Равновесная сорбция антоцианов на бентонитовых глинах и на обращенных фазах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

00505174»

На правах рукописи

Чулков Андрей Николаевич

РАВНОВЕСНАЯ СОРБЦИЯ АНТОЦИАНОВ НА БЕНТОНИТОВЫХ ГЛИНАХ И НА ОБРАЩЕННЫХ ФАЗАХ

02.00.11 Коллоидная химия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Белгород 2013

005051748

Работа выполнена в национальном исследовательском государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный университет» на кафедре общей химии

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор, Дейнека

Виктор Иванович

Официальные оппоненты: Селеменев Владимир Федорович

доктор химических наук, профессор, Воронежский государственный университет/ кафедра аналитической химии, зав. кафедрой

Тикунова Инга Вильямовна кандидат технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова / кафедра прикладной химии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится 26 апреля 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 в БГТУ им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова

Автореферат разослан 22 марта 2013.

Ученый секретарь диссертационного совета

Матвеева Л.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Антоцианы являются представителями природного класса флавоноидов, веществ с высокой антиоксидантной активностью. Именно эти соединения входят в состав лепестков цветов и плодов растений с оттенками от красных до фиолетовых. Антоцианы используют в качестве природных красителей и биологически активных веществ в фармацевтической и пищевой промышленности, в медицине - для профилактики заболеваний зрительной и сердечнососудистой системы. При экстракции антоцианов из растительных материалов извлекаются также и иные водорастворимые соединения, присутствие которых нежелательно в ряде способов их использования, поэтому технологически важным моментом является очистка и концентрирование антоцианов.

Сорбционные методы широко используются для очистки и концентрирования соединений различного происхождения. Поэтому проблема выбора оптимального сорбента относится к актуальным задачам современной прикладной химии. Для сорбции антоцианов (единственных водорастворимых антиоксидантов класса флавоноидов), существующих в кислой среде (рН = Н4) в окрашенной (катионной) форме используют химически модифицированные силикагели (обращенные фазы), что довольно необычно для гидрофильных соединений. В тоже время среди природных слоистых минералов хорошо известны эффективные катионнобменные материалы. Такие материалы доступны, существенно дешевле по сравнению с химически модифицированными силикагелями, технологии их получения, обогащения и активации поставлены на промышленный уровень. Однако к началу настоящей работы в научной литературе не было обнаружено работ по использованию неорганических катионообменных минералов для сорбционной очистки и концентрирования антоцианов. Кроме того, в литературе практически отсутствуют работы по исследованию закономерностей сорбции антоцианов на обоих типах сорбентов, необходимых для разработки рациональных технологий их использования.

Цель диссертационной работы.

Получение товарного продукта - концентрата антоцианов.

Задачи исследования:

1. Определение типа изотерм, констант Генри, предельной сорбционной емкости и механизма сорбции антоцианов на природных бентонитовых глинах. Исследование влияния строения антоцианов, предсорбции берберина (одного из возможного сопутствующих экстрактивных веществ) и состава растворителя на сорбционные процессы.

2. Определение термодинамических параметров переноса антоцианов из подвижной фазы на стационарную, сопоставление некоторых типов обращенных стационарных фаз, их предельной сорбционной емкости и механизма сорбции антоцианов на обращенно-фазовых сорбентах.

3. Систематизация экспериментальных данных в рамках С^РЯ — количественной взаимосвязи «структура - свойство»: спектральных характеристик и закономерностей изменения свободных энергий переноса антоцианов с подвижной фазы на стационарную обращенную фазу.

4. Создание композиционных сорбентов на основе природных глин и характеристики их сорбционных свойств.

5. Разработка технологической схемы сорбционной очистки и концентрирования антоцианов из природных матриц.

Научная новизна.

Показано, что механизм сорбции антоцианов на бентонитовых глинах электростатический. Предельная избыточная сорбция антоцианов прямо пропорционально зависит от катионообменной емкости (по Н+) сорбента.

Установлено, что предельная избыточная сорбция антоцианов зависит от размеров флавилиевых ионов и уменьшается на 60±10 % при добавлении в структуру гликозидного фрагмента каждого дополнительного углеводного (моносахаридного) радикала, и практически не зависит от заместителей в кольце В.

Показано, что при предсорбции берберина (сопутствующего антоцианам) возможно увеличение констант Генри для сорбции антоцианов и замена электростатического механизма на механизм гидрофобного выталкивания на поверхность.

Показано, что для переноса антоцианов из подвижных фаз систем «ацетонитрил : муравьиная : кислота : вода» на стационарную обращенную фазу:

1) константы Генри возрастают при уменьшении количества ОН-групп и добавлении ОСНз-групп в кольцо В;

2) тангенсы углов наклона линий трендов относительного удерживания возрастают на 0,11 при добавлении каждого углеводного радикала;

3) при использовании подкисленных водно-органических растворов уменьшается предельная избыточная сорбция, что позволяет проводить десорбцию и концентрирование антоцианов.

Получены новые композиционные сорбенты, сочетающие высокую сорбционную активность с возможностью использования динамических режимов. Разработана технологическая схема очистки и концентрирования антоцианов с использованием разработанных сорбентов.

Практическая ценность работы. Разработаны состав и способы получения сорбентов, разработан способ получения очищенных антоцианов на этих сорбентах (2 патента). Изучен антоциановый состав растительных объектов методом обращенно-фазовой ВЭЖХ как потенциальных источников антоциановых пигментов-антиоксидантов.

Разработанные схемы использованы малым инновационным предприятием ООО «Флора БАВ» для получения колорантов на основе местного растительного сырья и получено положительное экспертное заключение института питания РАМН по продукту «Антоциан» на основе аронии черноплодной. Способ получения композиционного сорбента на основе слоистых материалов удостоен золотой медали на IX Московском инновационном форуме инноваций и инвестиций в 2009 г и почетным дипломом салона «Архимед» в 2010 г. Способ получения очищенных антоцианов получил серебряную медаль на X Московском инновационном форуме инноваций и инвестиций в 2010 г и бронзовую медаль на международном форуме ЛЕПИН в Париже в 2011 г.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на II и III Международной конференции «Сорбенты как фактор качества жизни» (Белгород, 2006 г., 2008 г.); III Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г.); ХЬУ1 Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»

(Новосибирск, 2008 г.); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008 г.); I Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск, 2009 г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Хроматография - народному хозяйству» (Дзержинск, 2010 г); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и ионообменных процессах» (Белгород, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Новейшие технологии оздоровительных продуктов питания XXI века» (Харьков, 2010 г.); V и VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "ФИЗИКОХИМИЯ" (Москва, 2010 г., 2011 г.).

Положения, выносимые на защиту.

1. Антоцианы во флавилиевой форме при (рН=1) проявляют высокое сродство к глинам бентонитовой группы. Сорбция антоцианов на природных глинах происходит в основном по электростатическому механизму и определяется катионообменной емкостью глин.

2. Константы Генри и предельная емкость сорбционного слоя бентонитовых глин зависят от геометрических размеров антоцианов.

3. Предсорбция берберина на глинах приводит к изменению механизма сорбции антоцианов.

