RU2805229C1 - Method for determining the content of rubber in the tissues of rubber plants - Google Patents

Method for determining the content of rubber in the tissues of rubber plants Download PDF

Info

Publication number
RU2805229C1
RU2805229C1 RU2022127307A RU2022127307A RU2805229C1 RU 2805229 C1 RU2805229 C1 RU 2805229C1 RU 2022127307 A RU2022127307 A RU 2022127307A RU 2022127307 A RU2022127307 A RU 2022127307A RU 2805229 C1 RU2805229 C1 RU 2805229C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rubber
sample
content
epr
tissues
Prior art date
Application number
RU2022127307A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Гольдберг
Ирина Ивановна Барашкова
Левон Юрьевич Мартиросян
Юрий Цатурович Мартиросян
Михаил Викторович Мотякин
Сергей Николаевич Гайдамака
Сергей Дмитриевич Варфоломеев
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Application granted granted Critical
Publication of RU2805229C1 publication Critical patent/RU2805229C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumental methods of physico-chemical analysis.
SUBSTANCE: method for determining the content of natural rubber in the tissues of rubber-bearing plants using the method of electron paramagnetic resonance (EPR). The method involves the preparation of a powdered sample from dried plant tissue with an average particle size of about 20 microns and subsequent analysis of the resulting sample using the spin probe EPR method using a stable nitroxyl radical 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) as a spin probe. The quantitative content of rubber in the sample is determined by the value of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum using the linear dependence of the integral intensity of the specified component of the spectrum on the quantitative content of rubber in the sample. The technical result of the invention consists in the fact that a new method for determining the content of rubber in the tissues of rubber-bearing plants, based on the use of EPR spectroscopy of a spin probe, is proposed.
EFFECT: method involves the use of a commercially available nitroxyl radical TEMPO as a spin probe and allows you to quickly determine the content of rubber in plant tissues without separating it from rubber-containing biomass.
2cl, 2dwg, 2 ex

Description

Способ относится к инструментальным методам физико-химического анализа и предназначен для определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений. Способ может быть использован для мониторинга накопления целевого продукта в растительных тканях в технологиях промышленного выращивания каучуконосных растений, а также при проведении научных исследований по культивированию растений, относящихся к нетрадиционным источникам натурального каучука.The method refers to instrumental methods of physicochemical analysis and is intended to determine the rubber content in the tissues of rubber plants. The method can be used to monitor the accumulation of the target product in plant tissues in technologies for the industrial cultivation of rubber plants, as well as when conducting scientific research on the cultivation of plants related to non-traditional sources of natural rubber.

Натуральный каучук (НК) - стратегически важное сырье, которое является необходимым компонентом резин для производства автомобильных и авиационных шин. Основным источником каучука в настоящее время является гевея бразильская однако в последние десятилетия ведутся широкие исследования по поиску альтернативных источников этого стратегически важного продукта. В качестве таких источников рассматриваются кустарник гуаюла (Parthenium argentatum) и близкие родственники одуванчика - корневые каучуконосы кок-сагыз (Taraxacum kok-saghyz), крым-сагыз (Taraxacum hybernum), тау-сагыз (Scorzonera tau-saghyz) и некоторые другие. Однако, для промышленного производства дикие формы корневых каучуконосов, в частности, кок-сагыза, являющегося источником не только каучука, но и инулина, малопродуктивны вследствие низкой скорости роста, сильной зависимости от природно-климатических и агротехнических условий выращивания, сложности технологий переработки и извлечения целевых продуктов. Ключевым направлением в решении проблем повышения продуктивности кок-сагыза по каучуку являются генно-инженерные исследования по модификации генома и селекционные работы с целью получения растений, которые могут обеспечить рентабельное промышленное производство. Активно разрабатываются технологии промышленного выращивания кок-сагыза в искусственных условиях, в частности, в аэропонных фитотронах.Natural rubber (NR) is a strategically important raw material, which is a necessary component of rubber for the production of automobile and aircraft tires. The main source of rubber today is Hevea brasiliensis however, in recent decades, extensive research has been conducted to find alternative sources of this strategically important product. The guayule shrub (Parthenium argentatum) and close relatives of the dandelion - the root rubber plants kok-saghyz (Taraxacum kok-saghyz), Crimea-saghyz (Taraxacum hybernum), tau-saghyz (Scorzonera tau-saghyz) and some others are considered as such sources. However, for industrial production, wild forms of root rubber plants, in particular, kok-sagyz, which is a source of not only rubber, but also inulin, are unproductive due to their low growth rate, strong dependence on natural, climatic and agrotechnical growing conditions, the complexity of processing technologies and extraction of target substances. products. The key direction in solving the problems of increasing the productivity of Kok-Sagyz for rubber is genetic engineering research on genome modification and breeding work in order to obtain plants that can provide profitable industrial production. Technologies for the industrial cultivation of kok-saghyz in artificial conditions, in particular in aeroponic phytotrons, are being actively developed.

