WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«УДК 634.0.813.2:542.61 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ АРАБИНОГАЛАКТАНА ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ С.А. Кузнецова1*, А.Г. Михайлов1, Г.П. Скворцова1, ...»

Химия растительного сырья. 2005. №1. С. 53–58.

УДК 634.0.813.2:542.61

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

АРАБИНОГАЛАКТАНА ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ

С.А. Кузнецова1*, А.Г. Михайлов1, Г.П. Скворцова1, Н.Б. Александрова2, А.Б. Лебедева2

©

Институт химии и химической технологии СО РАН,

ул. К, Маркса, 42, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: ksa@icct.ru

Красноярский государственный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041 (Россия) Приведены данные о возможности интенсификации процессов выделения арабиногалактана из древесины лиственницы с использованием методов ультразвукового и ударно-акустического воздействия, а также путем предварительной активации древесины методами механохимической обработки в вибрационной мельнице и взрывного автогидролиза.

Авторы выражают благодарность программе «Университеты России» (проект УР 05.01.098) и Интеграционной программе СО РАН (проект № 33) за финансовую поддержку выполненных исследований.

Введение Лиственница является одной из наиболее распространенных пород древесины в Сибирском регионе [1].

Ядровая часть некоторых видов лиственницы содержит до 35% масс. водорастворимого разветвленного полисахарида – арабиногалактана (АГ).

OH H H H OH H OO HO HOH 2 C OH H CH 2 O HO OH H O HH OO CH2

H O H HO H

O HO H OH H O

–  –  –

Арабиногалактан (АГ) является биологически активным веществом (БАВ), обладающим широким спектром иммуно-биологической активности: гастропротекторным, иммуномодулирующим, мембранотропным [2, 3]. В фармацевтической промышленности АГ используют как связующее вещество, не обладающее токсичностью, при изготовлении пилюль и таблеток. Кроме того, арабиногалактан обладает дисС.А. КУЗНЕЦОВА А.Г. МИХАЙЛОВ, Г.П. СКВОРЦОВА И ДР.

пергирующими и дефлокулирующими свойствами и может применяться для стабилизации эмульсий. Исследуются направления использования АГ в качестве биологически активных добавок [4], а также для синтеза новых лекарственных препаратов и ценных химических веществ [5, 6].

Используются различные способы экстракционного извлечения АГ из измельченной древесины лиственницы [7]. Наиболее простые из них включают экстракцию опилок лиственницы водой при комнатной или повышенной температуре с последующим отделением экстракта, его упаривание, осаждение АГ либо ацетоном в присутствии хлорида натрия [8], либо этанолом [9]. При использовании более сложных и многостадийных способов возможно получение АГ повышенной чистоты и одновременное извлечение биологически активного дигидрокверцетина. В частности, известен способ получения высокочистого арабиногалактана, включающий водную экстракцию древесины лиственницы, предварительно обработанной этилацетатом и высушенной, затем экстракт концентрируют, добавляют коагулянт и флокулянт, отделяют от осадка и высаживают [10].

Недостатком известных способов является низкий выход АГ при малой продолжительности процесса экстракции вследствие наличия диффузионных ограничений. Применяются различные методы интенсификации процессов внешней диффузии в растворах, наиболее простым из которых является повышение скорости перемешивания реакционной смеси.

Для интенсификации процессов переработки растительного сырья успешно используются процессы механической и механохимической активации [11]. Механические способы активации увеличивают степень извлечения сырья без изменения его химического состава. Благодаря этому значительно возрастает поверхность контакта сырья с растворителем и снижается диффузионное ограничение процесса экстракции.





При использовании механохимических способов активации наряду с разрушением клеточных стенок происходит изменение химического состава растительного сырья в результате разрыва наиболее слабых химических связей и протекание химических реакций с участием образовавшихся активных частиц.

К числу наиболее эффективных способов активации растительных полимеров относятся механоактивация в мельницах различной конструкции [12] и обработка перегретым водяным паром в неизобарных условиях [13, 14].

Целью настоящей работы являлось изучение возможностей интенсификации процессов выделения арабиногалактана из древесины лиственницы с использованием методов СВЧ и ударно-акустического воздействия, а также путем предварительной активации древесины методами механохимической обработки в вибрационной мельнице и взрывного автогидролиза.

Экспериментальная часть В качестве исходного сырья использовали древесину лиственницы сибирской (Laric Sibirica) в виде стружки размером 30101 мм, а также в виде опилок (фракции 2–5 мм и 0,5–2 мм). В ряде экспериментов данные фракции сырья подвергались механохимической активации в вибромельнице в течение от 1 до 10 мин.