4. Параметры относительного удерживания антоцианов в условиях сорбции на обращенно-фазовых сорбентах являются более надежными дескрипторами в количественной взаимосвязи «Структура - свойство» по сравнению с электронными спектрами антоцианов.

5. Предложенная технологическая схема позволяет очищать и концентрировать антоцианы. При этом сорбент может быть использован многократно (30 и более раз).

Публикации. По материалам данного исследования опубликовано 28 работ. Из них 13 в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ. 13 работ опубликовано в сборниках трудов международных и всероссийских конференций. Получено 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, списка литературы из 360 источников и 10 приложений. Материалы работы изложены на 199 страницах, включают 98 рисунков и 44 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Во введении обозначены актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость исследования, сведения об апробации работы и основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Общая информация о свойствах слоистых минералов и антоцианов

(обзор литературы)

В главе 1 дается обзор литературных данных о происхождении и видах глин, структуре и строении глинистых минералов. Показано применение глин в бытовых

целях, и в высоких технологиях, например, при получении композиционных материалов или интеркалатов.

Приводится химическая структура, строение и свойства антоциановых комплексов. Описано применений антоциановых пигментов, способы экстракции, очистки и идентификации антоциановых пигментов из растений.

Глава 2. Объекты исследования и методики эксперимента

Вследствие труднодоступности (или для многих антоцианов -недоступности) индивидуальных антоцианов работа проводилась на очищенных растительных антоциановых экстрактах. Состав антоциановых комплексов в настоящей работе определяли, используя следующие физико-химические методы: хроматографию (обращенно-фазовую), электронную спектроскопию (диодно-матричный детектор) и масс-спектроскопию (масс-спектрометрический детектор). Антоцианы экстрагировали из различных объектов - плодов растений различных семейств, родов и видов, выращенных в Ботаническом саду НИУ «БелГУ».

В работе использована глина месторождения Маслова Пристань (МП) (Белгородская область), бентонитовая глина (Армения, Ар), а также коммерческие препараты «Смекта» (Франция), С, «Неосмектин» - ЗАО «ФармПроект» г. Санкт-Петербург, НС. Предварительно материалы подвергались кислотной обработке и обогащению сепарированием и седиментацией. Композиционный материал на неорганической матрице приготавливали по технологии, изложенной в патенте № 2360733. «Состав композиционного сорбента для очистки и концентрирования биологически активных антоцианов из растительного сырья и способ его получения»

Удельную поверхность и распределение пор использованных материалов определяли по низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе TriStar II 3020. Фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV. Элементный состав материалов определяли на растровом ионно-электронном микроскопе Quanta 200 3D. Измерение электрокинетического потенциала проводили на приборе Zetasizer nano, в качестве дисперсионной среды использовали подкисленные соляной кислотой водные растворы. Величины катионообменной емкости определяли по данным кислотно-основного титрования с потенциометрическим детектированием.

Глава 3. Результаты и их обсуждение

Строение антоцианов. К настоящему времени в природе обнаружено около 1000 антоцианов различного строения. Все их разнообразие связано, во-первых, с различным числом и положением функциональных гидрокси- и метокси- групп в положениях R3' и R5- флавилиевой основы, (рис. 1), среди которых выделяют шесть основных структур, табл. 1.

Вторым критерием разнообразия антоцианов является различное число и положение гликозидных радикалов (галактозид, арабинозид, глюкозид, ксилозид, и рамнозид) в положениях R3 или R3 и R5 флавилиевой основы. По числу молекул гликозидов, антоцианы разделяют на моногликозиды, дигликозиды, тригликозиды и антоцианы с более развитой структурой; гликозидные радикалы могут быть ацилированными органическими кислотами (уксусной, малоновой и др.).

Таблица 1. Положение основных заместителей в агликонах

IV 6

Агликон Заместители в положении

Ъ- я,. Ху

Пеларгонидин {Р§} н ОН н

Цианидин {Су} он ОН н

Пеонидин {Рп} ОСНз он н

Дельфинидин {Е)р} он он он

Петунидин {Рг} он он ОСНз

Мальвидин {Му} ОСНз он ОСНз

Рис.1. Обобщенная структура антоцианов

Сорбция антоцианов слоистыми минералами монтмориллоиитовой группы. В работе показано, что высокой сорбционной активностью по отношению к антоцианам обладают природные глины, поэтому данный материал может использоваться для очистки и концентрирования природных антоциановых колорантов. При этом сорбция антоцианов зависит, как и в случае обращенных фаз, от их строения, но эти зависимости для них не одинаковы.

Сорбцию антоцианов исследовали в статических условиях методом переменных навесок. Экспериментально было установлено, что время наступления равновесия при постоянном перемешивании составляет 10 минут, рис.2. При этом во всех исследованных в работе случаях сорбция антоцианов на глинах описывается уравнением мономолекулярной адсорбции Ленгмюра, рис.3.

Г, мкмоль г

50

Г

Г, мкмоль/г ^ 1 200

10 20 30 время, Ш1Н

100

г/(>4>"-№.........О"

. .-аМ."'^- Ч

т.- "

/ >

100

'равн.

200 мкмоль/л

Рис. 2. Кинетика сорбции антоцианов Рис. 3. Изотермы сорбции антоцианов на бентонитовой глине МП (Т = 21°С)

Экстракты: 1 - аронии черноплодной; 2 - каркаде; 3 - паслена садового

Величины предельной адсорбции на использованных в работе монтмориллонитовых глинах антоцианов с различным числом молекул углеводов в гликозидном радикале представлены в таблице 2.

Таблица 2. Значение предельных величин адсорбции антоцианов на глинах

Источник* Число молекул углеводов в гликозидном радикале МП Ар НС С

Гпред., мкмоль/г

АЧ 1 303 526 625 187

СР 2 142 212 301 124

РК 2 190 202 351 102

П З+Ас* 115 151 202 87

* - АЧ - арония черноплодная, СР - суданская роза, П - паслен садовый, РК - роза красная; МП -глина месторождения Маслова Пристань; Ас - радикал ацилирован лсрт-кумаровой кислотой.

В глинах, использованных в работе, основным минералом является монтмориллонит, - слоистый минерал 2:1 типа (один слой металлогидроксидных октаэдров сконденсирован с обеих плоскостей с двумя слоями кремнекислородных тетраэдров). Изоморфное гетеровалентное замещение катионов (для монтморрилонитов - главным образом) в октаэдрическом слое обусловливает наличие отрицательного заряда пакетов, противоионов (катионов) в межпакетном пространстве и, наконец, способность к электростатическому (катионному) обмену. Действительно, глины сорбируют все органические катионы, практически не сорбируя органические анионы. То, что сорбция антоцианов происходит по электростатическому механизму, подтверждается наличием корреляционной взаимосвязи между сорбционной емкостью по антоцианам и катионообменной емкость (по №+) для глин различного геолого-минералогического происхождения, рис. 4.

Линейная корреляция ионообменных свойств и удельной поверхности, использованных в работе глин свидетельствует о близких химических свойствах поверхностей исследованных глин.

