ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ (Amaranthus caudatus И Silybum marianum)

АННОТАЦИЯ

Методом щелочного гидролиза получены целлюлозы из стеблей лекарственных растений амаранта и расторопши. Из целлюлозы синтезированы путём глубокого гидролиза в смеси 10% серной кислоты и 10% перекиси водорода микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). Изучены физико-химические и структурные свойства целлюлозы и МКЦ методами ИК - спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и микроскопии. Цель данной работы является расширение ассортимента МКЦ применяемой в фармацевтической и медицинской практике, заменив МКЦ полученной из хлопковой и древесной целлюлозы.

АBSTRACT

Celluloses were obtained from the stems of medicinal plants of amaranth and milk thistle by the method of alkaline hydrolysis. Microcrystalline cellulose (MCC) was synthesized from cellulose by deep hydrolysis in a mixture of 10% sulfuric acid and 10% hydrogen peroxide. The physicochemical and structural properties of cellulose and MCC were studied by IR spectroscopy, X-ray diffraction analysis and microscopy. The purpose of this work is to expand the range of MCC used in pharmaceutical and medical practice, replacing the MCC obtained from cotton and wood pulp.

Ключевые слова: Лекарственное растительное сырьё, амарант (Amaranthus caudatus) и расторопша (Silybum marianum), стебель, целлюлоза, микрокристаллическая целлюлоза, гидролиз, синтез, структура, ИК-спектроскопия

Keywords: Medicinal plant material, amaranth (Amaranthus caudatus) and milk thistle (Silybum marianum), stem, cellulose, microcrystalline cellulose, hydrolysis, synthesis, structure, IR spectroscopy.

Введение

В настоящее время широко проводятся исследования по получению микрокристаллической и нанокристаллической целлюлозы, как из хлопка, так и из древесины различных пород и различного недревесного растительного сырья. Эти исследования посвящены получению, изучению свойств, размеров микро - и нанокристаллических частиц целлюлозы разнообразного происхождения. Однако, в научной литературе отсутствуют сведения о получении целлюлозы различной структурной модификации из стеблей лекарственных растений. Узбекистан богат лекарственными растениями. Так, 750 видов из более 4,3 тысяч растений местной флоры считаются лекарственными, из них 70 видов активно используются в фармацевтической промышленности. Ученые Института химии растительных веществ АН Республики Узбекистан имени акад. С.Ю. Юнусова, в течение многих лет занимаются выделением биологически активных веществ из растений природной флоры Узбекистана. После выделение активных веществ из растения остаётся стебель, который практически не используется. Из них можно выделить целлюлозу для получения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ). МКЦ является одним из наиболее широко распространённой производной целлюлозы. Её используют во многих сферах жизнедеятельности человека. МКЦ из стебля лекарственных растений можно использовать в качестве наполнителя для изготовления таблеток в фармацевтике и в медицине, расширив ассортимент МКЦ полученной из хлопковой и древесной целлюлозы[1-3].

Цель данной работы – выделить целлюлозу из стебля лекарственных растений, синтезировать МКЦ и исследовать их особенности надмолекулярной структуры.

Экспериментальная часть

Материалы. В качестве исходного сырья использованы стебли лекарственных растений амарант (Amaranthus caudatus) и расторопша (Silybum marianum), целлюлоза, выделенная из них, а также МКЦ полученная из выделенных образцов целлюлоз.

Химикаты: серная и азотная кислоты; едкий натрий; перекись водорода.

Методы. Изначально используемые стебли измельчаются до 4-5 см длины. Выделение целлюлозной части из стеблей амарант (Аmaranthus caudatus) и расторопша (Silybum marianum) проводились путём варки при температуре 100-105^о С в 10% растворе щелочи в течение 4 часов, после промывки продолжали варку в 3% раствором азотной кислоты при температуре 100-105^оС в течение 1 часа. Отбелка – в щелочной среде 10% растворе перекисью водорода при температуре 80 ^оС в течение 45 мин[13].

Полученную целлюлозу промывали до нейтральной среды и сушили при температуре 105^оС в течение 45 мин.

Синтез микрокристаллической целлюлозы проводили гидролизным способом [17]. Состав и условия гидролиза – смесь 10% серной кислоты и 10% перекиси водорода, гидромодуль обработки 1:20, кипячение в течение 60 мин, промывка водой до pH 6-8 и сушка образца при комнатной температуре, разложив тонким слоем на поверхности полиэтиленовой плёнки. Высушенные кусочки плёнок микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) измельчали на лабораторном дезинтеграторе для изготовления таблеток стандартным методом.

Степень полимеризации (СП) целлюлозы определены по ГОСТ 9105-74 в медно-аммиачном растворе.