Химический состав исходной древесины (% масс. к абсолютно сухой древесине): целлюлоза – 34,5;

лигнин – 26,1; гемицеллюлозы – 27,2; экстрактивные вещества – 13,0.

АГ выделяли экстракцией горячей водой. Параметры процесса экстракции варьировались в следующих интервалах: температура от 25 до 95 °С, продолжительность экстракции от 1 до 360 мин, гидромодуль от 4 до 15. Водный экстракт отделяли фильтрацией от древесного остатка, затем из водного экстракта выделяли АГ путем выпаривания части экстракта и высаждения АГ в этиловом спирте с последующей перекристаллизацией.

Процесс экстракции АГ водой из измельченной древесины лиственницы, осуществляемый при одновременной микроволновой обработке в СВЧ печи, проводили следующим образом. Навеску древесных опилок массой 10 г заливают 80 мл дистиллированной воды (гидромодуль 8) и ставят в СВЧ-печь, где экстрагируют при микроволновом излучении мощностью 800 Вт) в течение 0,5 мин. Затем отфильтровывают опилки, экстракт упаривают до объема, охлаждают и выливают при перемешивании в 120 мл спиртового раствора. Выпавший в осадок арабиногалактан отфильтровывают, отделяют от спирта, высушивают и взвешивают.

* Автор, с которым следует вести переписку.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ … 55

Ударно-акустическое воздействие (УАВ) на процесс экстракции АГ водой из измельченной древесины лиственницы сибирской осуществляли с помощью установленной под эластичным днищем рабочей камеры упругой металлической пластины, которая соединена с электродвигателем посредством кривошипношатунного механизма и является источником ударных волн. При проведении экспериментов в реактор засыпают 10 г древесины, измельченной до фракции менее 2 мм, заливают 80 мл дистиллированной воды и подвергают ударно-акустическому воздействию при комнатной температуре в течение 1 мин. Затем отфильтровывают опилки, экстракт упаривают до объема, охлаждают и выливают при перемешивании в 120 мл спиртового раствора. Выпавший в осадок арабиногалактан отфильтровывают, отделяют от спирта, высушивают и взвешивают.

Механохимическую активацию древесины проводили в вибрационной мельнице СВУ-2, в которой измельчение материала происходит в камере, заполненной мелющими телами (стальные стержни диаметром 25 мм и высотой 165 мм) в результате ударов, истирания и раздавливания. Продолжительность обработки составляла от1 до 5 мин.

Активацию древесины лиственницы водяным паром осуществляли при температурах 200–240 С и давлении 1,2–3,4 МПа в течение 3–10 мин в металлическом реакторе объемом 0,8 л по методике, описанной в [15].

Анализ химического состава древесины проводили по общепринятым в химии древесины методикам [16]. Элементный анализ выполняли на приборе FlashEATM 1112 компании ThermoQuest Italia. При физикохимическом исследовании активированной древесины лиственницы и состава арабиногалактана использовали методы Фурье ИК-спектроскопии (спектрометр «Vector-22», фирма «Bruker»), дифрактометрии (Дрон-4) и УФ-спектроскопии (спектрофотометр «Shimadzu UV 300»).

Результаты и обсуждение Влияние СВЧ-обработки на экстракцию арабиногалактана. После экстракции опилок лиственницы при микроволновом излучении мощностью 800 Вт в течение 0,5 мин выход арабиногалактана составляет 24,6% от массы абсолютно сухой древесины.

При проведении аналогичного эксперимента без использования СВЧ обработки, но со встряхиванием реакционной смеси в шейкере при 95 С, выход арабиногалактана составляет 9,4% от массы а.с.д. При увеличении продолжительности экстракции в СВЧ печи до 1 мин выход арабиногалактана составляет 25,0% от массы а.с.д., тогда как при встряхивании в шейкере без СВЧ обработки в течение 1 мин выход АГ составил всего 13,3% от массы а.с.д.

Провести экстракцию с продолжительностью СВЧ обработки менее 0,5 мин технически трудно. Увеличение продолжительности экстракции с СВЧ обработкой свыше 1 мин является нецелесообразным вследствие снижения выхода арабиногалактана (до 14,9% при 2-х мин).

Таким образом, при использовании микроволновой обработки в СВЧ-печи удалось сократить на два порядка продолжительность процесса экстракции АГ из измельченной древесины лиственницы по сравнению с традиционными процессами экстракции, длительность которых составляет несколько часов при одновременном увеличении выхода и чистоты арабиногалактана.

Извлекаемый при СВЧ обработке арабиногалактан имеет белый цвет, содержание в нем фенольных примесей составляет менее 1%, зольность арабиногалактана не более 0,1–0,2%.

Влияние ударно-акустического воздействия (УАВ) на экстракцию арбиногалактана. Использование кратковременного (1 мин) УАВ при экстракции опилок лиственницы водой при комнатной температуре дает выход АГ 24,5ч% от массы а.с. древесины.

