Механохимические реакции фенольных соединений растительного происхождения и их технологическое применение тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.21 ВАК РФ
|
Ломовский, Игорь Олегович
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Новосибирск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.21
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
005051752
На правах рукописи
Ломовский Игорь Олегович
Механохимические реакции фенольных соединений растительного ироисхоиедения и их технологическое применение
02.00.21 - химия твердого тела
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
11 АПР ¿013
Новосибирск - 2013
005051752
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН)
Научный руководитель академик РАН, доктор химических наук,
профессор,
Болдырев Владимир Вячеславович
Официальные оппоненты Аввакумов Евгений Григорьевич
доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник ИХТТМ СО РАН
Головко Анатолий Кузьмич доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти Сибирского отделения РАН
Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук
Защита состоится 7 мая 2013 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 003.044.01 в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН по адресу: 630128, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Автореферат разослан 05 апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Шахтшнейдер Т.П. кандидат химических наук,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Движущей силой исследований в области химии твердого тела и механохимии является потребность в разработке малооперационных, экологически чистых твердофазных технологий химических продуктов и материалов [1,2]. В связи с особой практической значимостью в механохимии исторически лидировали работы, посвященные исследованию взрывчатых веществ, твердых неорганических веществ, полимеров, в том числе природных полимеров. Однако, к сожалению, положительный лабораторный опыт трудно трансформируется в промышленные технологии и оборудование.
Для обеспечения механохимических реакций требуется подвод большого количества механической энергии. При этом до 95% подведенной энергии превращается в тепло [3]. Повышение эффективности твердофазных механохимических процессов - актуальная научная задача.
В механохимии органических соединений и материалов высокие интенсивности механической обработки не требуются или даже противопоказаны, поэтому в последние годы наблюдается явственный сдвиг интересов механохимиков, особенно российских, в эту область.
Биогенное растительное сырье широко распространено и обладает огромным промышленным потенциалом. В Программе США «Зеленая химия» и в Программе Российской Федерации Технологической платформы «БиоТех 2030» на государственном уровне ставятся примерно одинаковые задачи - довести к 2025-2030 годам долю биовозобновляемого сырья в химической промышленности до 25%. Поэтому изучение процессов, происходящих при механической обработке растительного сырья, является приоритетной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и с точки зрения рационального использования природных ресурсов в химической технологии.
Таким образом, тема исследования — механохимические реакции фенольных соединений растительного происхождения и их технологическое применение - является, несомненно, актуальной.
Цель работы
Экспериментальное изучение химических реакций фенольных соединений растительного происхождения, протекающих при механохимической обработке структурированной многокомпонентной системы - растительного сырья (зеленого чая Camellia Sinensis L., травы
зверобоя Hypericum perforatum L.), и выявление возможности использования твердофазных процессов, протекающих с участием матрицы растительного сырья и минорных компонентов, для получения препаратов фенольных соединений: катехинов и галлокатехинов чая и диантроновых соединений зверобоя в растворимой биологически доступной форме.
В работе поставлены следующие задачи:
исследовать реакции окислительной полимеризации фенольных соединений в составе растворов и твердых смесей, ответственные за деградацию свойств продуктов из растительного сырья, на примере катехинов зеленого чая и гиперицина травы зверобоя;
• изучить кинетику экстракции катехинов и гиперицина из растительного сырья;
• исследовать реакции окислительной полимеризации и нейтрализации кислотных фенольных групп катехинов и гиперицина при механохимической обработке в составе растительного сырья; исследовать изменения структуры растительного сырья на макро- и микроуровне при механической обработке в различных условиях;
• изучить влияние механохимической обработки на выход катехинов и гиперицина из растительного сырья при экстракции;
• исследовать условия протекания реакция нейтрализации гиперицина в твердой фазе люминесцентно-спектроскопическим методом;
• изучить влияние механохимической обработки в условиях хрупкого и пластического разрушения твердого растительного сырья на реакцию нейтрализации гиперицина в смеси порошков растительного сырья и щелочи;
определить эффективность применения твердофазной стадии и оптимальные условия ее осуществления в процессах получения катехин- и гиперицинсодержащих продуктов из растительного сырья;
• разработать основные этапы технологии твердофазного механохимического получения катехин- и гиперицинсодержащих препаратов из растительного сырья для использования в пищевой промышленности.
Научная новизна:
• экспериментально показана низкая скорость окислительной полимеризации катехинов зеленого чая и гиперицина травы зверобоя в составе твердой фазы растительного сырья по сравнению с реакцией в растворах; обосновано применение твердофазных механохимических технологий в переработке растительного сырья;
• обнаружен пороговый характер зависимости скорости деградации антиоксидантных соединений в растительном сырье от интенсивности и времени механической обработки; определены условия обработки зеленого чая и травы зверобоя, в результате которой происходит образование порошкового продукта без деградации целевых соединений;
• установлено, что механическая обработка зеленого чая приводит к пластической деформации целлюлозной матрицы растительного сырья;
• обнаружено, что продукты механохимической активации зеленого чая с аскорбиновой кислотой обладают повышенным выходом катехинов в процессах водной экстракции; длительная механохимическая активация зеленого чая с аскорбиновой кислотой приводит к образованию механокомпозита с повышенной устойчивостью катехинов;
• установлено, что в зависимости от интенсивности механической обработки трава зверобоя разрушается по разным механизмам; при интенсивности ~ 5 Вт/г протекает преимущественно хрупкое разрушение, при интенсивности ~ 1 Вт/г и менее разрушение протекает вязким образом, наблюдается пластическая деформация лигноцеллюлозной матрицы;
• установлено, что пластическая деформация матрицы растительного сырья, обеспечивающая массоперенос, является обязательным условием для протекания твердофазной реакции нейтрализации гиперицина;
• разработана методика определения степени протонирования гиперицина и суммы нафтодиантроновых соединений методом люминесцентно-спектроскопического анализа;
• установлено, что для протекания реакции нейтрализации гиперицина необходимо содержание воды в растительном сырье от 4 до 12 % масс.
Практическая значимость работы
На основании проведенных исследований разработаны способы получения порошковых продуктов. Катехин-содержащие продукты характеризуются повышенным на 40 % выходом водорастворимых катехинов зеленого чая и увеличенным в 2 раза сроком хранения. Гиперицин-содержащие продукты характеризуются повышенным в 12 раз содержанием растворимого гиперицина. Продукты можно использовать в качестве пищевой добавки в медицине и животноводстве как препараты
обладающие антиоксидантным действием. Композиция на основе зверобоя, включающая гиперицин, и способ ее получения защищены патентом РФ (№ RU 2436586), показана возможность распространения твердофазного механохимического подхода на другие виды растительного сырья.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальное обнаружение пониженных скоростей окисления и деградации полифенольных антиоксидантных веществ - катехинов и гиперицина - в порошковом растительном сырье по сравнению с реакциями в жидкой фазе;
2. Выявление стабилизирующей роли целлюлозы при механической обработке растительного сырья, заключающейся в увеличении устойчивости антиоксидантов к механическому воздействию;
3. Выявление порогового характера зависимости скорости деградации антиоксидантов в присутствии целлюлозы растительного сырья от интенсивности и времени механической обработки;
4. Определение условий получения высокорастворимых солевых форм гиперицина в твердой фазе при взаимодействии твердой дисперсии растительного сырья и щелочи в зависимости от интенсивности и температуры проведения механической обработки;
5. Экспериментальное подтверждение необходимости проведения механической обработки растительного сырья в условиях пластического разрушения для обеспечения протекания химической реакции в ходе механической обработки;
6. Научно обоснованные условия механохимического получения катехин-и гиперицинсодержащих продуктов при совместной обработке растительного сырья и щелочи и использование механохимической технологии в пищевой промышленности.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались, обсуждались и отмечались дипломами на научных семинарах ИХТТМ СО РАН, а также на различных всероссийских и международных форумах, таких как:
IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008), Third International Conference on Chemical Investigation and Utilization of Natural Resources (Ulaanbaator, Mongolia 2008), XLVII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, Россия, 2009), III International Conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies FBMT 2009
(Novosibirsk, Russia, 2009), IV Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», (Барнаул, 2009), 2nd Annual Russian-Korean Conference "Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology" (Novosibirsk, Russia, 2010), VI Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ» (Санкт Петербург, 2010), VII International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying INCOME 2011 (Herceg Novi, Montenegro, 2011), Thirteenth Annual Conference YUCOMAT 2011 (Herceg Novi, Montenegro, 2011), 6th International Conference on Polyphenols applications (Paris, France, 2012), IV Всероссийская конференция по химической технологии XT'12 (Москва, 2012), V Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012), Всероссийская межвузовская научно-практичская конференция «Студент и научно-технический прогресс: технологии и сервис» (Новосибирск, 2012), VI Международная научно-практическая конференция «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс» (Екатеринбург, Россия, 2012), 14th International Symposium «Materials, Methods and Technologies» (Sunny Beach, Bulgaria, 2012).
