Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Исаева Елена Владимировна
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ВЕГЕТАТИВНОЙ ЧАСТИ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОДУКТОВ
05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки
биомассы дерева; химия древесины
Автореферат на соискание ученой степени
доктора технических наук
Красноярск-2008
Работа выполнена на кафедре химической технологии древесины и биотехнологии в ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск
Научный консультант
доктор технических наук, профессор Рязанова Татьяна Васильевна
Оппоненты
доктор химических наук, профессор Рощин Виктор Иванович
доктор технических наук, профессор Войнов Николай Александрович
доктор технических наук, профессор Золотарева Анна Мефодьевна
Ведущая организация: ГОУ ВПО Уральский государственный лесотехнический университет
Защита состоится в 10.00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета
Отзывы в двух экземплярах с заверенными подписями просьба направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.
Автореферат разослан л 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Рубчевская Л.П.
Актуальность исследования. В России многие виды растений издавна при-меняются в промышленности, сельском хозяйстве, а также медицине, но большая их часть представляет пока еще не раскрытый резерв. Уникальным источ-ником природных соединений являются экстрактивные вещества, извлекаемые из элементов дерева (древесины, хвои, листвы, пней, коры). Естественная возобновляемость делает древесные растения неисчерпаемым сырьем для производства биологически активных веществ. Они, как правило, биоразрушаемы и безвредны как для фауны, так и для флоры. Вследствие этого продукты на их основе предпочтительнее используемых в настоящее время высокотоксичных продуктов большой химии.
В этом направлении интерес представляют растения рода Populus семей-ства ивовых Salicaceae как источник веществ, обладающих широким спектром биологической активности (флавоноиды, жирные кислоты, терпеноиды). Интерес к тополю объясняется его биологическими особенностями и хозяйственной ценностью. Из биолого-технических особенностей важно отметить быстроту роста и продуктивность, что с одной стороны, объясняет причину интереса к тополю, а с другой показывает его потенциальные возможности. Интенсивность жизнедеятельности тополей выше, чем у березы и других древесных пород. Об этом свидетельствует скорость протекания основных физиологических процессов - фотосинтеза и транспирации. Таким образом, скорость роста надземных органов, мощное развитие корневой системы, транспирирующей и фотосинтезирующей поверхности листьев свидетельствуют о большой устойчивости, высокой продуктивности и об исключительной конкурентной способности тополя по сравнению с медленно растущими растениями.
Несмотря на то, что вегетативная часть тополя является доступным, легко возобновляемым и богатым биологически активными веществами сырьем, комплексной технологии переработки данного сырья не существует. Очевидным препятствием ее созданию является недостаточная изученность химического состава. Поэтому, выделение и установление строения биологически активных веществ из видов рода Populus является актуальным, а создание технологии комплексной переработки данного вида сырья - целесообразным.
Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по республиканской программе Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья, инновационным программам Утилизация растительных отходов и Переработка растительного сырья, и утилизация отходов.
Цель работы. Разработка концепции и технологии ресурсосберегающей комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического с полу-чением веществ, обладающих биологической активностью.
Общие задачи:
- установить химический состав сырья и закономерности его изменения, связанные с внутривидовой изменчивостью, местом произрастания и фазой роста растения;
- изучить динамику содержания групп веществ и индивидуальных соеди-нений в элементах вегетативной части тополя бальзамического, как важнейшего фактора, определяющего качественный состав и выход целевых продуктов;
- исследовать групповой и индивидуальный состав эфирных масел, спиртового и СО2 - экстрактов;
- установить особенности химического состава вегетативной части тополя бальзамического и разработать рекомендации по срокам ее промышленной заготовки;
- изучить влияние основных технологических факторов на выход и состав экстрактивных веществ и провести оптимизацию процессов извлечения экст-рактивных веществ из вегетативной части тополя бальзамического;
- изучить состав и свойства полученных продуктов и установить пути их использования;
- исследовать состав послеэкстракционного остатка и определить возмож-ные направления его утилизации;
- на основе результатов изучения химического состава вегетативной части тополя бальзамического, свойств отдельных его групп веществ и выявленных закономерностей их изменения под действием технологических факторов, раз-работать теоретические основы ресурсосберегающей комплексной переработки вегетативной части тополя;
- разработать технологию комплексной переработки вегетативной части тополя и нормативную документацию. Провести апробацию технологии и про-дукции.
Научная новизна. Предложена концепция ресурсосберегающей комп-лексной переработки вегетативной части тополя бальзамического с получени-ем веществ, обладающих биологической активностью, вносящая вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы рационального использования растительного сырья.
Впервые показаны закономерности изменения химического состава экст-рактивных веществ вегетативной части тополя в ходе годового цикла. Уста-новлены особенности химического состава тополя бальзамического, произрас-тающего в Средней Сибири. Показано, что он отличается от тополей данного вида, произрастающих в других регионах, большим содержанием эфирных масел и меньшим флавоноидов. Отличительной особенностью эфирных масел является высокое (до 90 %) содержание сесквитерпеноидов, с преобладанием эвдесмола и бизаболола, наличие 2-фенилэтил-2-метилбутаноата и небензоидного ароматического углеводорода аромадендрена; а также флавоноидов - меньшее содержание пиностробина и большее халконов.
Установлено влияние вида тополя и места произрастания на состав липи-дов. Показано, что для разного вида тополей Средней Сибири характерно вы-сокое содержание гликолипидов, а также наличие веществ, обладающих А, F и Р - витаминной активностью. Предложены методы их выделения. Впервые из вегетативной части тополя бальзамического выделены воскообразные вещества и изучены их свойства.
Осуществлен подбор условий извлечения экстрактивных веществ из веге-тативной части тополя, обеспечивающих высокий выход эфирных масел и спирторастворимых компонентов.
Получены новые сведения об антифунгальной, бактерицидной и иммуно-стимулирующей активности эфирных масел и спиртового экстракта.
Показана возможность утилизации послеэкстракционного остатка вегетативной части тополя методом биоконверсии, и установлено влияние воздействия ферментативного комплекса грибов рода Trichoderma на лигноуглеводный комплекс остатка.
Впервые получен СО2-экстракт из вегетативной части тополя. Установле-но, что экстрагент обладает селективностью по отношению к углеводородам, сложным эфирам и спиртам.
Показано, что вегетативная часть тополя бальзамического может быть использована в качестве сырья для получения белковых кормовых добавок.
Результаты являются основой для создания комплексной технологии переработки вегетативной части тополя с получением биологически активных веществ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием в работе проверенных методов эксперимента и современной аналитической техники, согласованностью подходов к процессу фракциониро-вания сложных смесей лабильных органических соединений с общенаучными положениями, а также статистической обработкой результатов.
Практическая значимость. Технологические решения запатентованы, апро-бированы на крупно-лабораторной и полупромышленной установках и откры-вают реальную возможность эффективного использования вегетативной части тополя. Разработанная технология предусматривает прижизненное использова-ние тополя.
Получены опытные партии продукции и проведено их испытание. Разрабо-тана нормативная документация. Исходные данные для проектирования переда-ны в ОАО Лесосибирский канифольно-экстракционный завод.
Полученные результаты вносят существенный вклад в решение проблемы комплексного использования растительной биомассы и представляют интерес, как для химической технологии и биотехнологии, так и для химии древесины.
Основные положения, выносимые на защиту. Концепция ресурсосберега-ющей комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического с получением веществ, обладающих биологической активностью.
Химический состав сырья и закономерности его изменения, связанные с внутривидовой изменчивостью, местом произрастания и фазой роста растения.
Индивидуальный состав эфирных масел, спиртового и СО2 - экстрактов из вегетативной части тополя бальзамического.
Особенности влияния технологических факторов на состав и свойства продуктов.
Технико-экономическое обоснование комплексной переработки вегетатив-ной части тополя бальзамического.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на 6-ой межреспуб-ликанской школе-семинаре Исследования в области химии древесины (Рига, 1991); всесоюзных научно-практических конференциях Производство кормо-вых и биологически активных продуктов из отходов низкокачественного древе-
сного сырья (Красноярск,1990); Использование и восстановление ресурсов ангаро-енисейского региона (Красноярск,1991,1992); Проблемы химико-лесного комплекса (Красноярск, 1994, 1995, 1997, 1999, 2001,2004); Международной конференции ЮФРО Эколого-физиологические аспекты ксилогенеза хвойных (Красноярск,1997); Х1 международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-97 (Москва,1997); краевой научной конференции Экологические проблемы Красноярского края (Красноярск, 1997); Ш международном совещании Лесохимия и органический синтез (Сыктывкар, 1998); всероссийских научно-практических конференциях: Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья (Барнаул, 2005, 2007); Лесной и химический комплексы. Проблемы и решения (Красноярск, 2005); 1Х международной школе-конференции Экология Южной Сибири и сопредельных территорий (Абакан, 2005); Химия и химическая технология в XXI веке (Томск, 2006).
Публикации. По вопросам, относящимся к теме диссертационной работы, опубликовано 46 научных работы, из них 12 статей в журналах Перечня ВАК,1 учебное пособие; патент и авторское свидетельство.
ичный вклад автора : постановка проблемы, теоретическое обоснование задач и методологии подхода к их решению, непосредственное выполнение экспериментальных исследованиях, интерпретация полученных результатов.
Место проведения исследований. Работа выполнена на кафедре химичес-кой технологии древесины и биотехнологии Сибирского государственного тех-нологического университета при участии д.т.н. Рязановой Т.В., к.т.н. Чупровой Н.А., к.б.н. Литовка Ю.А. и аспирантов автора Подольской Т.М., Рейсер Г.А., Ложкиной ГА. Исследования методом ВЭЖХ и хромато-масс-спектрометрии выполнены в Новосибирском институте органической химии СО РАН при участии д.х.н. Ткачева А.В., к.х.н. Морозова С.В.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, анали-тического обзора, 7 глав, выводов, списка использованной литературы из 370 наименований и приложений. Материал изложен на 360 с., включая 70 рисунков и 90 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность разработки технологии комплексной переработки вегетативной части тополя, сформулированы цель и задачи исследований.
В первой главе рассмотрено состояние исследований состава и вопросы переработки биомассы древесных растений и, в частности, их вегетативной части. Как следует из аналитического обзора, сведения о химическом составе рода Populus носят фрагментарный характер. Достаточно подробно изучен химический состав фитомассы Populus tremula. Сведения для других видов тополей отсутствуют или носят ограниченный характер. Нет данных по изменению содержания отдельных компонентов в процессе годового цикла развития дерева, практически отсутствуют сведения о липидах тополя. Наиболее изученными группами соединений являются флавоноиды и эфирные масла. Данные об их составе неполные, иногда противоречивые, что, очевидно, связано с местом и условиями произрастания, индивидуальной особенностью дерева. Сравнительно небольшое число работ имеет ценность для практического использования элементов вегетативной части тополя бальзамического как сырья. В тоже время, известные данные по биологической активности веществ, входящих в состав биомассы тополя, позволяют сделать вывод о перспективности переработки сырья экстракционными методами, с последующим разделением выделенных смесей органических соединений на ряд продуктов с высокой физиологической и биологической активностью.
В настоящее время отсутствуют работы по комплексному использованию биомассы тополя. Для создания технологии ресурсосберегающей комплексной переработки вегетативной части тополя необходимо более глубокое изучение химического состава ее элементов, свойств отдельных групп веществ, выявление закономерностей их изменения под действием природных и технологических факторов; решение вопросов утилизации отходов, образующихся в результате извлечения из сырья экстрактивных веществ. Все это ставит задачу проведения целого ряда различающихся по характеру исследований, которые позволят получить необходимые сведения о затронутых аспектах проблемы.
Методы проведения экспериментов. Экспериментальные работы проводи-лись автором в период 1987-2007 гг. Объектом изучения служила вегетативная часть тополя бальзамического (Populus balzamifera L.), а также продукты, полученные при ее переработке. В работе использовали растительный материал из культурных насаждений городов и поселков Красноярского края и Хакасии. Исследование химического состава элементов вегетативной части тополя и продуктов ее переработки осуществлялось по стандартным для химии расти-тельного сырья методикам и схемам анализа, принятым в данной эксперимен-тальной области. Для исследования группового и индивидуального состава ве-ществ, установления структуры отдельных компонентов использованы хрома-тографические и спектральные методы анализа: ТСХ, ГЖХ, ВЭЖХ, хромато-масс-спектрометии, ПМР, УФ- и ИК-спектрометрии и др.
Химический состав вегетативной части тополя
Решение проблемы рационального комплексного использования расти-тельного сырья, выбор направления его эффективной переработки, и разработка технологий получения востребованных продуктов на их основе, безусловно, требует знания химического состава используемого сырья. В случае, если составной частью сырья являются живые элементы дерева, то необходимо знать, какое влияние на состав и свойства сырья оказывают физиолого-географические, биологические, технологические и другие факторы, без этого не может быть и речи о создании каких-либо технологий и оценке их эффективности. Поскольку в литературе сведения о химическом составе вегетативной части тополя бальзамического носят отрывочный характер, а химический состав тополя, произрастающего в сибирском регионе, до нас практически не изучали, то первый этап работы был посвящен этому вопросу.
В таблице 1 приведен химический состав отдельных элементов вегета-тивной части тополя бальзамического (на примере апрельской пробы) в расчете
на абсолютно сухое сырье (а.с.с.)
