CC BY
78
Химия растительного сырья. 2005. №4. С. 45-52.
УДК 541. 183
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ КОРОТКОГО ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА НА ЕГО СОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ
© Т.Е. Никифоров^ , В.А. Козлов1, Н.А. Багровская2
1 Ивановский химико-технологический университет, пр. Ф. Энгельса, 7,
Иваново, 153000 (Россия) Е-тэИ: [email protected]
2Институт химии растворов РАН, ул. Академическая, 1, Иваново, 153024 (Россия) Е-тэИ: [email protected]
Изучены сорбционные свойства природного целлюлозосодержащего материала - короткого льняного волокна по отношению к ионам Си(11). Исследовано влияние обработки сорбента различными ферментными препаратами (ФП): Вшх, НСЕ и протеазой на сорбционную способность короткого льняного волокна и определены ее оптимальные параметры. ИК-спектры образцов нативного и обработанного льняного волокна свидетельствуют об изменениях в структуре субстрата, обусловленных разрушением под действием ферментов меж- и внутримолекулярных связей входящих в его состав биополимеров.
Введение
Загрязнение биосферы тяжелыми металлами стало одной из глобальных проблем, обусловленных их поступлением в окружающую среду как с промышленными сточными водами, так и рассеиванием с газовыми выбросами. Рассеянные металлы способны концентрироваться в растениях, водоемах, почве, а затем с продуктами питания, питьевой водой и воздухом поступать в организм человека.
В связи с этим актуальна задача разработки сорбентов, способных эффективно извлекать ионы тяжелых металлов из водных сред.
Перспективными сорбентами для очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов являются отходы сельскохозяйственного производства, поскольку они широко доступны и имеют низкую цену или совсем не имеют стоимости.
Однако такие сорбенты, как правило, обладают невысокими кинетическими характеристиками и сравнительно низкой сорбционной емкостью. Поэтому важным направлением создания новых сорбентов является поиск способа обработки полимеров на основе целлюлозы с целью сокращения времени сорбции и увеличения их сорбционной емкости. Известен ряд работ [1-6], в которых предлагаются различные методы обработки целлюлозосодержащих сорбентов, включая механические, физические, химические и физикохимические виды воздействий (мокрый размол, замораживание, плазменная активация, обработка полисульфидами натрия, окрашивание активными красителями, прививка аминокислотных остатков и т.д.). Перспективным направлением обработки сорбентов, на наш взгляд, является применение методов биотехнологии, а именно, использование ферментов и ферментных препаратов.
В настоящее время широкое применение методов биотехнологии при решении конкретной практической задачи ограничено отсутствием банка данных по специфике действия как индивидуальных ферментов, так и ФП на различные субстраты. Поэтому важным шагом в этом направлении является исследование воздействия ферментов и их композиций на биополимеры.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Цель работы - исследование влияния условий ферментативной обработки природного целлюлозосодержащего материала - короткого льняного волокна - на его сорбционную способность по отношению к ионам меди и подбор оптимальных параметров модифицирования сорбента.
Экспериментальная часть
В работе были использованы следующие материалы и реактивы:
- короткое льняное волокно, представляющее собой вторичный продукт переработки льняной промышленности следующего состава, %: целлюлоза (75-78), гемицеллюлоза (9,4-11,9), лигнин (3,8), пектиновые вещества (2,9-3,2), воскообразные вещества (2,7), азотсодержащие вещества в расчете на белки (1,9-2,1), минеральные вещества (1,3-2,8);
- ферментные препараты (ФП), выпускаемые отечественной промышленностью: щелочная протеаза, В^к, и МСБ. Щелочная протеаза представляет собой гранулы размером 0,2-1,0 мм светло-серого или светло-бежевого цвета. Протеолитическая активность препарата 50000 и 100000 ед/г. Соответствует ТУ 64-1319-89 (бактерии, грибы). Основные характеристики ферментных препаратов В1 тк и МСБ представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика ферментных препаратов
Название фермента Внешний вид Состав ферментного комплекса Оптимум действия
NCE Бежевый порошок со Целлюлазы, эстеразы, рН 6,0-7,0; температура
специфичным запахом пектиназы 45-65 °С
В1 mix Бежевый порошок со Целлюлазы, гемицеллюлазы, рН 5,5-7,5; температура
специфичным запахом пектиназы, эстеразы 40-60 °С
CuSO4 5Н2О марки «х.ч.»
