CC BY
62
УДК 630.866/867.002 УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВ ЦЕЛЛОЛИГНИНА ЛИСТВЕННИЦЫ
© Н.Н. Трофимова , О.Б. Бичевина, В.А. Бабкин
Иркутский институт химии СО РАН, ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033 (Россия), e-mail: [email protected]
Изучен химический состав целлолигнина лиственницы с целью применения его в производстве кристаллической глюкозы. Определены массовые доли трудно- и легко гидролизуемых полисахаридов, лигнина, экстрактивных веществ. С помощью спектрофотометрического метода с о-толуидиновым реагентом проведено количественное определение гексоз и пентоз в целлолигнине. Хроматографическими (ТСХ и БХ) методами изучен моносахаридный состав гидролизатов.
Введение
Углеводы, как белки и пептиды, являются важнейшими составными частями живого организма, играют исключительно важную роль в природе и человеческой жизнедеятельности. В настоящее время еще не существует способов синтеза углеводов, зато ежегодно образуется огромное количество естественных растительных полимеров, из которых эти продукты могут быть получены в результате гидролиза. Древесина, благодаря ее большим запасам и постоянному возобновлению, является уникальным источником углеводов.
Продолжая [1-3] разработку технологии получения сахарных (глюкозных) сиропов путем кислотного гидролиза целлолигнина лиственницы, мы провели установление его компонентного состава.
Экспериментальная часть
Целлолигниновая щепа представляет собой измельченную древесину лиственницы после извлечения из нее дигидрокверцетина, частично арабиногалактана и смолы. Щепа имеет размеры 25x15x5 мм, фракция опилок - 1x2x2 мм.
Для определения группового состава компонентов древесного сырья использованы общепринятые в химии древесины методики [4].
Водный предгидролиз образцов в автоклавах проводили в следующих условиях: гидромодуль 6, температура 160 °С, продолжительность процесса 3 ч.
Условия получения кислых гидролизатов:
- опыт №1. Предгидролиз 2% H2SO4, (гидромодуль 1 : 11), 3 ч, 100 °С; гидролиз 80% H2SO4, (гидромодуль 1 : 6), 1 ч, 23 °С;
- опыт №2. Предгидролиз 5% H2SO4, (гидромодуль 1 : 11), 3 ч, 100 °С; гидролиз 70% H2SO4, (гидромодуль 1 : 7), 2 ч, 23 °С; инверсия,
- опыт №3. Водный предгидролиз (условия указаны выше), предгидролиз 0,5% H2SO4, (гидромодуль 1 : 6), 3 ч, 100 °С; гидролиз 60% H2SO4, (гидромодуль 1 : 7), 2 ч, 23 °С; инверсия,
- опыт №4. Водный предгидролиз (условия указаны выше), предгидролиз 2,5% H2SO4, (гидромодуль 1 : 10), 2 ч, 100 °С; гидролиз 80% H2SO4, (гидромодуль 1 : 7), 1,5 ч, 23 °С; инверсия. Во всех опытах использована фракция опилок.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Инверсию проводили путем понижения концентрации серной кислоты в растворе до 3-5% и кипячением инверта в течение 5 ч. В нейтрализованном инверте определяли содержание пентоз и гексоз по методу [5-7]. Спектры оптической плотности растворов записаны на приборе Specord UV Vis и на приборе СФ-26 в кювете 1 см.
Определение углеводного состава гидролизатов проводили методом тонкослойной хроматографии путем сравнения с аутентичными образцами (глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза, ксилоза, рамноза, сахароза). В качестве неподвижного слоя использовали пластинки «Луцефол» и «Силуфол» (ЧССР). Хроматографию развивали в следующих системах растворителей, используемых для сахаров [8]: 1) н-бутанол-этанол-вода (40 : 11 : 19, здесь и далее соотн. объемные); 2) этилацетат-пиридин-вода (5 : 1 : 5); 3) н-бутанол-уксусная кислота-вода (4 : 1 : 5); 4) н-,утанол-ацетон-вода (2 : 7 : 1), (4 : 5 : 1).
В качестве реагента для обнаружения сахаров использовали раствор анилинфталата. Опрысканные пластинки нагревали 1-3 мин при температуре 100 °С.
