Влияние продуктов ферментативной деструкции углеводных примесей льняного волокна на разрушение лигнина Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

_ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ_

Т 50 (7) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2007

УДК 677.027.255:547.455.9

О.В. Лепилова, С.В. Алеева, С.А. Кокшаров

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ДЕСТРУКЦИИ УГЛЕВОДНЫХ ПРИМЕСЕЙ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА НА РАЗРУШЕНИЕ ЛИГНИНА

(Институт химии растворов РАН) E-mail: [email protected]

Экспериментально выявлена возможность активации извлечения лигнина из льняных текстильных материалов за счёт целенаправленной ферментативной генерации мономерных продуктов деструкции полисахаридных примесей целлюлозы, обладающих высокими редуцирующими свойствами. Установлено, что эффективность делиг-нификации льняных материалов при введении в варочный раствор моносахаридов возрастает в ряду: Р-глюкоза < манноза < галактоза < галактуроновая кислота < ксилоза. При обработке льняной ровницы раствором специализированной композиции ферментов обеспечивается достижение величины ОВП системы на уровне -800 мВ, и содержание нерастворимого лигнина в волокне снижается в 1,6раза.

При реализации альтернативных методов биохимической переработки целлюлозного сырья вопрос ферментативного удаления лигнина до сих пор остается не решенным в связи с отсутствием промышленного выпуска биопрепаратов на основе сложных композиций ферментов оксидоредук-таз и редоксмедиаторов [2,3]. Вместе с тем имеются сведения [4-6] о снижении содержания лигнина при обработке лигноцеллюлозных материалов композициями пекто- и целлюлолитических ферментов. При этом анализу истинных причин интенсификации процесса делигнификации волокон в присутствии гидролаз внимания уделяется недостаточно. Наблюдаемые изменения содержания лигнина авторы публикаций связывают, прежде всего, с разрушением полисахаридных примесей и макромолекул целлюлозы, участвующих с ним в межмолекулярных взаимодействиях. Однако, учитывая специфику действия используемых в этом случае биокатализаторов, очевидно, что их присутствие в системе не может влиять на растворимость лигнина, а, следовательно, и на интенсивность его экстракции из волокна в раствор.

Вместе с тем известно, что деструкция лигнина может протекать под действием восстановителей [7], а продукты расщепления полисаха-

Традиционно делигнификацию льняных волокнистых материалов осуществляют с использованием окислителей, которые катализируют процесс разрушения хромофорных структур лигнина, способствуя повышению его растворимости. Но в этом случае, как показано на схеме (1), деструкции подвергаются лишь свободные фенольные фрагменты макромолекулы. В щелочной среде деполимеризация лигнина протекает по нуклео-фильному механизму (2) с разрывом простых эфирных связей между фенилпропановыми структурными единицами [1], что способствует увеличению содержания фенольных фрагментов и более глубокому протеканию последующей окислительной деструкции.

| CH2OH

hcoh

H2OH

hCoh

^ CH2OH I

нзсО^^н—00

V>?cHb

CH2OH

CH

HCOH

CH20H I

f—HjcH 0

IT^OH "

:H20H J Hj-0 +oh

CH20H

-ch

hcoh

l

CH20H I

CH2 - CH

CH20H

ch l

hcoh •

:H20H I

CH2OH 1

hc-с

CH

rS

\ COOH COOH

:H20H

:h hcoh

CH2OH 1

Hi—0

^cÇ1

о'

HÎHi

HCOH

A

(1)

(2)

L

L

L

h с

н с

O

O

l

l

l

O

O

ридов способны к проявлению редуцирующих свойств, окисляясь до альдоновых и гликаровых кислот:

циклическая

форма HCH2OH

HOX^SA-H hoVH OH OH

a-D- глюкоза

свободная альдегидная форма

H HOHH о HOH2C I f I I <° -HOHO H OH H

H H OHH 4-O Ох H H OH|H ^о ^

HOH2^ <OH — HOOC П I (3) HOHO H OH нОНО H Он4™

глюкаровая кислота

альдо-D- глюкоза глюкановая кислота

Учитывая ранее установленные закономерности влияния стереомерного состояния моносахаридов на их восстановительную способность [8], в настоящем исследовании проведена экспериментальная оценка возможности активации процессов делигнификации льняного волокна в модельных условиях с введением моносахаров в варочные растворы и при проведении фермента-тивно-пероксидной подготовки льняной ровницы.

