Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЛИШАЙНИКОВ РОДА CLADONIA

Аньшакова В. В.,

3.1. Особенности механохимической биотехнологии приготовления активного наполнителя из ягеля

Наполнитель готовили из ягеля сырья, соответствующего требованиям статьи Государственной фармакологии XI издания. Сырье, использующееся при производстве соответствует гигиеническим требованиям безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов (СанПиН 2.3.2.2401-08, СанПиН 2.3.2.1078-01).

Технологическая схема процесса производства порошкообразного ягеля приведена на рис. 16, 17 и складывается из следующих операций.

Рис. 16. Схема производственного процесса получения
механоактивированного порошка ягеля

Собранное сырье сортировали, очищали его от посторонних включений и примесей. Очищенное сырье взвешивали, затем сырье подвергали естественной сушке. На стеллажах, сырье раскладывается тонким слоем и сушится в течение 48 часов. Продолжительность сушки зависела от начальной влажности ягеля, и ограничивалась иногда 3–3,5 часами. Высушенное сырье снова взвешивали и измельчали до размера частиц 1–3 мм на бытовой мельнице и затем подвергали механохимической активации на проточной мельнице ЦЭМ 7-80, производительностью 30 кг/ч. По некоторым рецептурам добавляли твердый бикарбонат натрия в массовом соотношении 0,5 %.

Из 1 тонны сырья в процессе производства получается 890 кг механоактивированного порошкообразного ягеля. Разработаны и утверждены технические условия на ягель порошкообразный механоактивированный.

Рис. 17. Сотрудники лаборатории за выполнением технологических операций

Органолептические и физико-химические показатели полученного продукта указанны в табл. 7.

Таблица 7

Органолептические и физико-химические показатели ягеля порошкообразного механоактивированного

Первым аспектом экологичности предлагаемой механохимической биотехнологии обработки лишайников рода Cladonia является тот факт, что она не включает ни экстракционных, ни гидролизных стадий обработки биосырья. Процесс проходит без участия растворителей в одну технологическую стадию, что обеспечивает минимизацию ресурсо- и энергоёмкости технологического процесса, его экологическую чистоту.

Нами предложена механохимическая активация лишайникового сырья с микродобавками твердофазного неорганического щелочного реагента с целью увеличения эффективности применения как самостоятельного ягелевого препарата так и в комплексе с фармаконами известных био- и фармпрепаратов.

Механохимическую активацию в лабораторных условиях проводили в воздушной среде в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2, Механохимическую активацию в лаборатоных условиях проводили в воздушной среде в мельнице-активаторе планетарного типа АГО-2 (разработка Института химии твердого тела и механохимии СО РАН), которая представляет собой машину типа барабанных шаровых мельниц, где воздействие гравитационного поля на рабочее тело (мелющие шары) заменено центробежной силой. В конструкции мельницы с периодической загрузкой используются два барабана объемом по 100 мл, заполненные в приведенных опытах на 1/3 объема стальными шарами диаметром 8 мм (воздействующие тела), на 1/3 исследуемым веществом (без добавления каких-либо щелочных реагентов) в количестве 20 г и 1/3 приходится на свободное воздушное пространство. Такая загрузка барабана – реактора соответствовала ударно-истирающему режиму работы, обеспечивая максимальное воздействие мелющих тел на объект исследования, при скорости вращения барабанов 1500 об/мин. Во время работы барабаны охлаждали водой для исключения разогрева обрабатываемого материала.

В опытно-промышленных экспериментах механохимическую активацию проводили на шаровой центробежно-эллиптической мельнице непрерывного типа, характеристики которой указаны в табл. 8.

Таблица 8

Техническая характеристика мельницы ЦЭМ 7-80

На рис. 18 приведены микрофотографии образцов ягеля различного увеличения, измельченного: А – на бытовой электрической мельнице; Б – при максимальной скорости вращения барабанов мельницы АГО-2.

Рис. 18. Сканирующая электронная фотография структуры ягеля грубого помола на бытовой мельнице (А) и после механоактивации (Б)

На рис. 19 приведено распределение частиц по размерам в механоактивированных образцах.

Рис. 19. Статистический анализ распределения частиц по размерам в механоактивированныхобразцах слоевищ лишайников р. Cladonia.
Разным цветом отмечен процент частиц, соответственно:
1 – менее 0,5 мкм; 2 – лежащие в диапазоне от 0,6 до 2 мкм;
3 – лежащие в диапазоне от 2,1 до 4 мкм; 4 – лежащие в диапазоне от 4,1 до 6 мкм;
5 – лежащие в диапазоне 6,1 до 10 мкм; 6 – крупнее 10 мкм

Изменение рельефа поверхности и образование новых структур было зафиксировано также методом атомно-силовой микроскопии (рис. 20Б), в то время как неструктурированная поверхность порошка грубоизмельченных слоевищ лишайников отличалась отсутствием таковых и наличием более гладкого рельефа (рис. 20А).

