STRUCTURAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS, ANTIOXIDANT AND SORPTION PROPERTIES OF LIGNINS FROM STRAW OF ANNUAL CEREALS
STRUCTURAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS, ANTIOXIDANT AND SORPTION PROPERTIES OF LIGNINS FROM STRAW OF ANNUAL CEREALS
Abstract
The chemical structure of lignins isolated from the straw of annual cereal plants of wheat Triticum (SL-T) and oats Avena sativa (SL-A) by the Pepper water-dioxane method has been studied using elemental and functional analysis, as well as IR-Fourier and EPR spectroscopy. It has been established that lignins from grain straw belong to the GSH type and differ from wood lignins by an increased content of phenolic hydroxyls and a higher antioxidant activity (AOA). The AOA values were 71,4×10-2 C/g for the SL-A sample and 63,3×10-2 C/g for the SL-T sample. A correlation was found between the value of AOA and the number of phenolic OH groups (R=0,96). It has been shown that lignins contain stable phenoxyl radicals in the amount of 0,12×1018 spin/g (SL-T) and 0,22×1018 spin/g (SL-A). In sorption experiments, the degree of extraction of uranium-238 from aqueous solutions with a low concentration of radionuclide (<1 mg/ml) was estimated. It was found that the studied samples SL-A and SL-T have different sorption capacity with respect to uranium, and both preparations showed higher sorption rates than birch lignin. The rates of strong adsorption of uranium were 72,6% for lignin from oat straw and 65,9% for lignin from wheat straw. The data obtained confirm the prospects of using lignins from cereal straw as a basis for obtaining enterosorption preparations and natural antioxidants.
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.