности целлюлозы.


1. Nigam J.N. Ethanol production from wheat straw hemicellulose hydrolysate by Pichia stipitis // Journal of Biotechnol-ogy. 2001. №87.С. 17–27.

2. Galbe M., Zacchi G. A review of the production of ethanol from softwood // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002. №59. С. 618–628.

3. Lee J. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol // Journal of Biotechnology. 1997. №56. С. 1–24.4. Mansfield Sh.D., Mooney C., Saddler J.N. Substrate and enzyme сcharacteristics that limit cellulose hydrolysis //

Biotechnol. Prog. 1999. №15. C. 804–816.5. Silverstein R.A., Chen Ye, Sharma-Shivappa R.R., Boyette M.D., Osborne J. A comparison of chemical pretreatment

methods for improving saccharification of cotton stalks // Bioresource Technology. 2007. №98. С. 3000–3011.6. Umikalsom Md S., Ariff A. B., Karim M. I. A. Saccharification of pretreated oil oalm empty fruit bunch fiber using

cellulase of chaetomium globosum // J. Agric. Food Chem. 1998. V. 46. P. 3359–3364.7. Saha B.C., Cotta M.A. Ethanol production from alkaline peroxide pretreated enzymatically saccharified wheat straw //

Biotechnol. Prog. 2006. №22. С. 449–453.8. Ohgren K., Bura R., Saddler J., Zacchi G. Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam

pretreated corn stover // Bioresource Technology. 2007. №98. С. 2503–2510.9. Perez J., Munoz-Dorado J., Rubia T., MartıNez J. Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose

and lignin: an overview // Int Microbiol. 2002. №5. С. 53–63.10. Badal C. Saha Hemicellulose bioconversion // Ind Microbiol Biotechnol. 2003. №30. С. 279–291.11. Knappert D., Grethlein H., Converse A. Partial acid hydrolysis of cellulosic materials as a pretreatment for enzymatic

hydrolysis // Biotechnology and bioengineering. 1980. №22. С. 1449–1463. 12. Синицын А.П., Леонова И.Л., Наджеми Б., Клёсов А.А. Сравнительный анализ реакционной способности

целлюлозосодержащего сырья по отношению к ферментативному гидролизу // Прикладная биохимия и микробиология. 1986. Т. 22. №4. С. 517–525.

13. Perez J., Munoz-Dorado J., Rubia T., MartıNez J. Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicellulose and lignin: an overview // Int Microbiol. 2002. №5. С. 53–63.

14. Saha B.C.,. Iten L.B, Cotta M.A., Wu Y.V. Dilute acid pretreatment, enzymatic saccharification, and fermentation of rice hulls to ethanol // Biotechnol. Prog. 2005. №21. С. 816–822.

15. Nalson M.J., Kelsey R.G. Shafizaden F. Enhancement of enzymatic hydrolysis by simultaneous attrition of cellolosic Substrates // Biotechnology and bioengineering. 1982. №24. С. 293–304.

16. Трипп В.У. Определение кристалличности: Целлюлоза и ее производные / Под ред. Н. Байклза, Л. Сегала. М., 1974. Т. 1. 214 с.


После переработки 12 февраля 2009 г

69


УДК 630*181.324

ЛИПИДЫ МЕРИСТЕМ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ХВОЙНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ. 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТАВА ЖИРНЫХ КИСЛОТ ФОСФОЛИПИДОВ ЗИМУЮЩИХ МЕРИСТЕМ LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. И PINUS SYLVESTRIS L.

© Е.В. Алаудинова*, П.В. Миронов

Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]

Приведены результаты исследования состава жирных кислот фосфолипидов меристем почек основных хвойных лесообразующих пород Центральной Сибири: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. и Pinus sylvestris L. зимой (в состоянии низкотемпературной устойчивости меристем) и весной (при утрате низкотемпературной устойчивости). Показано, что смена фенологического состояния дерева при переходе от покоя к вегетации сопровождается значительной трансформацией жирнокислотного состава фосфолипидов живых тканей, выражающейся не только в изменении содержания индивидуальных жирных кислот, соотношения компонентов одного или различных типов, но и в

исчезновении некоторых жирных кислот, присутствующих в зимующих почках. Ключевые слова: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L., Pinus sylvestris L., меристемы, фосфолипиды, жирные

кислоты, сезонные изменения.

ВведениеБольшое экономическое значение хвойных определяется широким использованием их древесины,

представляющей по ряду физических и химических свойств ценнейший объект для переработки. Среди хвойных по богатству видов и занимаемой ими территории выделяется семейство сосновых (Pinaceae). Очевидно, что хвойные не получили бы столь широкого распространения в регионах с суровым климатом, если бы их фотосинтетический аппарат был не приспособлен к гипотермии. Деятельность фотосинтетического аппарата во многом обусловливает продуктивность ксилогенеза древесных растений, поскольку для образования высокомолекулярных компонентов древесины необходимы первичные продукты фотосинтеза.

В Центральной Сибири морфо- и органогенез фотосинтетического аппарата начинается с заложения почек более чем за 10 месяцев до их распускания. Осень, суровую сибирскую зиму и большую часть весны меристемы почек переносят во внутрипочечном состоянии, успешно сохраняют жизнеспособность и создают потенциал для роста молодой хвои следующего года. Особенностью сибирского климата являются низкие зимние температуры, представляющие собой основной абиотический нерегулируемый сезонный стрессор. Поскольку меристематические ткани почек обладают большой чувствительностью к условиям перезимовки, они, в конечном итоге, и определяют выживание дерева в целом. В этой связи актуальность изучения метаболизма меристем почек хвойных пород несомненна.

В метаболизме живых растительных клеток ведущая роль, наравне с белками и нуклеиновыми кислотами, принадлежит липидам. Однако вопросы липидного обмена у хвойных остаются недостаточно изученными. Приведенная в литературе информация о метаболизме липидов, касающаяся количественных изменений


Е.В. АЛАУДИНОВА, П.В. МИРОНОВ

общих липидов либо их отдельных групп, жирнокислотного состава, обнаруживает, что за редким исключением [1–4] изучались ткани с относительно малым и неопределенным содержанием живых клеток. Липиды меристематических тканей почек хвойных практически не исследованы. Способность меристем переносить низкие зимние температуры напрямую зависит от состояния мембранных компонентов, в первую очередь липидов, что полностью согласуется с современными представлениями о строении мембран как о липидном бислое с погруженными в него белками [5]. Учитывая, что для реализации основных функций липидный бислой мембран должен находиться в жидком фазовом состоянии, обусловленном составом и структурой жирных кислот мембранных липидов, исследование метаболизма полярных липидов, в частности изменений состава их жирных кислот в условиях естественного сезонного снижения температур, представляет интерес.

В этой связи для выяснения особенностей липидного обмена хвойных древесных растений в условиях Центральной Сибири была поставлена задача исследования состава жирных кислот фосфолипидов меристем почек основных лесообразующих хвойных пород лесных экосистем Красноярского края в состоянии низкотемпературной устойчивости меристем в зимний период и его изменений в набухших почках весной.


Объектами исследования являлись меристематические ткани, выделенные из вегетативных почек наиболее распространенных аборигенных хвойных пород Красноярского края: лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), ели сибирской (Picea obovata L.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающих в естественных древостоях. Постоянные пробные площади расположены в окрестностях г. Красноярска на территории Мининского лесничества. Отбор образцов для исследования производился в разные периоды годового цикла (зимой в состоянии низкотемпературной устойчивости меристем и весной при утрате низкотемпературной устойчивости), в соответствии с различными фенологическими фазам развития почек. Побеги последнего года отбирали с деревьев II–III класса возраста. После удаления коры вместе с почечными чешуями меристематические ткани вегетативных почек срезали скальпелем по границе с ксилемой побега.

Чтобы свести к минимуму возможные автолитические изменения, гомогенизацию зачаточных тканей проводили при температуре 0 – минус 2 °С. Кроме того, для работы использовались охлажденная лабораторная посуда и материалы.

Общую липидную фракцию извлекали смесью растворителей хлороформ-изопропанол в соотношении 1 : 2 по объему 6, 7 в присутствии 1%-го ионола. Очистку липидов от примесей нелипидной природы проводили гель-фильтрацией через колонку с сефадексом G-25 [8]. Очищенный липидный экстракт упаривали на ротационном вакуумном испарителе (РВИ) при температуре 36–38 °С и разделяли на фракции на хроматографической колонке. В качестве адсорбента использовали силикагель Bio-Sil А 100–200 mech. Колонку c нанесенным липидным экстрактом последовательно промывали хлороформом, ацетоном, изопропанолом. Скорость элюирования составляла около 3 мл/мин. При этом последовательно вымывались вещества нейтрального характера, гликолипиды и фосфолипиды (ФЛ).

Изопропанольный экстракт, содержащий ФЛ, упаривали на РВИ при температуре 36–38 °С, растворяли в 1%-ном метанольном растворе NaOH и нагревали на водяной бане при 55 °С в течение 30 мин. Смесь охлаждали, подкисляли 5%-ным метанольным раствором HCl и вновь инкубировали при 55 °С [9]. После охлаждения добавляли 0,5 объема дистиллированной воды и экстрагировали метиловые эфиры жирных кислот (ЖК) гексаном. Гексановый экстракт концентрировали на РВИ, а затем очищали метиловые эфиры жирных кислот методом ТСХ, используя стеклянные пластинки с силикагелем марки КСК Воскресенского химкомбината с размером частиц 100–200 меш. В качестве проявителя применяли бензол.

Анализ метиловых эфиров жирных кислот ФЛ проводили на газожидкостном хроматографе «Agilent Technologies» фирмы «Хьюлетт-Паккард» (США) с масс-селективным детектором, работающим в режиме электронного удара и регистрацией разделенных компонентов по полному ионному току. Колонка кварцевая капиллярная HP-5MC (длина 30 м, диаметр 0,25 мм, толщина слоя пленки фазы 0,33 мкм); начальная температура термостата колонок – 150 °С в изотермическом режиме 3 мин, затем температура термостата колонок увеличивалась со скоростью 20 °С/мин; конечная температура термостата колонок

72

ЛИПИДЫ МЕРИСТЕМ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ХВОЙНЫХ ПОРОД …

280 °С; газ-носитель – гелий. Идентификацию жирных кислот осуществляли по масс-спектрам (библиотека масс-спектров NIST 02.L) и индексам удерживания.

Обсуждаются средние арифметические значения трех биологических и трех аналитических повторностей. В качестве биологической повторности были взяты побеги с 10 деревьев в каждом эксперименте. Оценка значимости различий проведена методом сравнения средних значений по критерию Стьюдента. Различия считались существенными при уровне значимости Р ≤ 0,05.


Как видно из приведенных в таблице 1 данных, в структуре ФЛ лиственницы сибирской обнаружено 20, ели сибирской – 17, сосны обыкновенной – 16 жирных кислот, разнообразных по числу углеродных атомов и двойных связей. Исследование сезонной и межвидовой изменчивости хвойных по жирнокислотному составу ФЛ меристем почек, в условиях Центральной Сибири, выявило высокий уровень ЖК с 18 атомами углерода (рис. 1). Однако соотношение между различными индивидуальными кислотами этой группы отличалось не только у разных пород, но и в различных фенофазах развития почек. Кроме того, в меристемах зимующих и набухших почек постоянно присутствовали миристиновая (С14:0), пальмитиновая (С16:0), гептадекановая (С17:0) и длинноцепочечные жирные кислоты с числом углеродных атомов больше 18 (С≥ 20). Следует отметить, что гексадекадиеновая кислота (С16:2) обнаружена у всех исследованных пород только зимой в состоянии низкотемпературной устойчивости. В зимующих почках содержание пальмитиновой кислоты (С16:0) в 2–3 раза превосходило стеариновую (С18:0), в набухших почках пальмитиновая кислота (С16:0) накапливалась еще интенсивнее. Этот факт свидетельствует о том, что с пробуждением почек синтазы жирных кислот, конечный продукт действия которых – пальмитиновая кислота (С16:0), активизируются.

У лиственницы сибирской в зимний период содержание линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислот очень близко – около 20% от суммы ЖК. Также в зимний период отмечалось сравнительно высокое содержание кислот с 16 атомами углерода – около 20%, при этом содержание пальмитиновой (С16:0) и пальмитоолеиновой (С16:1) примерно одинаково – около 9% от суммы ЖК. Для фосфолипидов лиственницы характерно повышенное содержание длинноцепочечных (С≥ 20) ЖК, среди которых преобладали компоненты с 20 атомами углерода. Именно эта группа кислот (рис. 2) представлена самым широким спектром: одной насыщенной и четырьмя ненасыщенными ЖК, с числом двойных связей от одной до четырех. Их содержание в зимующих почках достигало 80% от суммы кислот С≥ 20. Наиболее высокий уровень зимой отмечен у эйкозатриеновой кислоты (С20:3). Особенно интересно обнаружение в структуре ФЛ у лиственницы кислоты с нечетным числом атомов углерода – гептадекановой (С17:0) и значительных количеств короткоцепочечных кислот (С<16), среди которых также идентифицированы ундекановая (С11:0), тридекановая (С13:0) и пентадекановая (С15:0) кислоты. До недавнего времени считалось, что ЖК, входящие в состав липидов высших растений, содержат только четное число атомов углерода [10, 11]. Широкое использование в последние годы для анализа ЖК современных газожидкостных хроматографов с пламенно-ионизационными и масс-селективными детекторами позволило совершенно точно установить структуру неидентифицированных ранее соединений. Сегодня в научной литературе все чаще говорится о том, что в структуре растительных липидов обнаружены ЖК с нечетным числом атомов углерода [12, 13]. Нами установлено, что в зимующих почках лиственницы содержание этих кислот составляло около 6,5% от суммы ЖК. Перед распусканием в набухших почках менялось не только содержание, но и состав ЖК. Исчезали некоторые короткоцепочечные кислоты (С11:0, С13:0, С15:0). В результате содержание короткоцепочечных компонентов снижалось почти в четыре раза. Изменялось соотношение главных в количественном отношении кислот с 18 атомами углерода: содержание линолевой кислоты (С18:2) становилось в 5–6 раз выше, чем линоленовой (С18:3), при этом содержание остальных кислот этой группы, стеариновой (С18:0) и олеиновой (С18:1), изменялось не так значительно. Весной в структуре ФЛ существенно возрастал уровень пальмитиновой кислоты (С16:0) – до 22% от суммы ЖК. Наравне с линолевой кислотой (С18:2), пальмитиновая (С16:0) становилась преобладающей, ее содержание в этот период в 16 раз выше миристиновой (С14:0) и в 7 раз выше стеариновой (С18:0). Одновременно уровень пальмитолеиновой кислоты (С16:1) снижался в четыре раза, а гексадекадиеновая (С16:2) исчезала совсем. Несмотря на то, что уровень кислот с 20 атомами углерода в набухших почках несколько возрастал, их доля от

73


суммы длинноцепочечных ЖК снижалась с 79 до 72%. Общее же содержание длинноцепочечных кислот (С≥ 20) возрастало в 1,3 раза (рис. 1), главным образом, за счет арахиновой (С20:0) и лигноцериновой (С24:0) кислот.

Состав жирных кислот фосфолипидов некоторых хвойных пород (в процентах от суммы жирных кислот)

Жирная кислотаЛиственница сибирская Ель сибирская Сосна обыкновенная

зимующиепочки

набухшие почки


набухшиепочки


набухшиепочки

Ундекановая 1,25 – – – – –Лауриновая 1,26 0,26 – – – –Тридекановая 1,88 – – – – –Миристиновая 0,42 1,37 0,65 5,26 1,52 6,83Пентадекановая 1,28 – 0,48 – 0,81 –Гексадекадиеновая 2,33 – 2,01 – 1,45 –Пальмитоолеиновая 8,55 2,01 1,03 – – –Пальмитиновая 9,10 22,18 10,20 19,32 8,72 14,90Гептадекановая 2, 07 1,71 9,50 4,91 6,16 2,52Линоленовая 20,78 5,31 19,40 7,72 9,43 8,29Линолевая 20,33 29,74 35,27 15,14 47,58 17,37Олеиновая 4,03 2,81 1,39 22,67 1,26 24,17Стеариновая 2,81 3,10 3,17 4,13 2,60 3,37Арахидоновая 1,91 2,25 2,29 2,02 2,34 1,52Эйкозатриеновая 6,73 1,18 2,22 – 5,16 –Эйкозадиеновая 2,52 2,08 6,23 1,03 2,88 –Эйкозеновая 3,17 2,44 1,17 – 2,93 1,43Арахиновая 4,45 14,90 1,04 2,94 1,48 1,63Бегеновая 4,06 2,66 2,14 10,84 3,01 13,88Лигноцериновая 1,07 6,00 1,81 4,02 2,67 4,09

Рис. 1. Содержание основных типов жирных кислот фосфолипидов в меристемах почек хвойных пород

74


Рис. 2. Состав жирных кислот типа С20 в фосфолипидах меристем почек хвойных породАнализ жирных кислот ФЛ ели сибирской (табл.) выявил существенные отличия между елью и

лиственницей как по составу, так и по содержанию жирных кислот в различных фазах развития почек. У ели ни в зимующих, ни в набухших почках не были обнаружены короткоцепочечные ЖК: ундекановая (С11:0), лауриновая (С12:0), тридекановая (С13:0). Содержание пентадекановой (С15:0) и миристиновой (С14:0) в зимний период в сумме составляло чуть более 1%. Содержание ЖК с 18 атомами углерода у ели было выше, чем у лиственницы, примерно на 12% от суммы ЖК. В зимующих почках преобладала линолевая кислота (около 35%). В значительных количествах содержались пальмитиновая (С16:0), гептадекановая (С17:0), линоленовая (С18:3) кислоты. Состав ЖК с 20 атомами углерода в фосфолипидах ели такой же, что и у лиственницы. Среди них в количественном отношении в зимующих почках преобладала эйкозадиеновая (С20:2) кислота – 6,23% от суммы ЖК. Весной в набухших почках у ели резко увеличивалось содержание олеиновой (С18:1) кислоты. Одновременно почти в 2,5 раза падал уровень линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислот. Содержание насыщенных ЖК возрастало, в первую очередь, за счет пальмитиновой (С16:0), а также миристиновой (С14:0) и бегеновой (С22:0) кислот. Состав ЖК с 20 атомами углерода сокращался, так как исчезали эйкозеновая (С20:1) и эйкозатриеновая (С20:3) кислоты, а содержание эйкозадиеновой (С20:2) кислоты снижалось в 6 раз. Одновременно общее содержание длинноцепочечных ЖК немного увеличивалось в основном за счет бегеновой кислоты.

Жирнокислотный состав ФЛ сосны обыкновенной, по сравнению с лиственницей сибирской и елью сибирской, представлен наименьшим числом индивидуальных соединений (табл.). В зимний период группу ЖК с 18 атомами углерода на 80% составляли линолевая (С18:2) и линоленовая (С18:3) кислоты, причем содержание линолевой было в пять раз выше, чем линоленовой, и достигало 48% от суммы ЖК. Как и у ели, у сосны не были обнаружены короткоцепочечные ЖК: ундекановая (С11:0), лауриновая (С12:0), тридекановая (С13:0), а содержание пентадекановой (С15:0) и миристиновой (С14:0) в зимний период в сумме составляло чуть более 2%. Кроме того, зимой в почках сосны в значительных количествах присутствовали пальмитиновая (С16:0), гептадекановая (С17:0), линоленовая (С18:3) кислоты. Состав ЖК с 20 атомами углерода у сосны аналогичен с лиственницей и елью. В количественном отношении среди кислот этой группы в зимующих почках, как и у лиственницы, преобладала эйкозатриеновая кислота (С20:3). Весной в набухших почках сосны, как и у ели, резко увеличивалось содержание олеиновой (С18:1) кислоты. При этом почти в три раза падал уровень линолевой. Содержание насыщенных ЖК возрастало, в первую очередь, за счет бегеновой (С22:0), а также миристиновой (С14:0) и пальмитиновой (С16:0). Исчезали пентадекановая (С15:0), гексадекадиеновая (С16:2), эйкозадиеновая (С20:2) и эйкозатриеновая (С20:3) кислоты.

Выводы

Исследование сезонной и межвидовой изменчивости основных лесообразующих хвойных пород – лиственницы, ели и сосны – по составу ЖК фосфолипидов меристем показало, что в условиях Центральной Сибири смена фенологического состояния дерева при переходе от покоя к вегетации сопровождается значительной трансформацией жирнокислотного состава: исчезают некоторые ЖК, присутствующие в

75


зимующих почках, изменяются содержания и соотношения между индивидуальными ЖК одного или различных типов.

Установлены как сходства, так и существенные различия между породами по исследованному признаку:– у всех пород в составе ФЛ выявлен высокий уровень ЖК с 18 атомами углерода, а также широкий

набор индивидуальных компонентов с 20 атомами углерода, представленных одной насыщенной и четырьмя ненасыщенными ЖК, с числом двойных связей от одной до четырех. Кроме того, постоянно присутствуют миристиновая (С14:0), пальмитиновая (С16:0), гептадекановая (С17:0) и длинноцепочечные жирные кислоты с числом углеродных атомов больше 18 (С≥20). Гексадекадиеновая кислота (С16:2) обнаружена только зимой – в состоянии низкотемпературной устойчивости меристематических тканей;

– наибольшим разнообразием жирнокислотного состава выделяется лиственница: только у этой породы в структуре ФЛ меристем в зимний период присутствуют короткоцепочечные (С<16) ЖК с нечетным числом атомов углерода, исчезающие весной при набухании почек;

– в набухших почках изменения соотношений между индивидуальными компонентами количественно преобладающей группы кислот с 18 атомами углерода носят индивидуальный характер: у лиственницы содержание линолевой кислоты (С18:2) становится в 5–6 раз выше, чем линоленовой (С18:3), при этом содержание остальных кислот этой группы, стеариновой (С18:0) и олеиновой (С18:1), изменяется не так значительно. У ели и сосны, напротив, резко увеличивается содержание олеиновой (С18:1) кислоты, а уровень линолевой (С18:2), снижается почти в 2,5 раза;

– у ели и сосны весной существенно сужается спектр ЖК с 20 атомами углерода за счет исчезновения некоторых ненасыщенных компонентов.


1. Левин Э.Д., Рубчевская Л.П., Вол Е.В. Глицериды и фосфолипиды камбиальной зоны лиственницы сибирской // Химия древесины. 1983. №4. С. 97–100.

2. Левин Э.Д., Рубчевская Л.П. Состав триглицеридов камбиальной зоны лиственницы сибирской // Химия древесины. 1985. №1. С. 104–109.

3. Рубчевская Л.П., Игнатова Е.В., Репях С.М. Фосфолипиды камбиальной зоны Larix sibirica // Химия природных соединений. 1998. №4. С. 549–550.

4. Алаудинова Е.В., Миронов П.В., Репях С.М. Характеристика липидов меристем почек Larix sibirica // Химия природных соединений. 2002. №4. С. 259–262.

5. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений: В 2-х т.: Пер. с англ. М., 1986. Т. 1. 393 с.6. Folch J., Lees M., Stanley G.H. A simple method for isolation and purification of total lipids from animal tissues // J.

Biol. Chem. 1957. V. 226. №1. P. 497–509.7. Bligh E.G., Dyer W.J. A rapid method of total lipid extraction and purification // Can. J. Biochem. Physiology. 1959.

V. 37. P. 911–917.8. Кейтс М. Техника липидологии. М., 1975. 322 с.9. Carreau V.P., Dubaeq J.P. Adaptation of a Macro-Scale Method to the Micro-Scale for Fatty Acid Methyl Trans-es-

therification of Biological Lipid Extracts // J. Chromatogr. V. 151. P. 384–390.10. Кретович В.Л. Биохимия растений: Учебник для биол. факультетов ун-тов. М., 1980. 445 с.11. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т.: Пер. с англ. М., 1985. Т. 1. 367 с.12. Сущик Н.Н. и др. Влияние температуры на состав внутри- и внеклеточных жирных кислот зеленых

водорослей и цианобактерий // Физиология растений. 2003. Т. 50. №3. С. 420–427.13. Макаренко С.П. и др. Характеристика жирнокислотного состава липидов митохондриальных мембран

некоторых видов злаков, различающихся устойчивостью к низким температурам // Биологические мембраны. 2003. Т. 20. №4. С. 301–306.


76


УДК 630*181.324

ЛИПИДЫ МЕРИСТЕМ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ХВОЙНЫХ ПОРОД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ. 2. ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ЖИРНЫХ КИСЛОТ ФОСФОЛИПИДОВ МЕРИСТЕМ LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. И PINUS SYLVESTRIS L.

© Е.В. Алаудинова*, П.В. Миронов


Установлено, что в зимний период преобладающими группами ненасыщенных жирных кислот (ЖК) фосфолипидов (ФЛ) являются у Larix sibirica Ledeb. триеновые, у Picea obovata L. и Pinus sylvestris L. – диеновые. Набухание почек весной сопровождается снижением содержания ненасыщенных ЖК примерно на 30%. Анализ изменения содержания в структуре ФЛ индивидуальных ЖК типа С18 при переходе дерева от зимнего покоя к вегетации обнаружил важную функциональная роль в формировании криозащищенного состояния клеточных мембран меристем Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. и Pinus sylvestris L. ацил-липидной ω6 десатуразы, ответственной за синтез линолевой (С18:2) кислоты. Кроме того, выявлена особая значимость в криоадаптации клеток меристем Larix sibirica Ledeb. ацил-липидной ω3 десатуразы, в зимний период катализирующей превращение линолевой (С18:2) кислоты в линоленовую (С18:3) в ФЛ лиственницы в 1,5–3 раза интенсивнее, чем у ели и сосны.

Ключевые слова: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L., Pinus sylvestris L., жирные кислоты, активность ацил-липидных дисатураз, низкотемпературная устойчивость.

Введение

У высших растений устойчивость к низкотемпературному воздействию коррелирует с наличием в структуре мембранных липидов полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Известно, что повышение вязкости мембран при снижении температуры сопровождается индукцией экспрессии десатуразных генов, повышающих в клетке уровень ферментов – десатураз жирных кислот [1]. Функция жирнокислотных десатураз заключается в регуляции текучести липидного бислоя мембран посредством ускорения синтеза ПНЖК в мембранных липидах. Рассматривая текучесть мембран в качестве основного параметра, обеспечивающего их нормальное функционирование при низких зимних температурах, возникает необходимость оценивать активность жирнокислотных десатураз. На сегодняшний день существует практика косвенной оценки активности этих ферментов на основании состава жирных кислот мембранных липидов [2, 3].

Исходя из этого, в данной работе предпринята попытка проанализировать результаты исследования состава жирных кислот (ЖК) фосфолипидов меристем почек лиственницы, ели и сосны в криозащищенном состоянии в период зимнего покоя и его трансформирование при переходе к активной вегетации посредством вычисляемых показателей: индекса двойных связей (ИДС), коэффициента ненасыщенности жирных кислот (К). А также оценить активности жирнокислотных ацил-липидных мембранных ω9, ω6 и ω3 десатураз, катализирующих введение двойных связей в углеводородные цепи олеиновой (С18:1), линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислот, посредством стеароил- (SRD), олеил- (ORD) и линолеил- (LDR) десатуразных отношений. * Автор, с которым следует вести переписку.



Для удобства анализа хроматограмм все жирные кислоты в зависимости от степени их ненасыщенности распределили на пять групп: насыщенные (Н) – двойные связи отсутствуют, моноеновые (М) – одна двойная связь, диеновые (Д) – две двойные связи, триеновые (Тр) – три двойные связи, тетраеновые (Тетр) – четыре двойные связи.

Индекс двойной связи (ИДС), характеризующий степень ненасыщенности липидов, вычислили по методу [4]:

, (1)

где М – моноеновые, Д – диеновые, Тр – триеновые, Тетр – тетраеновые кислоты, % от суммы жирных кислот.Коэффициент ненасыщенности (К) жирных кислот определяли как отношение ∑ ненасыщенных ЖК / ∑

насыщенных ЖК.Активности ацил-липидных мембранных ω9, ω6 и ω3 десатураз, катализирующих введение двойных

связей в углеводородные цепи олеиновой (С18:1), линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислот как стеароил- (SRD), олеил- (ORD) и линолеил- (LDR) десатуразные отношения, рассчитывали на основании содержания (процентного от суммы ЖК) компонентов типа С18, как это описано в работе [5]:

, (2)

(3)

(4)

где С18:0, С18:2, С18:2 и С18:3 – процентное от суммы кислот содержание стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислот соответственно.


Динамика содержания основных групп ЖК фосфолипидов и активность ацил-липидных десатураз представлены на рисунке 1 и в таблице. Сравнение жирнокислотного состава фосфолипидов меристем почек лиственницы сибирской, ели сибирской и сосны обыкновенной позволяет установить как сходства, так и существенные различия между видами хвойных. В зимующих почках у всех пород содержание ненасыщенных жирных кислот составляло 70–73%.

Динамика основные группы жирных кислот фосфолипидов некоторых хвойных пород (в процентах от суммы жирных кислот)

ПоказательЛиственница сибирская Ель сибирская Сосна обыкновеннаязимующие

почкинабухшие

почкизимующие


почкизимующие


почки∑ С<16 ЖК 6,09 1,63 1,13 5,26 2,33 6,83∑ насыщенных ЖК 29,65 52,18 28,99 51,42 26,97 47,22∑ ненасыщенных ЖК 70,35 47,82 71,01 48,58 73,03 52,78

К 2,37 0,92 2,45 1,06 2,71 1,12ИДС 1,56 1,18 1,65 0,95 1,61 0,91SRD 0,59 0,48 0,30 0,85 0,33 0,88ORD 0,91 0,93 0,98 0,50 0,98 0,51LRD 0,51 0,14 0,35 0,34 0,17 0,32

Примечание: ИДС – индекс двойной связи; К – коэффициент ненасыщенности ЖК; SRD – стеароил-десатуразное

78


отношение; ORD – олеил-десатуразное отношение; LRD – линолеил-десатуразное отношение.

Рис. 1. Соотношения моно-, ди-, три- и тетраеновых жирных кислот в фосфолипидах меристематических тканей почек хвойных пород

Повышение температуры весной вызывало гидрогенизацию двойных связей жирных кислот и, как следствие, набухание почек сопровождалось снижением содержания ненасыщенных ЖК в структуре фосфолипидов примерно на 30%. Максимальное содержание насыщенных жирных кислот перед распусканием почек отмечено у лиственницы и ели – около 52%. Коэффициент ненасыщенности жирных кислот (К) в зимний период у всех исследованных пород был в 2–2,5 выше, чем в набухших почках весной.

Наиболее полно степень ненасыщенности липидов может быть охарактеризована с помощью индекса двойных связей (ИДС), поскольку этот показатель учитывает не только содержание ненасыщенных кислот, но и количество двойных связей в них (уравнение 1). По этой причине ИДС не всегда совпадает с К. В нашем случае самый высокий ИДС зимой у ели (1,65), а самый высокий К в это же время у сосны (2,71). В целом же зимующие почки хвойных характеризуются большими значениями ИДС и К, чем набухшие.

Зимой для всех пород было характерно повышенное содержание в фосфолипидах ПНЖК. Доминирование полиненасыщенных (с несколькими двойными связями) жирных кислот меняет конформацию мембранных липидов и позволяет, таким образом, сохранять текучесть мембран в условиях низких температур на физиологически необходимом уровне. Преобладающими группами ПНЖК в этот период являлись: у лиственницы триеновые – 27,51%, у ели и сосны диеновые – 43,51 и 51,91% соответственно (рис. 1). При этом у лиственницы в составе ПНЖК доминировали линолевая (С18:2) и линоленовая (С18:3) кислоты, их содержание равнозначно, у ели и сосны – линолевая (С18:2). Весной картина менялась: в набухших почках у сосны и ели преобладающей ненасыщенной ЖК становилась моноеновая олеиновая (С18:1), у лиственницы ПНЖК – линолевая (С18:2).

Биосинтез олеиновой (С18:1), линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислот у большинства видов высших растений осуществляется с участием ацил-липидных десатураз, обеспечивающих образование двойных связей в углеводородных цепях ЖК типа С18 [6, 7]. В этой связи оценка активности жирнокислотных десатураз с помощью стеароил- (SRD), олеил- (ORD) и линолеил- (LDR) десатуразных отношений (уравнения 2–4) позволяет в определенной мере судить о механизмах синтеза и роли ненасыщенных ЖК, доминирующих в структуре фосфолипидов, как в состоянии низкотемпературной устойчивости меристем, так и при ее утрате в период вегетации.

Мембраны, фосфолипиды которых содержат только насыщенные («прямые») ЖК, находятся в состоянии геля и по этой причине работа биологической системы невозможна. Для жидкокристаллического (нормального рабочего) состояния ЖК мембранных липидов должны иметь хотя бы одну двойную связь. Вследствие этого гены ацил-липидной ω9 десатуразы, обеспечивающей введение первой двойной связи, всегда работают на одном постоянном уровне [8]. Так у лиственницы стеароил – (SRD) десатуразные отношения в зимующих и набухших почках близки и находятся в пределах 0,5–0,6. У ели и сосны этот показатель существенно (в 2,5 раза) возрастает в набухших почках (табл. 1). Такая динамика SRD подтверждает, что экспрессия генов ацил-липидной ω9 десатуразы у хвойных практически не зависит от температуры. Можно предположить, что ацил-липидная ω9 десатураза, участвующая в биосинтезе

79


олеиновой (С18:1) кислоты, не влияет на мембранные механизмы низкотемпературной устойчивости исследованных хвойных пород.

Дополнительные двойные связи, обеспечивающие более высокую степень ненасыщенности ЖК, необходимы только при низких температурах для восстановления текучести мембран. Поскольку почти все гены, кодирующие десатуразы, активизируются низкими температурами, ненасыщенные жирные кислоты типа С18 в зимний период характеризуются высокими олеил-десатуразными отношениями (ORD) в пределах 0,91–0,98 (табл.). Это указывает на важную функциональную роль при формировании криозащищенного состояния клеточных мембран исследованных хвойных пород ацил-липидной ω6 десатуразы, ответственной за синтез линолевой (С18:2) кислоты.

Аккумуляция олеиновой кислоты (С18:1) весной в набухших почках ели и сосны свидетельствует о снижении активности ацил-липидных ω6 и ω3 мембранных десатураз, ответственных за введение в углеводородную цепь ЖК второй и третьей двойной связи. Как следствие, ORD у ели и сосны с наступлением вегетационного периода снижается вдвое, а SRD, соответственно, возрастает. У лиственницы при набухании почек весной ORD не снижается, олеиновая кислота (С18:1) не накапливается, так как по-прежнему превращается в линолевую (С18:2). Вероятно, это дало возможность лиственнице расширить ареал своего обитания дальше на Север, где нередки весенние заморозки. Сохранение в этих условиях определенного количества двойных связей в ЖК фосфолипидов позволяет поддерживать параметры текучести клеточных мембран живых тканей на рабочем уровне.

Линолеил-десатуразные отношения (LDR) в зимующих почках исследованных пород находятся в пределах 0,17–0,51 (табл.). Самая высокая величина LDR в состоянии низкотемпературной устойчивости у лиственницы. Весной этот показатель понижается втрое, что может свидетельствовать как о снижении активности ацил-липидной ω3 десатуразы и, как следствие, скорости введения третьей двойной связи в линолевую (С18:2) кислоту, так и о гидрогенизации уже имеющихся двойных связей. При повышении температуры аккумуляция в мембранах значительных количеств ЖК с тремя двойными связями представляет опасность для клетки. Поскольку возрастающая в этих условиях подвижность мембранных липидов может привести к разрушению липидного бислоя, клетка избавляется от «лишних» двойных связей, тем самым повышает структурную прочность мембран, регулируя их текучесть.

У ели в зимующих почках LDR находится на среднем уровне (0,35) и весной в набухших почках практически не меняется, т.е. соотношение между линолевой (С18:2) и линоленовой (С18:3) кислотами в различных фенофазах развития почек стабильно. У сосны LDR весной, наоборот, возрастает с 0,17 до 0,32. Десатурация линолевой кислоты (С18:2) в линоленовую (С18:3) протекает интенсивнее, чем в зимний период. Однако необходимо помнить, что самой линолевой кислоты (С18:2) образуется намного меньше, чем зимой, на это указывает снижение ORD весной у ели и сосны вдвое. В результате уровень линоленовой кислоты (С18:3) в фосфолипидах набухших почек у всех пород невысокий (в пределах 5,3–8,3%). Следовательно, ацил-липидная ω3 жирнокислотная десатураза, ответственная за введение в углеводородную цепь ЖК третьей двойной связи, в зимний период катализирует превращение линолевой кислоты в линоленовую (С18:3) в фосфолипидах лиственницы в 1,5–3 раза интенсивнее, чем у ели и у сосны, таким образом, принимая активное участие в криоадаптации меристематических клеток лиственницы. Это может свидетельствовать об адаптивной экспрессии ацил-липидной ω3 десатуразы, катализирующей в этих условиях превращение линолевой (С18:2) кислоты в линоленовую (С18:3).

Как уже говорилось, наибольшим разнообразием состава жирных кислот выделяется лиственница сибирская. Только для нее характерно наличие в зимний период значительных количеств (около 6% от суммы ЖК) короткоцепочечных (С<16) ЖК, исчезающих из жирнокислотного спектра весной. Известно, что короткоцепочечные (низкомолекулярные) ЖК, как и высоконенасыщенные, могут способствовать поддержанию текучести мембран на оптимальном уровне, смещая точку перехода мембранных липидов в состояние геля в низкотемпературную область, поскольку длина углеродной цепи ЖК влияет на температуру ее плавления [9, 10]. Восприятие низкотемпературного сигнала мембранами живых клеток лиственницы сибирской влечет уменьшение их жидкостности, а изменение физических свойств мембран, как известно, сопровождается индукцией экспрессии десатуразных генов [11, 12]. Вместе с тем у лиственницы в ходе эволюции выработался и наследственно закрепился механизм оптимизации текучести мембран, предусматривающий, помимо привычной активации ацил-липидных десатураз, роль которых заключается в образовании двойных углеводородных связей в цепях ЖК, синтез низкомолекулярных короткоцепочечных жирных кислот. Таким образом, эти независимые биохимические механизмы

80


позволили лиственнице увеличить диапазон пластичности и расширить ареал своего обитания на Север, до границ распространения древесной растительности [13, 14].

Рис. 2. Соотношение (в %) олеиновой (С18:1), линолевой (С18:2), линоленовой (С18:3) кислот в фосфолипидах меристем почек хвойных пород

Ель сибирская и сосна обыкновенная – менее морозостойкие породы. Ареал их обитания значительно южнее, чем у лиственницы сибирской. Вероятно, им для восстановления текучести мембран живых клеток

81


при снижении температуры, вполне достаточно десатурации углеводородных связей в ацильных цепях жирных кислот мембранных липидов.

Выводы

Анализ исследования состава ЖК фосфолипидов зимующих меристем лиственницы, ели и сосны и его трансформирования при переходе к активной вегетации позволил провести оценку степени ненасыщенности ЖК. Результаты дают основание полагать, что различная морозоустойчивость хвойных [13] cвязана с биосинтезом ПНЖК.

Показано, что на мембранные механизмы низкотемпературной устойчивости меристем исследованных хвойных пород ацил-липидная ω9 десатураза, участвующая в биосинтезе олеиновой (С18:1) кислоты, существенного влияния не оказывает. Ацил-липидная ω6 десатураза, ответственная за синтез линолевой (С18:2) кислоты, напротив, выполняет важную функциональную роль в формировании криозащищенного состояния клеточных мембран. Кроме того, в криоадаптации меристематических клеток лиственницы принимает активное участие ацил-липидная ω3 десатураза, ответственная за введение в углеводородную цепь ЖК третьей двойной связи. В зимний период она катализирует превращение линолевой (С18:2) кислоты в линоленовую (С18:3) в фосфолипидах лиственницы в 1,5–3 раза интенсивнее, чем у ели и у сосны. Тем не менее в целом зимующие почки всех пород характеризуются большими значениями ИДС и К, чем набухшие.

Результаты анализа ненасыщенности ЖК и величины стеароил- (SRD), олеил- (ORD) и линолеил- (LDR) десатуразных отношений позволяют предположить, что особенности биохимической трансформации состава ЖК фосфолипидов меристематических тканей почек, установленные в ходе исследований, связаны с существованием у хвойных, по крайней мере, двух различных механизмов низкотемпературной адаптации липидного мембранного матрикса. У ели и сосны восприятие низкотемпературного сигнала живыми клетками, приводящее к изменению физических свойств мембран, индуцирует экспрессию десатуразных генов и, таким образом, жидкостные свойства мембран восстанавливаются. У лиственницы восстановление жидкостных свойств мембранного бислоя, контролируется двумя механизмами: активации ацил-липидных десатураз и синтеза низкомолекулярных короткоцепочечных (С<16) ЖК преимущественно с нечетным числом атомов углерода. Вероятно, у более древней по происхождению лиственницы данный признак сформирован в более суровых условиях, чем у ели и сосны, и поэтому лучше защищает от низкотемпературного стресса, позволяя лиственнице демонстрировать более высокую устойчивость к действию низких отрицательных температур.


1. Лось Д.А. Молекулярные механизмы холодоустойчивости растений // Вестник РАН. 2005. Т. 75. №4. С. 338–345.2. Макаренко С.П., Коненкина Т.А., Хотимченко С.В. Жирнокислотный состав липидов вакуолярных мембран

корнеплодов // Физиология растений. 2007. Т. 54. №2. С. 223–228.3. Cartea M.E., Migdal M., Galle A.M., Pelleiter G., Guerche P. Comparison of sense and antisense methodologies for

modifying the fatty acid composition of Arabidopsis thaliana oilseed // Plant Science. 1998. V. 136. P. 181–194.4. Lyons J.M., Wheaton T.A., Pratt H.R. Relationship between the physical nature of mitochondrial membranes and chill-

ing sensitivity in plants // Plant Physiol. 1964. V. 39. №2. P. 262–268.5. Jaworski J.G. Stumpf P.K. Fat metabolism in higher plants. Properties of a soluble stearyl-acyl carrier protein desat -

urase from maturing Carthamus tinctorius // Arch. Biochem. Biophys. 1974. V. 162. P. 158–165.6. Nishida I., Murata N. Chilling Sensitivity in Plants and Cyanobacteria: the Crucial Contribution of Membrane Lipids //

Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1996. V. 47. P. 541–568.7. Лось Д.А. Структура, регуляция экспрессии и функционирование десатураз жирных кислот // Успехи

биологической химии. 2001. Т. 41. С. 163–198.8. Los D.A., Murata N. Structure and Expression of Fatty Acid Desaturases // Biochim. Biophys. Acta. 1998. V. 1394.

P. 3–15.9. Актуальные проблемы криобиологии / Под общ. ред. Н.С. Пушкаря и А.М. Белоуса. Киев, 1981. 608 с.10. Кагава Ясуо. Биомембраны: Пер. с япон. М., 1985. 303 с.11. Hamada T., Kodama H., Nakeshita K., Utsumi H., Iba K. Characterization of Transgenic Tobacco with an Increased –

Linolenic Acid Level // Plant Physiol. 1998. V. 118. P. 591–598.12. Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот: Адаптивная экспрессия и принципы регуляции // Физиология растений.

1997. Т. 44. С. 528–540.

82


13. Хлебникова Н.А., Гирс Г.И., Коловский Р.А. Физиологическая характеристика хвойных растений Сибири в зимний период // Труды ИлиД СО АН СССР. Красноярск, 1963. Т. 60. С. 5–16.

14. Дылис Н.В. Лиственница. М., 1981. 96 с.

Посутпило в редакцию 1 ноября 2008 г.

83


УДК 546.212: 541.123.11

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СГУСТКА-12 В КАРТОФЕЛЬНОМ АМИЛОПЕКТИНЕ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ КЛУБНЯ. ВЛИЯНИЕ БЕЛЫХ ШУМОВ*

© К.В. Зубова 1, А.В. Зубов2, В.А. Зубов1*

1Компания «A IST H&C», Отд. НИР, PF 520253, D-12592, Берлин (Германия) E-mail: [email protected]Институт информатики, факультет компьютерной науки, университет им. Гумбольда, Д-12489 Берлин,Рудовершоссе, 25, дом III, 3-й коридор, дом Ёохана фон Ноймана (Германия) E-mail: [email protected]

Исследован термический распад до 523 К краxмала пишевого картофеля, выращиваемого на севере ФРГ, и чистого амилопектина из генетически модифицированного картофеля методом спектроскопии мерцаний в шумах (СМШ). Представлены СМШ-спектры осцилляций масс кластеров в аморфных частях макромолекул крахмала и амилопектина в процессе созревания картофеля. Периодически повторяющейся субъединицей амилопектина (ППСЕ) является спираль, состоящая из двух витков и 12 звеньев α-D-глюкопиранозы. Кластеры в крахмале и амилопектине дают следующий ряд по числу звеньев: 12; 21; 33; 47; 64; 84; 107; 160 и т.д. Сделано предположение о формировании этого ряда в стоячих волнах белого шума, пронизывающего планету. Амилопектин находится в аморфной части макромолекул крахмала в виде суперклубков, построенных из субклубков макромолекулярных ответвлений. Энергия образования кластера-12 зависит от температуры и изменяется в интервале от –35...–220 Дж/моль звеньев, а энергия активации теплового движения в интервале –6 до 5 кДж/моль. Дано уравнение Зубова, связывающее частоты осцилляций кластеров и их массы.

Ключевые слова: суперклубок, кластеры, амилопектин, энергия активации, шум белый.

ВведениеИзучение низкочастотных движений фрагментов цепей биополимеров должно дать ответ на понимание

механизма их образования, спектра их конформационных переходов, дать представление об их окружении и характере взаимодействии с этим окружением [1]. Авторы этой работы справедливо отмечают особую важность изучения этой проблемы на уровне кластеров, доменов, надкластерных структур в биополимерах, которые являются одной из центральных проблем современной биологии. Проблемы вирусных заболеваний как результат простого изменения конформации биомолекулы ставят проблему как первоочередную в области биохимии.

Одной из нерешенных проблем в биологии и химии высокомолекулярных соединений является структура природного полимера – амилопектина. Амилопектин с амилозой – составная часть крахмала картофеля, зерна, фруктов. В отличие от линейной амилозы амилопектин характеризуется высокой степенью разветвленности. Механизм их образования, развития и разрушения не достаточно ясен. Структура амилопектина на уровне понимания степени разветвлений (СВ), их степеней полимеризации (СП), динамики конформации клубков и их взаимодействия с окружением до конца не понята. Большинство сообщений на эту тему [2–4] опирается на проведенную в конце 70-х гг. ХХ в. Банксом и Маиром работу [5]. Считается что амилопектин в грануле находится в основном в кристаллическом состоянии [2, c. 314]. Однако из физикохимии высокомолекулярных соединений хорошо известно, что разветвленные полимеры не кристаллизуются или кристаллизуются чрезвычайно плохо, тем более сильно разветвленные, к которым относится и амилопектин. Кристаллические структуры таких полимеров имеют много дефектов, а разветвления, как правило, «выбрасываются» из кристалла [6]. Свернутая конформация макромолекулярных ответвлений термодинамически более выгодное состояние, чем развернутое.

* Примечание редакции: Данная статья публикуется в порядке дискуссии. Редакционная коллегия будет благодарна читателям за отклики.* Автор, с которым следует вести переписку.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СГУСТКА-12 …

Моделирование кристаллизации макромолекулы, на каждые 20–30 звеньев которой приходится одно ответвление, крайне сложно. Можно говорить только о некоей упорядоченности на уровне складок фрагментов цепей. Это явное противоречие не подымается в силу сложности вопроса и отсутствия метода подтверждения работы [5]. Cчитается, что на около 30 звеньев глюкозы в амилопектине приходится одно ветвление [3, с. 496] посредством α–1→6 связи. Там же (на с. 620) справедливо утверждается, что природа выбрала разветвленные биомолекулы (амилопектин и гликоген) для возможности их быстрого разрушения и синтеза. Разрушить же кристаллическую структуру всегда сложнее, чем аморфную или полукристаллическую. Смоделировать кристаллическую структуру амилопектина из фрагментов цепей, состоящих из 30 звеньев, «нагруженных» разветвлением, без применения ЭВМ не представляется возможным. Спорным остается вопрос о том, что такие короткие цепи могут образовывать двойные спирали, как это утверждается в [2] и [4]. К сожалению, большинство работ выполнено не на чистых образцах крахмала или амилопектина, а на их растворах или гелях. При этом факту сильнейшего влияния воды на конформацию биополимера не уделяется достаточного внимания. Одно ясно, что структуры амилопектина и крахмала в геле/растворе нельзя сравнивать или даже брать за основу понимания нативной структуры биополимеров.

