Руководитель проекта – Жармагамбетова А.К., зав. лабораторией, д.х.н., профессор, контактные данные: zhalima@mail.ru, a.zharmagambetova@ifce.kz, раб. тел.: 8(727)291-69-72, моб.тел.: 8(777)214-77-40
Актуальность: В настоящее время в связи с возникающими проблемами экологического характера значительный интерес исследователей обращен к использованию возобновляемых ресурсов в синтезах экологически чистых, биоразлагаемых и биосовместимых продуктов. В этом отношении растительные полисахариды, рассматриваются как наиболее перспективное сырье для химических синтезов. Одним из наиболее востребованных полисахаридов является пектин. В последние годы спрос на пектины увеличивается, область их использования неуклонно расширяется из-за растущего спроса на медицинские цели, для пищевой, косметической промышленности, появление новых видов продуктов здорового питания. В Казахстане пектин не производится, вообще, и стопроцентно экспортируется. Вместе с тем, из-за возникшей в стране проблемы в сахарной промышленности, Министерство сельского хозяйства РК планирует увеличение сырьевой базы и расширения посевных площадей сахарной свеклы до 60 тыс. га. Сырьевая база в стране для производства пектина обширная. Это открывает реальные возможности для создания производства пектина вблизи сахарных заводов, т.к. жом сахарной свеклы, являясь отходом, в тоже время представляется качественным сырьем для производства пектина. Яблочные и ягодные выжимки, образующиеся при производстве соков, желе и других кондитерских изделий, также являются дополнительным ресурсом для производства пектина.
В последнее десятилетие активно развиваются исследования по созданию прочных, устойчивых к разрушению, гибридных полисахарид-неорганических композитов. Множество исследований направлено на определение их состава и структуры, морфологии, пористости и других важных характеристик. композиты на основе полисахаридов являются выгодной альтернативой коммерческим полимерам на основе нефти и настоятельно рекомендуются для возобновляемых и устойчивых композитных материалов.
Цель: Определить оптимальные условия получения пектина из яблочного жмыха и жома сахарной свеклы с применением ультразвуковой или микроволновой обработки для составления лабораторного технологического регламента. Использовать полученный пектин в «зеленых» синтезах полимер-неорганических композитов с наночастицами металлов (Ru, Pd, Fe, Cu) и определить их сорбционные и каталитических свойства в процессах низкотемпературного гидрирования.
Ожидаемые и достигнутые результаты:
— ожидаемые результаты за 2024 год: Будут определены оптимальные параметры извлечения пектина из яблочного жмыха при ультразвуковой и микроволновой обработке. Будут протестированы композиты пектин с бентонитом или оксидом цинка и адсорбированными на них металлами (Ru, Pd) в качестве катализаторов гидрирования алкинола и α, β-ненасыщенного альдегида. Будут опубликованы не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСНВО и 1 (одной) статьи и (или) обзора в рецензируемом научном издании по научному направлению проекта, индексируемого в Science Citation Index Expanded и входящего в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющего процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти).
— достигнутые результаты за 2024 год: — достигнутые результаты за 2024 год: В соответствии с календарным планом проекта были проведены исследования по определению оптимальных параметров извлечения пектина из яблочного жмыха при ультразвуковой и микроволновой обработках. Для получения яблочного жома был использован сорт яблоки — Гренни Смит. Из 5 кг яблок было получено 380 г жома. С целью выявления оптимальных технологических параметров выделения пектина из яблочного жома с применением ультразвуковой и микроволновой.
Применение ультразвуковой обработки. Для определения оптимальных параметров было изучено влияние природы экстрагента (лимонная кислота, уксусная кислота, яблочная кислота и соляная кислота), концентрации лимонной кислоты (рН: 1,5; 1,8; 2; 2,5), времени экстракции (15, 30, 60, 120 и 180 минут) и соотношения массы жома к объему экстрагента (3:100, 4:100, 5:100, 6:100, 10:100 и 15:100). Обработку ультразвуком проводили в ультразвуковой ванне марки STEGLER. При варьировании природы экстрагирующего агента наибольшие значения выхода пектина, степени этерификации и доли уронидной составляющей было получено при применении лимонной кислоты и составили 3,3%, 27,6%, и 75,5, соответственно. При изменении длительности обработки (15, 30, 60, 120 и 180 минут) оптимальной является 60 мин. Исследовано влияние рН среды на выход и свойства выделенного пектина. При рН 2 получены наибольший выход пектина (3,3%). При изменении соотношения массы пектина и экстрагента (лимонной кислоты) на выход и свойства выделенного пектина было достигнуто увеличение выхода пектина до 6,3%.