При проведении аналогичного эксперимента без УАВ выход арабиногалактана составляет 12,4% от массы а.с. древесины.

Осуществление процесса экстракции опилок лиственницы с использованием УАВ при температуре 90 С позволяет достичь выхода АГ 26,4% от массы а.с.д. в течение 30 с, тогда как в отсуствие ударноакустического воздействия его выход составляет всего 13,3% от массы а.с.д.

Значительное возрастание выхода АГ под действием УАВ наблюдалось и при использовании фракции древесины с размером частиц 521 мм (см. табл. 1).

56 С.А. КУЗНЕЦОВА А.Г. МИХАЙЛОВ, Г.П. СКВОРЦОВА И ДР.

–  –  –

Исследование выделенного арабиногалактана. Идентификацию выделенного АГ осуществляли по данным элементного анализа, по содержанию пентозанов в его составе, а также использовали метод ИКспектроскопии. Результаты выполненных исследований дают основание предполагать, что в составе арабиногалактана сибирской лиственницы находится около 88% галактозы и 12% арабинозы.

Характер ИК-спектров в случае всех образцов арабиногалактана практически идентичен (рис. 2).

Интенсивная полоса поглощения с максимумом в области 3426–3421 см-1 обусловлена валентными колебаниями ОН-группы. Полоса поглощения в области 2937–2895 см-1 обусловлена валентными колебаниями алифатических СН2-групп. Полоса поглощения в области 1640–1632 см-1 предположительно принадлежит колебаниям связи С=С сопряженных систем. Полосы поглощения в области 1100–1000 см-1 обусловлены как колебаниями –С–ОС–, так и пиранозных циклов. Полосы поглощения в области 900 см-1 обусловлены деформационными колебаниями С–Н.

Из сопоставления ИК-спектров различных образцов АГ следует, что интенсивность всех наблюдаемых полос поглощения зависит от способа получения образца АГ.

Наиболее высокая интенсивность характерна для спектров АГ, выделенного из древесины лиственницы при комнатной температуре. С повышением температуры экстракции до 100 °С, вероятно, возрастает вклад реакций гидролитической деструкции АГ.

Из анализа ИК-спектров следует, что выделенный АГ состоит из смеси продуктов, причем содержание основного из них составляет около 90%.

Для качественной оценки содержания окрашивающих фенольных примесей в образцах арабиногалактана, выделенных из древесины лиственницы традиционной экстракцией (ТЭ), а также при СВЧ- и УАВвоздействиях был использован метод УФ-спектроскопии. Для 1% водных растворов АГ обнаружены полосы поглощения в области 285–290 нм, которые указывают на присутствие фенольных окрашивающих примесей (рис. 3). Как известно из литературных данных [18], они представлены преимущественно водорастворимым флавоноидом – дигидрокверцетином.

Обнаружено, что в щелочной среде происходит смещение пиков в область 300 нм, которая соответствует ионизированной форме фенолов. При этом сохраняется поглощение в области 280–285 нм, что может свидетельствовать о наличии в растворе АГ примесей, содержащих бензольные кольца. Наибольшее фоновое поглощение имели растворы АГ, выделенного при СВЧ обработке и УАВ при 100 С. Согласно проведенной оценке, содержание окрашивающих фенольных примесей в водных растворах АГ с концентрацией 1 мг/мл составляет менее 0, 01 мг/мл.

0,9 0,8 0,7

–  –  –

Список литературы

1. Дылис Н.В. Лиственница Восточной Сибири и Дальнего Востока. М., 1961, 168.

2. Wagner H. Search for plant natural products with immunostimunostimulatory activity (recent advances) // Pure and Appl. Chem.1990. V. 62. №7. P. 1217–1222.

3. Медведева С.А., Александрова Г.П., Дубровина В.И. и др. Арабиногалактан лиственницы – перспективная полимерная матрица для биогенных металлов // Butlerov Commun. 2002. № 7. P. 45–49.

4. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Малков Ю.А. и др. Биологически активные вещества из древесины лиственницы // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т. 9. №3. С. 363–367.

5. Clarcke A.E., Anderson R.U., Stone V.A. Form and function of arabinogalactans and arabinogalactan-proteins // Phytochemistry. 1979. V. 18. P. 521–540.

6. Медведева Е.Н., Бабкин В.А., Остроумова Л.А. Арабиногалактан лиственницы – свойства и перспективы использования // Химия древесины. 2003. №1. С. 27–37.

7. Антонова Г.Ф., Пен Р.З., Тюкавкина Н.А. Исследование процесса экстракции арабиногалактана и флавоноидов из древесины Larix sibirica водой и её смесями с органическими растворителями // Химия древесины 1970. №6. P. 147–155.

