Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 10
1.1 Фенольные соединения в твердом растительном сырье, особенности конкретных объектов исследования 10
1.2 Реакции окисления полифенолов, окислительная полимеризация и деградация фенольных соединений растительного происхождения 14
1.3 Основные механохимические эффекты 16
и реакции, используемые в технологии фенольных соединений растительного происхождения 1.3.1 Получение частиц растительного сырья с оптимальными размерами 16
1.3.2 Повышение эффективности измельчения растительного сырья с помощью предварительной химической обработки 17
1.3.3 Изменение дефектности и повышение реакционной способности целлюлозы и лигноцеллюлозы клеточных стенок 19
1.4 Химические реакции низкомолекулярных веществ в процессе механической обработки, используемые в технологии переработки растительного сырья 20
1.5 Гидротермальные (квазиавтоклавные) условия при механической обработке гетерофазных месей 21
1.6 Особенности строения биогенного сырья, важные для механохимических технологий 24
1.6.1 Сведения о строении и химическом составе растительных тканей 24
1.6.2 Разрушение растительного сырья до размера частиц около 80 микрометров 26
1.6.3 Сведения о строении и химическом составе клеточных стенок 26
1.6.4 Разрушение растительного сырья до размера частиц порядка 1 микрометра 27
1.7 Оптическое и электронно-микроскопическое исследование активации растительного сырья при интенсивной механической обработке 27
1.8 Разрушение клеточной стенки для повышения эффективности выделения низкомолекулярных компонентов растительного сырья 31
1.8.1 Кислотный гидролиз 31
1.8.2 Ферментативный гидролиз 32
1.8.3 Механоферментативный гидролиз 33
1.9 Механохимические реакции низкомолекулярных биологически активных компонентов с образованием растворимых веществ 36
1.9.1 Механохимические реакции нейтрализации и образование растворимых солей 39
1.9.2 Образование растворимых комплексов 40
1.9.3 Реакции гликозилирования и перегликозилирования 41
1.9.4 Образование поверхностных комплексов с растворимыми соединениями 42
1.9.5 Образование биокомпозитов 44
1.10 Перспективы механохимического подхода в технологии фенольных соединений растительного происхождения 45
1.10.1 Повышение выхода экстрагируемых веществ 45
1.10.2 Повышение селективности выделения 46
1.10.3 Изменение качественного состава экстрагируемых веществ 46
1.11 Реакторы для проведения механохимической активации 47
1.12 Цели и задачи исследования 51
2 Экспериментальная часть 54
2.1 Характеристика реагентов, материалов и методов физико-химического анализа 54
2.2 Методика механохимической обработки и проведения механохимических реакций 56
2.3 Получение модельных образцов для люминесцентно - микроскопического анализа 57
2.4 Получение экстрактов исходного сырья и продуктов механохимической обработки 57
2.4.1 Получение экстракта, обогащенного гиперицином 57
2.4.2 Проведение исчерпывающей экстракции для определения содержания гиперицина и катехинов в исходном растительном сырье и продуктах обработки 59
2.4.3 Проведение экстракции для определения выхода гиперицина и катехинов из растительного сырья 59
3. Результаты и обсуждение 60
3.1 Исследование реакций окислительной полимеризации (деградации) катехинов 60
3.1.1 Кинетика деградации катехинов в растворе 61
3.1.2 Изучение кинетики экстракции катехинов из растительного сырья 64
3.1.3 Окислительная полимеризация катехинов при механической обработке порошков зеленого чая 66
3.1.4 Окислительная полимеризация катехинов в твердой фазе до и после механохимической обработки 67
3.2 Изменение упорядоченности структуры растительного сырья на макро- и микроуровне при механохимической обработке 70
3.2.1 Макро-уровень 70
3.2.2 Микро-уровень 71
3.3 Влияние механохимической обработки на выход катехинов из растительного сырья 73
3.4 Исследование реакции окислительной полимеризации гиперицина при механической обработке 75
3.5 Изменение структуры целлюлозосодержащей матрицы при механической обработке 78
3.6 Исследование условий протекания реакции нейтрализации гиперицина в твердой фазе 82
3.6.1 Люминесцентно-спектроскопический анализ гиперицина 82
3.6.2 Спектр люминесценции гиперицина, адсорбированного на целлюлозе 83
3.6.3 Спектр люминесценции суммы нафтодиантроновых соединений, адсорбированных на целлюлозе 85
3.6.4 Влияние вида разрушения растительного сырья на механохимическую реакцию нейтрализации гиперицина 87
3.6.5 Влияние содержания воды на реакцию нейтрализации гиперицина при механической обработке смеси порошков растительного сырья и щелочи 88
3.7 Эффективность применения твердофазной стадии в процессах вьщеления гиперицина 90