Широкое проведение таких исследований обуславливает потребность в простых, воспроизводимых и точных методах определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений. Традиционно для этой цели используют гравиметрический метод, применение которого для определения смол и каучука в гуаюле описано, например, в работе [L.T. Black, G.E. Hamerstrand, В.А. Rasnik "Gravimetric analysis for determining the resin and rubber content of guayule". Rubber Chem. Technol. 1983, 56, 2. p. 367-371]. Метод включает высушивание каучуконосных тканей растений, их измельчение, последовательное удаление водорастворимых компонентов и продуктов, растворимых в полярных органических растворителях, извлечение каучука экстракцией неполярными растворителями с последующим высушиванием экстракта до постоянного веса остатка. Высушенная биомасса перед измельчением может дополнительно подвергаться глубокому замораживанию, см, например, [Б.Р. Кулуев, Н.Д. Минченков, Г.Р. Гумерова «Кок-сагыз (Taraxacum kok-saghyz Rodin): методы выделения каучука и перспективы использования биотехнологических подходов». Биотехнология и селекция растений. 2019, 2 (2), с. 33-42]. Количественное определение содержания каучука гравиметрическим методом требует значительного количества исходного материала для анализа, а также значительных затрат времени и реактивов, что ограничивает его использование для проведения массовых анализов в целях мониторинга накопления целевого продукта в процессе роста растений. Тем не менее, гравиметрический метод, позволяющий получать абсолютные значения количественного содержания каучука в тканях растений, остается незаменимым в качестве метода сравнения для оценки достоверности результатов, получаемых другими методами.The widespread implementation of such studies creates a need for simple, reproducible and accurate methods for determining the rubber content in the tissues of rubber plants. Traditionally, a gravimetric method is used for this purpose, the use of which for the determination of resins and rubber in guayule is described, for example, in [L.T. Black, G. E. Hamerstrand, V.A. Rasnik "Gravimetric analysis for determining the resin and rubber content of guayule". Rubber Chem. Technol. 1983, 56, 2. p. 367-371]. The method includes drying rubber-bearing plant tissues, grinding them, sequential removal of water-soluble components and products soluble in polar organic solvents, extracting rubber by extraction with non-polar solvents, followed by drying the extract to a constant weight of the residue. Dried biomass before grinding can additionally be subjected to deep freezing, see, for example, [B.R. Kuluev, N.D. Minchenkov, G.R. Gumerov "Kok-saghyz (Taraxacum kok-saghyz Rodin): methods of rubber isolation and prospects for the use of biotechnological approaches." Biotechnology and plant breeding. 2019, 2 (2), p. 33-42]. Quantitative determination of rubber content by gravimetric method requires a significant amount of starting material for analysis, as well as a significant investment of time and reagents, which limits its use for conducting mass analyzes in order to monitor the accumulation of the target product during plant growth. However, the gravimetric method, which allows one to obtain absolute values of the quantitative content of rubber in plant tissues, remains indispensable as a comparison method for assessing the reliability of the results obtained by other methods.

Современной альтернативой гравиметрическому методу являются методы инструментального физико-химического анализа, применение которых в научных исследованиях и в промышленных сельскохозяйственных технологиях активно разрабатывается в последние годы.A modern alternative to the gravimetric method are methods of instrumental physicochemical analysis, the use of which in scientific research and industrial agricultural technologies has been actively developed in recent years.

Известно применение низкопольной ЯМР-спектроскопии для количественного определения содержания каучука в тканях растений [US 10859650 В2, опубл. 08.12.2020]. Способ включает переведение каучука из тканей растения в раствор и сравнительный анализ интенсивности пиков спектров ЯМР исследуемого и стандартного образцов с заранее определенным содержанием каучука. Сложная процедура подготовки образца для анализа и относительно низкая чувствительность метода дают высокую погрешность, особенно, при анализе образцов с низким содержанием каучука.It is known to use low-field NMR spectroscopy for the quantitative determination of rubber content in plant tissues [US 10859650 B2, publ. 12/08/2020]. The method involves transferring rubber from plant tissues into a solution and comparative analysis of the peak intensity of the NMR spectra of the test and standard samples with a predetermined rubber content. The complex procedure for preparing a sample for analysis and the relatively low sensitivity of the method lead to a high error, especially when analyzing samples with low rubber content.

Для анализа содержания каучука в растениях кок-сагыз описано применение масс-спектрометрических методов, основанных на определении продуктов пиролиза каучука, главным образом, изопрена и лимонена. [Y. Dong. Т. Xiang, et al. "Rapid Quantitative Determination of Isoprene Monomer in Living Taraxacum kok-saghyz by Ultra-High Performance Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry" China Petroleum Processing and Petrochemical Technology 2020, 22, 2, p. 30-36] и [Y. Dong, T. Guo, et al. "Determination of Natural Rubber Content in Taraxacum Kok-Saghyz by Pyrolysis Gas Chromatography-Mass Spectrometry" China Petroleum Processing and Petrochemical Technology. 2022, 22, 3, p. 43-48]. При интерпретации результатов следует иметь в виду, что аналогичные продукты получаются при пиролизе низкомолекулярных каучуков, содержащихся в смолах, также присутствующих в тканях каучуконосных растений. Метод требует применения сложного оборудования и кропотливой предварительной подготовки образцов и не подходит для выполнения массовых серийных анализов.To analyze the rubber content in kok-saghyz plants, the use of mass spectrometric methods based on the determination of rubber pyrolysis products, mainly isoprene and limonene, is described. [Y. Dong. T. Xiang, et al. "Rapid Quantitative Determination of Isoprene Monomer in Living Taraxacum kok-saghyz by Ultra-High Performance Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry" China Petroleum Processing and Petrochemical Technology 2020, 22, 2, p. 30-36] and [Y. Dong, T. Guo, et al. "Determination of Natural Rubber Content in Taraxacum Kok-Saghyz by Pyrolysis Gas Chromatography-Mass Spectrometry" China Petroleum Processing and Petrochemical Technology. 2022, 22, 3, p. 43-48]. When interpreting the results, it should be borne in mind that similar products are obtained from the pyrolysis of low molecular weight rubbers contained in resins also present in the tissues of rubber plants. The method requires the use of complex equipment and painstaking preliminary preparation of samples and is not suitable for performing mass serial analyses.

