CC BY
96
УДК 547.595
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ЭНТЕРОСОРБЕНТОВ ИЗ ЛУБА БЕРЕЗОВОЙ КОРЫ
© С.А. Кузнецова1, М.Л. Щипко1, Б.Н. Кузнецов1, В.А. Левданский1, Е.В. Веприкова1, Н.М. Ковальчук2
1 Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: [email protected]
2Красноярский государственный аграрный университет, пр. Мира, 88,
Красноярск, 660049 (Россия)
Предложен способ получения энтеросорбентов из луба березовой коры, из которого предварительно удалены экстрактивные вещества. Показано, что полученный в оптимальных условиях энтеросорбент может использоваться в качестве эффективного средства для лечения и профилактики острых желудочно-кишечных инфекций у животных.
Авторы выражают благодарность ФЦНТП Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники (госконтракт № 43.044.1 1.2638 от 31.01.2002 г.) и Интеграционной программе СО РАН (проект №33) за поддержку выполненного исследования.
Введение
Энтеросорбенты, способные выводить из организма токсичные и патогенные вещества, находят возрастающее применение в профилактике и лечении различных заболеваний человека и животных. В медицинской и ветеринарной практике исследуются минеральные, углеродные и углеродминеральные энтеросорбенты [1]. Высокую эффективность проявляют безопасные для живого организма энтеросорбенты из природного растительного сырья. К их числу относится полифепан - энтеросорбент, производимый из гидролизного лигнина [2, 3]. Полифепан способен поглощать патогенные микроорганизмы, различные токсиканты без заметного нарушения полезной микрофлоры желудочно-кишечного тракта.
Аналоги полифепана могут быть получены и из других видов сырья растительного происхождения, в частности из твердых остатков экстракционной переработки растительного сырья. Удаление экстрактивных веществ, находящихся в порах растительного сырья, способствует формированию развитой пористой структуры в твердом остатке экстракции, которая состоит из макро-, мезо- и микропор. Как известно [4], размер макропор составляет более 50 нм, мезопор - от 2 до 50 нм и микропор - менее 2 нм. Благодаря наличию пор сорбенты имеют высокую удельную поверхность и способны поглощать (адсорбировать) различные органические и неорганические вещества. Традиционные методы получения углеродных сорбентов из растительного сырья являются энергозатратными, поскольку включают стадии его пиролиза и активации при повышенных температурах (600-800 °С) [5]. При этом выход сорбента составляет менее 20% от массы исходного материала.
Использование для получения сорбентов пористых твердых остатков экстракционной переработки растительного сырья позволяет исключить стадии высокотемпературной обработки и избежать значительных потерь исходного материала. Вследствие этого себестоимость такого рода сорбента из растительных отходов будет значительно ниже, чем производимых термической переработкой качественных видов сырья (например, березовой древесины).
* Автор, с которым следует вести переписку.
При переработке березовой древесины (деревообработка, производство фанеры, древесного угля) образуется значительное количество отходов березовой коры.
Кора березы содержит ценные экстрактивные вещества, извлекаемые органическими растворителями и растворами щелочей [6]. К ним относятся биологически активный тритерпеноид бетулин и танниды, обладающие дубильными свойствами. Бетулин извлекается из внешнего слоя березовой коры (бересты), а дубильные вещества - из внутреннего слоя (луба). В процессе экстракционной переработки луба образуются пористые остатки, которые могут применяться в качестве энтеросорбентов или исходного материала для их получения.
Целью настоящей работы являлось изучение возможности получения энтеросорбентов типа полифепа-на из проэкстрагированного луба коры березы и их использования в ветеринарии для лечения острых кишечных инфекций и других заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья для получения сорбентов использовали луб коры березы повислой (Betula pendula Roth.) следующего состава (%): полисахариды 49,09%, из них легкогидролизуемых полисахаридов 26,29, трудногидролизуемых 22,36, лигниновых веществ 34,82, водорастворимых 13,71, минеральных 3,42.
