Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На этапе отчетного периода 2022-2023 гг проводилась оптимизация процесса выделения гемицеллюлоз из древесины лиственных (осина) и хвойных (ель, лиственница). Наработаны гемицеллюлозы для дальнейшей химической модификации. Изучена окислительная некаталитическая делигнификация древесины осины в среде «уксусная кислота – вода - пероксид водорода». Максимальный выход гемицеллюлозы (до 9,678 мас.%) достигается при температуре процесса 100 °С и продолжительности – 4 часа. С помощью математической обработки были определены оптимальные условия процесса делигнификации древесины осины - температура процесса – 98,8 °С, продолжительность – 3,51 часа. Полученные гемицеллюлозы охарактеризованы комплексом физико-химических методов: ГПХ, ИК, ЯМР, ГХ, ТГА. Определены состав и структура гемицеллюлоз, а также влияние условий выделения на характеристики продукта. Установлено, что гемицеллюлозы древесины осины, выделенные в выбранных нами условиях, имеют различное молекулярно-массовое распределение и среднемассовую молярную массу (8,932 – 33,142 г/моль). При увеличении температуры процесса от 70 до 100 °С происходит уменьшение PD с 6.18 до 2.05, свидетельствующее об увеличении однородности ГЦ. Выделенные гемицеллюлозы с высокой степенью деполимеризации состоят в основном из глюкороноксилана и содержат незначительное количество остаточного лигнина. Методом HSQC подтверждено, что β-d-Xylp является основой гемицеллюлоз древесины осины, которые содержат линейную главную цепь ксилана, связанного гликозидными связями β-(1→4) с небольшими количествами звеньев гексоз, маннозы и уроновых кислот в боковых цепях. Осуществлен скрининг растворителей для проведения реакции сульфатирования галактоглюкоманнана ели сульфаминовой кислотой в присутствии основного катализатора – мочевины. Установлено, что степень сульфатирования увеличивается в ряду морфолин < пиперидин < пиридин < диглим < диметилформамид (ДМФ) < 1,4-диоксан < диметилсульфоксид (ДМСО). Однако из-за трудоемкости процесса очистки продукта от ДМСО, оптимальным растворителем является 1,4-диоксан Исследовано влияние продолжительности процесса сульфатирования на молекулярно-массовые характеристики продуктов и степень сульфатирования. Обнаружена корреляция между средневесовой молекулярной массой и степенью сульфатирования, что свидетельствует в целом о недеструктивном характере выбранного процесса сульфатирования. Однако после достижения максимума после 120 минут процесса как по молекулярной массе, так и по содержанию серы (21,524 г/моль и 12,67 % масс. соответственно) увеличение продолжительности реакции вызывает гидролиз гликозидных связей, что приводит как к уменьшению молекулярной массы продукта, так и снижению степени сульфатирования. Структура сульфатированного галактоглюкоманнана изучена методом ИК-спектроскопии. Подтверждением введения сульфогрупп в молекулу галактоглюкоманнана является появление полос поглощения при 1255 и 875 см-1, соответствующих антисимметричным валентным колебаниям SO2 υas(O=S=O) и валентным колебаниям С–О–S υ(С–О–S) группировок. Полоса с максимумом при 1029 см-1 относится к симметричным валентным υs(O=S=O) колебаниям. Деформационным δ(O=S=O) и валентным υ(S–О) колебаниям отвечают две низкочастотные полосы с максимумами при 671 и 528 см-1. Разработан новый экологически безопасный способ модификации гемицеллюлозы лиственницы — арабиногалактана (АГ) — многоосновными карбоновыми кислотами (лимонной, янтарной, щавелевой и адипиновой) для получения композиционных материалов. Синтезированные производные АГ исследованы комплексом физико-химических методов, включая гельпроникающую хроматографию (ГПХ), инфракрасную Фурье-спектроскопию (FTIR), термогравиметрический анализ (ТГА), рентгеновскую дифрактометрию (РФА), сканирующую электронную микроскопию (СЭМ)), проведено исследование сорбционной емкости. Показано, что термообработка приводит к образованию дополнительных меж- и внутримолекулярных связей между карбоновыми кислотами и молекулами полисахаридов. Образование сложноэфирных связей подтверждается появлением в ИК-спектрах полос поглощения в области 1750–1690 см–1. С помощью ТГА-исследования установлено, что наиболее термостабильным (до 190 °С) образцом является оксалат арабиногалактана, полученный при термообработке. СЭМ-исследование синтезированных пленок АГ показало, что модифицированные образцы имеют однородную поверхность пленки, обеспечиваемую сшивкой. При изучении сорбционных свойств производных АГ установлено, что наибольшей сорбционной емкостью обладает сукцинат АГ (82,52 %), полученный