В качестве способа, позволяющего определить содержание смол и каучука в тканях растений без предварительной длительной подготовки образца, предложено использовать портативный вариант ИК спектроскопии в ближнем ИК (БИК) диапазоне 800-2400 нм. В работе [М. Taurines, L. Brancheriau et al. "Determination of natural rubber and resin content of guayule fresh biomass by near infrared spectroscopy". Industrial Crops and Products. 2019, 134, p. 177-184] возможности способа продемонстрированы на примере анализа содержания каучука в ветвях кустарника гуаюла. Способ может быть использован для оценки содержания целевого продукта как в отдельных растениях, так и для оценки среднего содержания каучука и смол в растениях в масштабах всего поля, на основании относительно небольшой выборки - около 70 измерений, например, при исследовании влияния природно-климатических условий на накопление каучука в тканях растений или для определения оптимальной даты сбора урожая. С помощью переносного БИК-спектрометра возможно определение количественного содержания каучука непосредственно в полевых условиях с использованием сырых или высушенных веток гуаюлы, однако, по утверждению авторов, более высокую точность - до±0,3% получают при использовании для анализа порошкообразных проб, полученных измельчением высушенных каучук-содержащих тканей растений.As a method for determining the content of resins and rubber in plant tissues without lengthy preliminary sample preparation, it is proposed to use a portable version of IR spectroscopy in the near-infrared (NIR) range of 800-2400 nm. In the work [M. Taurines, L. Brancheriau et al. "Determination of natural rubber and resin content of guayule fresh biomass by near infrared spectroscopy." Industrial Crops and Products. 2019, 134, p. 177-184] the capabilities of the method are demonstrated by the example of analyzing the rubber content in the branches of the guayule bush. The method can be used to estimate the content of the target product both in individual plants and to estimate the average content of rubber and resins in plants across the entire field, based on a relatively small sample - about 70 measurements, for example, when studying the influence of natural and climatic conditions on accumulation of rubber in plant tissues or to determine the optimal harvest date. Using a portable NIR spectrometer, it is possible to determine the quantitative content of rubber directly in the field using raw or dried guayule branches, however, according to the authors, higher accuracy - up to ±0.3% is obtained when using powdered samples obtained by grinding dried ones for analysis rubber-containing plant tissues.

Настоящее изобретение решает проблему расширения арсенала технических средств, позволяющих с помощью современных инструментальных методов физико-химического анализа быстро и с высокой точностью определять количественное содержание каучука в тканях каучуконосных растений без его извлечения из каучук-содержащего биоматериала.The present invention solves the problem of expanding the arsenal of technical means that make it possible, using modern instrumental methods of physicochemical analysis, to quickly and with high accuracy determine the quantitative content of rubber in the tissues of rubber-bearing plants without extracting it from rubber-containing biomaterial.

Проблема решена предлагаемым способом определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений, включающим приготовление порошкообразного образца из высушенной ткани растения и последующий анализ полученного образца с помощью инструментального метода физико-химического анализа, отличающимся тем, что в качестве указанного метода физико-химического анализа используют метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спинового зонда с применением в качестве спинового зонда нитроксильного радикала 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила (ΤΕΜΠΟ), а количественное содержание каучука в образце определяют по значению величины интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ с использованием линейной зависимости интегральной интенсивности указанной компоненты спектра от количества каучука в пробе.The problem is solved by the proposed method for determining the rubber content in the tissues of rubber-bearing plants, including the preparation of a powdered sample from dried plant tissue and subsequent analysis of the resulting sample using the instrumental method of physicochemical analysis, characterized in that the method of physicochemical analysis is the method of electron paramagnetic resonance (EPR) of a spin probe using the nitroxide radical 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (TΤΕΜΠΟ) as a spin probe, and the quantitative content of rubber in the sample is determined by the value of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ using linear dependence of the integral intensity of the specified spectrum component on the amount of rubber in the sample.

Радикал ΤΕΜΠΟ представляет собой доступный коммерческий продукт, характеризуется стабильностью при комнатной температуре, обладает высокой летучестью, позволяющей вводить его в исследуемое вещество из газовой фазы, молекула может легко внедряться в структуру исследуемого объекта. В качестве низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ используют первую из трех регистрируемых при развертке поля компонент, поскольку на нее не накладываются дополнительные нативные сигналы.The ΤΕΜΠΟ radical is an available commercial product, is characterized by stability at room temperature, has high volatility, allowing it to be introduced into the test substance from the gas phase; the molecule can easily be incorporated into the structure of the test object. The first of the three components recorded during field sweep is used as the low-field component of the EPR spectrum, since additional native signals are not superimposed on it.