В качестве объектов исследования использованы моносахариды производства фирмы ICN (Р-глюкоза, галактоза, ксилоза, манноза, галактуро-новая кислота), а также продукты ферментативной деструкции полимерных спутников целлюлозы льна. Обработке подвергалась ровница чесаного льна №16, сформированная из смеси сортов бий-ского, тверского, вологодского и нерехтинского льна. Ферментативную обработку проводили с использованием экспериментального препарата Полифан МЛ, получаемого совместно со специалистами каф. микробиологии ИГМА и проявляющего пектолитические и протеолитические свойства, а также препаратов экзогенных гемицеллю-лаз (галактозидаза, маннозидаза, ксилозидаза) производства фирмы Sigma.

Измерение окислительно-восстановительных свойств (ОВП) ферментативных гидролизатов и модельных моносахаридов проводили в условиях изотермической выдержки растворов на потен-циометрической установке, включающей цифровой рН-метр ОР-211/1 и систему ультратермоста-тирования. Концентрацию восстанавливающих Сахаров (СВс) определяли колориметрическим методом [9] с использованием динитросалицилового реагента. Количественная оценка изменения содержания примесей в льняном волокне проводилась с использованием известных экстракционных методов последовательного их извлечения [10]. Общее количество лигнина и полифенольных соединений (флаваноидов), экстрагируемых диокса-ном, определяли спектрофотометрическим методом [11]. Параллельно фиксировали содержание в волокне кислотонерастворимого лигнина по доле твердого остатка после обработки волокна в 72 %-ной серной кислоте [10].

В табл. 1 приведены результаты анализа компонентного состава волокнистого материала

после стадий обработки ровницы препаратом По-лифан МЛ, обеспечивающим разрушение углеводно-белковой основы соединительных тканей комплексного волокна, и последующего перок-сидного беления.

Таблица1

Изменение содержания основных компонентов в льняном волокне при ферментативно-пероксидной обработке ровницы с использованием полиферментного препарата Полифан МЛ (в расчете на 100 г исходного материала) Table 1 The change of base components content in linen fibre at enzyme-peroxide treatment of rove using of multienzyme preparation Polifan ML

Анализируемые группы веществ льняного волокна Содержание компонентов, г/100 г ровницы

в исходной ровнице в подготовленной ровнице

обработка Полифаном МЛ беление Н2О2

целлюлоза 69,3 74,1 82,9

сумма примесей в том числе: 30,70 25,9 17,1

гемицеллюлозы 10,80 9,32 9,03

пектин 3,57 1,26 0,43

белки 1,55 0,54 0,33

лигнин и полифеноль- 8,05 8,41 4,48

ные соединения

воска 2,81 2,80 0,93

зола 1,63 1,93 1,22

другие 2,29 1,64 0,68

Как свидетельствуют полученные данные, изменение массы волокнистого материала на стадии ферментативной обработки происходит в основном за счет уменьшения содержания нецеллюлозных полисахаридов и белковых соединений. Общее содержание лигнина в волокне на этой стадии не изменяется, и его снижение наблюдается только после проведения пероксидной обработки.

Проверка эффективности действия восстановителей на состояние лигниновой компоненты волокнистого материала осуществлена с введением в щелочной варочный раствор такого сильного восстановителя как дитионит натрия, а также указанных выше стереоизомерных форм моносахаридов. Обработку льняного волокна восстанавливающими реагентами проводили при температуре 80оС в течение 60 минут. Концентрация раствора дитионита натрия составила 6 г/л, моносахаридов - 1 г/л. В качестве критерия оценки выбрано изменение содержания в волокне лигнина, нерас-творяющегося в серной кислоте, АЬН. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.