Рис. 4. Сопоставление сорбционных свойств глин

КОЕ - катионообменная емкость для глины в II -форме, Эуд - величина удельной площади поверхности по низкотемпературной сорбции азота. Глины: 1 - НС; 2 - Ар; 3 - МП; 4 - С.

Рис. 5. Начальные участки изотерм сорбции некоторых антоциановых комплексов Глина МП. Антоциановые комплексы: 1 -винограда, 2 - аронии, 3 - ежевики, 4 -баклажана, 5 - бутонов гибискуса, 6 - бузины черной, 7 - вишни, 8 - астры китайской Кг= л/г

Следует подчеркнуть, что силикагели, обладающие значительно большим значением удельной поверхности, проявляют минимальную сорбционную активность по отношению к антоцианам, как и тальк - слоистый природный минерал с нулевым зарядом пакетов, что указывает на малую вероятность сорбции антоцианов на слоях кремнеуглеродных тетраэдров за счет остаточной гидрофобности антоцианов. Традиционные катионообменные смолы, как и сорбенты на основе химически модифицированного сульфо-группами силикагеля при существенно более высокой катионообменной емкости (по Ыа , -катионообменник марки КУ 2 имеет КОЕ = 4 ммоль/г) были малоактивны по отношению к сорбции антоцианов, что связано с серьезным кинетическим торможеним во внутридиффузионной области.

Экспериментально было установлено, что сорбция антоцианов глинами зависит от строения антоцианов, но эта зависимость принципиально отличается от найденной для обращенно-фазовых сорбентов. На (рис.5) представлены начальные участки изотермы сорбции комплексов антоцианов, выделенных из различных растительных источников. Образцы антоциановых комплексов разделились на три группы. В первой группе (с наибольшими константами Генри) оказались объекты с антоцианами, образованными в основном 3-моногликозидами (экстракты плодов винограда, аронии и ежевики). Во вторую группу попали экстракты, образованные в основном 3-дигликозидами (экстракты плодов баклажана и гибискуса суданского). Слабее всех сорбировались ацилированные тригликозиды плодов бузины канадской и, наконец, цвиттерионные антоцианы астры китайской.

Приведенные данные указывают на то, что основным параметром, определяющим сорбируемость антоцианов на глинах, является стерический фактор, а учет размеров антоцианов по простой модели, основанной на расчетном мольном объеме и их предельной сорбции на глине, позволяет получить величину удельной поверхности глин, близкую к найденной по низкотемпературной сорбции азота (29.7 ±1.1 м2/г), (табл.3), что согласуется с моделью монослойной адсорбции антоцианов на поверхности глин.

Таблица 3. Сорбция антоцианов на глине Ар

Образец 1 прел ' ^М

Экстракт плодов аронии 26.5

Экстракт бутонов каркаде 27.8

Экстракт лепестков розы 29.7

Экстракт плодов паслен 31.0

Таким образом, электростатический механизм сорбции антоцианов не противоречит всем результатам, полученным в настоящей работе. Однако дальнейшие исследования показали, что это справедливо не для всех органических катионов. Например, для метиленового голубого (часто используемого для определения удельной поверхности сорбентов) и для берберина, имеющих сопоставимые с антоцианами размеры, получены на порядок более высокие величины избыточной адсорбции, табл.4.

Таблица 4. Величины адсорбции катионных веществ на глине МП

Предельная избыточная сорбция, Г пред, мкмоль/г

антоцианы каркаде берберин метиленовый голубой

112 1257 1128

По литературным данным при сорбции берберина на бентонитовый глине катионообменный механизм заменяется иным механизмом. Для проверки такого вывода было проведено титрование глины в 1Ча+-форме раствором берберина. Полученные результаты представлены на рис.6.

На начальном участке а) на рис. 6, тангенс угла наклона асимптотической прямой линии близок к единице (0.85±0.15), что соответствует ионообменному механизму сорбции берберина (замена одного моль ионов Ыа+ на один моль берберина). На переходном участке б) тангенс угла наклона увеличивается до 7, а сумма участков а) и б) соответствует ионообменной емкости глины. На третьем участке в) наблюдается непропорционально большое высвобождение ионов (тангенс угла наклона около 24), что можно интерпретировать как перестройку сорбционного монослоя берберина в неплоскую гидрофобную матрицу ассоциатов молекул. Изменения электрокинетического потенциала при сорбции катионных органических молекул также оказались различными, табл. 5.

11 (N0), мкмоль/ л

?000

..•«Г

! « і / в>

тіЧІ

1пК

6,1

5.9

?00 и (бербернн) мкмоль/ л

3.2 І/Т 10

Рис. 6. Кривые титрования глины Ар Рис. 7. График Вант-Гоффа для

в №+-форме раствором берберина сорбции антоцианов

1 - исходная глина Ар; 2 - модифицированная берберином

Таблица 5. Электрокинетический потенциал бентонитовой глины МП при сорбции некоторых органических катионов

Г, мкмоль/г С, мВ Г, мкмоль/г С, мВ

Для глин с сорбированными антоцианами бутонов каркадэ

0 -8.20 97 -6.66

51 -7.20 157 -3.48

74 -6.80

Метиленовый голубой 412 -16,2

Берберин 47 -10.2

254 -21,4

Сорбция берберина и метиленового голубого приводит не к уменьшению, как в случае антоцианов, а к росту (по абсолютной величине) ^-потенциала. Т.е. даже начальный механизм ионообменной сорбции для этих веществ принципиально различается: антоцианы экранируют протоны, способные к ионообменной сорбции, в то время как метиловый голубой и берберин их вытесняют, что может быть следствием гидрофобизации ближайшего окружения сорбированных молекул и вытеснения противоинов в диффузную часть двойного электрического слоя. Гидрофобизация поверхности определяет смену механизма сорбции по мере заполнения поверхности берберином. Но такое изменение поверхности может сказаться и на сорбции антоцианов, поскольку сопутствующие экстрактивные вещества могут включать множество различных соединений, включая берберин.

Сорбция антоцианов адсорбционно модифицированными поверхностями слоистых минералов. Для суммы органических катионов логично предположить конкурентную сорбцию при монослойном варианте адсорбции, К сожалению, исследование сорбции берберина и антоцианов при их совместном присутствии невозможно из-за нерастворимости берберина в воде. Но для глин с предсорбированным берберином получены необычные результаты, — вместо ослабления сорбции в некоторых условиях найден даже рост константы Генри. Это может быть объяснено ростом ^-потенциала. Ненулевая сорбция антоцианов при высокой степени заполнения поверхности берберином, (табл. 6), может быть связана со сменой ионообменного механизма на механизм гидрофобного выталкивания на поверхность гидрофобизированной берберином глины. Это предположение было подтверждено изучением термодинамики сорбционных процессов на исходной и на модифицированной глине, рис. 7.

Таблица 6. Избыточная адсорбция антоцианов на глине Ар с предсорбированным берберином

Степень заполнения поверхности берберином,% Гпред., мкмоль/г по антоцианам

0 105

49 72

70 68

91 67

Как следует из представленных данных первоначально эндотермическая сорбция (АН0 = 8.05 кДж/моль) заменяется характерной для сорбции на обращенных фазах экзотермической (АН0 = -3.73 кДж/моль).