Сорбенты получали обработкой 1-2% раствором NaOH исходного или предварительно проэкстрагиро-ванного различными растворителями (гексан, этилацетат, изопропанол, вода) луба березовой коры по методике [7]. Луб предварительно измельчали в дезинтеграторе до частиц размером от 0,1 до 1 мм. Их сорбционную способность оценивали по адсорбции иода и метиленового-голубого. Традиционно эти реагенты используются для тестирования качества углеродных сорбентов.
Эффективность лечебного действия сорбентов при острых желудочно-кишечных инфекциях исследована на базе Ачинской зональной ветеринарно-бактериологической лаборатории. Патолого-анатомический материал получали от поросят раннего постнатального периода (до 10 дней) с симптомами острых желудочно-кишечных инфекций.
Исследование патологического материала, выделение чистой культуры и изучение свойств проводили согласно действующим методическим указаниям. Наличие адгезивных антигенов из выделенных штаммов определяли в реакции агглютинации на стекле с агглютинирующими сыворотками к адгезивным антигенам эшерихий К99, К88.А20, 987Р и F41. Количество выросших колоний на чашках Петри подсчитывали с помощью прибора для подсчета колоний. В исследовании поглотительной способности энтеросорбента в опыте на белых мышах in vivo был использован штамм E.coli, обладающий гемолитическими свойствами к адгезивным антигенам К99.
Обсуждение результатов
Как известно, в процессе экстракционного извлечения веществ происходит раскрытие пористой структуры растительного материала. Поэтому можно ожидать, что удаление из луба березовой коры экстрактивных веществ, легкогидролизуемых полисахаридов и низкомолекулярных веществ лигниновой природы будет способствовать формированию развитой пористой структуры в твердом остатке.
Было изучено влияние условий предварительной экстракции луба гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой, а также обработки исходного и проэкстрагированного луба разбавленным раствором гидроксида натрия. В процессе щелочной обработки луба варьировались концентрация NaOH, температура и продолжительность обработки. Выход сорбента при щелочной обработке исходного луба составлял 4142% от веса исходного сырья. Более высокий выход сорбента в расчете на исходное сырье (67-71%) был получен при щелочной обработке твердого остатка, полученного в процессе последовательной экстракции луба гексаном, этилацетатом и водой. При последовательной экстракции луба указанными растворителями в нем резко снижается содержание водорастворимых веществ (с 12,63 до 1,46%), а также полисахаридов (с 49,09 до 37,86%), лигниновых веществ (с 34,82 до 20,20%) и минеральных веществ (с 3,42 до 2,36%). Образец, полученный обработкой предварительно проэкстрагированного луба 2% NaOH при 60 °С в течение 12 ч, обладает наиболее высокой сорбционной способностью. Полученный сорбент имеет влажность 7,4%, содержание золы 4,9%, лигнина 28%, содержание фракции менее 0,25 мм - 30,8%, рН водной вытяжки 7.
результаты сопоставления сорбционных характеристик энтеросорбента, полученного из луба березовой коры (ЭБК), и промышленного энтеросорбента полифепана (производитель АО «Сантек», С-Петербург, Р№001047/03-2002 г.) приведены в таблице 1.
Энтеросорбент ЭБК превосходит полифепан по способности адсорбировать метиленовый-голубой более чем в 4 раза, но несколько уступает ему в адсорбции иода. Различие в способности ЭБК и полифепана адсорбировать иод и метиленовый-голубой может быть следствием различного соотношения микро- и ме-зопор в этих энтеросорбентах. Более объемная молекула метиленового-голубого не может проникнуть в узкие микропоры, доступные для небольшой молекулы иода. С учетом этого обстоятельства можно предполагать, что энтеросорбент из луба березовой коры имеет более развитую, чем полифепан, мезопористую структуру. По этой причине энтеросорбент из луба должен обладать более высокой способностью поглощать бактерии и крупные органические молекулы, чем полифепан, сорбционная емкость которого по ме-тиленовому-голубому значительно меньше.
Наблюдаемые различия в свойствах энтеросорбента из луба березовой коры и полифепана, возможно, обусловлены отличием их надмолекулярного строения и химического состава. В частности, содержание лигнина в энтеросорбенте ЭБК составляет около 28%, а в полифепане не менее 77%.