Основной характеристикой эффективности получаемой биопродукции является количество биодоступных (водорастворимых) ФАВ. Результаты определения степени диспергирования порошков, получаемых на мельнице АГО-2, показали, что размер частиц образцов составлял порядка 20–100 нм (рис. 18Б).

Рис. 20. Структура поверхности порошка слоевищ лишайников:
А – грубоизмельченных; Б –механоактивированных

В ходе экспериментов также достоверно установлено увеличение выхода ФАВ при увеличении степени диспергирования. Подтверждение правильности этих наблюдений было получено при изучении общей экстрактивности образцов лишайника в зависимости от продолжительности и степени измельчения, которая приводит к увеличению степени диспергирования. В табл. 9 приведены результаты анализа общей экстрактивности сырья, диспергированного на воздухе на мельнице АГО-2 в продолжении от 24 до 180 с.

Таблица 9

Экстрактивность слоевищ лишайников
в зависимости от продолжительности измельчения

Данные табл. 9 показывают, что увеличение времени механоактивации приводит к повышению общей экстрактивности полученных порошков как водой, так и водным спиртом. Прямая зависимость эффективности получаемого продукта от степени диспергирования обуславливает целесообразность дальнейшей обработки в течение 1–2 минут.

Использование механохимической обработки разрушает стенки клеток, где находится основная часть физиологически активных веществ растений и приводит к образованию наноразмерных частиц в твердой фазе (рис. 18), тем самым способствует максимально эффективному выходу ФАВ из клеток.

Это также подтверждают результаты ИК-спектроскопии и комбинационного рамановского рассеивания.

Методом ИК-спектроскопии было показано, что характер ИК-спектров в случае всех образцов ягеля идентичен (рис. 21).

Рис. 21. ИК-спектры образцов ягеля различного помола

Вместе с тем, интенсивность всех наблюдаемых полос поглощения зависит от способа получения образца биопрепарата. Увеличение интенсивности поглощения в области валентных колебаний ОН-группы (3450–3350 см–1) механохимического ягеля свидетельствует о разрыве части прочных β-гликозидных связей в исходных нерастворимых полисахаридах, входящих в состав лишайникового сырья, и как следствие, об образовании более биодоступных β-олигосахаридов. Наличие в ИК-спектре ряда полос (1670–1630 см–1 – С=С связи сопряженных систем; 1200–1270 см–1 –С–О–С– группы атомов; 1100–1000 см–1 – как пиранозные циклы, так и –С–ОС– группы атомов; 900 см–1 – деформационные колебания С–Н.), характерных для образца усниновой кислоты свидетельствует о большем её количестве в исследуемом механохимическом образце.

Наличие усниновой кислоты в исследуемом механохимическом образце подтверждают и результаты спектроскопии комбинационного (рамановского) рас-
сеивания.

Близость частотных диапазонов характерных линий поглощения спектров комбинационного (рамановского) рассеивания для усниновой кислоты и слоевищ лишайников после механоактивации (рис. 22А Б), а также преимущественная флуоресценция в области 570 и 720 нм в отличии от спектров слоевищ лишайников грубого помола (рис. 22В), где можно заметить более низкую интенсивность излучения рамановских пиков, свидетельствует о более высоком содержании усниновой кислоты в механоактивированном образце, в отличие от слоевищ лишайников грубого помола.

Методом оптической микроскопии также показано, что механохимическая активация наряду с образованием ультрадисперсных частиц в твердой фазе, разрушением стенок клеток приводит к высвобождению физиологически активных
веществ.

На фото оптического металлографического микроскопа отчетливо видны характерные игольчатые кристаллы усниновой кислоты (рис. 23), которую мы взяли как стандарт и сравнивали с ягелем различного измельчения. После механоактивации усниновая кислота обнаруживается только в ягеле механоактивированном.

Рис. 22. Спектры комбинационного (рамановского) рассеивания: усниновой кислоты (А); слоевищ лишайников механоактивированных (Б) и грубого помола (В)

Второй аспект экологичности технологии заключается в том, что столь сильное ударно-истирающее воздействие при самой механохимической активации не переводит металлы в состав биопродукта. Установлено, что содержание металлов, входящих в состав мелющих тел, в контрольных и механоактивированных пробах изменяется в пределах ошибки метода измерения их концентрации (табл. 10).

Следовательно, не происходит взаимодействия органических веществ растений с материалом механоактиватора и предложенная механохимическая технология является экологически чистой.

Усниновая кислота

Ягель грубого помола Ягель механоактивированный

Рис. 23. Оптические фотографии структуры усниновой кислоты и ягеля различного помола (металлографический микроскоп метам RW-21–1, увеличение 400 крат)

Таблица 10

Содержание микроэлементов, входящих в состав механо-активатора, в лишайниковом сырье после его механоактивации, по сравнению с грубым помолом