Технический результат изобретения - предложен новый, основанный на применении ЭПР-спектроскопии спинового зонда, способ определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений. Способ предполагает использование в качестве спинового зонда коммерчески доступного нитроксильного радикала ΤΕΜΠΟ и позволяет быстро определять содержание каучука в тканях растений без его выделения из каучук-содержащей биомассы.The technical result of the invention is that a new method, based on the use of spin probe EPR spectroscopy, is proposed for determining the rubber content in the tissues of rubber plants. The method involves the use of a commercially available nitroxyl radical ΤΕΜΠΟ as a spin probe and allows you to quickly determine the rubber content in plant tissues without isolating it from rubber-containing biomass.

Сущность изобретения поясняют следующие графические иллюстрации.The essence of the invention is illustrated by the following graphic illustrations.

На Фиг. 1 показаны спектры ЭПР ΤΕΜΠΟ проб, содержащих различное количество каучука, полученных из образцов биомассы корня растения кок-сагыз, выращенного в условиях аэропонного фитотрона. Низкопольная компонента спектра выделена пунктиром. Масса пробы 7 мг.In FIG. Figure 1 shows the ESR spectra of samples containing different amounts of rubber obtained from samples of the biomass of the root of the kok-saghyz plant grown under the conditions of an aeroponic phytotron. The low-field component of the spectrum is indicated by a dotted line. Sample weight 7 mg.

На Фиг. 2 представлена зависимость интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ от количества каучука в пробе в диапазоне концентраций от 0 до 17,5 масс. %.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ on the amount of rubber in the sample in the concentration range from 0 to 17.5 wt. %.

Метод ЭПР спинового зонда широко используется для исследования полимерных систем [Md. A. Uddin, Η. Yu, et al. "Recent progress in EPR study of spin labeled polymers and spin probed polymer systems" J. Polym. Sci., 2020, 58, p.1924-1948. DOI: 10.1002/pol.20200039]. Спектр ЭПР нитроксильного радикала предоставляет информацию о химических реакциях, локальной молекулярной подвижности, полярности, молекулярной организации исследуемой системы. В настоящем изобретении показана возможность применения метода для количественного определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений.The spin probe EPR method is widely used to study polymer systems [Md. A. Uddin, N. Yu, et al. "Recent progress in EPR study of spin labeled polymers and spin probed polymer systems" J. Polym. Sci., 2020, 58, p.1924-1948. DOI: 10.1002/pol.20200039]. The EPR spectrum of a nitroxyl radical provides information about chemical reactions, local molecular mobility, polarity, and molecular organization of the system under study. The present invention demonstrates the possibility of using the method for the quantitative determination of rubber content in the tissues of rubber plants.

Предлагаемый способ основан на обнаруженном авторами факте избирательной сорбции стабильного нитроксильного радикала 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила (ΤΕΜΠΟ) на частицах каучука, содержащегося в растительной биомассе. Было показано, что при введении радикала ΤΕΜΠΟ в порошок, полученный измельчением высушенной каучук-содержащей растительной ткани, получают спектры ЭПР, аналогичные спектрам, зарегистрированным ранее для радикала ΤΕΜΠΟ в эластомерах. Времена корреляции вращения нитроксильного радикала τ и константы сверхтонкого взаимодействия (СТВ) aN, полученные авторами на образцах каучук-содержащей корневой биомассы растения кок-сагыз, составляют: τ=3,0×10-10 с, aN=15,5 Гс; значения для натурального каучука: τ=2,0×10-10 с, aN=15,4 Гс. [А.М. Вассерман, А.Л. Коварский. «Спиновые метки и зонды в физикохимии полимеров» Отв. ред. А.Л. Бучаченко АН СССР, Ин-т хим. физики. - М. Наука, 1986, 244 с.].The proposed method is based on the fact discovered by the authors of the selective sorption of the stable nitroxyl radical 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (TΤΕΜΠΟ) on rubber particles contained in plant biomass. It was shown that when the ΤΕΜΠΟ radical is introduced into a powder obtained by grinding dried rubber-containing plant tissue, ESR spectra are obtained similar to the spectra previously recorded for the ΤΕΜΠΟ radical in elastomers. The correlation times of rotation of the nitroxyl radical τ and the hyperfine interaction constant (HFC) a N , obtained by the authors on samples of rubber-containing root biomass of the kok-saghyz plant, are: τ = 3.0 × 10 -10 s, a N = 15.5 G ; values for natural rubber: τ=2.0×10 -10 s, a N =15.4 Gs. [A.M. Wasserman, A.L. Kovarsky. “Spin labels and probes in the physical chemistry of polymers” Rep. ed. A.L. Buchachenko Academy of Sciences of the USSR, Institute of Chemistry. physics. - M. Nauka, 1986, 244 pp.].

Показано, что радикал ΤΕΜΠΟ локализуется исключительно в каучуковых образованиях каучук-содержащей ткани. Факт избирательной сорбции радикала ΤΕΜΠΟ на частицах каучука подтверждается тем, что после удаления каучука из образца биомассы экстракцией неполярным растворителем в оставшемся материале спектры ЭПР ΤΕΜΠΟ не регистрируются.It has been shown that the ΤΕΜΠΟ radical is localized exclusively in rubber formations of rubber-containing fabric. The fact of selective sorption of the ΤΕΜΠΟ radical on rubber particles is confirmed by the fact that after removing rubber from a biomass sample by extraction with a nonpolar solvent, the EPR spectra of ΤΕΜΠΟ are not recorded in the remaining material.