ALH, %

70 и 6050 40302010-

дитионит натрия

галактуроно-вая кислота

галактоза манноза

чт

• ch2oh

hc

H3C°' LJh

! ch2oh

o—ch2

Coh .

X. ch2oh i

rTh

uht

ch20h i

hc-<">

-ch

(S

(4)

стадия I - целенаправленная генерация моносахаридов в ходе ферментативной деструкции полимерных примесей волокна при 50°С;

стадия II - активация моносахаридов и восстановительная деструкция лигнина при 98...100оС.

б

ОВП, мВ

200 100 0

Свс' мг/мл

Рис. 1. Количество трансформированного кислотонераство-римого лигнина в льняном волокне после обработки растворами восстанавливающих реагентов (рН 10, температура 80°С) Fig. 1. Amount of transformed lignin insoluble in acid in linen fibre after treatment by solutions of reducing reagents (pH=10, temperature 80°C).

Для сравнительного анализа необходимо указать, что в холостом эксперименте без введения редуцирующих веществ воздействие щелочного раствора обеспечивает трансформацию нерастворимой части лигнина на 12 %, а в присутствии дитионита натрия - на 63 %. По-видимому, действие восстановителя направлено на структурные звенья полимера, содержащие карбонильные группировки. Гидрирование группы С=О дестабилизирует примыкающую эфирную связь между фенилпропановыми фрагментами, способствуя ее гидролитическому разрыву:

-300 -400 -500 -600 -700 -800

0 20 40 60 80 100 120 140

0 20 40 60 80 100 120 140

Данные рис. 1 свидетельствуют, что аналогичные превращения происходят и в присутствии моносахаров. Сопоставление с результатами работы [8] показывает, что, чем выше редуцирующая способность моносахарида, тем в большей степени происходит трансформация нерастворимого лигнина льняного волокна. Эффективность деструкции лигнина под действием моносахаридов нарастает в ряду: (3-глюкоза < манноза < галактоза < галактуроновая кислота < ксилоза.

На рис. 2 представлены результаты изменения редуцирующих свойств системы «технологический раствор - волокно» при обработке льняной ровницы растворами ферментных препаратов. При этом процесс складывался из двух стадий, разделенных на рисунке штриховой линией:

Рис. 2. Изменение окислительно-восстановительного потенциала системы (а) и динамика накопления редуцирующих сахаров (б) при воздействии на льняную ровницу ферментных препаратов: 1 - пектиназный препарат Полифан МЛ; 2 -гемицеллюлозный препарат экзодействия; 3, 3* - композиция препаратов

Fig.2 The change of system red-ox potential (a) and accumulation dynamics of reducing sugars (b) at action on linen rove of enzyme preparations: 1 - pectinase preparation Polifan ML; 2 - exo action hemicellulose preparation; 3 - composition of preparations

Данные рис. 2а демонстрируют повышение восстанавливающей способности растворов (снижение ОВП) при переходе от индивидуального разрушения пектиновых примесей пектиназами (кр. 1) к воздействию гемицеллюлазного препарата (кр. 2) и далее к совместному использованию этих ферментов в композиционном препарате (кр. 3). Изменения ОВП систем имеют немонотонный характер, связанный с динамикой ферментативной генерации редуцирующих сахаров. Последнее проиллюстрировано для варианта воздействия полиферментной композиции на рис. 2б (кр. 3*).

При воздействии ферментных препаратов на льняную ровницу при 50оС снижение ОВП обусловлено накоплением сахаров в растворе. После нагревания действие биокатализаторов прекращается, и рост кривой СВС приостанавливается. Вместе с тем изменения ОВП нарастают с более высокими темпами, что в количественном выражении представлено в табл. 2. Как видно, скорость изменения ОВП исследованных систем на первой стадии обработки льняной ровницы VI в 4,1.. .6,6 раза ниже значения VII, что обусловлено, по-видимому, не только показанным в реакции (3) смещением равновесного состояния сахаров в сторону свободной альдегидной формы, но и дальнейшими ее превращениями, например, в фурфурольные производные [8].