8. Патент РФ 2040268. Способ получения арабиногалактана / Н.А. Тюкавкина, Ю.А. Колесник, В.В. Наумов, И.А. Руленко и др. // БИ. 1995. № 21.

9. Патент РФ 2002756. Способ получения арабиногалактана / А.Н. Кислицин, И.П. Жукова, В.Ю. Пузанова, А.Н. Трофимов и др. // БИ. 1993. №41–42.

10. Патент РФ 2143437. Способ получения арабиногалактана / В.А. Бабкин, Л.А. Остроухова, С.А. Медведева, Д.В. Бабкин и др. //. БИ. 1999. №36.

11. Душкин А.В. Возможности механохимической технологии органического синтеза и получения новых материалов // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. 12. C. 251–274.

12. Микушина И.В., Троицкая А.Б., Душкин А.В. и др. Превращения структуры древесины при механохимической обработке // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. Т. 11. С. 365–373.

13. Калейне Д.А., Веверис А.Г., Полменис А.Г. и др. Высокотемпературный автогидролиз древесины. 7. Автогидролиз березовой древесины // Химия древесины. 1990. №3. С. 103–107.

14. Brownell H.H., Yu E.K., Saddler J.N. Steam-explosion pretreatment for enzymatic hydrolysis // Biotechol. Bioengng.

Symp. 1984. V. 14. P. 55–68.

15. Kuznetsov B.N., Efremov A.A., Levdansky V.A. et. al. The using of non-isobaric pre-hydrolysis for the isolation of organic compounds from wood and bark // Bioresource Technol. 1996. V. 58. P. 181–188.

16. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы.

М., 1991. 320 с.

17. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А., Черемиc М.М. Каталитический паровзрывной гидролиз остатка древесины лиственницы // Химия растительного сырья. 2002. № 2. С. 53–56.

18. Бабкин В.А., Остроумова Л.А., Дьячкова С.Г., Святкин Ю.К. и др. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственниц сибирской и даурской // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 105–115.

–  –  –





Похожие работы:

«ПЕРСПЕКТИВНАЯ НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА МАТЕМАТИКА 2 КЛАСС Поурочное планирование методов и приемов индивидуального подхода к учащимся в условиях формирования УУД Часть 1 3-е издание Москва Академкнига/Учебник...»

«А.П. Стахов От "Золотого Сечения" к "Металлическим Пропорциям". Генезис великого математического открытия от Евклида к новым математическим константам и новым гиперболическим моделям Природы. Аннотация Насто...»

«VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013 ЛИТОЛОГО-ФАЦИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТРИАСОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КРЯЖА ПРОНЧИЩЕВА (СРЕДНЯЯ СИБИРЬ) А.Ю. Попов, Е.С. Соболев, А.В. Ядренкин Институт нефтегазовой...»

«Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 107–111.е ПРАВИЛА ДЛЯ АВТОРОВ ЖУРНАЛА “ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ” Общие положения В журнале “Химия растительного сырья” публикуются оригинальные научные сообщения, обзоры, краткие сообщения и письма в редакцию, посвященные х...»

«Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 37–41 УДК 547.972.35 : 634.0.861.15 ПОЛУЧЕНИЕ КВЕРЦЕТИНА ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ В УСЛОВИЯХ "ВЗРЫВНОГО" АВТОГИДРОЛИЗА В ПРИСУТСТВИИ СЕРНИСТОКИСЛОГО НАТРИЯ Б.Н. Кузнецов*, В.А. Левданский, С.А. Кузнецова, Н.И. Полежаева, А.В. Левданский Институт химии и химической те...»

«ПЕРСПЕКТИВНАЯ НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА Р.Г. ЧУРАКОВА, Г.В. ЯНЫЧЕВА МАТЕМАТИКА 4 КЛАСС Поурочное планирование методов и приемов индивидуального подхода к учащимся в условиях формирования УУД Часть 2 Москва Академк...»

«А. П. Стахов Математизация гармонии и гармонизация математики Посвящается светлой памяти выдающегося математика Юрия Алексеевича Митропольского Алексей Стахов Оглавление Введение 1. Математизация гармонии 2. Что такое гармония? 2.1. Числовая гармония пифагорейцев 2.2. Вклад древних г...»

«Презентация О.А.Катуниной "Физика – это наука понимать природу". Эдвард Роджерс Цели урока: Обучающая: Сформировать знания учащихся об архимедовой силе, умение выводить формулу, выражающую зависимость выталкивающей силы от плотности жидкости (газа) и объема тела. Обеспечить усвоение учащимися формулы для расчета архимедовой силы, эксперимент...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.