Обсуждение результатов
Целлолигнин лиственницы (образец технологической щепы) состоит главным образом из макромолекулярных компонентов - полисахаридов (целлюлозы и гемицеллюлозы) и лигнина. Принято считать, что массовая доля полисахаридов в древесине составляет 65-75% от массы абсолютно сухого сырья (м.а.с.с.) [9]. Содержание водорастворимых веществ в древесине лиственницы составляет 10-16%, а в отдельных образцах может доходить до 30% [10]. Согласно технологии извлечения дигидрокверцетина и арабиногалактана, выход последнего из древесины лиственницы составляет 67% от его общего содержания в исходном сырье [11].
В связи с разработкой технологии получения кристаллической глюкозы из целлолигнина лиственницы путем кислотного гидролиза полисахаридов (целлюлозы) представляет интерес изучение гемицеллюлозной части целлолигнина. К гемицеллюлозам лиственницы, как правило, относят арабиногалактан и галактоглюкоманнан, а также арабино-4-О-метилглюкуроноксилан [9]. Присутствие неглюкозных сахаров, образующихся при гидролизе гемицеллюлоз, значительно снижает качество гидролизатов, затрудняет кристаллизацию глюкозы из загрязненных сиропов.
В целлолигнине лиственницы содержание водорастворимых веществ остается достаточно высоким -8,9% (табл. 1).
Состав моносахаридов в водном экстракте и гидролизате ЛГПС (ТСХ и БХ анализ) представлен преимущественно арабинозой и галактозой. Это дает нам основание предполагать наличие низкомолекулярной и высокомолекулярной фракций арабиногалактана. Низкомолекулярная часть полисахарида экстрагируется горячей водой, а более высокомолекулярная часть гидролизуется разбавленной (2-5%) серной кислотой при 100 °С. В работах [11, 12] приводятся данные, свидетельствующие о неоднородности молекулярной массы арабиногалактана, колебания в нем соотношения галактоза: арабиноза и сложности его надмолекулярной структуры.
Для извлечения высокомолекулярной фракции полисахарида можно использовать водную экстракцию в автоклаве (гидролиз), переведя процесс в область высоких температур (160-170 °С). Так, при четырехступенчатом автоклавном гидролизе получен максимальный суммарный выход водорастворимых веществ - 18% от м.а.с.с. Однако при этом, по данным хроматографического анализа, в гидролизатах уже присутствуют, кроме арабинозы и галактозы, ксилоза и манноза.
Таблица 1. Химический состав целлолигнина лиственницы (% от м.а.с.с.)
Компоненты %
Вещества, экстрагируемые водой 8,9
- смесью спирт-толуол (1 : 1, об.) 2,4
Легкогидролизуемые полисахариды 10,7
Трудногидролизуемые полисахариды 42,6
Холоцеллюлоза 53,7
а-Целлюлоза 46,2
Лигнин кислотонерастворимый 34,9
- кислоторастворимый 7,3
Зола 0,3
Таким образом, гемицеллюлозная часть лигноцеллюлозного остатка (представленная главным образом полисахаридом арабиногалактаном) удаляется из сырья водной экстракцией с последующим кислотным гидролизом, либо водным гидролизом без внесения кислоты при повышенной температуре процесса.
В гидролизате ТГПС, получаемом при кислотном гидролизе целлолигнина концентрированной серной кислотой, преобладающим сахаром является глюкоза, в качестве примеси обнаруживаются галактоза, манноза и ксилоза. Это свидетельствует о наличии в целлолигнине лиственницы ассоциированного с целлюлозой галактоглюкоманнана и ксилана (арабино-4-О-метилглюкуроноксилана) [9].
Значения массовой доли ТГПС и содержания целлюлозы в целлолигнине, определяемые независимыми методами, хорошо согласуются между собой - 42,6 и 46,2%. Количество гемицеллюлоз, найденное косвенным образом как разница между холоцеллюлозой и а-целлюллозой, с небольшим расхождением (в 3,2%) соответствует содержанию гемицеллюлоз, определяемых в виде массовой доли ЛГПС.
В задачу данного исследования также входило определение лигнина и экстрактивных веществ в целлолигнине, которые в виде примесей неуглеводной природы присутствуют в кислотных гидролизатах. Полученные данные представлены в таблице 1.
Основным компонентом спирто-толуольного экстракта является флавоноид дигидрокверцетин с примесью дигидрокемпферола и нарингенина (ТСХ-анализ).