Объёмную плотность образцов определяли весовым методом. Форму и размеры частиц МКЦ исследовали – на микроскопе OPTIKA B-150 (Италия). Определение степени полимеризации (СП) образцов целлюлозы проводили методом установления динамической вязкости с помощью капиллярного вискозиметра, диаметр капилляра 0,56 мм [4]. Фракционирование частиц МКЦ проводили через сита с размером ячеек: 0,16 мм;  0,315 мм; 0,63 мм; 1,25 мм и 2,5 мм [5].

ИК - спектры исследованных образцов сняты на ИК-Фурье-спектрометре - IRAffinity – 1, (Германия) в средней инфракрасной области 4000-500 см^–1 с запрессовкой образцов в таблетки KBr. Индекс кристалличности образцов целлюлозы рассчитаны, используя соотношение оптических плотностей D₁₃₇₀/D₂₉₀₀ по методам [7,18]. Рентгеноструктурный анализ образцов целлюлозы был выполнен с помощью рефрактометра ДРОН-3М. Использовано CuKα – излучение меди, выделенное никелевым фильтром. Длина волны λ = 1,54178 Å в интервале углов отражения: 2θ = 3-40^о для целлюлозы амаранта (Аmaranthus caudatus), 2θ = 3-37^о для МКЦ амаранта (Аmaranthus caudatus), 2θ = 3-39^о для целлюлозы расторопши (Silybum marianum), 2θ = 3-52^о для МКЦ расторопши (Silybum marianum).

Обсуждение результатов

В процессе делигнификации образцов стеблей происходит деструкция органических веществ[12]. Сахариды и лигнины переходят в варочный раствор в процессе варки. Выход выделенной для всех образцов целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы составляет, соответственно, в пределах 26-30%, а МКЦ – 84-86% от выделенной в процессе делигнификации целлюлозы . Некоторые свойства и состав образцов целлюлозы и МКЦ приведены в табл.1.

Таблица 1.

 Выход целлюлозы из стебля, выход МКЦ из целлюлозы, физико-химические свойства образцов амаранта и расторопши (% от воздушно сухого материала)

СП полученных образцов целлюлозы амаранта (amaranthus caudatus) и расторопши колеблется в пределах 843-873, а МКЦ – 236-244. Сорбция влаги целлюлозы и МКЦ составляет, соответственно, 11-14,2 и 12,0 – 12,3%. Степень полимеризации МКЦ амаранта (amaranthus caudatus) составляет 236, что на 8 единицы меньше чем МКЦ у расторопши. Насыпная плотность образцов находится в пределах: целлюлозы 0,11-0,33 г/см³; МКЦ 0,14-0,41 г/см³.

Морфология образцов. Формы и размеры фрагментов волокон целлюлозы и частицы МКЦ полученные с помощью микроскопа при увеличении 100 раз (рисунок-1) и гистограмма (рис.-2) их приведены ниже.

Рисунок 1. Микрофотография целлюлозных волокон и частицы МКЦ

Фибриллярную структуру имеют целлюлозные волокна, полученные из амаранта (amaranthus caudatus) и расторопши (Silybum marianum). Размеры частицы расторопши (Silybum marianum) несколько крупнее, чем у частицы МКЦ амаранта (amaranthus caudatus), что свидетельствует об их структурных особенностях[14].

Размеры частицы целлюлозных волокон после гидролиза уменьшаются в несколько раз (рис.1). Исследование фракционного состава целлюлозной массы показало образование агломератов, как в целлюлозе, так и МКЦ, что может быть обусловлено как механическим сцеплением фибрилл, так и водородными связями. На фотографиях видно, что крупные агломераты состоят из частиц, размер которых достаточно велики[5].

На рис.2 представлены результаты определения фракционного состава МКЦ амаранта. Частицы МКЦ прошедшей через ячейки размером 0,16 мм составляет 60%, через ячейки размером 0,315 мм – 35%, через ячейки размером от 0,63 до 2,5 мм –5 %.

Рисунок 2. Гистограмма образца МКЦ амаранта (amaranthus caudatus) по размерам частиц:

менее 0,16 мм; от 0,16 до 0,315 мм; от 0,315 до 0,63 мм; от 0,63 до 1,25 мм; от 1,25 до 2,5 мм.

Рентгенограмма. Кривые интенсивности рентгеновского рассеяния образцов целлюлозы и МКЦ амаранта (amaranthus caudatus) и растаропши (silybum marianum) приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Кривые интенсивности рентгеновского рассеяния образцов целлюлозы и МКЦ амаранта(amaranthus caudatus) и расторопши (silybum marianum)

Результаты исследования структурной организации показали, что на всех рентгенодифрактограммах наблюдаются рефлексы трёх плоскостей – целлюлоза и МКЦ амаранта(amaranthus caudatus) при углах 2θ = 15-17; 22 и 34^о; целлюлоза при углах 2θ = 15-16; 22 и 34^о и рефлексы четырёх плоскостей – МКЦ расторопши (silybum marianum) при углах 2θ = 16; 22; 29 и 34^о. Наличие перечисленных рефлексов указывает на упорядоченную структуру целлюлозы[16]. Положение основных рефлексов на представленных дифрактограммах в указанной области углов и относящихся к отражению от плоскостей кристаллической ячейки целлюлозы 110 и 200, соответственно, характерны для структурной модификации целлюлозы.