Процесс обработки короткого льняного волокна проводили в водных растворах ФП при модуле раствор / сорбент 5-50 и концентрации ферментов 1-10 % от массы сорбента в течение 1-3 ч при температуре 25-40 °С, после чего раствор отфильтровывали, а сорбент промывали дистиллированной водой и высушивали.
Изучение процесса сорбции ионов меди проводили в статических условиях из водных растворов сульфата меди.
Кинетику сорбции исследовали методом ограниченного объема раствора. Серию пробирок с навесками полимера (m) по 0,1 г заливали 0,01 дм3 модельного раствора (V) начальной концентрацией 1,510-4 моль/дм3 и выдерживали от 30 мин до 3 ч при перемешивании и термостатировании (293 К). Через определенные промежутки времени растворы отфильтровывали и в фильтрате определяли равновесную концентрацию ионов металла методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Сатурн».
Сорбционную способность полимера оценивали по величине сорбционной емкости А:
A = (С0 -cp)-v/m .
ИК-спектры образцов нативного и обработанного льняного волокна были сняты методом отражения. Запись спектров осуществлялась на спектрофотометре М-40 в области частот 400-4000 см-1.
Обсуждение результатов
Важными характеристиками полимерных сорбентов являются время достижения сорбционного равновесия и величина сорбционной емкости [7].
Кинетические исследования показали, что при извлечении ионов Си (II) нативным коротким льняным волокном равновесие в системе устанавливается в течение 40 мин. При этом величина сорбционной емкости природного полимера составляет 10,1-10-3 моль/кг (рис. 1).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что короткое льняное волокно, как и другие целлюлозные материалы, относится к сорбентам с невысокими сорбционными и кинетическими свойствами. Поэтому было исследовано влияние обработки короткого льняного волокна ферментными препаратами различной природы и активности на сорбционно-кинетические характеристики нативного полимера. Для определения оптимальных условий обработки сорбента ФП варьировались следующие параметры: время обра-
ботки сорбента растворами ФП; концентрация раствора ФП; модуль: раствор ФП/сорбент; температура раствора ФП.
Результаты влияния обработки природного полимера ФП на его сорбционные свойства представлены на рисунках 2-5. Было определено, что время сорбции ионов меди коротким льняным волокном, обработанным растворами ФП, сокращается по сравнению с необработанным сорбентом вдвое. Поэтому время сорбции во всех опытах с обработанным сорбентом не превышало 20 мин.
На основании зависимости сорбционной способности короткого льняного волокна от продолжительности ферментативной обработки (рис. 2) было установлено, что оптимальное время воздействия на субстрат для всех изученных ФП составляет 60 мин.
Оптимальное время обработки сорбента растворами ФП было определено при следующих фиксированных параметрах процесса: концентрация раствора ФП - 2 % от массы сорбента, температура раствора ФП -25 °С, модуль раствор ФП/сорбент - 50.
Рис. 1. Кинетика сорбции ионов Си(11) нативным Рис. 2. Влияние времени обработки короткого
льняным волокном льняного волокна растворами В1 тк (1), МСБ (2) и
протеазы (3) на его сорбционную емкость
Рис. 3. Влияние содержания Ві т1Х (1), МСБ (2) и протеазы (3) в растворе при обработке короткого льняного волокна на его сорбционную емкость
Рис. 4. Зависимость сорбционной способности короткого льняного волокна от модуля раствор ФП/сорбент при обработке растворами В1 т1Х (1) МСБ (2) и протеазы (3)
Рис. 5. Зависимость сорбционной способности короткого льняного волокна от температуры растворов ферментов Bi mix (1), NCE (2) и протеазы (3) в процессе обработки
Известно, что концентрация фермента оказывает существенное влияние на скорость ферментативной реакции. Она максимальна при насыщающей концентрации субстрата. Начальная скорость ферментативной реакции в случае избыточности субстрата будет зависеть от концентрации фермента. С учетом этого концентрация растворов ФП при обработке короткого льняного волокна варьировалась в пределах 1-10% от массы сорбента.
Из рисунка 3 видно, что зависимость сорбционной способности короткого льняного волокна от концентрации растворов ФП в процессе обработки сорбента носит экстремальный характер со слабо выраженным максимумом в области концентраций 2-7% от массы сорбента. Зависимость получена при следующих параметрах обработки: температура раствора ФП - 25 °С, модуль - 50, время обработки 60 мин.
