автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему: Обоснование ферментативных методов регулируемого расщепления углеводных примесей и делигнификации льняной ровницы
Автореферат диссертации по теме "Обоснование ферментативных методов регулируемого расщепления углеводных примесей и делигнификации льняной ровницы"
На правах рукописи
Лепилова Ольга Владимировна
ОБОСНОВАНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ МЕТОДОВ РЕГУЛИРУЕМОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ УГЛЕВОДНЫХ ПРИМЕСЕЙ И ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ЛЬНЯНОЙ РОВНИЦЫ
05,19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Институте химии растворов Российской академии наук (г Иваново) в лаборатории «Химия растворов текстильных вспомогательных веществ»
доктор технических наук, старший научный сотрудник Кокшаров Сергей Александрович
доктор технических наук, профессор Кричевский Герман Бвсеевич,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Стокозенко Валерия Германовна
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»
Защита состоится <<17» декабря 2007 г в_часов на заседании диссертационного совета Д 212 063 03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу 153460, г Иваново, пр Фр Энгельса, 7
С диссертацией Можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»
Автореферат разослан «_16_» ноября 2007 г
Ученый секретарь диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время на мировом рынке неуклонно возрастает интерес потребителей к использованию текстильных изделий из натуральных волокон, в том числе изо льна Однако большое содержание примесей в льняном сырье осложняет его переработку в текстильном производстве В процессах облагораживания льняных материалов традиционно используются химические методы расщепления примесей под действием растворов кислот, щелочей и окислителей, в том числе хлорсодержащих соединений, применение которых ограничивается международными экологическими стандартами Основным недостатком использования химических катализаторов является глубокая деструкция полимеров, в том числе и волокнообразующих макромолекул целлюлозы
С учетом возросших экологических требований к производственным процессам и качеству выпускаемой продукции весьма актуально создание альтернативных методов переработки и облагораживания льняных текстильных материалов Эффективным решением данной проблемы является использование при подготовке льняных волокнистых материалов ферментных препаратов, высокоселективное действие которых может быть направлено на деструкцию массивных образований клеящих веществ в структуре комплексного волокна без повреждения тонких срединных пластинок между элементарными волокнами, а также волокнообразующего полимера
Наиболее сложной в плане практической реализации задачей является осуществление биокатализируемого расщепления лигнина, значительное содержание которого в отечественном льняном сырье затрудняет дробление льняных комплексов, обусловливает жесткость и низкие деформационные свойства текстильных полуфабрикатов Известные полиферментные системы обеспечивающие каталитическое расщепление полимерного лигнина, имеют сложный состав и в настоящее время промышленно не выпускаются
Настоящая работа направлена на формирование нового подхода к использованию ферментативного катализа для интенсификации процессов делигнификации льняных материалов за счет целенаправленного расщепления полисахаридных спутников целлюлозы и генерации эффективно действующих редуцирующих агентов, обеспечивающих протекание редокс-превращений в макромолекулах лигнина, частичную его деполимеризацию и ускорение окислительной деструкции при последующей перок-сидной обработке
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИХР РАН на 2003-2005 г г и
2006-2008 г г, поддержана грантом РФФИ № 06 08 00600 и включена в план мероприятий по выполнению проекта в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
2007-2012 г г (гос контракт №02 513 11 3229)
Цель работы состояла в повышении прядильной способности льняного волокна из отечественного высоколигнифицированного сырья за счет эффективной его делигнификации, инициируемой редокс-превращениями под действием продуктов ферментативного расщепления полиуглеводных примесей
Для достижения поставленной цели выполнены следующие этапы работы
- изучены закономерности проявления восстановительных свойств моносахаридов и продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна,
- выявлены механизмы протекания редокс-превращений лигнина под действием восстанавливающих моносахаридов,
- обоснован состав полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия и разработана технология биохимической подготовки ровницы из высоко-лигнифицированных сортов льняного сырья
Общая характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования в работе использованы суровая льняная ровница и льняная чесаная лента из импортных и отечественных сортов лубоволокнистого сырья, промышленные (ОАО «Сиббиофарм» (г Новосибирск) и экспериментальные ферментные препараты, полученные в ИХР РАН совместно со специалистами каф микробиологии ИГМА с использованием бактериальных штаммов из коллекции ГосНИИГенетики, нейтральные моносахариды фирмы ISN Экспериментальные исследования проводили с применением современных методов физико-химического анализа спектроскопии, вискозиметрии, микроскопии, потенциометрии, объемных и весовых методов аналитической химии, биохимических методов оценки активности ферментов Качественные показатели текстильных материалов определялись в соответствии с методиками, предусмотренными государственными стандартами
Научная новизна. Впервые выявлены закономерности проявления восстановительных свойств продуктов ферментативного разрушения полиуглеводных примесей льняного волокна и их участия в редокс-превращениях лигнина для инициирования процессов делигнификации
Основные научные результаты работы