3.8 Технологическая схема получения гиперицин и катехин содержащих препаратов и опыт их применения 93
3.8.1 Технологическая схема получения порошковых препаратов механохимическим способом 93
3.8.2 Применение катехин- и гиперицин-содержащих порошковых препаратов 96
4 Заключение 98
5 Выводы 99
6 Публикации по теме диссертации 100
7 Литература 104
8 Приложения 115
- Фенольные соединения в твердом растительном сырье, особенности конкретных объектов исследования
- Реакторы для проведения механохимической активации
- Изменение структуры целлюлозосодержащей матрицы при механической обработке
- Эффективность применения твердофазной стадии в процессах вьщеления гиперицина
Введение к работе
Актуальность работы
Движущей силой исследований в области химии твердого тела и механохимии является потребность в разработке малооперационных, экологически чистых твердофазных технологий химических продуктов и материалов [1,2]. В связи с особой практической значимостью в механохимии исторически лидировали работы, посвященные исследованию взрывчатых веществ, твердых неорганических веществ, полимеров, в том числе природных полимеров. Однако, к сожалению, положительный лабораторный опыт трудно трансформируется в промышленные технологии и оборудование.
Для обеспечения механохимических реакций требуется подвод большого количества механической энергии. При этом до 95% подведенной энергии превращается в тепло [3]. Повышение эффективности твердофазных механохимических процессов - актуальная научная задача.
В механохимии органических соединений и материалов высокие интенсивности механической обработки не требуются или даже противопоказаны, поэтому в последние годы наблюдается явственный сдвиг интересов механохимиков, особенно российских, в эту область.
Биогенное растительное сырье широко распространено и обладает огромным промышленным потенциалом. В Программе США «Зеленая химия» и в Программе Российской Федерации Технологической платформы «БиоТех 2030» на государственном уровне ставятся примерно одинаковые задачи - довести к 2025-2030 годам долю биовозобновляемого сырья в химической промышленности до 25%. Поэтому изучение процессов, происходящих при механической обработке растительного сырья, является приоритетной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и с точки зрения рационального использования природных ресурсов в химической технологии.
Таким образом, тема исследования - механохимические реакции фенольных соединений растительного происхождения и их технологическое применение - является, несомненно, актуальной.
Цель работы
Экспериментальное изучение химических реакций фенольных соединений растительного происхождения, протекающих при механохимической обработке структурированной многокомпонентной системы - растительного сырья (зеленого чая Camellia Sinensis L., травы зверобоя Hypericum perforatum L.), и выявление возможности использования твердофазных процессов, протекающих с участием матрицы растительного сырья и минорных компонентов, для получения препаратов фенольных соединений: катехинов и галлокатехинов чая и диантроновых соединений зверобоя в растворимой биологически доступной форме.
В работе поставлены следующие задачи:
исследовать реакции окислительной полимеризации фенольных соединений в составе растворов и твердых смесей, ответственные за деградацию свойств продуктов из растительного сырья, на примере катехинов зеленого чая и гиперицина травы зверобоя;
изучить кинетику экстракции катехинов и гиперицина из растительного сырья;
исследовать реакции окислительной полимеризации и нейтрализации кислотных фенольных групп катехинов и гиперицина при механохимической обработке в составе растительного сырья;
исследовать изменения структуры растительного сырья на макро- и микроуровне при механической обработке в различных условиях;
изучить влияние механохимической обработки на выход катехинов и гиперицина из растительного сырья при экстракции;
исследовать условия протекания реакция нейтрализации гиперицина в твердой фазе люминесцентно-спектроскопическим методом;
изучить влияние механохимической обработки в условиях хрупкого и пластического разрушения твердого растительного сырья на реакцию нейтрализации гиперицина в смеси порошков растительного сырья и щелочи;
определить эффективность применения твердофазной стадии и оптимальные условия ее осуществления в процессах получения катехин- и гиперицинсодержащих продуктов из растительного сырья;
разработать основные этапы технологии твердофазного механохимического получения катехин- и гиперицинсодержащих препаратов из растительного сырья для использования в пищевой промышленности.