лиофилизацией, за счет развитой мезопористой поверхности, что, в свою очередь, делает синтезированные пленки перспективными эко- экологически чистые материалы для использования в качестве носителей лекарственных средств, сорбентов и средств водоподготовки. Исследован процесс формирования полиэлектролитных комплексов гемицеллюлоза/хитозан и сульфатированная гемицеллюлоза/хитозан капельным методом с вариацией соотношения полианион/поликатион. При условии добавления раствора хитозана к сульфатированной гемицеллюлозе были получены ПЭК с отрицательным поверхностным зарядом, о чем свидетельствует ζ-потенциал от -11.1 до -30.1 мВ. Однако при увеличения содержания хитозана ζ-потенциал приобретает положительные значения (от 14.7 мВ), не обеспечивающие устойчивость ПЭК. При изменении порядка смешивания (хитозан/СГЦ) наблюдалась агрегация частиц, что указывает на влияние порядка смешивания при формировании ПЭК. Изучены антиоксидантная и антикоагулянтная активность гемицеллюлоз и их производных Проведенное исследование показало, что гемицеллюлозы осины оказывают сильное ингибирующее действие на DPPH радикалы и при этом наблюдается дозозависимый характер Активность всех полисахаридов по нейтрализации DPPH и гидроксил радикалов была ниже, чем поглощающая способность витамина С (Vc) во всех протестированных концентрациях (0.5; 2; 5 мг/мл). Было обнаружено, что влияние антиоксидантов на активность удаления DPPH заключается в их способности отдавать водород, то есть полисахариды с низкой молекулярной массой и большим содержанием уроновых кислот обладали более сильной способностью отдавать водород, что приводило к лучшей активности по удалению радикалов DPPH, что обеспечивает большую растворимость и более легкую взаимную диффузию для передачи большей способности отдавать водород. Образцы, содержащие большее количество фенольных компонентов (70-4, 80-4) проявляют более сильную способность по удалению гидроксильных радикалов, однако, с точки зрения чистоты основного продукта они уступают образцам (100-4 – 100-1). Проведена оценка образцов сульфатированных галактоглюкоманнанов сразличной степенью сульфатирования в экспериментах на агрегацию тромбоцитов человека и гемолиз эритроцитов человека. Исследованные производные галактоглюкоманнанов in vitro в концентрации до 0,02 мг/мл не влияли на: время появления сгустка крови человека в тесте времени рекальцификации крови; на время появления сгустка плазмы человека в тесте активированного частичного тромбопластинового времени; на гемолиз эритроцитов человека (степень гемолиза менее 2 %). Показано, что не влияющие на коагуляцию крови/плазмы человека и на мембрану эритроцитов сульфатированные производные галактоглюкоманнанов могут быть использованы в качестве потенциальных компонентов разрабатываемых конструкций для доставки лекарственных средств или генов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На этапе отчетного периода 2023-2024 гг проводилась дальнейшая химическая модификация гемицеллюлоз из древесины хвойных. Наработаны анионные производные гемицеллюлоз для дальнейшей химической модификации. Изучен процесс окисления АГ системой TEMPO/NaBr/NaOCl в результате чего были получены полиурониды с улучшенными функциональными свойствами. Показано, что максимальная уронидная составляющая при продолжительности – 3 часа и в дальнейшем не изменяется. Методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ) установлен недеструктивный характер процесса окисления, а также пропорциональный прирост молекулярных масс в ходе процесса, что отражается в увеличении молекулярной массы (до 15700 г/моль). С помощью ИК-Фурье-спектроскопии установлены характеристические полосы поглощения (1742, 1639 и 1403 см-1), свидетельствующие о протекании окислительных процессов с последующим восстановлением карбоксильной группы. На основании кривых ТГА/ДТГ показано, что окисленный АГ-ТН обладает более высокой термической стабильностью по сравнению с нативным АГ за счет процесса модификации. Оценка флокулирующей способности показала, что даже низкая концентрация взаимодействующих образцов АГ-ТН увеличивает скорость флокуляции бентонитовой глины в присутствии катионов железа и кальция. Показатели антиоксидантной активности АГ в целом характерны для полиуроновых кислот, что свидетельствует о сохранении унаследованных свойств нативного АГ. Исследован процесс окисления галактоглюкоманнана в системе TEMPO/NaBr/NaOCl. На основании данных о потреблении NaOH в ходе процесса выявлено, что процесс окисления ГГМ происходит поэтапно, с переменной динамикой, что согласуется с проведенной оценкой уронидной составляющей гидролизатов реакционной среды окисляемого ГГМ «карбазольным» методом. В ходе окисления ГГМ его уронидная составляющая возрастает с 14,8 до 38,9 %, что достигается в результате 5 часов длительности реакции. Методом ИК-спектроскопии установлено перераспределение полос поглощения в области 1730 см-1, соответствующих колебаниям алкилэтерифицированных карбоксильных групп. Снижение интенсивности п.