Индексы кристалличности рассчитаны по Сегалу [18]:

I_к = I₀₀₂ – I_а / I_002,

 где I₀₀₂ – интенсивность рефлексов 002; I_а – интенсивность рассеяния при угле 2θ = 19^о.

Результаты расчётов индекса кристалличности приведены в таблице 3.

На рисунках 4-5 приведены ИК спектры образцов целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы:

Известно [8], что ИК-спектр целлюлозы определяется в основном поглощением трёх гидроксильных групп, находящихся в составе каждого глюкопиранозного звена. Из-за образования водородных связей между собой, кислородными атомами глюкозидных звеньев и кислородными мостиками существует ряд стабильных кристаллических надмолекулярных структур, которые связаны между собой аморфными областями целлюлозы. Такое многообразие конфигурации молекулы целлюлозы обуславливает сильное уширение полос поглощения. На спектрах 2-х образцов целлюлозы (рис. 4-5, кривая 1) максимумы поглощения идентичны и практически совпадают. Широкая полоса 3700-3100 см^–1 ИК-спектра целлюлозы связана с валентными колебаниями гидроксильных групп, вовлечённых в водородные связи. ИК-поглощение свободных гидроксильных групп (3650-4000 см^–1) наблюдается только при отсутствии агрегации в газовой фазе или очень разбавленных растворах к колебаниям ОН-групп. Валентные колебания С–Н групп проявляются около 2921,7-2905,3 см^–1 , эти полосы используются в качестве внутреннего стандарта, так как она не зависит от кристалличности целлюлозы. Полосы поглощения при 1372 см^–1 – это деформационные колебания СН-групп. Повышение пика полос  2-х образцов (рис. 4,5, кривая 2) в спектрах МКЦ – это валентные колебания ОН- групп. Что свидетельствует о более сильных водородных связях, т.е. увеличение плотности структурных элементов (кристаллитов) по сравнению с исходными образцами целлюлозы. Данные для расчёта индекса кристалличности образцов по методу [7] их полоса поглощения приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Полоса поглощения образцов целлюлозы из стебля лекарственных растений (для расчёта индекса кристалличности)

Индекс кристалличности образцов целлюлозы и МКЦ рассчитаны по полученными данными рентгенографии [9], связывающий интенсивность рефлекса, (пик кристалличности) и интенсивность минимума, I_a (рис.2), и по данными ИК-спектроскопии. Для расчетов индекса кристалличности использованы соотношение оптических плотностей D₁₃₇₀/D₂₉₀₀ [7]. Известно [10], что полосы 1370; 1374 см^–1 характеризуют деформационные колебания С–Н и СН₂ связи. Полосы 2945 и 2853 см^–1 характеризуют соответственно ассиметричные и симметричные валентные колебания метиленовых групп. Полосу при 2900 см^–1 (υс-н) используют в качестве сравнения.

В таблице 3 представлены результаты расчетов индекса кристалличности указанных образцов.  

Таблица 3.

Индексы кристалличности целлюлозы и МКЦ полученные из амаранта (amaranthus caudatus) и расторопши (silybum marianum)

Индекс кристалличности образцов целлюлозы и МКЦ амаранта (amaranthus caudatus) и расторопши (silybum marianum) близки, их значения, соответственно 0,76-0,72 и 0,81-0,84. Значения индексов кристалличности, рассчитанные по методу [18], у целлюлозы амаранта 0,80, а у расторопши на 0,10 единицы больше, чем у МКЦ амаранта.

Из полученных образцов МКЦ изготовлены таблетки (рис.6), технология и качество их соответствует фармацевтическим требованием[6, 11,15].

Рисунок 6. Образцы МКЦ полученные из лекарственного растения расторопши:

1 – общий вид, для добавки в фарш; 2 – таблетки из 100% МКЦ; 3 – лекарственные таблетки рутин (витамин “Р”) с наполнителем МКЦ; 4 - лекарственные таблетки аскорутин (витамин “С+Р”) с наполнителем МКЦ

Выводы

Выделена целлюлоза из стеблей лекарственных растений амаранта и расторопши. Из целлюлоз синтезирована микрокристаллическая целлюлоза. Определены структурные особенности целлюлоз и МКЦ физико-химическими, ИК-спектроскопическими, рентгеноструктурными и микроскопическими методами. Толщина целлюлозных частиц около 5 мкм, а длина кристаллических частиц 20-30 мкм. Длина кристаллитов МКЦ расторопши 2 раза меньше (10-15 мкм) чем МКЦ амаранта. Степень полимеризации находится в пределах: целлюлозы 843-873, а МКЦ – 236 - 244. Установлено, что степень кристалличности целлюлозы и МКЦ амаранта(amaranthus caudatus) и расторопши(silybum marianum), определенные по методом Сегала и практически близки и составляет, соответственно 0,72 – 0,76 и 0,81-0,84.