Таблица 1 - Химический состав вегетативной части тополя бальзамического
Компонент |
Содержание, % а.с.с. |
|||||
почки |
побеги |
ветка |
истья (июнь) |
|||
кора |
древесина |
|||||
Зольные вещества |
2,1 |
2,6 |
6,7 |
1,0 |
9,8 |
|
етучие с паром |
5,0 |
0,5 |
следы |
отсут. |
0,8 |
|
Вещества, |
||||||
- экстрагируемые спиртом |
32,9 |
23,5 |
17,1 |
12,8 |
35,7 |
|
- экстрагируемые водой |
11,1 |
7,9 |
18,6 |
7,9 |
14,6 |
|
Полисахариды: |
||||||
- легкогидролизуемые |
11,3 |
16,4 |
7,9 |
19,0 |
9,8 |
|
- трудногидролизуемые |
14,0 |
20,2 |
26,0 |
29,1 |
11,9 |
|
- пентозаны |
10,8 |
14,4 |
- |
18,3 |
- |
|
игноподобные вещества |
23,6 |
28,9 |
23,7 |
30,2 |
17,4 |
|
Примечание: У-У - не определяли |
||||||
Из результатов таблицы видно, что в составе различных элементов вегета-тивной части тополя значительную долю составляют экстрактивные вещества. Наиболее богаты экстрактивными веществами живые ткани - почки и листья, поскольку в них в процессе фотосинтеза идет образование низкомоле-кулярных веществ, наименьшее - в одревесневших побегах, где значительна доля древесины. Содержание спирторастворимых веществ в общей доле экст-рактивных веществ зависит от объекта исследования и составляет для однолет-летних побегов и почек 85-87 %, листьевЦ71 % и ветвейЦ62 %. Экстрактивные вещества представляют большой интерес с точки зрения развития химической переработки вегетативной части (побегов и почек) тополя бальзамического.
В водорастворимых веществах почек тополя бальзамического установлено наличие редуцирующих веществ (34,8 %), таннидов (42,7 %), минеральных веществ (5,1 %) и водорастворимого белка (6,7 % от массы сухих веществ экстракта). Содержание веществ, экстрагируемых горячей водой, в листьях тополя бальзамического в 1,3 раза выше, чем в почках, и почти в два раза выше, чем в ветвях. Количество же редуцирующих веществ в водном экстракте листьев тополя составило 2 %, ветвей тополя - 7,6 %, однолетних побегов - 19,51 % от массы сухих веществ экстракта. Следовательно, водорастворимые вещества могут служить источником углеводов (4-11 % от а.с.с.), дубильных веществ (4-7 % от а.с.с.) и, наряду со спирторастворимыми веществами, представлять интерес для химической и микробиологической переработки.
Исследования изменения химического состава почек тополя бальзамического, произрастающего в различных регионах Красноярского края и Хакасии, свидетельствуют о том, что почки характеризуются стабильностью группового состава независимо от географических районов произрастания тополя и определяются только фазой фенологического развития. Установлено, что период покоя характеризуется более высоким содержанием водорастворимых веществ. В период вегетации количество этих компонентов снижается, но увеличивается доля минеральных веществ и полисахаридов.
Для выбора направления переработки любого сырья необходимо также знать, что входит в отдельные группы веществ.
Углеводы вегетативной части тополя бальзамического
Установление состава и содержания углеводов позволяет обоснованно решать вопросы переработки вегетативной части тополя. В составе углеводов почек тополя бальзамического установлено наличие пяти групп, различающихся по растворимости в разных растворителях, в частности в спирте и воде. Результаты количественной оценки отдельных групп углеводов почек тополя приведены в таблице 2.
Таблица 2 Ц Содержание углеводов в почках тополя по группам
В процентах от а.с.с.
Группа углеводов |
Месяц отбора проб |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
Моно-, ди-, и трисахариды |
1,09 |
1,22 |
1,38 |
1,53 |
1,07 |
1,81 |
2,33 |
Коллоидные полисахариды |
3,27 |
3,34 |
2,95 |
2,22 |
2,87 |
1,29 |
0,43 |
Крахмал |
0,34 |
0,25 |
0,31 |
0,37 |
0,35 |
0,35 |
3,12 |
Гемицеллюлозы |
3,53 |
4,16 |
4,19 |
4,08 |
3,15 |
3,43 |
5,44 |
Целлюлоза |
17,90 |
15,30 |
16,83 |
16,54 |
16,28 |
15,87 |
13,67 |
Всего углеводов |
26,13 |
24,27 |
25,66 |
24,74 |
23,72 |
22,72 |
24,99 |
Из таблицы 2 видно, что содержание всех групп углеводов почек изменяется в ходе годового цикла
развития тополя. Этот факт, на наш взгляд, является закономерным, поскольку в период прекращения роста и перехода древесных растений в состояние глубокого покоя изменяется направленность обменных процессов в сторону накопления веществ, выполняющих в тканях и органах запасную и защитную роль. Установлено, что общее содержание углеводов в почках тополя достигает максимума осенью. В конце зимы оно начинает уменьшаться, достигая минимума ранней весной, когда углеводы используются на усиленное дыхание и рост новых тканей. С помощью хроматографических (ТСХ и ГЖХ) методов анализа в составе углеводов почек тополя бальзамического установлено наличие глюкозы, фруктозы, галактозы, ксилозы и арабинозы.
В побегах с почками общее содержание углеводов в 1,5-2 раза выше, чем в почках тополя. Исследования углеводного состава показали, что в них содержится больше растворимых углеводов, чем в почках. На долю структурных полисахаридов приходится более 70 %.
Методом рентгеновской дифрактометрии установлено, что кристаллическая ячейка образцов целлюлозы, полученных из вегетативной части тополя, соответствует моноклинной решетке целлюлозы I. Целлюлозные волокна побегов и почек тополя содержат 60-64 % кристаллической и 36-40 % аморфной части, характеризуются низкими значениями степени полимеризации (3775 и 1662 соответственно), что говорит о большей их доступности, например, для микробиологической конверсии, по сравнению с целлюлозой древесины и коры.
игниновые вещества тополя бальзамического
Как показали наши исследования, почки тополя практически на 25 %, а вегетативная часть на 30 % состоят из веществ лигниновой природы. Для изучения лигниновых веществ почек тополя были выделены препараты диоксанлигнина по методу Пеппера в токе азота. Диоксанлигнин содержит 6,1 % метоксильных и 7,9 % гидроксильных, в том числе на долю фенольных гидроксильных групп приходится 2,2 %, менее 2 % карбоксильных групп. Массовая доля углерода Ц 59 %. Высокое содержание углерода (соотношение С:Н>9), а также максимум УФ-поглощения при длине волны 275 нм подтверждает ароматическую природу выделенного препарата диоксанлигнина. Расчетная молекулярная масса усредненной фенилпропаноновой единицы диоксанлигнина - 187, эмпирическая формула: С9Н7,60О2,66(ОСН3)0,37(ОНф)0,24(ОНа)0,63(СООН)0,079. Результаты химического анализа подтверждают результаты ИК-спектроскопии. Лигнин почек тополя менее метоксилирован по сравнению с древесиной и по составу близок к лигнинам травянистых растений.
Полученные характеристики компонентов лигноуглеводного комплекса позволяют предположить, что вегетативная часть тополя будет являться доступным сырьем для микробиологических производств.
Для решения вопроса комплексного использования вегетативной части тополя необходимо также более глубокое рассмотрение состава и свойств экстрактивных веществ, на долю которых приходится до 52 %, из них 12 % составляют вещества, летучие с паром. Высокое содержание летучих компонентов указывает на потенциальную возможность использования вегетативной части тополя для их выделения.
Эфирные масла вегетативной части тополя бальзамического
Недостаток сведений о содержании и составе летучих компонентов тополя существенно ограничивает познание метаболизма этих веществ и сдерживает их использование в лесохимической промышленности.
В таблице 3 приведена динамика содержания летучих компонентов вегетативной части тополя бальзамического в различные фазы фенологического развития дерева.
Таблица 3 - Содержание эфирных масел в вегетативной части тополя
В процентах от а.с.с.
Месяц от-бора проб |
Почки |
Побеги с почками |
Месяц от- бора проб |
истья |
Побеги с листьями |
Октябрь |
4,080,06 |
2,80,27 |
Май |
0,480,13 |
0,380,07 |
Ноябрь |
3,020,52 |
1,690,09 |
Июнь |
0,770,08 |
0,810,12 |
Декабрь |
2,670,31 |
0,720,08 |
Июль |
0,440,06 |
0,060,14 |
Январь |
1,920,22 |
0,700,09 |
Август |
0,490,05 |
0,480,05 |
Февраль |
3,140,28 |
1,400,06 |
Сентябрь |
0,220,01 |
0,200,03 |
Март |
5,860,14 |
3,510,17 |
|||
Апрель |
8,541,06 |
5,650,33 |
Из таблицы 3 видно, что количество эфирных масел изменяется в ходе онтогенеза во всех элементах вегетативной части тополя бальзамического. Основным источником эфирных масел являются почки. В содержании летучих компонентов, как в почках, так и в побегах с почками, в течение годового цикла развития дерева отмечено два максимума: осенний (октябрь) и весенний (апрель). Начиная с октября, в период подготовки дерева к покою и глубокого покоя, содержание летучих компонентов постепенно снижается, достигая минимума в январе. Медленная убыль в зимнее время, вероятно, объясняется расходованием терпеноидных соединений без компенсации их потерь в отсутствии биосинтеза. Далее содержание летучих компонентов возрастает, что, очевидно, связано с подготовкой дерева к периоду вегетации и повышением интенсивности жизнедеятельности, в том числе с увеличением активности ферментов, участвующих в образовании терпеноидов, что согласуется с литературными данными.
Эфирное масло вегетативной части тополя характеризуется высоким со-держанием сесквитерпеноидов в отличие от древесной зелени хвойных, где количество этой группы веществ составляет 5-6 %. Установлено, что доля сеск-витерпеноидов в почках тополя в течение всего периода развития изменяется с 93 (март) до 97 % (декабрь), монотерпеноидов с 2,3 (октябрь) до 7,7 % (март) от суммарного масла. Варьирование в содержании групп компонентов объясняется их биологическим назначением. С практической точки зрения, заготовку сырья с целью получения эфирных масел целесообразно проводить с февраля по апрель.
Результаты исследования видовой изменчивости на содержание эфирных масел у представителей рода Populus дают основание для выбора тополя баль-замического в качестве сырья для получения эфирных масел. Содержание эфирных масел в почках тополя черного и серебристого составляло 1,63 % и 1,25 % соответственно. Наибольшее количество эфирных масел установлено в почках тополя бальзамического (2,3 %), наименьшее - осины (0,13 % от а.с.с.).
Поскольку имеющиеся в литературе сведения об индивидуальном составе эфирных масел тополя бальзамического содержат неполные, иногда противоре-чивые сведения, а состав тополя, произрастающего в Сибири, менее всего изучен, то следующим этапом исследований было изучение индивидуального состава эфирных масел.
В таблице 4 приведен состав компонентов эфирных масел вегетативной части тополя, определенный методом хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) на приборе HP6890 с MSD 5972 (США) с капиллярной колонкой НР-5.
Легколетучие компоненты тополя представляет собой смесь веществ, относящихся к различным классам органических соединений, среди которых преобладающими являются терпены и их кислоросодержащие производные. Среди моноциклических сесквитерпеноидов интерес представляют бизаболен и его кислородсодержащие производные. Эта группа соединений характерна и для эфирных масел тополя бальзамического других регионов, но их содержание в 3 раза ниже, чем в почках тополей, исследованных нами.
В составе летучих компонентов вегетативной части тополя установлено наличие сесквитерпеновых спиртов, относящихся к группе эвдесмола. Их количество в 3-5 раз больше содержания эвдесмола в эфирном масле тополей других регионов, в частности Польши и Казахстана.
Таблица 4 Ц Индивидуальный состав эфирных масел различных тканей
вегетативной части тополя бальзамического
Название компонента |
Время удер- живания (ВУ), мин |
Содержание, % от эфирного масла |
||
почка |
побег |
ист |
||
иналоол |
12.771 |
1,1 |
0,4 |
<0,1 |
-иланген |
22.018 |
1,6 |
0,6 |
<0,1 |
Кариофиллен |
23.531 |
1,7 |
0,2 |
<0,1 |
Транс--бергамотен |
24.050 |
3,0 |
1,2 |
0,1 |
Гумулен |
24.592 |
1,9 |
0,3 |
<0,1 |
Е--фарнезен |
24.693 |
2,1 |
0,4 |
<0,1 |
-куркумен + -аморфен |
25.404 |
11,4 |
1,5 |
0,7 |
ар-куркумен |
25.495 |
1,7 |
3,3 |
0,5 |
2-фенилэтил 2-метилбутаноат |
25.608 |
8,5 |
14,7 |
4,1 |
-аморфен |
25.867 |
1,5 |
0,9 |
<0,1 |
-аморфен + -бизаболен |
26,240 |
3,3 |
0,5 |
<0,1 |
-куркумен |
26.364 |
2,1 |
отсутст. |
отсутст. |
Сесквицинеол |
26.420 |
1,8 |
1,0 |
0,4 |
Транс-каламенен +-сесквифелландрен |
26.702 |
1,5 |
0,5 |
0,2 |
Дигидроаромадендрен |
27.086 |
1,8 |
1,4 |
0,9 |
Селина-3, 7(11)-диен + -калакорен |
27.267 |
1,1 |
0,3 |
0,2 |
Окись кариофиллена + 2-фенилэтил тиглат |
28.429 |
0,4 |
1,2 |
0,9 |
Гумулен-6, 7-эпоксид |
29.74 |
0,4 |
1,45 |
1,0 |
Эремолигенол |
29.761 |
2,4 |
2,2 |
3,1 |
-эвдесмол |
29.840 |
6,6 |
7,4 |
6,3 |
Хинезол |
30.032 |
0,9 |
1,1 |
1,2 |
-эвдесмол |
30.359 |
7,8 |
12,3 |
14,7 |
-эвдесмол |
30.461 |
8,2 |
7,5 |
14,4 |
-бизаболол |
30.908 |
1,1 |
0,4 |
0,5 |
-бизаболол |
31.307 |
13,7 |
10,8 |
10,6 |
Фитол |
40.935 |
0,2 |
<0,1 |
6,2 |
Трикозан |
42.763 |
0,5 |
0,4 |
1,9 |
Тетракозан |
43.501 |
0,3 |
<0,1 |
1,2 |
Пентакозан |
44.081 |
<0,1 |
<0,1 |
2,1 |
Всего идентифицировано |
96,7 |
79,6 |
74,1 |
|
Примечание: запись вида л-куркумен+-аморфен означает, что пики указанных соединений не разрешаются, и для них дано суммарное содержание компонентов. В таблицу включены компоненты с содержанием более 1 %. |
||||
Кроме бизаболола и эвдесмола основным компонентом эфирных масел то-поля является 2-фенилэтил2-метилбутаноат. Это соединение характерно только для летучих компонентов тополей Красноярского края. Структура основного компонента подтверждена встречным синтезом по схеме:
Масс-спектры веществ приведены на рисунке 1.