Сорбция антоцианов на обращено-фазовых сорбентах. Эффективность обращенно-фазовых сорбентов в сорбции антоцианов довольно неожиданна, поскольку для заряженных частиц удерживание за счет остаточной гидрофобности часто ограничено. Вследствие наличия заряда распределительный механизм сорбции антоцианов практически исключен, поэтому сорбция не должна была бы в первом приближении зависеть от толщины привитого слоя, т.е. от длины привитого радикала (С 18, С8 или С4). Однако термодинамические параметры сорбции на колонках с С18 и С8 фазами оказались не эквивалентными, хотя суммарная сорбционная емкость патронов Диапак С18 и С8 оказалась действительно близкой, что соответствует монослойной сорбции антоцианов на

поверхности обращенной фазы. Перенос антоцианов из подвижной фазы на стационарную во всех случаях был экзотермическим, например, для мальвидин-3-глюкозида -6.4 кДж/моль (на фазе С8) и -9.4 кДж/моль (на фазе С18).

Свободная энергия переноса антоцианов с подвижной фазы на стационарную в условиях обращенно-фазовой хроматографии зависела не только от числа и положения углеводных радикалов, но и от строения кольца В основы (агликонов). При этом анализ таких зависимостей неинформативен при одном составе подвижной фазы. Соотношение между свободными энергиями переноса сорбатов, AG° (i), оказываются линейными для всего диапазона составов подвижной фазы систем «вода — муравьиная кислота - ацетонитрил», (рис.8): ДС'-значение изобарно-изотермического потенциала включающие фазовое соотношение.

AG0*(j) = aoi + tfH-AG°*(i)

- кДж/моль АФ10

длина волны, нм

Рис. 8. Линейные соотношения между Рис. 9. Спектры агликонов

свободными энергиями переноса

1 - пеларгонидин; 2 - цианидин; 3 - пеонидин; антоцианов между ПОДВИЖНОМ и 4 _ мальвидиН; 5 - петунидин; 6 - дельфинидин

стационарной фазами.

В качестве вещества (¡) сравнения использовали цианидин (Су), - для антоцианидинов или цианидин-3-гликозид для соответствующих антоцианов. Особенностью такого рассмотрения является то, что свободные энергии Гиббса, рассчитанные по хроматографическим данным, включают неопределенность, связанную с фазовым соотношением колонки, ср:

ДО0 = -ЯТ1пк(0 = -ЬШпК,ь(0 - 1Шп ф

В найденных корреляционных уравнениях параметр аи-оказывается надежным индикатором числа углеводных радикалов, связанных между собой в гликозидном радикале антоциана в системе С^РЯ, табл.7.

Таблица 7. Значение тангенсов углов наклона для антоцианов

Число молекул моноз в гликозидном радикале в положении 3 Тангенс угла наклона линии тренда на карте относительного удерживания

Моногликозиды 1.01-1.10

Дигликозиды 1.17-1.23

Тригликозиды 1.29-1.32

Данный параметр является более информативным, по сравнению с длиной волны пика в максимуме адсорбции на электронном спектре антоциана. Параметры электронных спектров определяются не только строением соединений, но в общем случае зависят и от состава растворителя (подвижной фазы), поэтому в работе систематизированы экспериментальные данные, полученные в условиях изократического элюирования с диодно-матричным детектированием.

Для всех составов подвижных фаз разность в свободных энергиях ДО°*(і) переноса однотипных антоцианов неодинакова при добавлении последовательно первой и второй -ОН или -ОСН3 групп. Это может быть объяснено проникновением остова молекул в стационарную фазу, ограниченное гликозидными радикалами, поскольку в таком случае велика роль вклада различий в липофильности конформаций по ориентации кольца В.

На основании большого числа экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, могут быть определены обобщенные закономерности по смещению длин волн в максимуме абсорбции антоцианов как функции их строения.

1. Агликоны по максимуму абсорбции разделяются на три группы: пеларгонидин, цианидиновая группа (цианидин и пеонидин) и дельфинидиновая группа (дельфинидин, петунидин и мальвидин), рис.9.

Подобное разделение на три группы справедливо и для антоцианов, в состав которых входит одинаковый гликозидный радикал (01у), при этом добавка радикала в положение 3 приводит к неодинаковому гипсохромному сдвигу максимумов: на 6 нм для дельфинидина, на 7 нм для петунидина, на 8 нм для мальвидина, на 9 нм - для цианидина и пеонидина и на 11 нм для пеларгонидина. Т.е. производные цианидина и пеонидина неразличимы по электронным спектрам.

2. Замена радикалов в пределах однотипных гликозидов (глюкозид <-» галактозид) или пентозидов (арабинозид <-> ксилозид) практически не влияет на энергию электронных переходов, хотя переходы между гексозидами и пентозидами сопряжены с батохромным сдвигом на ~ 0.4 нм.

3. Если глюкозидный радикал в положении 3 агликона усложняется связью с рамнозильным радикалом в положении 6", образуя часто встречающиеся в химии флавоноидов рутинозиды, или с глюкозильным (или ксилозильным) в положении 2", образуя софорозиды и самбубиозиды, то наблюдается примерно одинаковый небольшой (на 1-1.5 нм), но вполне детектируемый (и поэтому - диагностический) батохромный сдвиг Комбинация обеих добавок приводит к дальнейшему батохромному сдвигу на 1-2 нм, также хорошо заметному при записи хроматограмм в изократическом режиме. Впрочем, у этой закономерности имеются и исключения.

4. Введение в молекулу антоцианов второго углеводного радикала в положение 5 агликона (в дополнение к существующему заместителю в положении 3) приводит к гипсохромному смещению на примерно 2 нм, причем при этом практически исчезает дополнительная полоса в диапазоне 420-440 нм, (рис.10), что является общей характерной чертой для гликозилирования положения 5 агликона.

Зависимость сорбции антог/ианов на глинах от добавок органического модификатора. Установлено, что введение органического модификатора позволяет десорбировать антоцианы, как с глин, так и с обращенно-фазовых сорбентов. При этом показано, что при десорбции антоцианов с глины подкисленными спиртовыми растворами удается получить антоцианы без каталитических

изменений (каротиноиды на этих сорбентах почти полностью разрушаются). Разрушения антоцианов в сорбированном состоянии также не обнаружено и степень десорбции антоцианов с глин может быть выше 90% при двух-трех-кратной десорбции.

Сорбция антоцианов композиционными сорбентами на основе глин. Недостаток глин - высокая дисперсность является препятствием их использования в динамических режимах. Для устранения этого недостатка и проведения динамического варианта сорбционно-десорбционной очистки антоцианов были разработаны композиционные материалы, в которых частицы глины закреплялись в матрицах на неорганической и органической основах. Такие сорбенты оказались сопоставимыми с традиционными обращенно-фазовыми сорбентами по сорбционной емкости, рис.11.

