CC BY
89
УДК 630.813.11; 633.873.1
ВОЗДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ НА ДРЕВЕСИНУ ДУБА
© Г. Ф. Антонов^ , А.В. Баженов2, Т.Н. Вараксина1, С.Ю. Евграфова1, Н. Т. Коновалов3,
Н.Н. Коновалова2, Н.В. Пашенова1, В.В. Стасова1
1 Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Академгородок, Красноярск,
660036 (Россия) Е-mail: institute@forest.akadem.ru
2Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка Московской обл.
(Россия) E-mail: bazhenov@issp.ac.ru
3ООО «ЧЗАП «ОСТ-АЛКО», Черноголовка Московской обл. (Россия)
E-mail: natachg@yandex.ru
Изучали кратковременное воздействие ультразвука высокой мощности на древесину дуба, выросшего в разных по влажности условиях, которая была подвергнутая различной временной выдержке на воздухе. Показано, что ультразвук высокой мощности уже за 30 сек. избирательно влияет на микрофлору древесины, существенно изменяет ее пористость, действуя на стенки волокон либриформа и на мелкие сосуды, структуру лигнина, степень растворимости углеводов и фенольных соединений, а также их состав.
Ключевые слова: ультразвук, древесина дуба, либриформ, сосуды, углеводы, фенольные соединения, лигнин, микроорганизмы.
Введение
Неотъемлемым технологическим фактором при производстве высококачественной вино-коньячной продукции является использование древесины дуба, поскольку ее компоненты (фенольные вещества, углеводы, лигнин, продукты его деструкции и др.) играют очень важную роль в сложении аромата и вкуса продукта. Процесс созревания винодельческой продукции обусловливается полнотой перехода веществ в напиток и во многом определяется видом используемого дуба, содержанием в его древесине необходимых компонентов и степенью их доступности. Еще одним обязательным технологическим требованием при использовании древесины дуба в производстве вино-коньячной продукции является ее предварительная выдержка на воздухе, так как процессы, которые происходят в древесине под влиянием воздуха и микрофлоры, благотворно влияют на вкус и качество напитка.
Для интенсификации извлечения компонентов древесины в коньячный спирт предлагалось много физических и химических способов обработки древесины, которые в большинстве своем предусматривали обработку коньячных спиртов или системы «древесина - коньячный спирт». Обработка такой системы имеет свои как положительные, так и отрицательные стороны.
Одним из способов, которые предлагались для усиления экстракции различных растительных компонентов из древесины и интенсификации химических реакций, является ультразвук [1-6]. Он применялся для улучшения проницаемости древесины [5], увеличения скорости процесса сушки [6, 7]. Ультразвук считают одним из наиболее эффективных недеструктивных тестовых методов для диагностики древесины, особенно подвергнутой гниению [8, 9], и для предсказания некоторых механических свойств древесины [10]. Среда, в которой распространяются акустические волны, по-разному может действовать на испытуемый материал. Ультразвук в средах, содержащих воду, более эффективно экстрагирует из древесины дуба углеводы, танины и другие фенольные вещества
* Автор, с которым следует вести переписку.
[3, 11]. Под действием акустических колебаний как в водно-спиртовой среде, так и в воздушной, т.е. при непосредственном контакте генерирующего устройства с древесиной, нарушается анатомическая структура древесины дуба, изменяются морфологические параметры ее элементов, особенно волокон либриформа, а также межмо-лекулярные связи ее компонентов [12]. На лигнин древесины дуба УЗ низкой мощности в разных средах и при разных экспозициях действует по-разному [13]. Особенно значительные деструктивные изменения в лигнине наблюдались при использовании в качестве среды воды и водно-спиртовых растворов.
Основным фактором, влияющим на скорость прохождения физико-химических процессов в ультразвуковом поле в водной среде, является кавитация, которая наиболее активно проявляется на границе раздела фаз твердое тело - жидкость. Вследствие появления и схлапывания кавитационных пузырьков поверхность древесины испытывает постоянное воздействие сил. Под действием ультразвука нарушается целостность клеточных стенок древесины, что способствует более интенсивному проникновению растворителя в более глубокие слои клеток и извлечению ее компонентов. При этом кавитация сопровождается химическими реакциями, источником которых являются активные вещества и радикалы, образующиеся как в кавитационных полостях, так и на границе раздела кавитационная полость - 24жидкость, что приводит к накоплению в среде гидроксильных радикалов, Н-атомов, различных перекисей и др. [14, 15]. Согласно расчетам возникновение кавитации в ультразвуковом поле возможно не только в жидких средах, но и в капиллярах древесины и межфибриллярном пространстве целлюлозы (16), что возможно благодаря присутствию связанной воды.
Ранее мы исследовали действие на древесину дуба УЗ низкой мощности (не более 5 Вт/см2) при времени экспозиции от 30 до 60 мин [11-13]. При этом в основном использовалась древесина дуба из нагорной дубравы. В то же время древесина дуба из нагорной и пойменной дубрав, отличающихся по условиям увлажнения, имеет различия по некоторым морфологическим параметрам и химическому составу [17].