Определение кислоторастворимого лигнина проводилось в гидролизатах ЛГПС и ТГПС. В таблице 1 приведено его суммарное значение, причем в гидролизате ТГПС находится 84% от его общего содержания. В целом доля кислоторастворимого лигнина составляет 21% от содержания кислотонерастворимого лигнина.
Для количественной оценки содержания сахаров в целлолигнине проведено определение гексоз и пентоз в гидролизатах ЛГПС и ТГПС в опытах с различными условиями гидролиза, результаты которых приведены в таблице 2.
Выход сахара из весовой единицы а.с.с. рассчитывали используя данные, полученные по орто-толуидиновому методу. Этот метод основан на измерении оптической плотности окрашенных растворов, образующихся при взаимодействии о-толуидина и редуцирующих веществ в гидролизатах. Определение концентрации гексоз и пентоз проводилось по калибровочным графикам.
Полученные данные отражают содержание полисахаридов в целлолигнине лиственницы. Так, через определение концентрации сахаров в гидролизате ЛГПС установлено содержание гемицеллюлоз, а через определение сахаров в гидролизате ТГПС - содержание главным образом целлюлозы.
В гидролизатах ТГПС было определено достаточно высокое содержание пентоз, это может свидетельствовать о высоком содержании гемицеллюлоз, прочно связанных с целлюлозой. Таким образом, для наиболее исчерпывающего гидролиза гемицеллюлозной составляющей целлолигнина необходима дальнейшая оптимизация параметров процесса его предгидролиза.
В целом выход сахаров, в особенности пентоз, находится в зависимости от используемого режима гидролиза, от наличия стадии водного предгидролиза и т.д. Исследования в данном направлении продолжаются.
Таблица 2. Массовая доля гексоз и пентоз (Х, %) от м.а.с.с.
№ (Х, %) от м.а.с.с. в гидролизатах ЛГПС (Х, %) от м.а.с.с. в гидролизатах ТГПС
опытов пентозы гексозы пентозы гексозы
1 7,58 б,07 21,40 35,5б
2 8,б7 4,34 30,92 4б,20
3 11,20 9,37 41,40 4б,4б
4 9,50 2,б9 20,5 49,37
Выводы
Проведено определение массовой доли легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, кислоторастворимого и кислотонерастворимого лигнина, остаточных экстрактивных веществ. Методом ТСХ и БХ определен моносахаридный состав гидролизатов. С помощью спектрофотометрического определения сахаров с о-толуидиновым реагентом установлено содержание гексоз и пентоз в целлолигнине лиственницы.
Список литературы
1. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Дьячкова С.Г., Святкин Ю.К. и др. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственниц сибирской и даурской // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 105— 115.
2. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А. Целлолигниновый остаток древесины лиственницы как сырье для получения кристаллической глюкозы // Хвойные бореальной зоны. 2003. Вып. 1. С. 116-122.
3. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А., Чемерис М.М. Катализируемый паровзрывной гидролиз целлолигнинового остатка древесины лиственницы // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 53-56.
4. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
5. Корнейчик Т.В., Боровская Л.А., Зильбертглейт М.А. Определение гексоз, пентоз и уроновых кислот в целлюлозных полуфабрикатах. 1. Определение гексоз, пентоз и уроновых кислот с о-толуидиновым реагентом // Химия древесины. 1986. №5. С. 42-45.
6. Усов А.И., Яроцкий С.В. Раздельное определение гексоз и пентоз при помощи о-толуидинового реагента // Известия АН СССР. Сер. Химическая. 1974. №4. С. 877-880.
7. Методы экспериментальной микологии: Справочник. Киев, 1982. С. 187.
8. Кирхнер Ю. Тонкослойная хроматография. М., 1981. Т. 1. 616 с.
9. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М., 1988. 512 с.
10. Левин Э.Д., Денисов О.Б., Пен Р.З. Комплексная переработка лиственницы. М., 1978. С. 224.
11. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Иванова С.З., Малков Ю.А. и др. Биологически активные вещества древесины лиственницы // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. №3. С. 363-367.
12. Антонова Г.Ф., Усов А.И. Структура арабиногалактана из древесины лиственницы (Larix sibirica Ledeb.) // Биоорганическая химия. 1984. Т. 10. №12. С. 1664-1669.
13. Антонова Г.Ф. Исследование фракционного состава полисахарида арабиногалактана древесины лиственницы сибирской // Химия древесины. 1977. №4. С. 97-100.
Поступило в редакцию 16 июля 2004 г.