а
|
|
Рисунок 1 Ц Масс-спектры компонента эфирного масла тополя со временем удерживания 25,608 мин (а) и синтетического эфира |
Рисунок 2 Ц Масс-спектр изоаромадендренэпоксида |
Отличительной особенностью эфирных масел тополя бальзамического, произрастающего в Красноярском крае, является также наличие аромадендрена
(1,1,7-триметил-4-метилендекагидро-1H-циклопропа[и]азулен), (24.998 мин) и его производных: дигидроаромадендрена (27.086 мин) и изоаромадендренэпок-сида (26.115 мин). Известно, что сесквитерпеноиды азуленового типа - небен-зоидные ароматические углеводороды, обычно образуются из многих терпенов гваянового типа в условиях гидродистилляции Подтверждение тому, что веге-тативная часть тополя является природным источником аромодендрена, мы получили при исследовании углекислотного экстракта почек тополя. Масс-спектр изоаромадендренэпоксида приведен на рисунке 2.
Среди летучих компонентов вегетативной части тополя содержатся соеди-нения типа аморфена и куркумена (15,2 %). Куркумен обнаружен также в составе эфирного масла почек тополя бальзамического, произрастающего в Польше (2,3 %) (Isidorov V.,2003). Данных о наличии подобных соединений в тополе бальзамическом других регионов нет.
С использованием прибора TraceGC с MSD Polaris Q с капиллярной колон-кой Cp-Si8CB в составе летучих компонентов почек тополя бальзамического установлено наличие олеиновой, линолевой, октадекадиеновой, докозатетрае-новой кислот, общее содержание которых составило 1,2 % от суммы летучих компонентов.
В таблице 5 приведены результаты изучения состава летучих компонентов тополя в зависимости от фенологического периода развития дерева. Рассмотре-ны периоды покоя и вегетации, когда количество эфирных масел в почках тополя бальзамического максимально.
Таблица 5 - Состав эфирных масел почек тополя бальзамического в период покоя
и вегетации
Наименование компонента |
Содержание, % от суммы летучих компонентов |
Наименование компонента |
Содержание, % от суммы летучих компонентов |
||
октябрь |
апрель |
октябрь |
апрель |
||
Монотерпеноиды |
Эпи-сесквитуйен |
0,23 |
0,52 |
||
Транс--оцимен |
- |
0,15 |
эпоксикаламенен |
0,55 |
0,54 |
иналоол |
0,40 |
1,07 |
Изоаромадендрен эпоксид |
0,45 |
0,35 |
Сесквитерпеноиды |
Окись кариофиллена |
0,50 |
0,37 |
||
ациклические |
эремолигенол |
2,94 |
2,41 |
||
Цис--бергамотен |
0,36 |
0,66 |
хинезол |
1,14 |
0,86 |
Транс--бергамотен |
1,68 |
3,02 |
-эвдесмол |
9,23 |
6,64 |
Е--фарнезен |
1,03 |
2,05 |
-эвдесмол |
12,41 |
7,81 |
моноциклические |
-эвдесмол |
11,88 |
8,24 |
||
Гумулен |
1,20 |
1,98 |
трициклические |
||
-куркумен |
0,28 |
2,13 |
-иланген |
0,74 |
1,64 |
Ар-куркумен |
3,28 |
1,65 |
-цедрен |
0,16 |
0,27 |
Е--бизаболен |
<0,1 |
0,27 |
Прочие соединения |
||
-сесквифелландрен |
0,98 |
1,45 |
пренилацетат |
<0,1 |
0,11 |
Зонарен |
0,25 |
0,48 |
бензилацетат |
<0,1 |
0,15 |
Гумулен-6,7-эпоксид |
0,59 |
0,43 |
пренилтиглат |
0,11 |
0,21 |
Сесквицинеол |
0,96 |
1,37 |
Салициловый альдегид |
- |
<0,1 |
-бизаболол |
17, 78 |
13,74 |
З-метилбутен-3-ил-2-метилбутаноат |
0,16 |
0,41 |
-бизаболол |
0,96 |
1,10 |
Пренил 2-метилбутаноат |
0,75 |
0,82 |
бициклические |
Пренил 3-метилбутаноат |
0,33 |
0,58 |
||
Кариофиллен |
0,92 |
1,72 |
Бензил 2-метилбутаноат |
0,13 |
0,13 |
6,9-гвайадиен |
0,27 |
0,58 |
Фенилэтил изобутаноат |
0,50 |
0,58 |
Аромадендрен |
0,32 |
0,53 |
2-фенилэтил н-бутаноат |
0,23 |
0,34 |
-муролен Дигидроаромадендрен |
0,18 1,74 |
0,29 1,83 |
2-фенилэтил 2-метил- бутаноат |
10,39 |
8,52 |
-аморфен |
3,83 |
11,43 |
Фитол |
0,31 |
0,16 |
-аморфен |
0,84 |
1,5 |
Трикозан |
0,93 |
0,46 |
-аморфен |
0,67 |
3,27 |
Тетракозан |
0,36 |
0,26 |
Селина-3, 7(11)-диен+ -калакорен |
0,81 |
1,12 |
Пентакозан |
0,26 |
0,12 |
Из результатов видно, что при общей высокой доле сесквитерпеноидов, индивидуальный состав эфирных масел почек тополя претерпевает некоторые изменения. Так, период покоя характеризуется более высоким содержанием кислородсодержащих соединений (74,4 %), чем период вегетации (58,8 %), в том числе терпеновых спиртов (57,7 и 43,2 % соответственно), а также группы алканов. В период вегетации в почках тополя увеличивается практически в 3 раза количество монотерпеноидов, неокисленных сесквитерпеноидов, таких как куркумен, аморфен и бизаболен. Известно, что сесквитерпеноиды усиливают защитные способности организма против микрофлоры и оказывают противораковое действие. Этим, по-видимому, и объясняются антимикробные, противовоспалительные, противоглистные, ранозаживляющие свойства эфирного масла тополя.
О влиянии места произрастания на групповой состав летучих компонентов почек тополя можно судить по результатам, приведенным в таблице 6.
Таблица 6 - Групповой состав летучих компонентов почек тополя
в зависимости от места произрастания
Место отбора проб |
Содер- жание, % а.с.с. |
Содержание групп, % от суммы легколетучих компонентов |
||
монотерпены |
сесквитерпены |
прочие вещества |
||
Период покоя |
||||
Красноярск |
2,34 |
4,42 |
94,84 |
0,75 |
Канск (восток) |
3,14 |
1,72 |
98,27 |
следы |
Ачинск (запад) |
3,56 |
3,28 |
96,21 |
0,50 |
Абакан (юг) |
4,72 |
2,30 |
96,89 |
0,81 |
Период вегетации |
||||
Красноярск |
5,03 |
4,50 |
94,06 |
1,44 |
Канск |
4,53 |
2,97 |
93,23 |
3,80 |
Лесосибирск (север) |
2,13 |
3,39 |
94,54 |
2,07 |
Полученные результаты свидетельствуют о том, что почки тополей, произрастающих в Красноярском крае и Хакасии, могут являться перспективным сырьем для выделения эфирных масел. Независимо от места произрастания и времени года, основной является группа сесквитерпеновых углеводородов. Однако, следует отметить, что тополя восточного региона Красноярского края характеризуются низким содержанием куркумена и аморфена (в 2,8 раза меньше, чем в Красноярске) и более высоким (в среднем в 2 раза) содержанием 2-фенил-этил-2-метилбутаноата по сравнению с тополями других регионов. У тополей, произрастающих севернее и восточнее Красноярска выше содержание спиртов.
Влияние технологических факторов на выход и состав эфирных масел
Для создания технологии переработки вегетативной части тополя с целью получения эфирных масел необходимо знание не только природных, но и технологических факторов, влияющих на их содержание. В связи с этим, нами изучено влияние срока хранения, степени измельчения сырья, метода и продолжительности отгонки на выход и состав эфирных масел.
Исследования по влиянию периода заготовки и хранения показали, что если заготовку сырья производить в зимнее время с января по апрель, то в первые 15-20 дней хранения содержание эфирных масел увеличивается в среднем в 1,5-2 раза. К 30-му дню оно снижается и становится практически равным содержанию в свежезаготовленном сырье. Можно предположить, что это связано с биологической функцией эфирных масел. Подобное наблюдается и при хранении древесной зелени хвойных. Существенных изменений качественного состава летучих компонентов в процессе хранения сырья не установлено.
Таким образом, с целью увеличения выхода эфирных масел заготавливаемое с января по апрель сырье рекомендуется перерабатывать после 15-20 дней хранения в естественных условиях.
Исследования по влиянию крупности сырья и продолжительности процес-са отгонки методом гидродистилляции показали, что выход эфирных масел при крупности сырья 15-20 мм из почек тополя составляет 4,9 %, из вегетативной части 2,9 %. Измельчение сырья до размеров частиц 3-5 мм приводит к увеличению их выхода в среднем на 20,5 %. Размер частиц сырья менее 3 мм, хотя и увеличивает выход эфирных масел из вегетативной части тополя, вместе с тем, в условиях производства будет приводить к снижению паропроницаемости массы и ее фильтрующей способности, что затруднит процесс извлечения эфирных масел, увеличивая их потери с отходами.
Зависимость выхода эфирных масел от продолжительности процесса (х) носит логарифмический характер и описывается уравнениями:
- для почек тополя
Yп = 0,8576 Ln(x) Ц 1,0621, (1)
величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9940;
- для побегов с почками
Yвч = 0,2522 Ln(x) + 0,7785, (2)
величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9915.
Результаты исследования группового состава фракций, полученных при разгонке эфирных масел почек и вегетативной части тополя бальзамического, свидетельствуют о том, что в процессе отгонки они обедняются монотерпено-выми углеводородами и обогащаются сесквитерпеноидами. Основная доля летучих компонентов (до 60 %) отгоняется за первые 6-8 ч, то есть начало про-цесса характеризуется ускоренным выделением эфирных масел. Дальнейший процесс отгонки не приводит к значительному увеличению их количества. Однако конечные фракции эфирных масел характеризуются высоким содержанием сесквитерпеновых углеводородов (99,7 %) и, следовательно, несмотря на ма-лый объем, могут представлять практический интерес. Полученные данные указывают на реальность разделения товарного продукта на монотерпеновую и сесквитерпеновую фракции, которые в силу различия своих свойств имеют и различные области использования.
Влияние способа выделения на выход эфирных масел. Для решения поставленной задачи выделение эфирных масел осуществляли методом перегонки с водяным паром: отдувкой паром, гидродистилляцией на обычной перегонной установке и модифицированном аппарате Клевенджера. Для сравнения результатов отгонка проводилась в одинаковых условиях: продолжительность прогрева 20 мин, отгонка - 8 ч, крупность частиц сырья 3-5 мм. Результаты эксперимента в пересчете на единицу абсолютно сухого сырья представлены в таблице 7. За теоретически возможный принят выход, полученный при выделении эфирных масел на аппарате Клевенджера в течение 30 ч.
Несмотря на то, что наибольший выход летучих компонентов из сырья по-лучается при гидродистилляции с использованием модифицированного аппара-
Таблица 7 - Выход эфирных масел в зависимости от способа выделения
В процентах от а.с.с.
Способ отгонки |
Почки |
Побеги с почками |
Гидродистилляция на перегонной установке |
4,24 / 60 |
3,07 / 59 |
Гидродистилляция на модифицированномаппарате Клевенджера |
5,44 / 77 |
3,95 / 76 |
Отдувка паром |
4,58 / 65 |
3,28 / 63 |
Примечание - в знаменателе приведен выход масла от теоретически возможного |
||
та Клевенджера, целесообразной и экономически оправданной может являться паровая отгонка. Учитывая распространенность, простоту регулирования процесса отгонки,повышенную удельную производительность перегонных аппаратов, отсутствие возможности пригорания сырья, а так же возможность фракционирования летучих компонентов при их выделении, рекомендуется использовать этот метод.
ипиды вегетативной части тополя бальзамического
Исследование динамики содержания экстрактивных веществ показало, что оно подвержено изменению в ходе онтогенеза почек тополя. Поскольку почка является биологическим объектом, на развитие которой влияет множество при-родно-климатических факторов, разброс данных по содержанию экстрактивных веществ в разное время исследований составлял от 8 до 20 % (таблица 8).
Таблица 8 - Содержание экстрактивных веществ в почках тополя
В процентах от а.с.с.
Компонент |
Время отбора проб, месяц |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
Экстрактивные вещества |
39,11 3,9 |
36,28 3,94 |
35,74 2,91 |
37,09 7,1 |
36,35 3,66 |
34,91 7,74 |
36,71 3,11 |
Липидный комплекс |
25,41 3,64 |
21,99 4,25 |
22,53 4,08 |
22,80 2,89 |
22,62 2,89 |
25,12 4,73 |
23,00 2,62 |
В содержании экстрактивных веществ отмечено два максимума: осенний (октябрь) и зимний (январь). Установлено, что на долю веществ, извлекаемых хлороформом, приходится 60 - 70 % от экстрактивных веществ почек тополя бальзамического.