-НО 460 480 500 520

540 560 580

длина волны, нм

D □ □ 0 д о

П „ О >

□ о

О , Д А Л ,

Рис. 10. Спектры некоторых моно- Рис. 11. Сопоставление сорбентов в

и ди- гликозидов антоцианов условиях динамической сорбции

1 - цианидин-З-глюкозид (Cy-3-Glu); 2 - пеонидин-3- антоцианов

глюкозид (Pn-3-Glu); 3 - пеларгонидин-3-глюкозид i _ композиционный материал; обращенно-

(Pg-3-Glu); 4 - цианидин-3,5-диглюкозид (Cy-3,5-diGlu); фазовые сорбенты: 2 - С18; 3 - С8 типов. 5 - пеонидин-3,5-диглюкозид (Pn-3,5-diGlu).

Технология получения композиционного материала на основе неорганических связующих

Стадия 1. Измельченную глину в Н+ форме смешивали с жидким стеклом в соотношении глина : жидкое стекло 1 : 1. К полученной смеси постепенно добавляли 15-20% дистиллированной воды. В полученную суспензию при постоянном перемешивании медленно прибавляли такое количество 15% раствора соляной кислоты, чтобы по окончании реакции рН раствора составлял 1 + 3.

Стадия 2. Полученную суспензию отмывали и отделяли от мелкодисперсных частиц многократной седиментацией в дистиллированной воде, каждый раз декантируя верхний слой. Осадок отфильтровывали и сушили в сушильном шкафу при 105 °С. Возможна также сушка ацетоном на фильтре.

Стадия 3. Высушенный материал фракционировали на ситах. После фракционирования узкие фракции отделяли от пыли седиментацией в дистиллированной воде, отфильтровывали и вновь сушили в сушильном шкафу при 105 °С, и хранили в эксикаторе.

Технология экстракции антоцианов из растительного сырья. Извлечение антоцианов из растительного сырья осуществляли экстракцией антоцианов 0.1М водным раствором соляной кислоты. Для этого к измельченному блендером

растительному материалу добавляли раствор 0.1М соляной кислоты в соотношении 1:1-5-5. Смесь выдерживали в течение 5^8 ч. Экстракт отделяли от остатка фильтрованием. Полученный в результате экстракции растительный жмых после сушки может быть использован в качестве кормовой добавки для с/х животных.

Технология очистки антоциаиов с использованием композиционного материала. К полученному экстракту антоцианов добавляли композиционный сорбент в соотношении 100:1-5-5, перемешивали в течение 15-^30 минут. Этого времени достаточно для количественной сорбции антоцианов на сорбенте. После осаждения осадка часть маточного раствора отделяли декантацией, а остаток маточного раствора отделяли центрифугированием (при скорости вращении ротора 4000 об/мин в течение 15 минут). Сорбент промывали дистиллированной водой и отделяли от промывных вод центрифугированием. В качестве экстрагента для десорбции антоцианов использовали 1% раствор соляной кислоты в этиловом спирте. Раствор экстрагента добавляли к сорбенту с антоцианами в соотношении 1:10, перемешивали 10 минут и отделяли раствор антоцианов от сорбента центрифугированием и декантацией. Полученный сорбент может быть использован в процессе очистки многократно. Из объединенных очищенных антоциановых экстрактов этанол отгоняли на вакуумном ротационном испарителе при температуре бани не выше 35 °С.

Полученный концентрат антоцианов можно хранить при температуре 2-4 °С в холодильной установке без потери красящих свойств пигмента в течение 6^-8 месяцев.

Различные механизмы сорбции антоцианов на глине и на обращенно-фазовом сорбенте позволяют проводить более глубокую очистку при комбинировании этих методов.

Антоцианы для фармацевтической промышленности выпускаются производителями США (компания Future Ceuticals), Франции (компания Naturex) и Германии (компания Synrise). Цена на 1 кг 10%-ного сухого порошка находится в пределах 20-40 тыс. руб. Себестоимость 1 кг антоцианов, полученных из аронии черноплодной (продукт «Антоциан») составляет 5610 рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что сорбция антоцианов на бентонитовых глинах происходит по электростатическому механизму с монослойным покрытием поверхности сорбента. При этом константы Генри и величины избыточной предельной сорбционной емкости определяются размерами антоцианов, а так же катионообменной емкостью глин.

2. Доказано, что при модифицировании поверхности глины берберином при небольших степенях заполнения увеличивается электрокинетический потенциал по модулю, что приводит к росту константы Генри для сорбции антоцианов на 1015%. При высоких степенях заполнения поверхности глины (более 50%) берберином электростатический механизм сорбции антоцианов изменяется на механизм гидрофобного удерживания.

3. Установлено, что замена кислых водных растворов на подкисленные водно-органические смеси приводит к снижению предельной сорбционной ёмкости глин, что позволяют проводить десорбцию антоцианов, причем без их каталитического разрушения.

4. Показано, что линейные соотношения между свободными энергиями переноса антоцианов из подвижной фазы на стационарную в условиях обращенно-фазовой ВЭЖХ соблюдаются во всем исследованном диапазоне составов подвижных фаз; предложен механизм, объясняющий полученные результаты. Найденные функциональные зависимости являются надежными дескрипторами в рамках QSPR - количественной взаимосвязи «структура — свойство». Эти зависимости более чувствительны к строению антоцианов по сравнению с их электронными спектрами.

5. Разработана технология использования глин для очистки и концентрирования антоцианов из сложных природных матриц, позволяющая извлекать более 95% нативных антоцианов, причем сорбент может быть использован многократно (более 20-30 раз).

6. Предложенные композиционные сорбенты на основе бентонитовых глин для технологической схемы получения антоцианов сохраняют высокую сорбционную активность исходных глин и могут быть использованы в системах с динамической сорбцией антоцианов.

7. По разработанной технологии из аронии черноплодной получен продукт «Антоциан», себестоимость которого составляет 5610 рублей, что в 3-4 раза ниже рыночной цены антоцианов из аронии черноплодной на мировом рынке.

Список опубликованных работ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Чулков А.Н. Модифицирование поверхности глин берберином: влияние на сорбцию антоцианов / А.Н. Чулков, А. А. Тихова, А.И. Везенцев, JI.A. Дейнека, В. И. Дейнека // Ж. физическая химия. -2012. - Т. 86. №3. - С. 500-502.

2. Дейнека JI.A. Закономерности сорбции антоцианов природными глинами / JI.A. Дейнека, А.Н. Чулков, В.И.Дейнека // Ж. прикл. химии. - 2009. - № 5. - С.742-748.

3. Дейнека В.И. Антоцианы и алкалоиды: Особенности сорбции природными глинистыми минералами / В.И. Дейнека, В.А.Хлебников, А.Н. Чулков, JI.A. Дейнека, В.А. Перистый, В.Н. Сорокопудов // Химия растительного сырья. -2007,-№2.-С. 63-66.

4. Дейнека В.И. Моделирование сорбционных процессов на гетерогенных поверхностях / В.И. Дейнека, А.Н. Чулков, JI.A. Дейнека // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2010. - №3. - С 97-106.

5. Чулков А.Н. Плоды жимолости синеплодной как источник антоцианов /

A.Н. Чулков, Д.А. Гостищев, JI.A. Дейнека, В.И. Дейнека, Д.И. Писарев,

B.Н. Сорокопудов, С.А. Сазонов // Химия растительного сырья. - 2011. - №4. -

C. 173-176.

6. Чулков А.Н. Особенности оценки ионообменных характеристик глин / А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, JI.A. Дейнека // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки. - 2011. - № 15 (110). Выпуск 16. - С. 88-94.

