XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка солнцезащитного крема с фотоактивным компонентом на основе лигнина

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Колыбзева В.Н. 1Сиделева А.Р. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Лицей № 7 имени Героя Советского Союза Б.К. Чернышева"

Голубков Виктор Александрович 1

---

1МАОУ Лицей №7, ИХХТ СО РАН

Работа в формате PDF

492.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Создание эффективных солнцезащитных кремов с применением лигнина и его модификаций, перспективных для промышленного выпуска, может быть частью большой сети производств, которые основаны на безотходных технологиях глубокой переработки растительной биомассы (древесины, коры, отходов лесопиления, отходов механической переработки сельскохозяйственных растений).

Цель настоящей работы разработка нового состава солнцезащитного крема на основе доступных кремовых основ с применением лигнина и его модификаций в качестве фотоактивного компонента.

Задачи:

1) Получение образцов лигнина из отходов лесопереработки и/или сельского хозяйства.

2) Синтез химически модифицированных образцов лигнина для наработки опытных образов солнцезащитного крема.

3) Создание экспериментальных образов солнцезащитного крема с фотоактивным компонентом на основе лигнина и исследование их свойств.

Авторы работы принимали личное активное участие в выполнении исследования: литературный обзор, выделение этаноллигнина из раствора после органосольвентной варки, химический синтез модификаций, приготовление экспериментальных образцов крема, подготовка их к анализу методом сканирующей электронной микроскопии, проведение измерения SPF методом электронной спектроскопии.

Литературный обзор

Излучение Солнца, достигающее поверхности Земли необходимо для человека, в том числе для его здоровья. Однако, широко известен и вред интенсивного солнечного света, особенно области, которая называется ультрафиолетовым излучением (до 400 нм). Воздействие ультрафиолетовых лучей на незащищенную кожу человека может приводить к солнечной эритеме (ожогу кожи), фототоксическим и фотоаллергическим реакциям, является фактором риска для развития добро- и злокачественных новообразований [1]. Предотвратить негативное влияние на кожу человека без применения физических барьеров можно, используя фотозащитные средства - специализированные лосьоны, спреи, гели, крема, пены или другие продукты для местного применения, которые поглощают или отражают часть солнечного ультрафиолетового излучения. Компоненты солнцезащитных средств, которые ответственны за отражение, рассеяние или поглощение – фотоактивные компоненты, подразделяются на физические (неорганические) и химические (органические) [2, 3].

Последние годы в качестве нового перспективного фотоактивного компонента солнцезащитных кремов рассматривается лигнин [4, 5]. Лигнин обладает высокой антиоксидантной активностью [6], противоопухолевой, противовирусной и противомикробной активностью [7], что открывает многообещающие перспективы для фармакологических и биомедицинских применений.

Лигнин является одним из основных компонентов растительного сырья, его содержится 18-24% в лиственной древесине, 23-35% в хвойной древесине и 12-20 % в травянистых растениях. Лигнин по сравнению с целлюлозой и гемицеллюлозами в меньшей степени используется при химической переработке растительной биомассы, зачастую становится отходом.

В настоящее время лигнин как компонент солнцезащитных средств изучен очень ограничено, в России данная тема не развивается. Химические модификации лигнина, продукты его сульфатирования, этерификации, азосочетания в настоящее время не изучены, но могут оказаться более эффективными препаратами для защиты от вредных ультрафиолетовых лучей. Это обуславливает научную и патентную новизну данного проекта.

Сосна – наиболее востребованный тип древесины среди всех хвойных пород. Область её применения в различных сферах обширна. Этот вид древесины выделяется своей надёжностью и относительной доступностью по сравнению с лиственными породами, такими как дуб, ясень и древесина других деревьев. Широко используется в строительстве для возведения жилых домов, бань, хозяйственных построек. Из 168,1 млн га лесов Красноярского края сосновые составляют около 17%.