Личный вклад соискателя. Соискатель лично принимал участие в проведении анализа научно-технической литературы, планировании экспериментов, постановке новых и адаптации известных методов анализа применительно к изучаемым объектам, приготовлении и исследовании образцов, изготовлении укрупнённой партии образцов для биологических и внедренческих испытаний, обработке и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ: 10 статей, 13 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, 2 главы в монографиях, 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 147 страницах, включает 51 рисунок, 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 157 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность экспериментального изучения физико-химических процессов и реакций полифенольных соединений, протекающих при механохимической активации растительного сырья. Сформулированы цели исследования и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор литературных данных. Обзор литературы состоит из 12-ти разделов. Проанализированы литературные данные о физико-химических свойствах индивидуальных фенольных соединений, биополимеров и супрамолекулярных комплексов растительного сырья, закономерности разрушения и методы контроля свойств целлюлозной матрицы. Рассмотрены возможные пути увеличения их реакционной способности и повышения выхода экстракционных процессов с помощью механохимических методов. Обоснована научная и прикладная актуальность работы.
Во второй главе описано приготовление исследуемых образцов исходного и механохимически обработанного растительного сырья.
Исходное твердое растительное сырье: чай зеленый байховый ТУ 9191-003-00570186 предоставлен ООО "ДагомысЧай", Краснодарский край. Зверобой продырявленный ГОСТ 15161-93 - ЦСБС СО РАН, Новосибирск.
Механическая обработка растительного сырья и смесей с различными твердыми химическими реагентами проводилась в планетарной центробежной мельнице-ативаторе АГО-2 с водяным охлаждением, использовались стальные барабаны и шары. Загрузки шаров диаметром 5 мм в стандартный стальной барабан АГО-2 составляли 200 г. Время активации 0-3 минуты. Расчетное ускорение шаров - 20-60 g (примерно 200 - 600 м/с2), энергонапряженность для режима 20 g составляет 5 Вт/г. В аттриторе (ИХТТМ СО РАН) обработка велась при термостатировании барабана жидким азотом или водой, частота вращения водила 200 об/мин. Загрузка шаров диаметром 15 мм -2000 г. Время активации 5-15 мин.
Модельные образцы для люминесцентно—микроскопического анализа получали в мельнице активаторе Spex 8000, USA. Загрузка шаров диаметром 3 мм в стандартный агатовый барабан составляла 60 г. Время активации 10 мин.
Механохимическая обработка сырья проводилась в смеси с реагентами различной основности. В качестве реагента использовались порошки NaOH, Na2C03, NaHC03, NaH2P04, содержание в смеси 6 % по
массе от порошка целлюлозы. Полученный порошковый продукт компактировали на гидравлическом прессе при давлении 30 кг/см2.
На спрессованный образец-подложку наносилась капля исследуемого раствора и высушивалась на воздухе. Полученный образец подвергался люминесцентно - микроскопическому анализу.
Получение экстракта, обогащенного гиперицином. проводили согласно методике [4]. Экстракт фракционировали методом колоночной хроматографии. В качестве неподвижной фазы использовался силикагель с диаметром зерна 5 мкм, с обрашенной поверхностью. Элюент - смесь ацетонитрил - вода в соотношении 1/2 У/У.
Исчерпывающую экстракцию для определения содержания гиперицина и катехинов в исходном растительном сырье и в продуктах обработки проводили следующим образом.
Навеска гиперицинсодержащего образца экстрагировалась дегазированным 80% спиртом, соотношение твердое/жидкое 1/100, в течение 2 часов без доступа света и воздуха. Осадок отделялся и экстрагировался повторно. Операция повторялась до исчезновения в спектре поглощения экстракта в видимой области пика на 590 нм. Экстракты объединялись и упаривались досуха. Сухой остаток растворялся в ацетонитриле и анализировался методом ВЭЖХ.
Навеску катехинсодержащего растительного сырья экстрагировали бидистиллированной дегазированной водой при отношении твердой фазы к жидкой 1/1000 по массе в течение 1 часа при комнатной температуре. Операция повторялась до исчезновения реакции на полифенолы, согласно ГОСТ Р ИСО 14502-1-2010. Экстракт отфильтровывался на фильтре 0,45 мкм и анализировался методом ВЭЖХ.
Экстракцию для определения выхода гиперицина и катехинов из растительного сырья проводили следующим образом.
Навеску гиперицинсодержащего растительного сырья экстрагировали бидистиллированной дегазированной водой при отношении твердой фазы к жидкой 1/20 по массе в течение 1 часа при комнатной температуре. Экстракт отделялся от надосадочной жидкости центрифугированием. Экстракт разводился в 2 раза ацетонитрилом, осадок отделялся на фильтре 0,45 мкм, фильтрат анализировался методом ВЭЖХ.
Навеску катехинсодержащего растительного сырья экстрагировали водой при отношении твердой фазы к жидкой 1/1000 по массе в течение 1 часа при комнатной температуре. Полученный экстракт отфильтровывался на фильтре 0,45 мкм.
ВЭЖХ-анализ проводился на приборе Милихром А-02 (ЗАО Институт хроматографии «ЭкоНова», Новосибирск). В качестве
неподвижной фазы использовалась колонка ProntoSil 120-5-С18. Элюция проводилась в градиентном режиме. Для определения нафтодиантроновых соединений в качестве растворителей использовались бидистиллированная вода и этанол. Стандарт - Hypericin primary reference standard, Sigma Aldrich. Количественное определение катехинов зеленого чая проводили в соответствии с методикой, описанной в [5], стандарт -катехол Alfa Aesar, >99%. Количественная обработка результатов — с помощью программы «Мультихром» (Ampersand Ltd., РФ).
Рентгенографические исследования проводили на дифрактометрах «ДРОН-4» и Bruker Advance (излучение CuK«) при комнатной температуре, кварцевые кюветы. Индекс кристалличности целлюлозы рассчитывался по формуле Сегала в соответствии с методикой [6].
Люминесцентно-спектроскопический анализ проводился на микроскопе-спектрофотометре МСФУ-6 ЛОМО (Санкт-Петербург, Россия). Полоса возбуждения люминесценции вырезалась светофильтрами из спектра ртутной лампы ДРШ-200. Все спектры снимались при комнатной температуре и исправлялись с учетом аппаратной функции прибора и спектральной чувствительности ФЭУ.
Электронно-микроскопические исследования проводились с помощью микроскопа ТМ-2000 (Hitachi, Япония) при комнатной температуре с предварительной металлизацией поверхности 10 нм слоем платины на приборе JFC-1600 (JEOL, Япония).
В третьей главе представлены экспериментальные данные по механохимическим реакциям фенольных соединений растительного происхождения и их технологическому применению. Детально рассмотрены влияние интенсивности и времени механической обработки на протекание реакции окислительной полимеризации (деградации) катехинов зеленого чая и пшерицина зверобоя, механизм разрушения целлюлозной матрицы растительного сырья, образование механокомпозитов, протекание реакции нейтрализации гиперицина со щелочью.