7. Дейнека JI.A. Антоцианы плодов вишни и родственных растений / JI.A. Дейнека, А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, В.Н. Сорокопудов, С.М. Шевченко // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. - № 9 (104). Выпуск 15/1. -С. 364-370.

8. Чулков А.Н. Антоцианы лепестков цветков Chaenomeles japónica и С. Maulei/ А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, И.А. Навальнева, JI.A. Дейнека, В.Н. Сорокопудов //

Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. - № 9 (104). Выпуск 15/1.-С. 379-385.

9. Чулков А.Н. Исследование антоциановых комплексов лепестков цветков пионов / А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, М.Ю. Третьяков, JI.A. Дейнека, О.В. Нецветаева // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. - №21 (117). Выпуск 17.-С. 85-90.

10. Чулков А.Н. Жимолость голубая - сопоставление свойств при выращивании в Белгороде и в Москве / А.Н. Чулков, C.JI. Макаревич, В.И. Дейнека, В.Н. Сорокопудов, JI.A. Дейнека // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. - №9 (104). Выпуск 15/2. - С. 233-237.

11. Чулков А.Н. Антоцианы плодов шести видов Amelanchier sp / А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, В.Н. Сорокопудов, JI.A. Дейнека // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. - №9 (104). Выпуск 15/2. - С. 208-214.

12. Дейнека JI.A. Антоцианы плодов черной смородины Москвы и Санкт -Петербурга/ JI.A. Дейнека, И.П. Анисимович, Е.И. Шапошник, А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, О.Н. Аладдина, C.B. Акимов, Г.Н. Фирсов, В.Н. Сорокопудов, Д.В. Дейнека // Научные ведомости БелГУ. Серия естественные науки. - 2011. №9 (104). - Выпуск 15/2. - С. 270-275.

13. Макаревич C.JI. Плоды Rosa spinosissima - ценный материал для получения напитков с высоким антиоксидантным потенциалом/ C.JI. Макаревич, А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, М.Ю. Третьяков, JI.A. Дейнека, В.И. Шатровская // Научные ведомости БелГУ. Серия Медицина. Фармация. - 2011. - №22 (117), Выпуск 16/2. - С. 188-192.

Патенты

14. Дейнека JI. А. Патент № 2360733 «Состав композиционного сорбента для очистки и концентрирования биологически активных антоцианов из растительного сырья и способ его получения»/ JI. А. Дейнека В. И. Дейнека, А. Н. Чулков // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 июля 2009 г.

15. Дейнека JI.A. Патент № 2381245 «Способ получения концентрированного красителя» / JI.A. Дейнека. В.И. Дейнека, А.Н. Чулков, Е.И. Шапошник, И.И Саенко // Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 февраля 2010 г.

Материалы международных и всероссийских конференций

16. Дейнека В.И. Сорбция антоцианов на белой глине/ В.И. Дейнека, А.Н. Чулков, JI.A. Дейнека, А.И. Шамшуров // II Всероссийская научная конференция с международным участием «Сорбенты как фактор качества жизни» Белгород, 18-23 сентября 2006 г. - С. 77-80.

17. Чулков А.Н. Особенности концентрирования и очистки антоцианов на природных глинистых материалах/ А.Н. Чулков, В.И. Дейнека // Сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санкт-Петербург, 14-17 марта 2007. - С. 92-93.

18. Дейнека JI.A. Композиционный сорбент для концентрирования и сорбционной очистки антоциановых красителей для пищевой и медицинской промышленности / JI.A. Дейнека, А.Н. Чулков, И.И. Саенко, В.И. Дейнека

// III Международная конференция «Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья». Белгород, 22-24 сентября 2008 г. - С.218-220.

19. Саенко И.И. Очистка антоцианов черной смородины/ И.И. Саенко,

A.Н. Чулков // Материалы ХЬУІ международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 26-30 апреля 2008 г. - С 55.

20. Чулков А.Н. Сопоставление сорбционных свойств белгородских глин природного происхождения по отношению к антоцианам / А.Н. Чулков,

B.И. Дейнека, А.И. Везенцев, Л.А. Дейнека // Международная научно-практическая конференция актуальные проблемы химической науки, практики и образования. Курск, 19-21 мая 2009 г. - С.272-275.

21. Чулков А. Н. Особенности сорбции и очистки антоцианов на природных глинистых минералах/ А. Н. Чулков, В. И. Дейнека // XVIII Менделеевская конференция молодых ученых. Белгород, 22 — 26 апреля 2008 г. - С. 140 - 141.

22. Чулков А.Н. Сорбция антоцианов на наноразмерных природных слоистых материалах/ А.Н. Чулков, Д. А. Гостищев, И. И.Саенко // Материалы всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов. Белгород, 16-20 ноября 2009 г. - С 203-205.

23. Чулков А.Н. Композиционный сорбент для динамического твердофазного концентрирования антоцианов/ А.Н. Чулков, Л. А. Дейнека, В. И. Дейнека // Всероссийская научно-практическая конференция «хроматография - народному хозяйству». Дзержинск, 19-23 апреля 2010 г. - С.99.

24. Чулков А.Н. Сопоставление сорбционных свойств природной белой глины с обращено-фазовыми сорбентами с привитыми фазами С8 и С18 по отношению к антоцианам / А.Н. Чулков, С.Б. Болдин, Л.А. Дейнека, В.И.Дейнека // Материалы всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и ионообменных процессах. Белгород, 14-17 сентября 2010 г. - С. 156-158.

25. Чулков А.Н. Очистка антоциановых экстрактов черноплодной рябины / А.Н. Чулков, Л.А. Дейнека, В.И. Дейнека // Международная научно-практическая конференция «Новейшие технологии оздоровительных продуктов питания XXI века». Харьков, 21 октября 2010 г. - С 157-159.

26. Чулков А.Н. Адсорбционное модифицирование природных глин берберином/ А.Н. Чулков, А. А. Тихова, Л.А. Дейнека, В.И. Дейнека // V Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов "ФИЗИКОХИМИЯ" 2010. Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина. Москва, 17 ноября 2010 г. - С. 17.

27. Чулков А.Н. Сопоставление сорбционной активности некоторых сорбентов по отношению антоцианам с их ионообменной емкостью/ А.Н. Чулков, В.И. Дейнека, Л.А. Дейнека // XIII Международная конференция Физико-химические основы ионообменных и хроматографических процессов «ИОНИТЫ-2011». Воронеж, 16-22 октября 2011 г.-С. 109-111.

28. Чулков А.Н. Использование водно-этальных растворов для десорбции антоцианов с глин/ А.Н. Чулков, И.И.Саенко // VI Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов "ФИЗИКОХИМИЯ" 2011. Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина. Москва, 1-30 ноября 2011 г. - С. 49.