- впервые установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявление восстановительных свойств их растворами, конкретизированы полимерные объекты в структуре льняного волокна и методы их ферментативного расщепления для генерации редуцирующих агентов, проявляющих высокую реакционную способность во взаимодействиях с модельными соединениями и лигнином,
- экспериментально подтверждено протекание восстановления карбонильных группировок в макромолекулах лигнина под действием редуцирующих Сахаров и разрыва прилегающих эфирных связей между фенилпропановыми единицами с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме, что ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке,
- выявлены закономерности изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки льняной пряжи при избирательной деструкции полимерных примесей и определены оптимальные уровни их удаления в процессах подготовки ровницы к прядению,
- получены корреляционные уравнения доя оценки эффективности деструкции полиуро-нидных соединений по показателям активности индивидуалышх ферментов в применяемых пектолитических препаратах в зависимости от степени метоксшшрования субстрата, которые позволяют оптимизировать состав препарата для эффективного разрушения высо-кометоксилированных пектиновых веществ в отечественных сортах льняного сырья,
- в лабораторных и производственных условиях оценена технологическая эффективность использования двух разновидностей полиферментных композиций на пектиназной и пектинлиазной основе с добавками протеаз и гемицеллюлаз экзогенного действия для пространственно локализованного расщепления крупных образований связующих веществ в техническом льняном волокне и для генерации редуцирующих агентов, подтверждено комплексное улучшение геометрических, прочностных и деформационных свойств пряжи
Практическая значимость. Научно обоснованные технологические требования к процессам биокатализируемого разрушения клеящего вещества в структуре комплексного льняного волокна, способствующего деполимеризации и обесцвечиванию лигнина, воплощены при создании экспериментальных образцов полиферменгных препаратов мацераци-онно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ Разработан новый технологический режим ферментативно-пероксидной подготовки ровницы, предусматри-
вающий оптимизацию рецетуры раствора ферментных препаратов и введение дополнительной стадии термоакгивации редуцирующих агентов и деполимеризации лигнина Новые препараты и режим биохимической подготовки ровницы прошли успешные испытания на ОАО «Вологодский текстиль», в ходе которых подтверждено повышение прядильной способности волокна из отечественных высоколигаифицированных сортов льняного сырья и комплексное повышение технологических свойств получаемой пряжи Несмотря на лучшую совокупность свойств пряжи при использовании препарата Полифан МЛГ, в настоящее время при отсутствии производства пекголигических ферментов с необходимым содержанием пек-тинэстеразы для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы целесообразно рекомендовать технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, выпускаемых ОАО «Сиббиофарм» (г Новосибирск) Окупаемость расходов на ферментный препарат при подготовке льняной ровницы по биохимической технологии с применением Полифана МДЛ обеспечивается за счет уменьшения непроизводительных потерь волокна на 21,6 %, увеличения выхода биомодифицированной пряжи, улучшения ее технологических характеристик и перерабатываемосш в процессах перемотки и ткачества Экономический эффект при замене химической технологии составил 6,6 тыс руб на 1 тонну перерабатываемого волокна в ценах 2006 г Автор защищает:
-новый подход к использованию ферментативного катализа для интенсификации процессов делигнифихации лубоволокнисгого сырья и комплексного пространственно локализованного разрушения примесей в крупных образованиях связующих веществ технического льняного волокна для предупреждения его элементаризации, повышения прядильной способности и комплексного улучшения технологических свойств формируемой пряжи,
-установленные закономерности проявления редуцирующей способности моносахаридов, и методы активации продуктов ферментативной деструкции полиуглеводных примесей волокна для обеспечения их взаимодействия с полимерным лигнином,
-экспериментальное подтверждение механизма химических превращений в макромолекулах лигнина под действием редуцирующих агентов, генерируемых при селективной деструкции полиуглеводных примесей льняного волокна,
-выявленные зависимости для оценки эффективности деструкции пектиновых примесей в отечественных и импортных сортах льняного сырья пектолигаческими препаратами и оптимизации состава ферментов с учетом степени метоксилирования полиуронидов,
-новые специализированные полиферментные препараты мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ и усовершенствованный режим ферментативно-пероксидной подготовки ровницы из отечественного вы-соколигнифицированного льняного сырья
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих научных мероприятиях
- научно-практическая конференция «Конъюнктура рынка текстиля и пути создания конкурентоспособной продукции», Москва, МГТУ, 2005,
- Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Иваново, ИГТА, 2005-2007, «Достижения текстильной химии - в производство», Иваново, ИХР РАН 2004, «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах», Иваново, ИХР РАН, 2007;
- конференция РФФИ «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий», Владимир, 2005,
- Международная конференция «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля волокна, 1фасигели, ТВВ, оборудование», Москва, РСХТК, 2006,
- Международная конференции по химической технологии, Москва, 2007,
- III Всероссийская научная конференция «Физико-химия процессов переработки полимеров», Иваново, ИГХТУ, 2006,
- Всероссийская конференция молодых учёных и II школа по проблеме «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты», Москва, ИБФ РАН, 2006,