Энтеросорбент из березовой коры был испытан в качестве препарата для лечения острых кишечных инфекций (эшерихиоза) [10]. С этой целью лабораторные мыши массой от 15 до 25 граммов, разделенные на опытную и контрольную группы, были заражены перорально взвесью эшерихий, приготовленной из чистой культуры на физиологическом растворе из расчета 500 тыс. м.о. тел/мл. Энтеросорбент применяли в острой фазе течения эшерихиоза (диареи) у опытных групп мышей при появлении первых признаков диареи, но не позднее вторых суток течения заболевания и на стадии средней тяжести (2-3 сутки) клинического проявления колибактериоза. По истечении двухнедельного периода этих же мышей (без перегруппировок внутри опытных и контрольных групп) заражали вторично для определения профилактической эффективности препарата, предварительно прокормив опытных животных энтеросорбентом в течение 10 дней. В группе контрольных животных применяли терапию антибиотиками. В эксперименте наблюдали за общим состоянием и поведением животных (внешний вид, состояние шерстяного покрова, аппетит, двигательная активность).
В таблице 2 показаны результаты лечения энтеросорбентом из березовой коры при остром эшрихиозе мышей при первичном заражении.
Клинические испытания энтеросорбента из березового луба показали, что препарат на практике обеспечивает необходимую энтеросорбцию при острых кишечных инфекциях. На различных стадиях течения заболевания во всех опытных группах энтеросорбент оказывал быстрое купирование признаков колибакте-риоза, и наблюдалось ускоренное выздоровление при более легком течении инфекции, чем в контрольной группе.
Таким образом, применение энтеросорбента ЭБК дает лучший терапевтический эффект, чем использование антибиотиков. Использование в современной практической ветеринарии антибиотических средств приводит к нефро- и гепатотоксическим осложнениям и к развитию дисбактериозов, провоцируя тем самым усиленную колонизацию кишечника болезнетворной микрофлорой. Все это влечет за собой интенсивную интоксикацию организма и ухудшение течения заболевания. Однако энтеросорбенты, благодаря своим уникальным сорбционным свойствам, снимают перенапряжение защитных дезинтоксикационных сил организма, что приводит к быстрому и более легкому течению заболевания и сокращению сроков ре-конвалясциенции.
Перед повторным заражением всем опытным группам перорально скармливали энтеросорбент из луба в дозе 200 мг/кг в течение 10 дней, после чего проводили инфицирование всех групп мышей. Полученные при этом данные представлены в таблице 3.
Таблица 1. Сопоставление сорбционной емкости энтеросорбента из луба березовой коры (ЭБК) и полифепана
Образец Сорбционная емкость по
метиленовому-голубому, мг/г иоду, %
ЭБК* 42,5 27,9
Полифепан 10,0 43,2
* Получен обработкой проэкстрагированного луба 2% NaOH при 60 °С, 1 ч
Энтеросорбент не проявляет токсичных свойств, поскольку после повторного заражения у подопытных мышей не наблюдалось заметных симптомов интоксикации. Прием пищи и воды, двигательная активность и динамика массы тела не отличались от таковых у здоровых животных, ранее не подвергавшихся заражению, тогда как у контрольных животных эти показатели были значительно ниже.
Как следует из полученных данных, энтеросорбент оказывал позитивное действие и при повторном заражении опытных животных. При этом отмечалось повышение устойчивости во всех группах опытных мышей. При введении первой дозы эшерихий для них отсутствовали клинические признаки инфекции. Поэтому доза повторного заражения эшерихиями была увеличена в два раза (до 1 млн м.о. тел/мл). В группе контрольных животных острое течение колибактериоза наступало уже через 12-24 ч после введения первой дозы культуры.
После окончания опыта все мыши из опытных и контрольных групп были подвергнуты эвтаназии под эфирным наркозом. При вскрытии животных опытных групп в 67% случаев не было обнаружено патологических изменений. У 33% мышей опытной группы имелись остаточные явления воспаления, характерные для энтерита. Причем сохранение структуры слизистой оболочки тонкого кишечника свидетельствует о малом воздействии эндо- и экзотоксинов колибактерий на стенку слизистой оболочки кишечника.