Применение микроволновой обработки. Для выделения яблочного пектина методом микроволновой обработки использовали бытовую микроволновую печь (Daewoo KOG-8465, Корея). Оптимальным является мощность 520 Вт, при котором выход пектина, степень этерификации и доля уронидной составляющей составили 3,3%, 64,3% и 42,1%. Изучение влияния природы гидролизирующего агента и рН среды, показало, что оптимальными являются лимонная кислота и рН2. При варьировании навески яблочного жома (3 г, 5 г, 10 г, 15 г, 20 г и 30 г) для при массе жома 15 г были получены максимальные значения выхода пектина (5,7%), степени этерификации (54,3%) и доли уронидной составляющей (80,2%).
Для определения физико-химических характеристик свекольного и яблочного пектинов был использован метод инфракрасной спектроскопии (ИКС). Чтобы подтвердить идентичность пектина и показать влияние метода нагрева на структурные свойства экстрагированных пектинов, образцы сравнивались с коммерческим пектином. Было установлено, что спектры экстрагированных пектинов, как и коммерческого полисахарида идентичны. Широкая полоса в области 2800-3000 см-1 характерна для асимметричных и симметричных валентных колебаний -CH-группы пектина. Кроме того, слабые сигналы типичных полос для пектина, появившиеся при 1635 и 1758 см-1 приходятся на карбоксильную и эфирную карбонильные группы, соответственно.
Полученный пектин также был исследован с помощью термогравиметрического анализа. Термический распад пектина протекал в две стадии. При температуре ниже 200°C наблюдается начальная потеря веса 10,3 %, что соответствует испарению связанной воды в гидрофильном полимере и удалению других малых молекул (Ahn et al, 2017). Основная потеря массы (50,4 %) происходит в интервале от 200 до 500 °C, что соответствует разложению полимера. Остаточная масса пектина при 500 °C составила 39,3 %. Этот результат не отличается от ранее представленных значений (Ahn et al, 2017; Minhas et al, 2018), где остаточная масса коммерческих образцов пектина составляла около 32-34 % при 500 °C.
С целью определения влаги в пектине провели работу, метод которой основан на определении массовой доли влаги высушиванием образца при температуре 103 °С. Навеску пектина массой около 3,000 г взвесили в бюксе с закрытой крышкой, затем открытую бюксу с навеской поместили в нагретый сушильный шкаф и сушили при температуре 103 °С в течение 1,5 ч. После сушки бюксу закрыли крышкой, поместили в эксикатор на 30 мин для охлаждения и взвесили.
Таким образом, были определены оптимальные параметры извлечения пектина из яблочного жома и установлены физико-химические характеристики свекольного и яблочного пектинов.
Была приготовлена серия каталитических систем на основе палладия, нанесенные на оксид цинка с различным содержанием пектина (1%Pd-1%ПК/ZnO, 1%Pd-3%ПК/ZnO, 1%Pd-5% ПК/ZnO). Для сравнения был приготовлен палладиевый катализатор без полимера (1%Pd/ZnO). Полученные композиты, согласно календарному плану, были протестированы в низкотемпературном процессе гидрирования непредельных соединений при одинаковых условиях (масса навески катализатора – 0,05 г, температура – 40 °С, атмосферное давление, растворитель – этанол). В качестве гидрируемых соединений были взяты 2-гексин-1-ол и кротонового альдегид. При восстановлении 2-гексин-1-ола результаты показали высокую скорость гидрирования тройной С≡С связи (W = 3,3×10-6 моль/с) и высокую селективность по 2-гексен-1-олу, равную 95,7% при использовании 1%Pd-1%ПК/ZnO катализатора, где содержание пектина в катализаторе составил 1%. Определив оптимальное содержание пектина, палладиевые системы были нанесены на комплекс носителей из бентонита (БТ) и оксида цинка (ZnO) с различным их соотношением (БТ:ZnO=9:1, 8:2, 7:3 и 5:5). Самую высокую скорость (W = 4,6×10-6, моль/с) и селективность 96,3% в гидрировании 2-гексин-1-ола проявил полимермодифицированный палладиевый катализатор на основе БТ:ZnO с соотношением 8:2.
