1. Введение

Микотоксины – вторичные метаболиты плесневых грибов, накапливающиеся в зерновых кормах и продуктах питания при хранении. Они являются биогенными ядами и поэтому при потреблении таких кормов и продуктов у животных и человека могут возникать весьма серьезные заболевания – микотоксикозы. Существует целый ряд мер профилактики микотоксикозов, однако не всегда они приводят к нужным результатам, поэтому в настоящее время большое внимание уделяется поиску препаратов – энтеросорбентов, способных выводить микотоксины из организма животных и человека [1], [2]. К числу наиболее перспективных энтеросорбентов можно отнести различные препараты, получаемые из ксилемы растений. Технические отходы пищевой и мукомольной промышленности, содержащие большие количества растительных биополимеров – полисахаридов и лигнинов, представляют собой, на наш взгляд, весьма ценное сырье для различных отраслей промышленности, включая химическую и фармацевтическую. Значительный интерес представляют лигнины – полифункциональные ароматические биополимеры, построенные из структурных единиц гваяцильного, сирингильного и п-кумарового типов. В последние годы было показано, что лигнинные биополимеры – это перспективные природные соединения для создания нового класса биомедицинских препаратов полифункционального назначения, например, антиоксидантов, онко- и геропротекторов, а также энтеросорбентов [3]. Следует отметить, что лигнины достаточно устойчивы к воздействию пищеварительных ферментов желудочно-кишечного тракта, практически не деполимеризуются и поэтому не всасываются в кровь.

Одним из наиболее токсичных продуктов жизнедеятельности плесневых грибов является Т-2 токсин, продуцируемый грибами рода Fuzarium [4]. Необходимо отметить, что в 20-м веке были зафиксированы случаи массового отравления животных и людей зерном и хлебом, содержащим этот токсин [5]. В работе [6] на примере технических препаратов (сульфатный лигнин, гидролизный лигнин) показано, что лигнины действительно обладают адсорбционной способностью в отношении микотоксина Т-2. Однако возможность практического использования технических лигнинов проблематична. К числу недостатков энтеросорбентов на основе технических лигнинов относятся изменчивость и вариабельность состава препаратов, обусловленная технологическими параметрами производственных процессов, и наличие нежелательных примесей в виде соединений серы и золы. В связи с этим представляет интерес оценка сорбционных свойств так называемых малоизмененных препаратов лигнина. Как известно [7], лигнины, входящие в состав различных видов растений, отличаются по своей химической и топологической структуре, поэтому не исключено, что свойства лигнина как адсорбента будут зависеть от таксономического происхождения растений. В данной работе представлены результаты исследования химической структуры лигнинов, выделенных из некоторых видов растительных отходов, и проведена оценка их адсорбционной способности в отношении микотоксина Т-2.

2. Методы и принципы исследования

В качестве источника лигнинов использовали различные отходы сельскохозяйственных культур, заготовленные на опытных плантациях Сысольской сортоиспытательной станции (Республика Коми) после уборки урожая. Препараты лигнинов выделяли методом Пеппера [8], обрабатывая растительный материал водным диоксаном (9:1) в присутствии HCl (0,7 %) при температуре кипения. Обозначения препаратов диоксанлигнина: Л-1 (стебли топинамбура), Л-2 (кочерыжка капустная), Л-3 (солома пшеничная), Л-4 (солома ржаная), Л-5 (смесь соломы трех злаков: канареечника тростниковидного Phalaroides arundinacea, мятлика болотного Poa palustris и вейника седеющего Calamagrostis canescens при соотношение 1:1:1 по массе.

Определение функциональных групп проводили по стандартным методикам, принятым в химии лигнина [9]

Элементный анализ проводили в экоаналитической лаборатории «Экоаналит» Института биологии Коми НЦ УрО РАН методом газовой хроматографии (Анализатор элементный ЕА 1110 (CHNS-O), Италия, СЕ Instruments).

Инфракрасные спектры образцов с преобразованием Фурье регистрировали на спектрофотометре IRPrestige-21 Shimadzu, оснащенном детектором DLATGS, в диапазоне волновых чисел 400-4000 см−1 с разрешением 4 см−1.