Научная новизна:
экспериментально показана низкая скорость окислительной полимеризации катехинов зеленого чая и гиперицина травы зверобоя в составе твердой фазы растительного сырья по сравнению с реакцией в растворах; обосновано применение твердофазных механохимических технологий в переработке растительного сырья;
обнаружен пороговый характер зависимости скорости деградации антиоксидантных соединений в растительном сырье от интенсивности и времени механической обработки; определены условия обработки зеленого чая и травы зверобоя, в результате которой происходит образование порошкового продукта без деградации целевых соединений;
установлено, что механическая обработка зеленого чая приводит к пластической деформации целлюлозной матрицы растительного сырья;
обнаружено, что продукты механохимической активации зеленого чая с аскорбиновой кислотой обладают повышенным выходом катехинов в процессах водной экстракции; длительная механохимическая активация зеленого чая с аскорбиновой кислотой приводит к образованию механокомпозита с повышенной устойчивостью катехинов;
установлено, что в зависимости от интенсивности механической обработки трава зверобоя разрушается по разным механизмам; при интенсивности ~ 5 Вт/г протекает преимущественно хрупкое разрушение, при интенсивности ~ 1 Вт/г и менее разрушение протекает вязким образом, наблюдается пластическая деформация лигноцеллюлозной матрицы;
установлено, что пластическая деформация матрицы растительного сырья, обеспечивающая массоперенос, является обязательным условием для протекания твердофазной реакции нейтрализации гиперицина;
разработана методика определения степени протонирования гиперицина и суммы нафтодиантроновых соединений методом люминесцентно -спектроскопического анализа;
установлено, что для протекания реакции нейтрализации гиперицина необходимо содержание воды в растительном сырье от 4 до 12 % масс.
Практическая значимость работы
На основании проведенных исследований разработаны способы получения порошковых продуктов. Катехин-содержащие продукты характеризуются повышенным на 40 % выходом водорастворимых катехинов зеленого чая и увеличенным в 2 раза сроком хранения. Гиперицин-содержащие продукты характеризуются повышенным в 12 раз содержанием растворимого гиперицина. Продукты можно использовать в качестве пищевой добавки в медицине и животноводстве как препараты обладающие ангиоксидантным действием. Композиция на основе зверобоя, включающая гиперицин, и способ ее получения защищены патентом РФ (№ RU 2436586), показана возможность распространения твердофазного механохимического подхода на другие виды растительного сырья.
На защиту выносятся:
-
-
Экспериментальное обнаружение пониженных скоростей окисления и деградации полифенольных антиоксидантных веществ - катехинов и гиперицина - в порошковом растительном сырье по сравнению с реакциями в жидкой фазе;
-
Выявление стабилизирующей роли целлюлозы при механической обработке растительного сырья, заключающейся в увеличении устойчивости антиоксидантов к механическому воздействию;
-
Выявление порогового характера зависимости скорости деградации антиоксидантов в присутствии целлюлозы растительного сырья от интенсивности и времени механической обработки;
-
Определение условий получения высокорастворимых солевых форм гиперицина в твердой фазе при взаимодействии твердой дисперсии растительного сырья и щелочи в зависимости от интенсивности и температуры проведения механической обработки;
-
Экспериментальное подтверждение необходимости проведения механической обработки растительного сырья в условиях пластического разрушения для обеспечения протекания химической реакции в ходе механической обработки;
-
Научно обоснованные условия механохимического получения катехин- и гиперицинсодержащих продуктов при совместной обработке растительного сырья и щелочи и использование механохимической технологии в пищевой промышленности.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались, обсуждались и отмечались дипломами на научных семинарах ИХТТМ СО РАН, а также на различных всероссийских и международных форумах, таких как:
IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008), Third International Conference on Chemical Investigation and Utilization of Natural Resources (Ulaanbaator, Mongolia 2008), XLVII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, Россия, 2009), III International Conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies FBMT 2009 (Novosibirsk, Russia, 2009), IV Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», (Барнаул, 2009), 2nd Annual Russian-Korean Conference "Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology" (Novosibirsk, Russia, 2010), VI Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ» (Санкт Петербург, 2010), VII International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying INCOME 2011 (Herceg Novi, Montenegro, 2011), Thirteenth Annual Conference YUCOMAT 2011 (Herceg Novi, Montenegro, 2011), 6th International Conference on Polyphenols applications (Paris, France, 2012), IV Всероссийская конференция по химической технологии ХТ'12 (Москва, 2012), V Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012), Всероссийская межвузовская научно-практичская конференция «Студент и научно-технический прогресс: технологии и сервис» (Новосибирск, 2012), VI Международная научно-практическая конференция «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс» (Екатеринбург, Россия, 2012), 14th International Symposium «Materials, Methods and Technologies» (Sunny Beach, Bulgaria, 2012).