Продуктами гидрирования кротонового альдегида являются масляный альдегид, кротиловый спирт и бутанол. При гидрировании кротонового альдегида в тех же условиях (масса навески катализатора – 0,05 г, температура–40°С, атмосферное давление, растворитель – этанол) на разработанных палладиевых системах — 1% Pd-1%Пк/БТ-ZnO (8:2) процесс протекал со 100%-ным выходом масляного альдегида. На этом же катализаторе наблюдалась наибольшая скорость гидрирования кротонового аьдегида W = 5,4×10-6, моль/с. Селективность по масляному альдегиду составила 100%.
Далее была приготовлена серия пектинмодифицированных нанесенных на смесь носителей их оксида цинка и бентонита катализаторов на основе рутения. Отметим, что рутениевый катализатор, содержащий оптимальные соотношения пектина и носителей — 1% Ru-1%Пк/БТ-ZnO (8:2) оказался не активным в гидировании 2-гексин-1-ола и менее активным в гидрировании кротонового альдегида, где скорость процесса была W = 2,4×10-6 моль/с, однако селективность по С꞊С связи (по масляному альдегиду) достигла 100%.
По результатам проведенных исследований опубликованы 1 (одна) обзорная статья в рецензируемом зарубежном издании с ненулевым импакт-фактором — «Molecules» входящий во 2 (второй) квартиль в базе Web of Science и имеющий процентиль по CiteScore в базе Scopus 83 (восемьдесят три), 1 (одна) статья в рецензируемом отечественном журнале «Chemical Journal of Kazakhstan», рекомендованный КОКНВО и 2 (два) тезисов докладов в материалах Международной научно-практической конференции «Современные аспекты химической науки и химического образования: теория и практика» (Алматы, 2024г.).
Члены исследовательской группы:
- Жармагамбетова Алима Кайнекеевна – ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7494-6005; Scopus ID: 6507576649; Researcher ID Web of Science: A-9727-2015.
- Талғатов Эльдар Талғатұлы — ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8153-4765; Scopus ID: 57189892834; Researcher ID Web of Science: W-2352-2017.
- Ауезханова Асемгуль Сейтханова — ORCID: http://orcid.org/0000-0002-8999-2864; Scopus ID: 57195756365; Researcher ID Web of Science: X-2558-2019.
- Джумекеева Айгуль Иембергеновна — ORCID: http://orcid.org/0000-0001-8084-6070; Scopus ID: 57195761217; Researcher ID Web of Science: ABE-9676-2021.
- Бухарбаева Фарида Умаровна — ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0109-1488; Scopus ID: 57218705875; Researcher ID Web of Science: ABF-4456-2021
- Кенжеева Алима Муратовна — ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4149-2617; Researcher ID Web of Science: ABF-2639-2021
- Найзабаев Акжол Арманович — ORCID: https://orcid.org/0009-0001-5317-9070; Researcher ID Web of Science: JOP-7500-2023
Список публикаций:
- Akhmetova S., Zharmagambetova A., Talgatov E., Auyezkhanova A., Malgazhdarova M., Zhurinov M., Abilmagzhanov A., Jumekeyeva A., Kenzheyeva A. How the Chemical Properties of Polysaccharides Make It Possible to Design Various Types of Organic–Inorganic Composites for Catalytic Applications //Molecules.-2024, 29(13), 3214. https://doi.org/10.3390/molecules29133214 (WoS: Q2, процентиль по Scopus — 83%)
- Zharmagambetova A.K., Akhmetova S.N., Auyezkhanova А.S., Kenzheyeva A.M., Dzhardimalieva G.І. Оptimization of pectin extraction from sugar beet pulp using microwave treatment // Chemical Journal of Kazakhstan. – 2024. – Volume 3, № 87. – Р.103-113. https://doi.org/10.51580/2024-3.2710-1185.36.
- Кенжеева А.М., Толеубекова А.Т. Пектинсодержащие биметаллические нанокатализаторы для гидрирования фенилацетилена // Международная научно-практическая конференция «Современные аспекты химической науки и химического образования: теория и практика», 1 часть. – Алматы, 2024. – С.132-135.
- Кенжеева А.М., Ахметова С.Н., Бухарбаева Ф.У., Найзабаев А.А. Гетерогенные биметаллические катализаторы на основе Pd, Ag и Cu, стабилизированные полимером, для низкотемператуной гидрогенизации ацетиленовых соединений // Международная научно-практическая конференция «Современные аспекты химической науки и химического образования: теория и практика», 2 часть. – Алматы, 2024. – С.231-235.