В настоящей работе сделана попытка оценить воздействие УЗ высокой мощности при короткой экспозиции на структуру и химический состав древесины дуба черешчатого разных условий произрастания. Кроме того, поскольку выдержка на воздухе сопровождается заселением древесины микрофлорой, одновременно ставилась задача определить влияние УЗ на ее состав.
Материалы и методы
Объектом исследования являлась древесина дуба черешчатого ((^пвгет гвЬыг Ь.) и препараты лигнина, выделенного из древесины до и после воздействия на нее ультразвука. Поскольку по технологии коньячного производства древесина дуба проходит предварительную выдержку на воздухе, в опытах использовали два образца древесины. Дуб в возрасте 150 лет был срублен в нагорной дубраве Воронежской области (образец №1) и выдержан на воздухе в течение 1 года. Дуб в возрасте 100 лет был взят в пойменной дубраве той же области (образец №2) и выдержан на воздухе в течение 6 лет (3,5 года на улице и 2,5 года в помещении). Из дисков срубленных деревьев на одинаковом расстоянии от сердцевины, что соответствовало по годичным кольцам возрасту 80-90 лет, выпиливали по два образца размером 10x5x2 см. Для микробиологического анализа образцы выпиливали на том же уровне.
Ультразвуковую обработку образцов древесины проводили при непосредственном контакте с источником акустических колебаний на воздухе в диапазоне больших мощностей (порядка 80 Вт/см2) при частоте 18-20 кГц. Обработку ультразвуком в воздушной среде проводили в течение 30 сек.
Микробиологический анализ древесины до и после УЗ выполнялся в две стадии. На первом этапе поверхность образцов 20 мин промывали при встряхивании стерильной водой для удаления пропагул микроорганизмов. На второй стадии промытые образцы размалывались до тонкого порошка и суспендировались при встряхивании в 20 мл стерильной воды. Смывы и опилочные суспензии использовали для засева агари-зованных сред согласно стандартному методу [18]. В качестве сред использовали глюкозо-пептоно-дрожжевой агар [19], позволяющий выявить до 90% всех бактериальных форм, и агаризованное пивное сусло (4°Б) в качестве универсальной среды для грибов. Засеянные чашки Петри инкубировали в течение 7-14 дней при 24 °С, после чего учитывали количественный и качественный состав развившихся микроорганизмов. Результаты рассчитывались как среднее из трех измерений.
Анатомическую структуру годичных слоев древесины дуба обоих мест произрастания исследовали с помощью светового микроскопа до и после ультразвукового воздействия. Кроме ширины годичных слоев на поперечных срезах определяли такие морфометрические показатели древесины, как размеры крупных и
мелких сосудов, удельный объем сосудов, толщину клеточных стенок ранних трахеид и волокон либрифор-ма, а также пористость либриформа линейным методом по [20].
Перед химическим анализом древесину необработанных и обработанных ультразвуком образцов дробили до размеров технологической щепы, обрабатывали 65% этанолом (гидромодуль 1: 10) при комнатной температуре при постоянном встряхивании в течение 7 дней. Экстракт отделяли от щепы фильтрованием и замеряли его объем. Отношение объемов экстракта и водно-спиртовой смеси, взятой для экстракции щепы, служили показателем поглощения древесины. Щепу сушили на воздухе, а затем подвергали водной экстракции при температуре кипящей водяной бани в течение 3 ч.
Часть щепы после водно-спиртовой экстракции измельчали до опилок и фракцию размером 0,25-1 мм использовали для определения влажности древесины, содержания целлюлозы и лигнина. Целлюлозу определяли по методу Кюршнера [21]. Лигнин выделяли методом Класона в модификации Комарова [21] и затем обрабатывали 96% этанолом, определяя весовым методом количество растворимых и нерастворимых фракций лигнина. Полученные препараты лигнина и его фракций исследовались гель-фильтрационной хроматографией, как указано в [13].
Локализацию лигнина в необработанной и обработанной древесине проверяли гистохимическими реакциями на тонких срезах с помощью крезил-виолета, дающего разную окраску в зависимости от распределения красителя внутри ткани и доступности хромофорных групп [22]. Распределение отдельных типов лигнина проверяли реакциями Визнера (гваяцил-пропановые единицы лигнина) и Меуле (сирингил-пропановые единицы).
В спиртовых и водных экстрактах весовым методом определяли общее содержание веществ, растворимых в 65% спирте и воде, а также содержание углеводов, общих фенольных веществ, связанных и свободных (растворимых в эфире) форм фенолокислот и катехинов. Углеводы определяли по методу [23], фенолы - по методу [24]. Катехины как конденсированные таннины определяли с ванилином в соляной кислоте.
Гель-фильтрацию проводили на колонке с Sephadex G-75 в условиях, указанных в [13]. ИК-спектры измеряли на тонких слоях (10 мкм) лигнина в ИК Фурье-спектрометре IFS-113v [13].