На рисунке 4 приведена зависимость сорбционной способности короткого льняного волокна от модуля обработки растворами ферментов: B1 mix, NCE и протеазы. Эта зависимость характеризует незначительное изменение сорбционной емкости обработанного короткого льняного волокна по отношению к ионам меди в интервале М = 5-50. При этом наилучшие результаты для ФП B1 mix и NCE наблюдались при модуле раствор ФП/сорбент 20. В случае протеазы максимальная сорбция ионов меди наблюдается при величине модуля 10.
Экспериментальные данные по влиянию модуля обработки получены при следующих параметрах: время обработки - 60 мин, концентрации растворов ФП: B1mix, NCE и протеазы - 5 % от массы сорбента, температура растворов для всех ферментов в процессе обработки составляла 25 °С.
Оптимальная температура, при которой наблюдается максимальная активность, для большинства ферментов находится в пределах 37-50 °С, но некоторые ферменты имеют температурный оптимум за пределами этого интервала.
Влияние температуры на активность фермента обычно имеет сложный характер, так как обусловлено целым рядом факторов:
- влиянием температуры на скорость расщепления фермент-субстратного комплекса на свободный фермент и продукт реакции;
- влиянием температуры на сродство фермента к субстрату;
- влиянием на процессы ионизации всех компонентов реакции: самого фермента, субстрата, промежуточных и конечных продуктов реакции;
- влиянием на образование таких ассоциатов, как «фермент - активатор» или «фермент - ингибитор»;
- влиянием на процесс денатурации ферментного белка. При этом на термостабильность фермента влияют два основных параметра: температура и время воздействия на фермент. Кроме того, на термостабильность различных ферментов могут оказывать влияние такие факторы, как рН среды, ее солевой состав, защитное действие субстрата [8].
На рисунке 5 представлена зависимость сорбционной способности короткого льняного волокна от температуры растворов ферментов в процессе обработки. Экспериментальные данные получены при следующих
параметрах: время - 60 мин, модуль раствор ФП/сорбент в случае В1 т1Х и МСБ - 20, для раствора протеазы -10; концентрации растворов ФП - 5% от массы сорбента. Обработка льна растворами ферментов в области температур 20-60 °С оказывает заметное влияние на величину сорбционной способности короткого льняного волокна. Обнаружено наличие размытого максимума в интервале 30-55 °С. Эти результаты согласуются с литературными данными по оптимальным температурным пределам активности ферментов.
Таким образом, на основании результатов эксперимента по эффективности воздействия ФП на величину сорбционной емкости короткого льняного волокна исследованные ФП можно расположить в следующий ряд: протеаза < МСБ < В1т1Х.
Полученные данные можно объяснить тем, что природные целлюлозные волокна являются сложными биополимерными субстратами, в состав которых, кроме основного компонента - целлюлозы (~77%), входят также гемицеллюлозы, лигнин, пектиновые, воскообразные, азотсодержащие и минеральные вещества [9].
Наличие в льняном волокне гидрофобных компонентов, к которым относятся лигнин и воскообразные вещества, затрудняет адсорбцию водных растворов реагентов (ионов меди) и замедляет скорость их проникновения в глубь волокна. Следовательно, для улучшения сорбционных характеристик короткого льняного волокна необходимо удалить из него гидрофобные вещества.
Наиболее трудноудаляемой частью загрязнений природных растительных волокон являются воскообразные вещества. В их состав входит природная смесь сложных эфиров, свободных предельных и непредельных жирных кислот, различных высокомолекулярных спиртов и некоторых углеводородов. Наличие этих веществ в волокнах придает последним водоотталкивающие свойства, препятствуя смачиванию водными растворами. Из используемых в работе ферментов можно отметить эстеразы, которые гидролизуют сложноэфирные связи, а следовательно, способны деструктировать воскообразные вещества.
Было сделано предположение о том, что частичное удаление лигнина может происходить при обработке льна композицией ферментов, включающей пектиназы, гемицеллюлазы и целлюлазы. Вероятно, удаление лигнина обусловлено нарушением стабильной системы межмолекулярных связей системы целлюлоза -лигнин - полисахариды в результате гидролитического распада пектиновых веществ и гемицеллюлоз (пектиновые вещества через боковые цепочки соединены с гемицеллюлозами, а затем - с волокнами целлюлозы). При этом увеличение гидрофильности льняного волокна обеспечивается, во-первых, частичным удалением гидрофобных компонентов (лигнин, гемицеллюлозы), содержащихся в срединных пластинках, во-вторых, увеличением его пористости как за счет вымывания лигнина, так и в результате селективного гидролиза пектиновых веществ, в-третьих, освобождением активных групп целлюлозы для связывания воды.
Наблюдаемые в процессе эксперимента сокращение времени достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе короткое льняное волокно - раствор сульфата меди, а также увеличение сорбционной способности модифицированного сорбента свидетельствуют о возрастании гидрофильности волокна и увеличении количества активных групп для сорбции.
Оптимальные параметры обработки короткого льняного волокна растворами ФП приведены в таблице.
Проведение процесса обработки сорбента с использованием оптимальных параметров модифицирования приводит к увеличению его сорбционной способности в сравнении с природными образцами по отношению к ионам меди на 43-72%. При этом наибольший эффект достигается в случае обработки короткого льняного волокна комплексным ферментным препаратом В1 т1Х, в состав которого входят целлюлазы, геме-целлюлазы, пектаназы, эстеразы. Наименьшее воздействие на сорбент с точки зрения улучшения его сорбционной емкости оказывает обработка протеазой.
Оптимальные параметры обработки короткого льняного волокна ФП
ФП Время обработки, мин Концентрация раствора ФП, % от массы сорбента Модуль раствор ФП/сорбент Температура обработки, °С А-103, моль/кг
Без обработки - - - - 10,1
в -°1шіх 60 2 20 35 17,4
ЫСЕ 60 2 20 35 16,3
Протеаза 60 4 10 35 14,5
Это можно объяснить тем, что в процессе обработки короткого льняного волокна ферментными препаратами происходят изменения одновременно в углеводном, белковом и липидном комплексе льна, что приводит к увеличению сорбционной способности сорбента за счет возрастания его пористости и гидро-фильности, а также увеличения количества и доступности функциональных групп, способных связывать ионы тяжелых металлов.
Для выяснения характера взаимодействия ионов меди с функциональными группами короткого льняного волокна были изучены ИК-спектры образцов нативного волокна и образцов льняного волокна, обработанных ферментами (рис. 6).
Природный лен представляет собой смесь полимеров, содержащих различные функциональные группы, обладающие донорными свойствами: карбоксильную, эфирную, гидроксильную. ИК-спектр исходного (нативного) льняного волокна имеет характеристический набор полос поглощения целлюлозы, обогащенной лигнином. В нем наблюдаются интенсивные полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями связей С=О, С-О-С, ОН.
Сравнение ИК-спектров нативного и модифицированных образцов льняного волокна показывает некоторое снижение интенсивности полос, вероятно, вызванное уменьшением энергии меж- и внутримолекулярных водородных связей полимеров льняного волокна, подвергнутого ферментативной обработке. Нарушение стабильной системы межмолекулярных связей целлюлоза - лигнин - полисахариды при воздействии пектиназ, гемицеллюлаз и целлюлаз в случае обработки льняного волокна композицией ферментов приводит к очищению волокна от лигнина в результате гидролитического распада компонентов углеводного комплекса (пектиновых веществ, гемицеллюлоз и частичной деструкции целлюлозы). Наблюдаемое уменьшение «диффузности» широкой полосы поглощения в области 3100-3600 см-1, обусловленной валентными колебаниями гидроксильных групп, включенных в водородные связи, по-видимому, объясняется снижением интенсивности межмолекулярного взаимодействия за счет водородных связей инкрустирующих веществ и целлюлозы, увеличением доступности целлюлозы в результате удаления пектиновых веществ и гемицеллюлоз и разрыхления ее структуры.
Рис. 6. ИК-спектры нативного льняного волокна (1) и льняного волокна, обработанного протеазой (2), ферментными препаратами NCE (3) и В1 тіХ (4)
В спектрах льна, обработанного ферментами различной субстратной активности, отмечаются изменения в области 3000-2800 см1, где проявляются характеристические полосы поглощения моно- и полифенолов, т.е. лигнина и дубильных веществ. В этом интервале частот находятся полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями -СИ и -СН2 групп. Так, интенсивность полос при 2917 и 2852 см-1 снижается по сравнению с нативным волокном, что может быть связано с изменением структуры субстрата.
Наличие в ИК-спектре природного льна в области 1800-1600 см-1 полос поглощения при 1646, 1664, 1740 см-1 связано с присутствием в исследуемом субстрате карбоксильных групп. Спектр в этой области имеет довольно сложную структуру, что обусловлено имеющимися в льняном волокне карбоксильными группами полимеров различной природы. На спектрах образцов льна, обработанного композицией ферментов, интенсивность полосы при 1740 см-1 заметно снижается. на интенсивность поглощения в области 1800...1600 см-1 может оказывать влияние и влага, удерживаемая льняным волокном. Высокая гигроскопичность льняного волокна связана с наличием в нем значительного количества пектиновых веществ. Снижение интенсивности полос поглощения образцов обработанного льна в этой области спектра может быть связано с освобождением волокна от пектиновых веществ.
Полосы при 1600-1510 см-1 связаны с поглощением, обусловленным скелетными колебаниями ароматических структур. Спектр нативного льна характеризуется наличием близкорасположенных полос при 1568 см-1, 1560 см-1 и полосы при 1520 см-1. На спектрах ферментативно обработанного волокна такая конфигурация полос выражена менее интенсивно, за исключением образца льна, обработанного протеазой.
В области 1210-830 см-1 в спектрах образцов льна, обработанных композицией ферментов, наблюдается снижение интенсивности полос поглощения, связанных с колебанием связей СС и СО, по сравнению с нативным субстратом [10]. Таким образом, наблюдаемые изменения в спектрах ферментативно обработанных образцов льна свидетельствуют об изменениях в структуре субстрата, обусловленных разрушением под действием ферментов (целлюлаз, гемецеллюлаз, пектаназ, эстераз) меж- и внутримолекулярных связей биополимеров льняного волокна.
Выводы
1. Изучены сорбционные свойства нативного и ферментативно обработанного короткого льняного волокна по отношению к ионам Cu(II).
2. Определены оптимальные параметры обработки короткого льняного волокна различными ферментными препаратами.
3. Установлено, что обработка короткого льняного волокна композицией ферментов приводит к увеличению его сорбционной способности на 43-72%. При этом наибольший эффект достигается в случае использования комплексного ферментного препарата Bi mix.
4. Обнаружено, что время установления равновесия при сорбции ионов меди коротким льняным волокном, обработанным различными ферментами, сокращается до 20 мин, т.е. в два раза по сравнению с необработанным полимером.
5. Сделано предположение, что улучшение сорбционно-кинетических характеристик природного полимера можно объяснить изменениями в его структуре, обусловленными разрушением под действием комплекса ферментов меж- и внутримолекулярных связей биополимеров льна. Эти изменения подтверждаются ИК-спектрами льняного волокна, обработанного различными ферментами.
Список литературы
1. А.с. 1819669 СССР. Способ получения сорбента для очистки сточных вод меди / С.С. Тимофеева, Б.Ф. Кухарев, В.К. Станкевич, Г.Р. Клименко // БИ. 1993. №21. С. 81.
2. Shukla S.R., Sakhardande V.D. Cupric ion removal by dyed cellulosic materials // J. Appl. Polym. Sci. 1990. V. 41. №11-12. P. 2655-2663.
3. Toshihiko Sato, Kazuhiro Karatsu, Hiromi Kitamura, Yasuo Ohno. Synthesis of cellulose derivatives containing amino acids resides and their adsorption of metal ions // Sen-i gakkaishi. J. Soc. Fiber Sci. and Technol., Jap. 1983. V. 39. №12. P. 519-524.
4. Патент 2217231 РФ. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Т.Е. Никифорова , И.А. Багровская, С.А. Лилин, В.А. Козлов и др. // БИ. 2003. №33. С. 121.
5. Патент 2217389 РФ. Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов / Т.Е. Никифорова,
Н.А. Багровская, В.А. Козлов, С.А. Лилин и др. // БИ. 2003. №33. С. 179.
6. Соложенкин П.М., Юнусов М.М., Волович Т.Р., Хакимходжаев Н., Сайдова М.Б. Сорбция ионов серебра (I) и меди (II) новым модифицированным целлюлозным волокном // Доклады АН Таджикской ССР. 1983. Т. 26. №12. С. 780-783.
7. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л., 1983. 295 с.
8. Николаев А.Н. Ферменты. М., 1981. 395 с.
9. Кричевский Г.Е., Корчагин М.В., Сенахов А.В. Химическая технология текстильных материалов. М., 1985. 640 с.
10. Бинден Р.З. Инфракрасная спектроскопия высокополимеров. М., 1966. 208 с.
Поступило в редакцию 14 июля 2005 г.
