Развитие фундаментальных и прикладных аспектов комплексных физико-химических преобразований биополимерных систем: структура, наноматериалы, функциональные производные

Объектами исследования являлись биополимеры, экстрагируемые водой из древесной зелени сосны обыкновенной (Pínus sylvéstris); катионный крахмал с ковалентно присоединенным фрагментом терпенофенола; альгинат натрия, содержащий этилендиамин/амидные группы; диоксанлигнин березы в качестве выгорающей добавки в композит; продукты модификации целлюлозы с олеиновой кислотой в присутствии тетрахлорида титана, гидрофобные полимеры; древесные, травянистые лигноцеллюлозные отходы и бумажные полуфабрикаты на их основе. Цель работы - развитие фундаментальных и научно-прикладных направлений изучения растительных макромолекул, связанных с исследованием структуры, синтезом биологически активных макромолекулярных соединений, физико-химическим модифицированием полимеров для получения их функциональных производных и материалов на их основе. Методы и методология проведения исследований. Cтруктурные особенности биополимеров, выделенных из древесной зелени сосны и идентификация связей между ними изучались с помощью ионообменной хроматографии, частичного кислотного и ферментативного гидролизов, с последующим ЯМР анализом продуктов фракционирования и деградации: 13C и 1Н ЯМР-спектроскопия, двумерные 1Н/13С HSQC, 1H/13C-HMBC 1H-ROESY, 1H/13C HSQC-TOCSY спектры. Полимерный антиоксидант получали конъюгированием катионного крахмала с фрагментами терпенофенола методом O – алкилирования свободных гидроксильных групп полисахарида соответствующим бромпроизводным. Производные альгиновой кислоты, содержащие этилендиамин/амидные группы, синтезировали в водном растворе с использованием карбодиимидного метода. Идентификацию производных полисахаридов с различными степенями замещения проводили спектральными методам. Кислотно-основные свойства изучали методом потенциометрического титрования, реологические свойства водных растворов - реометрией. Антирадикальную, антиоксидантную и мембранопротекторную активности изучали с использованием различных моделей in vitro, гемо-совместимость коньюгатов в исследованиях с помощью in vitro / in vivo тестов. Гидрофобизацию целлюлозы проводили олеиновой кислотой в присутствии TiCl4 без добавления растворителей в систему. Гидрофобизацию лигноцеллюлозных порошков и синтетических полимеров осуществляли модификацией основы алюминиевыми солями стеариновой кислоты. Выгорающую микродобавку диоксанлигнина березы для введения в шихту железо-калиевооксидного композита получали импрегнированием продуктами гидролиза солей, полученных с использованием способов соосаждения и золь-гель, высушиванием и дальнейшей термообработкой на воздухе. Основные физико-химические показатели отходов древесного и травянистого сырья (кофейной шелухи и лузги подсолнечника) определяли принятыми в химии расти-тельного сырья методами. Волокнистый полуфабрикат из лузги подсолнечника, обладаю-щий бумагообразующими свойствами, получали адаптироваными методами химической варки и механохимической технологии. Физико-химические, инструментальные исследования полисахаридов, лигноцеллюлозы, лигнина и их производных выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Химия» Института химии Коми НЦ УрО РАН. Результат выполненных работ и их новизна. Установлено, что фракция, экстрагированная водой из древесной зелени сосны обыкновенной, состоит главным образом из арабиногалактановых белков, а также содер-жит пектиновые полисахариды, разветвленная область которых состоит преимущественно из арабинана. Методами ионообменной хроматографии и частичного кислотного гидролиза, с последующим ферментативным расщеплением -1,4-D-полигалактуроназой было показано наличие в водной фракции связанного комплекса пектин : арабиногалактановые белки. Синтезирован новый полимерный антиоксидант катионной природы на основе крахмала, содержащего триметиламинопропильные остатки и терпенофенольные фрагменты. Методами in vitro/in vivo выявлена высокая мембранопротекторная и антиоксидантная активность полученного соединения. Установлено, что полимерный антиоксидант обладает высокой гемосовместимостью и не влияет на коагуляцию плазмы. Впервые исследованы гидродинамические и структурные характеристики водных растворов альгиновой кислоты, модифицированной фрагментами этилендиамина. Разработан альтернативный способ получения гидрофобного неоргано-органического гибрида в форме порошка на основе целлюлозы с применением тетрахлорида титана и олеиновой кислоты в отсутствии растворителей, позволяющего улучшить адгезионные свойства продукта. На примере диоксанлигнина березы подобраны условия для использования лигнинов лиственных пород древесины, выделенных органосольвентными методами, в качестве выгорающих добавок при приготовлении шихты железо-калиевооксидного композита. Составлены композиции, удовлетворяющие механическим показателям, и получены лабораторные отливки бумаги и картона на основе волокнистого полуфабриката из лузги подсолнечника. Проведена оценка химического состава, функциональных свойств и структуры кофейной шелухи с целью выявления характеристик, позволяющих повторно использовать ее в промышленных процессах. Область применения или прогнозные предположения о развитии объекта исследований. Изучение структуры компонентов и идентификация связей между отдельными биополимерами древесной зелени сосны способствует формированию научной основы переработки этого отхода деревоперерабатывающей промышленности. Функционализация водоратсворимых полисахаридов дополнительными группами делает перспективным их использование в биомедицине в качестве полимерных антиоксидантов и гидрогелевых носителей лекарств. Порошковые неоргано-целлюлозные гибриды, обладающие гидрофобными и адгезионными свойствами, органосольвентные лигнины, импрегнированные продуктами гидролиза солей, возможно применять в качестве наполнителей, модификаторов и добавок различного назначения в технологиях получения композитов. Переработка лигноцеллюлозного сырья, получаемого при переработке древесных и травянистых отходов, а также синтетических полимеров в полезные продукты и материалы (волокнистые полуфабрикаты, сорбенты) с одной стороны, решает проблему их утилизации, а, следовательно, и вопросы ресурсосбережения, а с другой - снижает себестоимость продуктов. Таким образом, изучение структуры биополимерных комплексов, модифицирование полисахаридов и лигнина, их применение в качестве биологически активных и технически-значимых систем представляют на сегодняшний день актуальные тенденции в сфере фундаментальных исследований и практического применения растительных полимеров. По результатам исследований в 2022 г. опубликовано 20 научных работ, из них 3 статьи, индексируемые в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» (Scopus), Q1, 3 патента (Приложение А).