Результаты и обсуждение
Микробиологический тест. Данные микробиологического анализа, приведенные в таблице 1, показывают присутствие различных микробиологических форм в исходной древесине дуба из нагорной дубравы (образец №1). На поверхности этого образца микрофлора представлена бактериями, грибами и актиномицетами. Среди актиномицетов на поверхности дубовой клепки наблюдались темноокрашенные грибы из родов Alternaria, Aureobasidium, а также грибы широко распространенного в природе рода Penicillium. В пространстве самой древесины преобладают грамположительные бактерии (405,3 тыс. КОЕ/г древесины) и встречаются микроскопические грибы (2,6 тыс. КОЕ/г древесины). Результаты показывают, что даже после одного года выдержки на воздухе отмечается микробиологическая колонизация древесины дуба.
В смыве с образца древесины того же происхождения после УЗ (№93) было найдено большое количество мицелиальных дрожжей. В древесине микрофлора была представлена только бактериями и в основном грам-положительными видами. Увеличение количества бактерий в образце древесины из нагорной дубравы после УЗ может быть вызвано десорбцией в ходе обработки. Обработка акустическими волнами рассматривается как наилучший метод для десорбции бактерий и актиномицетов из почвенной суспензии [25].
Водный смыв с образца древесины из пойменной дубравы после УЗ обработки (образец №4) был практически стерилен (0,3 тыс. КОЕ/г), тогда как число бактерий внутри древесины достигало значительной величины. Присутствие другой микрофлоры отмечено не было. Микробиологическая колонизация древесины дуба из пойменной дубравы не проверялась, однако присутствие бактерий на поверхности и очень высокое их количество внутри древесины может свидетельствовать, во-первых, о высокой колонизации микрофлорой исходной древесины, а во-вторых, о таком же воздействии УЗ на микрофлору, как это наблюдалось для образца из нагорной дубравы.
Таким образом, грамм-положительные бактерии присутствовали в обоих образцах после обработки древесины УЗ, тогда как мицелиальные грибы обнаружены не были. Последнее, вероятно, является результатом локального нагревания древесины, вызванного ультразвуковыми волнами при прохождении древесины. В связи с этим существует, по-видимому, потенциальная возможность использовать УЗ для стерилизации древесины.
Таблица 1. Количественный состав микрофлоры на поверхности образца и в размолотой древесине дуба
№ образца Бактерии Грибы Мицелиальные дрожжи Актиномицеты Суммарная численность микроорганизмов
1 смыв* 1,1 0,8 0,0 1,4 3,3
размолотый 405,3 2,6 0,0 0,0 407,9
3 смыв 0,0 0,0 117,9 0,0 117,9
размолотый 882,2 0,0 0,0 0,0 882,2
4 смыв 0,3 0,0 0,0 0,0 0,3
размолотый 2282,3 0,0 0,0 0,0 2282,3
Примечание: КОЕ - колониеобразующие единицы; * - промывные воды с поверхности образца древесины, КОЕ /см ;
** - водная суспензия размолотой древесины, КОЕ х 10 3/г сухой древесины.
Анатомический анализ. Анализ структуры годичных колец древесины дуба из двух местообитаний показал существенные различия по некоторым морфологическим параметрам (табл. 2).
Так, годичные слои в древесине нагорного дуба в полтора раза уже, чем пойменного, что объясняется положительным влиянием более влажных условий произрастания последнего. Размеры крупных и мелких сосудов, а также их удельный объем в древесине нагорного дуба достоверно больше, чем в древесине дуба из пойменного местообитания. Содержание либриформа в древесине нагорного дуба меньше, чем пойменного, что становится понятным, если учесть большее количество поздней древесины в образце дуба из пойменной дубравы. В то же время пористость образцов практически одинакова (табл. 2).
После обработки древесины ширина годичных колец в древесине нагорного насаждения (образец №3) достоверно не изменяется, тогда как в древесине из пойменного насаждения (образец №4) становится больше. Возможно, это связано с разной реакцией сосудов на воздействие УЗ. В древесине №3 площадь крупных сосудов уменьшается в основном, по-видимому, за счет сокращения их тангентальных размеров. В мелких сосудах, наоборот, наблюдалось увеличение тангентального, но, в основном, радиального размера, благодаря чему суммарная площадь поперечного сечения мелких сосудов немного увеличивается. Значительное увеличение площади крупных сосудов в образце №4 отмечалось за счет увеличения их радиального размера, а незначительное увеличение размеров мелких сосудов - из-за увеличения их тангентальных размеров. После УЗ удельный объем крупных и мелких сосудов в древесине из нагорного насаждения практически не изменился, тогда как в древесине пойменного насаждения увеличился более, чем в полтора раза.
Элементы ранней древесины дуба сравнительно устойчивы к действию УЗ, о чем свидетельствуют размеры толщины клеточной стенки ранних трахеид обоих образцов до и после обработки (1,78 и 1,85 мкм для дуба из нагорной дубравы; 1,8 и 1,79 мкм для дуба из пойменной дубравы). В отличие от трахеид волокна либриформа оказались более чувствительными к действию ультразвука. В древесине сократилась толщина стенок волокон, и одновременно увеличился просвет люмена, благодаря чему повысилась пористость либриформа, которая после обработки в обоих образцах увеличилась по сравнению с контролем почти вдвое. Аналогичное воздействие УЗ на элементы ранней и поздней древесины отмечалось после обработки древесины дуба ультразвуком малой мощности [17].
