СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, АНТИОКСИДАНТНЫЕ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИГНИНОВ ИЗ СОЛОМЫ ОДНОЛЕТНИХ ЗЛАКОВ
СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, АНТИОКСИДАНТНЫЕ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИГНИНОВ ИЗ СОЛОМЫ ОДНОЛЕТНИХ ЗЛАКОВ
Аннотация
Методами элементного и функционального анализа, а также ИК-Фурье- и ЭПР-спектроскопии исследована химическая структура лигнинов, выделенных из соломы однолетних злаковых растений пшеницы Triticum (SL-T) и овса Avena sativa (SL-A) водно-диоксановым методом Пеппера. Установлено, что лигнины из соломы злаков относятся к GSH типу и отличаются от древесных лигнинов повышенным содержанием фенольных гидроксилов и более высокой антиоксидантной активностью (АОА). Показатели АОА составили: 71,4×10-2 Кл/г для образца SL-A и 63,3×10-2 Кл/г для образца SL-T. Обнаружена корреляция между величиной АОА и количеством фенольных ОН групп (R=0,96). Показано, что лигнины содержат стабильные феноксильные радикалы в количестве 0,12×1018 спин/г (SL-T) и 0,22×1018 спин/г (SL-A). В сорбционных экспериментах проведена оценка степени извлечения урана-238 из водных растворов с низкой концентрацией радионуклида (<1 мкг/мл). Установлено, что исследуемые образцы SL-A и SL-Т имеют различную сорбционную способность по отношению к урану, причем оба препарата показали более высокие показатели сорбции, чем березовый лигнин. Показатели прочной адсорбции урана составили 72,6% для лигнина из соломы овса и 65,9% для лигнина из пшеничной соломы. Полученные данные подтверждают перспективность использования лигнинов из соломы злаковых в качестве основы для получения энтеросорбционных препаратов и природных антиоксидантов.
1. Введение
Лигнины представляют собой природные высокомолекулярные соединения , которые попадают в организм человека вместе с пищевыми продуктами. Эти ароматические биополимеры, построенные из структурных единиц гваяцильного (G) сирингильного (S) и p-кумарового (H) типов, входят в состав клеточных стенок как культурных, так и дикорастущих пищевых растений. В настоящее время препараты с торговыми названиями Полифепан и Фильтрум-СТИ, произведенные из гидролизного лигнина, применяются в лечебной практике в качестве энтеросорбента. Следует отметить, что возможные области применения природных лигнинов не ограничиваются производством сорбционных материалов . Определенные перспективы открываются сегодня для использования водорастворимых природных лигнинов в качестве антиоксидантов и геропротекторов и многих других препаратов биомедицинского назначения, поскольку, согласно последним данным, продукты на основе природных лигнинов обладают иммуностимулирующими, онкопротекторными, антирадикальными, адаптогенными и противовирусными свойствами . Показано, что солома злаковых культур представляет собой ценный возобновляемый источник различных пищевых растительных полимеров, в том числе лигнинов . Однако до настоящего времени сведения о структурной организации злаковых лигнинов немногочисленны, что лимитирует сферы рационального использования этого биополимера. Необходимо проведение новых исследований структуры и адсорбционных свойств природных лигнинов, выделенных из соломенного сырья для создания новых энтеросорбционных препаратов, в том числе сорбентов радионуклидов.
Цель данной работы исследование химической структуры и антиоксидантных свойств лигнинов, выделенных из некоторых растений семейства злаковых. В число решаемых задач входила также оценка сорбционных свойств лигнинов из соломы пшеницы и овса в отношении тяжелого радионуклида урана-238.
2. Методы и принципы исследования
Лигнины выделяли из соломы пшеницы Triticum и овса Avena sativa, заготовленной на посевных площадях Сысольского сортоиспытательного участка (с. Визинга, республика Коми). Компонентный состав стеблей овса: лигнин — 22–24%, целлюлоза — 47–49%, легкогидролизуемые полисахариды ~20–22%, зола ~4–5%. Компонентный состав стеблей пшеницы: лигнин — 21–23%, целлюлоза — 48–50%, легкогидролизуемые полисахариды ~20–22%, зола ~3–4%. Препараты лигнинов овса (SL-A) и пшеницы (SL-T) получены водно-диоксановой обработкой по методу Пеппера . Выход SL-A ~20%, SL-T ~25% от количества лигнина в исходном сырье.