- Межвузовские научно-технические конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности», Иваново, ИГТА, 2004-2007, 10-я Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущино, 2006,
- конференции молодых ученых ИХР РАН «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», 2006,2007,
- выставки научных достижений Ивановской области «Ивановский инновациионный салон», 2005, 2006,
- научно-технические семинары научного направления «Химия текстильных материалов» ИХР РАН, Иваново, 2006, 2007
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, 17 тезисов докладов Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, литературно-аналитический обзор, методическую часть, экспериментальную часть с обсуждением результатов, выводы, список литературы (154 наименования) и 4 приложения Основная часть диссертационной работы изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 28 таблиц
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы
1. Литературно-аналитический обзор содержит 2 главы В первой главе рассмотрены современные научные представления о влиянии полиуглеводных примесей льняного волокна на его переработку в текстильном производстве Приведены обобщенные сведения об особенностях химического строения лигнина и его реакционной способности Во второй главе рассмотрены достоинства и недостатки облагораживании льняной ровницы при использовании химических реагентов Описаны теоретические основы использования ферментов Выявлены особенности подбора полиферментной композиции для переработки отечественного высоколигнифицированного льняного сырья и условия проведения биохимической подготовки льняной ровницы
2. Методическая часть содержит характеристику объектов исследования, методы проведения эксперимента
3. Экспериментальная часть включает 3 главы
3.1. Изучение восстановительных свойств моносахаридов и продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна
3 1 1 Выявление редуцирующей способности моносахаридов по показателю
окислительно-восстановительного потенциала Проведен сравнительный анализ редуцирующей способности восстанавливающих моносахаридов, образующихся в результате биодеструкции полиуглеводных примесей льняного волокна, при варьировании их концентрации в растворе, температуры и рН среды Установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявление редуцирующей способности их растворов При низких температурах ОВП системы определяется равновесным содержанием свободной альдегидной формы
молекул Резкое возрастание редуцирующей способности систем зафиксировано при нагревании растворов и повышении щелочности среды, что обусловлено протеканием термоинициируемых превращений моносахаридов Показано, что наиболее высокими восстановительными свойствами обладают альдопентозы, входящие в состав гемицел-люлозных соединений и боковые ответвления полиуронидов льняного волокна, деме-токсилированные продукты деструкции пектина, а также продукты ферментативного гидролиза крахмала, инвертируемые в p-конформацию Редуцирующие свойства моносахаридов нарастают в ряду a-глюкоза --» р-глюкоза ->■ манноза -»■ арабиноза ме-тилгалактуронат -> галактоза -> галактуроновая кислота —» ксилоза
3 12 Оценка реакционной способности моносахаридов во взаимодействиях с модельными реагентами Обоснован выбор молекулярного кислорода и кубового красителя в качестве модельных окислителей для conocíавления восстановительных свойств растворов анализируемых моносахаридов Оценка эффективности взаимодействия Сахаров с поглощенным атмосферным кислородом проведена по результатам потенциометрических исследований в аэробных и анаэробных (атмосфера азота) условиях. Установлено, что при проведении измерений без доступа воздуха величина ОВП дополнительно снижается на 20 - 25 % благодаря предупреждению окислительных превращений альдегидной формы Сахаров до альдоновых и гликаровых кислот, иллюстрируемых схемой
форма альдегидная форма СН2ОН
HoVh OHqh H¿HO Н Он ноно н он " ноно н он он
o-D- глюкоза альдо-D- глюкоза глюкановая кислота гликаровая кислота
Установлено, что в анаэробных условиях уровень ОВП, развиваемый продуктами деструкции полисахаридных примесей, может достигать значения ниже минус 800 мВ
Спектрофотометрическим методом исследована кинетика восстановления кубового красителя броминдиго растворами моносахаридов и сульфоксилатного восстановителя -ронгалита Переход красителя из исходной формы в восстановленную контролировали по нарастанию концентрации натриевой соли лейкосоединения при X 393 нм Установлено, что исследуемые восстанавливающие реагенты с разной интенсивностью способствуют повышению концентрации лейкокислоты и расходованию исходной формы окисленного красителя Выявлено, что уровень оптической плотности спектрограмм при восстановлении красителя ксилозой сопоставим с результатами, полученными при использовании ронгалита Анализ представленных на рис 1 кинетических зависимостей восстановления красителя показал, что различия скорости превращений на стационарном участке кривой значительно превышают относительные отклонения достигаемого максимума оптической плотности лейкоформы красителя (D393) При переходе от глюкозы и манно-зы к галактуроновой кислоте и ксилозе процесс интенсифицируется в 11,7-13,5 раза, а развиваемая скорость превращений в растворе ксилозы сопоставима с динамикой процесса при воздействии ронгалита
Расчетные значения константы скорости реакции с участием всех исследуемых редуцирующих агентов коррелируют с уровнем окислительно-восстановительного потенциала применяемых растворов и описываются зависимостью
к = [0,019 (- ОВП) -11,649] 10"3, с"', R2 = 0,9884 (2)
Рис 1. Нарастание содержания натриевой соли лейкосоединения при воздействии на броминдиго (0,056 ммоль/л) редуцирующих систем (5,6 ммоль/л) при 80°С
5 - галактуроновая кислота,
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Лоо