Таким образом, ультразвук в древесине действует главным образом на структурные элементы малых размеров, что связано, вероятно, с наличием большего количества адсорбированной воды и, как следствие, усилением кавитационных явлений.
Гистохимическими исследованиями ранее [17] было установлено, что сложные срединные пластинки, окружающие такие структурные элементы древесины дуба, как волокна либриформа, трахеиды, клетки лучевой паренхимы и внутренние стенки сосудов, содержат в основном лигнин гваяцильного типа. Лигнин с сирингильными структурными единицами локализован в стенках трахеид поздней древесины, но главным образом сосредоточен в стенках волокон либриформа. Существенных различий между локализаций этих типов лигнина в исследованных образцах древесины до и после УЗ не наблюдали, т.е. УЗ не повлиял существенным образом на распределение лигнина в структурных элементах древесины дуба.
Химический состав. Древесина дуба двух использованных в работе образцов отличается по химическому составу (табл. 3). Это может быть как следствием разных экологических условий в местах обитания, так и разной по времени выдержки на воздухе. Древесина дуба из пойменной дубравы содержит меньше лигнина и веществ, растворимых в водно-спиртовой смеси и в воде. В то же время она содержит больше низкомолекулярных фракций лигнина, способных растворяться в спирте, и обладает большей поглощающей способностью, чем древесина дуба №1, что согласуется с большей площадью, занимаемой сосудами (табл. 2).
Таблица 2. Анатомические характеристики древесины дуба до и после обработки ультразвуком высокой
мощности
Нагорный Пойменный
Параметры Образец №1 Образец №3 Образец №2 Образец №4
(контроль) (носле обработки) (контроль) (носле обработки)
Ширина годичных колец, мкм 10б1,30±49,84 997,30±55,40 1443,0б±б,бб 1б82,29±88,57
Крупные сосуды:
радиальный диаметр, мкм 305,2б±12,70 311,89±3,97 2б4,50±9,29 299,92±8,08
тангентальный диаметр, мкм 29б,13±8,б8 2бб,05±4,78 231,00±13,49 247,31±б,2б
2 площадь поперечного сечения, мкм 723б7,8±4747,8 б5133,8±1407,5 48б71,1±3027,3 58538,1±б02,9
Мелкие сосуды
радиальный диаметр, мкм 38,53±1,15 4б,20±1,44 37,82±1,13 3б,2б±1,33
тангентальный диаметр, мкм 35,б0±0,92 37,б5±0,78 29,59±0,83 32,97±0,79
площадь поперечного сечения, мкм2 1108,5±47,б 13б5,4±7б,1 882,0±44,1 949,5±5,2
Удельный объем сосудов, %
крупных 30,82±1,05 33,б2±1,33 1б,37±2,35 28,93±2,53
мелких 5,17±0,38 3,б7±0,33 3,б7±0,58 5,б4±0,49
общий 35,99±0,99 37,29±2,00 19,83±2,20 34,57±2,09
Пористость либриформа, % 5,7б±0,3б 9,75±1,22 4,95±0,80 9,79±0,52
Толщина стенок ранних трахеид, мкм 1,78±0,08 1,85±0,0б 1,80±0,05 1,79±0,04
Толщина стенок либриформа, мкм б,43±0,22 5,49±0,28 5,93±0,23 5,50±0,13
Площадь поперечного сечения люмена 10,70±,40 1б,82±0,83 5,07±0,79 18,90±0,95
либриформа, мкм2
Таблица 3. Химический состав древесины дуба до и после обработки ее ультразвуком высокой мощности в течение 30 сек
Наименование показателя Дуб черешчатый из нагорной дубравы, 1 год выдержки Дуб пойменный, общий срок выдержки б лет
до обработки №1 №3 после обработки УЗ до обработки №2 №4 после обработки УЗ
Поглощение спитового раствора, % 13,3±0,б 15,4±0,5 15,3±0,б 11,9±0,5
Вещества, растворимые в 65% эта- 4,б2±0,10 7,21±0,05 3,18±0,08 11,31±0,12
ноле, % от сухого веса Вещества, растворимые в воде, % от 8,37±0,08 14,12±0,04 7,95±0,0б 18,25±0,09
сухого веса Лигнин, % от сухого веса 31,80±0,05 33,50±0,07 25,б0±0,05 32,40±0,0б
Лигнин, растворимый в 96% спирте, 7,15±0,07 4,30±0,10 10,б5±0,12 5,0б±0,11
% от количества лигнина Целлюлоза, % от сухого веса 39,20±0,08 41,44±0,13 37,70±0,10 Зб,б9±0,11
После УЗ обработки древесины из нагорной дубравы (образец №3) количество спирта, поглощаемого древесиной, незначительно увеличивалось (табл. 3), что, очевидно, вызвано повышением ее пористости. Увеличилось также количество целлюлозы и лигнина, вероятно, из-за сорбции деструктированных компонентов гемицеллюлоз. В то же время снизилось содержание фракции лигнина, растворимой в спирте, что может быть результатом сильного окислительного и/или гидролитического воздействия на эту фракцию лигнина и согласуется с одновременным существенным повышением количества веществ, растворимых в водном этаноле и воде.