Первый параграф третьей главы содержит результаты экспериментов по исследованию реакции окислительной полимеризации фенольных соединений растительного происхождения в растворах. Целью проведенных сравнительных исследований реакций, приводящих к превращению фенольных соединений, являлось получение количественных сведений по кинетике окислительной полимеризации в растворах для последующего сравнения с кинетикой деградации в порошке сухого растительного сырья. Несмотря на то, что процесс деградации катехинов является многостадийным и включает как минимум несколько параллельно протекающих реакций и диффузионные
стадии, кинетические данные хорошо описываются уравнением псевдопервого порядка. Соответствующие эффективные константы скоростей деградации приведены в Таблице 1.
Таблица 1 - эффективные константы деградации катехинов в экстракте в зависимости от доступа
Условия процесса деградации ECG, эпигалло-катехин EGCG, эпигалло-катехин галлат ECG, эпикатехин галлат
В водном экстракте при доступе воздуха 8,7 ±0,7 * 10"5 10 ± 1,5 * 10"5 8,0 ±0,9 * 10"5
При доступе воздуха в 0,1 мг/мл растворе аскорбиновой кислоты 7± 1 * 10"5 7,7 ±0,6 * 10"5 5,2 ±0,2 * 10'5
В водном экстракте без доступа воздуха 9,7 ± 1,5 * 10"6 3,9 ±0,5 * 10"6 2,1 ±0,2 * 10"6
Без доступа воздуха в ОД мг/мл растворе аскорбиновой кислоты 8± 1 * 10"6 4,3 ±0,6* 10^ 1,7 ±0,6 * 10"6
Показано, что катехины в растворах зеленого чая быстро деградируют как в присутствии воздуха, так и без доступа воздуха. Сравнение полученных данных по деградации катехинов в экстракте с литературными данными по кинетике деградации суммы чистых катехинов
свидетельствуют о том, что
1,2 I 1
= 0,8
к
S
3 „„
«о 0,6 ь
® 0,4 •
X
* 0,2
Время, час
минорные компоненты экстракта слабо Рисунок 1 _ Кинетика
влияют на процесс
катехинов.
Кинетика экстракции катехинов водой (Рисунок 1) формируется разнонаправленными процессами:
извлечением катехинов из растительного сырья и деградацией катехинов в
деградации dCat,
J3L-
dt
v
т ^ . -I _ extraction
двумя \.^atoq\~
экстракции катехинов из растительного сырья
u
R
Extraction
diffusion
К
oxidation
V ОС k * —
Extraction diffusion
= 0
(1)
(2)
растворе. На основе литературных данных предложен механизм экстракции катехинов, включающий в себя следующие стадии: - диффузия растворителя и щелочи через клеточную оболочку;
- растворение катехинов и быстрое установление кислотно-основного равновесия;
- диффузия продукта из клетки.
В таком случае концентрация катехинов на промежутке 2-6 часов должна описываться квазистационарным уравнением (1), где УЕх1гас1оп - скорость экстракции гиперицина из матрицы растительного сырья,
Кох1с1апоп[Са(;а[1] - скорость
деградации катехинов в растворе в соответствии с уравнением псевдопервого порядка, кда&5ЮП - константа диффузии из вещества в раствор, К
- эффективный радиус частицы.
Механическая активация
приводит к уменьшению размера
частиц и сокращению диффузионных путей, что должно благоприятно сказываться на процессе экстракции. Приведены данные по исследованию окислительной полимеризации катехинов при механической обработке порошков зеленого чая. Показано (Рисунок 2), что целлюлозная матрица растительного сырья оказывает стабилизирующее влияние на деградацию катехинов. Существуют пороговые значения интенсивности и времени обработки, позволяющие проводить механохимическую активацию
растительного сырья без деградации целевых компонентов. Предложена
Время обработки, с
Рисунок 2 — Устойчивость катехинов в матрице растительного сырья к механическому воздействию
чау
ДУР
тепловая модель деградации катехинов.
Рисунок 3 - Электронно-микроскопические фотографии частицы зеленого чая: слева - до механической обработки, справа - после механической обработки
Во втором параграфе рассмотрено изменение структуры целлюлозной матрицы зеленого чая при механохимической обработке.
Показано (Рисунок 3), что на макроуровне происходит исчезновение морфологического признака - клеточно-ячеистой структуры, характерной для исходного сырья. На микроуровне (Рисунок 4) происходит разупорядочение на уровне кристаллитов целлюлозных микрофибрилл. Эти факты свидетельствуют о пластической деформации матрицы растительного сырья. В случае обработки с интенсивностью 1 Вт/г
I 500 1000 1500 2000 2500 3000 Время обработки, с
Рисунок 4 - Изменение индекса кристалличности целлюлозной
мартицы зеленого чая в зависимости от интенсивности обработки
удается провести более глубокое разупорядочение целлюлозной I
кристаллической компоненты. |
Рассмотрены данные по | окислительной полимеризации *
катехинов в матрице растительного сырья до и после механохимической обработки. Сравнение величин констант скорости реакций деградации в твердой фазе с константами скоростей в растворах (Таблица 1 и Таблица 3*10"8 и 10"5, 1/с, соответственно) показывает, что в составе растительного сырья катехины в 100 — 1000 раз более устойчивы. Можно утверждать, что процессы переработки растительного сырья более эффективны про сравнению с процессами жидкофазной экстракции вследствие большей сохранности нестабильных веществ в ходе получения порошковых препаратов.
В твердой фазе механическая смесь аскорбиновой кислоты и зеленого чая по устойчивости не отличается от исходного зеленого чая, Таблица 2 — Эффективные константы окислительной полимеризации катехинов в составе продуктов в зависимости от вида механохмической обработки
Условия ЕСС ЕвСС ЕСв
В твердой фазе в составе растительного сырья 3,5 ± 0.3 * 10"8 3.0 ±0.2 * 10'8 1.6 ±0.1 * 10"8
В твердой фазе, механическая смесь растительного сырья с 10 масс.% аскорбиновой кислоты 3.2 ± 0.3 * 10"8 3.1 ±0.2* 10"8 1.6 ±0.1 * 10'8
В твердой фазе механическая активация с аскорбиновой кислотой, 5 Вт/г 3.0 ±0.3 * 10"8 3.2 ±0.2 * 10"8 1.4 ±0.1 * 10"8
В твердой фазе механическая активация с аскорбиновой кислотой, 1 Вт/г 1.5 ±0.1 * 10"8 1.4 ±0.1 * 10'8 1.3 ±0.2 * 10"8
так же как и в случае механической активации высокой интенсивности. Для замедления деградации в твердой фазе необходимо, чтобы аскорбиновая кислота образовала механокомпозит с зеленым чаем. В таком случае скорость деградации ЕвСО и ЕОС снижается в 2 раза. Образование механокомпозита происходит при длительной пластической деформации в режиме низкоинтенсивной механической обработки и сопровождается равномерным распределением аскорбиновой кислоты по матрице растительного сырья.
В третьем параграфе рассмотрено влияние механохимической обработки на выход катехинов из растительного сырья.
Образец EGC, мг/г EGCG, мг/г ECG, мг/г Выход катехинов, мг/г Д,%
Измельчение, менее 5 мм 22,2 24,1 13,6 59,9 0
Механическая активация 19,8 27,2 18,5 65,5 9,4
Механохимическая активация с 0,03 мл поверхностно-а1сгивного вещества ТВИН-20 20,5 28,3 18,9 67,8 13,2
Механохимическая активация с 1,5 % диоксида кремния — аэросила 22,7 36,0 25,3 84,0 40,3
Механохимическая активация с 5 % карбоната натрия 4,5 3,8 15,3 23,6 -60,5
Механохимическая активация с 5 % аскорбиновой кислоты 31,6 36,8 21,5 90,0 50,3
Показано, что с помощью механохимической обработки можно увеличить выход катехинов зеленого чая на 50 %.
В четвертом параграфе обсуждается протекание реакции деградации гиперицина в ходе механической обработки.