Личный вклад соискателя. Соискатель лично принимал участие в проведении анализа научно-технической литературы, планировании экспериментов, постановке новых и адаптации известных методов анализа применительно к изучаемым объектам, приготовлении и исследовании образцов, изготовлении укрупнённой партии образцов для биологических и внедренческих испытаний, обработке и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ: 10 статей, 13 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, 2 главы в монографиях, 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материал изложен на 147 страницах, включает 51 рисунок, 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 157 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Фенольные соединения в твердом растительном сырье, особенности конкретных объектов исследования
Современная биоорганическая химия - это прежде всего химия белков. Углеводы, жиры остаются объектом пристального внимания пищевой химии. Полифенолы практически не усваиваются организмами животных и человека и потому внимание современных быстроразвивающихся областей химии привлекают значительно меньше. Однако важность полифенолов в функционировании биосферы и промышленной деятельности человека несомненна.
Основным источником фенольных соединений является лигнин растений, преобразующийся в ходе геологических процессов в нефть, либо в ряд каустобиолитов «торф — бурый уголь — антрацит», то есть в основные виды сырья для энергетики. Частицы песка или глины проявляют свойства почв только после сорбции на них гуминовых веществ, формирующихся из лигнина остатков растений. Однако огромные запасы лигнина, накопленные бумажной промышленностью, не используются и остаются головной болью экологов.
Современная актуальность исследования фенольных соединений растительного происхождения связана с их антиоксидантной активностью и необходимостью эффективной профилактики и регулирования так называемого окислительного стресса (в медицинской литературе также встречаются термины оксидативный, оксидантный стресс). Окислительный стресс определяется как «нарушение баланса между окислителями и антиоксидантами в пользу первых в клетках организма» [38] и является одним из основных индукторов гибели клетки [39,40]. Однако не всегда окислительный стресс негативен, иногда он является защитным механизмом и направлен на разрушение чужеродных микроорганизмов [41]. В таких случаях окислительный стресс называют платой организма за чистоту своей внутренней среды.
Окислительный стресс играет существенную роль в развитии большого количества патологических состояний, в частности, в неврологии [42], при цереброваскулярных заболеваниях [43], при невынашивании беременности [44]. В последнее время свободные радикалы и реакции с их участием считаются причиной раковых заболеваний, артрита, эмфиземы, атеросклероза, астмы, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, катаракты [45]. Весьма активно исследуется и обсуждается окислительный стресс в геронтологии и гериатрии при изучении проблем старения, продления человеческой жизни [32].
Основной метод борьбы с окислительным стрессом - применение антиоксидантов [41,43,46,47].
С точки зрения химии, антиоксиданты - это понятие, относящееся к цепным реакциям, а именно, к обрыву цепей. Обрыв цепей может происходить также в результате взаимодействия свободных радикалов, ведущих цепь, с молекулами некоторых валентно-насыщенных соединений. Такие соединения называются ингибиторами цепных реакций. В частном случае, когда эти вещества тормозят процессы цепного окисления, они называются антиоксидантами (антиокислителями) [48]. Из данного определения следует, что антиоксидантами считаются только те вещества, которые прямо вступают во взаимодействие со свободными радикалами.
Следует заметить, что в медицинской литературе термин «антиоксидант» может трактоваться несколько по-другому [49]. В частности, это связано с тем, что в медицинской литературе принято причислять к антиоксидантам, действующим в биологических объектах, и так называемые антиоксиданты косвенного действия, не участвующим непосредственно в реакциях, но активизирующим внутреннюю систему защиты организма.
Анализ литературных источников свидетельствует о большой сложности проблематики, связанной с окислительным стрессом и антиоксидантами и указывает на необходимость четкого определения типа исследуемых веществ. В нашей работе мы исследовали антиоксиданты прямого действия.