Воздействие ультразвука высокой мощности на древесину дуба из пойменной дубравы было еще значительней (образец №4). Отмечалось понижение содержания целлюлозы и существенное увеличение количества лигнина. Под влиянием ультразвука высокой мощности произошло, вероятно, расщепление полимерных углеводов биологически разрушенной древесины, что привело к сорбции (или связыванию) остатков полисахаридов макромолекулами лигнина и, как следствие, увеличению его количества. Подобное явление наблюдалось при обработке древесины дуба ультразвуком невысокой мощности в течение 15 и 35 мин [26]. Существенно сократилось количество лигнина, способного растворяться в спирте, как это наблюдалось после воздействия УЗ на древесину из нагорной дубравы. По сравнению с необработанной древесиной, более чем в 3 раза увеличилось количество веществ, растворимых в водно-спиртовой смеси, и более чем в два раза компонентов, растворимых в воде.
Несмотря на значительное увеличение удельного объема сосудов, в древесине №4 отмечалось снижение поглощения водно-спиртового раствора. Обычно обработка древесины дуба ультразвуком как низкой [26], так и высокой мощности (образец №3) увеличивала способность древесины адсорбировать эту смесь. Неожиданное снижение этого показателя в образце №4, вероятно, связано с наполнением субмикроскопических капилляров продуктами разрушения древесины, которое усилилось под влиянием ультразвука, что и привело к уменьшению поглощаемости раствора. Другой причиной может быть снижение гидрофильности поверхности микрокапиляров древесины из-за уменьшения количества доступных гидроксильных групп в гемицеллюлозах, целлюлозе и/или лигнине. Указывается, что удаление более гигроскопичного компонента из древесины или блокирование гидроксильных групп уменьшает сорбционную способность древесины [27].
По содержанию углеводов и фенолов спиртовые и водные экстракты исходных образцов древесины дуба до ультразвуковой обработки практически не отличались (табл. 4). Обработка УЗ действовала по-разному на древесину двух исходных образцов, что отразилось на количестве углеводов и фенолов, экстрагируемых водно-спиртовой смесью и водой. Спиртовой экстракцией из древесины образца №3 извлекалось в два, а образца №4 -в пять раз больше углеводов, чем до обработки. Напротив, количество углеводов, извлекаемых водой, уменьшилось после обработки древесины УЗ, что, возможно, является следствием гидролитического расщепления водорастворимых олигомерных углеводов, благодаря чему повысилась их растворимость в спиртовом растворе.
Количество фенолов, извлекаемых спиртовой и водной экстракцией, также увеличилось после обработки древесины ультразвуком. Ультразвук особенно значительно подействовал на древесину дуба из пойменной дубравы, которая предварительно подверглась большей микробиологической деструкции. Количество фенолокислот, растворимых в спиртовом растворе и воде, увеличилось после обработки более чем в 2 раза (табл. 4).
Существенные различия наблюдались и в составе фенолов (табл. 4). В спиртовых экстрактах соотношение связанных и свободных фенолокислот было практически равно 1 : 1 как для образца №3, так и №4. В водных экстрактах этих образцов количество свободных фенолокислот в 17 и 30 раз меньше, чем связанных. Увеличение количества свободных фенолокислот в спиртовых экстрактах происходит, очевидно, за счет гидролитического разрушения как растворимой в спирте части лигнина (снижение его содержания в древесине после ультразвуковой обработки отмечалось выше), так и связанных фенолокислот. После 35 мин воздействия УЗ малой мощности растворимость веществ в спиртовом растворе и воде тоже повышалась, и количество спирторастворимого лигнина увеличивалось [26], но эфирные связи фенолокислот не разрушались, и соотношение свободных и связанных фенолокислот составляло в среднем 1 : 20-30.
Таким образом, даже при минорных экспозициях (только 30 сек) УЗ высокой мощности вызывает очень существенную деструкцию компонентов древесины дуба.
Высокая степень деструкции древесины и ее компонентов под влиянием ультразвука высокой мощности проявилась также при анализе содержания катехинов. Реакция с ванилином в соляной кислоте, характерная для конденсированных таннинов, не дала ожидаемых результатов. Развитие окраски растворов не соответствовало стандарту. Растворы имели коричневый или коричневато'-зеленый цвет, что может указывать на присутствие каких-то продуктов окисления катехинов. В отличие от этого, при анализе экстрактов древесины, обработанной ультразвуком малой мощности, растворы имели фиолетовую окраску, адекватную общепринятой.