Из полученных образцов МКЦ изготовлены таблетки, технология и качества их соответствует фармацевтическим требованием.

Список литературы:

1. Атаханов А.А. Получение, структура, свойства и технология производства хлопковой, микрокристаллической и наноцеллюлозы. Автореф. Докторской диссертации. Ташкент, 2016.
2. Аутлов С.А., Базарнова Н.Г., Кушнир Е.Ю. Микрокристаллическая целлюлоза структура, свойства и области применения (обзор). // Химия растительного сырья. – 2013. № 3. – С. 33-41. DOI: 10.14258/jcprm.1303033
3. Базарнова Н.Г., Карпова Е.В, Катракова И.Б. и др.; Под. ред. Базарнова Н.Г. Методы исследования древесины и ее производных. Учебное пособие /. Барнаул : Изд-во Алт. Гос. ун-та, 2002. 160 с.
4. ГОСТ 9105-74 Целлюлоза. Метод определения средней степени полимеризации.
5. ГОСТ 8269.0-97. Комплект лабораторных сит КСИ.
6. Государственная фармакопея Российской Федерации, XIII изд., Т.1. Москва, 2015; [Электронный ресурс]URI. http: // femb.ru/femi.
7. Дехант И., Данц Р., Киммер В., Шмольке Р. Инфракрасная спектроскопия полимеров / Под ред. И. Деханта. М.: Химия, 1976. - 472 с.
8. Жбанков Р.Г. Инфракрасные спектры и структура углеводов. Минск: Наука и техника, 1972. 456 C.
9. Иоелович М.Я. Модели надмолекулярной структуры и свойства целлюлозы.  Высокомолекулярные соединения, Сер. А, 2016, 58(6), 604-624. DOI: 10.7868/S2308112016060109
10. Ioelovich M. Cellulose nanostructured natural polymer // M. Ioelovich. Saarbrucken: Lambert Academic Publishing, 2014. – 77pp.
11. Кучаг В.В., Константин Ж. Микрокристаллическая целлюлоза в производстве таблеток. Вестник фармации, - 2006, - №4. – С. 72-79.
12. Ковернинский И.Н., Комаров В.И., Третьяков С.И., Богданович Н.И., Соколов О.М., Селянина Л.И., Кутакова Н.А.; Под ред. проф. Н.И.Ковернинского. Комплексная химическая переработка древесины. Учебник для ВУЗов / - Архангельск, Изд-во АГТУ, 2002. -347 с.
13. Момзякова К.С., Дебердеев Т.Р., Вершинин М.С., Лексин В.В., Момзяков А.А., Дебердеев Р.Я. Получение наноцеллюлозы из недревесного растительного сырья. Химия растительного сырья, 2019, № 3. С. 15-21. DOI: 10.14258/jcprm.2019035105
14. Мартаков И.С., Кривошапкин П.В., Торлопов М.А., Кривошапкина Р.Ф., Дёмин В.А. Влияние надмолекулярной структуры целлюлозы на морфологию волокон оксида алюминия, полученного золь-гель методом. Химия в интересах устойчивого развития 22 (2014) 145-151.
15. Махкамов С.М. Основы таблеточного производства. – Т.: - 2004. – 154 б.
16. Нельсон, М.Л. и О' Коннор, Р.Т. (1964) Связь некоторых инфракрасных полос с кристалличностью целлюлозы и типом кристаллической решетки. Часть II. Новое инфракрасное соотношение для оценки кристалличности целлюлозы I и II. Журнал прикладных наук о полимерах, 8, 1325-1341.http://dx.doi.org/10.1002/app.1964.070080323.
17. Сарымсаков А.А. и др. Диспергирования микрокристаллическая целлюлоза и гидрогели на её основе // Химия растительного сырья. 2004. № 2. – С. 11-16.
18. Sigal L., Creely J.J., Martin A. E. Jr., Conrad C.M. An empirical method for estimating the degree of crystalline of native cellulose using the X-ray diffractomеter // Textile Research Journal. – 1959. – Vol. 29, № 10. – P. 786-794. DOI: 10.1177/004051755902901003
19. Серков А.Т., Серкова Л.А. Определение набухания волокна в воде. – Хим. Волокна, 1974, № 5, с.70-71.