в JO 40 Ы М 1М 1» 140 1«0 lee 200 t 2 4 0 « 10 12 14 10 10 20
Время обработки, с Время обработки, с
Рисунок 5 - Устойчивость гиперицина при механической обработке; слева -зависимость от интенсивности 5-15 Вт/г (20-60 д), справа - зависимость от температуры при интенсивности 1 Вт/г
На Рисунке 5 представлены данные по деградации гиперицина при различной интенсивности и времени обработки, определены условия, при которых возможно проводить механическую обработку без деградации гперицина. Порошки растительного сырья термостатировали при температуре 98 °С и 130 °С в течение 24 часов. При этом не происходило
заметного снижения концентрации гиперицина. По-видимому, деградация гиперицина является не термической, а протекает вследствие механических воздействий.
В пятом параграфе представлены данные по изменению структуры целлюлозной матрицы при механической обработке. После высокоинтенсивной механической обработки и низкоинтенсивной обработки при температуре кипения жидкого азота частицы становятся меньше, но морфология и анизотропия частиц сохраняется (Рисунок 6). В случае низкоинтенсивной обработки при температуре 10 °С и 98 °С конечный продукт состоит из частиц без морфологических признаков исходного сырья.
Для исходного растительного сырья индекс кристалличности составляет 52 %, для растительного сырья, обработанного в течение 100 с при интенсивности 5 Вт/г, — 47 %, для сырья, обработанного 600 с при интенсивности 1 Вт/г при -196 °С, - 46 %, что незначительно превышает ошибку метода. Видно, что существенного разупорядочения кристаллической структуры целлюлозы не происходит.
а) в)
■ЯЩррВВ & к^УЧж^таЭвшР*' Ш. ЛЖЫюгаь»яа
Рисунок 6 - электронно-микроскопические фотографии травы зверобоя; а) исходное сырье, б) высокоинтенсивная обработка и низкоинтенсивная обработка при температуре - 196 °С. в1 низкоинтенсивная обработка пои 10 и 98 °С
При повышении температуры наблюдается значительное падение индекса кристалличности (Рисунок 7). Разупорядочение происходит не только на уровне тканей растения, но и молекулярной кристаллической структуры целлюлозной компоненты клеточных стенок.
Таким образом, микроскопические и рентгенофазовые исследования показывают, что химических превращений компонентов растительного сырья следует ожидать при температуре 10-98 °С при низких интенсивностях механической обработки в режиме вязкого разрушения.
\ 40 с
| 30
I 20
| Ю 1 0
Время обработки, с
—196 ОС -10 ОС -98 ОС
Рисунок 7 - Изменение индекса кристалличности целлюлозной матрицы зверобоя; слева - интенсивность 5 Вт/г, - справа интенсивность 1 Вт/г
В шестом параграфе обсуждаются условия протекания механохимической реакции нейтрализации гиперицина в твердой фазе в зависимости от вида разрушения.
Сравнение характеристик
полученных спектров люминесценции с литературными данными о люминесценции различных форм гиперицина [7] позволяет сделать вывод о том, что форма гиперицина, адсорбированного на —Целлюлозе, сильно зависит от кислотности подложки из целлюлозного сорбента. Так,
-сорбции на целлюлозе (Рисунок 8) с
нейтральной и кислой поверхностью в основном сорбируется димерная форма гиперицина. При повышении щелочности подложки гиперицин сорбируется в форме анионов. Спектр суммы нафтодиантроновых соединений
аналогичен спектру чистого гиперицина.
В условиях пластического разрушения сырья, при высокоинтенсивной обработке, либо при низкоинтенсивной обработке при температуре кипения жидкого азота изменения в спектре не наблюдаются (Рисунок 9).
При механической активации растительного сырья при температуре 10 и 98 °С происходит изменение спектра люминесценции, аналогичное изменениям в чистом веществе при взаимодействии со щелочам. В области 500-700 нм имеются отличия от спектров чистого вещества и спектров суммы нафтодиантроновых соединений. Интенсивность пика
650
Длинна волны, нм
Рисунок 8 - Спектр люминесценции гиперицина, адсорбированного на целлюлозе, с добавками различной кислотности
при 600 им меньше и сам пик перекрывается «крылом» более интенсивного пика. Четко выражен пик при 670 нм. Появляется пик с максимумом на 730 нм, не относящийся к нафтодиантроновым соединениям.
Поскольку в наших экспериментах гиперицин изначально находился в растительном сырье, а щелочь вносилась в систему твердофазным методом механохимической активации, можно утверждать, что реакция нейтрализации гиперицина произошла непосредственно при обработке смесей порошков растительного сырья и щелочных добавок.
Рисунок 9 — Спектр люминесценции растительного сырья после механохимической обработки, слева - высокоинтенсивная обработка, справа - низкоинтенсвная обработка
При обобщении между типом
растительного сырья кислотно-основной нейтрализации гиперицина. При хрупком типе разрушения реакция не протекает. Если же система разрушается по вязкому типу, то реакция нейтрализации имеет место.
Таким образом, экспериментально подтверждена необходимость проведения механической обработки в условиях вязкого разрушения для обеспечения протекания химической реакции в ходе механической обработки.
полученных данных прослеживается
разрушения и протеканием реакции
взаимосвязь
--12%
Рисунок 10 - Спектр люминесценции растительного сырья после
механохимической обработки со щелочью в зависимости от содержания влаги
Следовые количества воды способствуют процессам массопереноса и ускоряют протекание гетерогенных реакций нейтрализации [3]. Для выяснения влияния содержания воды на реакцию нейтрализации гиперицина в матрице растительного сырья при длительном выдерживании при контролируемой влажности атмосферы готовились образцы с разным содержанием влаги. Затем проводилась их механохимическая обработка и люминесцентно-спектроскопическое исследование (Рисунок 10). Наблюдались существенное уменьшение интенсивности пика при 730 нм и увеличение интенсивности пика при 670 нм, а также появление существенного поглощения при 600 нм для сырья с содержанием влаги более 3 % масс.
Представленные данные демонстрируют, что реакция нейтрализации гиперицина протекает при содержании влаги в растительном сырье 3 и более % масс. Наличие воды играет ключевую роль в реакции нейтрализации, по-видимому, за счет ускорения массопереноса между частицами реагентов.
В седьмом параграфе обсуждается эффективность применения стадии механохимического взаимодействия в процессах выделения гиперицина. Введение щелочи исследовалось на системах, различающихся способом введения щелочного агента (раствор/твердое), интенсивностью и температурой механохимической обработки. Выход гиперицина определялся как масса гиперицина, выделяемая в раствор, приведенная к массе навески.
При сравнении образцов исходного растительного сырья и механически обработанного (3-6, 4-7, 5-8, Табл. 4) видно, что механическая активация без добавок влияет на выход слабее, чем изменение условий последующей экстракции. Изменение выхода в результате изменения размера частиц незначительно.
Сравнительно высокий выход гиперицина обеспечили образцы, выдержанные со щелочью и экстрагированные водой. По-видимому, выдержка в растворе щелочи повышает эффективность двух первых стадий процесса - диффузии щелочи в растительную ткань и реакции нейтрализации. Однако, как было показано в предыдущих экспериментах, гиперицин неустойчив в щелочных растворах. Во время выдерживания растительного сырья со щелочью кроме кислотно-основной реакции нейтрализации протекает процесс деградации гиперицина.
При механической активации высокой интенсивности со щелочью деградация гиперицина замедлена, как и реакция нейтрализации, но обеспечиваются необходимые условия для образования механокомпозита. При добавлении воды к порошку механокомпозита происходит быстрый
процесс растворения реагентов и реакции нейтрализации с последующей диффузией из ткани. В результате выход экстракции из образца, механически активированного со щелочью, повышается в 6 раз по сравнению с выходом экстракции водой исходного растительного сырья.