В настоящее время отсутствует быстрый и не разрушающий метод регистрации движений больших сгустков масс в макромолекулах твердых полимеров. Описаны попытки с помощью расщепляющих амилопектин энзимов получить представление об этих параметрах [7, 8]. Авторы этих работ обнаружили, что ферментативное расщепление амилопектина ведет преимущественно к образованию цепей со СП, равной 12. Такие цепи, согласно рентгеновскому анализу, могут представлять собой спирали из двух витков, каждый состоящий из 6-ти звеньев α-D-глюкопиранозы [9]. Валлес с коллегами предпринял интересную попытку исследования процесса термического распада крахмала путем изучения низкочастотных движений цепей биополимера при механическом воздействии и нагревании. Авторы приводят значения энергий активации процессов, которые они декларируют как процессы, связанные с разрушением ответвлений [10]. Обнаружены релаксационные процессы при 383К и 433 К, которые никак не интерпретируются.

С одной стороны, крахмал будет являться базовым сырьем для получения новых пищевых продуктов [11] и сырьем для получения биоразрушаемого упаковочного материала [9, 10], с другой – он, его структура могут стать ключевым индикатором изменений в растениях в результате антропогенного влияния на климат, интенсификацию сельского хозяйства, «нагружению» его генетически измененными видами и трансферами генов. Качество технологического сырья зависит от содержания и свойств амилозы и амилопектина – основных компонентов крахмала. Главные характеристики амилопектина СП и СВ являются предметом многочисленных исследований [7–13]. Имеется ясное представление о механизме синтеза крахмала [14], однако на уровне формирования надмолекулярных структур, сгустков (кластеров) фрагментов цепей макромолекул и их взаимодействия между собой в биоматрице клубня нет ясного понимания [15]. Авторы работы [16] предприняли попытку химическим методом окисления (2% NaOCl) установить длины макромолекулярных разветвлений в амилопектине. Ими получены значения СП от 6 до 50 и выше. Однако такой метод является спорным в силу низкой селективности химического окисления особенно для высокомолекулярных свернутых цепей. Тестер с сотрудниками [17], изучая ультраседиментацию предварительно размолотого на шаровой мельнице крахмала, обнаружил в продуктах разрушения цепи амилозы со степенью полимеризации 12, 14, 24, 50–51, 79. Этот путь анализа степени разветвления амилопектина будет только в очень отдаленной форме отражать реалии и не приемлем из-за неселективности процесса грубого разрушения и возможной агломерации цепей в процессе седиментации. Попытки определить СП и СВ с помощью классических методов химии как-то: ЯМР-, оптической спектрометрии и даже хроматографии – сложны, длительны и трудно воспроизводимы.

Разумно полагать, что макромолекулярные цепи разветвлений в амилопектине будут образовывать за счет сил когезии собственные клубки. Свернутая конформация ответвлений термодинамически более выгодное состояние, чем развернутая в силу возрастания энтропии системы [6]. Движущей силой такого сворачивания являются силы когезии. Множество разноразмерных клубков в такой модели суперклубка-грозди [18] может отражать как степень разветвления амилопектина, так и молекулярные массы ответвлений. При нагревании такой суперклубок должен распадаться на составные части – субклубки макромолекул-разветвлений. Можно предложить следующую модель термораспада суперклубка до отдельных субклубков, образованных ответвлениями, представленную на схеме.

85

К.В. ЗУБОВА, А.В. ЗУБОВ, В.А. ЗУБОВ

(I)

(Заметим, что кластер из 12 звеньев -D-глюкопиранозы не является субклубком, но он является элементом его построения, на этой схеме он не представлен). Нагрев суперклубка приведет к увеличению колебаний составляющих его субклубков и отрыву их от основной цепи амилопектина. Так как массы субклубков различны, различно их положение в структуре суперклубка, а также различно их взаимодействие друг с другом посредством водородных связей между гидроксильными группами звеньев, поэтапный термораспад амилопектина может дать представление как о структуре суперклубка, так и о характере удерживающих субклубки связей. Если такая модель строения амилопектина верна, то с помощью спектроскопии мерцаний в шумах (СМШ) можно зафиксировать как осцилляции субклубков в исходном суперклубке амилопектина, так и осцилляции субклубков в продуктах термораспада крахмала, определить их массы. СМШ-спектроскопия может также зарегистрировать осцилляции отдельных звеньев в цепях крахмала и их поведение в процессе созревания клубня или нагревании крахмала.

Цель настоящей работы – исследование энергетических характеристик низкочастотных движений молекулярного сгустка, состоящего из 12 звеньев α-D-глюкопиранозы в картофельном крахмале и чистом картофельном амилопектине в процессе их созревания.

Материалы и методыЧистый амилопектин – изолят материнского (посадка 2005 г.) и дочернего (2006 г) генетически

модифицированного (ГМ) картофеля – был любезно предоставлен Баварским институтом растениеводства (LfL) [19]. Использовали крахмал из сортов свежего пищевого картофеля (посадка 27.04.2006), выращиваемого на севере ФРГ: «Кaлена» (NORIKA Nordring-Kartoffelzucht-und Vermehrungs-GmbH, ФРГ) и «Aгрия» (Kartoffelzucht Böhm KG, ФРГ). Пробы отбирались с участков поля с одинаковым качеством грунта в летний период максимального усвоения зеленой частью растения солнечной энергии [20]. Крахмал из предварительно очищенного картофеля извлекали по стандартной методике (измельчение в водной пульпе, отжим и фильтрация, отстой, декантация и промывание осадка дистиллированной водой трижды, сушка на воздухе при температуре не выше чем 308 К до постоянного веса). Воздушно-сухой крахмал представлял собой порошок белого цвета с содержанием влаги не более чем 11...13 мас. %. Содержание воды в чистом амилопектине не более 1 мас.%. Легкую прессовку пробы крахмала (7–10 мг) помещали в ячейку измерений СМШ-спектрометра (фирмы «Aist Handels- und Consultin» GmbH, www.zubow.de [21]) и нагревали ее со скоростью 6–10 К/мин в отсутствие контакта с воздухом до 338 К, проводилось трехразовое измерение шумов от отраженных от сгустков молекулярных масс в пробе ударных волн спектрометра, очистки и выделения сигналов кластеров. Измерение проб осуществлялось при температурах 373, 393, 433, 473 и 523 К. Точность удержания температуры ± 3 К. Каждое измерение продолжалось 30 с. Первоначально спектры представлялись в координатах массы кластера (m) – его относительная доля (f), после чего производилось их калибрование по внутреннему стандарту, в качестве которого использовался тепловой эффект смачивания водой высушенной при 383 К в вакууме целлюлозы (49,324 Дж на один грамм [22, с. 121]), массу навески (~8 мг) и сумму условных единиц «очищенных» электрических сигналов, зависимость которых от температуры при 363–393 К имеет экстремум, интерпретируемый нами как эффект десорбции воды [12, 13]. Найденное таким образом значение энергии образования кластера (Н2О)12 (сигнал осциллятора при lgm = 2,28 в спектре крахмала, выделенного из картофеля на 23.06.06) cоставило 65±10 Дж/моль и удовлетворительно совпало с энергией образования кластера в массе воды ~75±10 Дж/моль [23]. Ошибка в определении масс составляла для интервала до lgm < 3,5 15±7%, для интервала от 4,5 < lgm > 3,5 – до 10±5% и для масс выше lgm > 4,5 – до 20%. Ошибка в определении энергий ±15%. В основе метода лежит цифровая обработка многомерных сигналов [24], исходящих от слабых взаимодействий ударных волн спектрометра с молекулярными сгустками масс (кластерами) в веществе (рис. 1).

Отрицательный сигнал (–f) в СМШ-спектре есть результат выделения энергии плотным кластером при его уплотнении и кристаллизацией, а положительный сигнал (f) – поглощения энергии при взаимодействии ударной волны с рыхлым кластером и его плавлением/разрушением. Долям плотных кластеров условно присвоен знак минус, а долям рыхлых кластеров – плюс. Это сделано также для удобства понимания и разделения кластеров по плотностям на графиках. Доля кластера (f) есть отношение его сигнала к абсолютной сумме всех обнаруженных сигналов кластеров в спектре. Таким образом, значение f является энергетической

86

http://www.zubow.de/


характеристикой взаимодействия ударной волны с препятствием, роль которого выполняют сгустки молекул – кластеры.

В расчетах использовали уравнение Зубова, связывающего массу кластеров, и их порядковый номер (по мере возрастания массы, N=1; 2; 3; 4...) с частотой их осцилляций.

m = 1011·ω-2, m = (250±20)·N (2,2± 0,2),

где масса кластера (m) в дальтонах, а частота (ω) в герцах [25]. Описание прибора дано в работе [26].

Рис. 1. Принциписальная схема СШМ-спектрометра: 1 – порошок полимера, пленка или раствор; 2 – СМШ-сенсор; 3 – тефлоновая трубка; 4 – СМШ-спектрометр, включающий микропроцессор, програмное обеспечение по очистке сигнала и его выделению, генератор ударных волн и систему администрации; 5 – интерфейс; 6 – термостат (см. также в www.zubow.de)

СМШ-спектрометр

1 2 3

4

5

6

Обсуждение результатовКристаллизация молекул амилопектина затруднена в силу их разветвленности. В гранулах крахмала он

обнаруживается электронно-микроскопически в аморфных ламелях, которые сформированы его клубками [27]. Цепи амилопектина образуют спирали, состоящие из 6-ти звеньев α-D-глюкопиранозы. Спирали имеют слабовыраженную регулярность [9] и находятся в скрученной конформации. Причинами, побуждающими скручивание спиралей в клубки, являются водородные связи и когезионные взаимодействия (подобное к подобному). Согласно такой, модели осцилляции клубков, состоящих из 2-х, 4-х, 6-ти и 8 спиралей, соответственно содержащих 12, 24, 36 и 48 звеньев α-D-глюкопиранозы, должны быть зафиксированы СМШ-спектроскопией как осцилляции сгустков масс, сконцентрированных в сферические образования.

Сухой крахмал, по данным термографических исследований, устойчив до 523 К. Дериватограммы не фиксируют уменьшение массы или какие-либо термические эффекты в полимере до этой температуры [12, 13], что позволяет сократить число возможных (побочных) химических процессов при нагревании крахмала и СМШ-методом проследить низкочастотные движения больших молекулярных масс, предшествующие распаду полимера. Тепловое движение сгустков масс можно рассматривать с позиций взаимодействия их со своим окружением, а для описания энергетики такого движения использовать известный математический аппарат для активаций течения полимеров [28].

На рисунке 2 представлены некоторые СМШ-спектры крахмала и чистого амилопектина. Сигналы сгустка масс, эквивалентные 12-ти звеньям глюкозы, обозначены цифрой 12. Моделирование этого сгустка моделями Кохрана приводит к выводу, что он может быть представлен кластером, состоящим из скрученных спиралей, содержащих по два витка каждая. На схеме II дана модель этого кластера (кластер-12).

87


O

HHO

H

H

H

CH2OH

H

OHO

H

HOH

H

H

CH2OH

H

OH

O

O

O

O

H

HOH

H

H

CH2OH

H

OH

O

H

HOH

H

HCH2OHH

OH

O

O

O

O

H

HO

H

HH

CH2OH

HOH

O

H

HO

H

HH

CH2OH

HOH

O

O

O

H

HO

H

HH

CH2OH

HOH

O

H

HO

H

HH

CH2OH

HOH

O

O

O

OH

HOH

H

HCH2OHH

OH

O H

HOH

H

H

CH2OH

H

OH

O

O

O

O

H

HOH

H

H

CH2OH

H

OH

O

HHO

H

H

H

CH2OH

H

OHO

O

Такая спираль стабилизируется внутриспиральными водородными связями между ее звеньями. Стабильность сгустка подтверждается присутствием постоянных сигналов во всем диапазоне исследованных температур. Кластер-12 является плотным образованием и при взаимодействии с ударной волной спектрометра только уплотняется. Схематически его структуру можно представить так:

(III)

А возможные варианты нахождения кластера-12 в крахмале – 4-мя структурами:

IV

Устойчивость структуре обеспечивают, по видимому, сильные водородные связи (α-1,5) между отдельными витками. Моделирование стержневыми моделями Кохрана (Kochrane) показало, что этот осциллятор по форме близок к сфере, а его взаимодействия с окружением в основном осуществляются неводородными связями. Чаплин [29] при компьютерном исследовании кластеров воды сделал вывод, что крупные кластеры формируются из более мелких. Так, кластер воды, содержащий 280 молекул, интерпретируется им как собранный из кластеров, содержащих 14 молекул воды. Поэтому можно ожидать развитие такой иерархии и для крупных кластеров в крахмале.

88

II


картофельный крахмал на 29-09-2006

-500

-250

0

250

500

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5

E, Д

ж/м

оль

картофельный крахмал на. 23-06-2006

-100

-50

0

50

100

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5

lg m , Да

E, Д

ж/м

ольl

амилопектин

-260

-160

-60

40

140

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5

E, Д

ж/м

оль

Рис. 2. Обзорные СМШ-спектры порошков крахмала выделенных из клубней картофеля сорта Агрия, ГМ картофеля сорта Willi. 294 К. Цифры над пиками – число звеньев α-D-глюкопиранозы с массой эквивалентной массе осциллирующего кластера. Для крахмала первый пик (1) является суперпозицией сигналов инклюдированной воды и осцилляций звена α-D-глюкопиранозы

Как видно из схемы III, энергии образования кластеров в амилопектине ГМ картофеля лежат в интервале –280...+220 Дж/моль. Кластер-12 при повышении температуры становится неустойчивым, энергия его разрушения монотонно приближается к нулю, а кластер-160, наоборот, имеет максимум устойчивости при 393 К. При температуре 294 К (схема III) в области осцилляций масс в амилопектине до lg m < 2,8 отсутствуют видимые сигналы. Но при нагревании уже до 338 К и выше появляется сигнал от осцилляций масс, эквивалентным колебаниям звена α-D-глюкопиранозы в амилопектине. Возможны два вида осциллирующих глюкозных звеньев (кластеров-1) амилопектина (схема V).

(V)

Заметим, что этот сигнал в СМШ-спектре может являться суммой сигналов плотных и рыхлых кластеров-1. Поведение сигнала кластера-1 при нагревании подтверждает это предположение (рис. 3). Увеличение температуры приводит к распрямлению полимерных цепей, и равновесие плотный-рыхлый сдвигается в область доминирования рыхлых кластеров-1. Кластер-1 в линейном состоянии (рыхлый) энергетически не

89


выгоден (водородные мостики скручивают его) и требует бóльших затрат энергии на образование его в такой форме. Из рисунка 3 видно, что с повышением температуры энергия образования кластера-1 в рыхлой форме возрастает. Так как этот кластер является составной частью кластера-12, то его поведение при нагревании поможет понять структурные переходы в полимерах при нагревании и раскрытие доступа к необходимым функциональным группам при химических процессах. В этой области спектра (lg m < 2,8) осциллиции звена α-D-глюкопиранозы активно маскируют кластеры воды ((H2O)12 [23]), что требует тщательной подготовки образцов [25].

Разумно полагать, что и самый малый кластер-12 в кластерной структуре крахмала может быть базовой структурой его надкластерной организации – периодически повторяющейся структурной единицей (ППСЕ). Можно выделить следующий ряд кластеров по СП (рис. 2, 3): 12; 21; 33; 47; 64; 84; 107; 160 и т.д. С учетом ошибки измерения масс и в пересчете на один ППСЕ ряд будет выглядеть так: 1; 2; 3; 4; 5; 7; 9; 13 и т.д. В этих рядах кластеры, выделенные курсивом, появляются в спектрах не всегда, например из 4-х ППСЕ (рис. 3).

Поведение крупных осцилляторов при нагревании происходит различно. Так, спирали, состоящие из пяти ППСЕ, полностью разрушаются уже к 338 К, спирали, состоящие из 13 ППСЕ (рис. 3 обозначен стрелкой, схема IV), по-видимому, при 294 К находятся в равновесии (плотный-рыхрый), которое при нагревании сначала сдвигается в область доминирования рыхлых кластеров (T~338 K), а затем происходит их термическое разрушение.

(VI)

Кластер-160, состоящий из 13 ППСЕ, термически устойчив. Его сигнал, как рыхлого осциллятора, присутствует на всех спектрах (рис. 2). С увеличением температуры интенсивность сигнала возрастает, что свидетельствует об ослаблении взаимодействия осциллятора с его окружением. Моделирование этих кластеров приводит к пониманию того, что они имеют выраженную сферическую форму и ее формирует расположение ППСЕ. Такая сфера напоминает принудительно свернутую пружину, в которой один виток представлен парами связанных первоначальных витков (схема VI). Заметим, что масса кластера-160 удовлетворительно совпадает с массой кластера полистирола, выделенного Зисманом из разбавленного раствора в ксилоле [30]. Это совпадение подтверждает факт принудительного формирования кластеров в молекулярной материи, в не зависимости от природы вещества, в стоячих волнах белых шумов, пронизывающих планету [25, 36].

90


Рис. 3. СМШ-спектры чистого амилопектина (#1332) [19] при различных температурах. Нагрев без доступа воздуха

Интегральные распределения кластеров в крахмале и чистых амилопектинах различаются. Для амилопектина #1332 они хорошо описываются следующим выражением:

Wy=0,1199·ln (m·10–5)+0,6771,

Для амилопектина сорта Willi : Wy=0,1173·ln (m·10–5)+0,681.

91


Рис. 4. Изменение параметра взаимодействия кластера-12 с его окружением f в крахмале и амилопектине разных стадий созревания клубня картофеля, представленное в аррениусовских координатах (1/T, ln f)

Интегральные распределения кластеров в крахмале картофеля сорта Агрия аппроксимируются полиномами более высоких степеней, например на 23.06.2006:

Wy= –2·10–6·х6 + 9·10–5·х5 – 0,0021·х4 + 0,0219·х3 – 0,1157·х2 + 0,3371·х + 0,2027,

где х= m·10-5.На 6.07.2006:

Wy = –2·10–6·х6 + 9·10–5·х5 – 0,002·х4 + 0,022·х3 – 0,1302·х2 + 0,3947·х + 0,22.

На 01.09.2006 удовлетворительно: Wy=0,1058·ln (m·10–5) + 0,7074.На 29.09.2006 удовлетворительно: Wy=0,1092·ln (m·10–5) + 0,7533.Tемпературно-вынужденные движения кластеров можно описать параметром взаимодействия осциллятора

с его окружением (f). Поэтому изменение f может быть использовано как характеристика этого процесса, например, для аррениусовского описания энергетики активации движения кластеров в крахмале (f=А·е–Е/RT) [10]. На рисунке 4 представлены температурные зависимости изменения значения f для кластера-12 и различных стадий созревания картофеля.

Из рисунка 4 видно, что термическую активацию движения (Еаct) кластера-12 в крахмале и амилопектине можно определить этим способом. Разброс точек, однако, велик, особенно при низких температурах. Можно полагать, что причиной является структурно-связанная вода (10...13 масс. %). Однако принудительное удаление ее исказит дальний порядок в аморфной части крахмала и нарушит корреляцию данных с процессом созревания клубней. Обращает на себя внимание изменение хода тренда для различных стадий созревания картофеля. По мере созревания клубней прямые трендов приближаются к горизонтальным положениям и разброс точек уменьшается. На основании данных рисунка 4 рассчитаны Еаct для кластера-12. Результаты расчета представлены на рисунке 5.

Из рисунка 5 видно, что энергетика процесса взаимодействия кластера-12 со своим окружением различна на разных стадиях созревания картофеля. До 27.07.2006 имеется удовлетворительная корреляция роста значений Еаct с увеличением молекулярной массы крахмала в аморфной части полимера. Первый пик и характер хода кривой совпадает по времени с первым пиком на кривой изменения молекулярных масс суперклубков амилопектина для этого сорта картофеля в процессе созревания. Отрицательные значения Еаct могут свидетельствовать о неустойчивом (метастабильном) состоянии кластера-12 в молодом картофеле, отсутствии внешних препятствий для активации движения и даже их стимулирования, например, интенсивными воздействиями основной цепи. К таким пространственным условиям подходят структуры a, d (схема IV). На ранних стадиях созревания картофеля отрицательные значения энергии активации движения кластера-12 вынужденные и напоминают движения конечностей вьющегося растения при ускоренной съемки видеокамерой. На 15.07.2006 Еаct принимает положительные значения. Это означает появление энергетического барьера, препятствующего движению кластера-12. Им может быть исчезновение стимулирующего влияния главной цепи (структуры a, d, схема IV) на движение кластера-12. В аморфной части макромолекулам крахмала становится тесно, и кластер-12 испытывает трудности в своем движении. Этому состоянию могут соответствовать структуры b, c (схема IV). Резкое уменьшение Еаct на 25.07.2006 также хорошо коррелирует с резким уменьшением молекулярной массы (ММ) суперклубков амилопектина в результате процессов ферментативного их разрушения [18, 28]. Дебранжинг [27] несколько расчищает окружение кластера-12, и его движения становятся более свободными. Процесс разрушения амилопектина заканчивается сразу после снижения температуры ниже 298 К и инактивиции фермента, что приводит к повторному росту ММ суперклубков с максимумом на 10...20.08.2006. Рост ММ адекватно приводит к

92


росту Еаct, и кластер-12 повторно испытывает затруднения в своем движении внутри аморфной части крахмала. В созревшем клубне Еаct вновь принимает отрицательные значения в силу старения картофеля, возрастания степени уплотнения/кристаллизации амилопектина и выталкивания кластера-12 на поверхность. В «старом» крахмале движения кластера-12 опять стимулируются движениями главной цепи, а внешнему тепловому движению кластера практически нет препятствий. Так как процесс ферментативного разрушения суперклубков амилопектина протекает на их поверхности, то и свободный кластер-12 будет преимущественно находиться на поверхности суперклубков. Подтверждением этому может являться модель стимулирования движений кластера-12 главной цепью (-Еаct). Кластеры-12 в неактивной форме могут находиться и внутри суперклубков, но их движения и осцилляции будут сильным образом ограничены, и зафиксировать их сигналы в СМШ-спектрах будет сложно. Понижение температуры и процессы старения клубня тормозят рост ММ и ведут к усилению процессов кристаллизации амилопектина. Процесс кристаллизации будет выталкивать кластер-12 из кристалла, что и обнаруживается на монотонном уменьшении барьера активации движения после 20.08.2006 (рис. 5). После 1.09.2006 энергия активации движения кластера-12 принимает отрицательные значения, свидетельствующие в пользу структур a и d (схема IV). Процессы, характеризуемые отрицательными энергиями активации, в химии полимеров – хорошо известное явление [31], и они используются для понимания механизмов реакций, к которым относится синтез, структурирование и кристаллизация (старение) амилопектина.

Рис. 5. Изменение энергии активации движения кластера-12 в крахмале в процессе созревания картофеля сорта Агрия

Было замечено, что ряды всех вышеисследованных кластеров, кластеров в природных водах [32], воде [23, 29, 32], полимерах [21, 25, 26, 30], растворах [34], спиртах и углеводородах [23, 35], клубках протеинов и полисахаридов (лизоцим, L-аргинин, химотрипсиноген-А, амилопектин [25, 36]) имеют близкие массы. Общим является ряд, состоящий из следующих сгустков масс, в таблице (по порядку (N) приведены только первые 9 членов ряда. Этот ряд удовлетворительно описывается уравнением Зубова.

Существование такого устойчивого ряда для различных веществ и их состояний нельзя считать случайным. Можно c большой уверенностью полагать, что он формируется, например, в стоячих волнах белого шумового фона, пронизывающего

планету Земля [36, 37]. Нарушить устойчивость этого ряда можно, например, нагружением белого, естественного, шума, температурной компонентой и перевода его в цветной шум. Так, при нагревании раствора поваренной соли до 368 К происходит смещение частот и масс осциллирующих сольватных кластеров ионных пар солей [34], а при резком охлаждении наночастиц карбида кремния (~10 6К/с) в плазме ударной трубы или адиабатической машины [38] – полное нарушение гармонии этого ряда для кластеров неорганического полимера, полученного таким образом.

Сгустки масс и частоты их осцилляций под воздействием ударной волны спектрометра обнаруженные в жидкостях, полимерах, биомолекулах (пояснение в тексте). N – порядковый номер кластера

N m, кДа кГц1 0,2±0,02 22,2±0,12 1,8± 0,1 7,4±0,13 3,1± 0,1 5,5±0,14 4,9±0,5 4,4±0,15 7,0±0,5 3,7±0,16 9,5±0,5 3,2±0,17 12,5±0,5 2,8±0,18 15,7±0,5 2,5±0,19 26±3 2,0±0,1

93



Молекулярный сгусток масс, эквивалентный 12 звеньям α-D-глюкопиранозы, – наиболее стабильное образование в аморфной части макромолекул крахмала. Он представляет собой спираль, состоящую из двух витков, термическая стабильность которой определяется внутривитковыми водородными связями между отдельными звеньями полимера. Сгусток преимущественно находится на поверхности суперклубков амилопектина. Энергия образования этого кластера лежит в интервале от –35...–220 Дж/моль и изменяется в зависисмости от окружения кластера и степени созравания картофеля, активация движения кластера-12 лежит в диапазоне от –6 до 5 кДж/моль и изменяется синхронно молекулярной массе суперклубков в процессе созревания клубня.

Благодарности

Авторы выражают свою благодарность за финансовую поддержку работы в рамках инициативы «FNS» компании «Aist Handels- und Consulting» GmbH и компании «Kloke» GbR, Landwirtschaft und Dienstleistunge» за любезно предоставленные образцы картофеля Агрия и Калена, д-ру Михаэлю Райхману, «Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung» (D-85354, Бавария, ФРГ), – чистого амилопектина ГМ картофеля.

Список литературы1. Мажуль В.М., Зайцева Е.М.. Щербин Д.Г. Внутримолекулярная динамика и функциональная активность

белков // Биофизика. 2000.Т. 45. Вып. 6. С. 965–989.2. Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 5. Auflage, Berlin, Heidelberg, NY, Bar-

celona, London, Mailand, Paris, Singapur, Tokio, Springer Verlag 2001. S. 863.3. Lubert Stryer. Biochemie. 4-Aufl. Spectrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford, 1996. S. 690.4. Химическая энциклопедия. М., 1990. Т. 2. С. 498.5. Banks W., Mair D.D. In «Biochemistry of plants», (Eds.: Strumpf P.K., Conn E.E.) 1980. V. 3. 321 s.6. Тюдзе Р., Каваи Т. Физическая химия полимеров. М., 1977. С. 167. 7. Anne J. Kortstee, Angela M.S. Vermeesch, Beja J.de Vries, Evert Jacobsen, Richard G.F. Visser . Expression of Es-

cherichia coli branching enzyme in tubers of amylose-free transgenic potato leads to an increased branching degree of the amylopectin // The Plant Journal. 1996. V. 10. №1. P. 83–90.

8. Hikara Satoh, Aiko Nishi, Kayuhiro Yamashita, Yoko Takemoto, Yasumasa Tanaka, Yuko Hosaka, Aya Sakurai, Naoko Fujita, Yasunori Nakamura. Starch-Branching Enzyme I-Deficient Mutation Specifically Affects the Structure and Properties of Starch in Rice Endosperm // Plant Physiology. 2003. V. 133. №3. P. 1111–1121.

9. Mia Sjöqvist, P. Gatenholm. The Effect of Starch Composition on Structure of Foams Prepared by Microwave Treat-ment // Journal of Polymers and the Environment. 2005. V. 13. №1. Р. 29–37.

10. Vallés A. Lluch., Felippe A.M., Greus A.R., Cadenato A., Ramis X., Salla J.M., Morancho J.M. Thermal Analysis Characterisation of the Degradation of Biodegradabile Starch Blends in Soil. // J. Appl. Polym. Sci. 2005. V. 96. P. 358–371.

11. Beatrice Conde-Petit, Jeannette Nuessli, Eva Arrigoni, Felix Escher, Renato Amado. Perspective of Starci in Food Science // Chimia. 2001. V. 55. №3. P. 201–205.

12. Aggarwal P., Dollimore D.. The combustion of starch, cellulose and cationically modified products of these com-pounds investigated using thermal analysis // Thermochimica Acta. 1997. V. 291. P. 65–72.

13. Aggarwal P., Dollimore D., Heon K.Comparative Thermal Analysis Study of Two Biopolymers, Starch and Cellulose // J. of Thermal Analysis. 1997. V. 50. P. 7–17.

14. Lehrbuch für Botanik für Hochschulen Gustav Fischer Verlag 1993. 33. Auflage neubearbeitet von Peter Sitte, Hubert Ziegler, Friedrich Ehrendorfer, Andreas Bresinsky. S. 276.

15. Pyda M. Conformational Heat Capacity of Interacting Systems of Polymer and Water / / Macromolecules. 2002. V. 35. P. 4009–4016.

16. Kuakpetoon D., Ya-Jane Wang. Structural characteristics and physicochemical properties of oxidized corn starch vary-ing in amylase content // Carbohydrate Research. 2006. V. 341. P. 1896–1915.

17. Tester R.F., Patel T., Harding S.E. Damaged starch characterisation by ultracentrifugation // Carbohydrate Research. 2006. V. 341. P. 130–137.

18. Batle N., Carbonell J. V., Sendra J. M. Determination of Depolymerisation Kinetics of Amylose, Amylopectin, and Soluble Starch by Aspergillus Oryzae – Amylose Using a Fluorimetric 2-p-Toluidinylnaphthalene-6-Sulfonate / Flow-Injection Analysis System // Biotechnology and Bioengineering. 2000. V. 70. №5. P. 544–552.

19. Reichmann M., Schwaryfischer A. Reine Amylopektin-Stärke aus Kartoffeln // Kartoffelbau. 2006. №4. S. 170–173.20. Schittenhelm S. Kartoffelkraut und Trockenheit // Kartoffelbau. 2006. №4. S. 164–165.21. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Исследования структурных изменений в пленке ПЭВД методом

спектроскопии мерцаний в шумах // Пластические массы. 2006. №3. С. 32–34.22. Кленкова Н.И. Структура и реакционная способность целлюлозы. Л., 1976. C. 367.23. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Кластерная структура жидких спиртов, воды и н-гексана // Журнал

прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72. №3. C. 305–312.

94


24. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. М., 1988. C. 488. (Dan E. Dudgeon, Russell M. Mersereau. Multidimensional Digital Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs 1984).

25. Зубова К.В., Зубов В.А., Зубов А.В. Использование спектроскопии мерцаний в шумах для неразрушающего анализа наноструктур // Заводская лаборатория. Диагностика материалов». 2008. Т. 74. №9. С. 40–46.

26. Зубова К.В., Зубов В.А., Зубов А.В. Динамика низкочастотных движений сгустков масс в процессе отверждения эпоксидных смол // Химическая промышленность сегодня. 2008. №9. С. 12–21.

27. Tang H., Mitsunaga T., Kawamura Y. Molecular arrangement in blocklets and starch granule architecture // Carbo-hydrate Polymers. 2006. V. 63. P. 555–560.

28. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М., 1983. C. 391.29. Chaplin M. (South Bank University of London, 2006) in http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html30. Zysman, Viviane; Nguyen, Tuan Q.; Kausch, Henning H. Degradation on freezing dilute polystyrene solutions in p-

xylene // Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics. 1994. V. 32. №7. P. 1257–1269.31. Оудиан Дж. Основы химии полимеров. М., 1974. C. 614.32. Зубов А.В., Зубова К.В., Зубов В.А. Исследование распределения кластеров воды в овощах, фруктах и

природных водах используемых для орошения методом спектроскопии мерцаний в шумах // Биофизика. 2007. T. 52. №4. C. 585–592.

33. Andersson P., Steinbach C., Buck U. Vibrational spactroscopy of large water clusters of known size // Eur. Phys. J. D. 2003. V. 24. P. 53–64.

34. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Спектры осцилляций зародышевых кристаллов NaCl в водных растворах // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72. №6. C. 766–772.

35. Zakharov V.V., Brodskaya E.N., Laaksonen A. Molecular dynamics simulation of methanol clusters // J. Chem. Phys. 1998. V. 109. P. 9487–9493.

36. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Новая форма молекулярной материи. Процессы. Поля. Берлин, 2008. 806 c. электронная книга (www.zubow.de).

37. Halberg F., Cornelissen G., Regal P., Otsuka K. etc. Chronoastrobiology: proposal, nine conferences, heliogeomagnet-ics, transyears, near-weeks, near-decades, phylogenetic and ontogenetic memories // Biomedicine & pharmacotherapy. 2004. V. 58. Suppl 1. P. 150–187.

38. Zubov V.A., Scholtz R., Braun M., Zubowa H.-L. et al. The High-Temperature Gas-Phase SiC-Based Inorganic Polxmer: Structure and Properties // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 1994. V. 39. №11. P. 1708–1711.

Поступило в редакцию 15 октября 2008 г.

После переработки 10 ноября 2008 г.

95


Низкомолекулярные соединения

УДК 615.322:547.913

ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАДЗЕМНОЙ ЧАСТИ URTICA CANNABINA L. ФЛОРЫ СИБИРИ

К.В. Губин*, М.А. Ханина

Новосибирский государственный медицинский университет, ул. Красный проспект, 52, Новосибирск, 630091 (Россия)

Методами бумажной и тонкослойной хроматографии определен компонентный состав биологически активных веществ надземной части Urtica cannabina L. Спектрофотомерическим, титриметрическим, гравиметрическим методами определено количественное содержание фенолкарбоновых кислот, флавоноидов, кумаринов, каротиноидов, аскорбиновой кислоты, филлохинона, хлорофилла, полисахаридов, полифенольных веществ (преимущественно конденсированных дубильных веществ) в надземной части U.cannabina.

Ключевые слова: крапива коноплевидная, каротиноиды, филлохинон, хлорофилл.

Введение

Urtica cannabina L. – многолетнее растение с толстым ползучим корневищем и прямостоячим, неветвистым 4-гранным стеблем высотой 70–150 см. Листья глубоко 3–5-раздельные с перисто-зубчато-надрезными, иногда дважды перисто-надрезными долями, до 15 см длиной. Цветки собраны в колосовидные соцветия и располагаются в пазухах листьев. Широко распространена в европейской части России, на Дальнем Востоке, в Западной и Восточной Сибири, встречается по склонам, вдоль дорог и по засоренным местам [1, 2]. U. cannabina издавна применяется в народной медицине как кровоостанавливающее, мочегонное, противолихорадочное, противовоспалительное и поливитаминное средство [3]. Однако, несмотря на широкое применение в народной медицине, данный вид довольно слабо изучен в химическом отношении и не применяется в официнальной медицине.


Материал для исследований (надземная часть U. cannabina) был собран в фазу цветения в Новосибирской области (Ордынский район), Алтайском крае (Алейский район), Кемеровской области и республике Бурятия (табл. 1).

Таблица 1. Объекты исследования Urtica cannabina L.

Номер образца Характеристика места и времени сбора сырья, фазы развития и часть растенияНовосибирская область, Ордынский район, окрестности д. Красный Яр

1 фаза цветения, надземная часть, 15.08.2007Алтайский край, Алейский р-н

2 фаза цветения, надземная часть, 20.08.2006Кемеровская область, окрестности д. Литвиново

3 фаза цветения, надземная часть, 15.08.2007респ. Бурятия, северо-восточное побережье оз. Байкал, окрестности с. Байкальского

4 фаза цветения, надземная часть, 03.08.2005

Для обнаружения групп биологически активных соединений использовались общепринятые методики качественного анализа [4]. Определение компонентного состава БАВ проводили с помощью бумажной


К.В. ГУБИН, М.А. ХАНИНА

(восходящая, нисходящая, двумерная) и тонкослойной хроматографии с использованием различных систем растворителей. Использовали бумагу «FN-7a» и «FN-6», бумагу «FN-7a», импрегнированную смесью формамид : ацетон (1 : 3), пластинки «Sorbfil», в качестве систем растворителей: 2% кислоту уксусную, хлористоводородная кислота – вода (3 : 97) (фенолкарбоновые кислоты), 1-бутанол : уксусная кислота : вода (4 : 1 : 5), этилацетат –муравьиная кислота – вода (10 : 2 : 3) (флавоноиды), хлороформ, толуол – диэтиловый эфир (40 : 60), насыщенная 10% уксусная кислота (кумарины). Идентификацию веществ проводили по свечению в УФ-свете и окраске пятен до и после обработки хроматограмм хромогенными реактивами, а также по величинам Rf в сравнении со свидетелями. Количественное содержание БАВ в надземной части U. cannabina устанавливали спектрофотометрическим (СФ-56), титриметрическим, гравиметрическим методами.


В результате проведенного общего фитохимического исследования установили, что в надземной части U. cannabina, собранной из разных мест произрастания, присутствуют кумарины, флавоноиды, фенолкарбоновые кислоты, каротиноиды, полисахариды, дубильные вещества, аскорбиновая кислота, хлорофилл, филлохинон. Результаты общего фитохимического анализа представлены в таблице 2.

При определении компонентного состава фенолкарбоновых кислот в надземной части U. cannabina обнаружено семь веществ, из которых идентифицированы феруловая, хлорогеновая, галловая, кофейная и транс-коричная кислоты. В сумме компонентов преобладающей является хлорогеновая кислота, так как на хроматограмме пятно, соответствующее хлорогеновой кислоте, было больше по площади и светилось ярче. Анализ компонентного состава флавоноидов показал наличие 16 веществ, из которых идентифицированы рутин, кверцетин, гиперозид, кверцетина-рамнозид. Преобладающим компонентом является рутин. Анализ кумаринов показал наличие пяти веществ, из которых идентифицированы эскулин, эскулетин, скополетин, умбеллиферон, герниарин. Преобладающим компонентом является умбеллиферон.

Определение количественного содержания фенолкарбоновых кислот проводили в пересчете на хлорогеновую кислоту, флавоноидов – в пересчете на рутин, кумаринов – в пересчете на умбеллиферон. Определение количественного содержания биологически активных веществ проводили по органам растения (лист, стебель, соцветие) и во всей надземной части, а также в зависимости от места сбора. Результаты количественного содержания БАВ по органам и местам сбора представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 2. Результаты общего фитохимического анализа надземной части Urtica cannabina L.

БАВ Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4Флавоноиды + + + +Кумарины + + + +Фенолкарбоновые кислоты + + + +Каротиноиды + + + +Полисахариды + + + +Дубильные вещества + + + +Аскорбиновая кислота + + + +Филлохинон + + + +Хлорофилл + + + +Сердечные гликозиды – – – –Алкалоиды – – – –

Таблица 3. Зависимость количественного содержания БАВ в Urtica cannabina L. от органа (в % в пересчете на абсолютно сухое сырье)

БАВКоличественное содержание БАВ

лист стебель соцветие надземная часть Фенолкарбоновые кислоты 1,38±0,03 0,47±0,04 0,92±0,05 1,15±0,06Флавоноиды 1,77±0,01 0,45±0,07 0,96±0,01 1,47±0,05Кумарины 0,89±0,05 0,28±0,02 0,57±0,03 0,73±0,03Хлорофилл 0,76±0,02 0,15±0,03 0,22±0,06 0,51±0,01Каротиноиды 0,57±0,05 0,13±0,04 0,18±0,04 0,35±0,03 Примечание: исследовали образец №1.

98

ИЗУЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА …

Таблица 4. Зависимость количественного содержания БАВ в надземной части Urtica cannabina L. от места сбора (в % в пересчете на абсолютно сухое сырье)

БАВКоличественное содержание БАВ

Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4Фенолкарбоновые кислоты 1,15±0,06 1,26±0,03 1,00±0,07 1,13±0,04Флавоноиды 1,47±0,05 1,45±0,05 1,13±0,05 1,41±0,05Кумарины 0,73±0,03 0,78±0,06 0,65±0,05 0,73±0,06Хлорофилл 0,51±0,01 0,49±0,04 0,43±0,03 0,48±0,05Каротиноиды 0,35±0,03 0,36±0,06 0,31±0,02 0,18±0,02

Установлено, что наибольшим содержанием БАВ характеризуются листья, наименьшим – стебли, а соцветия занимают промежуточное положение (табл. 3). Для определения сырьевой части растения U. cannabina мы провели анализ количественного содержания БАВ в надземной части и выяснили, что она не уступает листьям, но превосходит стебель и соцветия. Поэтому с точки зрения рационального использования ресурсов рекомендуем в качестве сырья U. cannabina использовать всю надземную часть. Количественное содержание БАВ в надземной части U. cannabina в зависимости от места сбора растения варьирует незначительно (табл. 4).

В связи с необходимостью получения извлечения с наибольшим содержанием БАВ необходимо установить оптимальный экстрагент, размер частиц сырья, соотношение сырья и экстрагента, кратность экстракции, поэтому был проведен анализ влияния данных параметров на выход БАВ. Нами установлено, что оптимальными для получения извлечения являются: экстрагент – 70%-ный этиловый спирт, размер частиц сырья 0,5–1 мм, соотношение сырья и экстрагента 1 : 80, кратность экстракции 3 раза.

При анализе количественного содержания полисахаридов, дубильных веществ, аскорбиновой кислоты и филлохонона выяснили, что U. cannabina накапливает их в значительном количестве, что объясняет широкий спектр ее применения в народной медицине [3]. Были выделены фракции полисахаридов: водорастворимые полисахариды, пектиновые вещества, гемицеллюлоза А и Б и определено их количественное содержание (табл. 5).

Таблица 5. Количественное содержание БАВ в надземной части U. cannabina L.

БАВ Количественное содержание БАВВ % в пересчете на абсолютно сухое сырье

Полисахариды в том числе:– водорастворимые 9,70±0,03– пектиновые вещества 13,20±0,05– гемицеллюлозы А 10,64±0,01– гемицеллюлозы Б 16,98±0,02Полифенольные вещества (преимущественно конденсированные дубильные вещества)

1,05±0,03

В мг % Аскорбиновая кислота 53,0±0,5Филлохинон 41,22±0,05


По результатам общего фитохимического исследования было установленно, что U. cannabina содержит флавоноиды, кумарины, фенолкарбоновые кислоты, полисахариды, дубильные вещества, аскорбиновую кислоту, филлохинон, каротиноиды, хлорофилл. При определении компонентного состава флавоноидов установили 16 веществ, из которых идентифицировали рутин, кверцетин, гиперозид, кверцетина-рамнозид, кумаринов – 5 веществ, из которых идентифицированы эскулин, эскулетин, умбеллиферон, скополетин, герниарин, фенолкарбоновых кислот – 7 веществ, из которых идентифицированы феруловая, хлорогеновая, кофейная, транс-коричная, галловая кислоты. При определении их количественного содержания по органам растения и местам сбора установили содержание флавоноидов в пределах от 1,77 до 0,45%, фенолкарбоновых кислот – 1,38–0,47%, кумаринов – 0,89–0,28%, хлорофилла – 0,76–0,15%, каротиноидов – 0,57–0,13%. Установили технологические параметры для получения извлечения из сырья U. cannabina с наибольшим

99

К.В. ГУБИН, М.А. ХАНИНА

содержанием БАВ. Доказали, что в качестве сырья U. cannabina необходимо использовать всю надземную часть растения.


1. Крылова П. Флора Западной Сибири. 2-е изд. Томск, 1930. Вып. 4. С. 809–810.2. Комаров В.Л. Флора СССР. М., 1936. Т. 5. С. 388.3. Растительные ресурсы СССР: Цветковые растения, их химический состав, использование; семейства

Magnoliaceae – Limoniaceae. Л., 1984. 460 с.4. Ладыгина Е.Я. и др. Химический анализ лекарственных растений: Учеб. пособие для фармацевтических вузов /

Под ред. Н.И. Гринкевич, Л.Н. Сафронич. М., 1983. 176 с.

Поступило в редакцию 31 мая 2008 г.

100


УДК 547.944.972

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЛАНОРИНА ИЗ PSEUDOSOPHORA ALOPECUROIDES

© Р.М. Халилов*, А.У. Маматханов, Г.Б. Сотимов, М.А. Маматханова

Институт химии растительных веществ им. акад. С.Ю. Юнусова АН РУз, ул. Х. Абдуллаева, 77, г. Ташкент, 100170 (Узбекистан), [email protected]

Корни с корневищами растения псевдософоры лисохвостной (Pseudosophora alopecuroides) предложены в качестве промышленного источника получения лекарственного препарата, состоящего из суммы флавоноидов. Для получения стабильной по составу суммы флавоноидов применен метод последовательной экстракции сырья водой для удаления основных примесей и спиртом в качестве избирательного экстрагента для извлечения флавоноидов. Предложены методы очистки экстракта, полученного из корней с корневищами псевдософоры лисохвостной.

Ключевые слова: фланорин, флавоноиды, технология, экстракция, псевдософора лисохвостная.

Введение

Заболевания гепато-билиарной системы достаточно часто встречаются во всех странах мира. Это связано с широким распространением вирусных инфекций, ухудшением экологической обстановки, появлением целого ряда токсических, лекарственных и аллергических гепатитов. Существующие препараты, – в основном синтетические, имеют ряд побочных эффектов, не всегда достаточно эффективны. Созданные препараты для лечения гепато-билиарной системы, являются фитосборами, которые трудно стандартизовать и дозировать. В этой связи поиск и разработка новых эффективных нетоксичных средств, улучшающих функциональное состояние печени, среди различных классов природных соединений представляются чрезвычайно важными для нужд практической гепатологии. Мировой опыт работы показал, что наиболее интересными в этом плане могут быть флавоноиды. Многие из них обладают мембраностабилизирующим, антиоксидантным, противовирусным, противомикозным, противовоспалительным действием [1–4]. Предварительные исследования выявили среди флавоноидов эффективные гепатозащитные и желчегонные свойства [5, 6]. Так, суммарный флавоноидный препарат из корней с корневищами Pseudosophora alopecuroides (фланорин) на различных моделях экспериментального гепатита показал высокую лечебную активность, превосходящую соответствующий эффект легалона и эссенциале [6, 7]. Под его влиянием уменьшаются явления синдрома цитолиза и холестаза, достаточно быстро восстанавливливается белок- и гликогенсинтезирующая функция печени, улучшаются ее детоксицирующие свойства, нормализуется пигментный обмен, повышаются процессы аэробиоза, менее выражена жировая дистрофия, улучшаются желчесекреторные процессы.

Внедрение препарата фланорин в практическое здравоохранение позволит значительно улучшить медицинское обеспечение больных с острыми гепатитами, страдающими хроническими заболеваниями печени различной этиологии, циррозом, при воспалительных заболеваниях желчного пузыря и желчевыводящих путей.

В связи с изложенным актуальной задачей является разработка и внедрение технологии получения субстанции растительного происхождения, в частности, фланорина из корней с корневищами псевдософоры лисохвостной.

Задачей исследования послужило получение субстанции фланорина – гепатозащитного и желчегонного средства с содержанием суммы флавоноидов и высокой фармакологической активностью.

Фланорин содержит сумму флавоноидов, состоящих из вексибидина, вексибинола, аммотамнидина, глаброла, изобавахина и трифолиризина [7–10].