Подписано в печать 20.03.2013. Times New Roman. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 104. Оригинал-макет подготовлен и тиражирован в ИД «Белгород» НИУ «БелГУ» 308015 г. Белгород, ул. Победы, 85

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный

национальный исследовательский университет

I»

равах рукописи

04201355998

Чулков Андрей Нико

РАВНОВЕСНАЯ СОРБЦИЯ АНТОЦИАНОВ НА БЕНТОНИТОВЫХ

ГЛИНАХ И НА ОБРАЩЕННЫХ ФАЗАХ

02.00.11 Коллоидная химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Дейнека Виктор Иванович

Белгород 2013

Оглавление

Используемые сокращения и обозначения...........................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

Актуальность работы...........................................................................................5

Цель диссертационной работы...........................................................................6

Задачи исследования............................................................................................6

Научная новизна...................................................................................................6

Практическая ценность работы........................................................7

Положения, выносимые на защиту....................................................................9

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................10

1.1 Характеристика слоистых материалов. Природные слоистые минералы ..............................................................................................................................10

1.1.1 Строение слоистых минералов.............................................................14

1.1.2 Свойства слоистых минералов............................................19

1.1.2.1 Ионообменные свойства.............................................19

1.1.2.2 Сорбция органических соединений................................21

1.1.2.3 Каталитические свойства.............................................22

1.1.2.4 Сорбционно-модифицированные слоистые минералы........23

1.2 Антоцианы....................................................................................................24

1.2.1 Строение и классификация антоцианов..............................................25

1.2.2 Свойства антоцианов.............................................................................31

1.2.3 Биосинтез антоцианов...........................................................................34

1.2.4 Методы качественного и количественного определения антоцианов ...........................................................................................................................37

1.2.4.1 Методы экстракции, очистки и концентрирования.............37

1.2.4.2 Электронная спектроскопия.........................................39

1.2.4.3. Хроматографические методы.......................................43

1.2.4.4 Масс-спектрометрическое определения антоцианов...........47

1.2.4.5 Другие физико-химические методы...............................49

1.2.4.6 Химические методы...................................................51

2 ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА............54

2.1 Объекты исследования................................................................................54

2.2 Методики определения физико-химических характеристик глин..........55

2.3 Технология приготовления композиционного материала.......................55

2.4 Методика построения изотерм адсорбции................................................56

2.5 Методика определения сорбционных свойств сорбентов в динамическом режиме.......................................................................................57

2.6 Методика определения термодинамических параметров сорбции.........58

2.7 Методики количественного определения катионов металлов в растворах ..............................................................................................................................59

2.8 Методика экстракции антоцианов из растительного сырья....................59

2.9 Методика спектрофотометрического определения суммарного содержания антоцианов в растительных объектах.........................................60

2.10 Методика пределения влияния растворителей на спектральные характеристики антоциановых экстрактов......................................................61

2.11 Методика определения состава антоцианов методом ВЭЖХ...............62

2.12 Методика проведения омыления антоцианов.........................................63

2.13 Методика определения степени очистки антоциановых экстрактов....63

2.14 Технология очистки антоцианов для определения методом ВЭЖХ....64 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.............................................................65

3.1. Физико-химические параметры образцов глин.......................................65

3.2 Исследование сорбции антоцианов на глинах..........................................73

3.2.1 Влияние структуры антоцианов на сорбируемость на глинах..........76

3.2.2 Оценка влияния некоторых параметров на количественные хараткеристики сорбции антоцианов на глинах..........................................81

3.2.3 Сопоставление сорбционных свойств различных глин.....................83

3.3 Исследование механизма сорбции антоцианов на глинах.......................85

3.3.1 Сорбция антоцианов на немодифицированных глинах в ТГ-форме 85

3.3.2 Влияние модифицирования поверхности глин на сорбцию антоцианов.......................................................................................................94

3.3.3 Влияние добавок органического модификатора на сорбцию антоцианов.......................................................................................................98

3.4 Сорбция антоцианов на обращенно-фазовых сорбентах.......................100

3.4.1 Идентификация антоцианов методом обращенно-фазовой ВЭЖХ 103

3.4.2 Идентификация антоцианов с использованием масс-спектрометрического детектора..................................................................117

3.4.3 Идентификация антоцианов по электронным спектрам..................119

3.4.4 Идентификация масс анализатором MALDI....................................129

3.5 Технология применения композиционных материалов в очистки и

концентрировании антоциановых пигментов...............................................130

3.6. Расчет себестоимости очищенного концентрата из аронии черноплодной (продукт «Антоциан»).............................................138

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................140

Список использованной литературы.................................................................142

Приложение..........................................................................................................180

П1. Определение антоциановых комплексов некоторых растительных

материалов........................................................................................................180

П2 Видовой анализ антоцианов ирги.............................................................183

ПЗ Видовой анализ антоцианов цветков хеномелеса...................................185

П4 Видовой анализ антоцианов сортов, видов вишни и родственных

растений.............................................................................................................189

П5 Антоциановый состав сортов красных смородин...................................193

Используемые сокращения и обозначения

КОЕ - катионообменная емкость;

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография; ОФ ВЭЖХ - обращенно-фазовая выскоэффективная жидкостная хроматография;

\¥с2 - квадрат полуширины пика; ТСХ - тонкослойная хроматография;

МП - глина месторождения Маслова Пристань Белгородская область; БГ - бентонитовая глина (Армения); НЕО - препарат Неосмектин; СМ - препарт Смекта;

ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы

Антоцианы являются представителями природного класса флавоноидов, веществ с высокой антиоксидантной активностью. Именно эти соединения входят в состав лепестков цветов и плодов растений с оттенками от красных до фиолетовых. Антоцианы используют в качестве природных красителей и биологически активных веществ в фармацевтической и пищевой промышленности, в медицине - для профилактики заболеваний зрительной и сердечнососудистой системы. При экстракции антоцианов из растительных материалов извлекаются также и иные водорастворимые соединения, присутствие которых нежелательно в ряде способов их использования, поэтому технологически важным моментом является очистка и концентрирование антоцианов.

Сорбционные методы широко используются для очистки и концентрирования соединений различного происхождения. Поэтому проблема выбора оптимального сорбента относится к актуальным задачам современной прикладной химии. Для сорбции антоцианов (единственных водорастворимых антиоксидантов класса флавоноидов), существующих в кислой среде (рН = 1^-4) в окрашенной (катионной) форме используют химически модифицированные силикагели (обращенные фазы), что довольно необычно для гидрофильных соединений. В тоже время среди природных слоистых минералов хорошо известны эффективные катионнобменные материалы. Такие материалы доступны, существенно дешевле по сравнению с химически модифицированными силикагелями, технологии их получения, обогащения и активации поставлены на промышленный уровень. Однако к началу настоящей работы в научной литературе не было обнаружено работ по использованию неорганических катионообменных минералов для сорбционной очистки и концентрирования антоцианов. Кроме того, в литературе практически отсутствуют работы по исследованию

закономерностей сорбции антоцианов на обоих типах сорбентов, необходимых для разработки рациональных технологий их использования.

Цель диссертационной работы

Получение товарного продукта - концентрата антоцианов.

Задачи исследования:

1. Определение типа изотерм, констант Генри, предельной сорбционной емкости и механизма сорбции антоцианов на природных бентонитовых глинах. Исследование влияния строения антоцианов, предсорбции берберина (одного из возможного сопутствующих экстрактивных веществ) и состава растворителя на сорбционные процессы.