Среди большого числа антиоксидантов особое место занимают витамин Р (полифенолы, флавоноиды), зеленый чай. Структура флавоноидов, их метаболизм в организмах млекопитающих, а также антиоксидантное действие рассмотрены в монографии [49]. Флавоноиды представляют собой самую многочисленную группу природных полифенольных соединений, структурными элементами которых служат два ароматических кольца, соединенные трехуглеродным мостиком, образующим пирановый или пироновый (при наличии двойных связей) цикл, т.е. соединения ряда Сб -Сз - Сб. В структуре флавоноидов имеется подвижное ароматическое кольцо, наличие ОН-групп в котором во многом определяет антиоксидантные свойства соединений [49].
Существуют разные классификации, в которых различают от 8 до 12 типов флавоноидов [50]. Согласно одной из классификаций, флавоноиды делятся на классы: флавонолы, флавоны, флаваноны, катехины, антоцианидины, лейкоантоцианидины, дигидрофлавонолы, халконы, ауроны, изофлавоны [51].
Среди флавоноидов особо следует отметить катехины, особенно галлокатехины чая, обладающие весьма высокой антиоксидантной активностью [50,52]. По всему миру распространено пищевое использование зелёного чая. В современной литературе подчеркиваются несомненное положительное воздействие чая на людей и его абсолютная безопасность [53].
В траве зверобоя продырявленного содержится широкий ряд нафтодиантроновых соединений, таких как гиперицин, протогиперицин, псевдогиперицин, протопсевдогиперицин [54], также относящихся к конденсированным полифенолам, но имеющим более тяжелое диантраценовое ядро. Традиционно, водные и водноспиртовые экстракты зверобоя применялись как антисептики местного действия, закрепляющие и общеукрепляющие препараты. Однако исследования последних лет показали, что гиперицин и его производные, полученные из экстрактов травы зверобоя, проявляют различные типы активности: антиоксидантную [55], антистрессовую и антидепресантную [56], антибиотическую [57], антивирусную и антиретровирусную [58].
Многочисленные доказательства высокой биологической активности антиоксидантов стимулировали их использование не только в медицинской промышленности, но и в пищевой промышленности, в функциональном питании, в сельском хозяйстве - в ветеринарии, животноводстве, птицеводстве и растениеводстве.
Недостатками традиционных технологий получения нафтодиантроновых соединений являются использование токсичных и пожароопасных органических растворителей, низкая степень извлечения, многократное повторение процедуры экстракции, и, как следствие, повышение производственных затрат и загрязнение окружающей среды. Нафтодиантроновые соединения легко окисляются в ходе выделения.
Анализ состояния и перспектив использования фенольных антиоксидантных препаратов из растительного сырья показывает следующее:
- проблема окислительного стресса в настоящее время находится на переднем крае современной науки, на стыке химии, биологии и медицины, и широко и активно изучается;
- основным способом борьбы с окислительным стрессом является применение антиоксидантов. Коррекция окислительного стресса с помощью антиоксидантов затрагивает такие важные сферы жизни людей и общества, как лечение и профилактика огромного количества заболеваний, а также проблемы геронтологии и гериатрии;
- окислительный стресс и его коррекция с помощью антиоксидантов - явления чрезвычайно сложные и не вполне удовлетворительно изученные. Как правило, в современной медицине применяются синтетические антиоксиданты, методы их промышленного синтеза сложны и трудоемки;
- представляется наиболее рациональным использовать те антиоксиданты и препараты, которые проверены и испытаны практикой, чья безвредность и полезность надёжно доказаны -препараты на основе пищевых и лекарственных растений;
- получение препаратов из растительного сырья с помощью методов механохимии существенно проще, чем синтез антиоксидантов;
- активно развивающимся перспективным направлением является использование антиоксидантов в ветеринарии, животноводстве, птицеводстве и растениеводстве.
Реакторы для проведения механохимической активации
Механохимические реакции происходят под действием механических нагрузок, ведущих к деформации твердого тела. Любой вид деформации можно описать двумя составляющими: давление-растяжение и сдвиг [18]. Однако это описание подходит только при работе с однородными телами. При переходе к механической обработке ансамблей частиц в мельнице необходимо учитывать, что мы имеем дело с достаточно широким распределением частиц по размерам и скоростям, а размер мелющего тела значительно больше частиц, на которые оно воздействует. Удар производится по слою из многих частиц. Поэтому строгое описание механического воздействия на слой из порошка к настоящему времени не существует. Можно говорить только о преобладании одного вида воздействия над другими.
Различают несколько видов измельчения [35]: свободный удар, стесненный удар, раздавливание и истирание. Каждый из них имеет свои особенности и может быть эффективно использован для определенного вида сырья и типов реакций. Так, для хрупких материалов, как правило, более эффективны раздавливающие и ударные воздействия, для мягких - истирание.