Таблица 4 - выход гиперицина в зависимости от вида экстракции, интенсивности и температуры механохимической обработки__
№ Обработка/вид экстракции Выход гипериц ина, 10"2 %
1 Исходное сырье, исчерпывающая» экстракция 51
2 Исходное сырье, экстракция спиртом 18
3 Исходное сырье, экстракция водой 2,8
4 Исходное сырье, экстракция 0,1 М ЫаОН 1,8
5 Исходное сырье, выдерживание с малым объемом щелочи, экстракция водой 4,1
6 Механическая обработка, экстракция водой 2,0
7 Механическая обработка, экстракция 0,1 М ЫаОН 2,4
8 Механическая обработка, выдерживание с малым объемом щелочи, экстракция водой 5,2
9 Механохимическая активация 5 Вт/г с 5 % ЫаОН, экстракция водой 16
10 Механохимическая активация 1 Вт/г, - 196 "С, с 5 % ЫаОН, экстракция водой 24
11 Механохимическая активация 1 Вт/г, 10 "С, с 5 % ЫаОН, экстракция водой 29
12 Сухое сырье, механохимическая активация 1 Вт/г, 10 °С, с 5 % ЫаОН, экстракция водой 23
13 Механохимическая активация 1 Вт/г, 98 "С, с 5 % ЫаОН, экстракция водой 17
Как было показано в предыдущих разделах, образцы, обработанные в АГО-2 и аттриторе при -196 °С, разрушались хрупким образом. Уменьшение размера частиц по сравнению с другими образцами привело к заметному увеличению выхода экстракции. По-видимому, облегчение диффузии в образцах с малыми по размеру частицами является важным, но не единственным фактором, влияющим на выход гиперицина.
Образец, обработанный при 10 °С, показал наибольший выход. Одновременное образование солевой формы гиперицина, облегчение диффузии за счет разупорядочения структуры и уменьшение диффузионных путей за счет уменьшения размера частиц привели к оптимальному результату.
Уменьшение выхода экстракции из образца, обработанного при 98 °С, связано со значительным увеличением размера частиц и увеличением диффузионных путей.
Интересно отметить, что образец, обработанный при 10 °С в отсутствие воды, характеризуется значительно меньшим выходом, чем образец, который содержал воду. Образцы отличаются тем, что при малой влажности, несмотря на пластический характер деформации, реакция нейтрализации гиперицина не протекает. При растворении в раствор выходит не легкорастворимая соль гиперицина, а нейтральная форма. Концентрация гиперицина в зоне растворения понижается, градиент концентраций уменьшается, квазиравновесная концентрация гиперицина в экстракте в итоге уменьшается.
Результаты для образца, экстрагированного 80 % спиртом, представлены для демонстрации того факта, что водная экстракция продукта механохимической обработки в высокоинтенсивных условиях не уступает спиртовой экстракции сырья, а водная экстракция продукта низкоинтенсивной обработки в оптимальных условиях превосходит водно-спиртовую экстракцию почти в 2 раза.
Таким образом, можно заключить, что применение интенсивной механической обработки в условиях хрупкого разрушения обеспечивает увеличение выхода в 6 раз по сравнению с процессами без механической обработки за счет образования активного механокомпозита. В оптимальном режиме (обработка с интенсивностью 1 Вт/г, температура 10 °С, влажность сырья 6 % масс.) можно увеличить выход гиперицина из растительного сырья в 10,5 раз по сравнению с процессами без механохимической обработки и повысить степень извлечения гиперицина до 57 % от теоретической.
В восьмом параграфе представлена схема технологического процесса механохимического получения препаратов из растительного сырья и данные по использования полученных препаратов.
Процесс получения порошковых продуктов, содержащих растворимые катехины и гиперицин, проводится с использованием проточного механохимического реактора — мельницы РМ при частоте вращения ротора 20-45 Гц и примениии стальных мелющих тел, что обеспечивает интенсивности и время пребывания в зоне реакции, адекватные таковым в аттриторе.
Технологический процесс включает стадии подготовки растительного сырья, неорганических добавок (щелочей), органических добавок (аскорбиновой кислоты — стабилизатора окислительной полимеризации), основную стадию механохимической обработки, стадии гранулирования и фасовки порошковой продукции (Рисунок 11). Для обеспечения внедрения результатов разработан проект технической
Склад неорганических добавок
Сушильная камера
Накопитель-дозатор
Склад растительного
Бункер-накопитель
Сушильная камера
Склад
органических
добавок
1 Г
Сушильная
камера
1 Г
Накопитель-
дозатор
Бункер / смеситель
документации, в соответствии с которыми изготавливались опытные партии порошковой продукции, использованной при испытаниях в составе пищевых изделий.
Предложенная технологическая схема получения порошковых продуктов и созданная техническая документация распространены на
способы получения
препаратов на основе рисовой шелухи и проростков ячменя (Пат. РФ 2438345, 2432778).
Катехинсодержащие препараты использованы разработки рецептур соусов и салатов нового поколения на Кафедре технологии
общественного питания Новосибирского государственного технического университета. Введение в состав соусов
Дозатор оегтлиоуемый
Механический
активатоо ▼
Приемник продукции с
м агн ито уловителем *
Бункер-накопитель
Линия гранулирования
— ■—
Пат.
были для
I Добавки для I гранулирования
Фасовочная линия
Склад готовой поолукции
Рисунок 11 - Схема технологического процесса механохимического получения препаратов из растительного сырья
антиоксидантнои чайной добавки способствует замедлению перекисного окисления липидов в 7-13 раз, сохранности витамина С в среднем на 25% и антиоксидантов на 20%. Полученные данные свидетельствуют о продлении сроков годности по сравнению с СанПиНом 2.3.2.1324-03 в 5-8 раз для соусов и в 2—4 раза для салатов.
На новые изделия для сети предприятий ООО «Фуд-мастер» разработаны технико-технологические карты и проекты технической
документации. На рецептуры подана заявка на Патент РФ № 2010132663/13 от 3 августа 2010 г.
Основные результаты работы и выводы
1. Скорости окислительной полимеризации катехинов в порошковом растительном сырье меньше скорости деградации в жидкой фазе в 1001000 раз; использование механохимических реакций в твердой фазе вместо процессов в жидкой фазе позволяет резко увеличить сохранность катехинов и гиперицина при переработке растительного сырья.
2. Целлюлозная матрица растительного сырья при механической обработке порошка сырья проявляет стабилизирующую функцию, заключающуюся в увеличении устойчивости катехинов и гиперицина к механическому воздействию.
3. Зависимость скорости деградации катехинов и гиперицина в составе растительного сырья от интенсивности и времени механической обработки имеет пороговый характер; быстрое исчезновение ценных компонентов происходит при интенсивности механической обработки более 5 Вт/г; время до начала быстрого разложения гиперицина в порошке травы зверобоя при механической обработке с интенсивностью 1 Вт/г составляет 60 с.
4. С помощью люминесцентно-спектроскопических исследований обнаружено образование солевых форм гиперицина в твердой фазе при взаимодействии порошков растительного сырья и щелочи и определены условия получения высокорастворимых солевых форм в зависимости от интенсивности, температуры проведения механической обработки и содержания воды.
5. Экспериментально подтверждена необходимость проведения механической обработки твердого растительного сырья в условиях вязкого разрушения для обеспечения протекания химической реакции в ходе механической обработки.
6. Научно обоснованы и защищены патентами РФ способы и условия эффективного механохимического получения катехин- и гиперицинсодержащих продуктов и предложены направления использования механохимической технологии в пищевой и кормовой промышленности в качестве экологически чистых антиоксидантных добавок.
Список цитируемой литературы
1. Boldyrev, V.V. Reactivity of solids and new technologies/ V.V. Boldyrev // Reactivity of Solids: Past, Present and Future - Oxford: Blackwell Sci. Publ., 1996. - P. 267-287.
2. Avvakumov, E. Soft Mechanochemical Synthesis: a Basis for New Chemical Technologies / E. Avvakumov, M. Senna, N. Kosova. - Boston Dordrecht London: Kluver Acad. Publ., 2001.-201 p.
3. Бутягин, П.Ю. Кинетика и энергетический баланс в механохимических превращениях / П.Ю. Бутягин, А.Н. Стрелецкий // Физика твердого тела. - 2005. - Т. 47. - Вып. 5. - С. 830-836.