Р.М. ХАЛИЛОВ, А.У. МАМАТХАНОВ, Г.Б. СОТИМОВ, М.А. МАМАТХАНОВА

Вексибидин, С26Н30О6, 156–157 °С Глаброл, С25Н25О4, 136–137 °С

Вексибинол, С25Н28О6, 173–175 °С Аммотамнидин, С25Н28О5, 112–114 °С

Изобавахин, С26Н20О4, 203–204 °С Трифолиризин, С22Н24О10, 140–142 °С

Сущность предлагаемой технологии получения субстанции фланорина заключается в экстракции последовательного растительного сырья водой (удаление алкалоидов, углеводов и других водорастворимых примесей до 30% от массы сырья), спиртом (для извлечения суммы флавоноидов), сгущении спиртового экстракта, разбавлении водой и экстракции флавоноидов смесью хлороформа с изопропиловым спиртом, сгущении экстракта, растворении в щелочном растворе и осаждении флавоноидов кислотой. Выход 4,2% от массы сырья с содержанием суммы флавоноидов 45,5%.


Экстракция водой. Для изучения фазового равновесия при первом контакте фаз по 0,1 кг измельченных корней с корневищами псевдософоры лисохвостной загружали в шесть экстракторов и заливали отмеренным количеством воды. Сливы производили последовательно с интервалом в 1 ч: из первого экстрактора через 1 ч, из второго через 2 ч, из третьего через 3 ч и т.д. В шести образцах экстрактов, полученных с различным временем настаивания, определяли содержание суммы экстрактивных веществ, средние значения которых приведены на рисунке 1.

Видно, что равновесие между фазами наступает через 4 ч.Для установления фазового равновесия при втором контакте опыты проводили в следующих условиях.

По 0,1 кг измельченного сырья экстрагировали в шести экстракторах в течение 4 ч. Экстракты сливали и заливали свежие порции воды. Через каждый 1 ч сливали извлечение из соответствующего экстрактора. Во втором контакте фаз равновесие наступает через 4 ч.

Чтобы определить продолжительность процесса при третьем контакте фаз, такое же количество растительного сырья экстрагировали дважды по 4 ч до равновесия в системе. Затем уточняли время,

102

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЛАНОРИНА …

необходимое для достижения фазового равновесия. Таким образом, определяли фазовое равновесие и при четвертом, и пятом контактах фаз.

В результате проведенных экспериментов по экстракции сырья водой установили, что при 5-кратной его экстракции извлекается до 30% водорастворимых веществ от массы сырья. Определили также, что необходимое время настаивания при первом и втором контакте фаз составляет 4 ч, при третьем – 3 ч, при четвертом – 3 ч и при пятом – 1 ч. Потери флавоноидов на стадии составили 5% от содержания в сырье.

Экстракция флавоноидов. Проэкстрагированное водой сырье высушивали и по 0,2 кг загружали в экстракторы. Извлечение осуществляли пятикратной экстракцией. Объединенные экстракты упаривали и анализировали.

В результате экспериментов выявлено, что при экстракции 90%-ным этиловым спиртом и метанолом выход суммы наибольший, поэтому для дальнейших исследований выбрали 90%-ный спирт (табл. 1).

При изучении подбора степени измельчения сырья выяснилось, что при экстракции неизмельченного и крупно измельченного сырья процесс проходит медленно. Наилучшие данные получены при размере частиц 2–4 мм.

Эксперименты, проведенные по изучению влияния температуры при извлечении флавоноидов 90%-ным спиртом, показали, что с увеличением температуры скорость экстракции повышается и сокращается расход растворителя. Экстракция при температуре 70 °С ускоряет истощение сырья, однако полученный экстракт содержит большое количество сопутствующих веществ. Очищение такого экстракта требует лишних стадий очистки препарата. Это приведет к лишним затратам растворителей и энергии. Проведение процесса экстракции при 20–40 °С – наиболее оптимальное, так как обеспечивает высокий выход конечного продукта и не требует лишних энергозатрат (табл. 2).

Для отработки рационального режима извлечения суммы флавоноидов из сырья исследовали кинетику экстракции корней и корневищ псевдософоры лисохвостной. Для этого измельченное сырье с размером частиц 2–4 мм экстрагировали 90%-ным спиртом, при комнатной температуре, определяли изменение концентрации суммы флавоноидов во времени по массе сухого остатка. Результаты опытов приведены на рисунке 2.

Таблица 1. Выбор эффективного экстрагента

ЭкстрагентВыход флавоноидов, %

к массе исходного сырья от содержания в исходном сырье от содержания в очищенном сырьеМетанол 2,44±0,12 81,22±4,28 85,61±2,83Этанол 95% 2,43±0,10 80,97±3,25 85,26±4,16Этанол 90% 2,40±0,10 80,16±4,17 84,21±4,84Этанол 80% 2,29±0,13 76,41±3,66 80,35±4,46Этанол 70% 2,18±0,13 72,65±3,98 76,49±3,43Этанол 60% 2,06±0,11 68,78±3,11 72,28±2,50Бутанол-1 2,14±0,10 71,48±3,73 75,09±3,03

Таблица 2. Влияние температуры на выход флавоноидов

Температура, °С

Выход экстрактивных веществ к массе исходного сырья, %

Выход флавоноидов от содержания в сырье, %исходном очищенном

203 10,90±0,50 80,20±3,29 84,21±2,57403 12,30±0,60 81,11±3,70 85,12±4,83603 15,40±0,50 81,98±3,67 85,97±3,58

С выход водорастворимых веществ; Т – время, ч; I, II, III, IV, V соответственно 1-2-3-4 и 5-й контакты фаз

103

Р.М. ХАЛИЛОВ, А.У. МАМАТХАНОВ, Г.Б. СОТИМОВ, М.А. МАМАТХАНОВА

Рис. 1. Кинетика процесса экстракции сырья водой Рис. 2. Кинетика экстракции корней с корневищами псевдософоры лисохвостной

Из рисунка 2 видно, что для достижения равновесной концентрации при первом контакте фаз необходимо 5 ч. Фазовое равновесие при втором контакте достигается через – 4 ч, при третьем – через 3 ч, четвертом – через 2 ч и пятом – через 1 ч.

Очистка и извлечение флавоноидов. Для удаления части балластных веществ кубовый остаток очищали активированным углем. Установлено, что при очистке кубового остатка количество угля должно быть не менее 3% от массы сухого вещества в растворе, а продолжительность процесса – не менее 120 мин.

С целью выбора экстрагента для извлечения флавоноидов из водного раствора использовали смеси спиртов хлороформа и установили, что оптимальные результаты получены с использованием смеси хлороформа с изопропиловым спиртом в соотношении 1 : 1.

Для получения фланорина экстракт, полученный смесью хлороформа с изопропиловым спиртом, концентрировали до полного удаления растворителей. Кубовый остаток очищали осаждением из водной среды. При этом установили, что оптимальным условием процесса являются растворение остатка в 3–5%-ном водном растворе едкого натра и осаждение флавоноидов нейтрализацией 5%-ным раствором соляной кислоты до рН 5–7. Осадок флавоноидов отделяли фильтрацией и промывали на фильтре дистиллированной водой. Затем сушили в вакууме при температуре не выше 60 °С.

Выводы

1. Разработаны оптимальные условия выделения очищенной суммы флавоноидов из корней псевдософоры лисохвостной, заключающиеся в последовательной экстракции сырья водой для удаления примесей и флавоноидов этиловым спиртом.

2. Разработана оптимальная схема очистки экстракта из корней псевдософоры лисохвостной путем избирательной экстракции суммы флавоноидов из водно-кубового остатка смесью хлороформа с изопропиловым спиртом (1 : 1) и с последующим осаждением их из водной среды.

3. В результате проведенных экспериментов разработана технология производства препарата фланорин.


1. Безрук П.И. Фармакологические данные некоторых - и - пироновых вещества желчегонного и сердечно-сосудистого действия: Автореф. дис. … докт. мед. наук. Харьков, 1970. 32 с.

2. Сыров В.Н., Хушбактова З.А. и др. Влияние цинарозида на азотистый обмен и функциональное состояние почек при их экспериментальном поражении в опытах на лабораторных животных // Химико-фармацевтический журнал. 1993. №7. С. 60–64.

3. Георгиевский В.П. и др. Биологически активные лекарственные растения. М., 1990. С. 101–104.4. Холматов Х.Х., Ахмедов У.А. Лекарственные растения, содержащие флавоноиды // Фармакогнозия. Ибн Сино.

1995. С. 452–475.5. Адилов З.Х., Нигматуллаев А.М., Султанов С.А. Сырьевые запасы корней Vexibia alopecuroides (L) Yakovl. в

Самаркандском вилояте // Тезисы конференции молодых ученых, посвященной памяти акад. С.Ю. Юнусова. Ташкент, 2003. С. 41.

6. Сыров В.Н., Юлдашев М.П. и др. Выделение, химический состав, гепатопротекторная и желчесекреторная активность суммарных флавоноидных препаратов из Thermopsis dolichacarpa и Vexibia alopecuroides // Химико-фармацевтический журнал. 2001. №1. С. 29–32.

7. Халилов Р.М., Адилов З.Х. и др. Технология получения очищенной суммы флавоноидов из корней Pseudosophora alopecuroides и оценка ее гепатопротекторной и желчесекреторной активности // Химико-фармацевтический журнал. 2005. №2. С. 25–27.

8. Батиров Э.Щ., Юсупова С.С. и др. Строение двух новых флавононов из Vexibia alopecuroides // Химия природных соединений. 1985. №1. С. 35–41.

9. Юсупова С.С., Батиров Э.Щ. и др. Флавоноиды Vexibia alopecuroides // Химия природных соединений. 1984. №2. С. 250.

10. Бутаяров Э.Щ., Батиров Э.Щ. и др. Флавононы Pseudosophora alopecuroides // Химия природных соединений. 1998. №1. С. 129.

Поступило в редакцию 11 апреля 2008 г.

104


УДК 547.915

ЛИПИДЫ ЛИСТЬЕВ CAPPARIS SPINOSA L.

© Д.Т. Асилбекова*, Ф.М. Турсунходжаева

Институт химии растительных веществ им. акад. С.Ю. Юнусова АН РУз, ул. Мирзо Улугбека, 77 Ташкент, 100170 (Узбекистан) E-mail: [email protected]

Исследован состав липидов листьев Capparis spinosa auct. (семейство Capparaceae). Охарактеризованы нейтральные и полярные липиды, а также их жирнокислотный состав.

Ключевые слова: Семейство Capparaceae, Capparis spinosa auct., каперсы, нейтральные и полярные липиды, жирные кислоты.

Работа выполнена при финансовой поддержке ГНТП АН РУз (грант А-11-271).

Водный и солевой стресс – один из главных лимитирующих факторов для растений, произрастающих в Средней Азии. Стрессовые факторы прежде всего воздействуют на клеточные мембраны, при этом изменяется их проницаемость, что приводит к нарушению нормального функционирования клетки. Накопление ионов солей воздействует на активность липид-синтезирующих ферментов хлоропластов – галактозил трансферазы и ацилазы, что приводит к некоторым изменениям в липидном составе растения [1]. Так, у Glycine max при солевом стрессе выявлено уменьшение уровня фосфолипидов, сопровождающееся увеличением степени насыщенности жирных кислот [2], у Atriplex gmelinia и Cucumis sativa L. – возрастание соотношения гликолипиды/фосфолипиды [3]. Устойчивые растения при неблагоприятных условиях способны сохранять жидкое фазовое состояние липидов клеточных мембран, необходимое для нормального функционирования [4]. Таким образом, исследование липидов растений, обитающих в условиях абиотических стрессов, представляет несомненный интерес как для выявления физиолого-биохимических механизмов адаптации растений, так и для ресурсоведческих и селекционных целей.

Лекарственное растение Capparis spinosa auct. (C. herbacea Willd., каперцы, семейство Capparaceae) произрастает главным образом в пустынях, полупустынях и степях Средней Азии. Этот вид хорошо адаптирован к различным абиотическим условиям (засухе, засолению, изменениям температуры и другим факторам окружающей среды) [5, с. 41] и поэтому был выбран объектом настоящего исследования.

В научной литературе имеются сведения о наличии алкалоидов, флавоноидов, гликозидов, углеводов, сапонинов, эфирных масел и липидов [1, 6−10] в изучаемом растении. В листьях имеется 0,71, в плодах − 3,75, в семенах – 32–36% жирного масла [1, с. 41]. Масло из семян обогащено триацилглицеринами ненасыщенных кислот [10]. Ненасыщенные ацилы представлены линолевой (34−51%) и олеиновой (22−24%) кислотами. В литературе отсутствуют сведения о липидном составе свежих листьев, в работах [6, 9] обсуждаются только липиды корней и воздушно-сухой надземной части растения.

Мы исследовали липиды свежих листьев Capparis spinosa, собранных в Мирзачульской степи (Джизакская область Республики Узбекистан).

Перед извлечением липидов из свежих листьев [11] ферменты тканей инактивировали, погружая листья на 1−2 мин. в кипящий пропанол-2. Затем листья извлекали из растворителя, растирали в ступке и многократно экстрагировали смесью хлороформ – метанол (2 : 1, v/v). Изопропанольные и хлороформ-метанольные экстракты объединяли, а после удаления растворителей экстракт общих липидов очищали от балластных соединений многократным промыванием 0,04%-ным раствором CaCl2. Выход общих липидов из листьев


Д.Т. АСИЛБЕКОВА, Ф.М. ТУРСУНХОДЖАЕВА

составил 2,8% от массы сухого вещества. Далее общие липиды листьев разделяли методом КХ на силикагеле марки L 160/100 (Чехия), нейтральные липиды элюировали хлороформом, а полярные липиды − метанолом.

Состав жирных кислот нейтральных и полярных липидов листьев определяли газожидкостной хроматографией. Перед анализом ГЖХ жирные кислоты, выделенные из аликвот нейтральных и полярных липидов, метилировали свежим диазометаном. Анализ метиловых эфиров жирных кислот проводили на приборе Chrom-5, снабженном стальной колонкой с 15% Reoplex 400 на N-AW при 198оС.

Идентификацию компонентов нейтральных и полярных липидов осуществляли методом ТСХ, качественными реакциями и сравнением хроматографической подвижности образцов со стандартами [11]. Нейтральные липиды анализировали на пластинках «Silufol» в системах растворителей (по объему): гексан – диэтиловый эфир – уксусная кислота, 90 : 10 : 1 и 70 : 30 : 1. ТСХ полярных липидов проводили на пластинках с силикагелем марки L 5/40 (Чехия) в системах: хлороформ – ацетон – метанол – уксусная кислота – вода (65 : 20 : 10 : 10 : 3) и хлороформ – метанол – 25%-ный аммиак (65 : 25 : 5). Пятна соединений обнаруживали парами йода, растворами серной кислоты, α-нафтола, нингидрина и реагентами Драгендорфа и Васьковского. Основные компоненты нейтральных и полярных липидов выделяли с помощью препаративной ТСХ на силикагеле в соответствующих системах растворителей, и их содержание устанавливали гравиметрически.

Выход нейтральных и полярных липидов из листьев в пересчете на сухую массу составил 1,8 и 0,97% соответственно. Эти данные свидетельствуют, что в сумме липидов листьев Capparis spinosa, как и в липидах корней [6] и надземной части этого растения [9], преобладает доля нейтральных липидов (более 64%). Сравнение полученных данных с литературными сведениями показывает, что состав липидов, в том числе и жирных кислот, полученных из листьев изученного растения, существенно отличается от состава ранее исследованных липидов корней [6] и семян [10]. Хотя нейтральные и полярные липиды листьев (табл.), как и липиды семян и корней, обогащены ненасыщенными жирными кислотами, доля насыщенных кислот в листьях больше, чем в других частях растения. Преобладающей среди насыщенных кислот во всех упомянутых органах является пальмитиновая кислота (16 : 0). Следует отметить, что основная доля ненасыщенных жирных кислот семян и корней приходится на диеновую (линолевую, 18 : 2) и моноеновую (олеиновую, 18 : 1) кислоты. Наибольший вклад среди ненасыщенных кислот нейтральных и полярных липидов листьев вносит триеновая кислота (линоленовая, 18 : 3), которая отсутствует в липидах семян, но обнаружена в небольших количествах в липидах корней.

Качественный состав нейтральных и полярных липидов листьев специфичен: главные глицеролипиды представлены моногалактозилдиацилглицеринами и дигалактозилдиацилглицеринами (галактолипидами), сульфохиновозилдиацилглицеринами (сульфолипидом), фосфатидилглицеринами, фосфатидилхолинами, фосфатидилэтаноламинами и фосфатидилинозитами (фосфолипидами). Фосфатидные кислоты, стерилгликозиды и их эфиры являются минорными компонентами листьев. В составе нейтральных липидов листьев присутствовало более 10 компонентов. Среди них идентифицировали сложные эфиры жирных кислот с алканолами и фитостеролами, свободные жирные кислоты, свободные жирные спирты, фитол, тритерпенолы, стеролы, углеводороды, пигменты группы хлорофиллов (а и б и др.) и каротиноидов (β-

каротин и ксантофиллы). Триацилглицерины в липидах листьев присутствовали в следовых количествах. Кроме вышеуказанных липидов и липофильных соединений, обнаруживаются 3–4 не идентифицированных нами вещества. Аналогичные компоненты нейтральных и полярных липидов, за исключением фосфатидилглицеринов и пигментов, обнаружены в липидах корней этого растения [6].

По данным препаративной ТСХ, основные липидные компоненты листьев изученного растения представлены (% от массы общих липидов) эфирами жирных кислот и высокомолекулярных спиртов, стеролов и тритерпенолов (29,8), свободными жирными кислотами (19,1), фосфолипидами (13,1), моно- (7,0) и дигалактозилдиацилглицеринами (9,5), сульфолипидами (4,0), стерилгликозидами и их сложными эфирами (2,0).

Жирнокислотный состав нейтральных и поляр-ных липидов листьев Capparis spinosa, % ГЖХ

Кислота Нейтральные липиды

Полярные липиды

12 : 0 0,4 1,014 : 0 1,2 1,015 : 0 0,3 −16 : 0 36,7 29,3

16 : 1(9-цис) 2,3 2,016 : 1(3-транс) −

18 : 0 6,1 4,318 : 1 11,2 13,518 : 2 11,6 13,318 : 3 30,2 35,620 : 0 Сл. −

∑насышенных. 44,7 33,6∑ненасышенных. 55,3 66,4

106

ЛИПИДЫ ЛИСТЬЕВ CAPPARIS SPINOSA L.

Сумма липофильных соединений, состоящих из свободных стеролов, тритерпенолов, углеводородов, фитола, пигментов и неидентифицированных веществ составила 15,1% массы общих липидов.

Таким образом, липиды листьев Capparis spinosa, в отличие от липидов семян и корней, характеризуются высоким содержанием нейтральных липидов и линоленовой кислоты как в полярных глицеролипидах, так и в нейтральных компонентах. Известно важное биологическое значение фосфолипидов и гликолипидов, ответственных за функционирование клеточных мембран и фотосинтез [4]. По-видимому, нейтральные липиды также играют определенную роль в неспецифических адаптационных реакциях растений к абиотическим стрессам, являясь, например, основными компонентами кутикулярных восков, уровень которых повышается в листьях при водном стрессе [12, 13], препятствуя излишним потерям воды.


1. Muller M., Santarius K. Changes in chloroplast membrane lipids during adaptation of barley to extreme salinity // Plant Physiol. 1978. V. 62. P. 326–329.

2. Surjus A., Durand M. Lipid changes in soybean root membranes in response to salt treatment // J. Exp. Bot. 1996. V. 47. P. 17–23.

3. Hirayama O., Mihara M. Characterization of membrane lipids of higher plants different in salt-tolerance // Agric. Biol. Chem. 1987. V. 51. P. 3215–3221.

4. Mazliak P. Glyco- and phospholipids of biomembranes in higher plants //Lipids and lipid polymers in higher plants. Springer-Verlag. Berlin; Heidelberg; New York, 1977. P. 4874.

5. Растительные ресурсы СССР. Цветковые растения и их химический состав, использование (Семейства Paeoniaceae−Thymelaeaceae). Л., 1986. Т. 2. 336 с.

6. Yili A., Tao Wu, Сагдуллаев Б.Т., Aisa H.A. и др. Углеводы и липиды корней Capparis spinosa // Химия природных соединений. 2006. №1. С. 81−82.

7. Fu X.P., Aisa H.A., Abdurahim M., Yili A. и др. Химический состав плодов Capparis spinosa // Химия природных соединений. 2007. №2. С. 149−151.

8. Ozcan M.M., Chalchat J.-C. The flyover profile of young shoots, flower buds, and unripe fruits of capers growing wild in Turkey // Химия природных соединений. 2007. №3. С. 279−280.

9. Толибаев И., Глушенкова А.И. Липиды надземной части Capparis spinosa // Химия природных соединений. 1995. №3. С. 498−499.

10. Горяев М.И., Евдакова Н.А. Справочник по газожидкостной хроматографии органических кислот. Алма Ата, 1977. 552 с.

11. Кейтс М. Техника липидологии. М., 1975. 322 с.12. Weete J.D., Leek G.L., Peterson C.M., Currie H.E., Branch W.D. Lipid and surface wax syntesis in water-stressed cot -

ton leaves // Plant Physiol. 1978. V. 62. P. 675−677.13. Cameron K.D., Teece M.A., L.B. Smart. Increased accumulation of cuticular wax and expression of lipid transfer pro-

tein in response to periodic drying events in leaves of tree tobacco // Plant Physiol. 2006. V. 140. P. 176−183.

Поступило в редакцию 14 апреля 2008 г.

107


УДК 547.314

НОВЫЙ КОМПОНЕНТ ACHILLEA FILIPENDULINA LAM.

© С.В. Серкеров, С. Дж. Мустафаева*

Институт ботаники Национальной академии наук Азербайджана, Бадамдарское шоссе, 40, Баку, 1073 (Азербайджан) E-mail: [email protected]

Из этанольного экстракта надземных частей Achillea filipendulina Lam., собранных в период массового цветения, методом колоночной хроматографии выделено кристаллическое вещество (I) состава C30H50O2 с температурой плавления 210–212 °С (из водного этанола) . При омылении вещество образует соединение (II) состава C28H48O с температурой плавления 179–180 °С (из водного этанола).

На основании химических и спектральных (ИК-1, 1Н, 13С, Dept. 135 ЯМР спектров) данных I и II установлено строение исследуемого соединения как 3β-ацетокси-24α-метил-холест-20(21)-ена (I).

Ключевые слова: Asteraceae, Achillea filipendulina Lam., 3β-ацетокси-24α-метил-холест-20(21)-ена.

Введение

Тысячелистник таволголистный (Achillea filipendulina Lam.) является широкораспространенным лекарственным и эфирномасличным видом рода Achillea L. (тысячелистник) трибы Anthemideae Cass. семейства Asteraceae Dumort. флоры Азербайджана.

В диком виде т. таволголистный распространен по всему Азербайджану: от низменности до среднего горного пояса, редко в верхнем горном поясе. Встречается среди полупустынной растительности у дорог в предгорьях, на галечниках, по краям посевов, на горных лугах. Это многолетнее травянистое растение – гемикриптофит, ксеромезофит, относится к пустынному географическому типу и туранскому классу [1]. Согласно литературным данным, в растении Achillea filipendulina обнаружено эфирное масло, терпеноиды, кумарины, сесквитерпеноиды, флавоноиды и каротиноиды [2–11].

Надземная часть его используется при заболеваниях сердца, желудка, при геморрое [12–13]. Эфирное масло, а также сумма сесквитерпеноидов проявляют антибактериальную и антифунгальную активность. Настой из листьев и соцветий, а также сумма флавоноидов в эксперименте оказывают диуретическое действие, отвар из соцветий – болеутоляющее при головных болях. Эфирное масло может быть использовано в качестве ароматизатора пищевых и парфюмерно-косметических изделий [2, 3, 14–17].


Материалом для исследования служили воздушно-сухие, мелкоизмельченные надземные части Achillea fil-ipendulina Lam., собранные во время массового цветения в окрестностях реки Карачай, селений Алексеевка и Владимировка Губинского района Республики Азербайджан. Экстракцию (300 г растения) проводили 96% этанолом трижды, каждый раз по 3 дня. Суммарно получено 58 г экстрактивных веществ. Выход составил 19,3%. Индивидуальные вещества выделяли методом колоночной хроматографии (15 г) на нейтральной окиси алюминия III–IV степени активности (по Брокману). Элюирование колонки (h=70; d=4 см) проводили гексаном (19 фракций), гексан + бензол: 4 : 1 (10 фракций); 1 : 1 (4 фракций); 1 : 4 (5 фракций), бензолом (4 фракций), бензол + хлороформ: 3 : 2 (3 фракций); 2 : 3 (2 фракций), хлороформом (33 фракций), хроформ + спирт: 95 : 5 (35 фракций); 90 : 10 (6 фракций); 80 : 20 (7 фракций) и 70 : 30 (8 фракций) на пластинках Silufol-UV 254. Температуру плавления кристаллических веществ определяли на столике Боэтиуса.

ИК-спектры снимали на спектрофотометре UR-20 в вазелиновом масле.


С.В. СЕРКЕРОВ, С. ДЖ. МУСТАФАЕВА

Спектры ЯМР1H и 13С снимали на спектрометре Вчикер 300 с резонансной частотой 300 МГц для 1Н и 75МГц для ядер 13С. Растворитель – дейтерированный пиридин. Химические сдвиги даны в δ-шкале. Внутренний стандарт ТМС «Условные обозначения сигналов: с – синглет, д – дублет, т – триплет, к – квартет, м – мультиплет.


При хроматографическом разделении, используя систему растворителей, указанных в разделе «Материалы и методы» настоящей работы, из фракции 9, элюированной гексаном, выделили индивидуальное кристаллическое вещество (I) (Rf 0,27, растворитель гексан, Silufol UV 254), которое после перекристаллизации из водного этанола имеет состав C30H50O2 с т.пл. 210–212 °С.

ИK-спектр вещества в области характеристических частот имеет полосы 1730 (CO–сложноэфирной группы) и 1645 см-1 (двойная связь). Полоса 890см–1 в спектре соединения позволяет предполагать присутствие в молекуле метиленовой двойной связи [6–8]. Характер сложноэфирной группы доказан омылением исследуемого соединения. При этом получено вещество (II) состава C28H48O с т.пл. 179–180 °С (из водного этанола), в ИK-спектре которого обнаружены полосы поглощения гидроксильной группы (3350 см-1) и двойной связи (1645 см–1). Ацетилирование же омыленного продукта приводит к ацетилпроизводному состава C30H50O2 с т.пл. 210–212 °С, идентичному по всем параметрам (состав, т.пл., ИK-спектр) с исследуемым веществом. Смешанная проба ацетилированного продукта и вещества, выделенного из растительного материала (C30H50O2, т.пл. 210–212 °С), депрессии температуры плавления не дают. Таким образом, исследуемое соединение является ацетатом спирта C28H48O с т.пл. 179–180 °С.

В 1Н ЯМР-спектре вещества в области метильных групп (0,8–1,1 м.д.) найдены налагающиеся сигналы, принадлежащие пяти метильным группам, в том числе двум ангулярным, одному вторичному и двум метилам изопропильной группы. Трехпротонный синглет при 2,10 м.д. указывает на присутствие в молекуле исследуемого соединения сложноэфирной (CH3COO–) группы. Однопротонные синглеты при 4,78 и 4,80 м.д. относятся к протонам CH2–группы метиленовой двойной связи. Сигнал гемацетильного протона в спектре обнаруживается в виде квартета при 4,70 м.д. (к1, 1Н, J1=5, J2=11Гц). Последний сигнал в 1Н ЯМР-спектре омыленного продукта претерпевает диамагнитный сдвиг на 1,2 м.д. и проявляется при 3,50 м.д. (т., 1Н, J1=J2=11Гц). Синглеты при 4,80 и 4,85 (1Н каждый) и сигналы в области 0,8–1,3 м.д. имеющиеся в 1Н ЯМР-спектре омыленного продукта, характеризуют СН2-группу метиленовой двойной связи и метильных групп соединения, соответственно.

С целью определения числа атомов углерода был снят 13С ЯМР-спектр вещества с полной развязкой спин-спинового взаимодействия с протонами. В спектре проявляются 30 синглетов, принадлежащие 30 атомам углерода (в области 10,0–180,0 м.д.), что соответствует количеству углеродов в элементном составе соединения.

В спектре ЯМР 13С Dept. 135 обнаруживаются сигналы всех протонированных (кроме непротонированных C10, C13, C20 и С карбонила сложноэфирной группы) атомов углерода. Согласно данному спектру, в молекуле имеются сигналы 6 атомов углерода шести метильных групп при 15,2; 16,4; 16,8; 17,2; 20,2 и 26,2 м.д. Сигналы 19,2; 23,0; 27,0; 27,5; 28,0; 29,2; 31,0; 35,5; 39,5; 40,0; 40,1 и 108,5 м.д., принадлежащие метиленовым атомам углерода, свидетельствуют о наличии в структуре вещества 12 метиленовых групп. Из них последний (108,5 м.д.) соответствует атому углерода метиленовой двойной связи (CH2=C<) [7]. Сигналы атомов углерода метиновых групп соединения в спектре обнаруживаются в области 26,0–85,0 м.д. (26,5; 29,5; 40,2; 40,5; 49,5; 51,5; 57,0; 80,2 м.д.). Сигнал при 80,2 м.д. вызван единственным углеродом при кислороде и указывает на присутствие в молекуле исследуемого соединения вторичной гидроксильной группы (>СН-ОН).

Таким образом, анализируя полученные химические и спектральные данные, можно полагать, что в основе исследуемого соединения лежит углеродный скелет 5,6-дигидрокампестерина.

110

НОВЫЙ КОМПОНЕНТ ACHILLEA FILIPENDULINA LAM.

Двойная связь (метиленовая) в молекуле соединения может находиться в одном из положений С20–С21, С24–С25, С26–С27, С26–С28. При нахождении двойной связи в любом из двух последних положений в 1Н ЯМР-

спектре проявится трехпротонный синглет винилметильной группы ( ) при ~2,0 м.д. Кроме того,

сигнал метильной группы при С24 в результате влияния двойной связи, находящийся в аллильном положении, обычно претерпевает парамагнитный сдвиг. При двойной связи С24–С25 парамагнитный сдвиг претерпят сигналы изопропильной группы и вицинальная метиленовая группа. Поэтому вероятно двойная связь находится при С20–С21.

Суммируя полученные данные на этом этапе, можно утверждать, что исследуемое соединение имеет строение 3β-ацетокси-24α-метил-холест-20(21)-ена (I).

Выводы

1. Из надземной части Achillea filipendulina Lam. методом хроматографии на колонке с окисью алюминия выделено кристаллическое вещество состава C30H50O2 с т.пл. 210–212 °С.

2. На основании химических и спектроскопических (ИK-, 1Н, 13С ЯМР, Dept135) данных установлено, что ему соответствует строение 3β-ацетокси-24α-метил-холест-20(21)-ена.


1. Гаджиев В.Д., Эфендиев П.М. Флора и растительность скальных обнажений Бабадагского массива. Проблемы ботаники. Т. XIII: Флора и растительность высокогорий СССР и их хозяйственное использование. Баку, 1977. С. 49–55.

2. Мустафаева С.Д., Ахмедова Э.Р. Эфирномасличность Achillea filipendulina Lam., произрастающей в Азербайджане // Растительные ресурсы. 1989. Т. 25. Вып. 1. С. 79–83.

3. Мустафаева С.Д. Биологические особенности и эфирномасличность видов рода Achillea L. флоры Азербайджана: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Баку, 1989. 24 c.

4. Дембицкий А.Д., Юрина Р.А., Горяев М.И. 2-метилгекса-2,4-диен – компонент эфирного масла Achillea filipen-dulina // Химия природных соединений. 1978. №3. С. 392.

5. Дембицкий А.Д., Юрина Р.А., Горяев М.И. О природном терпеновым спирте – ахилленоле // Химия природных соединений. 1969. №5. С. 443.

6. Джахангирова И.Р., Серкеров С.В. Перспективы исследований Ambrosia artemisifolia, содержащего сесквитерпеновые лактоны с цитотоксической активностью // Азербайджанский фармацевтический и фармакотерапевтический журнал. 2007. №1. С. 34–37.

7. Серкеров С.В. Исследование сесквитерпеновых лактонов методом спектроскопии ЯМР 13С. III. Спектры ЯМР 13С артемина и его производных // Химия природных соединений. 1983. С. 576–578.

8. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М., 1963. 59 с.9. Шамьянов И.Д., Маллабаев А., Сидякин Г.П. Компоненты Achillea filipendulina // Химия природных

соединений. 1974. №6. С. 784.10. Valant K. Charakteristische flavonoidglycoside und verwandtschaftliche. Gliederung der gattung Achillea // Naturwis-

senschaften. 1978. Ig. 65. H. 8. P. 437–438.11. Valadon L.R.G., Mummery R.S. Carotenoids of Compositae flowers // Phytochemistry. 1971. V. 10. №10. P. 2349–2353.12. Дадобаева О. Словарь научных и местных названий лекарственных растений Северного Таджикистана.

Душанбе, 1972. 130 с.13. Сахобиддинов С.С. Дикорастущие лекарственные растения Средней Азии. Ташкент, 1948. 216 с.14. Вичканова С.А., Адгина В.В., Изосимова С.Б. Антибактериальные и антифунгальные свойства лактонов //

Растительные ресурсы. 1977. Т. 13. Вып. 3. С. 428–435.15. Мустафаева С.Д., Мехтиева Н.П., Зейналова С.А., Атакишиева Я.Ю. Антифунгальная активность эфирных

масел // Мат. междунар. конф., посвящ. 75-летию ВИЛАР. М., 2006. Т. XVII. С. 223–226.16. Халматов Х.Х. Растения флоры Узбекистана, обладающие диуретическим действием // Растительные ресурсы.

1973. Т. 9. Вып. 1. С. 161–167.17. Ханин М.Л., Прокопчук А.Ф., Перова Т.В., Николаева Л.А. Фитонцидные свойства экстрактов, извлеченных

сжиженным углекислым газом из пряно-вкусового и лекарственно-ароматического растительного сырья // Фитонциды: Экспериментальные исследования, вопросы теории и практики. Киев, 1975. С. 141–143.

Поступило в редакцию 23 декабря 2008 г.

После переработки 4 февраля 2009 г.

111


УДК 582.681.61:577.164

ФЛАВОНОИДЫ И АСКОРБИНОВАЯ КИСЛОТА У НЕКОТОРЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА BEGONIA L.

© Е.А. Карпова*, Е.П. Храмова, Т. Д. Фершалова

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН, ул. Золотодолинская, 101, Новосибирск, 630090 (Россия) E-mail: [email protected]

Определено содержание флавоноидов (в том числе гликозидов кверцетина и кемпферола), антоцианов и аскорбиновой кислоты в надземной части растений 7 видов и культиваров рода Begonia L.: Begonia bahiensis, B. bowerae, B. carolineifolia, B. fischer var. palustris, B. heracleifolia var. nigricans, B. ‘Erythrophylla’, B. ‘Helen Teupel’. Содержание суммы флавоноидов составило 24–650 мг % абс. сух. массы, в том числе гликозидов кверцетина – 3–76 мг %. Гликозиды кемпферола были обнаружены только у видов секции Gireoudia (1,2–5,7 мг%). Содержание антоцианов находилось в пределах 60–157 мг %, аскорбиновой кислоты – 5–43 мг % сырой массы. Растения рода Begonia, исследованные нами, представляют интерес в качестве источника комплекса биологически активных соединений, обладающего антиоксидантным и антимикробным действием.

Ключевые слова: Begonia, флавоноиды, кверцетин, кемпферол, антоцианы, аскорбиновая кислота

Введение

За последние десятилетия в мире значительно возрос интерес к изучению лекарственных свойств и химического состава традиционных растений народной медицины, что в значительной степени связано с проявлением побочного действия антибиотиков и устойчивости к ним микроорганизмов. Подобные исследования создают основы получения лекарственных препаратов нового поколения, содержащих комплексы природных биологически активных соединений.

Изучение химического состава растений рода Begonia L., важнейшего в декоративном садоводстве, интересно в первую очередь в связи с тем, что в местах своего естественного произрастания бегонии первоначально получили признание не из-за декоративных качеств, а как лекарственные растения и источники дополнительного питания. Так, в Китае с древних времен B. fimbristipula Hancen, B. acetosella Craib, B. henryi Hemsl. и B. grandis Dryan. используются для приготовления прохладительных напитков, а B. laciniata Roxb. et Wall. – как средство, облегчающее боли при радикулите [1, p. 82–84]. В Америке из В. humilis Dryan. приготавливают популярный лечебный чай от сухого, застойного кашля и лихорадки [2, p. 600–607].

В Новой Гвинее с помощью сока бегоний уменьшают головные боли, обрабатывают раны от ожогов, а листья некоторых видов употребляют в пищу [3, p. 7, 65, 133, 140]. В Индии из В. rotundifolia Lam. готовят кислый ароматный чай, обладающий смягчающим и освежающим действием, а в качестве источника питания используют листья B. macrophylla Lam. В Ассаме из листьев B. rex Putz. заваривают чай, а свежеотжатым соком лечат отравления [4, p. 50–53, 2; p. 600].

Следует отметить тот факт, что длительный и интенсивный процесс интродукции рода привел к появлению некоторых разночтений не только в видовых названиях, но и в названиях гибридов и культиваров. Некоторые формы имеют до 14 синонимов [5]. Например, в литературе 80-х гг. XX в. указан вид B. erythrophylla Neum., который в настоящее время идентифицирован B. ‘Erythrophylla’: гибрид от B. hy-drocotylifolia Otto ex W.J. Hooker и B. manicata Brong., также известный как культивар B. ‘Feastii’. Названия исследованных нами видов и форм даны в соответствии с современной номенклатурой [5, 6].


Е.А. КАРПОВА, Е.П. ХРАМОВА, Т. Д. ФЕРШАЛОВА

Несмотря на повышение внимания к вопросам биологии и фармакогнозии тропических растений в мире, сведения о химическом составе и биологической активности видов рода Begonia пока немногочисленны. Выявлена антимикробная активность фракций B. erythrophylla Neum. [7], B. heracleifolia Schlecht. et Cham., B. semperflorens Link et Otto и B. fuchsioides W.J. Hooker [8, 9].

Были установлены фунгистатический и фунгицидный эффект летучих выделений и водных экстрактов B. Albo-picta Bull., B. ‘Feastii’, B. rubella F. Hamilton et De Don, B. semperflorens Link et Otto, B. rhizocaulis (Klotzsch) A. DC. против Aspergillus niger, Cladosporium hordei и Penicillium ciclopium [10].

Изучена антибактериальная и противогрибковая активность гексанового, хлороформного и метанольного экстрактов B. malabarica Lam. Исследование подтвердило полезность этого растения как средства для лечения болезней органов дыхания, а также позволило предложить его как средство от диареи и кожных заболеваний, вызываемых патогенными бактериями [11].

Доказана высокая биологическая активность летучих выделений интактных растений рода против широкого спектра граммположительных и граммотрицательных бактерий и грибов рода Candida [12, 13].

В результате фитохимических исследований в составе экстрактов некоторых видов Begonia, обладающих антибактериальным действием, были обнаружены щавелевая кислота, кукурбитацины, жирные кислоты, стеролы, олигосахариды [9] и флавоноиды (рутин, кверцетин, цианидин) [4, 14]. Из листьев B. malabarica выделены фриделин, эпи-фриделин, бета-ситостерин, бета-ситостерин-3-бета-D-глюкопиранозид, лютеолин, кверцетин [11]; из листьев B. erythrophylla Neum. – кверцетин и его гликозиды (рутин, кверцитрин), 3-О-метилкверцетин, 3-О-метилкемпферол, лютеолин и лютеолин-7-О-глюкозид (цинарозид) [15], витексин, изовитексин, ориентин и изоориентин [16].

В цветках Begonia обнаружены каффеил- и кумароилглюкозиды цианидина [17].За последние десятилетия на многочисленных объектах, в том числе и из рода Begonia, доказана и

широко изучается биологическая активность флавоноидов и экстрактов, содержащих флавоноиды – антиоксидантное [18, 19], антимикробное [20, 21], противоопухолевое [22] и нейропротекторное действие [23, 24]. Поэтому содержание флавоноидов в растительном сырье является важнейшим показателем его биологической ценности. При этом исследование антиоксидантной активности различных флавоноидов показало, что наибольшие величины этого показателя (ммоль TEAC – Trolox equivalent antioxidant activity) после теафлавин дигаллата (6,2) имеют кверцетин (4,7) и цианидин (4,4) (на уровне теафлавин-3-галлата). Гликозиды кверцетина имеют более низкую антиоксидантную активность, например рутин (2,4), а флавоны и флавонгликозиды еще более низкую (ниже 2,1) [19].

Другим важнейшим показателем биологической ценности растительного сырья, определяющим его антиоксидантную активность, является содержание аскорбиновой кислоты. Существенным является синергизм ее действия с флавоноидами в регуляции окислительно-восстановительных процессов [23, 25, с. 86–88].

В связи с этим представляет интерес провести исследование состава и содержания флавоноидов, флавонолов и антоцианов, а также аскорбиновой кислоты у интродуцированных видов и культиваров Bego-nia, широко представленных в озеленении.

Цель исследования – сравнительное изучение флавоноидов и аскорбиновой кислоты в надземной части 7 видов и культиваров Begonia.


Объектом исследования являлись 7 видов и культиваров Begonia: B. bahiensis A. DC., B. bowerae Ziesenh. var. major R. Ziesenh., B. carolineifolia Reg., B. fischeri Schrank var. palustris (Bentham) Irmsch., B. heracleifolia Schlecht. et Cham. var. nigricans Hook., B. ‘Erythrophylla’ – гибрид, полученный Феастом в результате скрещивания B. hydrocotylifolia Otto ex Hook. и B. manicata Brong., а также культивар: B. ‘Helen Teupel’, исходным видом которого является B. rex Putz. (табл. 1).

Для исследования были собраны листья и стебли растений в фазе интенсивного вегетативного роста (23.05.2007) из коллекции ЦСБС СО РАН.

Точную навеску воздушно-сухого сырья (0,1–0,5 г) исчерпывающе экстрагировали 70%-ным водным этанолом на кипящей водяной бане. Объединенные извлечения концентрировали под вакуумом до полного

114

ФЛАВОНОИДЫ И АСКОРБИНОВАЯ КИСЛОТА …

удаления спирта и освобождали от липофильных соединений хлороформом. Водный остаток использовали для определения содержания флавонолов.

Таблица 1. Распространение и условия произрастания некоторых видов рода Begonia в природе [5, 6]

Виды Секция Область распространения Природные местообитанияB. rex Platycentrum Юго-Восточная и Южная Азия:

Китай; Индия (Ассам, Гималаи)Тропический и субтропический лес (влажные места, в тени деревьев)

B. heracleifolia var. nigricans

Gireoudia Центральная и Южная Америка: юг Мексики, Перу

Тропический лес. На земле, на пирамидах Майя. Иногда на деревьях как эпифит

B. carolineifolia Gireoudia Центральная Америка: Гватемала, Мексика

Нет данных

B. bowerae Gireoudia Центральная Америка: Мексика Влажные субтропики. Локально, среди скал и утесов (выс. 1120 м над у.м.)

B. hydrocotylifolia Gireoudia Центральная Америка: юг Мексики Тропический дождевой лес, на влажных скалистых утесах

B. manicata Gireoudia Южная и Центральная Америка: Бразилия, Мексика

В горных ущельях, в тени и на открытых участках

B. bahiensis Pritzelia Центральная Америка: Бразилия Влажный тропический прибрежный атлантический лес (выс. 600–1500 м. над

у.м.). На открытых солнечных местахB. fischeri var. palustris

Begonia Южная АмерикаБразилия. Колумбия. Эквадор

Влажные тропические леса

Общее содержание флавоноидов в надземной части растений определяли хроматоспектрофотометрическим методом 26, с. 32–33. Для двумерной хроматографии экстрактов на бумаге использовали системы:н-бутанол – уксусная кислота – вода (40 : 12 : 28) (БУВ) (первое направление) и дистиллированная вода (второе направление) [27, с. 41].

На один лист наносили 0,10–0,15 мл экстракта в зависимости от навески сырья и количества экстракта. Каждую пробу анализировали в трех повторностях. Одну хроматограмму проявляли парами аммиака и 5%-ным спиртовым раствором хлористого алюминия, две другие использовали для количественного определения флавоноидов. По проявленной хроматограмме уточняли расположение пятен, имеющих коричневую и желтую окраску: флавоны, флавонолы, халконы, ауроны [28, с. 18].

Оптическую плотность элюатов определяли на спектрофотометре СФ-26 при длине волны 365 нм. Расчет количества флавоноидов вели по калибровочному графику, построенному по рутину.

Содержание флавонолов – кверцетина и кемпферола, образующихся после кислотного гидролиза соответствующих гликозидов, определяли, используя метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) [29]. Для проведения кислотного гидролиза к 0,5 мл водно-этанольного растительного экстракта прибавляли 0,5 мл HCl (2 н) и нагревали на кипящей водяной бане в течение 2 ч.

После охлаждения гидролизат разбавляли бидистиллированной водой до V=5 мл и пропускали через концентрирующий патрон Диапак С16 (ЗАО «БиоХимМак») для освобождения от примесей гидрофильной природы. Агликоны смывали 96%-ным этанолом, измеряли объем элюата, который обычно составлял 5–8 мл, и пропускали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм.

Анализ проводили на аналитической ВЭЖХ-системе, состоящей из жидкостного хроматографа «Agilent-1100» с УФ-спектрофотометрическим детектором и системы для сбора и обработки хроматографических данных (Германия). Разделение проводили на колонке Диасфер 110C18, размером 1502 мм с диаметром частиц 6 мкм (ЗАО «БиоХимМак»), применив градиентный режим элюирования. В подвижной фазе содержание метанола в водном растворе ортофосфорной кислоты (0,1%) изменялось от 47 до 49% за 18 мин. Скорость потока элюента – 0,3 мл/мин. Температура колонки 26 ºС. Объем вводимой пробы – 3 мкл. Перед использованием подвижную фазу фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм. Детектирование осуществляли при =360 нм.

Для приготовления подвижных фаз использовали метиловый спирт (ос. ч.), ортофосфорную кислоту (ос. ч.), бидистиллированную деионизированную воду. Для приготовления стандартных образцов брали

115


образцы кверцетина и кемпферола производства фирмы «Fluka». Стандартные растворы готовили в концентрации 10 мкг/мл в метиловом спирте. Объем вводимой пробы – 3 мкл.

Количественное определение индивидуальных агликонов в элюатах проводили по методу внешнего стандарта.

Содержание индивидуальных компонентов (Сх) в процентах в пересчете на абсолютно-сухое сырье вычисляли по общеизвестной формуле:

,

где Сст – концентрация соответствующего стандартного раствора флавонола, мкг/мл; S1 – площадь пика флавонола в анализируемой пробе, е.о.п.; S2 – площадь пика стандартного флавонола, е.о.п.; V1 – объем элюата после вымывания флавонолов с концентрирующего патрона, мл; V2 – общий объем экстракта, мл; М – масса навески, мг; В – влажность сырья, %; k – коэффициент для пересчета концентрации агликона на соответствующий гликозид: 2,504 – для кверцетина, 2,588 – для кемпферола [29, 30].

Анализ каждого образца проводили в 2-кратной повторности.Содержание антоцианов определяли спектрофотометрическим методом в 1%-ном солянокислом водном

экстракте [31, с. 15–18]. Содержание суммы антоцианов рассчитывали с применением удельного показателя поглощения цианидин-3,5-дигликозида в 1%-ном водном растворе соляной кислоты (453). Оптическую плотность полученного экстракта измеряли при длинах волн 510 и 657 нм. Поправку на содержание хлорофилла и продуктов его деградации учитывали по следующей формуле [32]:

A = A510 − 0,25 × A657,

где A510 и A657 – оптическая плотность экстракта, измеренная при 510 и 657 нм.Определение содержания аскорбиновой кислоты проводили титрованием с краской Тильманса [33, С. 86–91].


Содержание флавоноидов в надземной части исследованных видов и культиваров бегоний было невысоким и находилось в пределах от 24 до 650 мг%. Наиболее значительные уровни этого показателя обнаружены у культивара B. «Helen Teupel» (650 мг%) и B. carolineifolia (427 мг%), наиболее низкие величины – у B. heracleifolia var. nigricans (65 мг%) и культивара B. «Erythrophylla» – 24 мг% (табл. 2).