Результаты анализа подтверждают способность моносахаридов проявлять свои редуцирующие свойства в окислительно-восстановительных взаимодействиях с модельными реагентами, сопоставимую при 80°С с действием ронгалита, что явилось предпосылкой для оценки возможности их использования с целью инициирования процессов восстановительной деструкции лигниновых примесей льняного волокна
Проведен анализ состояния лигниновой компоненты волокнистого материала, прошедшего обработку в растворах исследуемых моносахаридов При этом использовался комплекс физико-химических методов, позволяющих оценить содержание в волокне различных фракций полимера кислотонерастворимого (лигнин Класона), растворимого в диоксане (лигнина Бьёркмана), а также фенилпропановых единиц в свободной фенольной форме Совокупность полученных данных позволила проследить эффект деполимеризации лигнина и химизм его превращений, а также сопоставить редуцирующее действие моносахаридов по эффективности делигнификации волокнистого материала при последующей пероксидной обработке
Реакции сульфитирования лигнина основаны на протекании нуклеофильного замещения у Са-атома пропановой цепочки структурного звена, содержащего свободный фенольный гидроксил Фенилпропановые фрагменты, включающие связанный фенольный гидроксил, сульфитированию не подвергаются В связи с этим показатель лигнина Класона чувствительно реагирует на изменение степени полимеризации высокомолекулярного соединения поскольку
- деполимеризация, связанная с разрывом эфирных связей между фенилпропановыми единицами и сопровождающаяся увеличением содержания свободных фенольных фрагментов, повышает число реакционно-способных центров для взаимодействий с серной кислотой,
- гидратация появляющихся ионизированных сульфогрупп способна обеспечить перевод в раствор только относительно мелких коллоидных частиц с определенным уровнем гидрофильно-гидрофобного баланса во взаимодействии с растворителем
Анализ изменения содержания кислотонерастворимого лигнина ДЬК после различных вариантов обработки льняного волокна показал, что щелочная варка снижает его содержание на 12 %, обработка растворами ронгалита и дитионита натрия при 80°С соответственно на 62 и 68 % Воздействие растворов моносахаридов при 95°С
3.2. Исследование редокс-превращений лигнина под действием восстанавливающих моносахаридов
изменяет значение показателя ДЬК следующим образом (%). р-глюкоза - 18, манноза -22, метилгалаюуронат -31,5, галактоза -35,7, галактуроновая кислота -37, ксилоза - 40
Гидрирование карбонила в а-положении пропановых звеньев полимера сопровождается ослаблением его светопоглощающей способности и увеличением показателя светлоты волокна, меняющегося при обработке в растворе ксилозы с 53,6 % до 60,1 %
Рис. 2. Изменение дифференциального УФ-спектра щелочного лигнина (1) после обработки растворами галактозы (2), галакту-роновой кислоты (3), ксилозы (4)
240 250 260 2-70 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 На рис 2 представлены полученные методом дифференциальной УФ-спектоскопии результаты оценки состояния структурных звеньев полимера, находящихся в свободной фенольной форме и ионизирующейся в щелочных растворах диоксан-лигнина. Максимумы поглощения при длине волны 250, 300 и 350 нм соответствуют определённым формам ионизированных фенольных гидроксилов Наличие изобестиче-ской точки в серии спектральных кривых свидетельствует, что при этом происходит трансформация карбонилсодержащих группировок в форму и-кумарового (незамещенного) или кониферилового спиртов в зависимости от наличия или отсутствия заместителя в ^-положении бензольного кольца Дестабилизацию и разрыв эфирных связей, примыкающих к восстанавливаемому карбонилу, можно проиллюстрировать схемой
Суммарное нарастание пиков при 250 и 300 нм значительно превосходит снижение поглощения при 350 нм, что объяснимо с учетом СО-групп в ¡^-положении, претерпевающих и инициирующих изменения, аналогичные показанным на схеме (3) Общее количество фенилпропановых звеньев с карбонильной группировкой в структуре лигнина составляет примерно 20 %. Появление такого количества свободных фенольных фрагментов должно существенно инициировать процесс окислительной деструкции хромофорной структуры полимера под действием пероксида водорода I. , ь I.
Это подтверждается данными УФ-спектроскопии диоксановых экстрактов остаточного лигнина по максимуму поглощения при длине волны 280 нм после двустадийной обработки льняной ровницы раствором восстанавливающих Сахаров и щелочно-пероксидным составом Установлено, что лигнин ровницы, прошедшей подготовку по щелочно-пероксидному способу, окисляется лишь на 50 % Проведение предварительной восстановительной деструкции лигнина растворами моносахаридов способствует его последующему окислению на 62 - 71 %
Таким образом, результаты исследований позволили выявить и экспериментально обосновать закономерности химических превращений лигнина под действием редуцирующих Сахаров Подобно действию ронгалита и дитионита натрия обработка в растворах моносахаридов обеспечивает восстановление карбонильных группировок и инициируемый разрыв прилегающих эфирных связей между фенилпропановыми единицами макромолекулы с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме Гидрирование ауксохромных СО-групп ослабляет окраску льняного волокна, интенсифицирует сульфитирование полимера, повышая его растворимость в 72 %-ной серной кислоте, а также ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке Наибольшую активность во взаимодействии с лигнином проявляют ксилоза, галактуроновая кислота и галактоза
3.3. Обоснование состава полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия и разработка технологии биохимической подготовки ровницы из высоколнгнифицированных сортов льняного волокна
3 3 1 Оценка влияния примесного состава технического льняного волокна