4. Wenkui, L. High performance liquid chromatographic analysis of St. John's Wort with photodiode array detection / L. Wenkui, K.F. Fitzlof // J. Chromatography B. - 2001. - V. 765. - Iss. 1. - P. 99-110.
5. Mizukami, Y. Simultaneous analysisof catechins, gallic acid, strictinin and purine alkaloids in green tea by using catechol as internal standart / Y. Mizukami, S. Yusuke, Y. Yumaguchi // J. Agric. Food Chem. - 2007. - V. 55. - P. 4957-4964.
6. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of cellulose / L. Segal [et al.]. / Tex. Res. J. - 1962. - V. 29. P. - 786-794.
7. Surface-Enhanced Fluorescence and Raman Scattering Study of Antitumoral Drug Hypericin: An Effect of Aggregation and Self-Spacing Depending on pH / Lajos G. [et al.]. // J. Phys. Chem. C. - 2008. - N. 112. - P. 12974-12980.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
Статьи в журналах
1. Ломовский И.О. Устойчивость катехинов зеленого чая в твердой фазе и водном растворе // Химия в интересах устойчивого развития, № 20, 2012, с. 253-258.
2. Ломовский И.О. Влияние условий механохимической обработки на экстракцию гиперицина из травы зверобоя // Химия растительного сырья. -2012. -№ 3. - С. 93-99.
3. Е. Bychkova, I. Lomovskiy, О. Lomovskiy Efficiency of the use of tea antioxidants in the production of sauces of functional use // Journal of International Scientific Publication: Materials, Methods & technologies, Volume 6, P. 1, 2012, p. 149-155.
4. I. Lomovskiy, O. Lomovskiy Solid state production of antioxidants preparations from plant material // Journal of International Scientific Publication: Materials, Methods & technologies, Volume 6, P. 1, 2012, p. 156164.
5. Бычкова Е.С., Растрепаева Е.О., Ломовский И.О., Ломовский О.И. Разработка новых видов салатов функционального назначения // Пищевая промышленность, - 2012. - №6 - С.62-63.
Статьи в сборниках трудов конференций
6. Ломовский, И.О. Королев, К.Г. Экстракция гиперицина из травы зверобоя. Влияние механической активации на процесс экстракции // IV Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», 21-23 апреля 2009 г. Барнаул. — Книга 2 - Барнаул, 2009 - с. 232 - 234.
7. Ломовский И.О. Механохимическая интенсификация экстракции полифенольных соединений из растительного сырья // IV Всероссийская конференция по химической технологии XT'12, Москва, Сборник тезисов, Том 2, с. 194-195.
8. Бычков А.Л., Ломовской О.И., Ломовский И.О. Механохимия в комплексной переработке растительного сырья // IV Всероссийская конференция по химической технологии XT'12. Сборник тезисов, Том 1, с. 33-35.
9. И.О. Ломовский, A.A. Политов Исследование механохимической реакции нейтрализации гиперицина в составе травы зверобоя спектролюминесцентным методом // V Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», 24-26 апреля 2012 г. Барнаул -Барнаул, 2012-с. 184-185.
10. Е.О. Растрепаева, Е.С. Бычкова, И.О. Ломовский Разработка новых видов салатов функционального назначения // Студент и научно-технический прогресс: технологии и сервис: Материалы Всероссийской межвузовской науч.-практ. конференции, Новосибирск, 23 марта, 2012 г., с. 196-201.
11. Е.С. Бычкова, Е.О. Растрепаева, И.О. Ломовский Изменение показателей качества салатов функционального назначения в процессе хранения // VI Международная научно-практическая конференция Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы, май, 2012, с. 29-31.
Тезисы в сборниках трудов конференций
12. Ломовский, И.О. Стабильность антиоксидантов растительного сырья на примере катехинов зеленого чая и диантроновых соединений травы зверобоя // IX всероссийская научно практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» 1416 мая 2008 г., Томск. - Томск, 2008. - С. 35.
13. Lomovsky I.O., Korolev K.G., Lomovsky O.I. Solid state mechanochemical reactions for production of antioxidants preparation from plant materials // Third International conference on chemical investigation and utilization of natural resources, 25-28 June 2008, Ulaanbaator, Mongolia. -Ulaanbaator, 2008. - P. 124.
14. Ломовский И.О. Механохимическая активация извлечения гиперицина из растительного сырья // XLVII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно—технический прогресс», посвященная 50-летию Новосибирского государственного университета, 11-15 апреля 2009 г. Новосибирск- Новосибирск, 2009 - С. 3.
15. Lomovsky I.O., Korolev K.G., Mechanochemical activation of extraction of hypericin from plant material // III International Conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies FBMT 2009" May 25 - 30, 2009, Novosibirsk, Russia, p. 135.
16. Lomovsky I.O., Lomovsky O.I. Solid state mechanochemical reaction of hypericin in plant material // 2nd Annual Russian-Korean Conference "Current issues of natural products chemistry and biotechnology" Novosibirsk, Russia, March 15 - 18, 2010, p. 87.
17. Ломовский И.О., Ломовский О.И. Влияние механохимической активации на процесс экстракции гиперицина из растительного сырья // VI всероссийская конференция Химия и технология растительных веществ, Санкт-Петербург, 14-18 июня, 2010. С 266-267.
18. I. Lomovskiy, О. Lomovskiy Mechanochemical reaction of diantronic compounds with alkali // VII International conference on mechanochemistry and mechanical alloying INCOME 2011, Herceg Novi, Montenegro, August 31 - September 3, 2011, p. 85.
19. O. Lomovsky, A. Bychkov, I. Lomovskiy Mechanochemically assisted extraction of nutritious from cellular biorenewable materials // VII International conference on mechanochemistry and mechanical alloying INCOME 2011, Herceg Novi, Montenegro, August 31- September 3, 2011, p. 30
20. I. Lomovskiy, O. Lomovsky Technology of production of antioxidants preparations from plant material // Thirteenth annual conference YUCOMAT 2011 Herceg Novi, Montenegro, September 3-5, 2011, p. 72.
21. I. Lomovskiy, B. Nemzer Solid State Production of Bio-Active Mechanocomposite for Extraction of Polyphenols from Plant Raw Material // 6th International conference on polyphenols applications, June 7-8, Paris, France, p. 113.
22. B. Nemzer, I. Lomovskiy Solid State Production of Biomechanocomposite for Extraction of Polyphenols // 6th International conference on polyphenols applications, June 7-8, Paris, France, p. 113.
23. E. Bychkova, I. Lomovskiy, О. Lomovskiy Efficiency of the use of tea antioxidants in the production of sauces of functional use// 14th international symposium Materials, methods and technologies, June 11-15, 2012, Sunny Beach, Bulgaria, p. 72.
24.1. Lomovskiy, O. Lomovskiy Technology of production of antioxidants preparations from St. John Wort // 14th international symposium Materials, methods and technologies, June 11-15, 2012, Sunny Beach, Bulgaria, p. 23.
Главы в монографиях
25. О. Lomovsky, I. Lomovsky Mechanochemically Assisted Extraction // Chapter in Enhancing Extraction Processes in the Food Industry, ed. by N. Lebovka, E. Vorobiev, F. Chemat, NY - London: CRC Press, 2011, ISBN: 9781-4398-4593-6.
26. Бычкова E.C., Ломовскнй И.О. Разработка продуктов функционального и лечебно-профилактического назначения с использованием растительного сырья // Реализация концепции здорового питания населения: состояние и перспективы, под ред. С.И. Главчевой -Новосибирск: Издательство НГТУ, 2012, ISBN 978-5-7782-2012-6
Патенты
27. Ломовский И.О., Ломовский О.И. Композиция на основе зверобоя, включающая соединения диантронового ряда, и способ ее получения // Пат. РФ. № RU 2436586 С1 от 25.08.2010.
28. Ломовский И.О., Ломовский О.И. Кремнийсодержащая композиция из рисовой лузги и способ ее получения // Пат. РФ. № RU 2438345 С1 от 13.09.2010.