На рисунке 3 представлена динамика содержания нейтральных веществ в почках тополя бальзамического. В качестве объекта сравнения взят тополь черный, который также хорошо переносит низкие температуры и культивируется иногда как декоративное растение. Для почек тополя бальзамческого четко прослеживается два максимума в содержании нейтральных веществ: осенний, приходящийся на период подготовки к глубокому покою, и зимний. Поскольку на долю нейтральных компонентов приходится более половины суммарных, можно ожидать, что они будут оказывать максимальное влияние на свойства экстракта. В связи с этим состав нейтральных соединений был изучен более подробно.
Рисунок 3 - Содержание нейтральных веществ в почках тополя бальзамического и осокоря |
Основной группой нейтральных веществ в почках тополя бальзамического (52-61 %) являются ацилглицеролы. Содержание их увеличивается равномерно с ноября по февраль (таблица 9). С началом вегетации происходит усиление ростовых процессов в дереве и, как следствие - снижение концентрации нейтральных липидов. Возможно, это вызвано превра-
щением липидов в углеводы и другие клеточные компоненты. Такое поведение липидов было установлено ранее как для хвойных, так и лиственных пород, в частности почек клена, ореха, березы и липы.
Таблица 9 Ц Состав нейтральных веществ в почках тополя бальзамического
В процентах от а.с.с.
Группа соединений |
Время отбора проб, месяц |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
Моноацилглицеролы |
2,71 |
1,68 |
2,09 |
2,33 |
2,43 |
2,26 |
1,89 |
Диацилглицеролы |
5,75 |
2,36 |
4,3 |
5,09 |
4,09 |
4,99 |
3,99 |
Стерины |
3,19 |
1,43 |
1,79 |
1,89 |
1,73 |
1,45 |
1,24 |
Триацилглицеролы |
6,01 |
5,16 |
6,65 |
8,05 |
7,57 |
5,06 |
3,62 |
Эфиры стеринов |
1,12 |
0,90 |
1,05 |
1,51 |
1,21 |
0,99 |
0,85 |
Углеводороды |
3,85 |
2,91 |
2,85 |
2,82 |
2,81 |
3,04 |
3,18 |
Высокое содержание липидов в растениях в наиболее холодное время отмечалось многими авторами. Следует отметить, что количество нейтральных липидов в почках тополя бальзамического в 2-3 раза выше, чем в почках осокаря.
В таблице 10 приведен состав жирных кислот нейтральных липидов почек тополя бальзамического.
Таблица 10 - Состав жирных кислот нейтральных липидов почек тополя
В процентах от суммы кислот
Наименование кислоты |
Время отбора проб, месяц |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
ауриновая |
5,01 |
4,55 |
4,01 |
3,95 |
3,86 |
4,43 |
3,86 |
Миристиновая |
1,05 |
1,17 |
0,59 |
0,96 |
2,23 |
1,58 |
1,86 |
Пальмитиновая |
14,02 |
14,79 |
14,19 |
14,67 |
14,21 |
11,96 |
14,85 |
Пальмитолеиновая |
6,18 |
6,11 |
5,58 |
6,00 |
5,34 |
7,43 |
7,14 |
Стеариновая |
3,42 |
2,86 |
2,24 |
3,14 |
5,76 |
7,80 |
6,14 |
Олеиновая |
18,85 |
18,79 |
18,21 |
17,94 |
16,84 |
15,28 |
18,18 |
инолевая |
15,25 |
16,32 |
20,87 |
18,91 |
17,17 |
18,81 |
16,20 |
Продолжение таблицы 10 |
|||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
иноленовая |
27,99 |
28,30 |
28,12 |
27,85 |
27,01 |
25,16 |
26,95 |
Арахиновая |
4,86 |
4,25 |
3,98 |
3,95 |
4,31 |
3,87 |
2,18 |
Бегеновая |
3,37 |
2,86 |
2,21 |
2,63 |
3,27 |
3,68 |
2,88 |
Сумма непредельных кислот |
68,27 |
69,52 |
72,78 |
70,70 |
66,36 |
66,68 |
68,47 |
Содержание ненасыщенных жирных кислот в нейтральных липидах почек тополя бальзамического в среднем составляет 69 %, что сопоставимо с содержанием данных кислот в почках других лиственных пород. Например, для почек березы повислой содержание ненасыщенных жирных кислот составляет около 90 %, пушистой - не превышает 60 % от суммы кислот.
Значительная часть липидов почек тополя представлена фосфо- и гликолипидами, относящимися к полярным липидам. На их долю в разные периоды года приходится от 42 до 58 % от суммы липидов почек. Годичная динамика содержания липидов носит противоположный характер и связана, в первую очередь, с качественной перестройкой мембранных структур клетки, что убедительно доказано на примере почек лиственницы сибирской. Среди полярных липидов в почках тополя бальзамического преобладают гликолипиды (таблица 11).
Таблица 11 Ц Содержание полярных липидов в почках тополя бальзамического
В процентах от а.с.с.
Компонент |
Время отбора проб, месяц |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
Гликолипиды |
11,72 2,96 |
11,57 2,59 |
9,74 2,62 |
7,90 0,74 |
9,71 0,52 |
11,22 0,14 |
11,33 0,75 |
Фосфолипиды |
0,22 0,01 |
0,31 0,06 |
0,47 0,07 |
0,49 0,03 |
0,37 0,02 |
0,38 0,09 |
0,59 0,09 |
Содержание гликолипидов в почках тополя значительно превосходит их количество, например, в почках березы (0,8-6,5 %), почках (0,8-2,5 %) и хвое лиственницы сибирской (0,3-1,8 %). Изменение уровня содержания гликолипи-дов является определяющим фактором изменения сопротивления мембран, поэ-тому максимальное количество их наблюдается в период интенсивного роста почки и образования листового зачатка (март-апрель), и в октябре, когда лист отжил, но формирование почки продолжается, что подтверждается нашими ис-следованиями. Аналогичный характер изменений в содержании гликолипидов имеют почки березы. Период вегетации характеризуется увеличением и количе-ства фосфолипидов, вызванным возрастанием в несколько раз размером почек и побегов. Исследование гликолипидов показало наличие в составе моно- и ди-галактозилдиацилглицеридов, цереброзидов и гликозидов стеринов.
В фосфолипидах основными являются фосфатидилхолин (18-34 %), фос-фатидилэтаноламин (41-49 %), фосфатидилсерин (18-34 % от суммы фосфолипидов). В составе также обнаружены фосфатидилинозит, фосфатидилглицерин и фосфатидная кислота.
Состав жирных кислот фосфолипидов (ФЛ) и гликолипилов (ГЛ), установ-ленный с использованием ГХ-МС, приведен в таблице 12.
Таблица 12 - Состав жирных кислот полярных липидов почек тополя
В процентах от суммы кислот
Наименование кислот |
Количество |
Наименование кислот |
Количество |
||
ФЛ |
ГЛ |
ФЛ |
ГЛ |
||
Нонановая |
0,2 |
- |
Октадекановая |
6,7 |
16,4 |
Декановая |
0,4 |
0,6 |
цис-9-октадеценовая |
6,5 |
12,2 |
Додекановая |
1,2 |
0,9 |
9,12-октадекадиеновая |
27,7 |
11,82 |
Тетрадекановая |
3,2 |
3,9 |
6,9,12-октадекатриеновая |
10,2 |
20,5 |
Пентадекановая |
1,2 |
1,2 |
5,8,11,14-Эйкозатетраеновая |
2,9 |
- |
Гексадекановая |
33,1 |
28,2 |
Эйкозановая |
2,0 |
- |
цис-9-гексадеценовая |
1,4 |
4,2 |
Докозановая |
3,3 |
- |
В составе полярных липидов основными являются кислоты ряда С16 и С18. На долю ненасыщенных кислот приходится 45-49 %. Обращает на себя внимание наличие среди жирных кислот фосфолипидов почек тополя бальзамического компонентов, обладающих F-витаминной активностью. Суммарное содержание линолевой, линоленовой и арахидоновой кислот составило 40,8 %. О динамике их содержания в ходе годового цикла можно судить по результатам, представленным в таблице 13.
Таблица 13 - Содержание кислот, обладающих F-витаминной активностью,
в почках тополя бальзамического
Время отбора проб |
Содержание кислот, 10-5 г/г а.с.с. |
|
Арахидоновая |
инолевая и линоленовая |
|
Сентябрь |
0,16 0,02 |
21,70 0,70 |
Октябрь |
3,84 1,54 |
33,72 6,11 |
Ноябрь |
4,73 0,94 |
122,00 16,02 |
Декабрь |
3,30 0,67 |
99,34 7,72 |
Январь |
1,62 0,54 |
41,00 4,11 |
Февраль |
0,42 0,17 |
4,12 0,74 |
Март |
0,29 0,03 |
26,63 3,31 |
Апрель |
5,23 1,06 |
136,80 7,72 |
Количество арахидоновой кислоты в сумме кислот фосфолипидов почек тополя бальзамического составляет от 1 до 5 %. Содержание ненасыщенных жирных кислот увеличивается в осенне-зимний период при понижении темпе-ратуры окружающего воздуха. В дальнейшем, с повышением температуры, со-держание этих кислот падает. Этот факт свидетельствует о том, что для древес-ных растений, также как и зимующих травянистых, одним из существенных свойств клеток является способность снижать вязкость липидов мембран при осенне-зимнем закаливании растений к морозу, обусловленную повышением в них доли полиненасыщенных жирных кислот. Такое поведение кислот в фосфо-липидах установлено и для почек лиственницы сибирской, что опровергает ранее существующее мнение о том, что древесные растения, в отличие от зиму-ющих травянистых, не способны накапливать в осенне-зимний период полине-насыщенные жирные кислоты. С наступлением вегетации содержание исследу-емых кислот в почках тополя вновь возрастает. На завершающем этапе разви-тия почки - появлении соцветий и листа, Ц содержание арахидоновой кислоты снижается на порядок. Арахидоновая кислота в листьях не обнаружена.
О том, как влияет вид, возраст и место произрастания тополя на содержа-ние липидов в почках, можно судить по результатам таблиц 14-16.
Таблица 14 - Содержание липидов в различных видах тополя (ноябрь)
В процентах от а.с.с.
Компонент |
Вид тополя |
|||
бальзамический |
черный |
серебристый |
осина |
|
Экстрактивные вещества |
32,21 |
19,3 |
40,16 |
25,94 |
Нейтральные липиды |
8,89 |
4,83 |
5,71 |
4,4 |
Гликолипиды |
12,26 |
8,03 |
19,76 |
7,6 |
Фосфолипиды |
0,74 |
0,46 |
1,23 |
1,9 |
Из таблицы 14 видно, что количество экстрактивных веществ, зависит от вида тополя. Из почек тополя бальзамического извлекается этанолом в 1,2 раза веществ меньше, чем из почек тополя серебристого, но в 1,2 - 1,7 раза больше, чем из почек осины или осокаря. Общим для почек всех рассмотренных видов тополей является высокое содержание полярных липидов.
Таблица 15 - Содержание липидов в почках тополя бальзамического
различных мест произрастания (ноябрь)
В процентах от а.с.с.
Компонент |
г. Красноярск |
г. Канск |
г. Абакан |
г. Ачинск |
Экстрагируемые этанолом |
32,21 |
33,06 |
31,39 |
32,05 |
Нейтральные липиды |
8,89 |
2,56 |
6,25 |
5,71 |
Гликолипиды |
12,26 |
14,18 |
11,96 |
20,93 |
Фосфолипиды |
0,74 |
0,41 |
2,06 |
2,73 |
Как видно из результатов таблицы 15, количество липидов в почках тополя связано с местом произрастания дерева. Наблюдаются существенные отличия в содержании нейтральных и фосфолипидов. Так, в почках тополя, произрастающего в Красноярске, установлено более высокое содержание нейтральных липидов (более 40 % от суммы липидов). Почки тополей, произрастающих на 300 км западнее (г. Ачинск) и южнее (г. Абакан) Красноярска, характеризуются более высоким содержанием фосфолипидов (до 10 % от суммы липидов).
Влияние возраста дерева на содержание экстрактивных веществ в почках тополя бальзамического приведено в таблице 16.
Установлено, что с возрастом в почках тополя бальзамического увеличива-вается общее содержание экстрактивных веществ. Становится больше нейт-ральных веществ, в том числе ацилглицеролов. Содержание полярных липидов не зависит от возраста дерева.
Таблица 16 - Содержание экстрактивных веществ в почках тополя разного возраста
В процентах от а.с.с.
Возраст |
Экстргируе-мые спиртом |
Нейтральные вещества |
Ацилгли-церолы |
Глико-липиды |
Фосфо-липиды |
15-20 лет |
31,1 |
19,0 |
4,6 |
12,0 |
0,3 |
30-35 лет |
44,6 |
30,9 |
11,2 |
12,6 |
0,5 |
Таким образом, высокое содержание липидов в составе почек тополя бальзамического дает возможность рекомендовать их для переработки с получением липидного концентрата, который может найти применение, например в производстве косметических препаратов.
Воскообразные вещества. Как показали наши исследования, в состав нейтраль-ных веществ почек тополя бальзамического входят воскообразные вещества. Динамика содержания представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Содержания воскообразных веществ в почках тополя бальзамического |
В годичной динамике их содержания прослеживается один максимум, приходящийся на период вынужденного покоя. В среднем почки тополя содержат 2-3 % воска, что превышает его содержание в хвое ели сибирской (0,7-2,6 %) и сопоставимо с хвоей пихты сибирской (2,6-5,9 %), используемой для промышленного получения восков.
Исследование растворимой в хлороформе части восков методом ГХ-МС показало наличие углеводородов парафинового ряда, алифатических одноатом-ных спиртов, их эфиров и других соединений (таблица 17). У воска тополя бальзамического главную часть растворимых в хлороформе веществ составляют углеводороды (60,2 %), из которых 73 % приходится на фракцию парафиновых углеводородов и 10,7 % на фракцию высших спиртов. Высокомолекулярные жирные кислоты представ-лены олеиновой кислотой и эфирами жирных кислот ряда С14-С18. В составе хлороформовой вытяжки воска установлено наличие С18-гидроксикислоты, в отличие от хвойного воска, для которого характерно наличие гидроксикислот ряда С12-С16 и преимущественное содержание кислоты С12. Воска из вегетатив-ной части тополя могут иметь самостоятельное промышленное значение.