Стесненный (а) и свободный (б) удар являются сложной комбинацией сжатия и сдвига, процесс нагрузки происходит очень быстро, что приводит к результатам, отличным от более статичных истирания и сжатия. Измельчение ударом происходит в роторных, молотковых, струйных мельницах, дезинтеграторах и, частично, в барабанных мельницах.
При раздавливании (в) под действием статической нагрузки определяющими являются напряжения сжатия. В чистом виде раздавливание реализуется в щековых дробилках, в других измельчителях оно сопровождается истиранием.
При истирании (г) разрушение происходит в основном за счет напряжения сдвига. Истирание, как следствие трения, невозможно без раздавливания, поэтому истирание и раздавливание обычно реализуются совместно. Для этого используют валковые мельницы, бегунки, конусные дробилки.
Для механохимических реакций важно, чтобы в зоне воздействия рядом находились по крайней мере две разнородные частицы. Поэтому основные механохимические технологии осуществляются преимущественно в мельницах — реакторах со стесненным ударом. Ниже будут рассмотрены только использованные на разных стадиях работы мельницы-реакторы.
Аттриторы первоначально использовались для измельчения серы, применяемой в технологии вулканизации резины. Это вид мельницы активно применяется в химической и фармацевтической индустрии для получения высокодисперсных порошков. Конструкция одного из типов аттриторов представлена на рисунке ниже. Шары находятся в непрерывном движении при вращении крестообразной мешалки. Производительность растет с повышением числа оборотов [134]. Бисерными называются мельницы, в которых размер мелющих тел не превышает нескольких миллиметров. Эти мельницы имеют не такую высокую производительность, как вибрационные, однако могут обрабатывать даже очень твердые или вязкие материалы.
Сравнительно новыми и перспективными интенсивными измельчительными аппаратами являются планетарные центробежные активаторы и дифференциальные мельницы, которые отличаются от других измельчителей траекторией движения мелющих тел, удельной силой воздействия на измельчаемые частицы и скоростью движения загруженного материала в барабане. Измельчение реализуется за счет центробежной силы, силы Кориолиса и силы тяжести. Такие мельницы позволяют создавать эффективное ускорение мелющих тел от 10 до 100 g [135].
На планетарных мельницах проводится тонкое измельчение минералов, механическая активация неорганических и органических материалов, синтез композиций и катализаторов, они активно используются в научных исследованиях. Планетарные мельницы проточного действия в производстве широко не применяют в силу сложности конструкции. Привод движения от центральной оси к барабану реактора осуществляется с помощью цепной или ременной передачи. Наиболее интенсивная обработка с ускорением шаров до 100-150 g достигается в мельницах с фрикционным приводом.
Особенностью планетарных мельниц является изменение типа движения шаров и измельчения при увеличении скорости вращения.
Для растительного сырья в последнее время используются центробежные роликовые мельницы, в которых измельчение производится на контактах мелющих тел и внешней поверхности цилиндрического корпуса. роликовой мельницы [35] Основные виды воздействия в таких мельницах - раздавливание и истирание. Одним из главных преимуществ такой мельницы является то, что мелющие тела, в отличие от всех других аппаратов движутся по строго определенным траекториям, что позволяет проводить достаточно простые теоретические расчеты для определения интенсивности воздействия и выбора условий проведения обработки. Ограничение распределение интенсивностей воздействия в этой мельнице за счет эксцентриситета движения роликов делает данный вид мельниц привлекательным для обработки органических систем, в том числе растительного сырья. Возможность регулирования температуры в зоне реакции за счет встроенного во внешний корпус теплообменника существенно расширяет производственные возможности.
Изменение структуры целлюлозосодержащей матрицы при механической обработке
Влияние механической обработки на морфологию частиц измельченного до 500 мкм растительного сырья изучался методом электронной микроскопии. Исходное сырье состоит из 3 основных видов частиц, представленных на рис. Наблюдаемые частицы (Рисунок 37) относятся к разным тканям растения: а) структурная часть стебля, б) устьица, в) вместилища.
Пояснения в тексте После механической обработки частицы становятся меньше, но морфология частиц сохраняется. Пример микроскопических фотографий представлен на Рисунке 38, представлены частицы со значительно меньшим размером, чем на Рисунке 37, однако сохранившие исходные морфологические признаки: а) структурная часть стебля, б) устьица, в) вместилища.