Элементный анализ выделенных препаратов проводили на анализаторе фирмы Hewlett Packard (США). Для количественной оценки функциональных групп использовали методы, принятые в химии древесины
.ЭПР-спектры соединений снимали на радиоспектрометре SE/X-2547 (RadioPAN, Poland) в X-частотном диапазоне с ВЧ модуляцией 100 кГц и мощностью СВЧ поля — 2,2 мВт. Применяли резонатор RX102 с модой TE102. Оценку концентрации свободных радикалов производили с помощью эталонных образцов дифенилпикрилгидразила. Погрешность определения концентрации радикалов — 15%. Оценку длины L системы сопряженных С–С связей, по которой происходит делокализация неспаренного электрона, проводили по формуле: n≥1+ΔH0/ΔHРР)2, где ΔH0 = 2,25 мТл — величина расщепления, характеризующая взаимодействие электрона с протоном на группе С–Н.
ИК-фурье спектры регистрировались на спектрофотометре IRPrestige-21 фирмы Shimadzu (Япония), оснащенном детектором DLATGS, в диапазоне волновых чисел 400–4000 см-1 с разрешением 2 см-1. Для съемок использовали прессованные таблетки KBr. Отношение сигнал/шум >40000: 1.
Антиоксидантную активность (АОА) определяли с помощью кулонометрического анализатора Expert-006 производства «Эконикс-Эксперт» (Россия). (n=5; p=0,95) методом кулонометрического титрования анализируемых растворов электрогенерированными соединениями; n=5, p=0,95. Концентрация водных растворов лигнина 2%. Определение проводят при комнатной температуре. Электрогенерация брома осуществляется на потенциостате П-5827М из 0,2 М раствора бромида калия в 0,1 М водном растворе серной кислоты на платиновом электроде при постоянной силе тока 5,0 мА.
Пиролитическая хромато-масс-спектрометрия (ПХМС). Для проведения пиролиза использовали газовый хромато-масс-спектрометр GCMS-QP2010 Plus, оснащённый пиролизером EGA/PY-3030D (Frontier Laboratories Ltd.). Образцы лигнинов, взятые в количестве около 100 мкг, помещали в камеру пиролизера. Затем температуру поднимали со скоростью 50 °С/мин до 723 градусов Кельвина. Продукты пиролиза анализировали с использованием колонки из плавленого кремнезёма производства компании Agilent (США). Детектор MS функционировал в режиме ионизации электронным ударом. Анализ продуктов деструкции образцов проводили с использованием известных библиотек масс-спектров (NIST 2011 и Wiley electronic MS).
Сорбционные характеристики образцов в отношении U(VI) определяли в статических условиях при комнатной температуре (23±1 °С). Для изучения процессов сорбции использовали стандартный раствор урана-238 с концентрацией 0,80×·10-6 г/мл и рН 6,0. Гидромодуль 1:20. Время экспозиции 24 часа. После контакта с раствором нитрата уранила исследуемые сорбенты отделяли от жидкой фазы фильтрованием. В фильтрате определяли активность радионуклидов, по убыли которых рассчитывали показатель первичной сорбции A (%) урана из водных растворов. Способность образцов удерживать сорбированные радионуклиды оценивали методом последовательных вытяжек. Для этого определяли степень десорбции (%) в дистиллированной воде (DH2O), 1 М растворе ацетата аммония (DCH3COONH4) и 1 M растворе соляной кислоты (DHCl). Показатель прочной адсорбции радионуклида AF (%) определяли исходя из данных по суммарной десорбции элементов. Уран определяли люминесцентным методом как в работе .
3. Основные результаты и их обсуждение
Лигнины, наряду с целлюлозой, являются главными компонентами растительных пищевых волокон. Уникальной особенностью лигнинов является наличие кислых гидроксилов — фенольных групп, а также стабильных феноксильных радикалов, что является предпосылкой для проявления антиоксидантных свойств. Для количественной оценки интегральной антиоксидантной активности использовали кулонометрический способ, позволяющий определять суммарное содержание антиоксидантов в различных субстанциях. Метод основан на кулонометрическом титровании исследуемых образцов электрогенерированными соединениями брома (Br3-, Br2, Br·), которые обладают способностью вступать в различные окислительно-восстановительные реакции . В таблице 1 представлены результаты измерения показателей АОА образцов лигнинов из соломы пшеницы SL-T и овса SL-A, а также для сравнения хвойного (Picea abies) и лиственного (Robinia pseudoacacia) лигнинов.