а

I стадия

II стадия

1 стадия

II стадия

0

h,c°

н + но

Таблица 2

Влияние биообработки ровницы на кинетические

характеристики изменения окислительно-восстановительного потенциала системы и деструкцию лигнина Table 2 The influence of rove bio-treatment on kinetic characteristics of system red-ox potential change and

Расходование редуцирующих сахаров на спадающей ветви кривой 3* обусловлено хемо-сорбционным их поглощением из раствора и протеканием взаимодействия с имеющимися в волокне окислителями, в частности, с карбонильными группировками, содержащимися примерно в 75 фенилпропановых структурных элементах лигнина [7]. Наличие согласующихся изменений между ОВП системы при использовании различных ферментных препаратов и уменьшением количества нерастворимого лигнина АЬН (см. табл. 2) свидетельствует о возможности протекания реакции (4) под действием продуктов гидролиза полисахарид-ных примесей волокна.

Применение препарата Полифан МЛ с добавками экзогенных гемицеллюлоз обеспечивает получение окислительно-восстановительного потенциала системы на уровне -800 мВ. При этом количество содержащегося в волокне нерастворимого лигнина снижается на 59 %, что сопоставимо с действием дитионита натрия. Общее содержание полифенольных соединений, определяемое в ди-оксановых экстрактах, после обработки композиционным ферментным препаратом также практически не изменяется. Вместе с тем их доля после пероксидного беления составляет 1,35 масс.%, что в 3,3 раза меньше, чем при реализации биохимической технологии подготовки льняной ровницы с

использованием пекто- и протеолитических ферментов Полифан МЛ (см. табл. 1).

Таким образом, в ходе исследований установлено, что при разработке ферментативно-пероксидной технологии беления льняных текстильных материалов с разрушением нецеллюлозных полисахаридных примесей эндогенными де-полимеразами целесообразно применение определенных видов экзогенных ферментов для генерации наиболее реакционно-способных форм моносахаридов. Их действие обеспечивает создание необходимых условий для протекания восстановительной деструкции лигнина, что позволяет уже на стадии энзимной обработки частично разрушить эфирные связи в макромолекуле лигнина и, тем самым, ускорить его дальнейшее окисление на стадии щелочно-пероксидной обработки.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации молодым ученым кандидатам наук (проект № МК-8178.2006.3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Головлева Л.А., Ганбаров Х.Г. Успехи химии. 1982. Т. 17. С. 136-158.

2. Алеева С.В., Лепилова О.В. Текстильная химия. 2005. № 1. С. 28-34.

3. Оболенская А.В. Химия лигнина / Учеб. пособие для вузов. С.-П.: Изд. СПб. 1993. 78 с.

4. Valchev V., Valchev L., Crristova E. // Cellulose Chem. Technol.. 1998. N 32. P. 457-462.

5. Берлин Х. А. // Дис. ... канд. хим. наук. Москва. 1999.

6. Чешкова А.В., Кузьмин А.В., Пискарева И.Л // Изв. вузов. Технология текст. пром-сти. 2004. № 1. С. 52-56.

7. Шорыгина Н.Н., Резников В. М., Ёлкин В. В. Реакционная способность лигнина. М.: Наука. 1976. С. 241-250.

8. Лепилова О.В., Алеева С.В., Кокшаров С.А.// Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2006. Т. 49. Вып. 7.

9. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. / Под ред. С.Д. Варфоломеева. М: ВИНИТИ. 1993. Т. 25. С. 31-32.

10. Садов Ф.И., Соколова Н.М., Вильдт Е.О. Лабораторный практикум по курсу ХТВМ. М.: Гизлегпром. 1963. 352 с.

11. Справочник. Отделка хлопчатобумажных тканей / Под ред. Б. Н. Мельникова. М.: Легпромбытиздат. 1991. Т. 1. 16 с.

lignin destruction

Ферментный Скорость изменения ОВП, АЬн,

препарат мВмин"1 %

на стадии I (VI) на стадии II (VII)

пектиназный 0,81 5,32 12

гемицеллюлазный 2,95 12,50 28

экзодействия

композиция 4,50 14,17 59

Лаборатория химии растворов текстильных вспомогательных препаратов