Таблица 2. Результаты лечения энтеросорбентом из коры березы острого эшерихиоза у мышей при
первичном заражении
Группа животных Доза ЭБК, мг/кг Применение антибиотиков Продолжительность лечения, ч Падеж, % Примечания (время применения)*
Мышата 3,5-4,3 Не применяли 48-72 Нет В начальный период заболевания
Мышата 3,5-4,3 Не применяли 72-96 Нет При средней тяжести заболевания
Контроль Применяли 120 67 В начальный период заболевания
Взрослые мыши 5,0-6,0 Не применяли 36-60 Нет В начальный период заболевания
Взрослые мыши 5,0-6,0 Не применяли 48-72 Нет При средней тяжести заболевания
* Кратность введения препарата - 2 раза в сутки
Таблица 3. Результаты лечения энтеросорбентом ЭБК при остром эшерихиозе у мышей при их повторном
заражении
Группа животных Доза ЭБК, мг/кг Применение антибиотиков Продолжительность лечения, ч Падеж, % Примечания (время применения)*
Мышата 3,0-3,4 Не применяли 48-72 Нет В начальный период заболевания
Мышата 3,2-3,6 Не применяли 72-96 33 При средней тяжести заболевания
Контроль Применяли 120 67 В начальный период заболевания
Взрослые мыши 4,0-5,0 Не применяли 36-60 Нет В начальный период заболевания
Взрослые мыши 4,0-5,0 Не применяли 48-72 Нет При средней тяжести заболевания
* Кратность введения препарата - 1 раз в сутки
У мышей контрольной группы во всех случаях отмечались застойные венозные явления во внутренних органах, геморрагии на слизистой желудка и тонкого отдела кишечника с истончением стенок и нарушением структуры слизистой. Это еще раз подтверждает высокое токсическое действие антибиотиков, провоцирующее развитие ряда патологических процессов, особенно на фоне иммунодефицита.
Результаты выполненного исследования показали, что энтеросорбент из луба березовой коры может использоваться в качестве эффективного и нетоксичного средства лечения и профилактики желудочнокишечных инфекций в промышленном животноводстве, а также является перспективным препаратом для оздоровления животных при интоксикациях, связанных с окислительным стрессом, и для восстановления нормальной флоры кишечника.
Наличие значительного количества неиспользуемых отходов березовой коры в регионах Сибири и Европейской части России делает возможным широкомасштабное производство нового энтеросорбента. Сопряжение его получения с производством ценных экстрактивных веществ из древесной коры (бетулина, дубителей, красителей) позволит значительно снизить его себестоимость по сравнению с существующими промышленными энтеросорбентами.
Список литературы
1. Энтеросорбция / Под ред. Н.А. Белякова. Л., 1991. 328 с.
2. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. М., 1983. 200 с.
3. Бабкин В.А., Леванова В.П., Исаева Л.В. Медицинские препараты из отходов гидролизного производства // Химия в интересах устойчивого развития. 1994. Т. 2. С. 559-581.
4. Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск, 1995. 513 с.
5. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Л., 1984.
6. Кислицын А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, свойства, применение // Химия древесины. 1994. №3. С. 3-28.
7. Веприкова Е.В., Терещенко Е.А., Щипко М.Л., Кузнецов Б.Н. Утилизация твердых остатков экстракционной переработки коры // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: Сборник трудов Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск, 2003. С. 416-421.
8. Методические указания по бактериологической диагностике эшерихиоза животных от 27 июля 2000 г.
9. Методические указания по бактериологической диагностике смешанной кишечной инфекции молодняка животных, вызываемой патогенными энтеробактериями. 1999. 11 окт.
10. Ковальчук Н.М. Современные представления о патогенезе желудочно-кишечных инфекций // Вестник Крас-ГУ. 2001. №4. С. 127-130.
Поступило в редакцию 12 мая 2004 г.