Пояснения в тексте Это свидетельствует о том, что разрушение тканей происходит «самоподобным» образом, что является характерным признаком хрупкого разрушения. Вид поверхности частиц существенно не изменяется.
При механической обработке может происходить разупорядочение на уровне микрофибрилл и более низких уровнях организации. Как и в случае с зеленым чаем, степень кристалличности целлюлозных фрагментов, входящих в микрофибриллы тканей травы зверобоя, исследовалась методом Сегала [139]. Устойчивость кристаллической структуры целлюлозосодержащей матрицы при механической обработке с интенсивностью 5 Вт/г в течение 500 секунд изучена методом рентгенофазового анализа. Пример рентгенограммы, полученной при обработке в течение 100 с, представлен на Рисунке 39. Вид дифрактограммы соответствует известной для кристаллической целлюлозы в матрице растительного сырья.
Для исходного растительного сырья индекс кристалличности составляет 52 %, для растительного сырья, обработанного в течение 100 секунд - 47 %, при обработке 500 секунд индекс кристалличности составляет 46%, что незначительно превышает ошибку метода. Видно, что существенного разупорядочения кристаллической структуры целлюлозы не происходит.
С учетом совокупности полученных данных, можно утверждать, что при высокоинтенсивной механической обработке измельчение частиц происходит самоподобным образом, вид поверхности частиц не изменяется, индекс кристалличности целлюлозной компоненты существенно не изменяется, следовательно, имеет место преимущественно хрупкое разрушение ткани растительного сырья.
Электронно-микроскопические фотографии продукта механической обработки при температуре кипения жидкого азота представлены на Рисунке 41. Видно, что частицы сохраняют морфологические признаки исходного растительного сырья: а) структурная часть стебля, б) устьица. При этом их размер значительно меньше, чем размер частиц, полученных при высокоинтенсивной обработке.
При повышении температуры до 10 или 98 С продукты механохимической обработки уже являются агломератами без исходных морфологических признаков, вид поверхности частиц кардинально меняется. Наблюдается разупорядочение матрицы растительного сырья на клеточном уровне (Рисунок 42).
Продукты механической обработки с низкой интенсивностью изучались методом рентгеновской дифракции, рассчитывался индекс кристалличности. Данные представлены на Рисунке 43.
Видно, что при обработке при температуре кипения жидкого азота не происходит значительного изменения индекса кристалличности. По-видимому, в данном случае протекает преимущественно хрупкое разрушение, как и в случае высокоинтенсивной обработки.
При повышении температуры наблюдается значительное падение индекса кристалличности. Это свидетельствует о том, что разупорядочение происходит не только на уровне тканей растения, но и молекулярной кристаллической структуры целлюлозной компоненты клеточных стенок.
Таким образом, микроскопическое и рентгено-фазовые исследования показывают, что химического превращения компонентов растительного сырья следует ожидать в режимах при температуре 10 - 98 С при низких интенсивностях механической обработки в режиме вязкого разрушения.
Реакция нейтрализации гиперицина при взаимодействии с твердыми щелочами является основой получения хорошо растворимой солевой формы этого вещества. Экспериментальное исследование превращения гиперицина непосредственно при обработке смеси порошков проведено с использованием специальной модификации люминесцентно- спектроскопического метода.
Эффективность применения твердофазной стадии в процессах вьщеления гиперицина
Эффективность применения стадии механохимического взаимодействия в процессах выделения гиперицина исследовалась на системах, различающихся способом введения щелочи. Щелочь вводилась в систему в виде твердой соли, либо в виде раствора. Химический состав исследованных систем, оставался одинаковым во всех случаях.
Данные анализа экстрактов методом ВЭЖХ представлены на Рисунке 49.
На данном рисунке представлены выходы экстракции при использовании следующих видов обработки:
1. Исходное растительное сырье, экстракция водой;
2. Исходное растительное сырье, экстракция щелочью;
3. Исходное растительное сырье, выдерживание со щелочью, экстракция водой;
4. Растительное сырье, механически обработанное без добавок, экстракция водой;
5. Растительное сырье, механически обработанное без добавок, экстракция щелочью;
6. Растительное сырье, механически обработанное без добавок, выдерживание со щелочью, экстракция водой;
7. Растительное сырье, механически активированное со щелочью, экстракция водой.