Отходы производственно-хозяйственной деятельности лесной промышленности как совокупности отраслей промышленности, ведущих лесоэксплуатацию, заготовку древесины, ее обработку и переработку, весьма разнообразны по видам и количеству. На этапах лесозаготовления и лесопиления количество отходов составляет около 40 % [11]. Полученные отходы можно использовать в химической переработке, преобразовывая отходы в ценные продукты. Таким образом, переработка древесины сосны, а именно отходов лесопиления, механической переработки, в ценные химические продукты, является актуальной задачей.

Экспериментальная часть

Используемое сырьё

Опилки сосны обыкновенной (Pinussylvestris), собранные на лесопилке в окрестностях города Красноярска использовались в качестве сырья. Воздушно-сухую лигноцеллюлозную массу измельчали в вибрационной мельнице ВР-2 (Россия), после чего проводили сухое фракционирование на ситах. Для работы использовали фракцию < 0,5 мм, высушивали при 80°С.

Обессмаливание сырья и определение содержания экстрактивных веществ

Для получения более качественного этаноллигнина из сырья удаляли экстрактивные вещества экстракцией спирто-бензольной смесью (1:2) в течение 8 ч в аппарате Сокслета. Древесину высушивали при 60^°С, количество экстрактивных веществ оценивали по массе остатка древесины. Было наработано 6 проб по 40 г.

Выделение этаноллигнина из экстрагированных опилок сосны

Органосольвентную варку проводили в автоклавном реакторе Rexo Engineering (Корея) емкостью 3 л. Автоклав герметизировали, троекратно продували аргоном, после чего нагревали до необходимой температуры. Температура процесса 185°C, рабочее давление 0,75 МПа, длительность 3 ч. В качестве реакционной среды использовалось 2 л 60% этанол, загрузка опилок сосны составила 216 г.

Реакционную смесь выгружали из остывшего реактора, фильтровали на бумажном фильтре и промывали этиловым спиртом до прозрачных промывных вод. Линоцеллюлозный продукт сушили на воздухе.

Фильтрат охлаждали до температуры 4°С, после чего добавляли трёхкратный объём охлажденной до 4°С дистиллированной воды и льда. Выпавший осадок оставляли в холодильнике (при температуре не выше 10°С) на 12 ч, после чего фильтровали на воронке Бюхнера и сушили при температуре 60°С до постоянной массы и растирали в ступке. Получали этаноллигнин сосны, далее PinEL.

Компонентный анализ сырья

Исходную древесину и лигноцеллюлозный продукт анализировали по Класону на содержание лигнина, по Кюршнеру на содержание целлюлозы, экстрактивные вещества по спирто-бензольному методу, зольность по содержанию по общей нелетучей золы (прокаливание при 400 и 800°С), гемицеллюлозы рассчитывали по разнице.

Синтез азопроизводных этаноллигнина

Для получения диазониевой соли 4-нитроанилина в стеклянный стакан (50 мл) помещали 1,125 мл воды, 1,125 мл концентрированной HCl (~12-13 ммоль) и 0,5 г 4-нитроанилина (~3,6 ммоль). Раствор охлаждали до 0 °С на ледяной бане и добавляли к нему охлажденный до 0 °С раствор 0,7 г NaNO₂ (~10 ммоль) в 1 мл воды. Для получения диазониевой соли сульфаниловой кислоты, в стеклянный стакан (50 мл) помещали 1 г сульфаниловой кислоты (~5,8 ммоль), 2,5 мл 2 М NaOH (5 ммоль) и 0,8 г NaNO₂ (~12 ммоль) в 5 мл воды. Раствор охлаждали до 0 °С на ледяной бане и добавляли к нему 10 мл 2 M HCl (~20 ммоль) охлажденной до 0 °С.

В отдельном стакане 0,9 г этаноллигнина PinEL растворяли в 5 мл 2 М NaOH (~10 ммоль) и охлаждали до 0°С. К щелочному раствору лигнина постепенно добавляли раствор соли диазония при перемешивании и температуре ~0 °С. Реакционную смесь оставляли на 0,5 ч на бане со льдом, затем проводили очистку и выделение продукта.

Модифицированный с хлоридом 4-нитродиазония образец, нерастворимый в воде, отфильтровывали на воронке Бюхнера, затем сушили на воздухе при 60°С. Образец обозначили как PELN. Водорастворимый образец, модифицированный хлоридом 4-сульфодиазония, подвергали диализу в диализном мешке MF-503-46 MFPI с размером пор 3,5 кДа против воды в течение ~40 ч, воду меняли каждый час. После диализа раствор упаривали досуха при 60°С и получали твердый водорастворимый остаток. Модифицированный сульфаниловой кислотой образец обозначили как PELSA.

Получение образцов солнцезащитных кремов с лигнином

В качестве основы использовалась коммерчески доступная эмульсионную питательная кремовая основа «Floresan Lecove professionnelle». Образцы лигнина в необходимых пропорциях смешивались с кремовой основой и тщательно перемешивались с помощью широких шпателей. Образцы хранили в холодильнике при 10°С. Образцы крема названы по названию добавке лигнина и её массовой доле (например, 2%PELSA)

Сканирующая электронная микроскопия

Образцы разработанных солнцезащитных кремов изучали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе TM 4000 Plus (Hitachi, Япония). Образцы крема предварительно наносили тонким слоем на токопроводящую медную пластину и высушивали при 60°С в вакууме.

In vitro определение SPF методом электронной спектроскопии

Электронные спектры регистрировали на сканирующем спектрофотометре Эковью УФ-6900 (Россия) при ширине спектральной щели 1,8 нм с разрешением 1 нм. Образец крема массой 2 мг наносили на кварцевую пластину 10х10х1,25 мм, поскольку SPF нормирован как показатель эффективности 2 мг/см² [12]. На пластинку с нанесённым кремом клали идентичную кварцевую пластину, равномерно распределяя крем. Базовая линия была записана относительно 2 кварцевых пластин. Каждый образец исследовали данным методом не менее 5 раз, средние спектры приведены в качестве репрезентативных материалов. SPF рассчитывался по каждому эксперименту, затем для образца бралось среднее значение и стандартное квадратичное отклонение.

Стандартный солнечный спектр ASTM G173-03 [13] использовался в данной работе для расчёта SPF образцов солнцезащитных кремов. Для получения эффективного солнечного спектра (Рисунок 1), то есть мощности его воздействия на кожу, умножали на коэффициенты (ery) эритемного воздействия по стандарту CIE-1987 [14]:

ery(λ)=1.0 290nm<λ≤298nm

ery(λ)=10^{0.094(298-λ)} 298nm<λ≤328nm

ery(λ)= 10^{0.015(140-λ)} 329nm<λ≤400nm

Рисунок 1. Стандартный и эффективный солнечный спект

SPF рассчитывали следующим образом:

где, ЭС(λ) – эффективный солнечный спектр по длине волны; Т(λ) – коэффициент пропускания по длине волны; длины волн 290-400 нм.

Результаты и обсуждения

Выделение этаноллигнина

Измельчённые и экстрагированные опилки сосны обыкновенной (Pinussylvestris), собранные на лесопилке в окрестностях города Красноярска, использовались в качестве сырья этанольной варки. Определили содержание компонентов в исходных и экстрагированных опилках сосны (Таблица 1).

Таблица 1. Состав исходных (1), экстрагированных (2) опилок сосны и (3) лигноцеллюлозного продукта этанольной варки

Провели процесс органосольвентной, этанольной варки. Получены 3 продукта: этаноллигнин, водно-спиртовой сточный раствор и лигноцеллюлозный продукт. Выход лигноцеллюлозного продукта составил 141,55 г, 65,5 мас. % от сырья. Делигнификация 40,5 %; выход целлюлозы, 71,5 мас.%. В результате органосольвентной варки изменяется компонентный состав: незначительно уменьшается содержание лигнина, увеличивается содержание целлюлозы и гемицеллюлоз (Таблица 1).

Выход этаноллигнина составил 5,82% от общей массы сырья, что соответствует 21,5 % от лигнина Класона. Наработано ~12 г этаноллигнина сосны (PinEL). В литературных данных в зависимости от сырья и условий этанольной варки из древесины сосны удаётся выделить от 19 до 60 % лигнина Класона [15-17]. Для повышения выхода целевого продукта требуется оптимизация процесса, однако поставленная задача – наработка этаноллигнина сосны для его модификации реакцией азосочетания, выполнена успешно.

Модификация этаноллигнина реакцией азосочетания

Получены модификации этаноллигнина реакцией азосочетания с диазониевыми солями 4-нитроанилина и сульфаниловой кислоты – образцы PELN и PELSA, соответственно. Выход составил 187 и 146 мас.% на лигнин.

Через азосочетание в полимер вводятся новые функциональные группы, которые заметно влияют на его свойства. Так, исходный этаноллигнин PinEL не растворим в воде, но растворим в органических растворителях. Модифицированный 4-нитробензолдиазоний хлоридом PELN хотя и имеет полярные и, соответственно, гидрофильные нитрогруппы, но не становится водорастворимым. Модифицированный азосочетанием с 4-сульфобензолдиазония хлоридом хорошо растворим в воде (>10 г/л) в широком диапазоне pH (1-12).

Получение солнцезащитных кремов и их исследование

Для того, чтобы получить экспериментальные образцы солнцезащитных кремов с добавками лигнина мы использовали простое ручное смешение при помощи шпателей с получением однородной массы.

Образцы крема с добавками 2 мас.% нерастворимых в воде PinEL, PELN становятся более плотными и вязкими по сравнению с исходной кремовой основой. Добавка 2 мас.% PinEL окрашивает крем в цвет тёмный хаки, 2% PELN – от коричневого до тёмного красно-коричневого, образцы не имеют блеска, матовые.

Иная ситуация с растворимым в воде лигнином – PELSA. Он растворяется в кремовой основе, приводит к разжижению крема. При добавках PELSA более 4 мас.% может происходить расслаивание крема с образованием окрашенной тёмно-коричневой жидкости – водного раствора этаноллигнина, модифицированного азосочетанием с 4-сульфобензолдиазония хлоридом (PELSA). Добавка 2 мас.% PELSA окрашивает крем в светло-коричневый цвет, сходный с цветом карри. Увеличение загрузки до 4 % приводит к окраске коричневого, до 8% - тёмно-коричневой с чёрно-красным отливом. Образцы имеют глянцевый блеск.

Рисунок 2. Фотографии а) кремовой основы; полученных кремов б) 2%PinEL; в) 2%PELN; г) 2%PELSA; д) 4%PELSA, е) 8%PELSA.

Исследование кремов методом сканирующей электронной микроскопии показало, что при применении нерастворимых форм лигнина (PinEL или PELN) в матрице крема наблюдаются частицы лигнина размером до 50 мкм (Рисунок 2 А). При использовании лигнина растворимого в воде и, соответственно в креме, (PELSA), частиц не наблюдается и даже структура высушенного крема принципиально изменяется, становится пористой и однородной (Рисунок 2 Б).

Рисунок 3. Микрофотографии высушенных образцов крема
А) 2%PELN и Б) 2%PELSA.

Методом электронной спектроскопии получены спектры пропускания разработанных кремов (Рисунок 2), которые позволяют рассчитать SPF - коэффициент защиты от Солнечного излучения (Таблица 2). На спектрах образцов PELSA, содержащих этаноллигнин, модифицированный азосочетанием с 4-сульфобензолдиазония хлоридом, наблюдается полоса поглощения с максимумом 360 нм, особенно для 8%PELSA, характерную для ароматических азосоединений.

Рисунок 4. Средние электронные спектры пропускания разработанных кремов

Таблица 2. SPF кремов, рассчитанный из данных электронной спектроскопии.

Разработанные образцы крема имеют SPF 5-10, что соответствует повседневным солнцезащитным средствам. Образцы с водорастворимой модификацией лигнина PELSA имеют меньшую эффективность, а их показатель SPF пропорционален содержанию добавки лигнина.

Полученные нами образцы превосходят литературные данные. Крема с добавкой 2% щелочного лигнина имели SPF 1,7-2,7. Для достижения SPF 5-6 требовалось 10% лигнина [18]. Крема с добавками 10 мас.% органосольвентного лигнина бука и ели, а также Крафт-лигнина в форме макрочастиц имели SPF 9-11, с лигнином пшеничной соломы – 25. Добавки 5 мас.% этих органосольвентных лигнинов в форме наночастиц (90-150 нм) позволяли достичь SPF 11, 20 и 42 для лигнинов ели, бука и соломы пшеницы, соответственно [19].

Заключение

В результате исследования разработаны новые составы солнцезащитных кремов на основе доступной кремовой основы с применением лигнина и его модификаций в качестве фотоактивного компонента. Синтезированы азопроизводные этаноллигнина сосны. Созданы экспериментальные образцы солнцезащитного крема с добавками 2-8% лигнина как фотоактивного компонента и исследованы их спектральные свойства, определена эффективность защиты от УФ диапазона солнечного света. Разработанные образцы крема имеют SPF 5-10, что соответствует повседневным солнцезащитным средствам.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта № 20231211-07330. Авторы благодарят сотрудников ИХХТ СО РАН, помогавших в исследовании: Жижаев А.М., Смирнова М.А.

Список используемой литературы

1. Олисова О., Владимирова Е., Бабушкин А. Кожа и солнце / Олисова О., Владимирова Е., Бабушкин А. // Российский журнал кожных и венерических болезней. ‒ 2012. № 6. ‒ C. 57-62

2. Свиридова А., Ищенко А. Солнцезащитные средства. I. классификация и механизм действия органических УФ фильтров / Свиридова А., Ищенко А. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. ‒ 2006. ‒ T. 49, № 11. ‒ C. 3-14

3. Ищенко А., Свиридова А. Солнцезащитные средства. Ii. Неорганические УФ фильтры и их композиции с органическими протекторами / Ищенко А., Свиридова А. // Известия высших учебных заведений. Химияихимическаятехнология. ‒ 2006. ‒ T. 49, № 12. ‒ C. 3-16

4. Qian Y., Zhong X., Li Y., Qiu X. Fabrication of uniform lignin colloidal spheres for developing natural broad-spectrum sunscreens with high sun protection factor / Qian Y., Zhong X., Li Y., Qiu X. // Industrial Crops and Products. ‒ 2017. ‒ T. 101. ‒ C. 54-60

5. Gordobil O., Olaizola P., Banales J. M., Labidi J. Lignins from agroindustrial by-products as natural ingredients for cosmetics: Chemical structure and in vitro sunscreen and cytotoxic activities / Gordobil O., Olaizola P., Banales J. M., Labidi J. // Molecules. ‒ 2020. ‒ T. 25, № 5. ‒ C. 1131

6. Barapatre A., Meena A. S., Mekala S., Das A., Jha H. In vitro evaluation of antioxidant and cytotoxic activities of lignin fractions extracted from Acacia nilotica / Barapatre A., Meena A. S., Mekala S., Das A., Jha H. // International journal of biological macromolecules. ‒ 2016. ‒ T. 86. ‒ C. 443-453

7. Spiridon I., Poni P., Ghica G. Biological and pharmaceutical applications of lignin and its derivatives: a mini-review / Spiridon I., Poni P., Ghica G. // Cellul. Chem. Technol. ‒ 2018. ‒ T. 52, № 7-8. ‒ C. 543-550

8. Чурадзе Л., Чагелишвили В., Кахетелидзе М., Явич П., Мcхиладзе Л. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИННОВАЦИИ / Чурадзе Л., Чагелишвили В., Кахетелидзе М., Явич П., Мcхиладзе Л. // СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИННОВАЦИИ Учредители: Международный научно-инновационный центр № 11

9. Kostyuk V., Potapovich A., Albuhaydar A. R., Mayer W., De Luca C., Korkina L. Natural substances for prevention of skin photoaging: Screening systems in the development of sunscreen and rejuvenation cosmetics / Kostyuk V., Potapovich A., Albuhaydar A. R., Mayer W., De Luca C., Korkina L. // Rejuvenation Research. ‒ 2018. ‒ T. 21, № 2. ‒ C. 91-101

10. Ratz‐Łyko A., Arct J., Majewski S., Pytkowska K. Influence of polyphenols on the physiological processes in the skin / Ratz‐Łyko A., Arct J., Majewski S., Pytkowska K. // Phytotherapy Research. ‒ 2015. ‒ T. 29, № 4. ‒ C. 509-517

11. И. С. В., А. М. Н. Отходы лесной промышленности и их использование в национальном хозяйстве / И. С. В., А. М. Н. // Вестник Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова. ‒ 2021. ‒ T. 3. ‒ C. 83-88

12. Sayre R. M., Agin P. P., LeVee G. J., Marlowe E. A comparison of in vivo and in vitro testing of sunscreening formulas / Sayre R. M., Agin P. P., LeVee G. J., Marlowe E. // Photochemistry and Photobiology. ‒ 1979. ‒ T. 29, № 3. ‒ C. 559-566

13. Standard tables for reference solar spectral irradiances: direct normal and hemispherical on 37° tilted surface. / Testing A. S. f., Weathering M. C. G. o., Durability: ASTM international, 2003.

14. de l’Eclairage C. I. Methods of characterizing illuminance meters and luminance meters: Performance, characteristics and specifications / de l’Eclairage C. I. // Publication CIE Publication CIE. ‒ 1987. ‒ C. 69-1987

15. Шарыпов В., Береговцова Н., Барышников С., Мирошникова А., Кузнецов Б. Изучение состава и термическихпревращений этаноллигнина, выделенного из древесины осины / Шарыпов В., Береговцова Н., Барышников С., Мирошникова А., Кузнецов Б. // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. ‒ 2016. ‒ T. 9, № 3. ‒ C. 296-307

16. Рудковский А. В., Еремина А. О., Маляр Ю. Н., Таран О. П., Чесноков Н. В. Влияние температуры органосольвентной варки на выход этаноллигнина из древесины пихты и его свойства / Рудковский А. В., Еремина А. О., Маляр Ю. Н., Таран О. П., Чесноков Н. В. // Вестник Томского государственного университета. Химия. ‒ 2019. № 15. ‒ C. 45-58

17. Sannigrahi P., Ragauskas A. J., Miller S. J. Lignin structural modifications resulting from ethanol organosolv treatment of loblolly pine / Sannigrahi P., Ragauskas A. J., Miller S. J. // Energy & Fuels. ‒ 2010. ‒ T. 24, № 1. ‒ C. 683-689

18. Qian Y., Qiu X., Zhu S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens / Qian Y., Qiu X., Zhu S. // Green Chemistry. ‒ 2015. ‒ T. 17, № 1. ‒ C. 320-324

19. Girard V., Fragnières L., Chapuis H., Brosse N., Marchal-Heussler L., Canilho N., Parant S., Ziegler-Devin I. The Impact of Lignin Biopolymer Sources, Isolation, and Size Reduction from the Macro- to Nanoscale on the Performances of Next-Generation Sunscreen / Girard V., Fragnières L., Chapuis H., Brosse N., Marchal-Heussler L., Canilho N., Parant S., Ziegler-Devin I. // Polymers. ‒ 2024. ‒ T. 16, № 13. ‒ C. 1901