Количество фенольных гидроксилов и антиоксидантная активность (АОА) лигнинов
Растительное сырье | ОНфен., % | АОА, 10-2, Кл/г | |
X±S | Sr | ||
Солома Avena sativa | 2,8 | 71,4±3,2 | 0,03 |
Солома Triticum | 2,6 | 63,3±2,4 | 0,05 |
Ель Picea abies | 2,1 | 52,1±2,3 | 0,07 |
Акация Robinia pseudoacacia | 2,2 | 55,1±2,0 | 0,05 |
Лигнин гидролизный | 1,5 | 2,5±0,2 | 0,08 |
Митофен | – | 108,1±3,1 | 0,07 |
Как показали измерения, величина антиоксидантной активности препарата SL-T составляет 63,3´10-2 Кл/г. Более высокое значение АОА — 71,4´10-2 Кл/г установлено для образца лигнина из соломы овса SL-A. Для лигнинов, выделенных из древесины акации и ели, антиоксидантная активность оказалась заметно ниже. Наиболее высоким показателем АОА 108,1´10-2 Кл/г характеризуется митофен — синтетическое производное полифенолов, структурно-химический аналог коэнзима Q10; и это не удивительно, так как этот препарат является одним из самых признанных антигипоксант-антиоксидантов пролонгированного действия, и широко используется в медицинской практике. К числу минусов митофена можно отнести его синтетическое происхождение. Таким образом, лигнины, как природные соединения, могут представлять значительный интерес для разработок новых фармакологических препаратов онко- и геропротекторного действия. В этом контексте стоит обратить внимание на исследование
, в котором на примере мелких млекопитающих (мышей) показано, что лигнинный препарат улучшает репродуктивную функцию животных обоих полов и повышает когнитивные способности самцов.Очевидно, что высокие антиоксидантные свойства лигнинов SL-T и SL-A обусловлены особенностями строения молекул этого биополимера. Лигнины, в отличие от других биополимеров, характеризуются поливариантностью химической структуры макромолекул
, что обусловлено многообразием мономерных предшественников и уникальностью механизма биосинтеза, в частности, отсутствием генетического контроля процесса на стадии сборки макромолекул из монолигнолов. В настоящее время все природные лигнины в соответствии с таксономической классификацией подразделяют на три класса: хвойные, лиственные и травянистые. Одной из актуальных задач химии лигнина на современном этапе является выявление структурных особенностей лигнинов в рамках отдельных таксономических групп в ботанической классификации. В связи с этим необходимо сравнить химический состав и химическое строение макромолекул SL-T и SL-A. В таблице 2 приведен их элементный и мономерный составы и количество функциональных групп. Число мономерных единиц гваяцильного (G), сирингильного (S) и p-кумарового (H) типов определили, как указано в экспериментальной части, методом пиролитической хромато-масс-спектрометрии.Элементный и мономерный составы и количество функциональных групп
Образец | С, % | Н, % | СООН, % | ОСН3, % | G, % | S, % | H, % |
SL-A | 59,2±0,1 | 5,26±0,10 | 4,3±0,2 | 16,3±0,3 | 44,7 | 49,1 | 6,3 |
SL-T | 60,3±0,2 | 5,66±0,2 | 3,2±0,1 | 15,4±0,4 | 67,3 | 27,9 | 4,8 |
Результаты элементного анализа образцов показывают, что по содержанию углерода они отвечают гваяцилсирингильным лигнинам, для которых определен интервал значений содержания углерода от 57% до 61%. Однако по степени метоксилированности SL-A и SL-T следовало бы отнести к классу гваяцильных лигнинов, так как число ОСН3-групп в расчете на фенилпропановую единицу не превышает 1,1, что следует из расчета усредненных брутто-формул мономерного звена: SL-A С9Н9,7О3,5(ОСН3)1,1; SL-T С9Н10,2О3,3(ОСН3)1,0. Тем не менее, противоречия между этими данными не существуют, поскольку в макромолекулах исследуемых лигнинов преобладают мономерные единицы гваяцильного типа при заметном количестве р-кумаровых звеньев. При этом лигнины злаков характеризуются сравнительно высоким содержанием таких кислородсодержащих функциональных групп, как фенольные гидроксилы (табл. 1). В лигнине овса количество фенольных групп равняется 2,8%, тогда как в древесных лигнинах их количество не превышает 2,2%. Ранее было выдвинуто предположение , что между антиоксидантной активностью и количеством фенольных гидроксилов в лигнинах существует корреляционная взаимосвязь. Данные, приведенные в таблице 1, подтверждают эту гипотезу, поскольку уравнение АОА=f(ОНфен.) соблюдается с коэффициентом линейной корреляции R=0,96.