Большое значение имеет степень измельчения высушенного биоматериала, взятого для анализа. Показано, что измельчение высушенной ткани до размеров примерно 20 мкм обеспечивает гомогенизацию образцов, достаточную для быстрого проникновения радикала ΤΕΜΠΟ в каучуковые образования растения. Чем больше каучука содержится в пробе, тем большее количество радикала проникает в образец из газовой фазы, тем больше интенсивность сигнала ЭПР. В качестве иллюстрации на Фиг. 1 сопоставлены спектры ЭПР ΤΕΜΠΟ одинаковых по массе проб, содержащих разное количество каучука, полученных из разных образцов высушенной измельченной ткани корней растения кок-сагыз.The degree of grinding of the dried biomaterial taken for analysis is of great importance. It has been shown that grinding dried tissue to a size of approximately 20 µm provides sample homogenization sufficient for rapid penetration of the ΤΕΜΠΟ radical into the rubber formations of the plant. The more rubber is contained in the sample, the greater the amount of radical penetrates into the sample from the gas phase, the greater the intensity of the ESR signal. As an illustration, FIG. Figure 1 compares the ESR spectra of samples of equal mass, containing different amounts of rubber, obtained from different samples of dried crushed root tissue of the kok-saghyz plant.

Следует отметить, что степень измельчения исходного каучук-содержащего материала существенно важна и для получения корректных результатов традиционным гравиметрическим методом, на что авторы публикаций, описывающих весовое определение каучука в растительных тканях, обычно не обращают внимания. Метод спинового зонда позволяет контролировать полноту извлечения натурального каучука из растения. Например, было установлено, что при экстракции каучука из порошка с размером частиц примерно 150 мкм, заметное количество каучука остается в образце. Дополнительное диспергирование материала обеспечивает проникновение радикала в каучуковые образования, которые в частицах больших размеров могут быть заблокированы инулином и/или другими компонентами тканей растения, непроницаемыми для радикала.It should be noted that the degree of grinding of the initial rubber-containing material is also essential for obtaining correct results using the traditional gravimetric method, which is something that the authors of publications describing the weight determination of rubber in plant tissues usually do not pay attention to. The spin probe method allows you to control the completeness of natural rubber extraction from the plant. For example, it has been found that when rubber is extracted from a powder with a particle size of approximately 150 μm, a noticeable amount of rubber remains in the sample. Additional dispersion of the material ensures the penetration of the radical into rubber formations, which in large particles can be blocked by inulin and/or other components of plant tissues that are impermeable to the radical.

Предлагаемый способ определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений основан на существовании линейной зависимости между величиной интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ и количественным содержанием каучука в пробе. Низкопольная компонента спектра ЭПР выделена пунктиром на Фиг. 1. Интегральную интенсивность а рассчитывают по формуле:The proposed method for determining the rubber content in the tissues of rubber-bearing plants is based on the existence of a linear relationship between the value of the integral intensity of the low-field component of the ESR spectrum ΤΕΜΠΟ and the quantitative content of rubber in the sample. The low-field component of the EPR spectrum is indicated by a dotted line in Fig. 1. Integral intensity a is calculated using the formula:

где I - интенсивность низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ, ΔН - ширина низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ.where I is the intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ, ΔН is the width of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ.

Интегральная интенсивность пропорциональна количеству радикала, находящегося в каучуковых образованиях, и, соответственно, количеству каучука в образце. В качестве иллюстрации на Фиг. 2 показана полученная авторами калибровочная линейная зависимость интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ от количественного содержания каучука в эталонных пробах. Количество каучука в образцах, из которых приготовлены эталонные пробы, использованные для построения калибровочного графика, определено гравиметрическим методом. Линейная зависимость между величиной интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ и количественным содержанием каучука в пробе позволяет определить количество каучука в пробе тестируемого образца. Поскольку нулевому содержанию НК в пробе соответствует нулевая интенсивность сигнала низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ (калибровочный график проходит через 0), для его построения достаточно использовать один или два эталонных образца, концентрация каучука в которых, предпочтительно, приближена к предполагаемой концентрации каучука в тестируемом образце. При этом для получения корректных результатов в каждом эксперименте насыщение тестируемых и эталонных образцов радикалом ΤΕΜΠΟ проводят одновременно в одних и тех же условиях, спектры ЭПР всех образцов серии также должны быть записаны в одинаковых условиях.The integral intensity is proportional to the amount of radical present in the rubber formations and, accordingly, to the amount of rubber in the sample. As an illustration, FIG. Figure 2 shows the calibration linear dependence obtained by the authors of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ on the quantitative content of rubber in the standard samples. The amount of rubber in the samples from which the reference samples used to construct the calibration curve were prepared was determined by the gravimetric method. The linear relationship between the value of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ and the quantitative content of rubber in the sample makes it possible to determine the amount of rubber in the sample of the test sample. Since a zero NR content in a sample corresponds to a zero signal intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ (the calibration graph passes through 0), to construct it it is sufficient to use one or two reference samples, the rubber concentration in which is preferably close to the expected rubber concentration in the test sample. Moreover, in order to obtain correct results in each experiment, the saturation of the test and reference samples with the ΤΕΜΠΟ radical is carried out simultaneously under the same conditions; the EPR spectra of all samples in the series must also be recorded under the same conditions.

Пробы для анализа готовят следующим образом.Samples for analysis are prepared as follows.

Каучук-содержащий биоматериал высушивают при 60°С в сушильном шкафу в течение 15-16 часов, после чего измельчают до получения частиц размером примерно 20 мкм. Размер частиц контролируют, просеивая их через сито.The rubber-containing biomaterial is dried at 60°C in an oven for 15-16 hours, after which it is crushed to obtain particles measuring approximately 20 microns. The particle size is controlled by sifting them through a sieve.

В ампулы для ЭПР анализа отбирают пробы полученных порошкообразных образцов. Оптимальное количество пробы, определяемое техническими характеристиками спектрометра, составляет 7 мг. Радикал ΤΕΜΠΟ вводят в пробы из газовой фазы при комнатной температуре. Для этого ампулы с пробами помещают в эксикатор, в котором находится примерно 10 мг радикала ΤΕΜΠΟ. Экспериментально показано, что при выбранных количествах компонентов время экспозиции, обеспечивающее получение наиболее точных и хорошо воспроизводимых результатов, составляет около 10 минут, при этом концентрация радикала ΤΕΜΠΟ в образцах не превышает 1×10-5 М. Увеличение времени экспозиции приводит к превышению оптимальной концентрации и взаимодействию радикалов друг с другом, что может вызвать искажение формы спектра и внести ошибку при определении интенсивности сигнала. После введения радикала ампулы с образцами запаивают.Samples of the resulting powdered samples are taken into ampoules for EPR analysis. The optimal sample amount, determined by the technical characteristics of the spectrometer, is 7 mg. The ΤΕΜΠΟ radical is introduced into samples from the gas phase at room temperature. To do this, ampoules with samples are placed in a desiccator, which contains approximately 10 mg of the ΤΕΜΠΟ radical. It has been experimentally shown that with the selected quantities of components, the exposure time, which ensures obtaining the most accurate and well-reproducible results, is about 10 minutes, while the concentration of the ΤΕΜΠΟ radical in the samples does not exceed 1 × 10 -5 M. Increasing the exposure time leads to exceeding the optimal concentration and interaction of radicals with each other, which can cause distortion of the spectrum shape and introduce an error in determining the signal intensity. After introducing the radical, the sample ampoules are sealed.

Для проведения измерений использован ЭПР-спектрометр Bruker ЕМХ (Германия). При записи спектров значение микроволновой мощности в резонаторе 2 мВ, амплитуда модуляции 0,5 Гс.An EPR spectrometer Bruker EMX (Germany) was used for measurements. When recording spectra, the microwave power in the resonator was 2 mV, the modulation amplitude was 0.5 G.

Содержание каучука в анализируемой пробе определяют из линейной зависимости между интегральной интенсивностью низкопольной компоненты спектра ЭПР ΤΕΜΠΟ и количеством каучука в пробе, полученной с использованием эталонной пробы с известным содержанием НК, определенным независимым способом. Ошибка определения интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра по трем последовательным измерениям для образца, содержащего 5,0% НК (0,35 мг в 7 мг образца), составляет 7,5%, что соответствует ошибке в абсолютном количестве каучука, равной ±0,03 мг.The rubber content in the analyzed sample is determined from the linear relationship between the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum ΤΕΜΠΟ and the amount of rubber in the sample obtained using a reference sample with a known NR content determined by an independent method. The error in determining the integral intensity of the low-field component of the spectrum from three consecutive measurements for a sample containing 5.0% NR (0.35 mg in 7 mg of sample) is 7.5%, which corresponds to an error in the absolute amount of rubber equal to ±0.03 mg.

Возможность применения предлагаемого способа продемонстрирована на примерах определения содержания каучука в корнях растений кок-сагыз, выращенных в разных условиях и имеющих различную концентрацию НК.The possibility of using the proposed method is demonstrated by examples of determining the rubber content in the roots of kok-saghyz plants grown under different conditions and having different concentrations of NR.

Пример 1. Определение содержания каучука в корнях растения кок-сагыз, выращенного в условиях аэропонного фитотрона в течение двух месяцев.Example 1. Determination of rubber content in the roots of a kok-saghyz plant grown in an aeroponic phytotron for two months.

Корень растения массой 100 г высушивают в течение 16 часов при температуре 60°С в сушильном шкафу и измельчают на шаровой мельнице в течение 10 минут до получения порошкообразного образца со средним размером частиц примерно 20 мкм.The plant root weighing 100 g is dried for 16 hours at a temperature of 60°C in an oven and ground in a ball mill for 10 minutes to obtain a powdered sample with an average particle size of approximately 20 μm.

Гравиметрическое определение.Gravimetric determination.

Навеску образца массой 0,3 г экстрагируют хлороформом в аппарате Сокслета в течение 3 часов при температуре 60°С.Каучук высаживают из экстракта трехкратным избытком этилового спирта, промывают водой, ацетонитрилом и этиловым спиртом и высушивают при температуре 60°С в течение суток до постоянного веса. Количество каучука в исследованном образце по результатам трех измерений составляет 42±3 мг (14,0±1% в расчете на сухой вес).A sample weighing 0.3 g is extracted with chloroform in a Soxhlet apparatus for 3 hours at a temperature of 60°C. Rubber is precipitated from the extract with a threefold excess of ethyl alcohol, washed with water, acetonitrile and ethyl alcohol and dried at a temperature of 60°C for 24 hours until constant weight. The amount of rubber in the test sample based on the results of three measurements is 42 ± 3 mg (14.0 ± 1% based on dry weight).

Определение предлагаемым способом.Determination by the proposed method.