Лигнин. Изучение надмолекулярной структуры лигнинов из образцов необработанной и обработанной ультразвуком древесины методом гель-хроматографии показало, что молекулярно-массовое распределение макромолекул лигнина под влиянием ультразвуковых волн меняется в зависимости от молекулярного веса составляющих его фрагментов и степени деструкции самой древесины.
Лигнин необработанной ультразвуком древесины дуба нагорного насаждения содержит ясно выраженный высокомолекулярный фрагмент, выходящий достаточно узким пиком при 8 мл, и более низкомолекулярные соединения, дающие размытый пик со слабо выраженным объемом выхода при 14 мл (рис. 1а). Так как гель-фильтрация проводилась в растворе ДМСО + ЫС1, т.е. возможные внутри- и межмолекулярные взаимодействия были подавлены, это показывает, что препарат действительно содержит высокомолекулярный фрагмент лигнина, вероятно, связанный тесными ковалентными связями с углеводными фрагментами. Другая часть препарата состоит из дисперсных по молекулярной массе фрагментов. Часть этого лигнина переходит в раствор при обработке лигнина спиртом.
Таблица 4. Содержание веществ в экстрактах древесины дуба черешчатого из нагорной и пойменной дубрав до (№1, 3 соответственно) и после (№2 и 4 соответственно) обработки ультразвуком высокой мощности в течение 30 сек
Древесина дуба, Углеводы, % от Фенольные вещества, % от сухого веса
номер образца сухого веса общие связанные свободные
Спиртовая экстракция
№1 1,07±0,08 1,77±0,06 - -
№2 0,79±0,04 1,83±0,05 - -
№3 3,24±0,12 2,81±0,1 1,45±0,12 1,13±0,02
№4 5,50±0,25 5,24±0,1 2,98±0,02 2,19±0,01
Водная экстракция
№1 9,10±0,1 5,83±0,09 - -
№2 9,25±0,25 5,30±0,07 - -
№3 6,10±0,3 5,9±0,005 5,81±0,01 0,328±0,025
№4 8,78±0,5 9,97±0,051 9,5±0,2 0,297±0,003
Объем выхода, мл
Объем выхода, мл
Рис. 1. Гель-фильтрационные кривые лигнина (а), выделенного из древесины дуба черешчатого из нагорной дубравы, и его нерастворимой (б) и растворимой (в) в спирте фракций до (а) и после (б, в) обработки древесины ультразвуком высокой мощности в течение 30 сек. Элюция ДМСО + ЫС1
Объем выхода, мл
Форма элюционной кривой нерастворимой фракции лигнина после обработки древесины ультразвуком по сравнению с гель-фильтрационной кривой нерастворимой фракции лигнина до ультразвуковой обработки не изменяется. Это отличает его от лигнина, выделенного из древесины дуба после обработки ультразвуком малой мощности в течение 35 мин [13], выход пика высокомолекулярного фрагмента которого сдвигается после УЗ с 8 мл до 11 мл, означая снижение молекулярной массы. УЗ высокой мощности не вносит существенных изменений в распределении молекулярной массы нерастворимой фракции лигнина, но высота высокомолекулярного пика на элюционной кривой относительно снижается. Это указывает на возможную деструкцию части высокомолекулярного лигнина, что должно увеличить количество низкомолекулярных фрагментов.
Растворимая в спирте фракция лигнина после ультразвука, так же как и до обработки, содержит малое количество высокомолекулярного лигнина и состоит в основном из низкомолекулярных фрагментов со средним объемом выхода 17 мл (рис. 1в). Такие же данные были получены по спирторастворимой фракции лигнина, выделенной из древесины дуба после ее обработки УЗ малой мощности [13]. Однако часть растворимого лигнина, по-видимому, подвергается достаточно сильной деструкции даже при такой короткой экспозиции, так как количество ее после воздействия ультразвуковых волн снижается (табл. 3).
Совершенно другой характер элюционных кривых наблюдается для пойменного дуба (рис. 2). Во-первых, нужно отметить, что выдержка в течение 6 лет приводит к значительному снижению средней молекулярной массы лигнина. По сравнению с образцом №1 существенно ниже высота первого пика с объемом выхода 7 мл (рис. 2а), что указывает на уменьшение количества высокомолекулярного лигнина (рис. 2б). После воздействия на древесину УЗ профиль кривой не растворимой в спирте фракции лигнина подобен профилю гель-фильтрационной кривой лигнина из образца №2, однако, если судить по относительной высоте пика, количество высокомолекулярной части этого лигнина ниже (рис. 2б). Низкомолекулярная часть имеет такой же дисперсный характер, как и лигнин из необработанной древесины. Растворимый лигнин, как и до обработки, не содержит вообще каких-либо высокомолекулярных фрагментов (рис. 2в).
ИК-спектроскопия. Согласно данным ИК-спектроскопии (рис. 3) наиболее заметные изменения в структуре лигнина под действием УЗ происходят в его спиртонерастворимой фракции.