ИК-фурье спектры исследуемых лигнинов содержат ряд характерных полос: 3440 см-1, 1710 см-1, 1600 см-1, 1510 см-1, 1470 см-1, 1430 см-1, 1325 см-1, 1225, 1270 см-1, 1170 см-1, 1035 см-1, 840 см-1. Анализ спектров показывает, что лигнин SL-А содержит больше карбоксильных групп, на что указывает более высокая интенсивность полосы 1710 см-1, что согласуется с результатами химического анализа (рис. 1).
ИК-фурье спектры образцов SL-A (1) и SL-T (2)
Можно отметить различия препаратов по содержанию сопряженных С=О–групп, входящих в кониферилальдегидные группировки (1660 см-1), что находится в согласии с результатами определения количества гваяцильных структур методом пиролитической хромато-масс-спектрометрии (ПХМС) (табл. 2). Соотношение интенсивностей полос 1500, 1470, 1430 см-1 часто используют для хемотаксономической идентификации лигнинов. В данном случае выполняется зависимость, характерная не для гваяцилсирингильных, а, напротив, для гваяцильных, т.е. хвойных лигнинов: А1500>А1470>А1425 см-1. Кроме того, как видно из спектров, А1270~А1225 для обоих образцов, хотя в соответствии с хемотаксономической классификацией Kawamura-Higuchi можно было бы ожидать другого соотношения интенсивностей этих полос: А1270<А1225. На основе анализа всех критериев можно констатировать, что лигнины овса и пшеницы следует отнести GSH-типу, что однозначно подтверждается объективной оценкой количества G-, S-, H- структур с помощью ПХМС (табл. 2).
Как известно, интенсивность полос при 1325 см-1 в спектрах лигнинов характеризует количество ароматических структур S-типа, тогда как полоса 1270 см-1 является маркером присутствия ароматического кольца G-типа. По ИК-фурье спектрам можно подтвердить вывод о более высоком содержание гваяцильных структур в лигнине пшеницы (1270 см-1). А для лигнина овса можно отметить сравнительно более высокое содержанием Н-единиц. На это указывает интенсивность полосы в области 1170 см-1, которая является маркером ароматических структур H-типа. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые лигнины имеют свои характерные особенности, отличающие их друг от друга и от лигнинов других таксономических классов.
Специфической особенностью лигнина как природного полимера является наличие парамагнитных свойств, обусловленных присутствием стабильных свободных радикалов. Спектры электронного парамагнитного резонанса могут быть охарактеризованы интенсивностью сигнала, значением электроскопического g-фактора и формой спектральной линии. Как показали исследования, сигналы ЭПР лигнинов SL-A и SL-Т представляют собой изотропные синглеты с g-фактором 2.0042–2.0044 (табл. 3). Это свидетельствует о том, что парамагнитные свойства лигнинов обусловлены наличием неспаренных электронов — парамагнитных центров (ПМЦ) с системой сопряженных углерод-углеродных связей.
Параметры спектров ЭПР и концентрация ПМЦ
Образцы | g-фактора | ΔHРР, мТл | Концентрация ПМЦ, 1018 спин/г | L, у.а. |
SL-A | 2,0044 | 0,78 | 0,22 | 12 |
SL-Т | 2,0042 | 0,81 | 0,12 | 11 |
Для лигнина SL-A ширина спектральной линии по точкам экстремумов ΔHРР составляет 0,78 мТл, что практически совпадает с ΔHРР для образца SL-Т. Ширина сигнала ЭПР-спектра лигнинов из древесных растений обычно заметно меньше (0,5–0,65 мТл), что связано со спецификой распределения межмономерных связей в макромолекулах. Как известно, ширина синглетной линии определяется степенью делокализации спиновой плотности, поэтому значения ΔHРР свидетельствуют о различных размерах системы сопряженных С–С связей макромолекул лигнинов. Делокализация спиновой плотности неспаренного электрона осуществляется по фенилпропановым единицам, имеющим в боковой цепочке олефиновые фрагменты (двойная связь Сα=Сβ). Число L для системы сопряженных углеродных атомов, по которым делокализован неспаренный электрон, достигает 12 углеродных атомов (у.а.).