Качественное и количественное определение Т-2 токсина проводили методом хроматографии с биоавтографическим завершением, используя культуру

[10]

Определение характеристик пористой структуры адсорбентов проводили методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе удельной поверхности и пористости ASAP 2020 mp (Micromeritics, USA). Образцы адсорбента предварительно дегазировали в порту дегазации прибора при 100°С до остаточного давления 7·10-4 Па с выдерживанием при заданных условиях в течение 2 часов. Навеска образцов составляла от 20 до 160 мг в зависимости от предполагаемой структуры образца. Далее в порту анализа проводили адсорбцию и десорбцию газа в интервале давлений от 0 до 101,3 кПа. Используя программное обеспечение прибора, по полученным изотермам рассчитывали параметры пористой структуры. Объём мезопор Vmeз определяли с помощью метода Баррета-Джойнера-Халенды. Показатели удельной площади поверхности (УПП) определяли методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ).

3. Основные результаты и их обсуждение

В таблице 1 представлены результаты определения адсорбционных свойств образцов лигнина в отношении микотоксина Т-2. Наиболее высокой сорбционной активностью обладает препарат Л-3, выделенный из соломы пшеницы, показатель прочной (необратимой) адсорбции SF которого достигает 69,8%. Чуть ниже этот показатель для препарата Л-5 – 68,3%. Наименьшей сорбционной способностью характеризуется препарат Л-1, полученный из стеблей топинамбура.

Как было далее установлено, сорбционные свойства образцов варьируются в зависимости от числа реакционноспособных функциональных групп, таких как фенольные и карбоксильные. Для образца Л-1 суммарное число этих групп S(ОНф+ОНск) оказалось наименьшим (таблица 1), что объясняет наиболее низкие по значению сорбционные показатели. Следует также отметить, что особенностью этого образца является высокий показатель десорбции D, то есть значительное количество микотоксина связано с поверхностью адсорбента непрочными связями, которые разрываются при рН 8. Очевидно, что низкая сорбционная способность образца, полученного из стеблей топинамбура, обусловлена ограниченным числом активных функциональных групп, способных взаимодействовать с микотоксином.

Представляет интерес сопоставление данных по сорбционной способности исследуемых образцов с коммерческими энтеросорбентами. В табл. 1 представлены данные по сорбции-десорбции микотоксина Т-2 для минерального «Токсипол» и органического энтеросорбента «Микосорб». Как следует из этих результатов, препараты на основе лигнинов не уступают по сорбционным показателям указанным выше коммерческим препаратам, причем образец Л-3 характеризуется даже более высокими значениями как показателя S, так и показателя «истинной» адсорбции SF .

Как известно, показатели адсорбции могут быть обусловлены как поверхностными свойствами сорбентов, так и структурно-химическими особенностями макромолекул, влияющими на хемосорбцию. В табл. 1 представлены данные, характеризующие химическое строение исследуемых лигнинов. Элементный состав всех препаратов различен: содержание углерода находится в интервале 58-60%, водорода – 5,5-6,6%. Соответственно, по количеству атомов кислорода препараты также несколько различаются. Как уже было указано выше, к числу активных кислородсодержащих функциональных групп, способных образовать достаточно прочные связи с молекулами микотоксина Т-2, следует отнести фенольные и карбоксильные группы. Наименьшее количество фенольных гидроксилов ОНф обнаружено в препарате Л-4, выделенном из ржаной соломы. Существенно больше фенольных гидроксилов выявлено в образце лигнина, который получен из набора трех видов соломы (образец Л-5).

Суммарное количество кислых функциональных групп S(ОНф+ОНск), обладающих высокой реакционной способностью, также существенно различается, что не может не повлиять на сорбционную способность исследуемых образцов лигнина. Анализ взаимосвязи показателей сорбции и количества ОН-групп, позволяет утверждать, что существует тесная корреляция между количеством ионогенных групп и адсорбционными показателями S и SF (рис. 1).

В частности, коэффициент линейной корреляции S(ОНф+ОНск) – SF составляет 0,95. Взаимосвязь между количеством фенольных ОН-групп и показателем прочной (необратимой) адсорбции выражается уравнением: SF = 42,5[ОНф]-29,8 при коэффициенте линейной корреляции R=0,81 (сильная корреляционная связь). Таким образом, полученные результаты анализа свидетельствуют о том, что хемосорбционные взаимодействия играют важную роль в процессах адсорбции токсина Т-2. Следует отметить, что различия исследуемых образцов по количеству высокоактивных гидроксильных групп достаточно наглядно проявляются при анализе ИК-Фурье спектров, в частности образцов Л-1 и Л-3 (рис. 2).

Полоса поглощения при 1730 см-1 обусловлена, как известно, валентными колебаниями С=О-связей, входящих в карбоксильные группы. С учетом данных химического анализа (табл. 1) вполне логично, что для образца Л-3 эта полоса намного более интенсивна, чем для образца Л-1. Аналогичный вывод следует при анализе полосы поглощения валентных колебаний ОН-групп (3430 см-1). Низкочастотное плечо этой полосы заметно шире именно для образца Л-3, что подтверждает результаты химического анализа количества фенольных ОН-групп (таблица 1).

Считается, что сорбционные свойства материалов в значительной степени зависят от поверхностно-пористой структуры. Поэтому были проведены исследования образцов с помощью метода низкотемпературной адсорбции азота, который выявляет все специфические особенности адсорбционных материалов. На рис. 3 приведены изотермы адсорбции азота для образцов адсорбентов, характеризующихся наиболее низкой (образец Л-5) и наиболее высокими показателями УПП (образцы Л-3 и Л-4).

Следует отметить, что изотермы всех исследованных образцов имеют типичную

S-образной форму.

[13]

Установлено, что наиболее высокие характеристики имеет препарат Л-4: величина общей удельной поверхности, рассчитанная по методу Брунауэра-Эммета-Теллера дает величину 36,0 м2Missing Mark : sup/г. Наименьшая удельная поверхность наблюдается для образца лигнина Л-5. Поскольку общая удельная поверхность формируется за счет поверхности мезо- и микропор, то вполне ожидаемо, что препарат Л-4 превосходит другие образцы и по общему объему пор (0,26 см3Missing Mark : sup /г) и по их удельной поверхности. Несмотря на это, данный препарат является далеко не лучшим с точки зрения адсорбционной способности в отношении микотоксина Т-2. Наиболее эффективным адсорбентом оказался образец Л-3, хотя он уступает образцу Л-4 по величине УПП в 2,5 раза. Следует отметить, что и другие показатели поверхности препарата Л-3 заметно ниже, чем образца Л-4. Анализ корреляционных зависимостей (таблица 3) свидетельствует о том, что, ни высокая удельная площадь поверхности, ни объем пор не оказывает положительного влияния на процесс адсорбции микотоксина. Так взаимосвязь между удельной поверхностью и показателем прочной адсорбции описывается корреляционным уравнением SFMissing Mark : sub = 74,4 - (0,92´УПП) с коэффициентом линейной корреляции

Итак, полученные результаты свидетельствуют о потенциальной возможности создания препаратов на основе природных лигнинов, имеющих перспективы практического применения. Безусловно, в первую очередь речь идет о возможности производства эффективных лигнинных энтеросорбентов ветеринарного назначения для применения в животноводстве. Использование малоизменённых лигнинов вместо технических гидролизных (препараты Полифепан, Фильтрум) позволят исключить примеси серы и золы и создать более безопасные и экологически чистые энтеросорбенты. Одним из перспективных практически-значимых направлений НИР является создание БАДов на основе лигнинов для профилактики микотоксикозов и уменьшения риска отравлений микотоксинами. Стоит также упомянуть об экологических и экономических выгодах использования препаратов на основе природных лигнинов. Это связано с утилизацией сельскохозяйственных отходов и созданием сорбентов из доступного и недорогого растительного сырья.

4. Заключение

Проведено исследование процессов сорбции-десорбции микотоксина Т-2 в условиях, имитирующих среду желудочно-кишечного тракта млекопитающих. В качестве биосорбентов использованы диоксановые лигнины, выделенные из отходов сельскохозяйственных культур – соломы различных злаков, а также ксилемы топинамбура и капусты. Установлены количественные данные о поверхностно-пористой структуре, элементному и функциональному составу лигнинов. Показано, что наиболее высокими показателями прочной адсорбции характеризуется лигниновый сорбент, полученный из пшеничной соломы, а наиболее низкими сорбционными свойствами обладает лигнин из стеблей топинамбура. Установлены корреляционные соотношения между характеристиками сорбентов различного ботанического происхождения и сорбционной способностью в отношении микотоксина Т-2. Показано, что хемосорбционные взаимодействия между функциональными группами лигнинов и микотоксина играют определяющую роль в процессах его удаления из водных сред.

The additional file for this article can be found as follows: