1. Введение

Лигнины представляют собой природные высокомолекулярные соединения [1], 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 [2]. 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 [3]. Показано, что солома злаковых культур представляет собой ценный возобновляемый источник различных пищевых растительных полимеров, в том числе лигнинов [4]. 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

Сысольского сортоиспытательного участка (с. Визинга, республика Коми)[5]

Элементный анализ выделенных препаратов проводили на анализаторе фирмы Hewlett Packard (США). Для количественной оценки функциональных групп использовали методы, принятые в химии древесины

[6]

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+H0/HРР)2, где H0 = 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.

Сорбционные характеристики образцов в отношении U(VI) определяли в статических условиях при комнатной температуре (23. 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 [7].

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 [8]. 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.

Как показали измерения, величина антиоксидантной активности препарата SL-T составляет 63,3´10-2 Missing Mark : supКл/г. Более высокое значение АОА — 71,4´10-2Missing Mark : sup 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´10-2Missing Mark : sup Кл/г характеризуется митофен —

синтетическое производное полифенолов, структурно-химический аналог коэнзима Q10является одним из самых признанных антигипоксант-антиоксидантов пролонгированного действия, и широко используется в медицинской практикеВ этом контексте стоит обратить внимание на исследование[9]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

[10]

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 [11], 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).

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 [12] 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.

Для лигнина SL-A ширина спектральной линии по точкам экстремумов HРР составляет 0,78 мТл, что практически совпадает с HРР 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 HРР 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 С=С). 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 [13]. 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.

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 , 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 [14], [15], 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 и овса . 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×) 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.

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