Пигменты почек тополя бальзамического. В почках тополя в период все-го цикла развития присутствуют и зеленые пигменты и каротиноиды. Содержа-ние хлорофиллов варьирует от 6 до 19 мг%, каротиноидов от 1,6 до 3,1 мг% . Извлекаясь вместе с другими экстрактивными веществами, пигменты будут обогащать спиртовые экстракты почек тополя бальзамического.
Таблица 17 Ц Состав хлороформового экстракта воска почек тополя бальзамического
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
12.91 |
Benzoylformic acid |
6,72 |
25.54 |
Этиловый эфир тетрадекановой кислоты |
1,00 |
20.45 |
2-фенил-2-метилбутаноат |
0,42 |
27.37 |
Олеиновая кислота |
0,62 |
20.62 |
Гидрокситолуйен бутилат |
1,44 |
27.62 |
-Гептакозан |
0,98 |
22.33 |
Метиловый эфир иноленовой кислоты |
2,15 |
28.49 |
Октакозан |
18,80 |
22.62 |
- эвдесмол |
1,28 |
29.30 |
Гентриаконтан |
3,07 |
23.44 |
Антрагинон,1,8-диметил |
4,08 |
29.49 |
Тетратетраконтан |
1,31 |
23.92 |
Бензойная кислота |
1,44 |
30.19 |
-Пентакозан |
12,03 |
24.34 |
Эргостерилацетат |
0,91 |
32.32 |
18-Пентатриаконтанон |
13,31 |
25.00 |
4гидроксиметиловый эфир октадекановой кислоты |
0,65 |
33.85 |
Триметилтетрадеценол- ацетат |
5,56 |
25.37 |
Метилпропиловый эфир стеариновой кислоты |
0,89 |
33.92 |
1-Гептатриакотанол |
5,13 |
Флавоноиды почек тополя бальзамического
К числу веществ, обладающих высокой физиологической и биологической активностью относятся флавоноиды, являющиеся наиболее многочисленной группой природных фенольных соединений. О содержании флавоноидов и динамике его изменения в ходе годового цикла можно судить по результатам, приведенным на рисунке 5.
Для данной группы веществ характерно наличие двух максимумов: зимнего и весеннего. Изменения в содержании флавоноидов, вероятно, обусловлены тем, что входя в состав
Рисунок 5 - Содержание флавоноидов в почках тополя бальзамического |
фенольных соединений, они играют важную роль в обмене веществ. Общее количество флавоноидов в исследуемых нами почках тополя бальзамического занимает промежуточное положение между тополями Самарской области (около 35 %) и Северного Казахстана (1,96%) (Браславский В.Б., 1990; Поляков В.В., 1999). Результаты исследования состава флавоноидов, выполненные, методом ВЭЖХ, представлены на рисунках 6, 7.
Количество идентифицированных фенольных соединений в почках тополя: 1 Ц 3,4-дигидро-2`,6`-дигидрокси-4`-метоксихалкон, 0,65 % , 2 Ц пиноцембрин, 0,15 %, 3 - пинобаксин, 0,53 %, 4 - хризин, 0,21 %, 5 - галангин, 0,05 %,
а - λ 290нм; б - λ 326 нм
Рисунок 6 Ц ВЭЖХ-хроматограмма этилацетатного экстракта почек тополя бальзамического
Рисунок 7 Ц Фрагмент ВЭЖХ-хроматограммы этилацетатного экстракта почек тополя в
интервале 15.5Ц18.5 мин (λ 290, 326 нм) и УФ-спектры основных идентифицированных
соединений
6 - 2`,6`-дигидрокси-4`-метоксихалкон, 1,96 %, 7 - пиностробин, 0,17 %,8 Ц тек-
тохризин, 0,13 %. Также обнаружены коричные кислоты и их производводные (0,56 % от а.с.с.).
При сопоставлении полученных результатов с литературными данными, установлено, что по количественному и качественному составу флавоноиды то- поля бальзамического, произрастающие в разных регионах, значительно отличаются. Почки тополя бальзамического, произрастающего в Красноярске, содержат меньше пиностробина и больше халконов, по сравнению с аналогичным видом тополя европейской части России.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сказать, что вегетативная часть тополя бальзамического богата экстрактивными вещест-вами. Они могут служить источником биологически активных соединений, таких как липиды, флавоноиды, эфирные масла, воска. Высокое содержание сес-квитерпеноидов и флавоноидов, обладающих антимикробными, противовос-палительными свойствами, обуславливает возможную область использования как индивидуальных групп соединений, так и спиртовых экстрактов.
Заготовку вегетативной части тополя рекомендуется проводить с октября по апрель. Сырье, заготовленное с октября по февраль целесообразно использо-вать для получения спиртового экстракта и воска, с февраля по апрель - эфир- ных масел, спиртового экстракта и воска.
Влияние температуры и продолжительности хранения сырья на
содержание экстрактивных веществ в почках тополя бальзамического
При исследовании эфирных масел были разработаны рекомендации по заготовке и хранению сырья. Для установления соответствия этих рекомендаций в отношении почек, как сырья для извлечения спирторастворимых веществ, были проведены дополнительные исследования, результаты которых представлены в таблице 18.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при отрицательных температурах сырье также можно хранить без существенного снижения его ка-чества достаточно продолжительное время (около четырех недель). При поло-жительных значениях температуры рекомендуемый срок хранения - не более двух недель.
Оптимизация процесса экстракции почек тополя бальзамического
При решении задачи практического использования экстрактивных веществ возникает необходимость определения условий их максимального извлечения, определение которых для почек тополя проводили с использованием математи-ческих методов планирования эксперимента. Оптимизацию процесса осущест-вляли с использованием плана второго порядка - плана Бокса.
Основными факторами, характеризующими состав экстракционной системы, являются: концентрация (Х1, %) и температура (Х2, 0С) экстрагента, про-должительность процесса экстракции (Х3, ч). В качестве откликов было выбрано содержание экстрактивных веществ У1,%, суммарных липидов У2,%, флавоноидов У3,%, и восков У4,%.
Таблица 18 - Содержание отдельных компонентов почек тополя при хранении сырья
в различных условиях
В процентах от а.с.с.
Наименование компонента |
Условия хранения |
Период хранения, сут |
||||
0 |
7 |
14 |
21 |
28 |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Эфирные масла |
-12 0С |
6,0 |
7,5 |
7,8 |
7,8 |
5,5 |
+4 0С |
6,0 |
6,5 |
8,4 |
7,0 |
6,2 |
|
естественные условия - / +1 0С |
6,0 |
7,0 |
8,2 |
8,8 |
7,5 |
|
Экстрактивные вещества |
-12 0С |
38,7 40,2 |
38,7 39,0 |
38,3 38,4 |
38,3 37,6 |
36,5 38,8 |
+4 0С |
38,7 40,2 |
37,8 38,4 |
37,4 36,5 |
37,4 38,2 |
36,8 37,0 |
|
естественные условия -5 0С / +12 0С |
38,7 40,2 |
38,7 38,7 |
37,6 35,7 |
37,3 34,5 |
38,0 32,5 |
|
Суммарные липиды |
-12 0С |
27,7 26,9 |
27,1 27,0 |
27,3 26,8 |
26,4 26,3 |
26,5 25,9 |
+4 0С |
27,7 26,9 |
27,4 26,2 |
27,0 25,7 |
26,4 25,7 |
26,0 24,5 |
|
естественные условия -5 0С / +12 0С |
27,7 26,9 |
28,5 26,0 |
27,1 24,1 |
26,1 22,1 |
26,2 21,4 |
|
Воскообразные вещества |
-12 0С |
2,2 2,0 |
2,2 1,9 |
2,0 1,7 |
1,8 1,6 |
1,9 1,5 |
+4 0С |
2,2 2,0 |
2,2 1,7 |
2,1 1,4 |
2,2 1,5 |
2,3 1,6 |
|
естественные условия -5 0С / +12 0С |
2,2 2,0 |
2,4 1,9 |
2,3 1,5 |
2,8 1,4 |
2,8 1,1 |
|
Флавоноиды |
-12 0С |
7,9 7,8 |
8,2 7,2 |
8,0 8,0 |
7,6 8,4 |
7,6 8,8 |
+4 0С |
7,9 7,8 |
7,7 8,7 |
7,7 7,4 |
7,5 8,5 |
7,2 8,5 |
|
естественные условия -5 0С / +12 0С |
7,9 7,8 |
7,7 8,3 |
7,9 8,1 |
8,1 8,2 |
8,2 8,0 |
|
Примечание: в числителе данные октябрьской, в знаменателе - апрельской проб |
||||||
Задачу определения оптимальных условий экстракционного процесса извлечения смеси природных соединений и отдельных их групп, извлекаемых из почек тополя, решали при 66Х194; 40Х270; 1Х35. Процесс экстракции осуществляли при атмосферном давлении и соотношении сухого сырья к экстрагенту 1:20.
На основании результатов реализации матрицы планирования эксперимента были получены уравнения регрессии и методом сканирования определен оптимальный режим проведения экстракции почек тополя.
Уравнения регрессии в кодированном виде имели следующий вид:
У1 = 39,52+2,95х1+8,84х2+4,82х3-4,59х22-2,61х32+0,44х1х3+2,62х2х3; (3)
У2 = 28,54+3,49х1+6,59х2+3,92х3-2,96х22-1,66х32+0,28х1х2+0,56х1х3+
+1,88х2х3; (4)
У3 =7,41+1,37х1+0,76х2-0,34х3-1,31х12-0,79х22+0,41х32+0,23х1х2-
-0,11х1х3-0,16х2х3; (5)
У4 = 1,70+0,09х1+0,38х2+0,17х3+0,21х12-0,26х22-0,22х32+0,02х1х2+
+0,07х2х3. (6)
Полученные математические модели адекватны при доверительной вероятности 95 %.
Графическая интерпретация зависимости выхода экстрактивных веществ от изучаемых технологических факторов показана на рисунке 8.
Выход,
% от а.с.с.
Рисунок 8 - Влияние условий экстракции на выход экстрактивных веществ из почек тополя |
Наиболее существенное влияние на выход оказывает температура и продолжительность процесса.
Оптимальные значения параметров для максимального извлечения экстрактивных веществ следующие: концентрация этанола 94 %, температура 70 0С, продолжительность экстракции 5 ч.
В оптимальном режиме был получен экстракт со следующими значениями
выходных параметров: У1=49,5 %, У2= 38,8 % , У3=7,2 %, У4=2,1 %, что составляет около 96 % от теоретического.
Исследование состава и свойств спиртового экстракта и эфирных
масел вегетативной части тополя
Для выбора эффективного метода извлечения экстрактивных веществ необходимо знать не только выход, но и фракционный состав экстракта. Это позволит оценить возможные выходы групп веществ и определить последующие технологические решения.
Из почек тополя в спиртовый экстракт переходит от 35 до 45 % сухих веществ. При использовании в качестве сырья вегетативной части тополя он будет содержать от 18 до 30 % веществ. При выдерживании спиртового экстракта на холоде из него выпадают воскообразные вещества. Фракционирование веществ, содержащихся в спиртовом экстракте, проводили после его осветления, используя растворители с различной полярностью.
Установлено, что основной вклад в экстрактивные вещества вегетативной части тополя бальзамического вносят компоненты, извлекаемые диэтиловым эфиром. Содержание этой группы веществ в спиртовых экстрактах почек соста-вляет 72-78 %, побегов с почками 52- 66 % от спирторастворимых веществ. Количество веществ, растворяющихся в петролейном эфире, составляет 3-5 % в почках, в побегах с почками оно в два раза выше. Доля веществ, переходящих в этилацетат, в вегетативной части выше, чем в почках. Она максимальна в январе (11,6 %), в почках тополя - в апреле (8,8 %). Доля бутанолрастворимых веществ в почках тополя снижается с февраля (9 %) по апрель (6 %), в побегах с почками, наоборот, возрастает и составляет 10,5 %. Вегетативная часть тополя характеризуется более высоким содержанием водорастворимых веществ. На их долю приходится от 13 % (ноябрь) до 19 % веществ экстракта (апрель).
Более подробное исследование состава фракций спиртового экстракта проведено на примере апрельской пробы почек тополя бальзамического. Установлено, что из экстракта почек в петролейный эфир переходит около 5 % спирторастворимых веществ. Основными компонентами являются моно- и сесквитерпеноиды, не содержащие в своей структуре кислород (65 % и более от веществ, извлекаемых петролейным эфиром), н-алканы (С23-С29), жирные кислоты (пальмитиновая, олеиновая и линолевая), частично пигменты (3,0 мг% каротиноидов, 9,7 мг% зеленых пигментов) и другие вещества.
Наибольшее количество веществ из этанольного экстракта почек тополя извлекается диэтиловым эфиром - 72 %, что сопоставимо с почками березы повислой. В состав нейтральных веществ входят преимущественно нейтральные кислородсодержащие соединения, среди которых основное место занимают классы сложных эфиров и спиртов. Сложные эфиры экстракта представлены несколькими группами соединений: моно-, ди-, триацилглицеролов (58 % от суммы веществ, растворимых в диэтиловом эфире), эфиры стеринов (эргосте-рилацетат), ацетаты спиртов.
Состав компонентов диэтилового экстракта изучен методом ГХ-МС. Результаты представлены в таблице 19.
Таблица 19 Ц Состав компонентов эфирного экстракта почек тополя
В процентах от суммы веществ экстракта
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
20.44 |
2 -фенил-2-метилбутаноат + ар-куркумен |
2,44 |
24.76 |
1-гептатриакотанол |
3,39 |
20.62 |
Гидрокситолуйен бутилат |
2,02 |
25.00 |
Гексадеканол ацетат |
1,18 |
21.15 |
Метиловый эфир эйкозапентаеновой кислоты |
1,65 |
25.53 |
2,4-диметилэйкозан |
2,72 |
22.31 |
-эвдесмол |
6,31 |
25.85 |
Генейкозанон |
1,46 |
22.37 |
3-9-гвайадиен |
1,03 |
26.73 |
Дигидроксипропиловый эфир 9,12,15-октадекатри-еновой кислоты |
1,89 |
22.62 |
-эвдесмол + -бизаболол |
16,13 |
26.88 |
17-Пентатриаконтен |
0,90 |
22.79 |
Кариофиллен + изогумулен |
4,51 |
27.37 |
n-Гептакозан |
2,15 |
23.24 |
3,4,5-триметоксибензойная кислота |
1,41 |
28.61 |
Кофеин-6-тио |
1,19 |
Продолжение таблицы 19 |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
23.51 |
10-метил эйкозан |
2,39 |
29.13 |
Гентриаконтан |
6,28 |
23.97 |
Эвдесм-4-ен-11-ол |
1,85 |
28.46 |
Октакозан |
0,38 |
24.40 |
-эвдесмол |
12,29 |
29.78 |
2/, 6/ -дигидрокси 4/ -метокси халкон |
7,51 |
24.55 |
1,3-докозановая кислота |
1,40 |
30.17 |
Пентакозан |
0,49 |
В таблице 20 представлены результаты исследования этилацетатного экстракта методом ГХ-МС.
Таблица 20 - Состав компонентов этилацетатного экстракта почек тополя
В процентах суммы веществ экстракта
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
ВУ, мин |
Компонент |
Кол-во |
17.19 |
Салицилальдегид |
2,98 |
24.38 |
Эргостерилацетат |
2,90 |
17.88 |
1-Эйкозанол |
0,53 |
24.89 |
Аромадендрен оксид (2) |
1,88 |
18.35 |
имонен оксид |
1,37 |
25.07 |
Муролан -3,9-диен -10-перокси |
1,25 |
18.54 |
Гидроксилиналоол |
0,86 |
25.39 |
Ретинол (ретинал-9-цис) |
0,74 |
19.13 |
-Аморфен + нафталенол |
4,85 |
25.51 |
Бутиловый эфир фталевой кислоты |
2,36 |
20.16 |
Селинен |
0,52 |
25.66 |
2-циклогексен-1-carbocxylic acid |
3,23 |
20.44 |
2 -фенил-2-метилбутаноат |
3,43 |
26.72 |
Метиловый эфир олеиновой кислоты |
1,55 |
20.62 |
Гидрокситолуйен бутилат |
2,43 |
25.85 |
Генейкозанон |
1,46 |
20.88 |
Гвайадиен |
0,57 |
27.50 |
Бутилцитрат |
1,76 |
21.55 |
Пальмитоолеиновая кислота |
1,47 |
27.61 |
7-тетрадеценолацетат |
2,45 |
21.80 |
Кариофиллен оксид |
3,36 |
28.01 |
Трибутилацетилцитрат |
4,81 |
22.35 |
-эвдесмол |
3,76 |
28.17 |
1-Гептатриакотанол |
2,18 |
22.37 |
3-9-гвайадиен |
1,03 |
28.47 |
Тетратетраконтан |
4,28 |
22.62 |
-эвдесмол + -бизаболол |
3,95 |
29.29 |
Гентриаконтан |
6,24 |
22.79 |
1,2,4-5,6,7,8,9,9-нонагидро-3,5,5 триметил-9-метилен-2H-бензо-[7] аннулен |
2,56 |
30.17 |
Пентакозан |
2,29 |
23.43 |
2-бутил-4-(диметилбензил)фенол |
5,10 |
32.29 |
18-Пентатриаконтанон |
0,99 |
23.75 |
имонная кислота |
0,96 |
33.92 |
17-Пентатриаконтен |
4,71 |
23.95 |
Бензойная кислота |
1,35 |
Итого идентифицировано |
83,67 |
|
Как свидетельствуют результаты исследования, этилацетатный экстракт более чем на 50 % представлен кислородсодержащими соединениями. Среди не содержащих кислород соединений основными являются углеводороды от С25 и выше.
В применяемые для разделения органические растворители переходит до 93 % веществ, экстрагируемых из почек тополя бальзамического этанолом. Остальное количество веществ, входящих в состав спиртовых экстрактов, как показали наши исследования, состоит из углеводов: свободные моносахариды (0,12 %), сахароза (0,42 % ) и более трудногидролизуемых дисахаридов (1,79 % а.с.с.).
Кроме исследования состава экстрактов с использованием растворителей с возрастающей полярностью, было определено содержание отдельных групп веществ экстракта из вегетативной части тополя. Результаты приведены в таблице 21.
Таблица 21 - Содержание отдельных групп веществ в спиртовом экстракте
вегетативной части тополя
В процентах от а.с.с.
Компонент |
Время отбора проб, месяц |
||||||
X |
XI |
XII |
I |
II |
III |
IV |
|
Суммарные липиды |
13,69 |
11,94 |
12,78 |
15,41 |
18,84 |
19,27 |
22,61 |
Нейтральные липиды |
9,91 |
7,98 |
8,71 |
11,25 |
13,84 |
14,25 |
15,76 |
Гликолипиды |
3,32 |
3,65 |
3,64 |
3,47 |
4,35 |
4,53 |
6,37 |
Фосфолипиды |
0,21 |
0,15 |
0,24 |
0,29 |
0,37 |
0,27 |
03,25 |
Воска |
0,77 |
1,53 |
1,61 |
1,64 |
2,14 |
1,69 |
1,36 |
Флавоноиды |
4,25 |
4,14 |
4,03 |
3,73 |
4,83 |
3,37 |
3,31 |
Хлорофилл |
8,05 |
10,43 |
9,56 |
8,76 |
8,18 |
6,69 |
10,67 |
Каротиноиды |
1,03 |
1,34 |
1,82 |
1,20 |
2,03 |
1,30 |
1,70 |
Следует отметить, что при использовании в качестве сырья побегов тополя с почками, в оптимальных условиях проведения процесса экстракции содержание веществ, переходящих в спиртовый экстракт, несколько ниже, чем из почек, но основную долю также составляют нейтральные вещества.
В составе экстрактивных веществ вегетативной части тополя, отобранной с ноября по февраль, выше содержание воскообразных веществ (8-9 %) и флавоноидов (19-23 %), чем в период вегетации тополя, где выше доля липидов.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что основной группой соединений спиртового экстракта являются нейтральные вещества, более 60 % которых составляют ацилглицеролы, эфиры стеринов. В составе спиртового экстракта обнаружены также сесквитерпеноиды и флавоно-иды - вещества, обладающие антимикробным действием.
При разделении спиртовых экстрактов из почек и побегов с почками тополя бальзамического можно получать фракции с преимущественным содержанием отдельных групп веществ, таких как липидный концентрат, фенольные вещества, на основе которых могут быть получены лекарственные формы различной направленности и косметические препараты.
Биологическая активность экстрактов и эфирных масел
Исследование препаратов природного происхождения вызывает особый интерес в связи с их выраженной биологической активностью. Большинство исследований имеет фармакологическую направленность, тогда как возможно использование эфирных масел и растительных экстрактов для защиты растений от многочисленных возбудителей болезней, в том числе, грибов рода Fusarium.
Поскольку летучие компоненты и флавоноиды почек тополя бальзамичес-кого Красноярского края имеют отличительные особенности компонентного состава от тополей других регионов, нами была исследована биологическая активность эфирного масла и спиртового экстракта.
Рисунок 13 - Влияние экстрактивных веществ на скорость роста микроскопических грибов рода Fusarium |
Полученные результаты (рисунок 13) свидетельствуют о том, что эфирное масло и спиртовой экстракт из почек тополя бальзамического, проявляют антифунгальную активность в отношении фитопатогенных штаммов грибов рода Fusarium. Это проявляется в снижении скорости роста и изменении морфологических особенностей мицелия, а также уменьшении показателей конидиегенеза. Установлено, что среди компонентов экстракта наибольшей антифунгальной активностью обладают вещества, входящие в состав петролейного и диэтилового экстрактов. Изученные соединения растительного происхождения, могут оказаться перспективными антимикотиками.
Установлено бактерицидное действие спиртового экстракта в отношении Staphylococcus aureus, St. haemoliticus, St. caseoliticus, бактериостатическое - в отношении St. aldiconicus. Эфирное масло обладает бактериостатическим действием по отношению ко всем исследованным штаммам Staphylococcus, что согласуются с данными других авторов.
Получены обнадеживающие результаты по иммуномодулирующей актив-ности эфирного масла вегетативной части тополя бальзамического, проведен-ные на полиморфноядерных нейтрофилах крови здорового человека.
Таким образом, и эфирное масло и спиртовой экстракт вегетативной части тополя бальзамического, могут быть перспективны как для получения лекарст-венных препаратов, так и препаратов для защиты растений.
Углекислотная экстракция вегетативной части тополя
Поскольку вегетативная часть тополя бальзамического богата биологичес-ки активными веществами, нами в работе изучена возможность применения сжиженного диоксида углерода в качестве экстрагента, позволяющего извле-кать их в нативном виде.
Состав углекислотного экстракта вегетативной части тополя был исследо-ван методом ГХ-МС, результаты приведены в таблице 22.
Установлено, что при углекислотной экстракции в экстракт переходит до 13 % эфирных масел (или 0,76 % от а.с.с.) и 4 % веществ, извлекаемых этанолом. Общий выход экстрактивных веществ составляет 2 %. Среди компонен-тов экстракта присутствуют сескви- (57,3 %) и монотерпеноиды (15,3 %), витамин С и вещества, обладающие F-витаминной активностью (2,8 %). Диоксид углерода обладает разной экстрагирующей способностью по отношению к индивидуальным летучим компонентам вегетативной части тополя.
Таблица 22 - Состав компонентов углекислотного экстракта вегетативной части
тополя бальзамического
В процентах от суммы сухих веществ
Компонент |
Коли чество |
Компонент |
Коли чество |
иналоол |
6,9 |
- эвдесмол |
7,01 |
3-метилбутен-3-ил-2метил- бутаноат |
0,20 |
- эвдесмол |
13,87 |
Борнеол |
0,61 |
- бизаболол |
14,21 |
имонен диоксид |
0,87 |
- эвдесмол |
0,81 |
Камфен |
0,63 |
Метиловый эфир бензойной кислоты |
0,29 |
иналилфенилацетат |
5,45 |
Дигидроромадендрен |
3,48 |
Метиловый эфир 13,16-октадека-диеновой кислоты |
0,03 |
Триметилпропиловый эфир октадекановой кислоты |
0,01 |
Цис-лимонен-1,2-эпоксид |
0,47 |
4,4триметилтрицикло[6.3.1.0[1,5]]до-декан-2,9-диол |
0,56 |
Ксилен,5-тетробутил |
0,12 |
Метилпропиловый эфир стеариновой кислоты |
0,01 |
- муролен |
0,12 |
Пальмитиновая кислота |
1,64 |
-аморфен |
0,12 |
Аскорбиновая кислота |
0,31 |
-цедрен |
0,11 |
Метиловый эфир арахидоновой кислоты |
0,54 |
Гумулен |
1,22 |
2-3-дигидроксипропиловый эфир иноленовой кислоты |
0,59 |
Кариофиллен |
0,68 |
7,11-гексадекадиенал |
1,14 |
Триметиловый эфир бензойной кислоты |
0,12 |
инолевая кислота |
1,38 |
-куркумен |
1,25 |
Олеиновая кислота |
1,25 |
2-фенилэтил-2-метилбутаноат |
8,10 |
Октакозан |
1,46 |
Гидрокситолуйен бутилат |
0,75 |
Халкон,2`,6`-дигидрокси-4`-метокси |
1,34 |
Аромадендрен |
1,33 |
Гептакозан |
0,09 |
6(толил)-2-метил-2-гептанол |
1,43 |
Пентакозан |
0,49 |
- кариофиллен эпоксид |
1,49 |
18-Пентатриаконтанон |
0,19 |
- муролен |
0,37 |
10,13,13-триметил-11-тетрадеценол ацетат |
0,15 |
Такие компоненты как -куркумен, 3-метилбутен-3-ил-2-метилбутаноат и пренил тиглат экстрагируются полностью. Пренилметилбутаноат более чем на 70 %, гумулен, кариофиллен и 2-фенилэтил-2-метилбутаноат на 60 % переходят в СО2-экстракт. Эвдесмол и бизаболол экстрагируются диоксидом углерода только на 10-20 % от общего их содержания в вегетативной части тополя. Полученные результаты говорят о целесообразности использования СО2Цэкстракции для выделения биологически активных веществ из вегетативной части тополя.
Изучение химического состава послеэкстракционного остатка показало, что он может быть использован для получения БАВ (жирных кислот, ацилглицеролов, стеринов, эфирных масел) или в качестве субстрата. Углекислотная экстракция может рассматриваться как одна из стадий предварительной переработки сырья.
Утилизация твердых и жидких отходов, образующихся при
переработке вегетативной части тополя
Изложенные в данном разделе результаты позволяют определить основ-ные направления использования отходов, образующихся при переработке вегетативной части в практически ценные продукты и решить вопрос рацио-нального и комплексного использования биомассы тополя.
Ферментация твердого остатка вегетативной части тополя грибами рода Trichoderma. В настоящее время является актуальной проблема поиска доступного и дешевого сырья для промышленной биотехнологии, с помощью которой можно получать различные препараты, в том числе для защиты растений. Опираясь на результаты исследования химического состава, вегетативную часть тополя бальзамического после извлечения из нее биологически активных веществ можно отнести к числу перспективных субстратов для культивирования грибов.
Для биодеструкции в качестве субстратов использовали твердый остаток почек тополя после: отгонки эфирных масел методом гидродистилляции (субстрат I); удаления эфирных масел и извлечения этиловым спиртом экстрак-тивных веществ (II); извлечения в оптимальных условиях этиловым спиртом экстрактивных веществ (субстрат III); и вегетативную часть тополя после ис-черпывающего извлечения этиловым спиртом экстрактивных веществ (IV); посевного материала - суспензию пропагул штамма МГ-97 Tr. aspirellum (из расчета 1⋅106 КОЕ/г). В результате культивирования установлено, что максимальное количество колониеобразующих единиц (КОЕ) на субстрате I наблюдался на 20-е сутки (2,5⋅108 КОЕ/г), субстрате II на 15-е сутки (4,3⋅109 КОЕ/г), что в 1,5 раза выше, чем на субстратах III и IV. Дальнейшее увеличение продолжительности культивирования не приводило к значительному увеличению содержания КОЕ.
Результаты, свидетельствующие об изменении химического состава субст-ратов в процессе биоконверсии, приведены на примере субстратов I и II (табли-ца 23).
Результаты показывают, что культивирование штамма МГ-97 приводит к изменению содержания всех компонентов субстратов. В процессе биодест-рукции накапливается до 6-11 % гуминовых веществ. Убыль массы субстратов достигла 30 %. В зависимости от назначения препаратов продолжительность культивирования можно варьировать: для получения биопрепарата типа Триходермин сельскохозяйственного назначения до 15-ти суток, более - для гумификации почвы. Включение кубовой жидкости на стадии увлажнения субстрата дополнительно обогащает его минеральными соединениями и углеводами, позволяет получить в течение 15-ти суток биопрепарат с более высоким титром спор (5,1⋅109 КОЕ/г), дает возможность замкнуть цикл водопотребления и сделать технологию переработки вегетативной части тополя безотходной.
Таблица 23 - Химический состав субстратов I и II после биодеструкции
В процентах от а.с.с.
Наименование компонента |
Исходный субстрат |
Продолжительность культивирования, сут |
|||
10 |
15 |
20 |
30 |
||
Минеральные вещества |
4,12 2,62 |
3,59 2,62 |
3,48 2,63 |
3,12 2,63 |
3,04 2,64 |
Вещества, экстрагируемые спиртом |
37,67 - |
32,73 - |
31,26 - |
27,78 - |
26,09 - |
Вещества, экстрагируемые водой |
8,20 4,5 |
7,27 5,61 |
7,26 5,74 |
6,08 5,45 |
6,30 5,22 |
егкогидролизуемые полисахариды |
9,30 16,05 |
7,99 10,90 |
7,66 10,25 |
6,44 9,83 |
5,24 9,58 |
Трудногидролизуемые полисахариды |
15,93 22,10 |
13,03 14,88 |
13,32 13,63 |
9,86 12,90 |
9,13 12,42 |
игноподобные вещества |
20,81 52,67 |
17,18 33,30 |
16,52 31,54 |
14,04 30,44 |
13,49 29,70 |
Гуминовые вещества |
- |
2,18 9,53 |
3,33 9,74 |
6,01 10,13 |
6,69 10,81 |
Примечание - в числителе данные для субсрата I, в знаменателе ЦII |
|||||
Получение белковых кормовых добавок на основе гидролизатов вегета-тивной части тополя бальзамического. Высокое содержание полисахаридов в после экстракционом остатке вегетативной части тополя (48-62 %) дало основание рекомендовать данное сырье для переработки методом гидролитической деструкции с целью дальнейшей биохимической переработки гидролизата. В работе применяли высокотемпературный кислотный гидролиз, который проводили в ампулах при температуре 170 0С в течение 2 ч, концентрация серной кислоты 1 %, гидромодуль 10. В этих условиях содержание редуцирующих веществ составило 2-2,5 %, бромируемых веществ 0,2 %, что свидетельствует о биологической доброкачественности гидролизатов. Проведено культивирование производственного штамма дрожжей рода Candida scotti, предоставленного нам ЗАО Биоэтанол, по режимам, принятым на данном предприятии. Прирост биомассы за 48 ч составил 280 %. Выход дрожжей от РВ по абсолютно сухим дрожжам - 58 %, что соответствует заводскому показателю.
Твердый остаток вегетативной части тополя после выделения эфирных масел по количеству питательных веществ, представляющих кормовую ценность, близок к Хвойной кормовой муке (ТУ 477-15-147-80), содержит: сырой протеин (6,6 %), клетчатку (17,6 %), каротин (31,2 мг/кг), кальций (6,24 мг/кг), фосфор (089 мг/кг); перевариваемость-34,4 %, что позволяет рекомендовать его в качестве кормовой добавки.
Таким образом, показано, что вегетативная часть тополя бальзамического может быть использована в качестве сырья для получения белковых кормовых добавок.
Использование вегетативной части тополя в качестве топлива. На сегодняшний день тема применения альтернативного традиционным видам топли-ва актуальна, к числу которых может быть отнесена и биомасса тополя.
Элементный состав послеэкстракционного остатка вегетативной части тополя: С - 50 % , Н - 7 %, О - 40 %, N - 2 %, зольность менее 3 %. Прессование остатка осуществляли на прессе АГС-50 в одноместной пресс-форме при температуре 140-145 оС, давлении 1,01 МПа и без добавления связующего. Продолжительность прессования 10-15 мин. Теплотворную способность определяли методом дериватографии.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что высшая теплотворная способность побегов и почек тополя (21,6 МДж/кг) в 1,2 раза превосходит тако-вую стандарта (опилки осины). По химическому составу и теплотворной способности послеэкстрационый остаток вегетативной части тополя можно отнести к твердому углеродному топливу, обогащенному кислородом, наряду с такими лклассическими энергоносителями как древесина (18,34 МДж/кг) и торф (22,83 МДж/кг), и рекомендовать к использованию в производстве топливных гранул.
Концепция комплексной переработки биомассы тополя
Проведенные нами исследования показали возможность глубокой перера-ботки биомассы тополя и вторичного сырья на ее основе с получением биологически активных веществ в одном химико-технологическом процессе, выстроенном в зависимости от необходимости получения требуемых целевых продуктов. Важнейшей составляющей данного процесса являются: определение вида тополя, как растительного сырья, химический состав, а также экономическая целесообразность использования его в качестве источника биологически активных веществ.
Глубокая переработка биомассы тополя, отвечающая современным техни-ко-экономическим и экологическим требованиям, базируется на развитии научных знаний в области химии растительного сырья, позволяющих эффективно использовать в качестве сырья вегетативную часть дерева и получить в едином технологическом потоке максимальное количество товарных продуктов; расширении областей практического использования биологически активных веществ; разработке малоотходных и экологичных технологий, приводящих к снижению инвестиционных затрат на создание промышленных производств.
Сырьевой базой производства могут служить отходы, образующиеся при ежегодных обрезках тополей (как дикорастущих, так и культивируемых видов) и идущие в настоящее время в отвал. Кроме того, благодаря быстроте роста (годовой прирост тополевых насаждений составляет 15-25 м3/га, оборот рубки 20 лет) и скороспелости, возможна успешная организация тополевых планта-ций. В нашей стране имеется опыт по созданию сырьевой базы из насаждений плантационного типа быстрорастущих видов тополей, что свидетельствует о хозяйственной целесообразности их искусственного разведения. Предусматривается прижизненное использование тополя.
Переработку растительного сырья с получением биологически активных веществ можно вести по двум вариантам. Выбор варианта зависит от используемого сырья, точнее от времени его заготовки, и его количества. Первый вариант предусматривает комплекс-ную переработку вегетативной части тополя с получением гаммы продуктов (эфирных масел, спиртовых экстрактов, восков и биопрепаратов). Следует отметить, что он может быть осуществлен в двух модификациях, отличающихся только числом стадий переработки и ассортиментом продуктов. По одной предусмотрена отдувка эфирных масел, по другой нет. Разработанная технология может быть реализована на действующих лесохимических производствах. Второй вариант предусматривает переработку сырья, получаемого в результате весенней обрезки деревьев в период с февраля по апрель, когда в нем велико содержание эфирных масел, с получение летучих компонентов паровой отгонкой и кормовой добавки или биопрепарата типа Триходермин.
Разработка технологии и технико-экономические показатели
комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического
Как указывалось выше, переработку сырья с получением биологически активных веществ можно вести по двум вариантам.
Первый вариант. Технология предусматривает выделение из вегетативной части тополя бальзамического эфирных масел паровой отгонкой, экстракцию сырья этиловым спиртом, отделение восков и утилизацию после экстракцион-ного остатка с получением биопрепарата типа Триходермин. Принципиаль-ная схема производства приведена на рисунке 14.
Сырье измельчается 1 и подается в экстрактор 2. Процесс паровой отгонки эфирного масла осуществляется острым водяным паром, который подают снизу. Пройдя через измельченное сырье, он вместе с извлекаемым эфирным маслом поступает в конденсатор-холодильник 3. Конденсат далее идет во флорентину 4. Масло декантируется и поступает в сборник готовой продукции 5. Флорентинная вода направляется в паровой котел. Образовавшаяся в экстракторе кубовая жидкость поступает в сборник 6 и далее используется в процессе биоконверсии. После извлечения эфирных масел твердый остаток подвергается экстрагированию этиловым спиртом пульсационным батарейно-противоточ-ным методом. Свежий растворитель насосом закачивается в верхнюю часть хвостового экстрактора 2. Спиртовый экстракт с концентрацией сухих веществ 5-8 % отбирается из головного экстрактора и поступает в вымораживатель 7 для отделения восков. Осветленный экстракт идет в сборник 8. Воск-сырец после дополнительной промывки отправляют на упаковку. Осветленный спиртовый экстракт подается в перегонный куб 9, где происходит отгонка раст- ворителя. Сконденсировавшийся этанол 11, собирается в сборнике 12 и далее возвращается в экстракционное отделение. Сконцентрированный экстракт поступает в сборник готовой продукции 10. Твердый остаток после экстракции далее используется в качестве субстрата для получения биопрепарата методом поверхностного культивирования.
Субстрат после стерилизации и охлаждаения вместе с посевным матери-алом поступает в растильно-конвейерную установку типа 4Г-КСК. По окончании процесса ферментации масса, высушенная до влажности 8 %, выгружается, дополнительно измельчается и поступает на фасовку и упаковку.
1 - измельчитель; 2 - экстрактор; 3, 11 Ц конденсатор-холодильник; 4- флорентина; 5 - сборник эфирного масла; 6 - сборник кубовой
жидкости; 7 - вымораживатель; 8 Ц промежуточный сборник спиртового экстракта; 9 Ц перегонный куб; 10 - сборник спиртового экстракта; 12 - сборник этанола
Рисунок 14 - Схема переработки вегетативной части тополя
На получаемые по предлагаемой технологии продукты разработаны технические условия. В соответствии с требованиями ТУ 2457-012-02067907-99 Тополевое масло эфирное масло должно иметь 20 не более 0,98 г/см3 и nD20 1,48 - 1,50; содержать не менее 70 % сесквитерпеноидов. Экстракт этанольный из почек тополя бальзамического ТУ 2455-030-02097907-2007 должен иметь 20 не более 0,93-0,95 г/см3 и содержать экстрактивных веществ 4-6 %, липидов Ц 3,2-5,6 %, флавоноидов 0,3-0,5 %.
Тополевое масло и спиртовый экстракт обладает ценными ароматически-ми, противомикробными и лечебными свойствами, в связи с чем, может ис-пользоваться в производстве парфюмерно-косметических и фармацевтических препаратов и товаров бытовой химии.
Биопрепарат типа Триходермин имеет следующие показатели: влаж-ность 8-10 %, титр спор 3109 КОЕ/г, содержание гуминовых веществ 6,8 %. Приведенные расчеты показывают, что комплексная переработка вегетативной части тополя бальзамического экономически выгодна и целесообразна.
Технологические решения, выработанные на основании исследований, приведенных в данной работе, защищены патентом и послужили основой для разработки исходных данных по проектированию технологической линии и организации производства эфирного масла и спиртового экстракта из вегетативной части тополя бальзамического, которые переданы ОАО Лесосибирский КЭЗ. При переработке 100 т сырья выпуск продукции в натуральном исчислении составит: эфирное масло-3,0 т, спиртовый экстракт-40 т, воск-1,5 т, биопрепарат -30 т. Рентабельность производства 20 %, срок окупаемости -1,8 г.
Второй вариант. Технология состоит из двух основных узлов: получение летучих компонентов паровой отгонкой и переработка твердого остатка с получение кормовой добавки, или культивирование грибов рода Trichoderma с получением препаратов различного назначения. Данный вариант технологии позволяет получать из вегетативной части тополя два товарных продукта: с 1 т сырья влажностью 50 % в среднем получится 17-18 кг тополевого эфирного масла и до 420 - 440 кг биопрепарата.
Создание производства по второму варианту возможно непосредственно при тресте зеленого строительства муниципального образования, который проводит обрезку тополей. Это позволит не только решить проблему утилизации обрезков тополей, но и даст новый источник дохода при относительно малых капитальных вложениях. При переработке 1 т сырья, рентабельность производства составит 21%, срок окупаемости -1,5 г.
ВЫВОДЫ
1. На основе теоретических и экспериментальных исследований химического состава и свойств биомассы тополя разработана научная концепция упра-вляемой ресурсосберегающей технологии переработки вегетативной части, позволяющей в едином технологическом процессе выделить из сырья экстрактивные вещества, обладающие биологической активностью, и переработать остаток с получением ценных товарных продуктов.
2. Впервые установлены закономерности изменения химического состава почек и побегов тополя, связанные с внутривидовой изменчивостью, местом произрастания и фазой развития растения. Показано, что вегетативная часть тополя, произрастающего на территории Средней Сибири, может быть исполь-зована как сырье для получения эфирных масел, липидного концентрата, вос-ков и других биологически активных веществ.
3. Установлены особенности химического состава тополя бальзамического, произрастающего на территории Красноярского края и Хакасии. Показано, что он отличается от тополей данного вида других регионов более высоким содер-жанием эфирных масел и меньшим флавоноидов. Отличительной особенностью эфирных масел является высокое (до 90 %) содержание сесквитерпеноидов, с преобладанием эвдесмола и бизаболола (35-52 %), наличие 2-фенилэтил-2-метилбутаноата (до 17 %) и небензоидного ароматического углеводорода аро-мадендрена; а также флавоноидов - меньшее содержание пиностробина и боль-шее халконов.
4. Установлено влияние вида тополя и места произрастания на состав липидов. Показано, что для разного вида тополей региона характерно высокое содержание гликолипидов, а также наличие веществ, обладающих А, F и Р - витаминной активностью. Впервые из вегетативной части тополя бальзамического выделены и охарактеризованы воскообразные вещества.
5. Варьированием параметров паровой отгонки летучих компонентов (крупности сырья и продолжительности процесса) и процесса экстракции (температуры, продолжительности экстрагирования, концентрации этанола, жидкостного модуля) найдены оптимальные условия, обеспечивающие высокий выход эфирных масел и спиртового экстракта с заранее заданными физико-химическими свойствами.
7. Изучена биологическая активность эфирных масел, спиртового экстракта и отдельных групп экстрактивных веществ из вегетативной части тополя бальзамического, произрастающего в Красноярском крае. Установлено, что и эфирное масло и спиртовой экстракт проявляют антифунгальную активность в отношении фитопатогенных штаммов грибов рода Fusarium, бактериостатическое и бактерицидное действие по отношению к бактериям рода Staphylococcus и могут быть перспективны как для получения лекарственных препаратов, так и препаратов для защиты растений.
8. Показана возможность утилизации лигноуглеводного остатка методом биоконверсии. Установлено влияние воздействия ферментативного комплекса грибов рода Trichoderma на лигноуглеводный комплекс вегетативной части тополя. В зависимости от назначения препаратов продолжительность культиви-рования можно варьировать: для получения биопрепарата типа Триходермин сельскохозяйственного назначения до 15-ти суток, более Ц для гумификации почвы. Включение кубовой жидкости на стадии увлажнения субстрата позволя-ет получить биопрепарат с более высоким титром спор (5,1⋅109 КОЕ/г), дает возможность замкнуть цикл водопотребления и сделать технологию переработки вегетативной части тополя безотходной.
9. Впервые получен СО2-экстракт из вегетативной части тополя. Установлено, что экстрагент обладает селективностью по отношению к углеводородам, сложным эфирам и спиртам и извлекает из сырья до 13 % эфирных масел и 4 % веществ, извлекаемых этанолом.
10. Разработана технологическая схема комплексной переработки вегета-тивной части тополя, предусматривающая прижизненное использование топо-ля. Получены опытные партии продукции и проведено их испытание. Разрабо-тана нормативная документация. Исходные данные для проектирования произ-водства по переработке вегетативной части тополя бальзамического с получе-нием эфирных масел, спиртового экстракта, восков и биорпрепарата переданы в ОАО Лесосибирский канифольно-экстракционный завод. Рентабельность производства 20%, срок окупаемости -1,8 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
1 Исаева, Е.В. Содержание арахидоновой кислоты в почках Populus balsa-mifera в ходе годового цикла / Е.В. Исаева, Э.Д. Левин // Химия природных соединений. - 1987. - № 4. - С.513-516.
2 Исаева, Е.В. Исследование эфирных масел Populus balzamifera / Е.В. Исаева, Т.М Подольская //Лесной журнал. - 1997. - № 4. Ц С.58-62.
3 Исаева, Е.В. Биоконверсия твердого остатка вегетативной части тополя и топинамбура / Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова // Химия растительного сырья. - 2002. - №2. - С.149-150.
4 Исаева, Е.В. Влияние некоторых факторов на выход и состав легколету-чих компонентов почек тополя / Е.В. Исаева // Изв. ВУЗов. Химия и химичес-кая технология. - 2005. - Т.48, вып.8. - С.124-127.
5 Исаева, Е.В. Групповой состав углеводов почек тополя // Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова / Химия растительного сырья. - 2006. - № 1. - С.33-36.
6 Исаева, Е.В. К вопросу о комплексном использовании вегетативной части тополя / Е.В. Исаева, Т.М. Бурдейная, Г.А Рейсер.// Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. Ц 2007.-Т.50, вып. 6. Ц С.53-56.
7 Исаева, Е.В. СО2Цэкстракция вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Вестник КрасГАУ. - 2006. Ц № 13. Ц С. 173-178.
8 Исаева, Е.В. Ферментация вегетативной части тополя грибами рода Trichoderma / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Вестник КрасГАУ.-2006. Ц № 16. Ц С. 219-222.
9 Исаева, Е.В. Влияние различных факторов на процесс экстракции почек тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина, Т.В. Рязанова // Химия растительного сырья. - 2007. - № 2. - С.51-54.
10 Исаева, Е.В. Хромато-масс-спектрометрическое исследование летучих компонентов вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. Ц № 1. - С.63-66.
11 Исаева, Е.В. Биологическая активность экстрактов и эфирных масел почек тополя бальзамического Красноярского края / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. - № 1. - С.67-72.
12 Исаева, Е.В. Флавоноиды почек тополя бальзамического (Populus balzamifera L.), произрастающего в Красноярске. Ч.1. Флавоноиды этилацетат-ного экстракта почек тополя бальзамического / Е.В. Исаева [и др.] // Химия растительного сырья. - 2008. - № 2. - С.47-53.
13 Isaeva, E.V. Arachidonic acid and prostaglandin in buds of Populus balzamifera / E.V. Isaeva, E.D. Levin, V.E. Cherepanova // Phytochemistry. - 1990. - V.29. Ц N 7. - P. 2325-2326.
14 Патент № 2322501 Российская Федерация С12Р 1/02,С11В, 1/10,С11С 1/00,С09F 1/00. Способ комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического / Г.А. Ложкина, Исаева Е.В. - Заявка 32006124142, приоритет от 5.07.06. Опубл. 20.04.08. Бюл. № 11.
15 Исаева, Е.В. Химия древесины: учеб. пособие с грифом УМО / Т.В. Ря-занова, Н.А. Чупрова, Е.В. Исаева. Ц Красноярск: КГТА,1996. Ц 358 с.
16 Исаева, Е.В. Утилизация твердого остатка вегетативной части тополя / Е.В. Исаева, Н.А. Чупрова, Т.В. Рязанова // Вестник СибГТУ. - 2001. Ц №1.- С.111 - 115.
17 Исаева, Е.В. Гликолипиды почек тополя / Е.В. Исаева, С.Г. Волошина // Вестник СибГТУ. - 2001. - №2. - С.124-127.
18 Исаева, Е.В. Вегетативная часть тополя как сырье для получения биоло-гически активных веществ / Е.В. Исаева, Т.М. Бурдейная // Вестник СибГТУ. Ц 2002. - №2. - С.37-40.
19 А.с.1363749 (СССР) МКИ С07с 57/02 Способ выделения природной арахидоновой кислоты /Э.Д. Левин, Е.В. Исаева. - № 3982293. Заявл. 2.12.85. Приоритет 2.12.85.
20 Исаева, Е.В. Простагландины и кислоты-предшественники в почках тополя бальзамического / Исаева Е.В., Э.Д. Левин, В.Э. Черепанова // Произ-водство кормовых и биологически активных продуктов из отходов низкокачественного древесного сырья: сб. науч. тр. всесоюз. науч.-техн. совещ.- Красноярск,1990. Ц С.93-97.
21 Исаева, Е.В. Групповой состав фосфолипидов почек тополя бальзами-ческого / Е.В. Исаева // Исследования в области химии древесины: 6-я межрес-публ. школа-семинар. - Рига,1991. - С.63.
22 Исаева, Е.В. Идентификация арахидоновой кислоты почек тополя бальзамического современными методами / Е.В. Исаева, Т.М. Тарченкова // Ис-пользование и восстановление ресурсов ангаро-енисейского региона: материа-лы всесоюз. науч.-практ. конф. - Красноярск, 1992. Ц С. 195-201.
23 Исаева, Е.В. Исследование химического состава почек тополя и березы / Е.В. Исаева, В.В. Минчик, И.И. Чернова // Проблемы химико-лесного комплек-са: сб.тр. респуб. науч.-практ. конф. Ц Красноярск,1994. - Т.III, ч.2. - С. 54-58.
24 Исаева, Е.В. Изменение содержания липидов в процессе развития жи-вых тканей тополя /Е.В. Исаева //Эколого-физиологические аспекты ксилогене-за хвойных: материалы междунар. конф. (ЮФРО).Ц Красноярск,1996. - С.55-58.
25 Исаева, Е.В. Влияние почвенно-климатических условий на содержание легколетучих компонентов в почках тополя / Е.В. Исаева // Химико-лесной комплекс Ц проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. Ц Красно-ярск, 2001. Ц С.88-90.
26 Исаева, Е.В. Состав углекислотного экстракта вегетативной части тополя / Е.В. Исаева // Лесной и химический комплексы Ц проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. Ц Красноярск, 2004. - С. 99-104.
27 Исаева, Е.В. Групповой состав нейтральных липидов почек тополя/ Е.В. Исаева, Г.А. Рейсер //Новые достижения в химии и химической технологии рас-
тительного сырья: материалы II всерос.конф.ЦБарнаул, 2005.ЦКн.II.ЦС. 428-432.
28 Исаева, Е.В. Исследование твердого остатка после СО2 Ц экстракции вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Г.А. Ложкина // Лес-ной и химический комплексы. Проблемы и решения: междунар. конф. Ц Крас-ноярск: СибГТУ, 2005. - Т. 3. - С .97-100.
29 Исаева, Е.В. Выделение экстрактивных веществ водно-этанольными смесями из почек тополя бальзамического / Г.А. Ложкина, Е.В. Исаева, // Лесной и химический комплексы. Проблемы и решения: междун. конф., посвященная 75-летию СибГТУ, 2005.- Т. 3. - С. 207-211.
30 Исаева, Е.В. Содержание липидов этанольного экстракта почек тополя бальзамического/ Г.А. Ложкина, Е.В. Исаева // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. Ц Красноярск, 2006. - Т. 1. Ц С .237-239.
31 Исаева, Е.В. Комплексное использование вегетативной части тополя бальзамического / Е.В. Исаева, Т.В. Рязанова // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы III всерос. науч. конф. Ц Барнаул, 2007. Ц Кн. 2. - С. 299-303.
32 Исаева, Е.В. Фракционный состав спиртового экстракта почек тополя бальзамического / Г.А. Ложкина, Е.В. Исаева // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы III всерос. науч. конф. Ц Барнаул, 2007. Ц Кн.2. Ц С.304-305.
33 Исаева, Е.В. Влияние температуры на выход экстрактивных веществ почек тополя / Г.А. Ложкина, Е.В. Исаева // Экология Южной Сибири и сопре-дельных регионов: тез. докл. науч. конф. - Абакан, 2005. - Т. II, вып.9 - С.89.
34 Исаева, Е.В. Оптимизация процесса экстракции почек тополя бальзами-ческого / Г.А. Ложкина, Е.В. Исаева // Химия и химическая технология в ХХ1 веке: докл. YП всерос. науч.-практ. конф. - Томск, 2006. Ц С. 216-217.
35 Исаева, Е.В. Использование метода ВЭЖХ для идентификации поли-ненасыщенных жирных кислот / Е.В. Исаева, Т.М. Тарченкова // Использование и восстановление ресурсов ангаро-енисейского региона: докл. всесоюз. науч.-практ. конф. - Красноярск - Лесосибирск,1991. - С.181-182.
36 Исаева, Е.В. Содержание эфирных масел в почках тополя бальзамическо-ческого / Е.В. Исаева // Проблемы химико-лесного комплекса: сб.тез. науч.-практ. конф. - Красноярск,1995. - Ч.2. - С.88.
37 Исаева, Е.В. Новый взгляд на тополь как на технологическое сырье / Е.В. Исаева, Т.М. Подольская // Экологические проблемы Красноярского края: докл. краевой науч. конф. Ц Красноярск, 1997. Ц С.8-9.
38 Исаева, Е.В. Влияние срока хранения на содержание эфирных масел в почках тополя / Е.В. Исаева, Т.М Подольская // Проблемы химико-лесного комплекса: докл. науч. конф. Ц Красноярск,1997. - С.62-63.
39 Исаева, Е.В. Влияние метода выделения на состав эфирных масел Populus balzamifera / Е.В. Исаева, Т.М Подольская // Проблемы химико-лесного комплекса: тез. докл. науч. конф. Ц Красноярск,1997. - С.47-48.
40 Исаева, Е.В. Вегетативная часть тополя как нетрадиционное сырье для народного хозяйства/ Е.В. Исаева, Т.М Подольская // ХI междун. конф. моло-дых ученых по химической технологии МКХТ-97: тез. докл. - М.: РХТУ им. Менделеева,1997. Ц Ч.2. - С.84-85.
41 Исаева, Е.В. Использование дробной отгонки для фракционирования легколетучих компонентов древесной зелени тополя / Е.В. Исаева, Т.М Подольская // Лесохимия и органический синтез: матер. III междунар. совещ. Ц Сыктывкар,1998. - С.74.
42 Исаева, Е.В. Влияние условий хранения почек тополя на выход эфир-ных масел / Е.В. Исаева, Т.М Подольская // Проблемы химико-лесного комп-лекса: тез. докл. науч. конф. - Красноярск,1999. - С.94.
43 Исаева, Е.В. Фракционирование углеводов почек тополя / Е.В. Исаева, Т.М Подольская, Е.П. Дик // Проблемы химико-лесного комплекса: тез. докл. науч. конф. - Красноярск,1999. - С.95.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Автор выражает глубокую благодарность за практическую помощь в работе, оказанную д.х.н. Шнайдер-Бауман М.М. и д.х.н. Кузнецовой С.А.
Сдано в производство 20.02. 09.
Формат 60х84 1/16. Усл. печ. л. 2.
Изд. № 5-09. Заказ №. Тираж 100 экз.
Редакционно-издательский центр СибГТУ
660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям