XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БИОПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗ ЕЛИ PICEA ABIES

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пахомова К.А. 1

---

1МАОУ "Лицей №7"

Боровкова В.С. 1

---

1Институт химии и химической технологии СО РАН ФИЦ КНЦ СО РАН

Работа в формате PDF

538.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На сегодняшний день в мире имеются две глобальные проблемы, связанные между собой: переход от ископаемых ресурсов к возобновляемым источникам сырья и тенденция минимального использования синтетических веществ в пищевой и фармацевтической промышленности [1]. Лигноцеллюлозная биомасса (ЛЦБ) уже успела зарекомендовать себя как идеальный альтернативный ресурс, который позволяет сократить применение ископаемых источников сырья [2]. В составе ЛЦБ основными компонентами являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Гемицеллюлоза, являясь вторым по распространенности возобновляемым природным полимером, всё больше привлекает к себе внимание ученых в качестве потенциального ресурса для практического применения в различных областях благодаря ее большому количеству, короткому циклу регенерации, биоразлагаемости и экологичности. Гемицеллюлозы являются жизненно важными биомакромолекулами, состоящими из гомо-, гетеро- моносахаридов и уроновых кислот, связанных гликозидными связями, что наделяет их широким спектром ценных физико-химических свойств.

Кроме того, в настоящее время активно разрабатываются методы химической модификации полисахаридов различными методами. Имеется достаточное количество исследований о функциональных биоматериалах на основе других полисахаридов, таких как целлюлоза, альгинат, хитозан и крахмал [3], которые обладают высокими показателями производительности и распространенности, а так же отличаются относительно низкой стоимостью, и являются биоразлагаемыми. Путем смешивания и/или модификации полисахаридов синтезируют биоматериалы, которые могут быть использованы в медицине, в качестве биологических повязок, фармацевтических упаковок, в пищевой промышленности, как биоразлагаемые упаковочные материалы продуктов питания, и в других видах производства, где могут использоваться биополимеры в любом их проявлении [3 - 5]. Однако подобные материалы на основе гемицеллюлоз еще не изучены, что делает данную область исследования наиболее актуальной.

В данной работе для модификации галактоглюкоманнана (ГГМ), уникальной ГЦ хвойных, были выбраны нетоксичные, недорогие и доступные карбоновые кислоты (янтарная и лимонная). Выбранные кислоты принципиально отличаются по кислотности, растворимости в воде и длине молекулярной структуры, что необходимо для демонстрации внутренних молекулярных различий между сшивателями. Соответственно, предполагается, что модификация ГГМ полифункциональными карбоновыми кислотами обеспечит образование альтернативных биоматериалов, которые могут в дальнейшем легко разлагаться, перерабатываться и использоваться в биомедицинских целях.

Целью данной работы является: получение и изучение новых функциональных материалов на основе галактоклюкоманнана ели PiceaAbies.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Изучить литературные источники по теме исследования;

2. Провести синтез галактоглюкоманнана из древесины ели методом окислительной делигнификации;

3. Провести модификацию галактоглюкоманнана с помощью многоосновных карбоновых кислот (янтарная, лимонная кислоты);

4. Установить строение полученных материалов комплексом физико-химических методов исследования.

Глава 1. Литературная часть

1.1 Древесина и её химический состав

Древесина – это возобновляемый ресурс, который можно использовать не только как энергетический ресурс, или материал для строительства, но и как ресурс для извлечения полезных химических соединений. Древесина состоит преимущественно из органических химических элементов: углерода, кислорода, водорода и азота. В среднем абсолютно сухая древесина независимо от породы содержит 49,5% углерода, 44,2% кислорода и 6,3% водорода. Азота в древесине содержится около 0,12%. Элементарный химический состав древесины ствола и ветвей мало различается. Условия произрастания также практически не отражаются на содержании основных элементов [6].

Кроме органических веществ, в древесине есть минеральные соединения, дающие при сгорании золу, количество которой колеблется в пределах 0,2—1,7%. Однако у отдельных пород (саксаула, ядра фисташки) количество золы достигает 3—3,5%. У одной и той же породы количество золы зависит от части дерева, положения в стволе, возраста и условий произрастания. Больше золы дают кора и листья; так, стволовая древесина дуба дает 0,35%, листья — 3,5% и кора — 7,2% золы. Древесина ветвей содержит золы больше, чем древесина ствола; например, ветви березы и ели дают при сгорании 0,64 и 0,32% золы, а стволовая древесина — 0,16 и 0,17% золы. Древесина верхней части ствола дает золы больше, чем нижняя; это указывает на большое содержание золы в древесине молодого возраста; так, древесина бука в возрасте 10, 20 и 50 лет давала при сгорании 0,56; 0,46 и 0,36% золы.

Главнейшие химические элементы образуют клеточную оболочку (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы — пентозаны и гексозаны) и составляют 90—95% массы абсолютно сухой древесины. Остальные вещества называются экстрактивными, т. е. извлекаемыми различными растворителями без заметного изменения состава древесины; из них наибольшее значение имеют дубильные вещества и смолы.

1.1.2 Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы (ГЦ) – это высокомолекулярные углеводные соединения, близкие по химическому составу к целлюлозе, но отличающиеся от нее способностью легко гидролизоваться и растворяться в кислотах и щелочах. Гемицеллюлозы представляют собой гомо- и гетеро полисахариды, состоящие из остатков пентоз (C₅H₈O₄)n и гексоз (C₆H₁₀O₅)n. Основные компоненты гемицеллюлоз — глюканы, ксиланы, маннаны, галактаны, фруктозаны, арабиногалактаны и т. д. в зависимостти от исходного сырья, такого как твердая/мягкая древесина, кустарниковые/травянистые растения, водоросли и другие источники [7, 8].

Гемицеллюлозы клеток хвойных пород в основном представляют собой O-ацетил-галактоглюкоманнан (Рисунок 1).

Рис. 1. Химическая структура O-ацетил-галактоглюкоманнана

Галактоглюкоманнаны имеют линейную основную цепь из (1→4)-связанной β-D-глюкопиранозы с присоединенной β-D-единицой маннопиранозы. ГГМ могут различаться в зависимости от содержания в них галактозы. Считается, что если галактоглюкоманнан имеет низкое содержание галактозы в соотношении галактоза:глюкоза:манноза и составляет около 0,1:1:4, то его принято называть глюкоманнаном, тогда как при соотношении соответствующих моносахаридов 1:1:3 сохраняется целостное название [9]. Важной структурной особенностью является то, что положения С-2 и С-3 в остатках маннозы и глюкозы частично замещены ацетильными группами, в среднем одна группа на 3-4 гексозных звена.

1.2 Физико-химические методы исследования гемицеллюлоз

1.2.1 Газовая хроматография

Метод газовой хроматографии позволяет генерировать хроматограммы с хорошим разрешением, благодаря чему появляется возможность идентифицировать и количественно определить изучаемые соединения, даже если они присутствуют в очень небольших количествах. В рамках данного анализа полисахарид модифицируется посредством метилирования, при этом все гидроксильные группы в полисахаридной цепи заменяются. Далее полисахаридные цепи гидролизуются на отдельные фрагменты растворами летучих кислот.

1.2.2 Гель-проникающая хроматография

Молекулярно-массовые характеристики (ММХ) являются важным фактором, влияющим на свойства и биологическую активность полисахаридов. Определение ММХ полисахаридов в основном проводят с помощью гель-проникающей хроматографии [10]. Этот метод имеет следующие преимущества: простота анализа, быстрота и хорошая воспроизводимость. Кроме того, гель-проникающая хроматография позволяет анализировать не только молекулярную массу полисахаридов, но и определять гомогенность полисахаридов. Когда полисахарид имеет гомогенное строение, то про профиль молекулярно-массового распределения имеет симметричную кривую элюирования, что обеспечивает важной информацией.

1.2.3 ИК-Фурье спектроскопия

ИК-Фурье спектроскопия широко применяется для анализа молекул, имеющих значение в фармацевтической, химической и полимерной промышленности. Система ИК-Фурье спектроскопии применяется как в промышленных, так и в научных лабораториях для лучшего понимания молекулярной структуры материалов, а также кинетики, механизма и путей протекания химических реакций и каталитических циклов. ИК-Фурье спектроскопия применяется для проверки соответствия сырья, интермедиатов и конечных продуктов, которые соответствуют техническим требованиям. В химических и фармацевтических исследованиях и разработках ИК-Фурье спектроскопия применяется для поиска путей масштабирования химических реакций, оптимизации выхода реакции и снижения содержания примесей в побочных продуктах. ИК-Фурье-спектроскопия активно применяется для характеризации структуры полимеров, в том числе, полисахаридов [11].

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Оборудование, приборы и реактивы

• Опилки древесины ели сибирской;

• Уксусная кислота (CH₃COOH);

• Пероксид водорода (H₂O₂);

• Вода дистиллированная;

• Колба 500мл;

• Мешалка;

• Обратный холодильник;

• Этиловый спирт;

• Бумажный фильтр;

• Ротационный испаритель;

• Лиофильная сушка;

• Воронка Бюхнера;

• Колба 100мл;

• Пробирка 15мл;

• Пипетки;

• Гипофосфит натрия (NaH₂PO₂);

• Глицерин;

• Янтарная кислота (C₄H₆O₄);

• Лимонная кислота (C₆H₈O₇);

• Аналитические весы;

• Электроплита;

• Хроматограф;

• ИК-Фурье спектрометр.

2.2 Выделение гемицеллюлоз

Для извлечения гемицеллюлозы была выбрана древесина ели. Методом окислительной делигнификации была проведена экстракция гемицеллюлозы из навески древесины ели 40,15 г делигнифицирующим раствором, состоящим из ледяной уксусной кислоты 180,5 мл (30 мас.%), пероксида водорода 84,5 мл (6 мас.%) и дистиллированной воды (гидромодуль 15).

Процесс делигнификации проводили в течение 4 ч при температуре 100°С и постоянном перемешивании. Гемицеллюлозы осаждали пятикратным объемом этанола (96 мас.%). Колба, снабженная мешалкой и обратным холодильником, погружалась в условия эксперимента 100 градусов 4 часа. Следующим этапом стало фильтрование опилок через бумажный фильтр, затем удаление кислоты в колбе на ротационном испарителе с многократной промывкой. Затем осаждение гемицеллюлоз спиртом и сушка гемицеллюлозы, вследствие чего был получен выход гемицеллюлозы равный 15 мас.% (6,02 г) от навески ели.

2.3 Модификация галактоглюкоманнана

В качестве сшивающих агентов использовались янтарная (ЯК) и лимонная (ЛК) кислоты, для увеличения эффективности протекания процесса сшивки были использованы глицерин (пластификатор) и NaH₂PO₂ (катализатор). Для завершения процесса полимеризации проводили постепенное выслушивание образцов при 50 °C в течение 12 ч с последующим увеличением температуры до 150 °C в сушильном шкафу. Далее все образцы подвергались диализу (процесс очистки растворов от растворенных в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны).

В результате было получено 4 образца (Рисунок 2): 1. ГГМ+C₆H₈O₇; 2. ГГМ+глицерин+ NaH₂PO₂+C₆H₈O₇; 3. ГГМ+ C4H₆O₄; 4. ГГМ+глицерин+ NaH₂PO₂+ C₄H₆O₄.

Полученные образцы были охарактеризованы физико-химическими методами исследования.

2.3.1 Газовая хроматография

Моносахаридный состав полученных исходных гемицеллюлоз показал присутствие большого количества маннозы, галактозы, глюкозы и незначительного количества арабинозы и ксилозы в соотношении 5:3:2:1:1, соответственно (таблица 1). Наивысшее содержание галактозы и маннозы в составе гемицеллюлозы показывает, что галактоглюкоманнан является доминирующим полисахаридом в полученных гемицеллюлозах. Присутствие небольших количеств ксилозы и арабинозы указывает на присутствие другого важного полисахарида - арабиноглюкуроноксилана.

Таблица 1. Моносахаридный состав гемицеллюлозы ели.

2.3.2 Гель-проникающая хроматография

Рис. 3. Молекулярно-массовое распределение модифицированных образцов ГГМ: а – лимонной кислотой; б – янтарной кислотой

При исследовании полученных образцов методом ГПХ было установлено (Рисунок 3), что цитраты галактоглюкоманнана проявляли большую гидрофобность по сравнению с сукцинатами. Данное явление выражено на кривых молекулярно-массового распределения в виде смещений основных пиков производных ГГМ в область больших молекулярных масс. Эффективность сшивания в данном процессе происходит из-за особенностей химической структуры сшивающих агентов.

Лимонная кислота является трикарбоновой кислотой, соответственно в реакции участвуют от одной до трех карбоксильных групп, за счет чего происходит меж- или внутримолекулярное сшивание с гидроксильными группами ГГМ. В случае янтарной кислоты, где карбоксильных групп две, образование таких сложноэфирных связей происходит в меньшей степени, что так же отражается на данных молекулярно-массового распределения. Кроме того, использование глицерина и гипофосфита натрия позволяет добиться большей эффективности протекания процесса, что так же сказывается на данных ГПХ в виде значительного увеличения молекулярных масс.

2.3.3 ИК-спектроскопия

Методом ИК-спектроскопии установлены полосы поглощения высокой интенсивности в областях ~1720 и ~1600^-1 соответствуют сложноэфирные карбонильные связи (C=O) между карбоксильной группой кислоты и гидроксильными группами ГГМ (Рисунок 4). Полоса поглощения в области 1200 см^-1 растяжения эфирных связей C-O карбоксилата, вызванные реакцией этерификации.

Рис.4 ИК-спектры образцов модифицированного ГГМ

Глава 3. Заключение

1. Изучение литературных источников позволило получить необходимую теоретическую информацию и представить обзор существующих данных по теме исследования.

2. Синтез галактоглюкоманнана из древесины ели с использованием метода окислительной делигнификации позволил получить ценный продукт с определенными физико-химическими характеристиками.

3. Модификация галактоглюкоманнана с помощью многоосновных карбоновых кислот позволила улучшить функциональные свойства и расширить область применения полученных продуктов.

4. Методом ГПХ определено, что эффективность протекания реакции этерификации напрямую зависит от структуры сшивающего агента и использования вспомогательных реагентов.

5. Методом ИК-спектроскопии установлены характерные полосы поглощения полисахарида и его новых функциональных групп.

Библиография

1. . Seung Gon Wi, Eun Jin Cho, Dae Seok Lee, Soo Jung Lee, Young Ju Lee, Hyeun Jong Bae. Lignocellulose conversion for biofuel: a new pretreatment greatly improves downstream biocatalytic hydrolysis of various lignocellulosic materials Biotechnol Biofuels // (2015) 8:228.

2. A Review. Huang L. Z., Ma M. G., Ji X. X., Choi S. E., Si C. Recent Developments and Applications of Hemicellulose From Wheat Straw: Front Bioeng Biotechnol. // 2021. 9, 690773.

3. Azarov V., Burov A., Obolenskaya A. Chemistry of wood and synthetic polymers. Saint-Petersburg Forestry Academy, St. Petersburg, Russian Federation. // 1999. P. 629.

4. Kac̆uráková M., Capek P., Sasinková V., Wellner N., Ebringerová A.FT-IR study of plant cell wall model compounds: pectic polysaccharides and hemicelluloses Carbohydrate Polymers. // 2000. 43, 195-203.

5. Peng F., Peng P., Xu F., Sun R. Fractional purification and bioconversion of hemicelluloses. -C. Biotechnology Advances. // 2012. 30, 4. 879-903.

6. Qianlong Li, Shanyong Wang, Xuchen Jin, Caoxing Huang, Zhouyang Xiang. The Application of Polysaccharides and Their Derivatives in Pigment, Barrier, and Functional Paper Coatings. Polymers // 2020, 12(8), 1837.

7. S.S. Ali, T. Elsamahy, E.A. Abdelkarim, R. Al-Tohamy, M. Kornaros, H.A. Ruiz, T. Zhao, F. Li, J. Sun. Biowastes for biodegradable bioplastics production and end-of-life scenarios in circular bioeconomy and biorefinery concept. Bioresource Technology, // 2022. 363: p. 127869..

8. Shao-Fei Sun, Hai-Yan Yang, Jing Yang, Zheng-Jun Shi. The effect of alkaline extraction of hemicellulose on cocksfoot grass enzymatic hydrolysis recalcitrance. Industrial Crops and Products. Volume // 178, 2022, 114654.

9. Timell T. E. Recent progress in the chemistry of wood hemicelluloses. Wood Science and Technology. 1967. 1 (1). 45-70.

10. Vincent S. Chang, Mark T. Fundamental factors affecting biomass enzymatic reactivity. Holtzapple. Applied Biochemistry and Biotechnology volume // 84, 5–37 (2000).

11. Zhao T., Yang M., Ma L., Liu X., Ding Q., Chai G., Lu Y., Wei H., Zhang S., Ding C. Structural Modification and Biological Activity of Polysaccharides. Molecules. // 2023. 28, 14. 5416.