А
315
Объем выхода, мл
Объем выхода, мл
Объем выхода, мл
Рис. 2. Гель-фильтрационные кривые лигнина (а), выделенного из древесины дуба черешчатого из пойменной дубравы, и его нерастворимой (б) и растворимой (в) в спирте фракций до (а) и после (б, в) обработки древесины ультразвуком высокой мощности в течение 30 сек. Элюция ДМСО + ЫС1
Рис. 3. ИК-спектр спиртонерастворимой фракции лигнина, выделенного из древесины дуба черешчатого до (тонкая линия) и после (толстая линия)обработки ультразвуком высокой мощности в течение 30 сек. По оси ординат - оптическая плотность
Структура ИК-спектра спиртонерастворимого лигнина, выделенного из древесины дуба из нагорной дубравы после обработки, становится более однородной. Наиболее сильные изменения затрагивают низко-энергетичную часть спектра. Ультразвуковое воздействие приводит к значительному снижению интенсивности поглощения линий в области 1220-1328 см-1, определяемых колебаниями группы С-О- (1220 см-1), входящей в состав как метоксильных, так и фенольных групп [28]. Также снижается интенсивность линии 1330 см-1, обусловленной скелетными колебаниями сирингильного кольца, а именно в 1, 2, 3, 5 положениях замещения в бензольном ядре [28]. Кратковременное действие ультразвука высокой мощности приводит к значительному снижению интенсивности пика при 1039 см-1, определяемого колебаниями С-Н групп в бензольном кольце, расположенных между двумя заместителями. Линия спектра в области 760-772 см-1 после обработки становится более однородной, кроме того, приблизительно в 2 раза снижается интенсивность линий 918 см-1, характеризующих интенсивность колебаний в ароматическом кольце сирингильного типа. Эти изменения могут быть результатом либо вовлечения функциональных групп ароматического кольца в образование химических связей с другими соединениями, например, с углеводами, либо деструкции сирингиль-ных ароматических колец, которые менее устойчивы к физическому воздействию по сравнению с гваяциль-ными единицами [29].
Выводы
Ультразвук высокой мощности при непосредственном контакте генерирующего устройства с древесиной и кратковременной экспозиции (30 с) существенным образом влияет на анатомическую структуру и химический состав древесины дуба. Степень воздействия зависит от условий произрастания дуба, т.е. от структуры сформированной древесины и от длительности ее предварительной выдержки.
Такие анатомические элементы, как мелкие и широкие сосуды, а также волокна либриформа реагируют на воздействие ультразвука различно. Наиболее активное воздействие ультразвук оказывает на мелкие сосуды и волокна либриформа. Под воздействием УЗ увеличивается пористость либриформа и площадь поперечного сечения мелких сосудов, что, возможно, связано с присутствием абсорбированной воды, наличие которой усиливает процесс кавитации.
Кратковременное воздействие ультразвука высокой мощности вызывает изменения в химическом составе древесины дуба. В результате обработки значительно возрастает количество углеводов и фенолокислот, способных растворяться в 65% спирте, тогда как количество спирторастворимого лигнина снижается. Связанные и свободные фенольные кислоты находятся в спиртовом экстракте приблизительно в равных количествах, в то время как после воздействия ультразвука низкой мощности в экстрактах в основном преобладают связанные фенолокислоты.
Кратковременное воздействие ультразвука высокой мощности практически не изменяет содержание целлюлозы и пространственное распределение лигнина в морфологических структурах древесины, однако воздействует на структуру самого лигнина. Под действием ультразвука в лигнине, особенно его спиртонерастворимой фракции происходят значительные структурные изменения, которые сопровождаются снижением содержания высокомолекулярной и увеличением низкомолекулярной фракций соответственно. особенно сильное деструктивное действие ультразвук высокой мощности оказывает на лигнин после длительной выдержки древесины дуба на воздухе, т.е. после микробиологического воздействия.
Таким образом, под влиянием ультразвука высокой мощности за короткий промежуток времени в древесине дуба развиваются сильные окислительные и гидролитические процессы, приводящие к изменению структуры самой древесины и деструкции компонентов древесины.
Список литературы
1. Эльпирнер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М., 1963. 420 с.
2. Янковский Б.А., Першина Л.А. О действии ультразвука на древесину // Химия древесины. 1969. Вып. 3. С. 57-62.
3. Rao V.S., Swamy K.M., Narayana L.L. Influence of ultrasound on extraction of tannins from deoiled salseed cake // Ultrasonics. 1984. V. 22. №1. P. 29-32.
4. Востриков С.В., Новикова И.В. Влияние физико-химических методов обработки водно-спиртовых смесей и дубовой древесины на эффективность получения компонентов виски // Известия вузов. Пищевая технология. 2002. №4. С. 26-28.
5. Borgin, K., Corbett K. Improvement of capillary penetration of liquids into wood by use of supersonic waves // Wood Science and Technology. 1970. V. 4. P. 189-194.
6. Chen, P.Y.S., Simpson, W.T. Wetting agent ultrasonic cavitation effects on drying characteristics of three U.S. hardwoods // Wood and Fiber Sci. 1994. V. 2б. P. 438-444.