Стоит напомнить, что выход гиперицина определяется как масса гиперицина, экстрагированная в точке квазиравновесия, приведенная к массе исходной навески растительного сырья. При сравнении образцов исходного растительного сырья и механически обработанного (1-4, 2-5, 3-6) видно, что механическая активация без добавок влияет на выход слабее, чем изменение условий последующей экстракции. Изменение выхода в результате изменения размера частиц незначительно.
Сравнительно высокий выход гиперицина обеспечили образцы, выдержанные со щелочью и экстрагированные водой. По-видимому, выдержка в растворе щелочи повышает эффективность двух первых стадий процесса - диффузии щелочи в растительную ткань и реакции нейтрализации. Однако, как было показано в предыдущих экспериментах, гиперицин неустойчив в щелочных растворах. Во время выдерживания растительного сырья со щелочью кроме кислотно - основной реакции нейтрализации протекает процесс деградации гиперицина.
При механической активации с твердой щелочью деградация гиперицина замедлена, как и реакция нейтрализации. Однако обеспечиваются необходимые условия для образования механокомпозита. При добавлении воды к порошку механокомпозита происходит быстрый процесс растворения реагентов и реакции нейтрализации с последующей диффузией из ткани. В результате выход экстракции из образца, механически активированного со щелочью, повышается в 6 раз по сравнению с экстракцией водой исходного растительного сырья.
Таким образом, можно заключить, что применение интенсивной механической обработки в условиях хрупкого разрушения обеспечивает увеличение выхода за счет образования активного механокомпозита в 6 раз по сравнению с процессами без механической обработки
Для определения физико-химических последствий механической активации в условиях низкоинтенсивной механической обработки в аттриторе образцы после механической обработки со щелочью экстрагировались водой. Данные анализа экстрактов методом ВЭЖХ представлены на Рисунке 50.
На Рисунке 50 представлены следующие варианты проведения низкоинтенсивной механической обработки и образцы сравнения:
1. Трава зверобоя исходная, экстракция водой;
2. Трава зверобоя после высокоинтенсивной обработки (АГО-2, 20 g) со щелочью;
3. Трава зверобоя, механически активированная со щелочью в аттриторе при - 196 С;
4. Трава зверобоя, механически активированная со щелочью в аттриторе при 10 С;
5. Трава зверобоя, механически активированная со щелочью в аттриторе при 98 С;
6. Трава зверобоя с содержанием влаги 0,5% масс, механически активированная со щелочью в аттриторе при 10 С;
7. Трава зверобоя исходная, экстракция 80 % этанолом.
Как было показано в предыдущих разделах, образцы, обработанные в АГО - 2 и аттриторе при - 196 С, разрушались хрупким образом. Уменьшение размера частиц по сравнению с другими образцами привело к заметному увеличению выхода экстракции. По-видимому, облегчение диффузии в образцах с малыми по размеру частицами является важным, но не единственным фактором, влияющим на выход гиперицина.
Образец, обработанный при 10 С, показал наибольший выход. Одновременное образование солевой формы гиперицина, облегчение диффузии за счет разупорядочения структуры и уменьшение диффузионных путей за счет уменьшения размера частиц привели к оптимальному результату.
Уменьшение выхода экстракции из образца, обработанного при 98 С, связано со значительным увеличением размера частиц и увеличением диффузионных путей. Интересно отметить, что образец, обработанный при 10 С в отсутствии влаги, характеризуется значительно меньшим выходом, чем образец, который содержал воду. Образцы отличаются тем, что при малом содержании влаги, несмотря на пластический характер деформации, реакция нейтрализации гиперицина не протекает. При растворении в раствор выходит не легко растворимая соль гиперицина, а нейтральная форма. Концентрация гиперицина в зоне растворения понижается, градиента концентраций уменьшается, квазиравновесная концентрация гиперицина в экстракте в итоге уменьшается.
Результаты для образца, экстрагированного смесью вода : этанол 20 : 80, представлены для демонстрации того факта, что водная экстракция продукта механохимической обработки в высокоинтенсивных условиях не уступает спиртовой экстракции сырья, а водная экстракция продукта низкоинтенсивной обработки в оптимальных условиях превосходит водно-спиртовую экстракцию почти в 2 раза.
Таким образом, показано, что с помощью механохимической активации со щелочью в оптимальном режиме возможно увеличить выход гиперицина из растительного сырья в 10,5 раз по сравнению с процессами без механохимической обработки и повысить степень извлечения гиперицина до 57 % от теоретического.
Похожие диссертации на Механохимические реакции фенольных соединений растительного происхождения и их технологическое применение
-