29. Ломовский И.О., Орлов В.И., Колдыбаев С.Г. Кормовая мука из солодовых ростков для сельскохозяйственных и непродуктивных животных и способ ее получения // Пат. РФ. № RU 2432778 С1 от 08.02.2010.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю академику В.В. Болдыреву за руководство, д.х.н. О.И. Ломовскому, к.х.н. А.А. Политову, к.х.н. А.Л. Бычкову, к.х.н. Королеву К.Г. за поддержку и неоценимую помощь в обсуждении полученных результатов, к.х.н. В.А. Саленко, В.А. Бухтоярову за помощь в проведении экспериментов, к.т.н. Бычковой Е.С. за веру в мою работу и активное применение ее в своих разработках, д.х.н. Авакумову Е.Г., д.х.н. Головко А.К. за ценные советы и обсуждение материалов диссертации.
Автор признателен сотрудникам ИХТТМ СО РАН за помощь и поддержку.
Отпечатано в типографии Новосибирского государственного Технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс: (383) 346-08-57 формат 60><84 1\16, объем1.75п.л., тираж 120 экз. заказ № 671 подписано в печать 02.04.13 г.
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение Институт химии твердого тела и механохимии
На правахрукописи
оч^ит 358678
Ломовский Игорь Олегович
Механохимические взаимодействия фенольиых соединений растительного происхождения и их технологическое применение
02.00.21 - химия твердого тела
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель академик РАН, доктор химических наук, профессор Болдырев Владимир Вячеславовйч
Новосибирск 2012
Оглавление
Список сокращений_5
Введение_6
1 Литературный обзор_10
1.1 Фенольные соединения в твердом растительном сырье, особенности конкретных
объектов исследования_10
1.2 Реакции окисления полифенолов, окислительная полимеризация и деградация фенольных
соединений растительного происхождения_14
1.3 Основные механохимические эффекты и реакции, используемые в технологии фенольных соединений растительного происхождения_16
1.3.1 Получение частиц растительного сырья с оптимальными размерами_16
1.3.2 Повышение эффективности измельчения растительного сырья с помощью предварительной химической обработки_17
1.3.3 Изменение дефектности и повышение реакционной способности целлюлозы и лигноцеллюлозы клеточных стенок_19
1.4 Химические реакции низкомолекулярных веществ в процессе механической обработки, используемые в технологии переработки растительного сырья_20
1.5 Гидротермальные (квазиавтоклавные) условия при механической обработке
гетерофазных месей_21
1.6 Особенности строения биогенного сырья, важные для механохимических технологий_23
1.6.1 Сведения о строении и химическом составе растительных тканей_24
1.6.2 Разрушение растительного сырья до размера частиц около 80 микрометров_26
1.6.3 Сведения о строении и химическом составе клеточных стенок_26
1.6.4 Разрушение растительного сырья до размера частиц порядка 1 микрометра_27
1.7 Оптическое и электронно-микроскопическое исследование активации растительного
сырья при интенсивной механической обработке_27
1.8 Разрушение клеточной стенки для повышения эффективности выделения
низкомолекулярных компонентов растительного сырья_30
1.8.1 Кислотный гидролиз_31
1.8.2 Ферментативный гидролиз_32
1.8.3 Механоферментативный гидролиз_'33
1.9 Механохимические реакции низкомолекулярных биологически активных компонентов с
образованием растворимых веществ_36
1.9.1 Механохимические реакции нейтрализации и образование растворимых солей_39
1.9.2 Образование растворимых комплексов_40
1.9.3 Реакции гликозилирования и перегликозилирования_41
1.9.4 Образование поверхностных комплексов с растворимыми соединениями_42
1.9.5 Образование биокомпозитов_44
1.10 Перспективы механохимического подхода в технологии фенольных соединений растительного происхождения_45
1.10.1 Повышение выхода экстрагируемых веществ_45
1.10.2 Повышение селективности выделения_46
1.10.3 Изменение качественного состава экстрагируемых веществ_46
1.11 Реакторы для проведения механохимической активации_47
1.12 Цели и задачи исследования_51
2 Экспериментальная часть_54
2.1 Характеристика реагентов, материалов и методов физико-химического анализа_54
2.2 Методика механохимической обработки и проведения механохимических реакций_56
2.3 Получение модельных образцов для люминесцентно - микроскопического анализа_57
2.4 Получение экстрактов исходного сырья и продуктов механохимической обработки_57
2.4.1 Получение экстракта, обогащенного гиперицином_57
2.4.2 Проведение исчерпывающей экстракции для определения содержания гиперицина и катехинов в исходном растительном сырье и продуктах обработки_59
2.4.3 Проведение экстракции для определения выхода гиперицина и катехинов из растительного сырья_59
3. Результаты и обсуждение_60
3.1 Исследование реакций окислительной полимеризации (деградации) катехинов_60
3.1.1 Кинетика деградации катехинов в растворе_61
3.1.2 Изучение кинетики экстракции катехинов из растительного сырья_64
3.1.3 Окислительная полимеризация катехинов при механической обработке порошков зеленого чая_66
3.1.4 Окислительная полимеризация катехинов в твердой фазе до и после механохимической обработки_67
3.2 Изменение упорядоченности структуры растительного сырья на макро- и микроуровне при механохимической обработке_70
3.2.1 Макро-уровень_70
3.2.2 Микро-уровень_71'
3.3 Влияние механохимической обработки на выход катехинов из растительного сырья_73
3.4 Исследование реакции окислительной полимеризации гиперицина при механической обработке_75
3.5 Изменение структуры целлюлозосодержащей матрицы при механической обработке_78
3.6 Исследование условий протекания реакции нейтрализации гиперицина в твердой фазе_81
3.6.1 Люминесцентно-спектроскопический анализ гиперицина_82
3.6.2 Спектр люминесценции гиперицина, адсорбированного на целлюлозе_83
3.6.3 Спектр люминесценции суммы нафтодиантроновых соединений, адсорбированных на целлюлозе_85
3.6.4 Влияние вида разрушения растительного сырья на механохимическую реакцию нейтрализации гиперицина_87
3.6.5 Влияние содержания воды на реакцию нейтрализации гиперицина при механической обработке смеси порошков растительного сырья и щелочи_88
3.7 Эффективность применения твердофазной стадии в процессах выделения гиперицина_90
3.8 Технологическая схема получения гиперицин и катехин содержащих препаратов и опыт их применения_93
3.8.1 Технологическая схема получения порошковых препаратов механохимическим способом_93
3.8.2 Применение катехин- и гиперицин-содержащих порошковых препаратов_96
4 Заключение _ _ ___ _98
5 Выводы_99
6 Публикации по теме диссертации
100
7 Литература
8 Приложения
Список сокращений
БАВ - биологически активные вещества. БАД - биологически активная добавка к пище. ВРВ - водорастворимые вещества.
ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография.
ВЭЖХ-МС - высокоэффективная жидкостная хроматография, совмещенная с масс-спектроскопией.
ИК-спектры - инфракрасные спектры.
КС - клеточная стенка.
МКЦ - микрокристаллическая целлюлоза.
РФ А - рентгенофазовый анализ.
ПАВ - поверхностно-активное вещество.
ЕСй - эпикатехин галлат.
ЕОС - эпигаллокатехин.
ЕвСв - эпигаллокатехин галлат.
Введение
Движущей силой исследований в области химии твердого тела и механохимии является потребность в разработке малооперационных, экологически чистых твердофазных технологий получения химических продуктов и материалов [1-4]. В связи с особой практической значимостью исторически лидировали работы, посвященные исследованию взрывчатых веществ [5], твердых неорганических веществ [6], полимеров [7,8], в том числе, природных полимеров [9].
Синтетические возможности механохимии проиллюстрированы множеством примеров: синтезом неорганических [10] и органических веществ [11], получением интерметаллидов [12], молекулярных комплексов [13].
Механическая обработка многокомпонентных смесей позволила получить новые композиционные материалы [14], катализаторы [15], лекарственные препараты [16].