Следующий этап исследований посвящен оценке сорбционных свойств лигнинов из соломы пшеницы и овса в отношении тяжелого естественного радионуклида урана-238. Очистка водных объектов от урана-238 представляет собой актуальную задачу, обусловленную загрязнением ряда природных водоемов этим радионуклидом. Концентрации урана в подземных водах может достигать 2 г/л при ПДК 15 мкг/л . Для дезактивации сточных вод промышленных предприятий с высокой концентрацией радионуклидов созданы весьма эффективные технологии и методы, включая адсорбционные с применением разнообразных минеральных и органических сорбентов. Однако при очистке воды с микроконцентрациями природных радионуклидов прогнозировать эффективность известных сорбционных материалов, и оценить их пригодность как энтеросорбентов особенно сложно. В таком случае необходимо измерять не только показатель первичной адсорбции S, но и оценить уровень десорбционных процессов в водных средах разного состава. В таблице 4 представлены результаты исследования сорбции–десорбции урана для образцов SL-A и SL-Т, а также для сравнения образца лигнина из древесины березы.
Показатели сорбции-десорбции урана-238
Образец | A, % | DH2O | DCH3COONH4 | DHCl | AF |
SL-A | 58,1 | 8,0 | 3,6 | 15,7 | 72,7 |
SL-Т | 46,8 | 8,7 | 5,2 | 20,2 | 65,9 |
Березовый лигнин | 30,1 | 25,0 | 6,5 | 18,2 | 50,3 |
Как следует из полученных результатов, образец SL-A характеризуется весьма высоким показателем первичной адсорбции А, достигающим почти 60%. Березовый лигнин сорбирует в два раза меньше урана-238. Выдерживание отработанных образцов в водных средах приводит к вымыванию из них определенного количества первоначально адсорбированного радионуклида. Наличие в жидкой фазе примесей, особенно электролитов, может оказывать существенное влияние на прочность его фиксации в фазе сорбента. Согласно полученным результатам для SL-A, дистиллированная вода приводит к десорбции около 8% U-238, водно-солевой раствор (CH3COONH4) десорбирует еще 3,6%, а разбавленный раствор соляной кислоты вымывает дополнительно еще 15% радионуклида. В конечном итоге, показатель прочной адсорбции AF для лигнина SL-A равняется 72,7%. Следует отметить, что, согласно литературным данным , , это вполне приемлемый результат, указывающий на перспективность апробации этого вида лигнина в качестве энтеросорбента в экспериментах с использованием млекопитающих. Несколько более скромная величина показателя AF получена для образца SL-Т, что обусловлено во многом довольно сильной десорбцией урана в растворе HCL. Березовый лигнин характеризуется сравнительно невысоким значением величины AF 50,3%. Полученные результаты показывают, что лигнины из отходов сельскохозяйственных культур — соломы злаков пригодны для использования в качестве сорбционных материалов для извлечения урана из водных сред с его низкой (менее 1 мкг/мл) концентрацией, что представляет интерес с точки зрения создания энтеросорбционных препаратов.
4. Заключение
Проведено исследование лигнинов, выделенных из соломы пшеницы Triticum sp и овса Avena sativa. Установлено, что они относятся к GSH-типу, содержат повышенное количество функциональных групп ОНфен. (2,6–2,8%) и обладают высокой антиоксидантной активностью (63,3–71,4×10-2 Кл/г), коррелирующей с содержанием фенольных гидроксилов (R=0,96). Выявлено наличие стабильных феноксильных радикалов (0,12–0,22×1018 спин/г) с делокализацией неспаренного электрона по системе из ~12 атомов углерода. В сорбционных экспериментах с U-238 показано, что лигнин овса характеризуется высокими показателями адсорбции радионуклида, значительно превосходя березовый лигнин. Полученные результаты обосновывают перспективность использования лигнинов из соломы злаков для разработки энтеросорбентов и природных антиоксидантов.