Для определения количества каучука в исследуемом образце используют эталонный образец, содержание в котором каучука по результатам гравиметрического анализа составляет 17,5%. В ампулах для ЭПР-анализа взвешивают по 7 мг эталонного и тестируемого образцов, затем ампулы помещают на 10 минут в эксикатор, в котором находится примерно 10 мг радикала ΤΕΜΠΟ (Sigma-Aldrich), после чего ампулы запаивают и записывают спектры ЭПР. Определяют значения интенсивности I и ширины ΔH низкопольной компоненты спектра и по формуле (1) рассчитывают значения а (усл. ед.) интегральной интенсивности низкопольных компонент спектров ЭПР ΤΕΜΠΟ проб эталонного и тестируемого образцов. По величине а для эталонного образца строят проходящую через 0 калибровочную линейную зависимость, по которой далее определяют количественное содержание каучука в тестируемом образце. Полученное значение 1,026 мг (14,6 масс. %) совпадает в пределах ошибки эксперимента с результатом, полученным гравиметрическим методом.To determine the amount of rubber in the test sample, a reference sample is used, the rubber content of which, according to the results of gravimetric analysis, is 17.5%. In ampoules for EPR analysis, 7 mg of reference and test samples are weighed, then the ampoules are placed for 10 minutes in a desiccator containing approximately 10 mg of the ΤΕΜΠΟ radical (Sigma-Aldrich), after which the ampoules are sealed and the EPR spectra are recorded. The values of intensity I and width ΔH of the low-field component of the spectrum are determined and, using formula (1), the values a (arb. units) of the integral intensity of the low-field components of the EPR spectra ΤΕΜΠΟ of the reference and test samples are calculated. Based on the value of a for the reference sample, a calibration linear dependence passing through 0 is constructed, from which the quantitative content of rubber in the test sample is then determined. The obtained value of 1.026 mg (14.6 wt. %) coincides, within the experimental error, with the result obtained by the gravimetric method.

Пример 2. Определение содержания каучука в корнях растения кок-сагыз, выращенного in vitro в течение двух месяцев.Example 2. Determination of rubber content in the roots of the kok-saghyz plant grown in vitro for two months.

Корень растения массой 30 г высушивают в течение 16 часов при температуре 60°С в сушильном шкафу и измельчают на шаровой мельнице в течение 10 минут до получения порошкообразного образца со средним размером частиц примерно 20 мкм.The plant root weighing 30 g is dried for 16 hours at a temperature of 60°C in an oven and ground in a ball mill for 10 minutes to obtain a powdered sample with an average particle size of approximately 20 μm.

Гравиметрическое определение.Gravimetric determination.

Навеску образца массой 2 г экстрагируют хлороформом в аппарате Сокслета в течение 3 часов при температуре 60°С. Каучук высаживают из экстракта трехкратным избытком этилового спирта, промывают водой, ацетонитрилом и этиловым спиртом и высушивают при температуре 60°С в течение суток до постоянного веса. Количество каучука в исследованном образце по результатам трех измерений составляет 53,4±3,0 мг (2,67±0,15% в расчете на сухой вес).A sample weighing 2 g is extracted with chloroform in a Soxhlet apparatus for 3 hours at a temperature of 60°C. Rubber is planted from the extract with a threefold excess of ethyl alcohol, washed with water, acetonitrile and ethyl alcohol and dried at a temperature of 60°C for 24 hours to constant weight. The amount of rubber in the tested sample based on the results of three measurements is 53.4 ± 3.0 mg (2.67 ± 0.15% based on dry weight).

Определение предлагаемым способом.Determination by the proposed method.

Для определения количества каучука в исследуемом образце используют эталонные образцы, содержание каучука в которых по результатам гравиметрического анализа составляет 1,3% и 2,8%. Приготовление проб для анализа, анализ ЭПР и обработку результатов проводят аналогично примеру 1. Полученное значение 0,195 мг (2,78%) НК, совпадает в пределах ошибки эксперимента с результатом, полученным гравиметрическим методом.To determine the amount of rubber in the test sample, reference samples are used, the rubber content of which, according to the results of gravimetric analysis, is 1.3% and 2.8%. Preparation of samples for analysis, EPR analysis and processing of results are carried out similarly to example 1. The obtained value of 0.195 mg (2.78%) of NA coincides, within the experimental error, with the result obtained by the gravimetric method.

Предлагаемый метод прост в осуществлении, не требует большого количества исходного материала и может быть использован как в научных исследованиях, так и для мониторинга накопления каучука в тканях растений в процессе их промышленного выращивания в грунте или в искусственных условиях фитотрона.The proposed method is easy to implement, does not require a large amount of starting material, and can be used both in scientific research and for monitoring the accumulation of rubber in plant tissues during their industrial cultivation in soil or in artificial phytotron conditions.