п. в окисленном продукте свидетельствует о том, что ГГМ в процессе окисления претерпевает ряд перегруппировок одних алкильных заместителей на другие за счет лучшей ориентации в полярной среде. Разработан новый экологически безопасный способ модификации гемицеллюлозы ели — галактоглюкоманнана (ГГМ) — многоосновными карбоновыми кислотами (лимонной и янтарной) в различных условиях (без/с использованием пластификатора и катализатора) для получения новых функциональных материалов. Показано, что термообработка при повышенных температурах (150 °С) приводит к образованию дополнительных меж- и внутримолекулярных связей между карбоксильными группами кислот карбоновых кислот и гидроксильными группами полисахаридов. С помощью ГПХ было установлено, что в результате реакции этерификации были получены модифицированные образцы со значительными изменениями в гидрофобности за счет образованных сложноэфирных связей. Цитраты галактоглюкоманнана проявляли большую гидрофобность по сравнению с сукцинатами. Образование сложноэфирных связей подтверждается появлением в ИК-спектрах полос поглощения в области 1720–1600 см–1, соответствующих валентным колебаниям группы С=О, а также сигнал в области 1200 см-1, характерный для колебаний группы С-О карбоксилата. Данными электронной микроскопии установлено, что модифицированные образцы имеют однородную и гладкую поверхность пленки, что объясняется плавным удалением растворителя из системы с последующим высокотемпературным высушиванием, позволяя получить достаточно плотный и равномерный материал. Исходя из полученных результатов синтезированные пленки являются перспективными экологически чистыми материалы для использования в качестве носителей и оболочек лекарственных средств, а также упаковочных материалов. Подтвержден многостадийный механизм сульфатирования галактоглюкоманнана комплексом «сульфаминовая кислота-мочевина» в среде диоксана. Установлено, что сульфатирование галактоглюкоманнана ели и галактоглюкоманнана пихты происходит по сходим механизмам. Полученные образцы сульфатированного галактоглюкоманнана ели имеют узкое ММР, что подтвержадет однородность образцов. Содержание серы в сульфатированных галактоглюкоманнанах увеличивается пропорционально увеличению продолжительности процесса в диапазоне 30-150 мин, степень полидисперсности при этом снижается за счет снижения доли низкомолекулярных фракций ГГМ, которые в большей степени подвержены сульфатированию. Данная зависимость позволяет получать сульфатированные производнные ГГМ с заданным содержанием серы. По результатам проведенных исследований наработаны опытные партии сульфатированных ГГМ ели для их дальнейшего изучения их биологической активности, а также использования в качестве компонентов интерполиэлектролитных комплексов. Исследован процесс формирования полиэлектролитных комплексов сульфатированная гемицеллюлоза/хитозан капельным методом с вариацией соотношения полианион/поликатион. Для синтеза ПЭК использовали сульфатированные производные ГГМ с высокой степенью сульфатирования SGGM-150 Mw 12500г/моль, PD 1,62 и содержанием серы 12,9% При условии добавления раствора хитозана к сульфатированной гемицеллюлозе были получены ПЭК с отрицательным поверхностным зарядом, о чем свидетельствует ζ-потенциал от -12.6 до -34.4 мВ. Однако при увеличения содержания хитозана ζ-потенциал приобретает слабые положительные значения (до 20.9 мВ), не обеспечивающие устойчивость наночастиц. При изменении порядка смешивания (хитозан/СГЦ) наблюдалась агрегация частиц, что указывает на влияние порядка смешивания при формировании НЧ. Изучена антиоксидантная окисленных гемицеллюлоз. Было установлено, что значения IC50 для образца АГ-T, основанные на улавливании как DPPH, так и гидроксильных радикалов (68,5 и 2,1 мг/мл соответственно), отличаются для АГ-TH (15,1 и 2,7 мг/мл соответственно) незначительно. Однако протонированная форма АГ-ТН обладает более высокой способностью ингибировать радикалы ДФПГ, что связано со значительно большей подвижностью ионов H+ по сравнению с ионами Na+ в образце АГ-Т. Однако различия в ингибировании гидроксильных радикалов незначительны и лежат в пределах экспериментальной ошибки.