Теоретические исследования в области различных аспектов механохимии: термодинамики реакций [17,18], кинетики и механизма [19], рассмотрение специфической роли механических и прочностных свойств твердых реагентов [20,21] продемонстрировали целесообразность использования механохимических методов для активации процессов в химической технологии, например, переработки многокомпонентного минерального сырья [22], получения материалов [23].
Однако, к сожалению, положительный лабораторный опыт [24] трудно трансформируется в промышленные технологии и оборудование. Для протекания механохимических процессов требуется затратить большое количество механической энергии. При этом до 95% подведенной энергии переходит в тепло, не принимая участия в механохимических процессах [11, 25]. Поэтому большинство приложений требует оборудования с большой интенсивностью механического воздействия и производительностью.
Создание и масштабирование такого оборудования является самостоятельной сложной задачей. Широко распространённое в промышленности измельчительное оборудование не обеспечивает должной интенсивности, а большинство существующих интенсивных активаторов обладает низкой производительностью [26]. В связи с этим, на данный момент в области неорганической механохимии реализованы, в основном, разработки, позволяющие не учитывать энергетические затраты и получать дорогостоящие продукты.
В механохимии органических соединений и материалов высокие интенсивности механической обработки не требуются или даже противопоказаны, потому в последние годы наблюдается явственный сдвиг интересов механохимиков, особенно российских, в эту область. К традиционным исследованиям в области органической механохимии угля [27] в последние годы прибавились исследования по механохимии нефти и нефтепродуктов [28], торфа [29]. В частности, в ряде исследований было показано, что механохимическая обработка торфа, например, твердыми щелочами, позволяет повысить выход из этого многокомпонентного сырья водорастворимых
полифенольных соединений - солей гуминовых кислот, полисахаридов [30] и липидов [31]. С помощью механохимических реакций с окислителями оказалось возможным модифицировать гуминовые кислоты путем изменения количества в этих нерегулярных фенольных полимерах кислородсодержащих функциональных групп [32]. Произведенная модификация позволила получить новые гуминовые препараты с улучшенными химическими свойствами, включая повышенную антиоксидантную активность [33], и биологическими свойствами [34]. Эти работы стали одним из стимулов нашей активности в механохимии фенольных соединений растительного происхождения несмотря на то, что растительное сырье, в отличие от угля и торфа, не только многокомпонентное, но и клеточно структурированное.
Кислотно-основные превращения и донорно-акцепторные взаимодействия - одни из самых распространенных и, вместе с тем, простых в экспериментальном осуществлении типов механохимических реакций фенольных соединений. Вещества фенольной природы широко распространены в животном и растительном мире и во многих случаях обладают биологической активностью. Востребованность и рыночная стоимость многих препаратов вполне достаточны для возмещения затрат на осуществление механохимических технологий.
Важной теоретической областью органической механохимии является изучение и описание взаимосвязи между процессами релаксации механических напряжений и изменением реакционной способности молекулярных кристаллов и органических супрамолекулярных ансамблей [35]. Безусловно представляет и научный и практический интерес рассмотрение молекулярного перемешивания и химического взаимодействия, протекающих с участием органических твердых тел под действием механических сил.
Биогенное, растительное сырьё широко распространено и обладает огромным промышленным потенциалом. Поэтому изучение процессов, происходящих при их механической обработке, а также химических реакций, сопряжённых с механической обработкой, является приоритетной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и с точки зрения рационального использования природных ресурсов в химической технологии. В Программе США «Зеленая химия» [36] и в Программе Российской Федерации Технологической платформы «БиоТех 2030» [37] на государственном уровне ставятся примерно одинаковые задачи — довести к 2025 - 2030 годам долю биовозобновляемого сырья в химической промышленности до 25%.
Таким образом, тематика исследования - механохимические реакции фенольных соединений растительного происхождения и их технологическое применение — является, несомненно, актуальной.
Целью данной работы является: экспериментальное изучение физико-химических реакций фенольных соединений растительного происхождения, протекающих при
механохимической обработке структурированной многокомпонентной системы - твердого растительного сырья (зеленого чая Camellia Sinensis L., травы зверобоя Hypericum perforatum L.) и выявление возможности использования твердофазных процессов, протекающих с участием матрицы растительного сырья и минорных компонентов, для получения препаратов, содержащих фенольные соединения: катехины и галлокатехины чая и диантроновые соединения зверобоя, в растворимой биологически доступной форме.
В работе поставлены следующие задачи:
• исследовать реакции окислительной полимеризации фенольных соединений в составе растворов и твердых смесей, ответственные за деградацию свойств продуктов в растительном сырье на примере катехинов зеленого чая и гиперицина травы зверобоя;
• изучить кинетику экстракции катехинов и гиперицина из растительного сырья;
• исследовать реакции окислительной полимеризации катехинов и нейтрализации кислотных фенольных групп гиперицина при механохимической обработке в составе твердого растительного сырья;
• исследовать изменения структуры растительного сырья на макро- и микроуровне;
• изучить влияние механохимической обработки на выход катехинов и гиперицина из растительного сырья при экстракции;
• исследовать условия протекания реакция нейтрализации гиперицина в твердой фазе люминесцентно-спектроскопическим методом;
• изучить влияние механохимической обработки в условиях хрупкого и пластического разрушения на реакцию нейтрализации гиперицина в смеси порошков растительного сырья и щелочи;
• определить эффективность применения твердофазной стадии и оптимальные условия ее осуществления в процессах получения катехин- и гиперицин-содержащих продуктов из растительного сырья;
• разработать основные этапы технологии механохимического получения катехин- и гиперицин-содержащих препаратов из растительного сырья и их использование в пищевой промышленности.
Практическое значение результатов проведенных исследований заключается в возможности использовать разработанные эффективные механохимические подходы для приготовления биологически активных препаратов.
На защиту выносятся:
1. Определение высоких скоростей окисления и деградации полифенольных антиоксидантных веществ в жидкой фазе по сравнению с реакциями в порошковом растительном сырье;
2. Выявление стабилизирующей роли матрицы растительного сырья, заключающейся в увеличении устойчивости антиоксидантов к механическому воздействию;
3. Выявление порогового характера зависимости скорости деградации антиоксидантов в присутствии матрицы растительного сырья от интенсивности и времени механической обработки;
4. На примере гиперицина определение условий получения высокорастворимых солевых форм гиперицина в твердой фазе при взаимодействии твердой дисперсии растительного сырья и щелочи в зависимости от интенсивности и температуры проведения механической обработки;
5. Экспериментальное подтверждение необходимости проведения механической обработки в условиях пластического разрушения для обеспечения протекания химической реакции в ходе механической обработки;
6. Научно обоснованные условия механохимического получения катехин- и гиперицин-содержащих продуктов при совместной обработке растительного сырья и щелочи и использование механохимической технологии в пищевой промышленности.
1 Литературный обзор
1.1 Фенольные соединения в твердом растительном сырье, особенности конкретных объектов исследования
Современная биоорганическая химия - это прежде всего химия белков. Углеводы, жиры остаются объектом пристального внимания пищевой химии. Полифенолы практически не усваиваются организмами животных и человека и потому внимание современных быстроразвивающихся областей химии привлекают значительно меньше. Однако важность полифенолов в функционировании биосферы и промышленной деятельности человека несомненна.
Основным источником фенольных соединений является лигнин растений, преобразующийся в ходе геологических процессов в нефть, либо в ряд каустобиолитов «торф — бурый уголь — антрацит», то есть в основные виды сырья для энергетики. Частицы песка или глины проявляют свойства почв только после сорбции на них гуминовых веществ, формирующихся из лигнина остатков растений. Однако огромные запасы лигнина, накопленные бумажной промышленностью, не используются и остаются головной болью экологов.
Современная актуальность исследования фенольных соединений растительного происхождения связана с их антиоксидантной активностью и необходимостью эффективной профилактики и регулирования так называемого окислительного стресса (в медицинской литературе также встречаются термины оксидативный, оксидантный стресс). Окислительный стресс определяется как «нарушение баланса между окислителями и антиоксидантами в пользу первых в клетках организма» [38] и является одним из основных индукторов гибели клетки [39,40]. Однако не всегда окисли