Claims (2)

1. Способ определения содержания каучука в тканях каучуконосных растений, включающий приготовление порошкообразного образца из высушенной ткани растения и последующий анализ полученного образца с помощью инструментального метода физико-химического анализа, отличающийся тем, что средний размер частиц в порошкообразном образце составляет около 20 мкм, а в качестве указанного метода используют метод электронного парамагнитного резонанса спинового зонда с применением в качестве спинового зонда нитроксильного радикала 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила, а количественное содержание каучука в образце определяют по значению величины интегральной интенсивности низкопольной компоненты спектра ЭПР с использованием линейной зависимости интегральной интенсивности указанной компоненты спектра от количественного содержания каучука в пробе.1. A method for determining the rubber content in the tissues of rubber-bearing plants, including the preparation of a powdered sample from dried plant tissue and subsequent analysis of the resulting sample using an instrumental method of physicochemical analysis, characterized in that the average particle size in the powdered sample is about 20 microns, and As this method, the spin probe electron paramagnetic resonance method is used using the nitroxide radical 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl as a spin probe, and the quantitative content of rubber in the sample is determined by the value of the integral intensity of the low-field component of the EPR spectrum using linear dependence of the integral intensity of the specified spectrum component on the quantitative content of rubber in the sample. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный нитроксильный радикал вводят в тестируемый образец из газовой фазы при комнатной температуре.2. The method according to claim 1, characterized in that the specified nitroxyl radical is introduced into the test sample from the gas phase at room temperature.
RU2022127307A 2022-10-20 Method for determining the content of rubber in the tissues of rubber plants RU2805229C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2805229C1 true RU2805229C1 (en) 2023-10-12

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10859650B2 (en) * 2016-06-29 2020-12-08 Bridgestone Corporation Methods for determining plant rubber content with low field NMR

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10859650B2 (en) * 2016-06-29 2020-12-08 Bridgestone Corporation Methods for determining plant rubber content with low field NMR

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Б.Р. КУЛУЕВ И ДР. КОК-САГЫЗ (TARAXACUM KOK-SAGHYZ RODIN): МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ КАУЧУКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ". БИОТЕХНОЛОГИЯ И СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ. 2019. Т2. N2. С. 33-42. Y. DONG ET AL. RAPID QUANTITATIVE DETERMINATION OF ISOPRENE MONOMER IN LIVING TARAXACUM KOK-SAGHYZ BY ULTRA-HIGH PERFORMANCE LIQUID CHROMATOGRAPHY TANDEM MASS SPECTROMETRY. CHINA PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICAL TECHNOLOGY. 2020. N22 (2). P. 30-36. И.И. БАРАШКОВА И ДР. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА ПОЛИМЕРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ШУНГИТА. СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. ХХХ СИМПОЗИУМ. ТУАПСЕ:2018. СБОРНИК ТЕЗИСОВ. С. 150. *
М. TAURINES ET AL. DETERMINATION OF NATURAL RUBBER AND RESIN CONTENT OF GUAYULE FRESH BIOMASS BY NEAR INFRARED SPECTROSCOPY. INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS. 2019. V 134. P. 177-184. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kelleher et al. Assessing the fate and transformation of plant residues in the terrestrial environment using HR-MAS NMR spectroscopy
Hu et al. Development of sample preparation method for auxin analysis in plants by vacuum microwave-assisted extraction combined with molecularly imprinted clean-up procedure
EP3241017B1 (en) Methods for quantifying rubber content in a plant with low-field nmr
Guo et al. Simultaneous qualitation and quantitation of natural trans-1, 4-polyisoprene from Eucommia ulmoides Oliver by gel permeation chromatography (GPC)
RU2805229C1 (en) Method for determining the content of rubber in the tissues of rubber plants
CN111443146A (en) Method for testing rubber content in taraxacum kok-saghyz
Zhang et al. Rational rubber extraction and simultaneous determination of rubber content and molecular weight distribution in Taraxacum kok-saghyz Rodin by size-exclusion chromatography
Siciliano et al. 1H NMR quantification of cannabidiol (CBD) in industrial products derived from Cannabis sativa L.(hemp) seeds
Stiefvater Microwave spectrum of propionic acid. I. Spectrum, dipole moment, barrier to internal rotation, and low‐frequency vibrations of cis‐propionic acid
Ning et al. 13 C quantification in heterogeneous multiphase natural samples by CMP-NMR using stepped decoupling
KR20030010025A (en) non-destructive analysis method of one seed grain by near infrared reflectance spectroscopy
US20170073479A1 (en) Microwave extraction technique for rubber and resin analysis
CN108445068B (en) Method for identifying 2-hydroxy-1, 4-naphthoquinone and isomer 5-hydroxy-naphthoquinone thereof
US10859650B2 (en) Methods for determining plant rubber content with low field NMR
ES2430889T3 (en) Method and use of an apparatus for in vitro analysis of biological cells and / or microorganisms
CN108956679A (en) A method of mark of correlation metabolin is sprouted based on NMR technology screening PIECA ASPERATA body embryo
CN106872427B (en) H in a kind of carbon quantum dot targeting detection lysosome2The method of S
Ren et al. Introducing a novel technique of detecting fruits contaminations using Terahertz sensing
Martirosyan et al. Quantitative Determination of Natural Rubber Content of Taraxacum kok-saghyz E. Rodin Plants Using Spin Probe Method of Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy
CN105675533B (en) Method based on FTIR spectrum technology early detection fingered citron anthracnose
Ren et al. Establishing A Novel Technique for the Detection of Water Contamination Using Terahertz Waves
CN110567909A (en) method for detecting content of sex pheromone in trap chip
Gao et al. Rapid Determination of Taraxacum kok-saghyz Rubber Content by Pyrolyzer Hyphenated with a Miniaturized Mass Spectrometer
Ince-Yilmaz et al. Impacts of high voltage electric field (HVEF) applications on germination and seedling growth of wheat seed (Triticum aestivum L.) with analysis by fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy
NIU et al. Development of an analysis method for determination of pectin in tobacco by solid state 13C CP/MAS NMR