на качество получаемой пряжи Проведено избирательное извлечение полиуронидных, гемицеллюлозных и лигниновых примесей льняного волокна и получены концентрационные зависимости изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки формируемой льняной пряжи В результате эксперимента выявлено, что при подготовке льняной ровницы к прядению ферментативная обработка должна обеспечивать, прежде всего, деструкцию пектиновых веществ, являющихся клеящей основой соединительных тканей в структуре лубяного пучка Содержание полиуронидов в волокне может быть снижено в 8-10 раз относительно их количества в суровой ровнице, что способствует повышению тонины пряжи, ее гибкости и прочности Однако при уменьшении массовой доли пектиновых соединений до 0,3 масс % возможно снижение прочностных показателей в результате недостаточной склеенности волокон в структуре высохшей пряжи Оптимальное остаточное содержание пектинов составляет 0,35 - 0,45 масс %
Повышение прядомых свойств волокна и качества получаемой пряжи обеспечивает снижение содержания кислотонерастворимого лигнина до 2,0-2,5 масс %. Причем под действием редуцирующих Сахаров, генерируемых при ферментативной деструкции полиуглеводных соединений в зоне инкрустирующих и межклеточных образований комплексного льняного волокна, возможно осуществление локализованной деструкции лигниновых примесей в зоне одревеснелых межклетников Неполное их разрушение приводит к появлению в пряже толстых неразработанных комплексов, снижающих равномерность геометрических, прочностных и деформационных характеристик полуфабриката При этом желательно, чтобы делигнификация межклетников осуществлялась без нарушения стыковых спаек элементарных волокон, обеспечивающих прочность их скрепления в продольном направлении, и без повреждения лигно-
углеводного комплекса клеточной стенкн, обеспечивающего аморфизацию и гибкость волокна Наличие подобного пространственно локализованного воздействия на лигнин логично предположить, учитывая склонность молекул моносахаридов к взаимодействиям с полимерами волокна и относительно низкую диффузионную подвижность Отсутствие деструкции лигнина в спайках между углами элементарных волокон и в их клеточной стенке обусловлено тем, что ферментативное расщепление примыкающих к ним полисахаридов и генерация редуцирующих агентов будут сдерживаться наличием стерических препятствий для проникновения крупных по размерам молекул белковых катализаторов в тонкие срединные пластинки и в межфибриллярные пространства волокна
Гемицеллюлозы могут быть подвергнуты только частичной деструкции, примерно на 3(М0 % от их исходного количества с сохранением остаточного содержания в подготовленном волокне на уровне 8-9 масс % Поскольку деструкция гемицеллюлоз неизбежна на стадии пероксидной обработки льняного волокна, предшествующий ей этап биомодификации должен осуществляться с максимальным сохранением разветвленных структур нейтральных полисахаридов При этом источником обладающих повышенной редуцирующей способностью альдопентоз и альдогексоз могут служить боковые ответвления макромолекул полиуронидных соединений, сформированные из остатков нейтральных Сахаров
Ориентировочные расчеты максимального содержания моносахаридов, получаемых при полной конверсии допустимого количества удаляемых полиуронидных соединений (3 масс %) и гемицеллюлоз (6 масс %), показали, что необходимая концентрация моносахаридов для обеспечения редокс-превращений лигнина достигается при переводе в мономерную форму 10 % продуктов мацерационного расщепления углеводных примесей волокна
3 3 2 Закономерности деструкции полиуронидных соединений льняного волокна пектолигическими ферментными препаратами В процессе биокатализируемого гидролиза пектиновых веществ принимают участие четыре разновидности пектолитических ферментов, пекгинэстераза (ПЭ), эндополигалак-туроназа (эндоПГ), экзополигалакпуроназа и экзополигалакгуронозидаза (экзоПГ) Для выяснения индивидуального и кооперативного вклада компонентов пектиназного комплекса проведена оценка степени деструкции пектиновых веществ льняного волокна при двухчасовой обработке растворами биопрепаратов с варьируемыми показателями активности ферментов эндоПГ 0,2 - 27,7 ед /мл, экзоПГ 0,07 - 0,5 ед /мл, ПЭ 0 03 - 0,8 ед /мл
В качестве объектов исследования использованы образцы перерабатываемых на ОАО «Вологодский текстиль» отечественных сортов бийского, костромского и тверского льняного волокна, а также голландского льна. Характерной особенностью отечественного льняного сырья является более высокая степень метоксилирования пектиновых веществ, которая в соответствии с вышеприведенным порядком перечисления сортов льноволокна составляет 54, 59, 62 и 38 % Это обстоятельство находит свое отражение в результатах ферментативной деструкции полиуронидных примесей При анализе совокупности экспериментальных данных степени удаления пектина (АЛ,, %) для каждого сорта волокна получены следующие корреляционные уравнения
- бийский лен щ = 0,92+19.08ЯЭ+\,67эндоПГ+ 0,91экзоДГ+ 5,24!" 3"д°ПГ экзоЩ г = 0,906 (5-)
1 1эндоПГ+ экзоПГ> к '>
- костромской лен ш =091+2тпэ+х^эндоПГ+0,87зкзоПг+5 88Г зидопг эюопг 1 г =
1 [эндоПГ + экзоПГ \ у "
-тверскойлен щ в 0,89 + 21,43ЯЭП52э«дОЯГ + 0,8ЬЮ(>ЯГ + 5,12[ ЭнЬ°ПГ-
ЭКЗ°ПГ ] г = 0,902 (7),
3 IэндоПГ* экзоПГ] 4 ''
- голландский лен ш _ 2,96 + 1,63ЯЭ + 2,01э„<Ы7Г + 1,б2эюоЯГ +12,771"эндоПГ эк30^г1 г - 0,911 (8)
4 [эндоПГ + экзоПГ ] у '
Преимущественная роль эндополигалактуроназы в расщеплении низкометокси-лированных пектинов импортного сырья при переходе к отечественным сортам волокна становится зависимой от эффективности предварительного отщепления меток-сильных группировок под действием пектинэстеразы Обобщенное уравнение для анализируемого льняного сырья с указанием степени метоксилирования полиуронид-ных соединений (СМ) в долевом выражении имеет вид
ДЯ, 4 = 0,35 + 9,99ПЭШ + ¡¿ЬэндаПГ1-™ + 0,25эЮОЯГ1-® + 23,1 < ЭНд°ПГ ЭКЗ°ПГ Т г = 0,9724 (9)
[эндоПГ + экзоПГ\ 4 '