2. Определение термодинамических параметров переноса антоцианов из подвижной фазы на стационарную, сопоставление некоторых типов обращенных стационарных фаз, их предельной сорбционной емкости и механизма сорбции антоцианов на обращенно-фазовых сорбентах.

3. Систематизация экспериментальных данных в рамках С^РЯ -количественной взаимосвязи «структура - свойство»: спектральных характеристик и закономерностей изменения свободных энергий переноса антоцианов с подвижной фазы на стационарную обращенную фазу.

4. Создание композиционных сорбентов на основе природных глин и характеристики их сорбционных свойств.

5. Разработка технологической схемы сорбционной очистки и концентрирования антоцианов из природных матриц.

Научная новизна

Показано, что механизм сорбции антоцианов на бентонитовых глинах электростатический. Предельная избыточная сорбция антоцианов прямо пропорционально зависит от катионообменной емкости (по Н*) сорбента.

Установлено, что предельная избыточная сорбция антоцианов зависит от размеров флавилиевых ионов и уменьшается на 60±10 % при добавлении в структуру гликозидного фрагмента каждого дополнительного углеводного

(моносахаридного) радикала, и практически не зависит от заместителей в кольце В.

Показано, что при предсорбции берберина (сопутствующего антоцианам) возможно увеличение констант Генри для сорбции антоцианов и замена электростатического механизма на механизм гидрофобного выталкивания на поверхность.

Показано, что для переноса антоцианов из подвижных фаз систем «ацетонитрил : муравьиная кислота : вода» на стационарную обращенную фазу:

1) константы Генри возрастают при уменьшении количества ОН-групп и добавлении ОСН3-групп в кольцо В;

2) тангенсы углов наклона линий трендов относительного удерживания возрастают на 0,11 при добавлении каждого углеводного радикала;

3) при использовании подкисленных водно-органических растворов уменьшается предельная избыточная сорбция, что позволяет проводить десорбцию и концентрирование антоцианов.

Получены новые композиционные сорбенты, сочетающие высокую сорбционную активность с возможностью использования динамических режимов. Разработана технологическая схема очистки и концентрирования антоцианов с использованием разработанных сорбентов.

Практическая ценность работы

Разработаны состав и способы получения сорбентов, разработан способ

получения очищенных антоцианов на этих сорбентах (2 патента). Изучен

антоциановый состав растительных объектов методом обращенно-фазовой

ВЭЖХ как потенциальных источников антоциановых пигментов-

антиоксидантов.

Разработанные схемы использованы малым инновационным предприятием ООО «Флора БАВ» для получения колорантов на основе местного растительного сырья и получено положительное экспертное заключение института питания РАМН по продукту «Антоциан» на основе

аронии черноплодной. Способ получения композиционного сорбента на основе слоистых материалов удостоен золотой медали на IX Московском инновационном форуме инноваций и инвестиций в 2009 г и почетным дипломом салона «Архимед» 2010 г, а способ получения очищенных антоцианов получил серебряную медаль на X Московском инновационном форуме инноваций и инвестиций в 2010 г и бронзовую медаль на международном форуме ЛЕПИН в Париже.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на II и

III Международной конференции «Сорбенты как фактор качества жизни»

(Белгород, 2006 г, 2008 г); III Международной научно-практической

конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий

в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г); ХЬУ1 Международной

студенческой конференции «Студент и научно - технический прогресс»

(Новосибирск, 2008 г); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых

(Белгород, 2008 г); I Международной научно-практической конференции

«Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск,

2009 г); Всероссийской конференции с элементами научной школы для

молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии

наносистем и материалов» (Белгород, 2009 г); Всероссийской научно -

практической конференции «Хроматография - народному хозяйству»

(Дзержинск, 2010 г); Всероссийской конференции с элементами научной

школы для молодежи «Нано- и супрамолекулярная химия в сорбционных и

ионообменных процессах» (Белгород, 2010 г); Международной научно-

практической конференции «Новейшие технологии оздоровительных

продуктов питания XXI века» (Харьков, 2010 г); V и VI Всероссийской

конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "ФИЗИКОХИМИЯ"

(Москва, 2010 г, 2011 г).

Положения, выносимые на защиту

1. Антоцианы во флавилиевой форме при (рН=1) проявляют высокое

сродство к глинам бентонитовой группы. Сорбция антоцианов на природных глинах происходит в основном по электростатическому механизму и определяется катионообменной емкостью глин.

2. Константы Генри и предельная емкость сорбционного слоя бентонитовых глин зависят от геометрических размеров антоцианов.

3. Предсорбция берберина на глинах приводит к изменению механизма сорбции антоцианов.

4. Параметры относительного удерживания антоцианов в условиях сорбции на обращенно-фазовых сорбентах являются более надежными дескрипторами в количественной взаимосвязи «Структура - свойство» по сравнению с электронными спектрами антоцианов.

5. Предложенная технологическая схема позволяет очищать и концентрировать антоцианы. При этом сорбент может быть использован многократно (30 и более раз).

Публикации По материалам данного исследования опубликовано 28 работ. Из них 13 в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ. 13 работ опубликовано в сборниках трудов международных и всероссийских конференций. Получено 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, списка литературы из 360 источников и 10 приложений. Материалы работы изложены на 199 страницах, включают 98 рисунков и 44 таблицы.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика слоистых материалов. Природные слоистые

минералы

Природные слоистые материалы, в частности глины, относятся к наноматериалам, поскольку один из параметров, а именно расстояние между слоями попадает в нанометровый диапазон [1-3]. Это придает данным материалам уникальные химические и специфические физические свойства [4-8]. Глинистые минералы имеют довольно большую удельную поверхность [9-10], обуславливающую адсорбционные свойства, благодаря которым глины находят применение во многих сферах человеческой деятельности. Они издавна используются как сорбенты для изготовления фильтров для очистки сточных и питьевых вод от тяжелых металлов и радионуклидов, для осветления вин и т.п. [4, 11-26]. Глинистые минералы являются одним из главных компонентов при производстве строительных материалов (различных видов портландцементов, кирпича, разнообразных отделочных мастик) [27-29].

Как в дикой природе, так и человеком с древних времен глины использовались для обезвреживания действия некоторых видов болезнетворных бактерий, токсинов [30-31]. Известны сведения о том, что глины могут стимулировать рост поврежденных клеток и тканей, способствовать заживлению ран, возможно, вследствие нейтрализации действия патогенных грибов и ряда канцерогенных микотоксинов (афлатоксинов групп В и О, охратоксина, зеаралинона, дезоксивалинола, Т-2 и НТ-2) [32-34]. Глины используют также для лечения сердечно - сосудистых заболеваний, базедовой болезни, заболеваний печени и желудочно-кишечного тракта. В 1930 году профессор Шрумпф из Берлинского университета получил сенсационные данные при лечении глиной азиатской холеры, после чего он стал активным пропагандистом применения глины в медицинской практике [35-36]. В настоящее время широко используют

целый ряд фармацевтических препаратов на основе природных глин и глинистых минералов для лечения расстройств желудочно-кишечного тракта человека: Неосмект