Таблица 2. Содержание флавоноидов и аскорбиновой кислоты в образцах надземной части Begonia

ВидСумма

флавоноидов, мг% от а.с.м.

Гликозиды, мг % от а.с.м. Антоцианы, мг% от а.с.м.

Аскорбиновая кислота, мг % от

сырой массыкверцетина кемпферола

B. ‘Helen Teupel’ 650 4,5 - 97,1 11,4B. heracleifolia var. ni-gricans

65 45,8 2,2 61,6 7,1

B. carolineifolia 427 3,4 5,7 65,6 28,2B. bowerae 202 11,7 1,2 156,7 4,9B. ‘Erythrophylla’ 24 22,2 1,7 94,4 13,6B. fischeri var. palustris 256 76,4 – 64,9 6,6B. bahiensis 139 52,6 – 59,5 43,1

Содержание гликозидов кверцетина при этом значительно варьировало от 3,4 (B. carolineifolia) до 76,4 мг% (B. fischeri var. palustris). Гликозиды кемпферола были обнаружены только у видов и культиваров секции Gireoudia в пределах от 1,2 (B. bowerae) до 5,7 мг% (B. carolineifolia). Других агликонов обнаружено не было.

Нами найдено только одно упоминание о количественных показателях содержания флавоноидов у представителей Begonia. По данным Рамеша, содержание кверцетина в метанольном экстракте листьев B. malabarica составило 0,09% [11], что в целом соответствует обнаруженному нами уровню гликозидов

116

ФЛАВОНОИДЫ И АСКОРБИНОВАЯ КИСЛОТА …

кверцетина и активным концентрациям, приведенным в литературных источниках по изучению антиоксидантного и антимикробного действия кверцетина (5–100 мкг/мл экстракта) 20, 24].

Следует отметить, что для образцов с наиболее низкими величинами содержания флавоноидов было характерно преобладание гликозидов флавонолов в их сумме. У остальных видов доля гликозидов флавонолов в сумме флавоноидов составляла менее 50% (B. bahiensis, B. fischeri var. palustris) и ниже (B. ‘Helen Teupel’, B. carolineifolia, B. bowerae).

Содержание антоцианов варьировало от 59,5 (B. bahiensis) до 156,7 мг% (B. bowerae). Наиболее значительный уровень антоцианов обнаружен у B. bowerae (156,7 мг%), B. ‘Helen Teupel’ (97,1 мг%) и B. ‘Erythrophylla’ (94,4 мг%).

Содержание аскорбиновой кислоты в большинстве образцов было незначительным (около 10 мг% от сырой массы) и только у B. carolineifolia и B. bahiensis – существенно выше (28,2 и 43,1 мг% соответственно).

Обращает на себя внимание определенная специфичность химического состава азиатского по происхождению культивара B. ‘Helen Teupel’, исходная форма которого B. rex относится к секции Platycen-trum. Он содержит максимальное количество флавоноидов при очень низком содержании кверцетина, отсутствии кемпферола и значительном уровне антоцианов.

Виды и культивары секции Gireoudia отличаются одновременным содержанием гликозидов кверцетина и кемпферола, в отличие от остальных образцов, содержащих только кверцетин.

Таким образом, содержание суммы флавоноидов и гликозидов кемпферола можно рассматривать как биохимические признаки, перспективные для дальнейшего изучения в качестве хемотаксономических маркеров на уровне секций.

Выводы

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что наличие комплекса биологически активных веществ, содержащего флавоноиды, в том числе гликозиды кверцетина и кемпферола (в видах и культиварах секции Gireoudia), антоцианы и аскорбиновую кислоту в надземной части исследованных образцов Begonia, позволяет рассматривать их в качестве источников средств лечебного и профилактического назначения.

Выявлена химическая специфичность секции Gireoudia по составу агликонов флавонолов, а также азиатского по происхождению (секция Platycentrum) культивара B. ‘Helen Teupel’ по содержанию суммы флавоноидов.

Содержание суммы флавоноидов и наличие гликозидов кемпферола можно рассматривать как признаки, перспективные для дальнейшего изучения в качестве хемотаксономических маркеров на уровне секций.


1. Shi Z. A Rare House Plant – Begonia / Famous Flovers from Yunnan. Kunming, 1999. 2. Morton J.D. Atlas of medicinal plants of Middle America. Bahamas to Yocatan. Charles Thomas, Springfield, Illinois,

USA. 1981. 1420 p.3. Paijmans R. (Ed.) New Guinea Vegetation. NewYork, 1976.4. Ayensu E. S. Medicinal Plants of the West Indies. Michigan, 1981. 288 p.5. Tebbitt M.C. Begonias: cultivation, identification, and natural history. Portland: Timber press. 2005. 270 p.6. Golding I., Wasshausen D.C. Begoniaceae. 2nd ed. Washington, 2002. 289 p.7. Urban A.S., Zakhareusky A.S., Melentovich L.A., Kuznetsova Z.P., Vereskovsky V.V. Effects of biflavanoids from

Begonia erythophylla on acute renal failure in rats. (Eds. Zakhareyskii A.S., Stoma O.V.) // Mater. Knof. Belorusskoe meditsinskoe Obshchestvo Farmakologov Toksikologov. Minsk, 1953. P. 50–53.

8. Frisby A., Roberts J.M., Jennings J.C., Gottshall R.Y., Lucas E.H. The occurrence of antibacterial substances in seed plants with special reference to Mycobacterium tuberculosis // Michigan agriculture Experimental Station Quarterly Bulletin. 1953. №35. P. 392–404.

9. Frei B., Heinrich M., Herrmann D., Orjale J.E., Schmitt J., Sticher O. Phytochemical and biological investigation of Begonia heracleifolia // Planta Medica. 1998. №64. P. 385–386.

10. Исаева Р.Я., Каспари В.М., Юрчак Л.Д. Антифунгальные свойства некоторых растений семейства бегониевых // Первая респ. конф. по мед. ботанике. Киев, 1984. С. 168–169.

11. Ramesh N., Viswanathan M.B., Saraswathy A., Balakrishna K., Brindha P. Phytochemical and antimicrobial studies of Begonia malabarica // Journal of Ethnopharmacology. 2002. №79. P. 129–132.

117


12. Цыбуля Н. В., Казаринова Н.В. Фитодизайн как метод улучшения среды обитания человека // Растительные ресурсы. 1998. Т. 34. Вып. 3. С. 112–129.

13. Фершалова Т.Д., Якимова Ю.Л., Цыбуля Н.В. Фитонцидная активность летучих выделений некоторых видов рода Begonia // Исследование молодых ботаников Сибири. Новосибирск, 2001. С. 102–105.

14. Chirol N., Jay M. Acylated anthocyanins from flowers of Begonia // Phytochemistry. 1995. V. 40. №1. P. 275–277.15. Вересковский В.В., Горленко С.В., Кузнецова З.П., Довнар Т.В. Флавоноиды листьев Begonia erythrophylla //

Химия природных соединений. 1987. №6. 16. Вересковский В.В., Кузнецова З.П., Довнар Т.В. Флавон-С-гликозиды Begonia erythrophylla // Химия

природных соединений. 1987. №6. 17. Harborne J.B., Williams C.A. Anthocyanins and other flavonoids // Natural Product Reports. 1998. P. 631–652.18. Cao G., Sofic E., Prior R.L. Antioxidant and prooxidant behavior of flavonoids: structure-activity relationships // Free

Radical Biology & Medicine. 1997. V. 22. №5. P. 749–760.19. Rice-Evans C. A., Miller N. J., Paganga G. Antioxidant properties of fenolic compounds // Trends in plant science.

1997. V. 2. №4. P. 152–159.20. Gatto M.T., Falcocchio S., Grippa E., Mazzanti G. etc. Antimicrobial and antilipase activity of quercetine and its C2-

C16 3-O-Acyl-Esters // Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2002. №10. P. 269–272.21. Cowan M. M. Plant products as antimicrobial agents // Clinical Microbiology Rewies. 1999. V. 12. №4. P. 564–582.22. Hollman P.C., Hertog M.G. & Katan M.B. Role of dietary flavonoids in protection against cancer and coronary heart

disease // Biochem. Soc. Trans. 1996. V. 24. P. 785–789.23. Skaper S.D., Fabris M., Ferrari V., Carbonare M.D., Alberta L. Quercetin protects cutaneous tissue-associated cell

types including sensory neurons from oxidative stress induced by gluthatione depletion cooperative effects of ascorbic acid // Free Radical Biology and Medicine, 1997. V. 22. №4. P. 669–678.

24. Dok-Go H., Lee K.H., Kim H.J., Lee E.H., etc. Neuroprotective effects of antioxidative flavonoids, quercetine, (+) – dihidroquercetin and quercetin 3-methyl ether, isolated from Opuntia ficus-indica var. saboten // Brain research. 2003. V. 965. P. 130–136.

25. Петрова В.П. Биохимия дикорастущих плодово-ягодных растений. Киев, 1986. 287 c.26. Высочина Г.И. Фенольные соединения в систематике и филогении семейства гречишных. Новосибирск, 2004.

240 с.27. Хроматография на бумаге / Под ред. И.М. Хайса и К. Мацека. М., 1962.28. Клышев Л.К., Бандюкова В.А., Алюкина Л.С. Флавоноиды растений. Алма-Ата, 1978. 200 с.29. Юрьев Д.В., Эллер К.И., Арзамасцев А.П. Анализ флавонолгликозидов в препаратах и БАД на основе

экстракта Ginkgo biloba // Фармация. 2003. №2. С. 7–9.30. Beek T.A. Chemical analysis of Ginkgo biloba leaves and extracts // J. of chromatography А. 2002. №967. P. 21–35.31. Методические рекомендации по анализу плодов на биохимический состав. Ялта, 1982. 21 с.32. Close D. C., Beadle C. L., Battaglia M. Foliar anthocyanin accumulation may be a useful indicator of hardiness in eu-

calypt seedlings // Forest Ecology and Management. 2004. V. 198. №1–3. P. 169–181.33. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. Методы биохимического исследования растений / Под ред.

А.И. Ермакова. Л., 1987. 430 с.


118


УДК 630.181:630.425

СОДЕРЖАНИЕ ФЕНОЛОВ В КОРЕ ЕЛИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ СУКЦЕССИИ БИОГЕОЦЕНОЗОВ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

© Н.А. Артемкина*, Т.Т. Горбачева

Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ УрО РАН, ул. Ферсмана, д.14а Мурманская обл., г. Апатиты, 184209 (Россия)Е-mail: [email protected], [email protected]

Исследованы особенности изменения общего содержания фенолов и их мономерных форм в коре ели Picea obovata Ledeb на разных стадиях техногенной сукцессии. Наблюдаются существенные различия в содержании феруловой, ванилиновой и резорциловой кислот. Отмечен нелинейный характер изменения содержания фенолов в коре с максимумом на стадии дефолиирующих лесов. Полученные результаты позволяют считать изменения, происходящие в метаболизме фенолов, неспецифической реакцией растительного организма на стресс.

Ключевые слова: галловая кислота, β-резорциловая кислота, 3,4-дигидроксиацетофенон, сиреневая кислота, ванилиновая кислота, кофейная кислота, п-гидроксибензойная, п-гидроксиацетофенон, вератровая, феруловая, фенолкарбоновые кислоты, низкомолекулярные фенолокислоты и производные ацетофенона.

Введение

В мониторинговых исследованиях влияния техногенного загрязнения на лесные биогеоценозы одним из наиболее приемлемых биоиндикаторов признается наружный 3-сантиметровый слой коры древесных пород [1]. Пробоотбор коры не требует больших затрат, доступен и прост в исполнении. Кроме того, кора может быть признана наиболее рациональным объектом изучения процессов трансформации биоценозов при их существенной деградации. Так, на стадии техногенного редколесья и техногенной пустоши в связи с полной деградацией лишайниково-мохового яруса могут отсутствовать другие виды широко известных биоиндикаторов, таких как мхи и лишайники, химический состав которых в целом признается более информативным параметром.

При выборе биохимических индикаторов состояния растительности в условиях влияния стрессовых факторов особое внимание уделяется общему содержанию фенолов и их мономерных форм, в частности, фенолкарбоновых (оксибензойных и оксикоричных) кислот и производных ацетофенона [2, 3]. Устойчивость растений к стрессовым факторам связывают с повышением уровня содержания указанных вторичных метаболитов, что дублирует функции первичного метаболизма [4]. Вопрос накопления вторичных метаболитов в растительности под влиянием стрессовых факторов весьма подробно изучен [2, 3, 5–7]. Однако практически не уделялось внимания оценке их мобильности и тенденциям трансформации в эпифитной зоне в условиях техногенной сукцессии, что в немалой степени обусловлено проблемами аналитического определения.

Цель данной работы – подбор условий разделения и хроматографического анализа отдельных фенолкарбоновых кислот при условии выбора коры в качестве объекта исследования, а также изучение тенденций изменения содержания потенциально мобильных фенольных форм как ответной реакции на произрастание в условиях воздействия техногенных факторов разной степени интенсивности. Одними из основных групп органических соединений, наиболее мобильных на начальной стадии деградации


Н.А. АРТЕМКИНА, Т.Т. ГОРБАЧЕВА

растительности, признаются гидролизуемые фенольные формы, в частности, танины [8] и мономерные фенольные компоненты [9].


Объектами исследования послужила кора ели Picea obovata Ledeb, произрастающей на территории Кольского полуострова. Работы проводились на стационарных мониторинговых площадках, соответствующих разным стадиям техногенной сукцессии еловых биогеоценозов: фон, дефолиирующие леса (ДЛ), техногенное редколесье (ТР). Детальное описание мониторинговых площадок и методов мониторинга приведено в работе [10].

Образцы наружного 1-сантиметрового слоя коры отбирали с пяти модельных деревьев на каждой из трех площадок. Отбор проб проводился на уровне 1,5 м от поверхности почвы во избежание возможного влияния на кору брызг от почвы в период ливневых осадков.

Предварительная пробоподготовка. Усредненные пробы высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали на механической мельнице и просеивали через сито с размером ячеек 2 мм. Расчет результатов всех перечисленных ниже анализов проводили в пересчете на абсолютно-сухую массу.

Навеску 0,2 г помещали в полипропиленовую пробирку с пробкой, заливали 10 мл этанола, настаивали 24 ч. Экстракт осторожно отделяли от твердой фазы, которую промывали этанолом еще 2 раза по 5 мл. Экстракты объединяли, растворитель удаляли. Отгонку растворителя осуществляли на ротационном испарителе ИР-1М2 под вакуумом при температуре не выше 40 °С во избежание термической деструкции соединений. Суммарный экстракт растворяли в 3 мл 70%-ного этанола, помещали в полипропиленовый шприц (10 мл) и три раза промывали гексаном (по 5 мл) для удаления липофильных примесей. Экстракт обрабатывали диэтиловым эфиром (4 раза по 2 мл) с целью извлечения низкомолекулярных фенолкарбоновых кислот и производных ацетофенона. Эфирные фракции объединяли и отгоняли растворитель на ротационном испарителе ИР-1М2 под вакуумом при температуре не выше 20 °С. Полученный таким образом диэтиловый экстракт растворяли в 1 мл растворителя (этанол – 1%-ная уксусная кислота : 50–50). Пробы фильтровали через фторопластовые мембраны (0,45 мкм, Ø 13 мм) и исследовали методом ВЭЖХ.

Хроматографическое разделение. Хроматографический анализ проводили в изократическом режиме на жидкостном хроматографе Стайер c спектрофотометрическим детектором UVV-104 (при длине волны 270 нм) и программным обеспечением «МультиХром». Колонка Luna 2504,6 мм («Phenomenex») с сорбентом С18 (ODS), размер частиц 5 мкм. Растворители: уксусная кислота, этанол («Химреактив», С-Петербург). Элюент – 1% СН3СООН – С2Н5ОН : 83 – 17, скорость потока – 1,10 мл/мин, объем инжекции – 20 мкл. Во время разработки условий анализа использовали метод абсолютной градуировки для десяти индивидуальных соединений (табл. 1 и 2).

При построении калибровочных графиков для каждого вещества использовали четыре значения концентрации: 1; 0,5; 0,25; 0,125 мг/мл. В таблице 2 представлены хроматографические параметры разделения индивидуальных фенольных соединений. Показатель предела обнаружения рассчитывали по формуле:

ПО= Сi / Sп,

где Сi – концентрация компонента i; Sп – площадь пика компонента i.Остальные параметры разделения были рассчитаны программным обеспечением «МультиХром».

Таблица 1. Химические структуры идентифицированных фенольных соединений

Компоненты R1 R2 R3 R4 R5

п-гидроксибензойная СООН ОНСиреневая СООН ОСН3 ОН ОСН3

Галловая СООН ОН ОН ОНВанилиновая СООН ОСН3 ОНβ-резорциловая СООН ОН ОНФеруловая СН=СН-СООН ОСН3 ОН

120

СОДЕРЖАНИЕ ФЕНОЛОВ В КОРЕ ЕЛИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ …

Кофейная СН=СН-СООН ОН ОНп-гидроксиацетофенон СО-СН3 ОН3,4-дигидроксиацетофенон СО-СН3 ОН ОН

Таблица 2. Хроматографические параметры определения фенольных соединений

Фенольные соединения ПО, нг/мл Ккорр СКО, % tR, минГалловая кислотаβ-резорциловая кислота3,4-дигидроксиацетофенон Сиреневая кислотаВанилиновая кислотаКофейная кислотап-гидроксибензойная кислотап-гидроксиацетофенонВератровая кислотаФеруловая кислота

6,964,98,48,79,013,44,13,711,914,7

0,99970,99950,99960,99960,99960,99950,99970,99960,99950,9996

3,92,64,04,24,15,13,42,83,74,7

3,946,29

10,2811,5612,5914,5115,1318,0025,5628,07

Примечание. ПО – предел обнаружения; Ккорр – коэффициент корреляции; СКО – относительная величина среднеквадратического отклонения; tR – время удерживания компонента.

Фотоколориметрический метод определения общего содержания фенольных соединений. Определение общего содержания фенолов проводили по методу Свейна-Хиллиса с реактивом Фолина-Чокальте после многократной экстракции размолотых образцов коры этанолом [11]. В основе метода лежит фотоколориметрирование окрашенных соединений, являющихся продуктами окислительно-восстановительной реакции [12]. Этими соединениями являются либо фосфорно-молибденовая (ФМК), либо фосфорно-вольфрамовая кислоты (ФВК), в восстановленной форме имеющие голубую окраску. В составе этанольного экстракта доминируют легко окисляемые соединения, включающие танины и другие, неконденсированные формы фенолов [13]. Расчет количества фенольных соединений производили по калибровочным графикам, построенным по кверцетину.

Определение содержания отдельных химических элементов. Содержание химических элементов определяли в вытяжке после мокрого озоления концентрированной азотной кислотой. Содержание К определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии; Ca, Mg, Al, Fe, Zn, Cu, Ni, Mn – методом атомно-абсорбционной спектрометрии; P – фотоколориметрическим методом по интенсивности окраски фосфорно-молибденового комплекса; S – турбидиметрическим методом. Общее содержание С и N определяли методом Тюрина и Къельдаля соответственно.


Анализ общего содержания фенолов, углерода и азота проводился для предварительной оценки уровня их содержания и предположения о вероятных тенденциях в накоплении мономерных фенольных форм. Динамика общего содержания фенолов, углерода и азота представлена в таблице 3.

Четко выраженных различий в общем содержании фенолов, углерода и азота в коре ели на разных стадиях техногенной сукцессии не было обнаружено, в связи с чем указанные параметры были признаны слабо информативными для индикации состояния древостоя при выборе коры в качестве биоиндикатора. Однако исследование их взаимосвязи с минеральными компонентами коры ели, приведенное ниже, может оказаться полезной процедурой в оценке эффективности пробоподготовки, а также прогнозной оценки тенденций изменения мономерных форм при увеличении техногенной нагрузки. Содержание минеральных компонентов в образцах коры ели на разных стадиях техногенной сукцессии представлено в таблице 4.

Таблица 3. Динамика общего содержания фенолов, углерода и азота в коре ели

Стадия техногенной сукцессии

Фенолы, мг/г

Собщ, %

N, мг/кг

ТР 262,73 52,86 4489ДЛ 282,25 54,09 3749фон 243,08 55,38 4348

121


Таблица 4. Содержание химических элементов в коре ели (мг/кг).

Стадия техногенной

сукцессии

Са Мg K Al Fe Мn Zn Ni Cu P S

ТР 11145 167 299 84 125 107 104 96 107 145 2258ДЛ 14103 153 331 151 135 246 135 34 38 132 528фон 11679 631 1343 231 70 630 187 7 5 426 523

Результаты корреляционного анализа (табл. 5) указывают на то, что при увеличении техногенной нагрузки, вызывающей снижение содержания элементов питания Мg, К, Mn, Zn, P в коре, уровень содержания фенолов возрастает. В свою очередь, осаждение пылевых выбросов с высоким содержанием Са, Fe как природного, так и антропогенного происхождения, может вызывать аккумуляцию фенольных соединений на коре, на что указывает положительная корреляция этих элементов и фенолов. В коре ели отмечена статистически значимая отрицательная корреляционная зависимость между содержанием фенолов и Al. Это свидетельствует о возможном формировании очень прочных фенольных комплексов, что не позволяет классифицировать их как свободные фенольные формы при применявшейся экстракции этанолом. Чем больше содержание Al в коре, тем меньше в ней остается наиболее реакционноспособных свободных фенольных форм. Тесная взаимосвязь фенолов с рядом элементов указывает на существенное влияние минеральной фазы в процессах аккумуляции простых фенолов в наружном слое коры.

Химический состав отдельных групп и индивидуальных фенольных соединений коры Picea obovata подробно изучен [14–16]. Отмечено, что простые фенолы, молекулы которых содержат одно бензольное кольцо, представлены главным образом промежуточными и побочными продуктами биосинтеза лигнина. В исследованных нами образцах коры были идентифицированы 9 мономерных фенольных форм: ванилиновая, β-резорциловая, п-гидроксибензойная, феруловая, галловая, сиреневая и кофейная кислоты, п-гидроксиацетофенон и 3,4-дигидроксиацетофенон (табл. 6).

Состав простых фенолов в коре ели на условно-фоновой территории существенно отличается по набору химических соединений от последующих стадий техногенной сукцессии еловых биогеоценозов:

П-гидроксиацетофенон и 3,4-дигидроксиацетофенон. Обнаружены в коре ели только в фоновых условиях. Присутствие производных ацетофенона является характерным для хвои растений рода Picea (семейство Pinaceae) [17, 18]. П-гидроксиацетофену отводят важную экологическую роль, связанную с фунгистатическими свойствами [19]. Широко известен аллелопатический эффект данного соединения как ингибитора роста [20]. Снижение биоразнообразия эпифитной биоты может являться причиной отсутствия ацетофенона в наружном слое коры ели в условиях техногенного загрязнения.

Феруловая и ванилиновая кислоты. Ванилиновая кислота наряду с п-гидроксибензойной и соответствующими им альдегидами (п-гидроксибензальдегидом и ванилином) признается наиболее устойчивыми к биодеградации фенольными соединениями [21], поэтому она идентифицирована на всех стадиях трансформации.

На стадии дефолиации отмечается существенный рост содержания ванилиновой и феруловой кислот в коре по сравнению с фоновыми условиями, на стадии техногенного редколесья феруловая кислота не идентифицирована, а содержание ванилиновой кислоты на порядок выше фоновых значений. Ванилиновая кислота считается одним из основных продуктов биодеградации лигнина [22]. Ее наличие свидетельствует о начале деполимеризации лигниновых структур на стадии старения клетки. Причиной повышения содержания феруловой и ванилиновой кислот в коре может являться процесс фотодеструкции (окисления лигнина под действием естественного ультрафиолета) [23] в связи с существенной разреженностью кроны как следствие дефолиации.

Таблица 5. Коэффициенты корреляции между содержанием фенолов и химических элементов в коре ели

Группа C N Са Мg K Al Fe Мn Zn Ni Cu P SФенолы –0,53 –0,75 0,76 –0,89 –0,90 –0,56 0,94 –0,72 –0,63 0,31 0,33 –0,89 0,02

Таблица 6. Динамика содержания фенолов в коре ели на разных стадиях техногенной сукцессии

Ст ад ия

Содержание фенольных соединений, мг/г

122

СОДЕРЖАНИЕ ФЕНОЛОВ В КОРЕ ЕЛИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ …

техн

оген

ной

сукц

есси

и

вани

лино

вая

кисл

ота

фер

улов

ая

кисл

ота

п-ги

дрок

си-

ацет

офен

он

3,4-

диги

дрок

си-

ацет

офен

он

резо

рцил

овая

ки

слот

а

п-ги

дрок

си-

бенз

ойна

я ки

слот

а

галл

овая

ки

слот

а

коф

ейна

я ки

слот

а

сире

нева

я

кисл

ота

сумм

а ф

енол

ов (∑

)

ТР 0,24 – – – 2,33 0,05 0,07 0,11 0,06 2,86ДЛ 2,17 2,22 – – 0,83 – 0,05 0,02 0,03 5,32Фон 0,03 0,03 0,24 0,02 – – – – – 0,32

Примечание: Прочерк означает ниже предела обнаружения. β-резорциловая, п-гидроксибензойная, галловая, кофейная и сиреневая кислоты. При техногенной

сукцессии в коре ели появляется целый ряд фенолокислот, отсутствующий в образцах коры, отобранной на фоновой территории. К этому ряду принадлежат: β-резорциловая, п-гидроксибензойная, галловая, кофейная и сиреневая кислоты (табл. 4). Все указанные кислоты принадлежат к группе многочисленных продуктов гидролиза лигнин-целлюлозного комплекса.

Резорциловая кислота относится к группе дигидроксибензойных кислот с гидроксилом, находящимся в орто-положении по отношению к карбоксильным группам. Такого рода кислоты характеризуются относительно высокими константами диссоциации, что связывают с отрицательным индуктивным эффектом групп –OH. Диссоциация обусловливает стабилизацию фенолят-ионов и активную водную миграцию, либо необратимую сорбцию на минеральной фазе. Максимальные содержания резорциловой кислоты обнаружены на стадии техногенного редколесья. Практически полная изреженность кроны на этой стадии вызывает увеличение объема стволовых вод и активное выщелачивание органических соединений из наружного слоя коры, а осаждение минеральных частиц за счет пыления эродированных поверхностей способствует аккумуляции фенолокислот.

Сиреневая кислота относится к группе метоксибензойных кислот. Известно, что грибная микрофлора способна деметилировать метоксибензойные кислоты [20], поэтому в фоновых условиях при высоком биоразнообразии эпифитной микобиоты сиреневая кислота в коре не обнаруживается.

П-гидроксибензойная кислота под действием грибной микрофлоры трансформируется в протокатеховую кислоту, продуктом дальнейшей деградации которой являются соединения алифатического ряда, в частности, сукцинаты [24]. Отмечается также полная минерализация п-гидроксибензойной кислоты. Так, Martin и Haider показали, что в природных условиях до 95% внесенного в почву препарата этого компонента минерализуется в течение 1 недели [22]. П-гидроксибензойная кислота обнаружена только на стадии техногенного редколесья. Ее присутствие в коре ели на этой стадии может быть связано с фотодеструкцией высокомолекулярных фенольных форм либо с десорбцией с минеральной фазы.

В динамике суммы простых фенолов прослеживается нелинейная зависимость с максимумом содержания суммы фенолокислот в дефолиирующих лесах, когда эффективно действуют адаптационные механизмы древостоя. На стадии техногенного редколесья происходит разрушение биогеоценозов, нарушение питательного режима почв. Характерными особенностями этой стадии трансформации являются резкое снижение биоразнообразия, снижение аллелопатического эффекта, вымывание фенолов из коры за счет агрессивных стволовых вод, снижение свободных форм фенолов за счет взаимодействия с пылевыми компонентами эродированных поверхностей (Al, Fe). На данной стадии абиогенные факторы могут становиться преобладающими в динамике содержания фенолов.


Ответом на воздействие такого стрессового фактора как техногенное загрязнение является изменение состава и повышение содержания веществ вторичного метаболизма (фенолокислот и производных ацетофенона) в коре Picea obovata. Отмечен нелинейный характер изменения содержания индивидуальных фенольных соединений в коре на разных стадиях техногенной сукцессии еловых биогеоценозов и существенная роль абиогенных факторов в аккумуляции фенолов. Для индикации состояния биоценоза содержание мономерных форм фенолов, переходящих в эфир, признано более информативным параметром, чем общее содержание фенольных соединений.

123



1. Wolterbeek H.Th., Bode P. Strategies in sampling and sample handling in the context of large-scale plant biomonitor -ing surveys of trace element air pollution // The Science of the Total Environment. 1995. C. 33–43.

2. Wild A., Schmitt V. Diagnosis of damage to Norway spruce (Picea abies) through biochemical criteria // Physiologia Plantarium. 1995. V. 93. №2. P. 375–382.

3. Фуксман И.Л., Новицкая Л.Л., Исидоров В.А., Рощин В.И. Фенольные соединения хвойных деревьев в условиях стресса // Лесоведение. 2005. №3. С. 4–10.

4. Носов А.М. Функции вторичных метаболитов растений in vivo и in vitro // Физиология растений. 1994. Т. 41. №6. С. 873–878.

5. Фуксман И.Л., Исидоров В.А., Рощин В.И., Артемкина Н.А. и др. Использование вторичных метаболитов для характеристики физиологического состояния хвойных растений в стрессовых условиях // Проблемы сохранения биоразнообразия в наземных и морских экосистемах: Тез. докл. межд. конф. и выездной сессии отделения общей биологии РАН. Апатиты, 2001. С. 97.

6. Фуксман И.Л., Рощин В.И., Артемкина Н.А., Исидоров В.А. и др. Вторичные метаболиты хвойных растений в условиях стресса при техногенном загрязнении и поражении деревьев грибными заболеваниями // Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке: Тез. докл. междунар. конф. Сыктывкар, 2001. С. 358–359.

7. Калачева Н.В., Кашулин П.А., Артемкина Н.А. Биологически активные вещества хвойных пород Европейского севера // Материалы I (IX) Международной конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге. СПб, 2006. С. 247–248.

8. Kraus T.E.C., Yu Z., Preston C.M., Dahlgren R.A., Zasoski R.J. Linking chemical reactivity and protein precipitation to structural characteristics of foliar tannins // J. Chem. Ecol. 2003. V. 29. №3. P. 703–730.

9. Gallet C., Pellissier F. Phenolic compounds in natural solutions of a coniferous forest // J. Chem. Ecol. 1997. V. 23. P. 2401–2412.

10. Лукина Н.В., Никонов В.В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения: В 2-х ч. Апатиты, 1996. Ч. 1. 213 с.; Ч. 2. 192 с.

11. Swain J., Hillis W.E. The phenolic constituents of Prunus domestica. The quantitative analysis of phenolic con -stituents // J. Sci. Food and Agr. 1959. V.10. P. 63–68.

12. Waterman P.G., Mole S. Analysis of Phenolic Plant Metabolites. Blackwell Scientific Publications. London. 1994.13. Schofield J.A., Hagerman A.E., Harold A. Loss of tannins and other phenolics from willow leaf litter // J. Chem.Ecol.

1998. V. 24. P. 1409–1421.14. Громова А.С., Луцкий В.И., Тюкавкина Н.А. Сложные эфиры фенолокислот коры Picea ajanensis, Picea koraen-

sis, Picea obovata // Химия природных соединений. 1976. №2. С. 259–260. 15. Громова А.С., Луцкий В.И., Тюкавкина Н.А. Фенолокислоты и их производные из коры некоторых видов

пихты, ели и сосны // Химия древесины. 1978. №4. С. 99–102.16. Шибанова Г.И., Громова А.С., Кислицина Л.А., Тюкавкина Н.А. Фенольные соединения внутренней и внешней

коры Picea obovata // Изв. СО АН СССР, Серия химическая. 1977. Вып. 5. С. 153–155.17. Иванова С.3., Медведева С.А., Тюкавкина Н.А. Ацетофеноны хвои некоторых видов семейства Рinасеае //

Химия древесины. 1978. №1. С. 103–108.18. Hoque E. Norway spruce die back: isolation, biologikal activity, measurement on concentration of p-hydroxyacetophe-

none and its O-glucoside (picein) by gas-chromatography // Eur. J. Forest. Pathol. I984. V. 14. №6. P. 377–382.19. Osswald W.F., Zieboll S., Schutz W., Firl J., Elstner E.F. p-hydroxyacetophenone- a fungi toxic compound in spruce

needles // J. Plant Dis. Protect. 1987. V. 94. P. 572–577.20. Биохимия фенольных соединений / Под ред. Д. Харборна. М., 1968. 452 с.21. Morita H. Changes in phenolic composition of peat soil due to cultivation // Soil Sci. 1981. V. 131. P. 30–33.22. Martin J.P., Haider K. Microbial degradation and stabilization of 14C-labeled lignins, phenols, and phenolic polymers in

relation to soil humus formation / Eds. Kirk T.K. et al. / Lignin biodegradation: Microbiology, chemistry and potential applications. Florida: CRC Press, Boca Raton, 1980. P. 77–100.

23. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Ароматические структуры лигнина в органическом веществе серых лесных почв // Почвоведение. 2002. №2. С. 23–29.

24. Barz W., Weltring K. M. Biodegradation of aromatic extractives of wood / Ed. Higuchi T. / Biosynthesis and Biodegra-dation of Wood Components. San Diego, California: Academic Press, 1985. P. 607–662.

Поступило в редакцию 29 мая 2008 г.

124


УДК 547.56/565:634.8

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРОКАТЕХИНА И СИРИНГИЛА В КОЖИЦЕ ВИНОГРАДА КРАСНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СОРТОВ

© М.Г. Бежуашвили*, Н.Д. Мусашвили

Институт садоводства, виноградарства и виноделия, пр. Геловани 6, Тбилиси (Грузия) E-mail: [email protected]

Идентифицированы соединения, выделенные из кожицы винограда сорта Саперави (распространенного в восточной Грузии). Вещества оказались производными пирокатехина (I) и сирингила (II). В частности: I – (3,4-дигидроксифенил)-1-пропан-1-он; II – (3,5-диметокси, 4-гидроксифенил)-1-бутан-1-он. Идентифицированные соединения содержатся также в кожицах винограда сорта Оцханури сапере и Каберне.

Ключевые слова: идентификация, пирокатехин-1-пропан-1-он, сирингил-1-бутан-1-он.

Введение

Фенольные вещества винограда красных сортов и приготовленные из них вина представлены богатым спектром: антоцианы, катехины, проантоцианидины, флавонолы, флавоны, флавононы, фенолкарбоновые кислоты, стильбены. Для высококачественных вин значительными являются как антоцианы, так и неантоциановые фенольные соединения, исследование которых вызвало интерес многих ученых. В экстрактах красных испанских вин, приготовленных из сортов Темпранильо, Грациано, Каберне совинион и Мерлот, содержатся эфиры галловой кислоты: метилгалловой – 1,07–2,26 мг/л; этилгалловой – 4,15–5,04 мг/л; гексилового эфира транс-п-кумаровой кислоты – 0,2–0,37 мг/л. Суммарное количество неантоциановых фенольных соединений в винах: для Темпранильо – 94,26±3,76 мг/л; Грациано – 177,23±3,96 мг/л; Каберне совинион – 166,81±4,18 мг/л и Мерлот – 125,06±0,93 мг/л [1]. В красных виноградах и винах идентифицирован астильбин (дигидрокверцетин-3-о-рамнозид), количество которого составляет в Мерлоте 11,61 мг/л; Каберне совинион – 8,24 мг/л; Егиодола – 15,13 мг/л; в винограде содержится до 30 мг/кг [2]. В красных винах идентифицированы неантоциановые соединения в виде фенолкарбоновых кислот и их производных, катехинов, флавонолов, проантоцианов и стильбенов [3]. В красных винах, приготовленных в ЮАР из сортов Каберне совинион, Пинотаж и Шираз, содержание кафтарик кислоты изменяется по месту культивирования этих сортов и соответственно составляет 0,67–1,53, 2,22–66,36 и 0,62–1,42 мг/л [4]. В кожице и мякоти красного винограда определены транс-кафтарик, цис-коутарик и транс-коутарик кислоты: 1,31–2,87; 3,22–7,54; 0,79–14,65 мг/л. В мякоти этих веществ – соответственно 1,72–7,09; 0,28–1,82; 0,53–3,80 мг/л [5]. В испанских красных винах транс-кафтарик и транс-коутарик кислоты соответственно фиксируются в следующих количествах: Темпранильо – 0,72±0,7 и 0,77±0,01 мг/л; Грациано – 2,52±0,07 и 0,90±0,02 мг/л; Каберне совинион – 4,09±0,19 и 1,12±0,02 мг/л; Мерлот – 2,15±0,01 и 0,80±0,01 мг/л [1]. Авторами [6] установлено содержание транс-кафтарик, транс-коутарик и транс-фертарик кислот в винограде белого сорта и его соке. В частности, их количество по отношению суммарных фенольных веществ составляет в винограде 80,2±1,2; 18,1±1,2; 1,7±0,3%, в соке винограда – 84,6±1,2; 12,7±1,1 и 2,4±0,3%. В винах и бренди идентифицировано соединение фенолпропаноидной структуры (2,3-дигидрокси-1-гваяцилпропан-1-он) [7]. В вине «Рислинг» идентифицирован ряд производных бензойных и коричной кислот, в частности, (Е)-коффеоил этилтартрат, глюкозиды коричной, п-кумаровой и ферулевой кислот. Производные, имеющие фенилпропаноидную структуру, идентифицированы в виде 3-гидрокси-1-(4-гидрокси-3-метоксифенил)-пропан-1-он и 2,3-дигидрокси-1-(4-гидрокси-3-метоксифенил)-пропан-1-он [8]. Красные сорта винограда (Саперави, Каберне, * Автор, с которым следует вести переписку.

М.Г. БЕЖУАШВИЛИ, Н.Д. МУСАШВИЛИ

Оцханури сапере и др.), распространенные в Грузии, а также приготовленные из них вина богаты фенольными веществами. Они представлены в виде нефлавоноидов (фенолкарбоновые кислоты, стильбены) и флавоноидов (катехины, проантоцианидины, антоцианы, флавонолы, флавононы). Учитывая, что фенольные вещества значительно определяют органолептические качества вин и обусловливают их лечебно-профилактические свойства [9–12], их изучение является актуальным вопросом.

Цель нашей работы – исследование новых неантоциановых фенольных соединений в винограде красных сортов и винах. В данной работе представлены идентифицированные нами два соединения, выделенные из кожицы винограда сорта Саперави.


Объект исследования – выделенные два индивидуальных соединения (I и II). Вещества извлечены из этилацетатного экстракта кожицы винограда сорта Саперави путем колоночной хроматографии. Идентификацию исследуемых веществ проводили на основе тонкослойной хроматографии, инфракрасных спектроскопии и хромато-масс-спектроскопии. Тонкослойную хроматографию проводили на пластинках силуфола в системе растворителей хлороформ : метанол (90 : 10), а проявитель – диазотированная сульфаниловая кислота. Хромато-масс-спектры получали на приборе фирмы «Agilent Texnologies» MS5975; газ-носитель – гелий, 0,75 мл/мин; колонка – HP5MS, 30, 05, 15 мм; адсорбент – дифенил-диметилполисилоксан. ИК-спектры снимали в таблетках КВr. Экстракты из кожицы винограда Оцханури Сапере и Каберне получены путем горячей экстракции этилацетатом. Результаты исследования представлены на рисунках 1–3.


Соединение (I) при проявлении диазотированной сульфаниловой кислотой дает пятно красновато-оранжевого цвета с Rf – 0,87, а соединение (II) проявляется в виде пятна, окрашенного интенсивным оранжевым цветом с Rf – 0,76 (рис. 1). По газовой хроматографии исследуемые вещества характеризуются близкими временами удерживания. Соединение I – 10,5, а соединение II – 13,11 мин (рис. 2). Исследуемые соединения идентифицированы как производные пирокатехина (I) пирокатехин-1-пропан-1-он и сирингила (II) сирингил-1-бутан-1-он (рис. 3-а, б).

Рис. 1. Тонкослойная хроматограмма исследуемых веществ (1, 2) и этилацетатных экстрактов кожицы винограда сорта Саперави (I) и Каберне (II)

126

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ПИРОКАТЕХИНА И СИРИНГИЛА …

Рис. 2. Газовая хроматограмма исследуемых соединений

а)

б)

Рис. 3. Масс-спектры (3,4-дигидроксифенил)-1-пропан-1-она (а) и (3,5-диметокси-4-гидроксифенил)-1-бутан-1-она (б)

127

М.Г. БЕЖУАШВИЛИ, Н.Д. МУСАШВИЛИ


1. Managas M., Suarez R., Gomez – Cordoves C and Bartolome B. Simultaneous Determination of Nonanthocyanin Phe-nolic Compounds in red Wines by HPLC-DAD/ESI-MS // Am. Y. Enol. Vitic. 2005. V. 56. №2. P. 139–147.

2. Yandrault N., Yarronde F., Delaunay Y.C., Castagnino C. etc. Yevels of stilbene oligomers and astilbin in French vari-etal wines and in grapes during noble rot development // J. Agric Food Chem. 2002. V. 50. №7. P. 2046–2052.

3. Sun Y., Liang F., Bin Y., Li P. and Duan Ch, Screening Non-colored Phenolics in red Wines using liguid chromatogra-phy/Ultraviolet and Mass Spectrometry/Mass Spectrometry Libraries // Molecules. 2007. №12. P. 679–693.

4. Rossouw M., Marais Y. Phenolic compounds in South African red wines // Wynboer. 2003. February.5. Falchi M., Bertelli A., Lo Scatro R., Morassut M. etc. Comparison of Cardioprotective Abilities between the Flesh and

Skin of Grapes // J. Agric. Food Chem. 2006. V. 54. №18. P. 6613–6622.6. Mozetic B., Tomazic I., Skvare A., Frebse P. Determinantion of Polyphenols in White Grape Berries cv. Rebula // Acta

Chim. Slov. 2006. V. 53. P. 58–64.7. Gomez-Cordoves C., Bartolome B. and Jimeno M. Y. Identification of 2,3-dihydroxy-1-guacylpronan-1-one in

brandies // J. Agric. Food chem. 1997. V. 45. P. 873–876.8. Baderschneider B. and Winterhalter P. Isolation and characterization of nowel benzoats cinnamates, flawonoids and

lognans from Riesling wine and screening for antioxidant activity // J. Agric. Food chem. 2001. V. 49. P. 2788–2798.9. Антиоксидантная активность виноматериалов для вин кахетинского типа и ее зависимость от фенольных

соединений // Виноделие и виноградарство. 2005. №6. C. 28–29.10. Shalashvili A., Zambahihidze N., Targamadze I., Ugrekhelidze D. Quantitative changes of Phenolic Compounds and

their Free Radical Scavenging Capacity at Ageing of Georgian White wines // Bulletin of the georgian Academy of Sciences. 2004. V. 170. №2. P. 376–378.

11. Klatsky A.I., Armstrong M.A. and Friedman G.D. Red wine, white wine, lequor, beer and risk for coronary artery dis -ease // Am. J. Cardiology. 1997. V. 80. №4. P. 416–420.

12. Kordo K., Matsumoto A., Kurata H., Yanahashi H., Koda H., Amachi I., Itakuka H. Inhibition of oxidation of Low density Lipoprotein with red wine // Lancet. 1994. V. 344. P. 1152–1154

13. Frankel E.N., Kanner Y.B., Parks E., Kinsella Y.E. Inhibition of oxidation of human Low-density Lipoprotein by phe -nolic substances in red wine // Lancet. 1993. V. 341. P. 454–457.


128


УДК 615.322:582.287.237

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ ВОДНЫХ И СПИРТОВЫХ ИЗВЛЕЧЕНИЙ ЧАГИ

© М.А. Сысоева1*, Л.Р. Юмаева1, В.С. Гамаюрова1, Г.К. Зиятдинова2, Г.К. Будников2, Ф.Г. Халитов3

1Казанский государственный технологический университет, ул. К. Маркса, 68, Казань, 420015, Республика Татарстан (Россия) E-mail: [email protected] 2Казанский государственный университет, Казань, 420008, Республика Татарстан (Россия) E-mail: [email protected]Казанский государственный энергетический университет, ул. Красносельская, 51, Казань, Республика Татарстан, 420066 (Россия)

Проведено дополнительное извлечение биологически активных веществ из шрота, оставшегося после экстракции чаги водой. Для этого использована экстракция шрота этиловым спиртом. Показано, что антиоксидантная активность спиртовых экстрактов и их компонентов выше, чем антиоксидантная активность водных извлечений из соответствующего сырья.

Ключевые слова: чага, водные извлечения, шрот, спиртовые экстракты, меланин, осадок, антиоксидантная активность (АОА).

Введение

В настоящее время доказано разрушительное действие свободных радикалов на организм человека, поэтому ведется активный поиск и исследование извлечений из природных объектов, обладающих антиоксидантным действием. Особый интерес представляют водные извлечения из березового гриба чаги, которые применяются в народной и афицинальной медицине для лечения предраковых заболеваний и рака различной этиологии [1].

Водные извлечения чаги и основное действующее начало – меланин чаги, обладают высокой антиоксидантной активностью (АОА) 2,0–-7,0 Кл/мл и 20–39 кКл-100 г соответственно [2].

Цель исследования – изучение антиоксидантных свойств спиртовых экстрактов, осадка и меланина, полученных на основе шрота, остающегося после экстракции чаги водой.


В работе использовали три партии сырья чаги, приобретенной в аптечной сети: 1 – ЗАО «Фирма Здоровье», Московская обл., Красногорский район, серия 02.07.05, 2 – ОАО «Красногорсклексредства», Московская обл., Красногорский район, серия AG 60706, 3 – ЗАО «Фирма Здоровье», Московская обл., Красногорский район, серия 02.07.06.

Водные извлечения получали согласно [3]. Спиртовые экстракты получали согласно [4]. Сухой остаток и зольность определяли по стандартным методам [5, 6]. Выделение меланина чаги из водной вытяжки чаги и спиртовых экстрактов проводили подкислением 25%-ной соляной кислотой до рН 1–2 [4].

Антиоксидантную активность определяли методом кулонометрического титрования электрогенерированным бромом [7, 8]. Электрогенерацию брома осуществляли на потенциометре П-5827М при постоянной силе тока 5,0 мА из 0,2М КBr в H2SO4 . Конец титрования определяли амперометрически, в ячейке с двумя поляризованными платиновыми электродами (ΔЕ=300мВ).


М.А. СЫСОЕВА, Л.Р. ЮМАЕВА, В.С. ГАМАЮРОВА, Г.К. ЗИЯТДИНОВА И ДР.


При получении водного извлечения чаги происходит формирование полидисперсной коллоидной системы, дисперсной фазой которой является меланин чаги.

Как показано в таблице 1, водные извлечения чаги, полученные из разных партий сырья, имеют близкие значения по содержанию сухих остатков, зольных веществ, содержанию меланина и отличаются по АОА. Антиоксидантная активность водных извлечений, полученных из партий сырья 1, 2 и 3, характеризуется соотношением 1 : 4 : 1,5. Проявление антиоксидантных свойств может быть связано, например, с размером мицелл меланина этих коллоидных систем [9].

Нами было показано, что часть биологически активных веществ остается в шроте, оставшегося после получения водного извлечения [4]. Экстракция шрота проведена этиловым спиртом в различных концентрациях. Из полученных экстрактов отгонкой удаляют этиловый спирт, при этом наблюдается выпадение осадка. После удаления осадка из водной среды выделяют меланин осаждением хлористоводородной кислотой [4]. По данным ИК и УФ спектроскопии меланины чаги, выделенные из спиртовых экстрактов, и меланин водного извлечения идентичны (рис.)

Содержание веществ, извлекаемых из шрота, показано в таблице 2.C повышением концентрации этилового спирта выход сухих веществ в экстрактах уменьшается, такая

тенденция наблюдается во всех использованных партиях сырья (табл. 2). Зольность спиртовых экстрактов снижается в среднем на 80% по сравнению с водными извлечениями. Содержание меланина чаги у всех видов сырья приблизительно одинаково (табл. 3). Таким образом, в спиртовой экстракт из шрота дополнительно переходит определенная сумма органических веществ (осадок). Выходы меланина и осадка из экстракта связаны между собой. Чем больше выделяется осадка, тем меньше выход меланина чаги. Это можно использовать при разработке биологически активных добавок и лекарственных препаратов различного назначения.

В настоящее время фармацевтическая промышленность выпускает на основе сырья чаги спиртовые настойки. Как показано в таблице 3, значения АОА спиртовых экстрактов из шрота чаги не уступают АОА настоек. По содержанию фенольных веществ и углеводов спиртовые экстракты из шрота значительно превосходят настойки, выпускаемые промышленностью.

Результаты антиоксидантной активности исследуемых объектов приведены в таблицах 4 и 5.АОА спиртовых экстрактов шрота в среднем ниже, чем антиоксидантная активность водных извлечений

из соответствующего сырья (табл. 4). Концентрация спирта в экстрагенте не вносит существенный вклад в проявление АОА полученных извлечений. Это хорошо согласуется с данными, полученными Mazurkiewicz и Nakajima [10, 11], которые показали, что в АОА спиртовых извлечений из чаги больший вклад вносят фенольные соединения, чем меланины. Как показано в таблицах 1 и 2, содержание меланинов в спиртовых экстрактах в 5 раз меньше, чем в одном извлечении чаги.

Таблица 1. Содержание экстрактивных веществ водных извлечений чаги, полученных из трех партий сырья

СырьеСухой остаток Зольность Содержание меланина чаги АОЕ, кКл/100 г

ПФК Srг г г %*

1 1,72 0,372 1,330 13,30 10,65 0,012 1,88 0,354 1,385 13,85 39,98 0,023 1,50 0,308 1,290 12,90 16,02 0,01

*от сухого веса гриба чаги

Таблица 2. Содержание веществ, извлекаемых из шрота чаги этиловым спиртом различной концентрации

СырьеКонцентрация

этилового спирта, %

Сухой остаток, г Зольность, г Масса осадка, г Масса меланина чаги, г

130 0,33 0,026 0,0130 0,28350 0,31 0,040 0,0234 0,25670 0,29 0,042 0,0269 0,208

230 0,32 0,021 0,0127 0,27350 0,30 0,040 0,0181 0,22170 0,28 0,041 0,0237 0,209

3 30 0,34 0,040 0,0090 0,176

130

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ …

50 0,32 0,036 0,0174 0,26770 0,27 0,042 0,0269 0,168

А)

Б)

Электронные (А) и ИК-спектры (Б) меланинов чаги: 1 – меланин чаги, выделенный из водной вытяжки чаги, осаждением хлористоводородной кислотой; 2 – меланин чаги, выделенный из спиртового экстракта шрота чаги, осаждением хлористоводородной кислотой

Таблица 3. Содержание экстрактивных веществ и АОА в спиртовых экстрактах чаги

Объектисследования

Концентрацияспирта,% Сумма углеводов, г Сумма фенольных

соединений, г

Антиоксидантная емкостьСреднее,

кл/мл Sr

Спиртовые экстракты из шрота

30 0,42±0,011 0,128±0,0004 2,82±0,07 0,0250 0,60±0,016 0,144±0,0004 1,07±0,02 0,0270 0,40±0,011 0,112±0,0004 – –

Настойка 1 70 0,45±0,008 0,044±0,0001 1,36±0,02 0,01Настойка 2 70 0,72±0,008 0,060±0,0001 2,18±0,08 0,03Настойка 1 – Настойка чаги ОАО Московская фармацевтическая фабрика (спиртовая);Настойка 2 – Настойка чаги Фитофарм-НН (спиртовая).

Таблица 4. Сравнительная характеристика антиоксидантных свойств извлечений из чаги

Объекты исследованияСырье

1 2 3АОЕ, кл/мл Sr АОЕ, кл/мл Sr АОЕ, кл/мл Sr

Водные извлечения чаги 7,50±0,03 0,02 3,00±0,06 0,02 1,99±0,05 0,0230% спиртовые экстракты 2,82±0,07 0,02 2,02±0,07 0,03 2,03±0,07 0,03050% спиртовые экстракты 1,07±0,02 0,02 2,16±0,08 0,03 2,23±0,07 0,02670% спиртовые экстракты – – 3,92±0,07 0,01 1,92±0,07 0,030

Таблица 5. Сравнительная характеристика антиоксидантных свойств осадков и меланинов водных извлечений чаги

Объект исследованияСырье

2 3АОЕ, кКл/100 г ПФК Sr АОЕ, кКл/100 г ПФК Sr

Меланин чаги из водного извлечения 31±1,0 0,03 32±2,0 0,03Осадок 30% экстракта 24±2,0 0,07 30±2,0 0,05Осадок 50% экстракта 17±1,0 0,02 – -Осадок 70% экстракта 21±1,5 0,05 – 0,05Меланин 30% экстракта 68±4,5 0,05 66±5,1 0,05Меланин 50% экстракта 65±5,0 0,05 65±5,2 0,08Меланин 70% экстракта 56±4,0 0,05 64±6,1 0,08

131

М.А. СЫСОЕВА, Л.Р. ЮМАЕВА, В.С. ГАМАЮРОВА, Г.К. ЗИЯТДИНОВА И ДР.

Все выделенные меланины из спиртовых экстрактов имеют близкие значения АОА. То есть на их АОА мало влияют используемый в экстракции шрот и концентрация спирта в экстрагенте (табл. 5).

Значения АОА осадков в целом ниже АОА меланина из водного извлечения чаги. Меланин спиртовых экстрактов обладает более высокой АОА, чем меланин из водных извлечений, в среднем на 30 кКл/100 г ПФК. Поэтому перспективна разработка биологически активных добавок и лекарственных средств на основе спиртовых экстрактов из шрота.

Выводы

1. Показано, что антиоксидантная активность спиртовых экстрактов из шрота находится на уровне активности спиртовых настоек из чаги, выпускаемых фармацевтической промышленностью.

2. Антиоксидантная активность меланинов, выделенных из спиртовых экстрактов, в 2 раза превосходит значение антиоксидантной активности меланина, полученного из водного извлечения чаги.

3. Установлено, что на антиоксидантную активность меланинов, выделенных из спиртовых экстрактов шрота, мало влияет концентрация спирта в экстрагенте, а также используемое сырье.


1. Шиврина А.Н., Ловягина Е.В., Платонова Е.Г. О химическом составе чаги // Чага и ее лечебное применение при раке IV стадии. Л., 1959. С. 55–62.

2. Кузнецова О.Ю. Физико-химические характеристики и биологическая активность водных извлечений и полифенолоксикарбонового комплекса чаги: Автореф.дис. … канд. хим. наук. Казань, 2004. 20 с.

3. Сысоева М.А., Кузнецова О.Ю., Гамаюрова В.С., Халитов Ф.Г., Суханов П.П. Исследование золя водных извлечений чаги. II. Изменение изучаемой системы при проведении экстракции различными способами // Вестник Казанского технологического университета (КГТУ). 2003. №2. С. 172–179.

4. Патент РФ № 2336888. Способы получения спиртового экстракта чаги / М.А. Сысоева, В.Р. Хабибрахманова, В.С. Гамаюрова, Л.Р. Юмаева / 27.10.2008.

5. Государственная фармакопея СССР. Вып. 1: Общие методы анализа. 11-е изд., доп. М., 1987. 336 с.6. Государственная фармакопея СССР. Вып. 2: Общие методы анализа. Лекарственное растительное сырье. 11-е

изд., доп. М., 1989. 400 с.7. Кузнецова О.Ю., Гамаюрова В.С., Суханов П.П., Зиятдинова Г.К., Будников Г.К. Исследование золя водных

извлечений чаги. IV. Антиоксидантная активность. Влияние способа извлечения и применение комплексонов, гидроокиси натрия // Химия растительного сырья. 2005. №1. С. 41–47.

8. Абдуллин И.Ф., Турова Е.Н., Будников Г.К. Электрогенерированный бром – реагент для определения антиоксидантной способности соков и экстрактов // Заводская лаборатория. 2002. Т. 68. №9. С. 12–15.

9. Сысоева М.А., Хабибрахманова В.Р., Гамаюрова В.С., Кудрявцева Л.А. Исследование золя водных извлечений чаги. IX. Определение размеров частиц дисперсной фазы золя извлечений из чаги // Химия растительного сырья. 2008. №2. С. 75–80.

10. Nakajima Y., Sato Y., Konishi T. Antioxidant small phenolic ingredients in Inonotus obliguus (persoon) Pilat (Chaga) // Pharmaceutical society of Japan. 2007. V. 55. №8. P. 1222–1226.

11. Mazurkiewicz W. Analysis of aqueous extract of Inonotus obliguus // Acta Pol. Pharm. 2006. V. 63. P. 437–501.

Поступило в редакцию 12 февраля 2009 г.

.

132


Торф и продукты его переработки

УДК 665.7.032.53

ВЛИЯНИЕ АЛКИЛИРОВАНИЯ НА СОСТАВ И ВЫХОД БИТУМОИДОВ ТОРФА

© С.И. Жеребцов*, Ю.В. Мусин, А.И. Моисеев

Институт угля и углехимии СО РАН, ул. Рукавишникова, 21, Кемерово, 650610 (Россия) E-mail: [email protected]

Представлены результаты экспериментов и получен ряд регрессионных зависимостей по влиянию условий алкилирования торфа н-бутанолом в присутствии ортофосфорной кислоты (ОФК) на выход экстрагируемых веществ. Показано, что каталитическое бутилирование значительно повышает выход экстрагируемых веществ, изменяется элементный состав образцов торфа. Исследованы изменения группового и индивидуального составов фракций битумоидов, происходящие в ходе бутилирования торфа. В основе увеличения выхода битума из алкилированного торфа лежат реакции этерификации и переэтерификации. Различные соединения из торфа могут выступать как альтернативное сырье для химической промышленности.

Ключевые слова: торф, битум, алкилирование, этерификация.

ВведениеСреди природных ресурсов, требующих комплексного подхода к освоению, торф занимает особое место

по наличию широкого класса химических субстанций, которые возможно использовать в различных отраслях промышленности: для получения сырых и модифицированных восков, ростовых веществ и биостимуляторов, медицинских препаратов, красителей для древесины и картона, стабилизаторов в производстве буровых растворов, бытовой химии [1, 2].

Алкилирующее воздействие на органическую массу торфа в условиях кислотного катализа можно отнести к одному из эффективных способов увеличения выхода из торфа растворимых в органических растворителях веществ – битумов (синонимы сырой торфяной воск, сырой буроугольный воск, монтан-воск) [3]. Ранее авторами также было показано положительное влияние алкилирования на выход битумоидов бурых углей [4, 5].

Восковая часть битумов представлена, главным образом, сложными эфирами высших жирных одноосновных кислот (С16–С32 и выше) и высокомолекулярных одноатомных (редко двухатомных) спиртов с четным числом атомов углерода. В зависимости от природы объекта, из которого извлекался воск, а также параметров экстракции, химический состав восковой части и смол может изменяться в широком диапазоне.

Смолистые вещества битумов в настоящее время считаются отходом производства обессмоленного воска. Однако, в свою очередь, могут применяться в производстве антикоррозионных покрытий, антиокислительных и полифункциональных присадок к смазочным маслам, в консервационных составах, в качестве флотореагентов. Привлекает внимание возможность выделения из экстракционных смол торфов фракций углеводородов, обладающих высокой биологической активностью (терпеновые и стериновые соединения) [2]. Благодаря своим свойствам компоненты смол могут найти широкое применение в медицине, сельском хозяйстве и парфюмерно-косметической промышленности.


Объектом исследования был выбран верховой торф Крапивинского месторождения Кемеровской области со степенью разложения R = 25%. Битуминозность по н-бутанолу исходного торфа составляет 2,6% на daf, в том числе восковая фракция – 1,6% на daf.

Характеристики исходных и модифицированных образцов приведены в таблице 1.


С.И. ЖЕРЕБЦОВ, Ю.В. МУСИН, А.И. МОИСЕЕВ

Таблица 1. Технический и элементный анализ образцов торфа, масс. %

Образец торфа Wa Ad Vdaf* Cdaf Hdaf

Исходный торф 11,2 12,3 72,6 46,8 8,1Торф после экстракции 5,6 13,3 68,7 43,5 9,0Остаток торфа после алкилирования 0,9 26,1 64,8 42,2 7,9

* daf (dry ash free) – сухой беззольный образец.

С целью получения зависимостей, количественно отражающих влияние основных факторов алкилирования торфа на результаты модификации, была применена методика планирования эксперимента с получением регрессионных уравнений [6, 7].

Воздушно-сухой торф измельчали под сито 0,4 и в количестве 5 г подвергали алкилированию н-бутанолом в присутствии кислотного катализатора согласно матрице планирования эксперимента. Бутанольный экстракт, выделившийся в ходе алкилирования, отмывали от катализатора водой, затем отгоняли бутанол и получали битум, который затем разделяли на восковую и смоляную части экстракцией н-гептаном. Для сравнения также выделяли бутанольный битум из исходного торфа. Полученные смолы разделяли на три фракции по сродству к растворителям разной полярности: растворимая в гептане (фракция 1), растворимая в ацетоне (фракция 2), нерастворимая в ацетоне (фракция 3) (табл. 2., данные без учета потерь при фракционировании).

Кодирование факторов в экспериментах, соответствующие условия и выходы экстрагируемых веществ в лучших опытах приведены в таблицах 2, 3.

С использованием графического приближения поверхностей функций отклика был проведен ряд дополнительных экспериментов, выходящих за рамки матриц планирования в сторону увеличения значений функций отклика, в результате которых удалось повысить выходы экстрактов из модифицированных проб (рис. 1).

Получены регрессионные зависимости, количественно отражающие влияние факторов алкилирования на выход экстрагируемых веществ, % на daf:

восковая фракция:

Y1 = 3,0 + 0,5x2 + 0,9x3 + 0,4x2x3, (1)

смоляная фракция:

Y2 = 15,9 + 8,9x2 – 2,7x22 + 5,9x3, (2)

сумма экстрагируемых веществ:

Y3 = 19,3 + 9,6x2 – 2,9x22 + 7,2x3. (3)

Полученные зависимости адекватны при уровне значимости α = 0,1 для уравнения (1) и α = 0,05 для уравнения (2) и (3).

Для определения группового состава восковых и смоляных фракций были применены следующие методы: тонкослойная хроматография (ТСХ), ИК-спектроскопия (ИКС) и хромато-масс-спектроскопия (ХМС).

Таблица 2. Кодирование факторов в экспериментах и на рисунке 1

Уровень фактора Количество бутанола, мл (х1) Концентрация ОФК в бутаноле, % (х2) Продолжительность, ч (х3)+1 70 1 0,50 120 5 3

–1 170 9 5,5

Таблица 3. Выход фракций битумодов торфа, % daf.

Условия опытаСмоляные фракции Всего

смолВосковая фракция

Сумма экстрагируемых

веществФракция 1 Фракция 2 Фракция 3

134

ВЛИЯНИЕ АЛКИЛИРОВАНИЯ НА СОСТАВ И ВЫХОД …

Торф исходный 0,1 0,2 0,7 1,0 1,6 2,6Торф алкилированый 1,7 3,7 18,5 24,0 8,2 32,2

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Концентрация ОФК

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Про

долж

ител

ьнос

ть

87

6

5

4

3

2

10

а

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Концентрация ОФК

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Про

долж

ител

ьнос

ть

30

24

18

127

0

б

Рис. 1. Зависимости выходов (цифры на кривых, % на daf) экстрагируемых веществ из алкилированных проб торфа от условий модифицирования (табл. 3): а – восковая фракция; б – смоляная фракция; в – сумма экстрагируемых

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0Концентрация ОФК

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5П

родо

лжит

ельн

ость

38

30

22,5

15

7,5

в

ТСХ выполняли на стандартных пластинах Silufol UV-254 в элюентной системе гептан : диэтиловый эфир : уксусная кислота (60 : 40 : 1 по объему). Проявитель – смесь состава этанол: вода: фосфорновольфрамовая кислота (H3[P(W3O10)4]24H2O) (33 : 50 : 70 по массе). Отнесение веществ к определенным классам соединений проведено при помощи свидетелей, в качестве которых выбраны: из спиртов – н-гексадеканол-1 (Rf 0,19) и бетулин – тритерпеновый диол (Rf 0,08); из жирных кислот – стеариновая (Rf 0,44) и пальмитиновая (Rf 0,44); из сложных эфиров – бутилстеарат (Rf 0,67); из углеводородов – октадекан (Rf 0,77).

ИК-спектры были получены на приборе «Bruker Tensor-27». Все спектры записывались с разрешением 2 см–1, 50 сканов в интервале волновых чисел 400–4000 см–1. Спектры представлены на рисунках 2–4.

Таблица 4. Групповой состав фракций битумоидов торфа по данным ТСХ

№ трека Проба

Значения Rf

спирты кислоты сложные эфиры углеводороды1 Восковая часть экстракта исходного

торфа 0,09; 0,12; 0,23 0,46; 0,54 0,78

2 То же алкилированного торфа 0,09; 0,17; 0,19; 0,23 0,45 0,54; 0,67 0,753 Фракция 1 смолистой части

алкилированного торфа 0,09; 0,18; 0,22 нет 0,69 0,75

4 1-гексадеканол 0,19 нет нет 0,845 Октадекан 0,77

135


6 Стеариновая кислота + бутилстеарат нет 0,44 0,67 нет7 Бетулин 0,08 нет нет нет8 Пальмитиновая кислота нет 0,44 нет нет

Рис. 2. ИК-спектры восковых фракций торфа (1 – исходного, 2 – алкилированного)

Рис. 3. ИК-спектры фракций 1 и 3 смолы исходного торфа

136

ВЛИЯНИЕ АЛКИЛИРОВАНИЯ НА СОСТАВ И ВЫХОД …

Рис. 4. ИК-спектры фракций 1 и 3 смолы алкилированного торфа

Хромато-масс-спектроскопический (ХМС) анализ проводили на хроматографах с масс-селективным детектором Hewlett Packard G 1800 A GCO и Agilent 6890N/5973 Inert (колонка HP5-MS, газ-носитель – гелий (1 мл в мин.); температурный режим колонки: испаритель – 280 ºС, 50 °С 2 мин., 4 °С/мин. до 300 °С, 300 °С 30 мин; энергия ионизирующих электронов 70 эВ). Содержание индивидуальных соединений регистрировали по полному ионному току. Надежность идентификации по библиотеке масс-спектров NIST-2 превышала 90%. Результаты приведены в таблице 5.


В целом регрессионные модели подтверждают положительное влияние алкилирующей обработки торфа как на общее увеличение битуминозности, так и на выход восковой фракции. Поддержание концентрации кислоты-катализатора (x2) и продолжительности модифицирования (x3) на высоких уровнях положительно сказывается на увеличении выхода восков и смол, как показано на рисунке 1. Влияние количества бутанола (x1) не выражено, видимо, вследствие его избытка в реакционной смеси.

По данным ТСХ, в восковых фракциях битумоидов исходного и алкилированного торфа определены следующие классы соединений: спирты (Rf 0,08–0,23), в том числе терпеновые, жирные кислоты (Rf 0,37–0,46), сложные эфиры (Rf 0,54–0,69) и углеводороды (Rf 0,75–0,84) (табл. 4). Сравнительный анализ ТСХ восковых фракций исходного и алкилированного торфа (треки №1, 2) показал относительное увеличение доли спиртов и появление бутиловых эфиров карбоновых кислот с Rf 0,67 в алкилированных продуктах, а также уменьшение относительного количества карбоновых кислот.

По данным ИКС [9–11], восковая часть битумоидов торфа представлена смесью алканов – свободных и присутствующих в качестве заместителей (2958; 2916; 2873; 2848 см–1), нормальных насыщенных сложных эфиров (1736 см–1), непредельных углеводородов (1635 см–1), вторичных спиртов (3400; 1243; 1068 см–1), небольшого количества нормальных насыщенных карбоновых кислот (1720 см–1). Восковая фракция битумоидов алкилированного торфа отличается наличием большего количества сложных эфиров жирных кислот (1736 см–1).

При фракционировании смолы исходного торфа в малополярную часть (фракция 1) переходят первичные алифатические спирты (3368; 2960–2850 см–1), α,β-ненасыщенные карбоновые кислоты (1720 см–

Таблица 5. Состав соединений восковой фракции битумоидов торфа по данным ХМС, масс.% на daf

Компоненты Исходный МодифицированныйСумма алифатических 1,6 8,2Монокарбоновые кислоты 1 –Дикарбоновые кислоты 0,1 –Спирты 0,04 0,28Алканы 0,1 0,14Эфиры монокарбоновых кислот – 3,4Эфиры дикарбоновых кислот – 1Другие (не идентифицированы) 0,4 3,4

137


1, плечо) и фенолы с длинноцепочечными алифатическими заместителями. В более полярную часть (фракции 2 и 3) переходят третичные спирты, фенолы и полициклические системы с полярными заместителями.

При фракционировании смолы алкилированного торфа в малополярную часть (фракция 1) переходят сложные эфиры карбоновых кислот (1736 см–1) и фенолы с алифатическими заместителями. В более полярную фракцию (2 и 3) переходят в основном полифенолы (1180–1170 см–1 – С–O–H фенолов) с короткими алифатическими и непредельными заместителями. Таким образом, превалирующей реакцией, приводящей к возрастанию выхода как восковой, так и смоляной фракций при алкилировании, является этерификация.

Увеличение общего выхода восковой части достигается в значительной степени за счет бутиловых эфиров моно- и дикарбоновых кислот, а также спиртов и алканов, что указывает на протекание процессов этерификации и переэтерификации. Рост выхода эфиров монокарбоновых кислот, значительно превышающий увеличение выхода спиртов, указывает на интенсивно протекающие реакции разрушения органо-минеральных комплексов, на что также косвенно указывает высокая зольность исходного торфа (12,3%) и относительно высокая основность золы (0,257 г-экв HCl/г).

Выводы

При экстракции из торфа извлекаются свободные моно- и дикарбоновые кислоты. В процессе алкилирования происходит разрушение органоминеральных комплексов и сложных эфиров и образование бутиловых эфиров моно- и дикарбоновых кислот, что существенно повышает их выход. Увеличение выхода алифатических спиртов указывает на протекание процессов переэтерификации. Значительное увеличение выхода смолистой части может происходить за счет частичной деполимеризации лигнина, а также гидролиза углеводных компонентов торфа.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотруднику НИОХ СО РАН Покровскому Л.М. за оказанную помощь в проведении идентификации веществ методами хромато-масс-спектроскопии, а также сотруднику Кемеровского филиала ИТТМ СО РАН С.Ю. Лырщикову за помощь в снятии ИК-спектров.


1. Белькевич П.И., Голованов Н.Г., Долидович Е.Ф. Битумы торфа и бурого угля. Минск, 1989. 125 с.2. Зубко С.В., Белькевич П.И., Михненок А.Ф. Химический состав и биологическая активность этанольных

экстрактов верхового торфа и растений-торфообразователей // Химия твердого топлива. 2002. №1. С. 29–31.3. Жеребцов С.И. Химическое модифицирование бурых углей и торфа – путь к комплексной переработке //

Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения. Кемерово, 2003. Т. 2. С. 129–133.

4. Жеребцов С.И. Взаимодействие углей низких стадий метаморфизма с метанолом // Химия твердого топлива. 2007. №3. С. 60–70

5. Жеребцов С.И., Моисеев А.И. Состав восковой фракции битумоидов метилированных бурых углей // Химия твердого топлива. 2009. №2. С. 12–21.

6. Карамышева Ф.Н., Жучкова А.Н. Методические рекомендации по планированию эксперимента в технологии стройматериалов. (Планы II порядка на «кубе» размерности 2 и 3). Челябинск, 1973. 41 с.

7. Драйпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М., 1973. 392 с.8. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. М., 1965. 216 с.9. Беллами Л. Инфракрасные спектры молекул. М., 1957. 444 с.10. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул. М., 1971. 318 с.11. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии: Учеб.

пособие для вузов. М., 1971. 264 с.

Поступило в редакцию 21 марта 2009 г.

138


Технология

УДК 630.283:630.866

ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ИЗ БРИКЕТОВ СУХОЙ ОКОРКИ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ

© Ю.Я. Симкин*, И.Н. Беседина

Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]

Изучено формирование пористой структуры цельных кусков углей из брикетов сухой окорки лиственницы сибирской в процессе активирования перегретым водяным паром. Выявлены различия в строении адсорбирующих пор внешних и внутренних слоев активных углей при обгарах 15, 30 и 50%.

Ключевые слова: брикеты, отходы сухой окорки, лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), уголь, адсорбент, пористая структура..

Введение

Потенциальным промышленным способом переработки коры хвойных деревьев на активные угли может быть пиролиз брикетов коры с последующим активированием водяным паром получаемого угля [1–3]. В данном случае качество получаемого сорбента зависит от степени диффузионного проникновения водяного пара в глубь куска угля, его размеров, скоростей реакций внутренних слоев активируемого куска угля с водяным паром, вывода наружу газов, образующихся в процессе реакции. Выявление отличий в формировании пористой структуры внешнего и внутренних слоев цельных кусков углей в процессе активирования позволяет при разработке технологических режимов получения нужных марок сорбентов рациональнее выбрать соответствие между размерами активируемых углей и расходами активирующих агентов.


Наглядное представление о процессе формирования пористой структуры активных углей можно получить, изучая строение пористой структуры отдельных слоев. С этой целью из отходов сухой окорки лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) Селенгинского ЦКК влажностью 12% на прессе ГСМ-50 при давлении прессования 100 МПа в одноместной пресс-форме были получены брикеты диаметром 37,5 мм и высотой 20 мм. Из брикетов в лабораторной реторте при температуре 500 °С был получен уголь, который затем активировался водяным паром во вращающейся печи активации при температуре 850 °С до обгаров 15, 30 и 50%. Скорость подачи водяного пара во всех опытах была постоянной, его расход составлял 1, 1,6 и 2,5 г/г активируемого угля в течение 1, 2 и 3 ч активации. От поверхности цельного куска полученного активного угля равномерно отбирался наружный слой толщиной 2–3 мм, затем аналогично такими же размерами следующий слой. Последним третьим слоем служил остаток угля после отбора первых двух слоев. У углей из отобранных слоев по изотермам адсорбции азота, снятых с помощью автоматических адсорбционных установок на системах типа ASAP–2400 фирмы Micromeritic, была изучена динамика изменений объемов микро-, мезо- и макропор, предельного объема адсорбционного пространства, удельной поверхности по t-методу [4–6], суммарной пористости по влагоемкости, адсорбционных активностей по йоду, метиленовому голубому и мелассе [7, 8]. Формирование пористой структуры активных углей по слоям изучалось в двух направлениях: по влиянию глубины расположения слоя в угле и по влиянию обгаров на отдельные слои угля.


mailto:[email protected]

Ю.Я. СИМКИН, И.Н. БЕСЕДИНА


Общее представление о пористой структуре дает динамика изменений суммарной пористости по слоям. Из рисунка 1 следует, что наибольшей разницей внутреннего и внешнего слоя в величинах суммарной пористости (0,87 см3/г) обладает уголь, полученный при обгаре 15%. Для углей с другими обгарами эта разница снижается в 1,5–2 раза (при обгаре 30% – 0,42 см3/г, при обгаре 50% – 0,58 см3/г). Как следует из приведенных результатов, на увеличение суммарного объема пор от внутреннего к наружному слою оказывает самый значительный вклад прирост объемов макропор угля. Величина этого прироста с увеличением обгаров углей снижается (рис. 2).

Снижение прироста объемов макропор идет в основном за счет развития адсорбирующих мезо- и микропор, которое выражается в увеличении предельного объема сорбционного пространства: для внутреннего слоя на 0,21 см3/г, среднего – на 0,23 см3/г и внешнего – на 0,29 см3/г (рис. 3). Причем темпы увеличения предельного объема сорбционного пространства на различных этапах активирования неровны. Как и следовало ожидать, сорбирующие поры под воздействием водяного пара наиболее интенсивно развиваются во внешнем слое. При небольших обгарах до 15% преимущественный рост адсорбционного пространства внешнего слоя происходит, скорее всего, за счет освобождения первичной пористой структуры от оставшихся при пиролизе древесины смолистых веществ и закрывающей входы в поры пироуглеродной пленки. Внутренние слои угля в этот период вследствие малого проникновения активирующего агента в глубь куска угля изменяются незначительно: объем адсорбционного пространства среднего слоя относительно внутреннего изменяется всего на 0,02 см3/г. Более существенное воздействие водяного пара на внутренние слои угля наблюдается при обгарах 30%, где возросший объем адсорбционного пространства среднего слоя оказывается близок к его величине внешнего слоя и отличается от него всего на 0,3 см3/г, а адсорбционный объем внутреннего слоя близок к среднему. То есть при данном обгаре наиболее равномерно развивается объем адсорбционного пространства всего активируемого куска угля и отставание в развитии пористой структуры внутренних слоев от внешнего слоя, подверженного наиболее интенсивному воздействию газообразного активирующего агента, наименьшее. Вместе с тем лучше развитая пористая структура внешнего слоя и, следовательно, его более высокая реакционная поверхность при более продолжительном воздействии водяного пара (обгар 50%) ускоряет развитие объема его адсорбционного пространства и приводит к значительному отставанию от него среднего и внутреннего слоя, соответственно на 0,14 и 0,18 см3/г.

Чем глубже расположены слои в куске угля, тем хуже в них развивается транспортная пористость. Ограниченные возможности диффундирования водяного пара к внутреннему слою и вывода оттуда продуктов реакции замедляют скорости выгорания углерода. В результате этого в глубине куска угля образование мезопор из микропор происходит медленнее, чем во внешних слоях, и поэтому там лучше сохраняется микропористая структура. Этим объясняется отставание развития мезопористой структуры внутреннего слоя от среднего и внешнего при всех обгарах, в то время как по развитию микропористой структуры этот слой не уступает среднему (рис. 5 и 6). Низкие величины объемов микропор среднего слоя при обгаре 30% связаны с образованием мезопор за счет микропор и недостаточным развитием вторичной микропористой структуры, обусловленным менее интенсивным воздействием активирующего агента, чем во внешнем слое.

140

ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ …

Рис. 1. Динамика послойного изменения суммарного объема пор активных углей при фиксированных обгарах углей

Рис. 2. Динамика послойного изменения объема макропор активных углей при фиксированных обгарах углей

Рис. 3. Динамика послойного изменения предельного объема сорбционного пространства активных углей

Рис. 4. Динамика послойного изменения объема мезопор активных углей

Рис. 5. Динамика послойного изменения объема микропор активных углей

Рис. 6. Динамика послойного изменения удельной поверхности пор по t-методу активных углей

Значения сорбционной активности по йоду, осветляющей способности по метиленовому голубому и мелассе отдельных слоев активированных углей (табл.) отражают общий характер развития пористой структуры углей под воздействием водяного пара и согласуются с приведенными ранее характеристиками пористой структуры (рис. 1–6).

Как и следовало ожидать, наибольшими величинами сорбционных активностей обладают внешние слои активных углей, наименьшими – внутренние. С ростом обгаров происходит рост всех показателей адсорбционных активностей углей.

141

Ю.Я. СИМКИН, И.Н. БЕСЕДИНА

Сорбционные характеристики отдельных слоев активных углей

Обгар, % Слои

Сорбционная активность по йоду,

%

Осветляющая способность по метиленовому голубому, мг/г по мелассе, %

0 уголь-сырец 20,2 14,5 4

15наружный 39,8 60 12,7средний 34,4 56 11,5

внутренний 30,5 48 10,3

30наружный 65,4 210 92средний 60,4 172 86

внутренний 58,8 150 81

50наружный 89,6 316 119средний 88,2 305 114

внутренний 84,9 295 108

Выводы

1. Показано, что, наиболее неравномерное послойное развитие пористой структуры углей из брикетов сухой окорки лиственницы наблюдается на ранних стадиях активирования водяным паром.

2. При обгарах 30% пористая структура полностью освобождается от смолистых веществ и закрывающей входы в поры пироуглеродной пленки.

3. При обгарах от 30 до 50% в слоях, расположенных на глубине до 5–6 мм от поверхности угля, интенсивнее развивается мезопористая структура за счет выгорания стенок первичных микропор и вторичная микропористая структура при выгорании мелкокристаллического углерода.

4. Во внутренних слоях углей, расположенных глубже 5–6 мм, вследствие недостаточной развитости транспортной пористости даже при высоких обгарах сохраняется микропористая структура.


1. Беседина И.Н., Симкин Ю.Я., Петров В.С. Получение углеродных материалов из отходов сухой окорки лиственницы сибирской. 1. Особенности отходов сухой окорки как сырья для получения углеродных материалов // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 63–66.

2. Беседина И.Н., Симкин Ю.Я., Петров В.С. Получение углеродных материалов из отходов сухой окорки лиственницы сибирской. 2. Прессование отходов сухой окорки и пирогинетическая переработка полученных брикетов // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 67–70.

3. Беседина И.Н., Симкин Ю.Я., Петров В.С. Получение углеродных материалов из отходов сухой окорки лиственницы сибирской. 3. Получение активных углей // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 71–74.

4. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М., 1984. 306 с.5. Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск, 1995. 311 с.6. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М., 1984. 592 с.7. ГОСТ 6217-74. Уголь активный древесный дробленый. Технические условия. Взамен ГОСТ 6217-54. Введен с

01.01.76. 8 с.8. ГОСТ 4453-74. Уголь активный осветляющий, древесный, порошкообразный. Технические условия. Взамен

ГОСТ 4453-48. Введен с 01.01.76. 8 с.


142


УДК 630.283

ВЛИЯНИЕ СРОКОВ ПОРАЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКИМ ШЕЛКОПРЯДОМ НА ПРОЦЕССЫ УГЛЕОБРАЗОВАНИЯ

© Н.С. Епифанцева*, Ю.Я. Симкин

Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]

Изучено влияние периодов усыхания лиственницы сибирской после воздействия сибирского шелкопряда на химический состав, термостойкость, углеобразующие свойства древесинных компонентов и на технические характеристики получаемых древесных углей. Показано, что из древесины лиственниц, с периодом усыхания до 12 лет можно получать древесные угли марок «Б» и «В».

Ключевые слова: лиственница, сибирский шелкопряд, древесный уголь.

Введение

Сибирский шелкопряд (Dendrolimus superans sibiricus Tschetw) является основным вредителем хвойных

лесов Азиатской России. Ежегодно сибирский шелкопряд наносит ущерб лесам на площади в среднем около 100 тыс. га [1]. Древесина деревьев, усыхающих от воздействия лесных вредителей, быстро теряет деловые качества и не находит промышленного применения, кроме как использования в качестве топлива [2]. Тем не менее большие массивы хвойных лесов, пораженных сибирским шелкопрядом, представляют собой потенциальный многотоннажный источник сырья для получения древесноугольных продуктов.

В период нахождения в сухостойном состоянии в химическом составе усыхающих деревьев происходят изменения, которые могут влиять на процесс пиролиза древесины и качество конечных продуктов. Так, Е.В. Мазуровой [3] отмечено, что после 4 лет нахождения пораженной сибирским шелкопрядом пихты в сухостойном состоянии, ее древесину не рекомендуется применять для получения углей промышленных марок. Лиственница сибирская, в отличие от пихты, обладает способностью к образованию компенсационной хвои и может оставаться жизнеспособной даже после двух- и трехкратных объеданий лесными вредителями, ее древесина намного устойчивее к процессам гниения [2]. Угли, получаемые из древесины лиственниц, не подвергавшихся нападению шелкопряда, по своей прочности вполне могут конкурировать с березовыми углями высших марок [4]. В связи с этим представляло интерес выяснить влияние сроков усыхания пораженных сибирским шелкопрядом лиственниц на термическое разложение древесины и технические характеристики получаемых углей.


Исходным сырьем служила древесина лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), пораженной сибирским шелкопрядом.

Для исследований в качестве модельных (не менее пяти в каждом опыте) [5, 6], были отобраны деревья из очагов поражения Саянского лесхоза Красноярского края и Копьевского лесхоза республики Хакасии, а также для сравнения лиственница, не подвергавшаяся воздействию лесных вредителей (здоровая). Все деревья имели высоту ствола около 15 м при диаметре верхней части около 0,1 м и в нижней на высоте 1,3 м – 0,180–0,185 м, были одного возраста (35–40) лет и одинакового развития. Периоды усыхания выбранных


Н.С. ЕПИФАНЦЕВА, Ю.Я. СИМКИН

деревьев составляла 2, 3, 5, 7 и 12 лет. Из нижней, средней и верхней частей стволов срубленных деревьев были отобраны образцы соответственно на высотах от комля 1, 3, 6 и 12 м.

Опилки из древесины отобранных образцов, подсушивались до влажности 8–10% и анализировались по стандартным методикам [7, 8] на содержание в процентах к абсолютно сухой древесине трудно- и легкогидролизуемых полисахаридов, лигнина в модификации Комарова, веществ, экстрагируемых горячей водой, и минеральных веществ.

Комплексный термический анализ навески древесных опилок массой 2,5·10–4 кг выполнялся на дериватографе системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдеи в платиновом тигле с крышкой в атмосфере гелия со скоростью подъема температуры 6 °С/мин до конечной температуры нагрева 900 °С. Эталонным веществом служила прокаленная окись алюминия. По полученным на дериватограммах кривым ТГ и ДТГ вычислялись скорости потери массы древесины.

У образцов угля-сырца, полученных при пиролизе в лабораторной реторте при температуре 500 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин и продолжительностью прокалки 60 мин, по стандартным методикам [9, 10] определялись выход древесного угля, его кажущаяся плотность, массовая доля золы, массовая доля нелетучего углерода, механическая прочность на раздавливание. Для определений механической прочности древесных углей применялась разрывная машина РМИ-60. При анализе полученных результатов пользовались усредненными значениями дублированных опытов.


Известно [3], что с увеличением периода усыхания в древесине пихты значительно снижается содержание основных углеобразующих компонентов. Так, содержание лигнина в ее древесине уменьшается с 30% у здоровой пихты до 20% у дерева с периодом усыхания 6 лет, содержание трудногидролизуемых полисахаридов, составляющих основу целлюлозы, уменьшается с 50 до 30 %, соответственно. Выход угля снижается с 29 до 20%. Такое снижение выхода основного товарного продукта может значительно ухудшить экономические показатели производства.

Нами была изучена динамика изменения химического состава древесины усыхающей лиственницы с учетом ее расположения по высоте ствола дерева. По мере пребывания усыхающей лиственницы в вертикальном положении в древесине начинают происходить процессы биологического разложения, которые можно проследить по изменению химического состава (табл. 1).

Из результатов, приведенных в таблице 1, видно, что с увеличением периодов усыхания деревьев в древесине верхних частей их стволов снижается содержание веществ, экстрагируемых горячей водой. Так, к 12-ти годам усыхания дерева в верхней части ствола их содержание в 1,8 раза меньше, чем в нижней его части. С точки зрения углеобразующих свойств, содержание этих веществ не представляет практического интереса и свидетельствует о происходящих процессах в древесине усыхающего дерева.

Таблица 1. Содержание основных компонентов в древесине лиственницы

Используемая древесина Содержание компонентов в древесине, % от абсолютно сухой древесины (а.с.д.)период

усыхания дерева, лет

высота ствола от комля дерева, м

вещества, экстрагируе-мые горячей

водой

легкогидро-лизуемые

полисахариды

трудно-гидролизуемые полисахариды

лигнин в модификации

Комарова

минеральные вещества

013,77,51,3

13,38±0,312,64±0,2515,17±0,1

17,52±0,1417,48±0,2117,15±0,08

40,29±0,5337,22±0,1638,12±0,82

28,77±0,3532,07±0,4429,01±0,04

0,20±0,020,31±0,020,30±0,03

2 13,77,51,3

13,48±0,2214,91±0,5817,19±1,1

18,34±0,0117,74±0,1316,76±0,17

39,11±0,1736,03±0,3

37,22±0,81

27,36±0,0829,47±0,2527,24±0,01

0,31±0,010,46±0,020,26±0,01

313,77,51,3

12,07±0,2117,94±0,5917,74±0,24

18,10±0,4415,19±0,1116,12±0,41

40,89±0,236,39±0,1638,80±0,14

27,13±0,2227,93±0,9225,50±0,1

0,32±0,030,41±0,010,30±0,02

713,77,51,3

9,84±0,2212,42±0,3816,36±0,15

25,33±0,1225,4±0,1728,15±0,08

33,67±0,1832,5±0,11

30,96±0,42

28,2±0,0727,2±0,1326,1±0,31

0,42±0,020,37±0,010,34±0,03

12 13,7 9,9±0,25 24,9±0,15 34,66±0,19 27,1±0,11 0,25±0,02

144

ВЛИЯНИЕ СРОКОВ ПОРАЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ …

7,51,3

13,1±0,5117,65±0,24

24,2±0,2128,1±0,12

33,94±0,2330,1±0,11

25,2±0,1924,4±0,24

0,22±0,030,27±0,01

Более выражены процессы разложения, происходящие в древесине деревьев с периодами усыхания 7 и 12 лет. Здесь, наряду со снижением содержания лигнина в средней и нижней частях стволов деревьев относительно верхних частей, становится заметным снижение содержания трудногидролизуемых полисахаридов и, соответственно, увеличивается содержание легкогидролизуемых полисахаридов. Общие суммы полисахаридов верхних и нижних частей стволов деревьев первых сроков усыхания отличаются на 2,5–5%. В более поздние сроки усыхания (7 и 12 лет) эти отличия нивелируются за счет роста содержания легкогидролизуемых полисахаридов в средней и нижней частях стволов деревьев до 0–1,4%. Среднее содержание лигнина в древесине лиственницы с периодом усыхания 12 лет составляет – 24,7%, что, наряду с средним суммарным содержанием полисахаридов 58,6%, свидетельствует о сохранении древесиной достаточного уровня углеобразования.

Выявленные изменения в содержании полисахаридов, представляющих целлюлозную и гемицеллюлозную части, и в содержании лигнина влияют на процесс термической деструкции древесины (табл. 2).

Из сравнения данных таблиц 1 и 2 наблюдается связь между химическим составом исследуемых образцов и убылью массы древесного вещества. Так, потери массы древесины здорового дерева и деревьев с периодами усыхания 3 и 12 лет в интервале температур 220–270 °С (табл. 2) близки к средним значениям содержаний в древесине этих деревьев легкогидролизуемых полисахаридов: 16,4 и 25,7% (табл. 1) соответственно. Этот интервал температур характерен для разложения легкогидролизуемых и наименее термостойких полисахаридов, представляющих собой гемицеллюлозу. При таких температурах самые низкие потери массы (9,25%) отмечаются у древесины здорового дерева и самые большие (21,38%) у древесины дерева с периодом усыхания 12 лет, что объясняется высоким содержанием легкогидролизуемых полисахаридов, образовавшихся за счет происшедших в его древесине биологических процессов разложения, скорее всего, трудногидролизуемых полисахаридов целлюлозы. В интервале температур 320–370 °С, характерном для термического разложения целлюлозы, наоборот, у древесины здорового дерева убыль массы возрастает (5,2%) и сравнивается с убылью массы дерева с периодом усыхания 12 лет (5,6%). В данном случае убыль массы древесины здорового дерева происходит, в основном, за счет не подверженной биологическим процессам разложения целлюлозы, а у древесины лиственницы с периодом усыхания 12 лет вследствие произошедших биологических процессов масса убывает не только за счет части не прореагировавшей ранее целлюлозы, но и за счет разложения части лигнина с понизившейся термостойкостью. Снижение термостойкости древесинных веществ и углеобразующих способностей усыхающих деревьев также выражается в снижении выхода твердого остатка в 1,5–2 раза в сравнении с его выходом из древесины здорового дерева (табл. 2).

Особенности термического разложения древесины усыхающих лиственниц сказываются также на качестве получаемых углей (табл. 3 и 4).

Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что, несмотря на прогрессирующие процессы биологического разложения и снижение термостойкости древесинных компонентов, углеобразующие свойства древесины усыхающих лиственниц изменяются в сторону увеличения прочности углей вдоль волокон вплоть до периода усыхания 12 лет. Напротив, в случае усыхания пихты от поражения ее сибирским шелкопрядом прочность полученного из нее угля снижается и ее древесина для выработки угольных материалов, обладающих достаточной прочностью, пригодна только в течение первых двух лет усыхания [3].

Прочность вдоль волокон у углей с увеличением периода усыхания деревьев постепенно возрастает, а поперек волокон практически не изменяется и уступает прочности вдоль волокон в 2–4 раза. Угли, полученные из верхних частей древесины с периодами усыхания 7 и 12 лет, по прочности вдоль волокон превосходят в 2,4–2,8 раза угли, полученные из верхней части здоровой древесины лиственницы. У всех испытуемых образцов по высоте ствола механическая прочность вдоль и поперек волокон от комля к вершине снижается. Исключение составляет уголь, полученный из древесины с периодом усыхания 12 лет, механическая прочность которого поперек волокон в верхней части имеет наибольшее значение.

Таблица 2. Динамика термораспада здоровой и усыхающей древесины лиственницыТемпература,

°СУбыль массы древесного вещества, % а.с.д.

здорового дерева дерева с периодом усыхания 3 года дерева с периодом усыхания 12 лет170 5,14 4,03 4,48220 6,17 5,04 6,53270 15,42 19,13 28,91320 52,42 55,39 59,69

145

Н.С. ЕПИФАНЦЕВА, Ю.Я. СИМКИН

370 57,56 62,44 65,28420 61,67 68,48 71,81470 62,70 73,52 78,34520 66,81 78,55 83,94

Таблица 3. Механическая прочность на раздавливание углей из древесины усыхающих лиственниц

Используемая древесина Механическая прочность, МПапериод усыхания дерева, лет часть ствола вдоль волокон поперек волокон

0верх

серединаниз

2,43,84,6

1,21,41,8

2 верх


2,8 / 3,24,6 / 5,15,0 / 3,1

1,4 / 1,51,8 / 3,22,0 / 1,5

3 верх


3,1 / 5,05,2 / 105,8 / 8,7

1,5 / 2,141,8 / 3,22,0 / 1,5

7 верх


6,4 / 24,17,0 / 21,57,0 / 14,8

1,8 / 4,32,2 / 5,72,2 / 3,2

12 верх


6,8 / 25,47,0 / 21,57,0 / 14,8

2,0 / 5,71,8 / 3,21,8 / 0

Примечание: в числителе показатели механической прочности, в знаменателе – tрасч при tтабл=2,19

Таблица 4. Технические характеристики древесных углей

Используемая древесина Характеристики угля-сырцапериод усыхания

дерева, летчасть ствола

дерева выход, % массовая доля нелетучего углерода, %

массовая доля золы, %

масса 1 дм3 угля, г

0верх


32,633,432,8

89,0±0,789,8±0,7

89,54±0,7

0,57±0,050,60±0,050,56±0,05

144,8±3171,1±3187,2±3

2верх


31,632,335,0

89,4±0,789,0±0,788,1±0,7

0,68±0,050,70±0,050,66±0,05

147,9±3174,7±3188,1±3

3верх


31,431,634,9

90,0±0,790,6±0,7

90,64±0,7

0,76±0,050,61±0,050,54±0,05

150,8±3172,0±3197,4±3

7верх


31,131,332,4

89,1±0,789,8±0,789,9±0,7

0,82±0,050,66±0,050,56±0,05

148,9±3141,0±3190,0±3

12верх


29,128,228,0

90,88±0,790,86±0,791,2±0,7

0,69±0,050,80±0,050,67±0,05

152,1±3151,9±3180,1±3

Норма для марок «Б» и «В» по ГОСТ 7657-84 – 67 - 88 2,5 - 4,0 –

Высокую прочность углей, полученных из сухостойной древесины, можно отнести к особенностям древесины лиственницы, которую издревле используют при строительстве прочностных долговечных конструкций. В связи с тем, что древесные угли с повышенной механической прочностью пользуются большим спросом в промышленности, угли из древесины усыхающих лиственниц могут иметь преимущество в сравнении с обычными древесными углями.

Выход угля из древесины по высоте ствола уменьшается от нижней части ствола к верхней, исключение составляет уголь из древесины со сроком поражения 12 лет (табл. 4).

Выход угля из древесины одноименных частей стволов с увеличением периодов усыхания деревьев снижается. Выходы суммарных (растворимой и отстойной) смол изменяются незначительно и составляют 11–13% от абсолютно сухой древесины; пирогенетической воды – 24–27%; кислот водного слоя – 2–3%; неконденсирующихся газов – 26–32%. Длительность периодов усыхания деревьев не сказывается на содержаниях в углях нелетучего углерода (табл. 4), золы (0,56–0,82%) и кажущейся плотности (0,21–0,29

146

ВЛИЯНИЕ СРОКОВ ПОРАЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ …

г/см3). По техническим показателям уголь-сырец, полученный из древесины всех частей стволов усыхающих деревьев, не уступает углям из здоровой древесины. Согласно ГОСТ 7657-84 «Уголь древесный», он удовлетворяет требованиям к углям марок «Б» и «В».

Выводы

1. В химическом составе древесины лиственниц с периодом усыхания от воздействия сибирского шелкопряда до 12 лет выявлено снижение содержания основных углеобразующих компонентов: трудногидролизуемых полисахаридов и лигнина, и возрастание мало влияющих на процессы углеобразования легкогидролизуемых полисахаридов. В древесине верхних частей деревьев с периодом усыхания до 12 лет относительно нижних частей содержание веществ, экстрагируемых горячей водой, становится меньше в 1,8 раза.

2. Показано, что с увеличением периода усыхания дерева, снижаются термостойкость и углеобразующие способности его древесинных веществ.

3. Установлено, что, угли, получаемые из древесины усыхающих деревьев, по механической прочности на раздавливание вдоль волокон превышают угли из здоровой древесины в 2,4–2,8 раза, на механическую прочность углей поперек волокон усыхание дерева не влияет.

4. Длительность периодов усыхания деревьев до 12 лет приводит к снижению выхода угля на 5% и не сказывается на содержании в нем нелетучего углерода, золы и его кажущейся плотности. Из древесины лиственниц с периодом усыхания до 12 лет можно получать древесные угли, удовлетворяющие требованиям на угли марок «Б» и «В».


1. Баранчиков Ю.Н., Кондаков Ю.П. Массовые размножения сибирского шелкопряда: система мониторинга и комплексная оценка последствий // Структурно-функциональная организация и динамика лесов. Красноярск, 2004. С. 256–258.

2. Рожков А.С. Массовое распространение сибирского шелкопряда и меры борьбы с ними. М., 1965. 179 с.3. Мазурова Е.В., Епифанцева Н.С., Петров В.С. Зависимость характеристик сорбентов от возраста поражения

древесины // Химия растительного сырья. 2003. №2. С. 65–68.4. Сорокина Г.И. Свойства и получение углеродистого восстановителя из лесосечных отходов лиственницы

сибирской: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рига, 1985. 21 с.5. ГОСТ 16483.6-80. Древесина. Метод отбора модельных деревьев и кряжей для определения физико-

механических свойств древесины насаждений. Взамен ГОСТ 16483.6-71. Введен 01.01.81. М., 1980. 6 с.6. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям. Взамен ГОСТ 16483.0-

78. Введен 01.07.90. М., 1989. 12 с.7. Левин Э.Д., Рубчевская Л.П. О представительности проб при изучении химического состава древесины //

Химия древесины. 1980. №4. С. 103–106.8. Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Исаева Е.В. Химия древесины. Красноярск, 1996. 358 с.9. ГОСТ 7657-84. Уголь древесный. Технические условия. Взамен ГОСТ 7657-74. Введен с 01.01.86. 9 с.10. Агроскин А.А., Панина Е.Ф. Лабораторные работы по химии и технологии угля. М., 1961.134 с.


147


УДК 674. 817

ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ СУХИМ СПОСОБОМ

© Н.Г. Чистова

Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск (Россия) E-mail: [email protected]

Исследовалось влияние основных технологических и конструктивных параметров размалывающей установки на качество помола древесно-волокнистой массы, физико-механические свойства древесно-волокнистых плит сухого способа производства. Получены расчетные зависимости качества размола и плотности ДВП от доминирующих параметров размалывающих машин.

Ключевые слова: древесно-волокнистое сырье, электроэнергия, вторичная масса, математическая модель, технологический процесс.

Площадь Красноярского края, покрытая лесом, составляет около 70% всей территории края. Лесные запасы оцениваются в 7,3 млрд. м3 древесины, что составляет около 10% общероссийских запасов и 2,5% мировых. В связи с этим одним из основных направлений развития региона является рациональное и комплексное использование лесных ресурсов.

Вопросы утилизации и переработки древесных отходов остро стоят в современной промышленной отрасли. На деревоперерабатывающих предприятиях края основным направлением переработки низкокачественной и тонкомерной древесины, а также отходов лесопиления является производство древесно-волокнистых плит.

В Лесосибирске одним из крупнейших деревоперерабатывающих предприятий является ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс». Для переработки древесных отходов, в большом количестве образующихся на предприятии, функционируют линии по производству ДВП мокрым и сухим способами.

Древесно-волокнистые плиты имеют ряд преимуществ по сравнению с пиломатериалами, столярными плитами, фанерой и другими листовыми материалами. Одинаковые физико-механические свойства в различных направлениях, сравнительно небольшие изменения в условиях переменной влажности, возможность получения плит со специальными свойствами, высокая степень механизации и автоматизации при их производстве и др., делают их незаменимым материалом в производстве мебели, тары, строительстве, домостроении.

В связи с возрастающим спросом на древесно-волокнистые плиты сухого способа производства наблюдается рост требований к их физико-механическим показателям, которые определяют дальнейшие возможности их использования в различных отраслях промышленности и для хозяйственных нужд. Это обстоятельство требует проведения научных исследований в этом направлении для получения высококачественной продукции при необходимой производительности оборудования.

В связи с этим в настоящей работе исследовалось влияние основных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на качество помола древесно-волокнистой массы, а также на физико-механические свойства древесно-волокнистых плит сухого способа производства.

Для этого был проведен ряд экспериментов на промышленном оборудовании ЗАО «Новоенисейский ЛХК».На первом этапе наших исследований был проведен анализ теоретических и экспериментальных работ в

области процесса размола древесно-волокнистых полуфабрикатов. На исследуемом предприятии подготовка древесного волокна для производства плиты осуществляется на быстроходном дисковом рафинере PR-42. В результате поисковых экспериментов установлено, что на качество помола древесно-волокнистой массы оказывает влияние множество конструктивных и технологических параметров размольной установки. Исследования также показали, что наибольшее влияние на эти показатели оказывают износ сегментов

Н.Г. ЧИСТОВА

(отношение ширины ячейки ножа к его высоте), зазор между размалывающими дисками и число оборотов выносного шнека, подающего щепу в размольную камеру.

На исследуемом предприятии при производстве древесно-волокнистых плит сухим способом степень помола древесноволокнистой массы не определяется. Качество помола оценивается лишь визуально. Тем самым, качественные показатели готовой плиты выдержать постоянными нет возможности.

Поэтому для более полной оценки качественных показателей древесно-волокнистой массы при исследовании нами использовались различные способы: определение градуса помола массы на приборе «Дефибратор-секунда», приборе ВНИИДРЕВ и определение фракционного состава волокна на лабораторном гирационном фракционаторе.

Исследования физико-механических характеристик готовых плит (плотности, прочности на изгиб и на растяжение перпендикулярно пластин, толщины, водопоглощения и разбухания) проводились по известным методикам, согласно ГОСТ 19592-80 «Плиты древесно-волокнистые. Методы испытаний».

В настоящей работе представлены результаты исследований степени размола древесного волокна на приборе ВНИИдрев и плотности плиты толщиной 6 мм.

Программа экспериментальных исследований реализована комплексом активных многофакторных опытов. Результаты многофакторного эксперимента обрабатывались методами, разработанными для получения математических моделей с целью описания объекта и поиска оптимальных условий функционирования исследуемой системы.

Для получения регрессионных зависимостей был спланирован и реализован В-план второго порядка, который, несмотря на сравнительно небольшое число опытов, позволяет получать раздельные оценки парных взаимодействий параметров, линейных и квадратных эффектов. На наш взгляд, реализация такого плана исследований наилучшим образом подходит для обработки результатов представленного эксперимента. Обработка результатов эксперимента осуществлялась в пакете программы «STATISTICA-6».

В результате обработки экспериментальных данных получены расчетные зависимости качества размола, измеренного на приборе ВНИИдрев (ПВ) и плотности ДВП (ρ, кг/м3) от конструктивных и технологических параметров размольной установки: зазора между размалывающими дисками (z, мм), оборотов выносного шнека рафинера (n, об/мин) и износа сегментов (L/h), т.е. отношения ширины ячейки размалывающих сегментов к высоте ножа.

Ниже представлены полученные математические зависимости

ПВ=–17,0104+89,24236·L/h+544,0431·z+6,866207· n-21,8906·L/h2–536,111·z2–0,075625· n2+33,49910·L/h·z+0,245327·L/h· n–11,5833·z· n.

(1)

ρ =727,4815+55,38928·L/ h +418,7679·z+2,455967·n-17,4977·L/ h 2–703,917·z2–0,053431·n2+54,2134·L/ h ·z-0,488435·L/ h ·n+0,720833·z·n.

(2)

Коэффициенты, стоящие перед факторами, говорят о значимости входных параметров и влиянии их на исследуемые факторы, а также их парное взаимодействие на выходную величину.

На рисунках 1 и 2 представлены графические изображения функций отклика по полученным моделям от двух варьируемых факторов при фиксировании третьего на среднем уровне.

Анализ уравнения (1) показывает, что зазор между дисками и износ их поверхности в наибольшей степени определяют степень размола массы.

С увеличением зазора между дисками при минимальном износе сегментов, как видно из рисунка 1а, степень размола уменьшается в диапазоне от 218 до 132 ПВ, т.е. в достаточно больших пределах. Далее при повышении степени износа сегментов верхняя граница степени размола древесного волокна возрастает до 240 ПВ, максимум достигается при L/h=1,8–2,6 (износ 40–70%). Зазор же между размалывающими дисками должен составлять z=0,2–0,4 мм.

При том же износе, но уже при частоте вращения выносного шнека, равной n=20–28 мин–1, мы имеем возможность получить древесное волокно со степенью размола 230–240 ПВ. L/h=1,8–2,6 – это среднее значение износа сегментов и при фиксировании данного фактора на среднем уровне был построен график, приведенный на рисунке 1в.

Малая частота вращения выносного шнека хоть и благоприятно влияет на качество помола древесного волокна, но в то же время снижает производительность размольной установки, поэтому частоту вращения необходимо увеличивать лишь до некоторого предела, учитывая при этом, что при больших скоростях щепа не успевает размалываться, волокна плохо фибриллированы, а в древесно-волокнистой массе обнаруживается

150


большое количество неразмолотых щепочек. Соответственно, для получения необходимых показателей готовой древесно-волокнистой плиты требуется больший расход связующего, что также недопустимо.

а)

240 220 200 180 160 140

б)

240 220 200 180 160

Рис. 1. Зависимость степени размола на приборе ВНИИдрев от исследуемых параметров

в)

240 220 200 180 160 140 120

Одновременно проанализировав влияние величины зазора между размалывающими сегментами и частоты вращения выносного шнека, можно сделать вывод, что если выдержать расстояние между ротором и статором в пределах 0,2–0,3 мм, то можно добиться стабилизации степени размола при любой частоте вращения выносного шнека в выбранном диапазоне варьирования фактора. При увеличении зазора между дисками до 0,45 мм, требуется снизить частоту вращения выносного шнека и ограничиться значением n=30 мин-1, т.е. увеличить время пребывания древесного волокна в размольной камере. В данном случае можно получить степень размола 230–240 ПВ. Результаты эксперимента подтверждают сущность явлений, происходящих при размоле, так как нагревание размалываемой массы и одновременное механическое воздействие при размоле способствуют присоединению воды к клетчатке, в результате чего волокна набухают, становятся податливыми размолу и меньше подвергаются поперечному перерезанию.

На рисунке 2 представлена графическая зависимость, показывающая, как изменяется плотность ДВП с продолжительностью работы размалывающих сегментов и изменением частоты вращения выносного шнека. Анализ функции отклика показывает, что степень износа дисков оказывает большее влияние на плотность плиты, чем частота вращения выносного шнека, поскольку при изменении качества поверхности размольных дисков плотность плиты изменяется в более широком диапазоне, на что указывают также коэффициенты в математической модели, стоящие перед соответствующим фактором.

Например, при минимальном износе (L/h=1,15, 10% износ), при изменении частоты вращения выносного шнека от 20 до 40 мин–1, плотность изменяется от 868 до 840 кг/м3, а при максимальном износе размалывающих сегментов значение плотности значительно ниже и при том же изменении частоты вращения варьируется от 830 до 780 кг/м3, следовательно, с продолжительностью работы сегментов при всех прочих равных условиях плотность плиты будет уменьшаться, что подтверждают и исследования степени помола древесно-волокнистой массы: чем больше износ, тем ниже степень помола древесного волокна;

151

Н.Г. ЧИСТОВА

соответственно, чем грубее волокно, тем ниже плотность плиты. Максимальное значение плотности – 862 кг/м3 – можно получить при L/h=1,4–2,0 и при n=20–26 мин–1. Плиты, плотность которых должна быть больше 810 кг/м3, можно получить при износе сегментов до значения 2,6 мм.

а)

860 840 820 800 780

б)

860 840 820 800

в)

860 840 820 800

Рис. 2. Зависимость плотности твердой древесно-волокнистой плиты от исследуемых параметров

Зазор между размалывающими дисками, как видно из графика, представленного на рисунке 2в, и из уравнения (2), оказывает существенное влияние на плотность готовой плиты. При анализе предыдущего графика нами была ограничена степень износа до значения 2,6, то же самое показывает и данный график. Если износ сегментов не будет превышать 2,6, то зазор между размалывающими дисками можно устанавливать в пределах 0,35–0,45 мм, в этом случае плотность плиты будет составлять более 850 кг/м 3. Если же износ сегментов менее 50%, то можно увеличить расстояние до значения 0,5 мм.

Таким образом, проанализировав данные графические зависимости, можно сделать вывод, что, согласно выбранным в работе интервалам и уровням варьирования, плиты с плотностью более 850 кг/м3 можно получить при z=0,3–0,45 мм; n=20–26 мин–1 и L/h=1,2–2,2; плиты с плотностью не менее 810 кг/м3 – при z=0,2–0,3 и 0,45–0,55 мм; n=20–38 мин–1; L/h=1,0–1,2 и от 2,4–2,8, показатели плит будут соответствовать ТУ 133-31-07-99.

Предложенные в работе математические модели, на наш взгляд, позволяют прогнозировать получение качественной древесно-волокнистой массы в зависимости от установленных режимов процесса размола; при известных значениях конструктивных и технологических параметров размалывающих установок определять физико-механические и геометрические показатели твердых древесно-волокнистых плит.

Правильный выбор и регулирование параметров размалывающих машин позволит влиять на технологический процесс получения ДВП в целом. Несомненно, исследования в данной области плитного производства являются актуальными, поэтому необходимы дальнейшие исследования по решению задач оптимизации работы размольного оборудования при производстве ДВП.

Список литературы1. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных

машинах: Дис. … докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.

152


2. Чистова Н.Г. Размол древесно-волокнистой массы на промышленных установках при производстве ДВП: Дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2000. 193 с.

3. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1973. 119 с.Поступило в редакцию 4 марта 2009 г.

153


УДК 676.1.054.1

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ

© Н.А. Петрушева1, Н.Г. Чистова1, З.З. Зарипов2, А.П. Чижов1, Ю.Д. Алашкевич3

1Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия) E-mail: [email protected]ОАО «Лесосибирский ЛДК №1» ул. Белинского, 16е, Лесосибирск, 662543 (Россия) E-mail: [email protected]Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]

В работе представлены результаты исследований по оптимизации процесса обработки вторичного волокна в производстве древесно-волокнистых плит мокрым способом. Обосновано применение для обработки вторичного волокна безножевого оборудования (гидроразбивателя) взамен традиционного ножевого (конической мельницы).

Ключевые слова: древесно-волокнистое сырье, электроэнергия, вторичная масса, гидроразбиватель, математическая модель, технологический процесс, вторичное волокно.

Введение

Проблемы использования отходов и разработки безотходных технологий являются наиболее актуальными в настоящее время. В своей технологической и технической сущности утилизация производственных отходов тесно связана с мероприятиями по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, так как позволяет не только повысить эффективность производства древесно-волокнистых плит, но и значительно снизить загрязнение биосферы.

Производство древесно-волокнистых плит – одна из наиболее динамично развивающихся подотраслей лесохимической промышленности, в связи с чем потребность в древесном сырье возрастает. Но часто затраты на доставку сырья превышают стоимость самого сырья, и предприятия выбирают варианты сиюминутно более выгодные для них экономически. В результате вместо расширения использования малоценной дровяной древесины, тонкомерного сырья, лесосечных и лесопильных отходов в плитном производстве увеличивается применение балансов, круглых лесоматериалов и других видов сырья, предназначенных не для этого производства. Одним из путей сокращения расхода основного древесного сырья в производстве древесно-волокнистых плит является максимально возможное использование отходов производства. До настоящего времени это не нашло широкого применения в производстве древесно-волокнистых плит из-за отсутствия четко разработанных технологических схем переработки вторичного волокна для их получения с необходимыми физико-механическими и геометрическими характеристиками. Использование вторичного волокна в композиции готовой продукции допускается только при условии сохранения качества продукции на уровне требований соответствующих стандартов.

В производстве древесно-волокнистых плит доля материальных затрат на приобретение сырья в общей себестоимости продукции составляет 50–70%. Причем удельный расход сырья, материалов, энергии и топлива неуклонно растет, а себестоимость плит соответственно увеличивается. Повышение эффективности использования сырья и материалов при одновременном улучшении качества древесно-волокнистых плит становится одним из важных факторов выживаемости предприятий.

В своей технологической и технической сущности утилизация производственных отходов тесно связана с мероприятиями по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, так

Автор, с которым следует вести переписку

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА …

как позволяет не только повысить эффективность производства древесно-волокнистых плит, но и значительно снизить загрязнение биосферы.

Применение вторичного волокна в основном производстве значительно сокращает удельный расход электроэнергии, химикатов, воды, затрат живого и овеществленного труда. Максимальное использование вторичного волокна имеет большое экологическое значение в связи с сохранением лесных массивов, санитарной очисткой полигонов хранения отходов производства ДВП, подвергающихся гниению и засоряющих подземные воды, почву и атмосферу.

В современном производстве для получения волокнистых материалов (в том числе и в производстве древесно-волокнистых плит) применяются в основном ножевые размалывающие машины. Основное размалывающее действие в ножевых машинах происходит в зазоре между подвижными ножами ротора и неподвижными ножами статора, вследствие больших окружных скоростей размалывающих органов этих машин и избыточного давления волокна древесины подвергаются сильным рубящим воздействиям и раздавливанию. Волокна вторичной массы, ранее уже подвергавшиеся ножевому размолу, попадая для обработки в ножевую машину еще раз, сильно укорачиваются, отличаются жесткостью, а это влечет за собой ухудшение физико-механических свойств готовых древесно-волокнистых плит. Поэтому возникает необходимость поиска более щадящих способов обработки вторичного волокна.

Таким образом, если для подготовки исходного волокнистого сырья использование ножевых размалывающих машин оправдано, то при подготовке вторичного волокна использование этих машин, на наш взгляд, неприемлемо по следующим причинам: ранее обработанное волокно подвергается дополнительной рубке в рабочих органах ножевых машин; исключается возможность использования вторичного сырья в полном объеме.

Роспуск же в гидроразбивателе обеспечивает более мягкий, щадящий режим обработки, что особенно важно для волокон, которые уже однажды претерпели стадию ножевого размола, и также позволяет обрабатывать весь объем вторичной древесноволокнистой массы [1–3].


В Лесосибирском промышленном узле проблема утилизации отходов решается в производстве древесно-волокнистых плит (ДВП), которое позволяет перерабатывать отходы лесопиления и низкокачественную древесину, а также вторичное сырье производства ДВП – волокно, улавливаемое после размольной и отливной групп, обрезки плиты и пыль с форматно-обрезного станка. Еще несколько лет назад отходы производства ДВП вывозились в отвалы. На транспортировку их с территории предприятий бесполезно расходовались денежные средства (до 90 руб. на 1 м3), при этом захламлялись большие по территории земельные участки, что оказывало вредное воздействие на окружающую среду. В настоящее время вторичное сырье производства ДВП эффективно используется в основном производстве, что дает улучшение экономики деревоперерабатывающих предприятий за счет удешевления сырья путем перенесения стоимости отходов на получаемую из них продукцию, а также ликвидации непроизводственных затрат, связанных с удалением производственных отходов [4].

В производстве древесно--волокнистых плит предварительная подготовка полуфабриката потребляет до 65% всех затрат электроэнергии производства. На исследуемом предприятии в настоящее время для обработки вторичного волокна используется коническая мельница. Задача нашего исследования – определение влияния технологических параметров процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе на удельный расход электроэнергии.

Эксперимент был спланирован и проведен по известной методике [5] – В-плану второго порядка. Уровни и интервалы варьирования управляемых факторов эксперимента приведены в таблице 1.

В результате статистической обработки экспериментальных данных было получено следующее уравнение

E = 18,84 + 0,0007τ + 0,19T + 0,3c + 0,0000009τ2 + 0,0004T2 + 0,22c2 – 0,00008Tτ + 0,0001τc +0,0045Тc.

Таблица 1. Основные факторы и уровни их варьирования

Наименование фактора

Обозначения Интервал варьирова

ния фактора

Уровень варьирования фактора

натуральные

нормализованные

нижний(–1)

основной(0)

верхний(+1)

Продолжительность разработки вторичного волокна, с τ X1 900 600 1500 2400

Температура вторичной массы, °С Т Х2 20 10 30 50Концентрация вторичной массы, % с Х3 1 1 2 3

155

Н.А. ПЕТРУШЕВА, Н.Г. ЧИСТОВА, З.З. ЗАРИПОВ, А.П. ЧИЖОВ, Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ

Графические зависимости (рис. 1–3) представляют собой поверхности отклика, построенные в трехмерной системе координат для натуральных обозначений факторов. Для построения таких графиков один из факторов фиксируют и изменяют значения двух других факторов, поэтому представленные поверхности отклика позволяют увидеть не только влияние отдельного фактора на отклик, но и взаимодействие двух факторов. На рисунках приведены графики при фиксировании одного из факторов на среднем уровне, так как поверхности при фиксировании факторов на максимальном и минимальном уровнях будут повторять свой вид.

Анализ парного взаимодействия факторов продолжительности разработки вторичного волокна (τ) и концентрации (с) показывает следующее. С увеличением значений фактора концентрации вторичной массы уровень расположения параболы, описывающей зависимость удельного расхода электроэнергии от продолжительности обработки, становится выше, т.е. значения удельного расхода электроэнергии увеличиваются, также парабола становится более крутой, что говорит об усилении влияния фактора продолжительности обработки вторичного волокна на отклик с ростом значений фактора концентрации.

Влияние фактора концентрации наглядно можно увидеть также на рисунке 2. Очевидно, что с ростом значений концентрации увеличивается удельный расход электроэнергии. При этом на начальной стадии обработки вторичного волокна (при продолжительности обработки от 600 до 1200 с) влияние фактора концентрации на отклик незначительно, затем его влияние усиливается по мере возрастания фактора продолжительности обработки.

Поверхность отклика Е = f (Т, с), характеризующая парное взаимодействие факторов температуры и концентрации, представлена на рисунке 3. Как можно увидеть, под влиянием фактора концентрации изменилась зависимость удельного расхода электроэнергии от температуры обработки по сравнению с зависимостью, представленной на рисунке 1. Экстремум параболы сместился и стал более выраженным. С другой стороны, влияние фактора концентрации на отклик усилилось с увеличением значений фактора температуры.

Таким образом, при помощи полученных математических моделей и построенных по ним графических зависимостей, варьируя технологическими параметрами процесса обработки вторичного волокна, можно снизить затраты удельного расхода электроэнергии.

Рис. 1. Поверхность отклика E = f (τ, Т) Рис. 2. Поверхность отклика E = f (τ, с)

Рис. 3. Поверхность отклика E = f (Т, с)

156

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА …

Обсуждение результатовПолученные в данной работе и ранее [6, 7] математические модели могут быть использованы не только с

целью исследования интересующего нас процесса обработки вторичного волокна для применения его в основном производстве древесно-волокнистых плит. Эти модели являются также основой для отыскания оптимальных условий функционирования объекта.

Задачей оптимизации процесса обработки вторичного волокна в производстве древесно-волокнистых плит является отыскание таких значений основных технологических параметров данного процесса, при которых значение удельного расхода электроэнергии будет минимальным, а качественные характеристики полученной массы и физико-механические параметры отливок из нее будут находиться на необходимом уровне. Оптимизация осуществлялась последовательным симплекс-методом.

Таким образом, в качестве целевой функции нами был выбран удельный расход электроэнергии Е min при соблюдении следующих ограничений: степень помола волокнистой массы > 18 ДС; средняя длина волокна > 8 мм; прочность отливок > 33 МПа; плотность отливок > 800 кг/м3; разбухание отливок < 33%; 600 с ≤ время обработки вторичного волокна ≤ 2400 с; 10 °С ≤ температура волокнистой массы в процессе обработки ≤ 50 °С; 1% ≤ концентрация ≤ 3%.

В результате решения поставленной задачи были получены следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения обработки вторичного волокна в гидроразбивателе при производстве древесно-волокнистых плит: время обработки вторичного волокна – 2400 с; температура волокнистой массы – 30 °С; концентрация – 2%.

При этом выходные параметры принимают следующие теоретические значения: степень помола – 23,4 ДС; средняя длина волокна – 10,1 мм; прочность отливок – 44 МПа; плотность отливок – 892,2 кг/см 3; разбухание отливок – 31,1%; удельный расход электроэнергии – 31,5 кВт ч/кг.

Роспуск вторичного волокна в гидроразбивателе при оптимальных условиях показал следующие результаты: степень помола – 21,4 ДС; средняя длина волокна – 11 мм; прочность отливок – 40,8 МПа; плотность отливок – 912 кг/см3; разбухание отливок – 30,8%; удельный расход электроэнергии – 30 кВт ч/кг.

Таким образом, теоретические значения данных показателей, рассчитанные по уравнениям регрессии, хорошо согласуются с экспериментальными, что еще раз подтверждает адекватность полученной математической модели процесса роспуска вторичного волокна в гидроразбивателе при производстве древесно-волокнистых плит.

ВыводыПроведение обработки вторничного волокна в гидроразбивателе при оптимальных условиях позволило

снизить величину удельной энергоемкости процесса на 27%, в сравнении с существующим процессом ножевой обработки вторичного волокна в конической мельнице.

На основании полученных результатов в технологическую схему современного производства древесно-волокнистых плит мокрым способом, действующей на базовом предприятии, на наш взгляд, необходимо включить гидроразбиватель как узел переработки вторичного волокна, заменив существующую коническую мельницу.

Экономический эффект от замены ножевого оборудования для обработки вторичной массы на гидроразбиватель равен экономии условно-постоянной части расходов в себестоимости за счет снижения удельного расхода электроэнергии и затрат на сырье, увеличения прибыли предприятия за счет улучшения качества готовых древесно-волокнистых плит.

Список литературы1. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Чистова Н.Г., Зарипов З.З. Расширение сырьевой базы при использовании

вторичной массы при производстве древесно-волокнистых плит // Проблемы экологии и развития городов. Красноярск, 2001. С. 227–323.

2. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д. Вторичное волокно в производстве древесно-волокнистых плит // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края. Красноярск, 2002. С. 108.

3. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П., Чистова Н.Г. Влияние способа подготовки вторичного волокна на прочностные характеристики древесно-волокнистых плит // Машины и аппараты ЦБП. СПб, 2002. С. 7–11.

4. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Трофимук В.Н. Безотходные технологии в производстве древесно-волокнистых плит // Фундаментальные исследования. М., 2004. №3. С. 112–113.

5. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М.,1973. 119 с.6. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Моделирование процесса обработки вторичного волокна в

гидроразбивателе // Современные наукоемкие технологии. М., 2005. №5. С. 58–597. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Использование вторичного волокна в производстве

древесноволокнистых плит мокрым способом: (Монография). Красноярск, 2005. 153 с.Поступило в редакцию 14 июля 2008 г.

157

Н.А. ПЕТРУШЕВА, Н.Г. ЧИСТОВА, З.З. ЗАРИПОВ, А.П. ЧИЖОВ, Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ

После переработки 2 марта 2009 г.

158


УДК 676.1.054.1

ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ РОСПУСКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ

© Н.Г. Чистова1, Ю.Д. Алашкевич2,3, Н.А. Петрушева1

1Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия) E-mail: [email protected]Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 (Россия)

Определены затраты электроэнергии, используемой при обработке вторичной древесно-волокнистой массы в гидроразбивателе и влияние на них основных технологических параметров данного процесса, что позволило в значительной мере снизить затраты удельного расхода электроэнергии, по сравнению с существующими методами обработки.

Ключевые слова: электроэнергия, вторичная масса, древесно-волокнистое сырье, гидроразбиватель, математическая модель, технологический процесс, вторичное волокно.

ВведениеВ производстве древесно-волокнистых плит на сегодняшний день не решена в полной мере задача

максимального использования вторичного сырья в основном производстве, которая, несомненно, решила бы целый ряд народно-хозяйственных проблем. Среди них – значительное сокращение расхода исходного первичного сырья в основном производстве без снижения качества готовой продукции. Таким образом, обеспечив возможность сокращения сырьевой базы в производстве древесно-волокнистых плит мокрым способом, это позволит решить серьезную экологическую проблему, связанную с загрязнением водоемов мелким вторичным волокном, уносимым с оборотными водами; в значительной мере сократить водопотребление и водоотведение данного производства; более полно использовать в основном производстве продольных и поперечных кромок древесно-волокнистых плит от ФОР, которые сжигаются в местных ТЭЦ, загрязняя воздушный бассейн, или вывозятся в отвалы, являясь дополнительным источником загрязнения окружающей среды. При получении древесно-волокнистых плит (ДВП) отходы производства составляют около 20%.


В производстве древесно-волокнистых плит в целом на предварительную подготовку древесно-волокнистого полуфабриката потребляется до 65% всех затрат электроэнергии производства.

Задачей исследования процесса обработки вторичного волокна является определение влияния технологических параметров процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе на удельный расход электроэнергии.

Для изучения влияния технологических параметров процесса на энергозатраты была построена математическая модель процесса и в качестве входных величин выбраны: Х1 – продолжительность обработки вторичного волокна (ф), с; Х2 – температура вторичной массы (Т), °С; Х3 – концентрация вторичной массы (с), %.

Автор, с которым следует вести переписку.

Н.Г. ЧИСТОВА, Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ, Н.А. ПЕТРУШЕВА

Выходная величина: Y – удельный расход электроэнергии (Еуд), кВт·ч/т. Интервалы и уровни их варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные факторы и уровни их варьирования

Наименование фактораОбозначения Интервал

варьирования фактора

Уровень варьирования фактора

натуральное нормализованное

нижний(-1)

основной(0)

верхний(+1)

Продолжительность разработки вторичного волокна, с

X1 9102 6102 15102 24102

Температура вторичной массы, °С Т Х2 20 10 30 50Концентрация вторичной массы, % с Х3 1 1 2 3

Формулы, связывающие нормализованные и натуральные обозначения, будут в данном случае иметь виддля продолжительности обработки – , с

,(1)

для температуры – Т, °С

,(2)

для концентрации – с, %

.(3)

В результате статистической обработки экспериментальных данных было получено следующее уравнение

Y = 23,1 + 6,5 Х1 + 3,8 Х2 + 5,12 Х3 +0,13Х12 +0,15 Х2

2 + 0,22 Х32–1,8 Х1 Х2 +0,13 Х1 Х3 +0,9 Х2 Х3. (4)

Адекватность модели определялась по F-критерию Фишера: Fрасч<Fтабл. Таким образом, условие Fрасч=1,42<Fтабл=1,67 выполняется, модель адекватно описывает процесс обработки вторичного волокна в гидроразбивателе.


Приведем некоторые общие выводы, касающиеся анализа и интерпретации полученной модели. Для этого лучше всего пользоваться уравнением в нормализованных обозначениях факторов. Поскольку уравнение (5) отличается от линейного, то простое сравнение по абсолютной величине линейных коэффициентов регрессии не определяет относительную степень влияния факторов, поскольку присутствуют еще квадратичные члены и парные взаимодействия. Для квадратичной модели степень влияния фактора на изменение отклика не является постоянной. Она различна в разных точках диапазона варьирования, а при наличии парных взаимодействий определяется еще и уровнями факторов, входящих в эти взаимодействия.

Итак, очевидно, что влияние всех факторов на отклик является квадратичным, так как присутствуют соответствующие квадратичные члены. При этом можно утверждать, что при росте величины фактора Х1 (ф – продолжительность обработки) отклик возрастает всегда, при любых значениях остальных факторов,

так как b1=6,5>0 и b1=2,7> =1,93. Аналогично с ростом значений факторов Х2, Х3 отклик Y (Еуд–

удельный расход электроэнергии) всегда возрастает. Наибольшее влияние фактора Х1 имеет место при Х2=+1, Х3=+1, при этом 1max=8,69; наибольшее влияние факторов Х2 и Х 3 имеет место при Х1=+1, Х3=+1 для Х2 и Х1=+1, Х2=+1 для Х3. Наибольшее влияние по показателю 1max имеет фактор Х1.

Рассмотрим семейство графических зависимостей Y от Х1 при различных значениях фактора Х2 и фиксированных уровнях фактора Х3. При этом проявится эффект парного взаимодействия Х1Х2. Значения фактора Х3 зафиксируем на уровне Х3 = 0. Поставив значения Х2 = –1 и Х3 = 0 в (5.1), получим

160

ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ РОСПУСКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА …

Y = 19,45 + 8,3Х1 + 0,13Х12. (5)

Построим эту параболу по точкам, но сначала выясним ее «поведение» в интересующем нас диапазоне –1<Х1<+1. Для этого уравнения b11 = 0,13>0, поэтому данная парабола вогнутая, имеет экстремум вне диапазона варьирования фактора, а это означает, что функция (5) монотонно возрастающая. Для приближенного построения параболы воспользуемся пятью точками:

Х1 = –1, Y = 11,28; Х1 = –0,5, Y = 15,03; Х1 = 0, Y = 19,45; Х = 0,5, Y = 23,65; Х1 = 1, Y = 27,88 (кривая 1 на рисунке 1).Сохранив значения Х3=0, положим теперь Х2 = +1. Получим зависимость

Y = 27,05 + 4,7Х1 + 0,13Х12. (6)

По сравнению с (5) здесь изменился не только свободный член, но и коэффициент b1, который вместо 8,3 принял значение, равное 4,7. Последнее произошло из-за парного взаимодействия Х1Х2. В результате парабола, описываемая последним уравнением, будет более пологой, т.е. с уменьшением фактора Х2, соответствующего температуре суспензии при обработке, влияние продолжительности обработки на удельный расход электроэнергии уменьшается. В то же время значения удельного расхода электроэнергии возрастают – это следует из увеличения свободного члена (кривая 2 на рис. 1).

Аналогично можно проанализировать влияние остальных факторов и их парных взаимодействий на отклик.От графиков, построенных для нормализованных факторов, очень просто перейти к натуральным

обозначениям факторов. Для этого достаточно перейти к другому масштабу по оси абсцисс.Модель с натуральными обозначениями факторов будет иметь следующий вид

Eуд = 18,84 + 0,0007ф + 0,19T + 0,3c + 0,0000009ф2 + 0,0004T2 + 0,22c2 –0,00008Tф + 0,0001фc +0,0045Тc.

(7)

Графические зависимости (рис. 2–4) представляют собой поверхности отклика, построенные в трехмерной системе координат для натуральных обозначений факторов. Для построения таких графиков один из факторов фиксируют и изменяют значения двух других факторов, поэтому данные поверхности отклика позволяют увидеть не только влияние отдельного фактора на отклик, но и взаимодействие двух факторов. На рисунках приведены графики при фиксировании одного из факторов на среднем уровне, так как графики при фиксировании факторов на максимальном и минимальном уровнях будут повторять свой вид.

Анализ графических зависимостей показывает следующее. С увеличением значений фактора концентрации вторичной массы уровень расположения параболы, описывающей зависимость удельного расхода электроэнергии от продолжительности обработки, становится выше, т.е. значения удельного расхода электроэнергии увеличиваются, так же парабола становится более крутой, что говорит об усилении влияния фактора продолжительности обработки вторичного волокна на отклик с ростом значений фактора концентрации.

Влияние фактора концентрации наглядно можно увидеть на рисунках 3 и 4. Очевидно, что с ростом значений концентрации увеличивается удельный расход электроэнергии. При этом на начальной стадии обработки вторичного волокна (при продолжительности обработки от 600 до 1200 с) влияние фактора концентрации на отклик незначительно, затем влияние этого фактора усиливается по мере возрастания фактора продолжительности обработки. Таким образом проявляется парное взаимодействие факторов фс и их влияние на величину удельного расхода электроэнергии.

161

Н.Г. ЧИСТОВА, Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ, Н.А. ПЕТРУШЕВА

Рис. 1. Графики зависимостей Y = f (Х1)

2022242628303234363840

-1 -0,5 0 0,5 1

Х 1

Y

кривая 1кривая 2

Поверхность отклика Еуд = f (Т, с), характеризующая парное взаимодействие факторов температуры и концентрации, представлена на рисунке 4. Как можно увидеть из данного рисунка, под влиянием фактора концентрации изменилась зависимость удельного расхода электроэнергии от температуры обработки. Экстремум параболы сместился и стал более выраженным. С другой стороны, влияние фактора концентрации на отклик усиливается с увеличением значений фактора температуры. Однако под влиянием фактора температуры зависимость удельного расхода электроэнергии от концентрации приобрела линейный характер.

Использование вторичного волокна в основном производстве готовой продукции – древесно-волокнистых плит мокрым способом – позволит значительно снизить энергозатраты за счет полного или частичного сокращения технологических операций, предусмотренных в производстве ДВП при использовании исходного первичного сырья, а также замены энергоемкого оборудования в виде дисковых и конических мельниц на оборудование менее энергоемкое, основанного на безножевой обработке вторичного сырья.

Рис. 2. Поверхность отклика E = f (τ, Т) Рис. 3. Поверхность отклика Eуд = f (ф, с)

162

ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ РОСПУСКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА …

Рис. 4. Поверхность отклика Eуд = f (Т, с)

Выводы

Таким образом, при помощи полученных математических моделей и построенных по ним графических зависимостей, варьируя технологическими параметрами процесса обработки вторичного волокна, можно снизить затраты удельного расхода электроэнергии на 27%.

Список литературы1. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных

машинах: Дис. … докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.2. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1984. 232 с.3. Чистова Н.Г., Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д. Безотходные технологии в производстве древесно-

волокнистых плит // Фундаментальные исследования. 2004. №3. С. 112–113


163


УДК 676.1.054.1

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОЖЕВОЙ ГАРНИТУРЫ С УДАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПРИ РАЗМОЛЕ ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ

© В.А. Кожухов*, Ю.Д. Алашкевич


В данной статье приводится анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола ножевым способом при ударном воздействии на волокнистые материалы.

Ключевые слова: размол, ударное воздействие, волокнистая суспензия, режущая кромка.

Введение

При современном уровне развития ножевых размалывающих машин, тем не менее при всех прочих равных условиях наивысшего качества обработки волокна можно достичь при его обработке в ступе (первое оборудование, после ролла в XVII в.). И сейчас если основным критерием обработки волокон считать качественные показатели размола, то оборудование можно будет расположить следующим образом: ступа, ролл, конические и дисковые мельницы.

Объяснить это можно тем, что как в роллах, так и в дисковых мельницах при любом режиме размола, наряду с разбиванием волокон, находящихся внутри пучка волокон, накапливаемых на кромках ножей [1], наблюдается рубка волокон, непосредственно контактирующих с кромками ножей.


Волокно при ударном воздействии как в ступе, так и в ножевых размалывающих машинах в первую очередь разрушается по более слабым связям, иначе говоря, в продольном направлении – по фибриллам, и при отливе полотна на сетке бумагоделательной машины из таких волокон будут наблюдаться более прочные водородные связи в бумажном листе [2].

Утверждения о том, что при обработке волокнистой суспензии в ступе можно получить наиболее качественные характеристики размола [4], можно подтвердить тем, что при таком способе отсутствует рубка и преобладает его фибриллирование.

В ножевых размалывающих машинах доля рубленого волокна и волокна, подверженного ударным нагрузкам, может регулироваться рядом технологических факторов процесса размола, в числе которых общепризнанные факторы: время обработки, вид обрабатываемого материала, концентрация суспензии, удельное давление в зазоре между ножами или величина зазора и др.

Но основным фактором, влияющим на качество помола в ножевых размалывающих машинах, кроме перечисленных выше, является характер распределения усилия как на кромках ножевой гарнитуры, так и на поверхностях сопряжения при скрещивании ножей ротора с ножами статора.

Характер распределения этих усилий зависит в первую очередь от расположения ножей ротора и статора относительно друг друга. Для обеспечения основных ударных воздействий при контакте ножей необходимо создать условия, при которых угол скрещивания пересекающимися ножами при набегании рабочих поверхностей ротора на рабочие поверхности статора приближается к нулю.

Для целенаправленного решения поставленной задачи необходимо:


ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОЖЕВОЙ ГАРНИТУРЫ …

1. Строго математически подойти к построению рисунка гарнитуры дисковой мельницы.2. Выяснить или статистически определить возможное количество волокон, контактирующих в каждый

момент времени с кромками ножей, полагая, что основное ударное воздействие на волокна наблюдается на кромках ножей [1, 3]. При решении первой задачи воспользуемся результатами исследований, проведенных в работах для гарнитуры с прямолинейной формой ножей [4, 5]. Но в указанных работах при построении гарнитуры не учитывался частный случай, когда углы скрещивания ножей, при набегании их друг на друга, равнялись нулю градусов.

Спроектированная и изготовленная ножевая гарнитура с оригинальным рисунком [6] позволяет свести к минимуму рубящий эффект, это достигается при одновременном контакте всех кромок ножей ротора с кромками ножей статора при отсутствии углов скрещивания (рис. 1).

Для оценки полученных данных результаты приведены в сравнении с данными, полученными при размоле на традиционной восьмисекторной ножевой гарнитуре с углом скрещивания ножей 45° [4].


Большой интерес вызывает исследование влияния прироста градуса помола по ШР от времени для различных значений частоты вращения ротора.

Из рисунка 2 видно, что характер зависимостей одинаков, но количественные значения с увеличением частоты вращения растут, что объясняется большим ударным воздействием на волокно. При сравнении гарнитуры с ударным эффектом и традиционной гарнитуры, имеет место более высокая производительность у традиционной гарнитуры, это объясняется наличием у нее рубящего эффекта при скрещивании ножей.

Вместе с тем при использовании гарнитуры с ударным эффектом наблюдается повышение большинства физико-механических показателей.

На рисунке 3 представлена зависимость сопротивления продавливания от градуса помола для гарнитуры с ударным эффектом и для гарнитуры с углом скрещивания ножей 45°.

Рис. 1. Ножевая гарнитура для размола волокнистых полуфабрикатов с ударным эффектом

Рис. 2. Прирост градуса помола в зависимости от частоты вращения ротора

Рис. 3. Зависимость сопротивления продавливания от градуса помола

Как видно из рисунка 3 качественные зависимости имеют одинаковый характер, однако количественные показатели существенно отличаются. Так, например, сопротивление продавливанию у гарнитуры с ударным эффектом при 50º ШР имеет значение 355 кПа, а у рубящей – 295 кПа.

165

В.А. КОЖУХОВ, Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ

Аналогичная картина более высоких показателей наблюдается для показателей разрывной длины при размоле волокнистой массы на гарнитуре с ударным воздействием на волокно, что подтверждается рисунком 4.

Более высокие показатели физико-механических характеристик готовых отливок с помощью гарнитуры с ударным эффектом, по сравнению с использованием традиционной гарнитуры (с углом скрещивания ножей 45°), как указывалось ранее, можно объяснить эффектом размола, который обеспечивает более фибриллированную, а следовательно, более длинноволокнистую массу при использовании гарнитуры с ударным эффектом.

Рис. 4. Зависимость разрывной длины от градуса помола

Выводы

1. Эффект ударного воздействия, который был положительным при размоле волокнистой массы в «ступе», удалось перенести в конструкцию высокоскоростной дисковой мельницы, что позволит повысить качество размола волокнистой массы (ударный эффект песта в ступе) и увеличить производительность размола (использование высокоскоростной современной дисковой мельницы).

2. Исследованиями подтверждается повышение физико-механических характеристик бумажных отливок при использовании гарнитуры с ударным эффектом в сравнении с традиционной гарнитурой, используемой в дисковых мельницах.


1. Легоцкий С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М., 1990. 224 с.2. Иванов С.Н. Технология бумаги. М., 1970. 696 с.3. Машковский О.Д., Терентьев О.А., Гончаров В.Н., Лайко И.И.Соотношение нормальных и касательных сил

при размоле на дисковой мельнице // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. СПб., 1997. С. 23–27.

4. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах: Дис. … докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.

5. Набиева А.А. Оценка влияния и совершенствование основных технологических параметров ножевых размалывающих машин: Дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2004. 182 с.

6. Патент №2314379 (Россия) Размалывающая гарнитура для дисковой мельницы / Ю.Д. Алашкевич, В.И. Ковалев, В.А. Кожухов / 10.01.2008, БИ №1. 5 с.


166


УДК 621.396.96.001(07)

ПРОЦЕСС БЕЗНОЖЕВОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ В УСТАНОВКЕ «СТРУЯ–ПРЕГРАДА»

© Ю.Д. Алашкевич1,2, Р.А. Марченко1*, Н.С. Решетова1

1Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 (Россия)

В работе представлены результаты экспериментальных исследований в области процесса размола волокнистых материалов безножевым способом. Рассмотрено влияние изменения числа лопаток рабочего колеса турбины на процесс гидродинамического размола волокнистых материалов.

Ключевые слова: безножевой размол, кавитация, турбина, волокнистые материалы.

ВведениеРазмол – одна из важнейших операций бумажного производства, от которой в значительной степени

зависят многие свойства бумаги.Волокнистые полуфабрикаты, обработанные способами, исключающими ножевое воздействие на

волокно, имеют высокие прочностные показатели и поэтому наряду с усовершенствованием ножевых машин необходимо изучать и внедрять безножевые методы обработки волокон. Актуальными являются исследования в области нетрадиционных (безножевых) способов воздействия на волокно.

Безножевые аппараты «струя–преграда» занимают значительное место при исследованиях оптимальных условий процесса разработки волокнистой суспензии для получения качественных видов бумаг.

Процесс размола волокнистых материалов в безножевой установке типа «струя–преграда» (рис. 1) зависит от многих факторов, среди которых определяющими являются: характер взаимодействия, скорость истечения струи, форма и характер преграды, расстояние от насадки до преграды, форма насадки, ее диаметр и др.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – камера гидродинамического размола; 2 – трубопровод возврата; 3 – раструб; 4 – насадка; 5 – емкость; 6 – всасывающий клапан; 7 – выпускной клапан; 8 – рабочий цилиндр;


ПРОЦЕСС БЕЗНОЖЕВОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ …

9 – приводной цилиндр; 10 – рамаИзвестно, что бумага, полученная из волокнистых материалов, предварительно обработанных

безножевым способом, оказывается значительно прочнее, нежели бумага из волокон после ножевого размола [1]. При положительных особенностях такого рода аппаратов все они имеют существенный недостаток, не позволяющий им найти широкое использование в промышленности. Этим недостатком является большой расход электроэнергии, который на порядок и более превосходит традиционные ножевые способы размола. Основная причина такого положения – недостаточная изученность механизма разработки волокон в этих аппаратах и невозможность в связи с этим оптимизации процесса.