Уравнение (9) позволяет прогнозировать эффективность действия препаратов по уровню активности присутствующих в них ферментов, а также осуществлять оптимизацию их состава для переработки определенных видов льняного сырья
3 3 3 Разработка технологических подходов к проведению ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна к прядению По результатам сопоставления эффективности расщепления высокометоксилирован-ных пектиновых примесей льняного волокна пекганазными и пектишшазными препаратами с одинаковым уровнем показателя общей пектиндеструктирующей способности определены преимущества гидролитического пути деструкции субстрата над действием элиминирующих ферментов, которые связаны с повышением в 1,3 раза скорости протекания процесса под влиянием пекишаз, а также с низкими редуцирующими свойствами продуктов элиминирования полиуронидов Вместе с тем отмеченные недостатки применения пекган-лиазы могут компенсироваться, во-первых, повышением в 1,3-1,5 раза его концентрации в растворе, во-вторых, дополнительным введением гемицеллюлаз экзогенного действия, обеспечивающих конверсию боковых ответвлений в олигомерных продуктах деструкции полиуронидов с образованием нейтральных моносахаров При воздействии на волокно композиционного ферментного препарата на основе пекган-лиазы с добавкой экзогалакго-зидазы и экзоксилозидазы после нагрева до 95°С ОВП системы снижается до минус 800 мВ, а при использовании композиции осахаривающих гемицеллюлаз с оптимизированным пек-тиназным комплексом - до минус 870 мВ Неоспоримым преимуществом создания композиции на основе пекгин-лиаз является возможность использования промышленно выпускаемого на ОАО «Сиббиофарм» (г Новосибирск) препарата мацеробациллин, в то время как пекгиназные препараты с высоким содержанием пектинэстеразы отечественными биохимическими предприятиями не производятся
Для усиления эффекта термоактивации редуцирующей способности моносахаридов за счет повышения щелочности среды предложено использовать в составе пропиточного раствора бикарбонат натрия, который не ухудшает работу ферментов при 45-50°С и обеспечивает при нагревании достижение уровня водородного показателя рН 11 Результаты исследований реализованы при разработке двух модификаций полиферментных препаратов мацерационно-делигаифицирующего действия Полифан МЛГ и По-лифан МДЛ на пекгиназной и пекгинлиазной основах и усовершенствованного режима ферментативно-пероксидной обработки ровницы, включающего
- двухстадийное проведение биообработки для мацерации клеящих веществ и направленной генерации низкомолекулярных Сахаров при 50°С с дополнительным нагревом до 95-100°С для ускорения гидролитических процессов, инактивации ферментов, термоакгавации редуцирующих свойств системы и восстановительной деструкции лигнина, промывку волокна,
- окислительную обработку щелочно-пероксидным раствором, заключительную промывку и антимикробную обработку
По данным лабораторных испытаний применение новых полиферментных композиций в сравнении с классическим режимом щелочно-пероксидной обработки обеспечивает увеличение степени расщепления полиуронидов с 50 % до 88,5-91,5 %, снижение количества извлекаемых гемицеллюлоз с 75 % до 44-49 % и уменьшение остаточного содержания лигнина в 1,35-1,4 раза, благодаря чему качество подготовки волокна, оцениваемое по показателю мацерации, повышается в 1,4 раза
3 3 4 Промышленная апробация технологии ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна к прядению Производственными испытаниями на ОАО «Вологодский текстиль» подтверждена эффективность использования базового препарата Полифан МЛ на основе оптимизированного комплекса пектолитических ферментов и цротеаз при подготовке ровницы из мягкого стланцевого льняного волокна и низкое качество полуфабрикатов, получаемых при переработке отечественных высоколипщфицированных сортов льняного сырья средней жесткости Применение новых препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ по предлагаемому усовершенствованному режиму ферментативно-пероксидной обработки волокна обеспечивает комплексное улучшение технологических свойств формируемой пряжи, чпо иллюстрируют данные таблицы
Эффективность применения полиферментных препаратов мацерационно-
делигнифицирующего действия при подготовке льняной ровницы средней жесткости
Показатели ходо- биохимический с использованием
вой Полифан МДЛ Полифан МЛГ
Линейная плотность, Текс 58,9 53,3 53,0
Номер 17,0 18,7 18,9
Толщина, средний диаметр с!ср, мм 0,31 0,29 0,29
Коэффициент вариации по диаметру, % 32,5 22,4 21,2
Количество дефектов в расчете на 100 м пряжи 412 178 172
- утолщения, превышающие 1,5с1ср,
- утонения, менее 0,7с1ср„ 433 95 86
Крутка пряжи, Кф 536,8 562,4 574,4
Коэффициент крутки, Ьт 41,2 41,1 44,7
Коэффициент вариации по крутке Ск, % 8,5 7,2 7,1
Разрывная нагрузка Р„, сН 1327 1298 1288
Удельная разрывная нагрузка Ру> сН/Текс 22,5 24,4 24,3
Коэффициент вариации по разрывной нагрузке СР, % 12,1 10,2 9,9
Разрывное удлинение, Ъ, мм 8,7 11,4 11,7
Удельная работа разрыва, г, кгс см/г 41,7 43,4 43,2
Коэффициент вариации по работе разрыва С,, % 10,4 5,1 5,0
Доля компонентов относительного удлинения
при одноцикловых испытаниях, %
- быстрообратимое Дбо, 0,43 0,37 0,38
- медаеннообратимое Дмо> 0,12 0,25 0,28
-остаточное Дост 0,45 0,38 0,34
Выносливость к многократному изгибу и исти- 5595 6897 7155
При снижении толщины пряжи и коэффициента вариации по ее диаметру в 1,4-1,5 раза, сопровождающегося уменьшением количества утолщений в 2,3-2,4 раза и утонений в 4,5-5 раз, достигается повышение прочности пряжи и равномерности прочностных характеристик, увеличение на 23-28 % устойчивости к многократному изгибу и истиранию и в 2,1-2,3 раза эластических свойств пряжи за счет сокращения доли пластической и упругой релаксации Для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы из сырья повышенной жесткости рекомендован технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, промышленно выпускаемых на ОАО «Сиббиофарм» (г Новосибирск)
4. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1 По данным потенциометрических исследований установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявляемую их растворами редуцирующую способность, обусловленную при низких температурах равновесным содержанием свободной альдегидной формы молекул и протеканием при нагревании термоинициируемых превращений с образованием продуктов, обладающих более высоким уровнем восстановительной способности Редуцирующие свойства моносахаридов нарастают в ряду а-глюкоза —» р-глюкоза манноза -» арабиноза —> метилга-лактуронат -> галактоза -» галактуроновая кислота ксилоза
2 Показано, что моносахара способны проявлять свою редуцирующую способность в окислительно-восстановительных взаимодействиях с участием молекулярного кислорода и кубового красителя броминдиго, сопоставимую при 80°С с действием ронгалита В анаэробных условиях при 95°С ОВП растворов моносахаров (5,6 ммоль/л) достигает уровня ниже минус 800 мВ
3 Экспериментально подтвержден механизм химических превращений лигнина под действием редуцирующих Сахаров, который включает восстановление карбонильных группировок и инициируемый разрыв прилегающих простых эфирных связей между фенилпропано-выми единицами макромолекулы с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме Гидрирование ауксохромных СО-груш ослабляет окраску льняного волокна, интенсифицирует сульфигирование полимера, повышая его растворимость в 72 %-ной серной кислоте, а также ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке Наибольшую активность во взаимодействии с лигнином проявляют галактоза, галаюуроновая кислота и ксилоза
4 На основании выявленных закономерностей изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки льняной пряжи при избирательной деструкции полимерных примесей определены оптимальные уровни их удаления в процессе подготовки ровницы Наилучшее сочетание свойств пряжи обеспечивается при остаточном содержании пектина 0,35-0,45 масс %, гемицеллюлоз 8-10 масс %, лигнина 2-2,5 масс % Показано, что необходимое количество моносахаридов для обеспечения ре-докс-превращений лигнина достигается при расщеплении 10 % удаляемых полиуглеводных примесей волокна в мономерную форму
5 Изучено влияние состава пектолитических препаратов на деструкцию полиуро-нидных соединений в импортном (голландском) и отечественных (бийский, калужский, костромской) сортах льняного сырья с различным уровнем этерификации полимерной цепи Для каждого сорта получены зависимости количества удаляемого пектина от уровня активности ферментов пектинэстеразы (ПЭ), эндополигалактуроназы (эндоПГ) и экзогенных полигалактуроназ (экзоПГ), а также обобщающее уравнение,
учитывающее изменения степени метоксилирования (СМ) разрушаемого субстрата и позволяющее оптимизировать состав биопрепарата
1_ эндоПГ+экзоПГ _
Показана возможность применения для подготовки отечественных сортов льняного волокна промышленно выпускаемых препаратов на основе пектин-лиазы
6 Обоснованы пути создания полиферментных композиций на основе пекгиндест-руктирующих ферментов, протеаз и экзогенных гемицеллюлаз и условия их применения для эффективного расщепления углеводно-белкового комплекса связующих веществ технического волокна, генерации моносахаридов и активации их редуцирующей способности для частичной деполимеризации лигнина, позволяющей снизить долевое содержание кислотонерастворимой его формы на 37- 45 %
7 Результаты исследований реализованы при разработке двух модификаций полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и По-лифан МДЛ на пекгиназной и пектинлиазной основах и при усовершенствовании режима ферментативно-пероксидной обработки ровницы с введением стадии термоактивации редуцирующих свойств продуктов деструкции полисахаридных примесей волокна Применение новых полиферментаых композиций обеспечивает увеличение степени расщепления полиуронидов с 50 % при щелочно-пероксидной обработке до 88,5 - 91,5 % в случае биомодификации, снижение количества извлекаемых гемицеллюлоз с 75 % до 44 - 49 % и уменьшение остаточного содержания лигнина в 1,35 -1,4 раза
8 Испытаниями на ОАО «Вологодский текстиль» подтверждена эффективность использования новых препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия для подготовки ровницы средней жесткости из отечественных сортов льна По сравнению с результатами ходовой технологии биохимический способ подготовки волокна обеспечивает комплексное улучшение геометрических, прочностных и деформационных свойств формируемой пряжи, что выражается, в частности, в снижении ее толщины, коэффициента вариации по диаметру пряжи в 1,4-1,5 раза, количества утолщений в 2,3-2,4 раза и утонений в 4,5-5 раз, в повышении прочности пряжи и равномерности прочностных характеристик, в увеличении на 23-28 % устойчивости к многократному изгибу и истиранию и в 2,1-2,3 раза эластических свойств пряжи за счет сокращения доли пластической и упругой релаксации
9 При переработке высоколигнифицированного льняного сырья использование препарата Полифан МЛГ обеспечивает лучшую совокупность технологических свойств пряжи В настоящее время при отсутствии производства пектолитических ферментов с необходимым содержанием пектинэстеразы для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы целесообразно рекомендовать технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, выпускаемых предприятием ОАО «Сиббиофарм» (г Новосибирск)
Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях:
1 Лепилова, О В Проявление редуцирующих свойств мономерных структурных элементов полисахаридных примесей льняного волокна [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева, С А Кокшаров //Изв вузов Химияихим технология -2006 -Т 64 -№7 - С 69-73
2 Лепилова, О В Влияние продуктов ферментативной деструкции углеводных примесей льняного волокна на разрушение лигнина [Текст] /О В Лепилова, С В Алеева, С А Кокшаров //Изв вузов Химия и химическая технология -2007 -Т 50 -№7 - С 71-74
3 Алеева, С В Комплексный подход к ферментативному разрушению полимерных примесей при облагораживании льняных тканей [Текст] / С В Алеева, О В Лепило-ва // Текстильная химия. - 2005 - №1 - С 28 - 34
4 Алеева, С В Целлюлозосохраняющая технология подготовки льняной ровницы с использованием мацерирующих ферментов [Текст] / С В Алеева, О В Лепилова, С А, Кокшаров, С Г Оботурова // Текстильная промышленность Научный альманах -2005 - №7-8 - С 45 - 48
5 Лепилова, О В Ферментативная генерация восстанавливающих Сахаров для стабилизации ронгалитсодержащих стабилизирующих составов [Текст] / О В Лепилова, С В. Алеева, С А. Кокшаров //Вестник ИГТА -2006 -№4 - С 45-50
6 Лепилова, О В Исследование окислительно-восстановительных свойств глюкозы в процессе деструкции крахмала и целлюлозы [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева // Сб тез докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» - Иваново ИГТА, 2004 - Ч I - С 125-127
7 Лепилова, О В Новые возможности применения ферментативного катализа в процессах делигнификации текстильных материалов [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева, С А Кокшаров // Сб тез докладов 2-ой Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии-в производство» -Иваново 2004 - С 98-99
8 Лепилова, О В Исследование изменений редуцирующих свойств продуктов гидролиза природных полисахаридов льняного волокна [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева // Сб тез докладов III Конференции молодых учёных ИХРРАН -Иваново 2004 - С 19
9 Лепилова, О В Сравнительный анализ редуцирующих свойств стереоизомерных форм продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна [Текст] / О.В Лепилова, С В Алеева // Сб тез. докладов научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов, Поиск-2005 - Иваново ИГТА, 2005 - С 128 - 130
10 Лепилова, О В Оценка редуцирующих свойств продуктов деструкции полисахаридов льняного волокна [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева // Сб тез докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности», Поиск-2005 -Иваново 2005 - С 140-141
11 Лепилова, О В Регулируемая генерация редуцирующих систем в процессах целлю-лозосохраняющей подготовки льняного волокна [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева, С А Кокшаров // Сб тез докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2005 - Иваново. ИГТА, 2005 - С 159-160
12 Лепилова, О В Биохимическая технология подготовки льняной ровницы на основе ферментативной генерации редуцирующих веществ [Текст] / О В Лепилова // Сб тез докладов научно-практической конференции «Конъюнктура рынка текстиля и пути создания конкурентоспособной продукции». - Москва МГТУ, 2005 - С 37-38
13 Лепилова, О В Целенаправленная ферментативная генерация восстановительных систем при переработке льняного волокна [Текст] / О В Лепилова, С А Кокшаров // Сб тез докладов 10-й Пущинской школы-конференции мочодых ученых «Биология -наука XXI века» -Пущино 2006 - С 380
14 Лепилова, О В Оценка восстановительной способности моносахаридов в редокс-процессах с красителем броминдиго [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева // Тез докла-
дов Межвузовской научно-технической конференции «Молодые учёные - развитию текстильной и легкой промышленности» - Иваново ИГТА, 2006 - С 122 - 123
15 Лепилова, О В Интенсификация деструкции лигнина в условиях ферментативно-пероксидной обработки льняного волокна [Текст] / О В. Лепилова, С В Алеева // Сб тез докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2006 -Иваново ИГТА,2006 - С 112-113
16 Лепилова, О В Предупреждение окислительной деструкции целлюлозы при переработке льняных текстильных материалов [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева // Сб тез докладов Всероссийской конференции молодых учёных и П школы по проблеме «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты» - Москва ИБФ, 2006 - С 121 - 123
17 Лепилова, О В Сравнительный химический анализ пектиновых веществ отечественных и импортных сортов льняного сырья [Текст] / О В Лепилова, С В Алеева, Г В Чистякова // Сб тез докладов Ш Всероссийской научной конференции «Физико -химия процессов переработки полимеров» - Иваново ИГХТУ, 2006 - С 135-136
18 Лепилова, О В Решение задач повышения сохранности целлюлозы сквозь призму биотехнологий интенсификация делигнификации высокозасоренных льняных материалов [Текст] / О В Лепилова // Сб тез докладов I региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», Крестовские чгения-2006 -Иваново.2006 - С 33-34
19 Лепилова, О В Оценка реакционной способности растворов моносахаридов различного стереоизомерного строения [Текст] / О В Лепилова // Тез докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитою текстильной и лёгкой промышленности», Поиск-2007 - Иваново ИГТА, 2007 - С 72-73
20 Лепилова, О В Влияние мономерных продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна на деполимеризацию и обесцвечивание лигнина [Текст] / О В Лепилова // Сб тез докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2007 -Иваново ИГТА,2007 - С 79-81
21 Лепилова, О В Мягкий лен новый биопрепарат Полифан МДЛ для переработки льняных волокнистых материалов повышенной жесткости [Текст] / О В. Лепилова // Тез докладов Международной конференции по химической технологии - Москва, 2007 -Т 3 -С 223-224
22 Koksharov, S A New biomodification approaches of lmen fibrous materials in processes of textile manufacture [Text] / S A Koksharov, О V Lepilova // The collection of lecture abstracts of XVI International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT2007) - Suzdal 2007 -V 1 -P 224-225
Ответственный за выпуск
Подписано в печать 9 112007 Формат 60x84 1/16 Печать плоская Печ л 1,25 Уел печ л 1,16 Уч -изд л 1,6 Заказ № 572т Тираж 80 экз
Изд лицензия ЛР № 010221 от 03 04 1997
Отпечатано в ОАО «Издательство «Иваново»
153012, г Иваново, ул Советская, 49 Е-пш1 па1уап@пш1 га Тел 32-67-91, 32-47-43