7. Valentino G.A., Leija, L., Riera, E., Rodriguez, G., Gallego, J.A. Wood drying by using high power ultrasound and infrared radiation // Forum Acusticum, Sevilla 2002, Dokument ULT-02-005-IP.
8. Brashaw B., Adams R., Schafer M., Ross R., Petersen R. Detection of wetwood in green red oak lumber by ultrasound and gas chromatography mass spectrometry analysis // Proceedings of the 12th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood University of Western Hungary, Sopron. 13-15 September, 2000. P. 49-57.
9. Palaia P-L., Galvan L. Cervera M., Molina N. NDT determination of the strength loss of deteriorated wood by using ultrasound techniques and a specific wood tester // Proceedings of the 12th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. University of Western Hungary, Sopron. 13-15 September. 2000. P. 327-337.
10. Bekhta P., Niemz P., Kucera L. The study of sound propagation in the wood-based composite materials // Proceedings of the 12th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. University of Western Hungary, Sopron. 1315 September, 2000. P. 33-43.
11. Коновалова Н.Н., Коновалов И.Т., Стасова В.В., Антонова Г.Ф. Воздействие акустических колебаний на анатомическую структуру древесины дуба // новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: мат. Всерос. семинара. Барнаул, 2002. С. б8-71.
12. Коновалова Н.Н., Коновалов И.Т., Баженов А.В., Сорокина Е.Я., Антонова Г.Ф. Влияние ультразвука на древесину дуба // Вибрационные машины и технологии: мат. VI научно-практической конференции. Курск, 2003. С. 270-275.
13. Антонова Г.Ф., Баженов А.В., Вараксина Т.Н., Коновалов И.Т., Коновалова Н.Н., Стасова В.В. Влияние ультразвука на лигнин древесины дуба // Химия растительного сырья. 200б. №3. С. 5-1б.
14. Левинсон М.С. О реакциях химического воздействия ультразвука на воду и растворенные в ней вещества //
О химическом и биологическом действии ультразвука. Красноярск, 19б2. С. 5-74.
15. Белодубровский Р.Б., Туманов и.Ф., Сапотницкий С.А. Влияние ультразвука на образование ароматических мо-
номеров при щелочной деструкции лигносульфонатов // известия вузов. Лесной журнал. 19б8. №5. С. 135-138.
16. Киприанов А.и. инициирование химических реакций в жидкофазной среде // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: мат. Всерос. семинара. Барнаул, 2002. С. б4-б7
17. Антонова Г.Ф., Стасова В.В., Вараксина Т.Н., Коновалова И.И. и др. Влияние внешних факторов на особенности анатомической структуры и химический состав древесины дуба // Материаловедение. 2002. №4. С. 34-40.
18. Reed R., Holmes D., Weyers J., Jones A. Practical Skills in Biomolecular Sciences // Addison Wesley Longman Limited, London. 1998. P. б2-б3.
19. Добровольская Т.Г., Скворцова и.Н., Лысак Л.В. Методы выделения и идентификации почвенных бактерий. М., 1989. 71 с.
20. Яценко-Хмелевский А.А. Основы и методы анатомического исследования древесины. М.-Л., 1954. С. 119-124.
21. Оболенская А.В., Щеголев В.П., Аким Г.Л., Аким Э.Л., Коссович И.Л., Емельянова и.З. Практические работы но химии древесины и целлюлозы. М., 19б5. С. 85-8б.
22. Антонова Г.Ф., Шебеко В.В. использование крезилового прочного фиолетового нри изучении образования древесины // Химия древесины. 1981. №4. С. 102-105.
23. Dubois М., Gilles К.А., Hamilton J.K., Rebers Р.А., Smith F. Colorimetric method for determination of sugars and related substances // Anal. Chem. 195б. V. 28. P. 350-355.
24. Jennings A.C. The determination of dihydroxy phenolic compounds in extracts of plant tissues // Analyt. Biochem. 1981. V. 118. P. 39б-398.
25. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987. 25б с.
26. Konovalova N.N., Konovalov N.T., Bazhenov A.V., Shmitko I.M. et al. The effects of supersonic treatment on the structure and components of oak wood // Proceedings of the 5th IUFRO Symposium «Wood Structure and Properties '0б», September З-б. 200б. Sliac-Sielnica. Slovakia. Technol. Univ. Zvolen, 200б. P. 59-б5.
27. Муращенко И.Ф., Эриньш П.П. Процессы сорбции, диффузии и набухания в древесных клеточных стенках // Клеточная стенка древесины и ее изменения нри химическом воздействии. Рига, 1972. С. 243-347.
28. Фенгель Д., Вегенер Г. Древесина: химия, ультраструктура, реакции. М., 1988. 512 с.
29. Домбург Г.Э., Шарапова T.E., Российская Г.А., Сергеева В.И. Влияние метоксильных групп на термическую устойчивость структурных связей лигнина // Химия древесины. 1974. №15. С. 97-100.
Поступило в редакцию 27 июня 2008 г.