Из количественного анализа силовых воздействий на волокно при обработке волокнистой массы в безножевой установке, среди которых усилия от касательных напряжений сдвига при протекании суспензии через отверстие насадки, силы лобового удара струи о преграду и силы растекания суспензии по преграде, авторами [2–5] был сделан вывод о их недостаточности для разрушения волокна. Тем не менее разрушение волокон при обработке в такого рода установках происходит.

Этот вопрос был рассмотрен более подробно Ю.Д. Алашкевичем. По его мнению, основным разрушающим эффектом при этом является эффект кавитации, возникающий в момент контакта струи жидкости с преградой. Этот эффект зависит от скорости и характера распределения струи, а также от формы и характера преграды [6]. Скорость истечения струи оказывает существенное влияние на волновой характер движения струи, который в свою очередь определяет эффект ультразвуковой кавитации в месте контакта струи с преградой. Интенсивность размола возрастает с повышением скорости истечения струи. Как указывает автор, характер воздействия струи на вращающуюся преграду, как и на неподвижную стенку, одинаков. На эффект взаимодействия струи с преградой, движущейся перпендикулярно направлению оси струи, может оказать влияние только слой жидкости, остающийся на ее поверхности в промежутках между ударами струи.

Таким образом, для решения вопроса выбора преграды необходимо учесть скорость набегания струи суспензии, скорость вращения турбины и количество лопаток турбины. Большой опыт по подбору преграды имеется при проектировании гидротурбин.

Ковшовые турбины (турбина Пельтона, или «свободноструйные») – это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400–600 м. Основными ее элементами являются сопло, по которому вода подводится по трубопроводу, и рабочее колесо, укрепленное на валу.

Рабочее колесо состоит из диска с рабочими лопастями, похожими на ковши по форме («ковшовые»). К геометрическим параметрам рабочих колес активных ковшовых гидротурбин относятся число и размеры лопастей, их толщина, форма и размеры корпуса или верхнего и нижнего ободов, форма камеры рабочего колеса, обтекателей и т.п. В совокупности все эти геометрические параметры определяют тип колеса, его быстроходность, энергетические и кавитационные характеристики.

Профилирование рабочего колеса любой гидравлической машины является наиболее сложной и ответственной задачей. В реактивных турбинах, осевых и центробежных насосах для решения этой задачи используют методы исследования сплошного установившегося течения. В ковшовых турбинах этими методами воспользоваться нельзя.

Рядом авторов установлено, что при сокращении числа лопастей у гидротурбин возрастает удельная нагрузка на лопасть, вследствие чего кавитационные качества колеса оказываются недостаточно высокими. С другой стороны, уменьшение суммарной поверхности омываемых водой лопастей позволяет повысить значение к. п. д. и обеспечить относительно высокую быстроходность колеса. Увеличение числа лопастей снижает удельную нагрузку и тем самым улучшает кавитационные качества, т.е. уменьшается кавитационный эффект гидротурбин [7].

Так как размол волокнистой массы в безножевой установке, типа струя-преграда, происходит за счет эффекта кавитации, нам, наоборот, необходимо увеличить этот эффект. Для этого нужно подобрать минимально возможное количество лопастей и оптимальные размеры лопаток.

Таким образом, меняя число лопастей, как и в гидротурбинах, можно в известных пределах изменять кавитационный эффект рабочего колеса.

Как указывалось ранее, на качественные показатели размалываемой массы оказывают существенное влияние следующие основные конструктивные и технологические параметры работы экспериментальной установки: скорость истечения струи, диаметр насадки и угол конусности внутреннего сечения насадки, расстояние от насадки до преграды.

169

Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ, Р.А. МАРЧЕНКО, Н.С. РЕШЕТОВА

По аналогии с процессами, имеющими место в гидротурбинах, можно рассматривать механизм процесса обработки волокнистых суспензий на установке «струя–преграда».

Ряд авторов указывают, что при взаимодействии струи с подвижной и неподвижной преградами на поверхности раздела двух сред возникают волны сжатия и образуются местные чередующиеся высокие ударные давления, воздействующие в очень короткий период, которые обуславливают возникновение ультразвуковой кавитации. Последняя в свою очередь является определяющим фактором в обработке волокна [8–10].

На интенсивность ультразвуковой кавитации оказывает существенное влияние характер движения струи и процесс контакта этой струи с преградой. Механизм воздействия на волокно при контакте струи с преградой зависит от многих факторов, в числе которых немаловажную роль играет количество лопастей на подвижной преграде.

Таким образом, при безножевом размоле на установке типа «струя–преграда» с использованием подвижной преграды, как и при получении электроэнергии с использованием гидротурбин в обязательном порядке присутствует эффект кавитации. Если для гидротурбин этот эффект является отрицательным, так как он разрушает рабочее колесо и специалисты стараются от него избавиться, то для размола волокнистой массы этот эффект является позитивным, от которого зависит степень обработки волокна. Для увеличения воздействия этого эффекта необходимо регулировать скорость истечения струи суспензии из сопла на лопатку и количество лопаток на подвижной преграде.


Одной из задач исследования нами ставилось выяснение влияния количества лопаток подвижной преграды на процесс размола. В виде рабочей жидкости использовалась небеленая целлюлозная масса концентрацией 2%. В качестве подвижной преграды использовалась турбина с различным количеством лопаток (рис. 2), работа проводилась при скорости истечения струи суспензии 115,4 м/с, диаметре насадки 0,002 м и расстоянии от насадки до преграды 0,1 м.

Рис. 2. Рабочее колесо турбины с различным количеством лопаток: а – 8 лопаток; б – 12 лопаток; в – 16 лопаток; г – 24 лопатки; д – 48 лопаток


На основании экспериментальных данных был построен график зависимости времени обработки волокнистой суспензии от числа лопаток турбины (рис. 3). Размол волокна осуществлялся до степени помола 50° ШР.

Как видно из графика, с увеличением числа лопаток преграды наблюдается снижение времени обработки волокнистой суспензии до определенного момента, а затем оно увеличивается. На наш взгляд, это объясняется тем, что с увеличением числа лопаток преграды увеличивается число оборотов турбины, и как следствие, возрастает число контактов струи суспензии с лопатками, что в свою очередь повышает кавитационный эффект и уменьшает время размола. Однако при установке числа лопасток свыше 24-х происходит перекрывание лопаток друг другом, что приводит к затоплению струи, и как вследствие величина силы удара струи о преграду сводится к минимуму, что резко снижает прирост градуса помола.

170


Расчет показал, что при увеличении числа лопаток количество контактов струи суспензии с лопатками растет до 62, а затем наблюдается снижение вследствие перекрывания лопастей друг другом и затопления струи (рис. 4).

Таким образом, в результате проведенного расчета и экспериментальных исследований мы выяснили, что наибольший прирост градуса помола за более короткий промежуток времени и меньший расход электроэнергии наблюдается при 24-х лопатках.

О качестве разработанной бумажной массы в основном судят по степени ее помола и средней длине волокна. Именно эти показатели являются определяющими в контроле процесса размола. На рисунке 5 представлен график зависимости изменения длины волокна от количества лопаток турбины.

Из полученных данных видно, что значения средней длины волокна при размоле с меньшим числом лопаток турбины ниже, чем при размоле с 24-мя лопатками. Например, при градусе помола 50о ШР средняя длина волокна целлюлозы при наличии на рабочем колесе 8-ми лопаток составляет 1,26 мм, при 12-ти лопатках – 1,3 мм, при 16-ти лопатках – 1,39 мм, при 24-х лопатках – 1,53 мм, а при 48-ми лопатках – 1,21.

Немаловажным качественным показателем разработанной волокнистой массы является фракционный состав. Сейчас все чаще обращаются к фракционированию, как методу контроля качества массы. Многие исследователи считают, что, изменяя фракционный состав полуфабрикатов, можно влиять на прочностные свойства готовой бумаги. Они считают фракционирование методом, который может характеризовать свойства массы значительно полнее, чем методы, применяемые на производственном контроле, объясняя это влиянием мелочи на свойства бумаги. В соответствии с ГОСТом основное содержание размолотой волокнистой суспензии должна составлять крупная фракция (72–83%), но должно содержаться и определенное количество средней и мелкой фракции (средней 9–12%, мелкой 3–8%), которые служат для заполнения пространства между крупной фракцией при формовании бумажного листа на сетке бумагоделательной машины. Если содержание средней и мелкой фракции меньше, то бумажный лист по своей структуре получается неоднородным, облачным.

По экспериментальным данным были построены графики зависимостей содержания различных фракций при различном числе лопаток турбины (рис. 6).

900

1100

1300

1500

- 20 40 60Число лопаток, шт.

Вре

мя

разм

ола,

с.

Рис. 3. Зависимость продолжительности обработки волокнистой суспензии от числа лопаток турбины

Рис. 4. Зависимость количества контактов струи с подвижной преградой от числа лопаток турбины

171


1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

0 20 40 60

Число лопаток, шт.

Дли

на в

олок

на, м

м.

Рис. 5. Зависимость длины волокна от числа лопаток турбины

а)

74

76

78

80

82

0 20 40 60


Сод

ерж

ание

, %.

б)

7

8

9

10

11

0 20 40 60


Сод

ерж

ание

, %.

Рис. 6. Зависимость фракционного состава волокнистой суспензии от числа лопаток турбины: а – содержание крупной фракции; б – содержание средней фракции; в – содержание мелкой фракции

в)

2

2,5

3

3,5

4

0 20 40 60


Сод

ерж

ание

, %.

Сравнивая показатели процентного содержания фракции при размоле целлюлозной массы с различным количеством лопастей турбины, видно, что при наличии 24-х лопаток содержание каждой фракции соответствует гостовским требованиям. Так, при 24-х лопатках волокнистая масса с градусом помола 50° ШР содержит крупной фракции – 75%, средней – 10,6% и мелкой – 3,4%. Масса, разработанная при 8 и 48-ми лопатках, имеет очень низкое содержание мелкой и средней фракции. Недостаток в массе волокон мелкой и средней фракций крайне отрицательно повлияет на физико-механические свойства готовых отливок. Бумажный лист будет иметь облачную, неоднородную структуру. Следовательно, для получения более качественной бумажной продукции целесообразнее применение подвижной преграды с установкой на ней 24-х лопастей.

Еще одним показательным параметром качества разработанной волокнистой массы является водоудерживающая способность. Этот показатель характеризует степень набухания и гидратации волокон при размоле. То есть характеризует способность волокон к образованию межволоконных связей и получения более прочной бумаги.

172


Из графика (рис. 7) видно, что при увеличении числа лопаток водоудерживающая способность растет, достигая самого высокого результата при 24-х лопатках. Однако при 48-ми лопатках она значительно хуже. Это объясняется тем, что при размоле на 48-ми лопатках волокно менее фибриллировано и содержит недостаточное количество мелкой и средней фракций, а значит, присутствуют слабые межволоконные силы связи.

Кроме выявления бумагообразующих показателей разработанной волокнистой массы, в задачу экспериментальных исследований входило определение физико-механических характеристик бумажных отливок. Это позволило более обширно рассмотреть вопрос о воздействии различного количества лопастей турбины на гидродинамической размол волокнистых материалов.

Перед испытанием механических свойств бумаг и картонов испытываемые образцы кондиционируют в стандартных атмосферных условиях. В таких же условиях проводят испытания.

Показатель сопротивления бумаги или картона разрыву является одним из важнейших показателей качества бумаги.

На основании экспериментальных данных построен график зависимости разрывной длины от числа лопаток (рис. 8).

360

380

400

420

0 20 40 60


Вод

оуде

ржив

ающ

ая с

посо

бнос

ть, %

8000,0

8500,0

9000,0

9500,0

10000,0

0 20 40 60


Разр

ывн

ая д

лина

, м.

Рис. 7. Зависимость водоудерживающей способности волокнистой суспензии от числа лопаток турбины

Рис. 8. Зависимость разрывной длины бумажных отливок от числа лопаток турбины

Из графика видно, что при размоле целлюлозной массы до степени помола 50 °ШР наилучшие показатели наблюдаются при наличии турбины с 24-мя лопатками.

Величина сопротивления продавливанию зависит от длины волокон, из которых изготовлена отливка, а также от силы межволоконных связей. Отливка, изготовленная из длинных волокон, отличается большей величиной сопротивления продавливанию. С увеличением степени помола бумажной массы в отливке растут силы связи между волокнами, одновременно увеличивается и сопротивление продавливанию, что подтверждается нашими опытными данными (рис. 9).

Из графика видно, что при размоле целлюлозной массы до градуса помола 50 °ШР наилучшие показатели наблюдаются при числе лопаток турбины – 24.

Высокие физико-механические показатели отливок при использовании турбины с 24-мя лопатками подтверждаются резко возросшими межволоконными силами связи, что показывает график на рисунке 10. Это хорошо согласуется с данными по фракционному составу волокнистой массы и остальными бумагообразующими показателями.

173


350

370

390

410

430

450

470

0 20 40 60


Сопр

отив

лени

е пр

одав

лива

нию

, кПа

0,09

0,1

0,11

0,12

0,13

0 20 40 60


Меж

воло

конн

ые

силы

свя

зи,

Рис. 9. Зависимость сопротивления продавливанию бумажных отливок от числа лопаток турбины

Рис. 10. Зависимость межволоконных сил связи бумажных отливок от числа лопаток турбины

Выводы

1. Из рассмотренных конструкций турбин с изменяемым числом лопаток от 8 до 48 наиболее интенсивный прирост градуса помола, лучшие бумагообразующие свойства разработанной массы (фракционный состав, длина волокна и водоудерживающая способность) и физико-механические характеристики бумажных отливок (разрывная длина, сопротивление продавливанию) наблюдаются при использовании турбины с числом лопаток 24.

2. Регулируя число лопаток турбины гидродинамической установки, наряду с улучшением вышеуказанных параметров работы установки, можно снизить затраты электроэнергии. Наиболее низкие затраты электроэнергии наблюдаются при использовании турбины с числом лопаток, равным 24.


1. Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П., Мицкевич Ф.И. и др. Машины для получения и размола волокнистой массы. Красноярск, 1980. 131 с.

2. Асатур К.Г. Гидравлический расчет гидроотбойки горных пород // Известия вузов. Горный журнал. 1963. №7. С. 23–28.

3. Тавырин Н.П. Исследование гидромониторных струй // Известия АН СССР. ОТН. 1939. №7. С. 25–44.4. Куклин И.С., Куликов Г.С., Падучева А.В. О давлении гидромониторной струи на плоскую преграду // Тр.

ИГД. АН. СССР. Уральский филиал. 1962. Вып. 3. С. 87–90.5. Канавеллис Р. Струйный удар и кавитационное разрушение. Теоретические основы инженерных расчетов. М.,

1968. Т. 90. №3. С. 39–48.6. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных

машинах: Дис. … докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.7. Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. Л., 1980. 285 с.8. Шемякин Э.В. Исследование механизмов размола целлюлозных волокон в безножевых машинах: Дис. ... канд.

техн. наук. М., 1974. 156 с.9. Васютин В.Г. Интенсификация процесса комбинированного размола: Дис. ... канд. техн. наук. Красноярск,

1988. 165 с. 10. Кутовая Л.В., Алашкевич Ю.Д. Обобщающий параметр безножевого способа обработки волокнистых

полуфабрикатов: Монография. Красноярск, 2001. 130 с.


174


УДК 676.024.67

РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ НЕТРАДИЦИОННЫМ СПОСОБОМ

© Ю.Д. Алашкевич1,2, И.А. Воронин1*, В.И. Ковалев1, Н.С. Решетова1

1Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок, Красноярск, 660036 (Россия)

В данной статье представлена методика расчета силового воздействия на волокнистую суспензию рабочих органов в размольной установке с инерционным движением тел. Цель исследований – расчет усилия, приходящегося на площадь одного зуба инерционного тела при различных скоростях вращения ротора, определение влияния окружной скорости движения инерционных тел на процесс размола волокнистых полуфабрикатов.

Ключевые слова: размол, инерционные тела, волокнистая суспензия, сила инерции.

Введение

Размол бумажной массы является исключительно важным этапом технологии производства бумаги, в процессе которого стремятся придать волокнистому материалу необходимый фракционный состав с тем, чтобы обеспечить при отливе на бумагоделательной машине требуемую структуру и плотность бумажного листа. Придание волокнистому материалу физико-химических свойств обеспечивается путем изменения степени дисперсности волокнистой суспензии, расщепления волокон и обработки их поверхности, от которых будет зависеть образование межволоконных сил связей и, следовательно, механическая прочность и многие другие свойства бумажного полотна [1].

Повсеместное использование ножевого размалывающего оборудования не привело к существенному снижению энергоемкости процесса размола. Кроме того, при использовании ножевой металлической гарнитуры целлюлозные волокна подвергаются сильным рубящим воздействиям, что приводит к их повреждению или разрушению [1, 2].

Поэтому вполне естественен поиск новых принципов и устройств для уменьшения энергопотребления при размоле волокнистых материалов.

К числу специальных размалывающих аппаратов относятся различные машины, у которых рабочие органы отличаются от ножевых машин. Размалывающие воздействия на массу в них осуществляются иначе, чем у ножевых машин. Все специальные аппараты такого рода можно подразделить по способу их воздействия на волокно: аппараты, снабженные особыми устройствами для механической обработки волокон; аппараты, использующие для завершения роспуска и рафинирования взаимное трение волокон, создающееся при турбулентном течении массы; аппараты с гидродинамической пульсацией давления, и пр. [3].

К таким машинам также относится аппарат с инерционным движением рабочих тел.


Размол волокнистого материала в таком аппарате производится путем перекатывания инерционного тела по внутренней стенке размольного стакана под действием центробежной силы, возникающей при его вращении вокруг центрального вала и собственной оси.


РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ …

Волокна обрабатываются между двумя рабочими поверхностями: инерционными телами, имеющими на боковой поверхности соответствующий зубчатый профиль, и внутренней поверхностью стаканов, имеющей наклонную накатку – насечку.

На рисунке 1 представлена расчетная схема силового воздействия на волокнистую суспензию рабочих органов в размольной установке.

Рис. 1. Схема воздействия инерционного тела на волокно: 1 – стакан; 2 – инерционное тело; T – сила трения, Н; J – сила инерции, Н

Из рисунка видно, что основной силой обеспечивающей разрушение волокна, является сила инерции J и препятствующая ей сила трения Т.

Условие разрушения волокна может быть записано в следующем виде:

J > T. (1)

Сила инерции J, Н определяется по формуле:

, (2)

где m – масса инерционного тела, кг; ω – угловая скорость, с-1; R – радиус стакана, м.Угловая скорость ω, с-1 вычисляется по формуле:

, (3)

где – скорость стакана, м/с;

, (4)

где n – частота вращения стакана вокруг собственной оси, об/мин.Сила трения Т, Н находится по формуле:

, (5)

где f – коэффициент трения металла по металлу; P – сила, с которой инерционное тело давит на поверхность движения, Н; m – масса инерционного тела, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Усилие, приходящееся в месте контакта тела с внутренней поверхностью стакана P1, Н, рассчитывается по формуле:

. (6)

Давление, приходящееся на всю площадь контакта Р, Па, можно выразить:

,(7)

177

Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ, И.А. ВОРОНИН, В.И. КОВАЛЕВ, Н.С. РЕШЕТОВА

где F – площадь контакта инерционного тела со стенкой стакана, м2.Усилие, приходящееся на площадь одного зуба инерционного тела P2, Н, определяется по формуле:

, (8)

где Fз – площадь одно зуба инерционного тела, м2.По представленной методике был произведен расчет силового воздействия на волокнистую суспензию со

стороны рабочих органов в зависимости от частоты вращения ротора, результаты расчета представлены в таблице.В лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» Сибирского

технологического университета была проведена серия опытов для определения влияния окружной скорости движения инерционных тел на процесс размола волокнистых полуфабрикатов. Для этого использовалась установка с шестью инерционными телами. Установка позволяет регулировать частоту вращения ротора (инерционные тела) (с–1) в пределах 1,66; 2,075; 2,49; 2,91. В качестве исследуемой массы использовалась сульфитная небеленая целлюлоза концентрацией 3% – полуфабрикат ООО «Енисейский ЦБК».

Усилие, приходящееся на площадь одного зуба инерционного тела при различной частоте вращения ротора

n, с-1 1,66 2,075 2,49 2,91P2, Н 8,49 14,15 21,28 29,42


На основании экспериментальных данных были построены зависимости, отражающие характер разработки волокнистой массы в зависимости от частоты вращения рабочих органов и как следствие усилий, приходящихся на площадь одного зуба инерционного тела.

Результаты экспериментальных исследований показали, что размол массы осуществляется при частоте вращения ротора 1,66 с–1, что соответствует величине усилий со стороны рабочих органов Р2 = 8,49 Н.

От величины усилий зависит прирост градуса помола по °ШР или производительность установки и качество размалываемой массы.

Как видно из рисунка 2, при всех прочих равных условиях время, затрачиваемое на размол при частоте вращения инерционных тел 1,66 с–1, значительно выше, чем при 2,91 с–1. Это можно объяснить тем, что величина центробежной силы, действующей на инерционные тела, меняется в квадратичной зависимости от изменяющейся окружной скорости вращения тел.

На основании экспериментальных данных построен график зависимости длины волокна от градуса помола (рис. 3).

Анализ графической зависимости изменения средней длины волокна от градуса помола показал, что с увеличением градуса помола длина волокна уменьшается, что не противоречит классическим зависимостям свойств бумаги от ножевого размола волокнистой массы [4]. Из рисунка 3 видно, что средняя длина волокна незначительно снижается при увеличении скорости вращения инерционных тел.

Одним из основных показателей прочностных свойств готовых отливок является разрывная длина.По результатам исследований нами были получены графические зависимости разрывной длины от

степени помола по °ШР (рис. 4)Из рисунка 4 следует, что величина разрывной длины отливки быстро растет в первой стадии размола,

достигая максимума при степени помола около 50–55 ºШР, а затем начинает снижаться. Данный характер изменения прочности отливок можно объяснить качественными изменениями волокнистой массы при размоле. Согласно утверждению С.Н. Иванова, такое развитие кривых механической прочности отливок объясняется развитием сил связи между волокнами и изменением средней длины волокна при размоле.

В нашем случае на первой стадии размола (до 50–55 °ШР) наблюдается интенсивный прирост градуса помола по °ШР при сравнительно незначительном укорочении волокон. На второй стадии размола после 55 °ШР наблюдается менее интенсивный прирост градуса помола по ШР° со значительным увеличением количества мелких волокон.

178

РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ …

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Время размола, мин

Град

ус п

омол

а, °Ш

Р

- 1

- 2

- 3

- 40,6

1,2

1,8

2,4

3

10 20 30 40 50 60 70 80

Градус помола, °ШР

Сре

дняя

дли

на в

олок

на, м

м

- 1

- 2

- 3

- 4

Рис. 2. Зависимость прироста градуса помола от времени размола. Частота вращения инерционного тела:

1 – 100 об/мин = 1,66 с–1; 2 – 125 об/мин = 2,075 с–1; 3 – 150 об/мин = 2,49 с–1; 4 – 175 об/мин = 2,91 с–1

Рис. 3. Зависимость средней длины волокна от градуса помола. Частота вращения инерционного тела: 1 – 100 об/мин = 1,66 с–1; 2 – 125 об/мин = 2,075 с–1; 3 – 150 об/мин = 2,49 с–1; 4 – 175 об/мин = 2,91 с–1

2000

4000

6000

8000

10000

10 20 30 40 50 60 70 80

Градус помола, °ШР

Разр

ывн

ая д

лина

, м

- 1

- 2

- 3

- 4Рис. 4. Зависимость разрывной длины от градуса помола. Частота вращения инерционного тела: 1 – 100 об/мин = 1,66 с–1; 2 – 125 об/мин = 2,075 с–1; 3 – 150 об/мин = 2,49 с–1; 4 – 175 об/мин = 2,91 с–1

Установлено, что мелочь является естественным связующим в бумажной массе и существенно влияет на бумагообразующие и физико-механические свойства. Повышение в определенных пределах содержания мелочи способствует увеличению разрывной длины [5]. Из рисунка 4 видно, что наилучшие показатели разрывной длины наблюдаются при частоте вращения инерционных тел 2,91 с–1, где преобладает наибольшее количество мелких волокон, при малых же скоростях вращения инерционных тел (1,66 с –1) показатель разрывной длины имеет более низкое значение.

Выводы1. Производительность установки и качество помола волокнистой массы зависят от скорости вращения

инерционных тел, с увеличением которой наблюдается рост производительности, но вместе с тем снижается показатель средней длины волокна; усилий, возникающих при минимальной из рассмотренных нами значений скорости вращения инерционных тел, достаточно для разрушения волокна при использовании этой установки для размола волокнистых полуфабрикатов.

2. Увеличение скорости вращения инерционных тел вызывает положительное изменение физико-механических характеристик готовых отливок.

Список литературы1. Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П., Мицкевич Ф.И. и др. Машины для получения и размола волокнистой

массы. Красноярск, 1980. 131 с.2. Легоцкицй С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М., 1990. 24 с.3. Корда И, Либнар З., Прокоп И. Размол бумажной массы: Учебник для вузов. М., 1967. 421 с.4. Иванов С.Н. Технология бумаги. М., 1970. 96 с.5. Фляте Д.М. Свойство бумаги. М., 1976. 648 с.

179

Ю.Д. АЛАШКЕВИЧ, И.А. ВОРОНИН, В.И. КОВАЛЕВ, Н.С. РЕШЕТОВА


180


Краткие сообщения

УДК 557.13 : 581.19

СОДЕРЖАНИЕ ФЛАВОНОИДОВ В ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ARTEMISIA ABSINTHIUM L., ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

© Т.М. Шалдаева

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН, ул. Золотодолинская, 101, Новосибирск 630090 (Россия) E-mail: [email protected]

Приводятся экспериментальные данные по содержанию флавоноидов в полыни горькой Artemisia absinthium L. из природных местообитаний юга Западной Сибири. Выделены популяции с наибольшим количеством флавоноидов с целью их возможного использования.

Ключевые слова: Artemisia absinthium L., флавоноиды.

Введение

Диапазон терапевтического использования растительного сырья, богатого флавоноидами, очень широк. Флавоноиды не токсичны для человека при любом способе введения. Многие флавоноиды обладают Р-витаминной активностью, уменьшают хрупкость кровеносных капилляров, усиливают действие аскорбиновой кислоты, оказывают седативное и антиоксидантное действие, используются как противовоспалительные, противоязвенные, противолучевые и другие средства [1]. К растениям, которые содержат значительное количество флавоноидов, относятся многие виды полыни, в том числе и фармакопейное растение Artemisia absinthium L. (Asteraceae). К настоящему времени опубликовано большое количество данных по ее химическому составу. Вероятно, лечебные свойства полыни горькой обусловлены не только терпеноидами, которых в полынях большое количество, но и присутствующими в надземной части растений флавоноидами, однако сведений о содержании этих веществ очень мало.

Цель настоящей работы – исследование содержания флавоноидов в надземной части растений полыни горькой из природных популяций юга Западной Сибири.


Материалом для исследования служили образцы A. absinthium из 26 природных популяций юга Западной Сибири, собранные в фазе цветения в июне–августе (табл.). Сырье в виде целых растений и отдельных органов (листья и цветки) сушили до воздушно-сухого состояния, упаковывали в бумажные мешки и хранили в прохладном месте. Количественное определение флавоноидов проводили по методике М.С. Ульяновой и М.А. Бокучава [2], модифицированной Г.И. Высочиной и др. [3].


На содержание флавоноидов проанализировано 52 образца листьев и цветков дикорастущих растений полыни горькой, представляющих популяции из южных регионов Западной Сибири: из Новосибирской области – 40 образцов, с Алтая – 6, из Красноярского края – 4, из Омской области – 2. Результаты исследования содержания флавоноидов представлены в таблице 1.

Максимальным содержанием флавоноидов в цветках и листьях характеризуются растения A. absinthium, произрастающие в Искитимском районе Новосибирской области (3,5% в цветках и 3,1% в листьях).

Больше флавоноидов в листьях растений, собранных в березовых колках (0,9–3,1%), на обочине поля и дороги (0,2–1,7%), на опушках леса (1,1%). Минимальное содержание (0,2–0,9%) отмечается в растениях из рудеральных сообществ. Можно отметить популяции с высоким содержанием флавоноидов в растениях из Республики Алтай – из окр. д. Хабаровка, в Онгудайском районе (остепненный луг – 1,8%); из окр. пос. Онгудай (обочина поля – 1,5%).

Т.М. ШАЛДАЕВА

Cодержание флавоноидов в листьях и цветках Artemisia absinthium L. из различных мест произрастания в Западной Сибири, % от массы воздушно-сухого сырья

№ п/п Место и дата сбора образцов

Содержание флавоноидов (%)листья цветки

Новосибирская область1. Новосибирск, Советский р-н, Академгородок, сорное, 15.06.1995 г. 0,7 0,82. Советский р-н, окр. ботанического сада, сорное, 25.07.1997 г. 0,8 1,03. Советский р-н, станция Береговая, сорное, 8.06.1995 г. 0,4 0,64. Советский р-н, окр. Академгородка, опушка леса, 29.07.1997 г. 1,1 1,35. Советский р-н, Академгородок, сорное, 25.07.1995 г. 0,4 0,66. Советский р-н, окр. ботанического сада, сорное, 4.08.1995 г. 0,4 0,57. Советский р-н, станция Береговая, вдоль железнодорожного полотна, 1.07.1995 г. 1,0 1,08. Советский р-н, Академгородок, сорное, 25.07.1995 г. 0,8 1,29. Бердск, пос. Новый, берег водохранилища, 13.06.1995 г. 0,5 0,710. Пос. Новый, район лагеря «Тимуровец», кромка березового леса, 16.07.1995 г. 0,4 0,711. Пос. Новый, березовый колок, 16.07.1995 г. 0,9 1,012. Искитимский р-н, село Старый Искитим, обочина поля, сорное, 15.08.1997 г. 0,2 1,013. село Тальменка, березовый колок, 31.07.1997 г. 0,9 1,214. село Калиновка, березовый колок, 18.07.1995 г. 1,7 3,115. село Морозово, березовый колок на берегу р. Шадрихи, 24.07.1995 г. 3,1 3,516. село Александровка, березовый колок, 5.08.1995 г. 1,2 1,417. село Морозово, поляна возле березового леса, 20.07.1994 г. 1,0 1,318. Здвинский р-н, село Бережки, обочина поля, 28.07.1994 г. 1,1 1,619. Усть-Тарский р-н, село Богословка, поляна, 19.07.1994 г. 1,0 2,220. Карасукский р-н, село Хорошее, обочина поля, 30.08.1994 г. 1,7 2,2

Омская область21. Оконешниковский р-н, окр. пос. Оконешниково, поляна, 15.07.1995 г. 1,5 2,3

Республика Алтай22. Онгудайский р-н, окр. села Онгудай, обочина дороги, 22.08.1985 г. 1,5 2,323. окр. д. Хабаровка, пойма реки Урсул, остепненный луг, 20.08.1987 г. 1,8 2,524. Шебалинский р-н, село Шебалино, склон горы, 23.08.1985 г. 1,0 1,4

Красноярский край25. Окр. г. Канска, луговая степь, 22.08.1987 г. 0,8 1,026. Пос. Сушиновка, Уярского района, кустарниковая заросль, 6.08.1981 г. 1,0 1,2

По содержанию флавоноидов в цветках полыни отличаются растения, собранные в березовых колках (1,0–3,5%), на обочине поля (1,0–2,2%) и полянах (1,3–2,3%). Минимальное содержание отмечено также в рудеральных сообществах (0,5–1,2%). По значительному содержанию флавоноидов в цветках можно отметить растения из популяций, собранных в Республике Алтай, – от 1,4 до 2,5%. По литературным данным известно, что цветки растений содержат больше флавоноидов, чем листья [4, 5]. Наши исследования это подтвердили.


Таким образом, популяции (Artemisia absinthium) с содержанием флавоноидов 1,5% и более могут быть использованы в качестве сырья для получения флавоноидов, а также служить исходным материалом для создания интродукционных популяций.

Список литературы1. Максютина Н.П. Растительные лекарственные средства. Киев, 1985. 210 с.2. Ульянова М.С., Бокучава М.А. Спектрофотометрическое определение флавонол–гликозидов. Методы

современной биохимии. М. 1975. С. 95–97. 3. Высочина Г.И., Березовская Т.П.. Содержание флавоноидов в некоторых видах Poligonum L. Секции Persicaria

(Mill.) флоры Сибири // Растительные ресурсы. 1987. Вып. 2. С. 229–234.4. Алюкина Л.С., Клышев Л.К., Ряховская Т.Ф. Флавоноиды полыни эстрагон // Тез. докл. 3-го Всесоюзного

симпозиума по фенольным соединениям. Тбилиси, 1976. С. 62–63.5. Храмова Е.П. Особенности накопления флавонолов у Pentaphylloides fructicosa (L.) O.Schwarz при

интродукции: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Новосибирск, 1977. 16 с.

Поступило в редакцию 21 июля 2008 г.

182


Персоналии

АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ КУЧИН

Александр Васильевич Кучин родился 31 мая 1949 в г. Баку. В 1966 г. окончил среднюю школу в г. Стерлитамаке с серебряной медалью, в 1971 г. – Уфимский нефтяной институт. По распределению с 1971 по 1990 г. работал в Институте химии Башкирского филиала АН СССР (сейчас Институт органической химии Уфимского научного центра РАН), с 1990 г. – зав. отделом химии Коми Научного центра УрО РАН, с 1995 г. – директор Института химии Коми НЦ УрО РАН.

В 1976 г. А.В. Кучин защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата химических наук, в 1989 г. ему была присуждена ученая степень доктора наук, в 1997 г. – звание профессора по специальности «органическая химия». В 2000 г. он избран членом-корреспондентом РАН.

А.В. Кучин – известный ученый-химик, автор более 300 научных работ, в том числе 80 авторских свидетельств и патентов РФ.

А.В. Кучин – ведущий специалист в области органического и металлоорганического синтеза, внесший существенный вклад в развитие химии и технологии алюминийорганических соединений. Он является одним из пионеров широкого использования алюминийорганических соединений (АОС) как реагентов в тонком органическом синтезе. Им разработаны новые методы синтеза кетонов, алленов, аминов, кислот, аллильных спиртов, эфиров, сульфидов и других соединений; открыты перегруппировки, протекающие под действием АОС, предложены реагенты гидроалюминирования с уникальной активностью и селективностью, найдены методы стереоселективного восстановления кетонов. Предложенные методы нашли широкое применение в полном синтезе феромонов, простагландинов, лейко-триенов и других низкомолекулярных биорегуляторов.

Под руководством А.В. Кучина разработаны научные основы переработки продуктов лесохимии для получения биологически активных веществ. Из древесной зелени хвойных пород выделены полипренолы, фитол, каротиноиды, полиеновые и смоляные кислоты, моно-, сесквитерпены и другие продукты. Разработаны высокоэффективные способы очистки сульфатного скипидара, выделения полипренолов из сульфатного мыла. Предложен оригинальный способ комплексной переработки древесной зелени, позволяющий повысить выход экстрактивных веществ в два-три раза по сравнению с известными методами. Для селективного окисления в органическом синтезе предложен новый реагент – диоксид хлора и разработаны методы его использования.

На основе выделенных продуктов синтезированы препараты с лекарственной и витаминной активностью, душистые вещества, репелленты и другие полезные продукты. Развивая идеи школы академика Б.А. Арбузова, А.В. Кучин показал высокую перспективность пиролитических превращений крупно-тоннажных монотерпенов. В настоящее время намечены пути к разработке промышленных методов синтеза ментола и других важных веществ. Основные научные и научно-технические достижения,

используемые в народном хозяйстве: катализаторы полимеризации оксиранов, оксетанов, 1,3 диенов и алкилирования фенолов; металлоорганические регуляторы реологических свойств проводящих, резистивных и диэлектрических паст для микроэлектронной промышленности; сесквитерпеновые репелленты для защиты крупного рогатого скота от кровососущих насекомых; органоминеральное удобрение на основе отходов производства лесопромышленного комплекса; рост-стимулирующие и защитные препараты для растениеводства, способ очистки сульфатного скипидара от сероорганических соединений с получением ценных товарных продуктов; высокоэффективный способ переработки древесной зелени хвойных пород; сорбенты для медицины и технических целей.

А.В. Кучин внес значительный вклад в создание и развитие Института химии Коми Научного центра УрО РАН.А.В. Кучин – член Научного совета по органической и элементоорганической химии ОХНМ РАН,

Объединенного совета УрО РАН по химии, ученый секретарь Научного совета «Химия и технология переработки возобновляемого растительного сырья (исключая целлюлозу)» РГНТП Министерства образования и науки РФ, член правления Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, член комиссии УрО РАН по работе с молодежью, член Президиума Коми НЦ УрО РАН.

Александр Васильевич успешно сочетает научную работу с педагогической деятельностью, возглавляет кафедру органической химии Сыктывкарского государственного университета. Среди его учеников 18 кандидатов наук.

Награжден Премией РАН им. А.Н. Несмеянова (1999 г.), орденом «За заслуги перед Отечеством» 2 ст. (1999 г.), Почетной грамотой Республики Коми (2005 г.), Премией Правительства Республики Коми им. П.А. Сорокина (2006 г.).

Коллектив Института химии Коми НЦ УрО РАН

Коллектив редакционной коллегии журнала «Химия растительного сырья»


История

ПАМЯТИ ВЛАДИМИРА НИКОЛАЕВИЧА КРЕСТИНСКОГО(08.04.1882 – 22.10.1939)

Владимир Николаевич Крестинский родился в семье учителя гимназии 8 апреля 1882 г. в г. Могилеве. Краткое представление о том, насколько высоких нравственных взглядов придерживались в семье Крестинских, дает книга его отца, посвященная творчеству Апполона Майкова [1]. В 1900 г. после окончания гимназии в г. Вильно В.Н. Крестинский поступает на естественное отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета, где специализировался по органической химии в лаборатории профессора А.Е. Фаворского.

По окончании университета в 1904 г. В.Н. Крестинский ряд лет работал химиком в лаборатории Охтинского порохового завода и одновременно начал педагогическую работу в средних учебных заведениях.

В 1909 г. Владимир Николаевич был приглашен профессором М.Г. Кучеровым руководить работой студентов по аналитической химии в Лесном институте (ныне Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия), в качестве ассистента.

В 1920 г. В.Н. Крестинский был избран профессором в Педагогическом институте им. Герцена, где на разных отделениях читал лекции по органической и неорганической химии. В 1929 г. работу в Педагогическом институте он оставил.

В 1921 г. Советом Лесного института Владимир Николаевич избран доцентом по кафедре химии с поручением читать лекции по органической химии студентам лесохозяйственной специальности, а затем и лекции по специальным курсам химии терпенов, углеводов и дубильных веществ для студентов-химиков.

С 1926 по 1928 г. В.Н. Крестинский читал специальные курсы по химии углеводов и терпенов на химическом отделении Ленинградского политехнического института. В 1929 г. в связи с преобразованием Лесного института в Лесотехническую академию и выделением органической химии в самостоятельную кафедру, Владимир Николаевич избирается профессором этой кафедры.

В 1921/1922 и 1924 гг. Владимир Николаевич был командирован за границу (Германия, Франция) с научной целью, а также для работы в комиссии Наркомпроса по снабжению вузов химическими реактивами, приборами, книгами и периодической научной и технической литературой. Эта поездка позволила ему привезти на кафедру химии Лесного института много химических реактивов, долгие годы служивших для научных исследований не одному поколению сотрудников. В.Н. Крестинский организовал подписку на журнал Chemishe Berichte,

Химическая лаборатория ЛТА (1920-е гг.)

увесистые тома которого и по сей день стоят на полках шкафов кафедральной библиотеки, также основанную В.Н. Крестинским. Следует особо отметить, что впоследствии он принимал большое участие в создании новой лаборатории кафедры, в частности проектировании лабораторной мебели, которая, несмотря на все перипетии судьбы, до сих пор хорошо сохранилась и служит учебному процессу.

С 1929 г. Владимир Николаевич состоял консультантом и членом Ученого совета Ленинградского отделения Лесохимического научно-исследовательского института, где руководил исследовательскими работами по изучению продуктов терпентинной промышленности.

В 1935 г. Владимир Николаевич получает ученую степень доктора химических наук (без защиты диссертации) за работы в области терпенов и магнийорганических соединений этиленового ряда.

Почти вся работа В.Н. Крестинского, как химика-органика, связана с Лесотехнической академией, где он начинал свою самостоятельную научную работу и где в течение тридцати лет воспитывал кадры для лесохимической промышленности Советского Союза. Научная работа В.Н. Крестинского отличалась четко сформулированным направлением и касалась, на первоначальных этапах научной деятельности, изучения непредельных соединений. Самые ранние его работы – это исследование реакций магния с полигалогенопроизводными предельного ряда и моногалогенопроизводными непредельного ряда, которые были предприняты с целью получения непредельных (этиленовых) спиртов. Следующая серия работ касается ацетиленовых соединений, в частности, ацетиленовых γ-гликолей. В результате этого цикла работ был изучен ряд своеобразных превращений и изомеризации, а также предложены пути синтеза некоторых труднодоступных веществ, например, непредельных кетонов.

Начиная с 1929 г. большая часть работ В.Н. Крестинского посвящена исследованиям в области химии терпенов. В 1932 г. им был написан учебник по химии терпенов, как руководство к читаемому специальному курсу. Научно-исследовательская работа в этом направлении посвящена изучению состава различных осмольных и живичных скипидаров. Эти работы характеризуются широким применением физико-химических методов исследования того времени (рефрактометрия, поляриметрия) и послужили образцом для их перенесения в практику специальных промышленных и исследовательских лабораторий. Наряду с этими работами было выполнено исследование строения камфоры и спиртов, образующихся при окислении камфоры. Особое внимание он уделил вопросу строения изоборнеола и камфена. Последние исследования В.Н. Крестинского заключались в изучении свойств и строении смоляных кислот Pinus silvestrus, выделенных из живицы и канифоли. Исчерпывающий список научных публикаций В.Н. Крестинского приведен в [2].

В.Н. Крестинскому удалось создать дружный и сплоченный коллектив сотрудников кафедры. Все, кто работал под его руководством, отмечали его прекрасные способности, серьезное общее образование, строгое отношение к экспериментальной работе и осторожность в выводах [3]. Все это, вместе с широким полетом мысли и любовью к исследовательской и педагогической работе, сделало из В.Н. Крестинского крупного химика-органика, который с честью возглавлял кафедру органической химии Лесотехнической академии и являлся достойным преемником известных ученых, таких как Н.Н. Соколов, А.Н. Энгельгард, П.А. Лачинов, М.Г. Кучеров, Е.В. Бирон и В.Н. Меншуткин, работавших в Лесном институте и создавших определенную славу кафедре химии названного института.

В.Н. Крестинский был исключительно доброжелательным и внимательным к окружающим человеком. Некоторые события из его личной жизни можно найти в статье [4].

Кроме педагогической и научно-исследовательской работы Владимир Николаевич вел и широкую научно-общественную работу. Много лет он был председателем научно-технического общества ЛТА, принимал участие в организации научных конференций, с 1912 г. являлся членом Русского физико-химического общества (в настоящее время – Всероссийское химическое общество им. Д.И. Менделеева). С 1930 по 1939 г. – член Совета этого общества, а с 1937 по 1939 г. – зам. председателя Секции общей химии. В.Н. Крестинский был членом редколлегии «Журнала прикладной химии» с момента его основания.

Профессор В.Н. Крестинский скончался после тяжелой болезни 22 октября 1939 г.

С.Ф. Аверьянов, Д.А. Пономарев


1. Крестинский Н.С. Апполон Николаевич Майков в своих стихотворениях, относящихся к русской истории. Вильно, 1897. 57 с.

2. Пешекерова М.С. Владимир Николаевич Крестинский // Журнал органической химии. 1940. Т. 10. №3. С. 281–288.3. Пешекерова М. Владимир Николаевич Крестинский // Журнал прикладной химии. 1940. Т. 13. №5. С. 723–725.4. Крестинский А. Братья // Нева. 2006. №5. С. 137–149.


Хроника

РЕШЕНИЕ IV ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ»

IV Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» состоялась 20–24 апреля 2009 г. в Барнауле в Алтайском государственном университете.

В работе конференции прияли участие более 100 ученых из 24 городов России и ближнего зарубежья, из 36 научных организаций. По результатам работы опубликованы в 2-х книгах материалы 820 авторов, работающих в 174 организациях из 17 стран. В первой книге 162 статьи: 86 из них посвящены строению и свойствам основных компонентов и тканей в процессах химической переработки растительного сырья; 45 – усовершенствованию действующих и созданию новых технологий химической переработки растительных материалов; химия и технология целлюлозы и бумаги; 32 – экологии и химической переработке расти-тельного сырья; во второй книге – 174 статьи, посвященные составу, строению и свойствам низкомоле-кулярных веществ, в том числе физиологически активных, выделенных из растительного сырья.

Во время работы конференции прочитан и обсужден 21 пленарный доклад. На секции «Высокомолекулярные компоненты растительного сырья. Строение. Свойства. Технология получения. Применение» заслушан 21 доклад, на секции «Низкомолекулярные компоненты растительного сырья. Строение. Свойства. Химическая модификация. Технологии получения. БАВ» – 25 докладов. Ряд исследований выполнен при поддержке различных фондов.

На основании обсуждения очных и заочных материалов конференция констатирует следующее:1. За прошедшие два года со времени проведения последней конференции исследования в области как

низко-, так и высокомолекулярных соединений растительного происхождения стали более фундаментальными.

2. Объем исследований в области растительных биополимеров увеличился. Появились новые направления в исследованиях, связанных с использованием нанотехнологий, темплатного синтеза и механохимической обработки.

3. Исследования в области низкомолекулярных соединений растительного происхождения направлены в основном на получение (выделение) соединений, обладающих комплексом физиологически-активных свойств, позволяющих их применять в качестве БАД и лекарственных средств.

Большое внимание уделено химической модификации растительных метаболитов с целью получения новых лекарственных агентов – одному из перспективных мировых направлений создания лекарственных средств.

4. Качество исследований в ряде научных и образовательных учреждений значительно повысилось в связи с появлением нового современного оборудования, поставляемого в соответствии с рядом федеральных программ и грантов.

5. В рамках конференции принимало участие большое количество молодых ученых, в том числе студенты, магистранты, аспиранты ряда вузов и НИИ.

6. По мнению участников конференции, она оказалась очень полезной для обмена новой информацией, генерации новых идей, консолидации усилий разных научных коллективов для решения актуальных задач в области теории, технологий и техники использования растительного сырья.

С учетом вышеизложенного конференция принимает следующее решение:

1. Провести V Всероссийскую конференцию «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» с международным участием в 2012 г., посвященную 15-летию журнала «Химия растительного сырья».

2. В рамках конференции организовать школу молодых ученых «Современные направления исследований в области химической переработки растительного сырья».

3. Наряду с необходимостью продолжения формирования базы данных о природных соединених, содержащихся в растительном сырье, обратить внимание на исследования, связанные с созданием на их основе физиологически активных и других продуктов.

4. Ввести в программу будущих конференций практику проведения круглых столов.5. Провести конкурс докладов молодых ученых.6. Разместить информацию об итогах конференции в журнале «Химия растительного сырья».

Оргкомитет конференции

188

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2009. №2. С. 177.

АВТОРСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ №2 (2009)

Atik C. 43Bermek H. 43Cil I. 43Аверьянов С.Ф. 173Айзенштадт М.А. 5Алаудинова Е.В. 65, 71Алашкевич Ю.Д. 145, 149, 153, 157, 165Артемкина Н.А. 111Асилбекова Д.Т. 97Бежуашвили М.Г. 117Беседина И.Н. 131Боголицын К.Г. 5, 47Боймирзаев А.С. 19Будников Г.К. 121Воронин И.А. 165Гамаюрова В.С. 121Голязимова О.В. 53, 59Горбачева Т.Т. 111Горбова Н.С. 47Губин К.В. 89Драчев А.А. 29, 37Епифанцева Н.С. 135Жеребцов С.И. 125Зарипов З.З. 145Зиятдинова Г.К. 121Зубов А.В. 77Зубов В.А. 77Зубова К.В. 77Карпова Е.А. 105Ковалев В.И. 165Кожухов В.А. 153Комаров В.И. 29, 37

Косяков Д.С. 47Ломовский О.И. 53, 59Маматханов А.У. 93Маматханова М.А. 93Марченко Р.А. 157Миловидова Л.А. 29, 37Миронов П.В. 65, 71Моисеев А.И. 125Мусашвили Н.Д. 117Мусин Ю.В. 125Мустафаева С.Дж. 101Петрушева Н.А. 145, 149Политов А.А. 53, 59Пономарев Д.А. 173Решетова Н.С. 157, 165Севастьянова Ю.В. 29, 37Серкеров С.В. 101Симкин Ю.Я. 131, 135Сотимов Г.Б. 93Сысоева М.А. 121Турсунходжаева Ф.М. 97Фершалова Т.Д. 105Халилов Р.М. 93Халитов Ф.Г. 121Ханина М.А. 89Хвиюзов С.С. 47Храмова Е.П. 105Чижов А.П. 145Чистова Н.Г. 141, 145, 149Шалдаева Т.М. 169Юмаева Л.Р. 121


СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

АВЕРЬЯНОВ Сергей Федорович

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академияДоцент кафедры органической химии, кандидат химических наук194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5 (Россия)Факс (812) 550-08-15

АЙЗЕНШТАДТ Мария Аркадьевна

Архангельский государственный технический университет Аспирант кафедры теоретической и прикладной химии163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17 (Россия)Тел.: (8182) 21-89-48, факс (8182) 65-38-49, E-mail: [email protected]

АЛАУДИНОВА Елена Владимировна

Сибирский государственный технологический университетДоцент, кандидат химических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (391-2) 27-36-54, факс (391-2) 66-03-90E-mail: [email protected]

АЛАШКЕВИЧ Юрий Давыдович

Сибирский государственный технологический университетЗаведующий кафедрой МАПТ, профессор, доктор технических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53, E-mail: [email protected]

АРТЕМКИНА Наталья Александровна

Институт проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС) КНЦ УрО РАНСтарший научный сотрудник, кандидат химических наук184209 Мурманская обл., Апатиты, ул. Ферсмана, 14Тел. (815-55) 79-252, тел./факс (81555) 79778/74964, E-mail: [email protected]

АСИЛБЕКОВА Дания Толимбековна

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваСтарший научный сотрудник, кандидат химических наук100170, Ташкент, ул. Мирзо Улугбека, 77 (Узбекистан)E-mail: [email protected]

БЕЖУАШВИЛИ Марина Георгиевна

Институт садоводства, виноградорства и виноделияДоктор технических наук, главний научный сотрудник отдела виноделияи биохимии0101, Тбилиси, пр. Геловани, 6 (Грузия)E-mail: [email protected]

БЕСЕДИНА Ирина Никитична

Сибирский государственный технологический университетСтарший преподаватель660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 43-65-18, факс (3912) 66-03-90, Е-mail: [email protected]

БОГОЛИЦЫН Константин Григорьевич

Архангельский государственный технический университет Заведующий кафедрой теоретической и прикладной химии, профессор, доктор химических наук163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17 (Россия)Тел./факс: (8182) 65-38-49, E-mail: [email protected]

БОЙМИРЗАЕВ Азамат Солиевич

Научно-технологический комплекс «Фан ва тараккиёт», Ташкентский государственный технический университетДоцент, кандидат физико-математических наук100174, Ташкент, ул. М. Голиб, 7а (Узбекистан)Тел. (+998) 71-267-01-29, E-mail: [email protected]

БУДНИКОВ Герман Константинович

Казанский государственный университетЗаведующий кафедрой аналитической химии, профессор, доктор химических наук420008, Казань, ул. Кремлевская, 18 (Россия)Тел.: (843) 231-54-91, E-mail: [email protected]

ВОРОНИН Иван Андреевич

Сибирский государственный технологический университетАспирант660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53, E-mail: [email protected]

ГАМАЮРОВА Валентина Семеновна

Казанский государственный технологический университет им. С.М. Кирова Профессор кафедры пищевой биотехнологии, доктор химических наук420015, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, 68 (Россия)Тел. (843) 231-41-65, Е-mail: [email protected]

ГОЛЯЗИМОВА Ольга Викторовна

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАНИнженер630128, Новосибирск, ул. Ак. Кутателадзе, 18 (Россия)Тел. (383) 316-58-49, E-mail: [email protected]

ГОРБАЧEВА Тамара Тимофеевна

Институт проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС) КНЦ УрО РАНСтарший научный сотрудник, кандидат биологических наук184209 Мурманская обл., Апатиты, ул. Ферсмана, 14Тел. (815-55) 79-252, тел./факс (81555) 79-778/74-964, E-mail: [email protected]

ГОРБОВА Наталья Сергеевна

Архангельский государственный технический университет Доцент, кандидат химических наук163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17 (Россия)Тел./факс: (8182) 21-89-19, E-mail: [email protected]

ГУБИН Кирилл Владимирович

Новосибирский государственный медицинский университетАспирант кафедры фармакогнозии и ботаники 630091, Новосибирск, Красный проспект, 52 (Россия) Тел.: (383) 225-07-13, E-mail: [email protected]

ДРАЧЕВ Александр Анатольевич

Архангельский государственный технический университетАспирант кафедры ТЦБП1630012, Архангельск, ул. Набережная Северной Двины 17 (Россия)Тел./факс (8182) 65-00-92, E-mail: [email protected]

ЕПИФАНЦЕВА Наталья Сергеевна

Сибирский государственный технологический университетСтарший преподаватель660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-22-73, факс (3912) 66-03-90, Е-mail: [email protected]

ЖЕРЕБЦОВ Сергей Игоревич

Институт угля и углехимии СО РАНВедущий научный сотрудник, кандидат химических наук650025, Кемерово, ул. Рукавишникова, 21 (Россия)Тел./факс (3842) 36-33-71, E-mail: [email protected]

ЗАРИПОВ Зефар Зинурович

Сибирский государственный технологический университет. Лесосибирский филиалСтарший преподаватель кафедры ЛИД662543, Лесосибирск, ул. Победы, 29 (Россия)Тел. (39145) 6-28-03

ЗИЯТДИНОВА Гузель Камилевна

Казанский государственный университетАссистент кафедры аналитической химии, кандидат химических наук420008, Казань, ул. Кремлевская, 18 (Россия)Тел.: (843) 231-54-91, E-mail: [email protected]

ЗУБОВ Анатолий Викторович

Институт Информатики при университете им. ГумбольдаНаучный сотрудник81615019, D-10439 Berlin, Kanzowstrasse 10, S-Bahnhof Prenzlauer AlleeТел./факс: 004930, E-mail: [email protected]

ЗУБОВ Виктор Анатольевич

Компания «A IST H&C», Отд. НИР, PF 520253, D-12592, Берлин (Германия)Научный сотрудник отдела исследованийD-17192 Groß Gievitz, Dorfstr. 3, BerlinТел./факс: 004930 5625323б, E-mail: [email protected]

ЗУБОВА Кристина Викторовна

Университет им. Королевы Елизаветы, Лондон. внештатный консультант компании A IST H&CKristina & Norbert Kraus, 14 Anworth Close Snake Lane, West, Woodford Green IG8, Great BritainТел.: 00442085592645, E-mail: [email protected] ;

КАРПОВА Евгения Алексеевна

Центральный сибирский ботанический садСтарший научный сотрудник лаборатории фитохимии, кандидат биологических наук630090, Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101 (Россия)Тел. (383) 334-44-68, E-mail: [email protected]

КОВАЛЁВ Валерий Иванович

Сибирский государственный технологический университетДоцент, кандидат технических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53

КОЖУХОВ Виктор Анатольевич

Сибирский государственный технологический университетСтарший преподаватель660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53, E-mail: [email protected]



КОМАРОВ Валерий Иванович

Архангельский государственный технический университетЗаведующий кафедрой ТЦБП, профессор, доктор технических наук1630012, Архангельск, ул. Набережная Северной Двины 17 (Россия)Тел./факс (8182) 65-00-92, E-mail: [email protected]

КОСЯКОВ Дмитрий Сергеевич

Архангельский государственный технический университет Доцент кафедры теоретической и прикладной химии, кандидат химических наук163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17 (Россия)Тел./факс: (8182) 21-89-48, E-mail: [email protected]

ЛОМОВСКИЙ Олег Иванович

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАНЗам. директора по научной работе, старший научный сотрудник, доктор химических наук630128, Новосибирск, ул. Ак. Кутателадзе, 18 (Россия)Тел. (383) 332-06-57, E-mail: [email protected]

МАМАТХАНОВА Мунира Ахмадханова

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваМладший научный сотрудник экспериментально-технологической лаборатории100170, Ташкент, М-Улугбекский р-н, ул. Х. Абдуллаева, 77 (Узбекистан)Тел. (3712) 262-59-13, факс (3712) 120-64-75 E-mail: [email protected]

МАМАТХАНОВ Ахмадхон Умархонович

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваВедущий научный сотрудник экспериментально-технологической лаборатории, кандидат технических наук100170, Ташкент, М-Улугбекский р-н, ул. Х. Абдуллаева, 77 (Узбекистан)Тел. (3712) 262-59-13, факс (3712) 120-64-75 E-mail: [email protected]

МАРЧЕНКО Роман Александрович

Сибирский государственный технологический университетСтарший преподаватель660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53, E-mail: [email protected]

МИЛОВИДОВА Любовь Анатольевна

Архангельский государственный технический университетДоцент кафедры ТЦБП, кандидат технических наук1630012, Архангельск, ул. Набережная Северной Двины 17 (Россия)Тел./факс (8182) 65-00-92, E-mail: [email protected]

МИРОНОВ Петр Викторович

Сибирский государственный технологический университетПрофессор, доктор химических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (391-2) 66-04-01, факс (391-2) 66-03-90. E-mail: [email protected]

МОИСЕЕВ Анатолий Иванович

Институт угля и углехимии СО РАНСтарший научный сотрудник, кандидат химических наук650025, Кемерово, ул. Рукавишникова, 21 (Россия)Тел./факс (3842) 36-88-13

МУСАШВИЛИ Нино Давидовна

Институт садоводства, виноградорства и виноделияГлавный лаборант отдела виноделия и биохимии0101, Тбилиси, пр. Геловани, 6 (Грузия)E-mail: [email protected]

МУСИН Юрий Васильевич

Институт угля и углехимии СО РАНВедущий инженер650025, Кемерово, ул. Рукавишникова, 21 (Россия)Тел. (3842) 36-88-13

МУСТАФАЕВА Ситара Джалал кызы

Институт ботаники НАН Азербайджана Ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук1073, Баку, Бадамдарское шоссе, 40, Институт ботаники НАН (Азербайджан)Факс (99412) 439-33-80, E-mail: [email protected], sitare59@ mail.ru

ПЕТРУШЕВА Надежда Александровна

Сибирский государственный технологический университет. Лесосибирский филиалДоцент кафедры ТПЛК, кандидат технических наук662543, Лесосибирск, ул. Победы, 29 (Россия)Тел. (39145) 6-28-03, E-mail: [email protected]

ПОЛИТОВ Анатолий Александрович

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАНСтарший научный сотрудник, кандидат химических наук630128, Новосибирск, ул. Ак. Кутателадзе, 18 (Россия)Тел. (383) 316-58-49, E-mail: [email protected]

ПОНОМАРЕВ Дмитрий Андреевич

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академияПрофессор кафедры органической химии, доктор химических наук194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5 (Россия)Факс (812) 550-08-15, E-mail: [email protected]

РЕШЕТОВА Наталья Сергеевна

Сибирский государственный технологический университетДоцент, кандидат технических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 27-34-53, E-mail: [email protected]

193

СЕВАСТЬЯНОВА Юлия Вениаминовна

Архангельский государственный технический университетДоцент кафедры ТЦБП, кандидат технических наук1630012, Архангельск, ул. Набережная Северной Двины 17 (Россия)Тел./факс (8182) 65-00-92, E-mail: [email protected]

СЕРКЕРОВ Сираджеддин Вели оглы

Институт ботаники НАН Азербайджана Главный научный сотрудник, доктор химических наук1073, Баку, Бадамдарское шоссе, 40, Институт ботаники НАН (Азербайджан)Факс (99412) 439-33-80, E-mail: [email protected]

СИМКИН Юрий Яковлевич

Сибирский государственный технологический университетДоцент, кандидат технических наук660049, Красноярск, пр. Мира, 82 (Россия)Тел. (3912) 43-94-46, факс (3912) 66-03-90, Е-mail: [email protected]

СОТИМОВГайрат Бахтиёривич

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваМладший научный сотрудник экспериментально-технологической лаборатории100170, Ташкент, М-Улугбекский р-н, ул. Х. Абдуллаева, 77 (Узбекистан)Тел. (3712) 262-59-13, факс (3712) 120-64-75 E-mail: [email protected]

СЫСОЕВА Мария Александровна

Казанский государственный технологический университет им. С.М. Кирова Доцент кафедры пищевой биотехнологии, кандидат химических наук420015, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, 68 (Россия)Тел. (843) 231-41-73, Е-mail: [email protected]

ТУРСУНХОДЖАЕВА Феруза Мурадовна

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваСтарший научный сотрудник, кандидат биологических наук100170, Ташкент, ул. Мирзо Улугбека, 77 (Узбекистан)

ФЕРШАЛОВА Татьяна Дмитриевна


ХАЛИЛОВ Равшанжон Муратджанович

Институт химии растительных веществ АН РУз им. акад. С.Ю. ЮнусоваМладший научный сотрудник экспериментально-технологической лаборатории, кандидат технических наук100170, Ташкент, М-Улугбекский р-н, ул. Х. Абдуллаева, 77 (Узбекистан)Тел. (3712) 262-59-13, факс (3712) 120-64-75 E-mail: [email protected]

ХАЛИТОВ Фарид Гусманович

Казанский государственный энергетический университетЗаведующий кафедрой теоретических основ теплотехники, профессор, доктор химических наук420066, Казань, ул. Красносельская, 51 (Россия)Тел. (843) 519-42-24, E-mail: [email protected]

ХАНИНА Миниса Абдуллаевна

Новосибирский государственный медицинский университетЗаведующая кафедрой фармакогнозии и ботаники, доктор фармацевтических наук, профессор 630091, Новосибирск, Красный проспект, 52 (Россия) Тел.: (383) 225-07-13, E-mail: [email protected]

ХВИЮЗОВ Сергей Сергеевич

Архангельский государственный технический университет Аспирант кафедры теоретической и прикладной химии163002, Архангельск, наб. Северной Двины, 17 (Россия)Тел./факс: (8182) 21-89-48, E-mail: [email protected]

ХРАМОВА Елена Петровна


ЧИЖОВ Александр Петрович

Сибирский государственный технологический университет. Лесосибирский филиалДиректор филиала, доцент, кандидат технических наук662543, Лесосибирск, ул. Победы, 29 (Россия)Тел. (39145) 6-28-03, E-mail: [email protected]

ЧИСТОВАНаталья Геральдовна

Сибирский государственный технологический университет. Лесосибирский филиалДоцент кафедры ЛИД, кандидат технических наук662543, Лесосибирск, ул. Победы, 29 (Россия)Тел. (39145) 6-28-03, E-mail: [email protected]

ШАЛДАЕВАТатьяна Михайловна

Центральный сибирский ботанический сад,Научный сотрудник лаборатории фитохимии, кандидат биологических наук630090, Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101.Тел. (383) 334-44-68, E-mail: [email protected]

ЮМАЕВА Ляйсан Рифгатовна

Казанский государственный технологический университет им. С.М. Кирова Инженер кафедры пищевой биотехнологии420015, Республика Татарстан, Казань, ул. К. Маркса, 68 (Россия)Тел. (843) 231-42-99, Е-mail: [email protected]



CONTENTS

Reviews

Aizenstadt M.A., Bogolitsyn K.G. PEROXIDASE CATALYZED OXIDATION OF LIGNIN AND LIGNIN MODEL COMPOUNDS..........................................................................................................................................5

Boymirzaev A.S. STERIC EXCLUSION CHROMATOGRAPHY OF WATER SOLUBLE POLYSACCHARIDES..........................................................................................................................................19

Biopolymers of plants

Drachev A.A., Sevastyanova Yu.V, Komarov V.I., Milovidova L.A. INVESTIGATION OF EFFECT OF HARDWOOD CHIPS ADDITION ON DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF SOFTWOOD KRAFT PULP ..........................................................................................................................29

Drachev A.A., Sevastyanova Yu.V., Komarova V.I., Milovidova L.A. EFFECT OF CHEMICALS ADDITION IN SULPHATE COOKING ON SPRUCE PULP PROPERTIES....................................................37

CIL I., BERMEK H., ATIK C. IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHING STAGE OF HEMP PULP.......................................................................................................................................43

Khviyuzov S.S., Kosyakov D.S., Bogolitsyn K.G., Gorbova N.S. THE EFFECT OF MOLECULAR MASS ON THE KRAFT LIGNIN ACID-BASE PROPERTIES IN THE SYSTEM WATER-DIMETHYLSULPHOXIDE...................................................................................................................47

Golyazimova O.V., Politov A.A. INTENSIFICATION OF RAW MATERIAL GRINDING WITH CHEMICAL TREATMENT ........................................................................................................................................................53

Golyazimova O.V., Politov A.A., Lomovski O.I. MECHANICAL ACTIVATION OF LIGNOCELLULOSE ENZYME HYDROLYSIS .....................................................................................................................................59

Alaudinova E.V., Mironov P.V. LIPIDS OF A MERISTEM OF FOREST FORMING CONIFEROUS BREEDS OF THE CENTRAL SIBERIA IN CONDITIONS LOW TEMPERATURE ADAPTATIONS. 1.THE CHARACTERISTIC OF PHOSPHOLIPIDS FATTY ACIDS COMPOSITION OF WINTERING MERISTEMS OF LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. AND PINUS SYLVESTRIS L....................65

Alaudinova E.V., Mironov P.V. LIPIDS OF A MERISTEMS OF FOREST FORMING CONIFEROUS BREEDS OF THE CENTRAL SIBERIA IN CONDITIONS LOW TEMPERATURE ADAPTATIONS. 2. FEATURES OF A METABOLISM OF PHOSPHOLIPIDS FATTY ACIDS OF MERISTEMS OF LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. AND PINUS SYLVESTRIS L.............................................................71

Zubow K.V., Zubow A.V., Zubow V.A. LOW FREQUENCY MOVEMENT OF CLUSTER-12 IN POTATO AMYLOPECTIN DURING GROWTH. INFLUENCE OF WHITE NOISES......................................................77

Low-molecular weight compounds

Gubin K.V., Hanina M.A. STUDY OF CHEMICAL COMPOSITION OF URTICA CANNABINA L. FROM WESTERN SIBERIA.............................................................................................................................................89

Khalilov R.M., Mamatkhanov A.U., Sоtimov G.B., Mamatkhanova M.A. DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY OF PROCESSING OF FLANORIN FROM PSEUDOSOPHORA ALOPECUROIDES...........93

Asilbekova D.T., Tursunkhodjayeva F.M. LIPIDS OF LEAVES FROM CAPPARIS SPINOSA L.....................97

Serkerov S.V., Mustafayeva S.J. NEW COMPONENTS OF ACHILLEA FILIPENDULINA LAM..................101

Karpova E., Kchramova E.P., Fershalova T.D. FLAVONOIDS AND ASCORBIC ACID IN THE REPRESENTATIVES OF THE GENUS BEGONIA L......................................................................................105

Artemkina N.A., Gorbacheva T.T. PHENOLS CONTENT IN BARK OF PICEA AT DIFFERENT STAGES OF TECHNOGENIC SUCCESSION OF KOLA PENINSULA SPRUCE BIOCENOSES..............111

Bezhuasvili M.G., Musashvili N.D. IDENTIFICATION IN THE SKINS OF RED TECHNICAL SORTS OF GRAPES PRODUCED FROM PIROKATEKHINI AND SIRINGILI ........................................................117

Sisoeva M.A.,. Yumaeva L.R., Gamaiourova V.S., Ziyatdinova G.K., Budnikov G.K., Halitov F.G. THE COMPARATIVE CHARACTERISTIC OF THE ANTIOXIDANT ACTIVITIES OF THE WATER AND ALCOHOL CHAGA EXTRACTS ......................................................................................................................121

Peat and products of its processing

Zherebtsov S.I., Musin Yu.V., Moiseev A.I. EFFECT OF ALKYLATION ON COMPOSITION AND YIELD OF BITUMENS OF PEAT .....................................................................................................................125

Technology

Simkin Yu.Ia., Besrdin I.N. ABSORBENT CARBON MADE OF DRY DEBARKING SIBERIAN LARCH PELLET POROUS STRUCTURE FORMATION..............................................................................................131

Еpiphantseva N.S., Simkin Yu.Ya. АN INFLUENCE OF SIBERIAN SILKMOTH’S LESION OF SIBERIAN LARCH PERIOD ON COAL-FORMING PROCESS.........................................................................................135

Chistova N.G. FIBER BOARD PRODUCTION WITH THE HELP OF DRY PROCESS ...............................141

Petrusheva N.A., Chistova N.G., Zaripov Z.Z., Chigov A.A., Alashkevich U.D. EFFICIENCY OF USE OF A SECONDARY FIBRE IN MANUFACTURE WOODFIBERS OF PLATES............................145

Chistova N.G., Alashkevich U.D., Petrusheva N.A. POWER CONSUMPTION DEPENDENCE IN THE PROCESS OF SECONDARY DEFIBERING IN FIBER BOARD PRODUCTION.........................................149

Kozhukhov V.A., Alashkevich J.D. FEATURES OF THE USE OF KNIFE SETS WITH SHOCK EXPOSURE DURING GRINDING FIBROUS MASSES........................................................................................................153

Alashkevich J.D., Marchenco R.A., Reshetova N.S. THE PROCESS BEZNOZHEVOY PROCESSING FIBROUS SLURRY THE INSTALLATION OF «JET-BARRIER» .................................................................157

Alashkevich J.D., Voronin I.A., Kovalyov V.I., Reshetova N.S. BEATING OF FIBROUS HALF-FINISHED PRODUCTS IN THE NONCONVENTIONAL WAY........................................................................................165

Short reports

Shaldaeva Т.М. FLAVONOID CONTENT IN NATURAL POPULATIONS OF ARTEMISIA ABSINTHIUM L. GROWING IN THE FOREST-STEPPE ZONE OF WEST SIBERIA ...............................................................169

Personnel

ALEXANDR VASILEVICH KUCHIN...............................................................................................................171

History

VLADIMIR NIKOLAEVICH KRESTINSKY’S MEMORIES (08.04.1882 – 22.10.1939)...............................173

Chronicle

THE DECISION OF IV ALL-RUSSIA CONFERENCE «NEW ACHIEVEMENTS IN CHEMISTRY AND CHEMICAL TECHNOLOGY OF VEGETATIVE RAW MATERIALS»...............................................175

AUTOR INDEX №2 (2009).................................................................................................................................177

DATA ON AUTHORS.........................................................................................................................................179

Aizenstadt M.A., Bogolitsyn K.G. PEROXIDASE CATALYZED OXIDATION OF LIGNIN AND LIGNIN MODEL COMPOUNDS

At present time, plant and fungous peroxidases are considered to play the main role in oxidation decomposition of lignin. It’s generally agreed by the majority of researchers that the most perspective oxidizers of lignin and lignin model compounds are lignin-peroxidase, manganese- peroxidase and laccase. However, number of papers is devoted to the application of plant peroxidase, such as horseradish peroxidase (HRP), for such purposes.

Data on the application of such enzymes as catalysts over the reaction of oxidation of lignin and lignin model compounds by hydrogen peroxide are given in the present paper. Structure and mechanism of catalytic action of dif -ferent peroxidases is compared. Plant and fungous peroxidases have similar structure, but higher stability and wider pH optimum are revealed for plant peroxidases. Therefore, studies on the influence of functional groups, multilayer properties and regularities of redox transformation under the oxidation of lignin and lignin model compounds by hy-drogen peroxide, using plant peroxidases as catalysts, will be prospective research area.

Keywords: enzymes, lignin peroxidase, manganese peroxidase, laccase, horseradish peroxidase, catalytic oxida-tion, lignin, lignin model compounds.

Boymirzaev A.S. STERIC EXCLUSION CHROMATOGRAPHY OF WATER SOLUBLE POLYSACCHARIDESPrinciples of steric exclusion chromatography (SEC) of water-soluble polysaccharides are considered. Influences

of parameters chromatographic system to elution properties of polymers were analyzed. It is marked, that the analy -sis of molecular mass parameters of polysaccharides in SEC is complicated by presence of some electrostatic and polyelectrolyte effects, and also formation of molecular aggregates and associates in solutions under investigation.

Drachev A.A., Sevastyanova Yu.V, Komarov V.I., Milovidova L.A. INVESTIGATION OF EFFECT OF HARDWOOD CHIPS ADDITION ON DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF SOFTWOOD KRAFT PULP

The effect of softwood chips addition and main cooking characteristics (charge of active alkali, temperature and cooking duration) on yield, deformation and strength characteristics of spruce sulphate pulp is studied.

It is established that addition of softwood pulp within 0–20% of mass of wooden raw material followed by si-multaneous change of cooking parameters has no effect on yield and kappa number of softwood pulp. Change of species composition of raw material effects the mechanical strength characteristics of produced pulp samples.

It is established that self-strength of fiber (L0) in the investigated scope of cooking characteristics increases with the growth of softwood chips share. It is shown that increase of hardwood content in the raw material results in en-hancing interfibrillar bonding force.

Addition of hardwood content up to 15…20% could be realized in spruce sulphate pulp production without no-table change of the main pulp characteristics in the wide scope of kappa number values of pulp.

Keywords: sulphate pulp, anthraquinones, dispersing agents, yield takes place, kappa number, breaking length, bursting strength, tear strength.

Drachev A.A., Sevastyanova Yu.V., Komarova V.I., Milovidova L.A. EFFECT OF CHEMICALS ADDITION IN SULPHATE COOKING ON SPRUCE PULP PROPERTIES

Data on efficiency evaluation of the chemical additives use (anthraquinones (AQ – А, В, С) and dispersing agents (SAS – 1, 2, 3, 4)) are analyzed in production of spruce sulphate pulp within the range of kappa number of 30–0.

It is established that the use of all anthraquinone modifications results in considerable reduction of shive content in pulp in comparison with control samples. Addition of AQ results in some increase of breaking length (L) and bursting strength (П). Such increase is the most evident for pulp samples with kappa number of 30. Tear strength (R) decreases when an-thraquinones are added, the decrease of such property being most evidently observed for pulp with kappa number of 30.

Addition of dispersing agents in sulphate cooking of spruce pulp results in reduction of dirt content testifying improvement of impregnation process. No change of kappa number and pulp yield takes place.

Joint use of anthraquinone and dispersing agent hasn’t resulted in improving results in comparison with cooking when only anthraquinone is added.

The obtained results allow drawing conclusions that the use of anthraquinone is the most reasonable in cooking spruce sulphate pulp. Use of dispersing agents in production of the given pulp turned to be inefficient.

Keywords: sulphate pulp, anthraquinones, dispersing agents, yield takes place, kappa number, breaking length, bursting strength, tear strength.

197

Cil I., Bermek H., Atik C. IMPACT OF XYLANASE PRETREATMENT ON PEROXIDE BLEACHING STAGE OF HEMP PULP

Pretreatment of hemp pulp with xylanase was investigated. Unbleached hemp pulp was treated with commercial xylanase, and then bleached with hydrogen peroxide. Control pulp bleached with out xylanase was compared with xylanase bleached pulp. Application of xylanase was found to have a positive effect on followed peroxide stage in terms of low kappa number and high brightness of pulp.

Keywords: hemp, xylanase, peroxide, bleaching.

Khviyuzov S.S., Kosyakov D.S., Bogolitsyn K.G., Gorbova N.S. THE EFFECT OF MOLECULAR MASS ON THE KRAFT LIGNIN ACID-BASE PROPERTIES IN THE SYSTEM WATER-DIMETHYLSULPHOXIDE

The aim of the work is the investigation on the molecular mass effect on the acid-base properties of industrial lignin preparation in the system water-DMSO of different compositions. The acidity constants of four fractions of kraft lignin with different molecular mass were determined using the method of UV-spectrophotometric titration. The dependences of рКа values of phenolic groups of the three types of lignin macromolecule structural units from molecular weight Mw

obtained are linear. The effect of molecular weight and solvent composition on the acidity constants was analysed.Keywords: acid-base properties, acidity constants, lignin, phenolic hydroxylic group, molecular mass, dimethyl-

sulphoxide.

Golyazimova O.V., Politov A.A. INTENSIFICATION OF RAW MATERIAL GRINDING WITH CHEMICAL TREATMENT

Intensification of grinding process of raw material and simultaneous reducing of mechanical effect intensity is an actual problem. Application of less power-intensive technology is necessary for product quality retention and prof-itability growth. Influence of acid, alkaline, and enzyme hydrolysis on grinding effectiveness was studied. Different components of raw materials: cellulose, hemicellulose and lignin were altered with enzyme, acid and alkaline hy-drolysis. Hydrolysis of lingocarbohydrate matrix, especially amorphous cellulose is responsible for cellulose supramolecular structure modification, intermolecular bonds disruption and fibers strength degradation. The effec-tiveness of raw material grinding depends on the type of machine. Untreated corn and wheat straw was more effec -tively grinded on disintegrator and jet(-type) mill. The most effective grinding mode of treated straw is ball milling.

This investigation made it possible to suggest new method of raw material grinding. Keywords: Grinding, intensification, raw material, supramolecular structure, preliminary chemical treatment, en-

zyme treatment.

Golyazimova O.V., Politov A.A., Lomovski O.I. MECHANICAL ACTIVATION OF LIGNOCELLULOSE ENZYME HYDROLYSIS

Enzyme saccharification of lignocellulose raw material is the first step in the process of the bioethanol production. Ligno-cellulose raw materials are composed of biopolymers: cellulose, lignin, hemicellulose and pectins. These components of lig-nocellulose matrix make difficult the process of enzyme cellulose conversion. Crystallinity of cellulose is another limiting factor which inhibits the hydrolysis rate. Low conversion rate reduces production profitability and prevent its commercializa-tion. In spite of numerous efforts in this area and existing different pretreatment techniques the problem of saccharification improving is actual as the most of introduced methods have application in laboratory scale only.

Intermittent mechanical treatment of lignocellulose is efficient and safe method of improving cellulose reactivity. When the rate of enzyme hydrolysis reaction is falling the substrate is separated from solution, dried and grinded and then hydrolyzed. Treatment allows us to raise reactivity of lignocellulose due to extend of cellulose accessible surface and re-ducing of cellulose crystallinity. This method application made it possible to obtain 90 % carbohydrate extent conversion.

Keywords: Intensification, enzyme hydrolysis, lignocellulose, corn straw, intermittent, mechanical treatment.

Alaudinova E.V., Mironov P.V. LIPIDS OF A MERISTEM OF FOREST FORMING CONIFEROUS BREEDS OF THE CENTRAL SIBERIA IN CONDITIONS LOW TEMPERATURE ADAPTATIONS. 1.THE CHARACTERISTIC OF PHOSPHOLIPIDS FATTY ACIDS COMPOSITION OF WINTERING MERISTEMS OF LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. AND PINUS SYLVESTRIS L.

Results of research of fatty acids composition of buds meristems phospholipids of the basic coniferous forest forming breeds of the Central Siberia are introduced: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. fnd Pinus sylvestris L. in the winter in a condition low temperature resistance of meristems and in the spring at loss low temperature resis -tance. It is shown, that change of a phenological state of a tree at transition from rest to vegetation is accompanied

198

by considerable transformation composition of fatty acids of phospholipids the living tissues, expressed not only in change of the content of individual fatty acids, rates of components of one or various types, but also in disappear-ance of some fatty acids which are presented at wintering buds.

Keywords: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L., Pinus sylvestris L., meristems, phospholipids, fatty acids, seasonal changes.

Alaudinova E.V., Mironov P.V. LIPIDS OF MERISTEMS OF FOREST FORMING CONIFEROUS BREEDS OF THE CENTRAL SIBERIA IN CONDITIONS LOW TEMPERATURE ADAPTATIONS. 2. FEATURES OF A METABOLISM OF PHOSPHOLIPIDS FATTY ACIDS OF MERISTEMS OF LARIX SIBIRICA LEDEB., PICEA OBOVATA L. AND PINUS SYLVESTRIS L.

It is established, that during the winter period prevailing groups of unsaturated fatty acids (FA) are: at Larix sibirica Ledeb. trienoic, at Picea obovata L. and Pinus sylvestris L. dienoic. Swelling of buds is accompanied by decrease in the content unsaturated FA approximately on 30 % in the spring. The analysis of change of the content in phospho-lipids structure individual FA type С18 at transition of a tree from winter rest to vegetation has found out an important functional role in formation cryoresistent conditions of cellular membranes meristems of аll investigated breeds of the acyl-lipid ω6 desaturase, which responsible for synthesis linoleic (С18:2) acids. The special importance in cryoadapta-tion of the meristematic cells of Larix sibirica Ledeb is besides, revealed acyl-lipid ω3 desaturases, during the winter period catalysed transformation linoleic (С18:2) acids in linolenoic (С18:3) in phospholipids of Larix sibirica Ledeb in 1,5-3 times more intensively, than at Picea obovata L. and Pinus sylvestris L.

Keywords: Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L., Pinus sylvestris L., polyunsaturated fatty acids, activity of acyl-lipid desaturases, low temperature resistance.

Zubow K.V., Zubow A.V., Zubow V.A. LOW FREQUENCY MOVEMENT OF CLUSTER-12 IN POTATO AMYLOPECTIN DURING GROWTH. INFLUENCE OF WHITE NOISES

The thermal decomposition of potato starch from the North of Germany and of pure amylopectin isolated from genetically modified potatoes was studied by flicker noise spectroscopy (FNS) in the temperature interval between 294 and 525 K. The FNS-spectra of cluster oscillations in the amorphous region of starch and amylopectin macro-molecules during potato growth in summer 2006 were shown. On the cluster level, in amylopectin, there were found secondary building units (SBU), which consist of 12 α-D-glycopyranose units in the form of a spiral of two mean-ders of polymer chains (cluster-12). Based on the clusters in starch and amylopectin (grape like model) the row con -taining the following cluster-12 units as SBU can be derived: 1; 2; 3; 4; 5; 7; 9; 13 etc.. The formation of this row in stationary waves of white noises penetrating the Earth was suggested. The formation energy of the cluster-12 de -pended on temperature and changed in the interval from –35...-220 J/mol and activation energy of thermal moving was in the interval from –6 to 5 kJ/mol. Amylopectin was in the amorphous area of the starch macromolecule in the form of super coils built by sub coils of macromolecular branches. The Zubow` equation, connecting masses of clus-ters (m, Dalton) with the frequencies of their oscillations (ω, Hz) was given.

Keywords: super coil, cluster, flicker noise spectroscopy, row of clusters, activation energy, white noise.

Gubin K.V., Hanina M.A. STUDY OF CHEMICAL COMPOSITION OF URTICA CANNABINA L. FROM WESTERN SIBERIA

Urtica cannabina L. – is a plant, which is growing wild in different regions of the Western Siberia. Methods of investigation: analyses of compounds were performed by TLC (SiO2) and paper chromatography.

Analyses of quantity of compounds were performed by spectrophotometry, titrimetric, gravimetric methods. We determined that U. cannabina contains phenolocarbonic acids, flavonoids, coumarins, tannins, polysaccha-

ride complex, carotenoids, phylloquinone, and chlorophyll.Keywords: Urtica cannabina, carotenoids, phylloquinone, chlorophyll.

Khalilov R.M., Mamatkhanov A.U., Sоtimov G.B., Mamatkhanova M.A. DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY OF PROCESSING OF FLANORIN FROM PSEUDOSOPHORA ALOPECUROIDES

The roots and rhizomes of Pseudosophora alopecuroides were offered as a production scale source for processing of the medical preparation which consists of flavonoids sum. For obtaining an identical composition of flavonoids’ sum and for removing main admixtures the consecutive extraction method was used. The ethanol was applied as a selective extragent for flavonoids isolation. The effective ways of Pseudosophora’s extract purification was offered.

Keywords: flanorin, flavonoids, technology, extraction, рseudosophora alopecuroides.

199

Asilbekova D.T., Tursunkhodjayeva F.M. LIPIDS OF LEAVES FROM CAPPARIS SPINOSA L.Lipid components of Capparis spinosa auct. (Capparaceae family) leaves had been investigated. Neutral and

polar lipids and their fatty acid composition were described.Keywords: Capparaceae family, Capparis spinosa auct., capers, neutral and polar lipids, fatty acids.

Serkerov S.V., Mustafayeva S.J. NEW COMPONENTS OF ACHILLEA FILIPENDULINA LAM.Elevated parts of Achillea filipendulina Lam., collected during mass flowering in Guba area of Azerbaijan has

investigated. The individual substance by C30H50O2 structure and max temperature of fusion (t.f.) 1730. 1645. 890 sm–1 has allocated by chromatography on Al2O3 (neutral. III-IV degree of activity) column of the sums of the ex-tractive substances received by extraction by 96° ethanol. Saponification of I results to hydroxylcontaining deriva -tive (II) by C28H48O structure with max t.f. 3350, 1645 sm–1.

Compounds has a structure 3β-acetoxi-24α-methil-kholest-20(21)-en (I) had proved on the basis of chemical and spectral (IR-, 1Н, 13С, Dept. 135 NMR) data of I and II).

Keywords: Asteraceae, Achillea filipendulina Lam., 3β-actoxy-24α-methyl-holest-20(21)-еn.

Karpova E., Kchramova E.P., Fershalova T.D. FLAVONOIDS AND ASCORBIC ACID IN THE REPRESENTATIVES OF THE GENUS BEGONIA L.

The contents of flavonoids (including glycosides of quercetin and kaempferol), anthocyanins and ascorbic acid in overground part of plants of 7 species and cultivars of genus Begonia L. (Begonia bahiensis, B. bowerae, B. caro-lineifolia, B. fischeri, B. heracleifolia, B. ‘Erythrophylla’, B. ‘Helen Teupel’) are determined. The contents of flavonoids were 24–650 mg% of dry weight, including glycosides of quercetin – 3–76 mg%. Kaempferol glycosides was detected only in species of section Gireoudia (1,2–5,7 mg%). The contents of anthocyanins were between 60 and 157 mg%, ascorbic acid – 5–43 mg% of fresh weight. Studied plants of Begonia can be considered as the sources of biologically active compounds with antioxidant and antimicrobial activity.

Keywords: Begonia, flavonoids, quercetin, kaempferol, anthocyanins, ascorbic acid.

Artemkina N.A., Gorbacheva T.T. PHENOLS CONTENT IN BARK OF PICEA AT DIFFERENT STAGES OF TECHNOGENIC SUCCESSION OF KOLA PENINSULA SPRUCE BIOCENOSES

Some particularities of total phenols contents and their monomer forms change in bark of Picea obovata Ledeb. are investigated at different stages of technogenic succession. Significant differences in bark content of ferulic, vanillic and β-rezorcilic acids and nonlinear character of phenols content alteration are observed with a maximum at a stage of defoliating forests. The received results allow considering some changes in phenols metabolism as non-specific reaction of vegetation to stress.

Bezhuasvili M.G., Musashvili N.D. IDENTIFICATION IN THE SKINS OF RED TECHNICAL SORTS OF GRAPES PRODUCED FROM PIROKATEKHINI AND SIRINGILI

The purpose of the research is the identification of new non-antocyanis compositions (I and II) isolated from the skin of of grape saferavi sort. Identification was conducted with the methods of UK-Spectroskopy,Chromato-MAS-Spectriscopy and thinlayer Chromatography. Composition I- was identified as -3,4-(Dihydroxyphenyl)-1-propan-1-on, i.e. Pirokatekhin-1-Propan-1-on and composition II -(3,5-Dimetoksi-4-Hydroksi)-1-Butan-1-on or Siringili-1-Butan-1-on.The skins of Otskhanuri Safere and Kaberne types of grapes also contain indetified compositions.

Keywords: identification; pirocatekhin-1-propan-1-on; siringili-1-butan-1-on.

Sisoeva M.A.,. Yumaeva L.R., Gamaiourova V.S., Ziyatdinova G.K., Budnikov G.K., Halitov F.G. THE COM-PARATIVE CHARACTERISTIC OF THE ANTIOXIDANT ACTIVITIES OF THE WATER AND ALCOHOL CHAGA EXTRACTS

It was carried out additional extraction of biologically active compounds from the residue of chaga, which ap-pears after water extraction of chaga. An extraction with ethyl alcohol was used for this purpose. It was shown that antioxidant activity of alcohol extracts and their components are higher than antioxidant activity of water extracts from the corresponding chaga mushroom.

Keywords:chaga, water extract, residue, alcohol extracts, melanin, sediment, antioxidant activity (АОА).

Zherebtsov S.I., Musin Yu.V., Moiseev A.I. EFFECT OF ALKYLATION ON COMPOSITION AND YIELD OF BITUMENS OF PEAT

Results of experiments are presented and a number regression dependence on effect of conditions of alkylation of peat n-butanol at presence orthophosphoric acid on a yield of extractives is obtained. It is shown, that catalytic butylation considerably increases a yield of extractives, element composition of samples of peat changes. Changes of group and individual compositions of fractions bitumen, occurring in a course butylation peat are investigated.

200

Reactions esterification and interesterification underlies increase an yield of bitumen from alkylated peat. Various joints from peat can act as alternative raw materials for the chemical industry.

Keywords: Peat, bitumen, wax, alkylation, etherification.

Simkin Yu.Ia., Besrdin I.N. ABSORBENT CARBON MADE OF DRY DEBARKING SIBERIAN LARCH PELLET POROUS STRUCTURE FORMATION

Unitary block carbon made of dry debarking Siberian larch pellet porous structure formation was studied at the activa-tion with superheated water steam process. There are differences at organization of external and internal layers adsorptive pores of absorbent carbon were surveyed on conditions that pieces of coal were scorched for 15, 30 and 50 percent.

Keywords: pellet, dry debarking waste products, Siberian larch (Larix sibirica), coal, adsorbent, porous structure.

Еpiphantseva N.S., Simkin Yu.Ya. АN INFLUENCE OF SIBERIAN SILKMOTH’S LESION OF SIBERIAN LARCH PERIOD ON COAL-FORMING PROCESS

It was researched how a larch wood desiccated for different periods from Siberian silkmoth’s action affects on chemical composition, thermostability, wood components’ coal-forming capacities and obtained charcoal technical characteristics. It is shown that it is possible to obtain industrial sorts «B» and «V» charcoal from larch wood desiccated up to 12 years.

Keywords: Siberian larch (Larix sibirica), Siberian silkmoth, charcoal.

Chistova N.G. FIBER BOARD PRODUCTION WITH THE HELP OF DRY PROCESSFibrous raw material. The influence of constructive and technological grinders’ parameters on the quality of

wood grinding, physical-mechanical fiber board properties in dry way production has been investigated. The pro -gram of experimental research has been fulfilled in order to obtain mathematical models describing the object inves-tigated and searching optimum conditions of system operation. Calculated dependence of qualitative grinding and fiber board density on dominating parameters of grinders has been obtained.

Keywords: Fibrous raw material, power, secondary ground wood, hydro beater, mathematical model, technological process.

Petrusheva N.A., Chistova N.G., Zaripov Z.Z., Chigov A.A., Alashkevich U.D. EFFICIENCY OF USE OF A SECONDARY FIBRE IN MANUFACTURE WOODFIBERS OF PLATES

In work the results of researches on optimization of process of processing of a secondary fiber in manufacture woodfibers of plates by a wet way are submitted. The application for processing a secondary fiber uncut of the equipment instead of traditional conic mill is reasonable.

Chistova N.G., Alashkevich U.D., Petrusheva N.A. POWER CONSUMPTION DEPENDENCE IN THE PROCESS OF SECONDARY DEFIBERING IN FIBER BOARD PRODUCTION

Fibrous raw material. With the help of mathematical modeling methods and experimental planning has been de-fined power consumption used when processing secondary ground wood in the hydro beater, and the influence of main technological parameters of this process on it. Have been obtained mathematical models adequately describing technological process of secondary fiber treatment. To a great extent, this allowed to reduce specific power con -sumption as compared to existing processing methods.

Keywords: power, secondary ground wood, fibrous raw material, hydro beater, mathematical model, technologi-cal process, secondary fiber.

Kozhukhov V.A., Alashkevich J.D. FEATURES OF THE USE OF KNIFE SETS WITH SHOCK EXPOSURE DURING GRINDING FIBROUS MASSES

Article analyzes the theoretical and experimental research in the field of grinding knife in the way of impact on the fibrous material in order to create in high-speed disk mill effect stupas, which will improve the quality of grinding fibers and increase the productivity of milling.

Keywords: grinding, impact, fibrous slurry, cutting edge.

Alashkevich J.D., Marchenco R.A., Reshetova N.S. THE PROCESS BEZNOZHEVOY PROCESSING FIBROUS SLURRY THE INSTALLATION OF «JET-BARRIER»

Article a brief overview of the main advantages and disadvantages knifeless grinding. The goal of research is to study the influence of the number of blades movable barrier on the grinding process. The results of study of the effect of different number of blades on paperforming properties of fiber suspensions, and physical properties of finished castings. Revealed that controlling the number of turbine blades hydrodynamical installation can be combined with im-proved paperforming and the physical and mechanical performance, lower cost of electricity

Keywords: knifeless grinding, cavitation, turbine, fibrous material.

201

Alashkevich J.D., Voronin I.A., Kovalyov V.I., Reshetova N.S. BEATING OF FIBROUS HALF-FINISHED PRODUCTS IN THE NONCONVENTIONAL WAY

In article is presented a design procedure of power influence on fibrous suspension of working bodies in beating to installation with inertial movement of bodies. The Purpose of researches is calculation of the effort having on the area of one tooth of an inertial body at various speeds of rotation of a rotor, definition of influence of district speed of movement of inertial bodies on process beating fibrous half-finished products. In article the results of experimen -tal researches showing dependence of quality indicators of fibrous weight and a ready paper from power influence on fibrous suspension of working bodies in beating to installation with inertial movement of bodies are presented.

Keywords: beating, inertial bodies, fibrous suspension, force of inertia.

Shaldaeva Т.М. FLAVONOID CONTENT IN NATURAL POPULATIONS OF ARTEMISIA ABSINTHIUM L. GROWING IN THE FOREST-STEPPE ZONE OF WEST SIBERIA

The experimental data on flavonoid content of Artemisia absinthium L. from natural habitats in the south of West Siberia are given. Populations with the greatest amount of flavonoids have been determined for the purpose of possible use.

Keywords: Artemisia absinthium L., flavonoid.

202

Научное издание

ХИМИЯРАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

2 • 2009

Зарегистрировано Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций

Свидетельство о регистрации ПИ №77-16614 от 24.10.2003.

Литературный редактор: Н.Я, Тырышкина

Издательство Алтайского государственного университета: 656049, Барнаул, пр. Ленина, 61Изд. лиц. ЛР 020261

Подписано в печать 20.06.2009. Формат 6084/8. Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. 22,3. Тираж 150 экз. Заказ 311

Цена свободная

Типография Алтайского государственного университета: 656049, Барнаул, ул. Димитрова, 66

issn 1029-5151 · web viewthe enzyme activities were determined by dinitrosalicylic acid (dns)...

Documents