CC BY
152
Химия растительного сырья. 2005. №1. С. 19-24.
УДК 547.913
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ ЭФИРНОГО ЭКСТРАКТА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ПИХТЫ
© Л.П. Козлова1, Т.П. Кукина1, Е.В. Малыхин1’2, Л.М. Покровский1, С.А. Попов1, О.И. Сальникова1, А.М. Чибиряев12
1 Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, пр. академика Лаврентьева, 9, Новосибирск, 630090 (Россия).
2Новосибирский государственный университет, ул. Пирогова, 2,
Новосибирск, 630090 (Россия) Е-mail: chibirv@nioch.nsc.ru
Проведено фракционирование легколетучих соединений эфирного экстракта древесной зелени пихты: на пилотной установке реализованы процессы отгонки и гидродистилляции при пониженном давлении. Установлены качественный и количественный составы фракций-отгонов в зависимости от температуры нагрева куба и продолжительности отбора фракции. Определены технологические параметры процесса получения концентратов борнилацетата и борнео-ла (с суммарным содержанием выше 60%), кариофиллена и гумулена (10-15%).
Работа выполнена при финансовой поддержке Отделения химии и наук о материалах РАН по программе «Разработка научных основ химических технологий с получением опытных партий веществ и материалов», грант 2004 г.
Введение
В таежной зоне Сибири и горнотаежном поясе Алтая пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.) - одна из главных лесообразующих древесных пород, которая наряду с лиственницей сибирской (Larix sibirica Ledeb.), сосной обыкновенной (Pinus sylvestris Ledeb.) и кедром сибирским (Pinus sibirica R. Mayer) является основным объектом лесозаготовки, преимущественно для производства и продажи деловой древесины. Из древесной зелени и коры - лесосечных отходов пихты - производят пихтовое масло (далее ПМ), хлоро-филлин натрия, провитаминный концентрат и витаминную муку, СО2-экстракт, ряд пищевых биологически активных добавок («Флорента», «Абисил», «Абисиб» и др.). Дальнейшее расширение ассортимента потребительской продукции обусловлено комплексным подходом к переработке пихты как промышленного сырья (см. [1-5]), использованием новых технологий, детальным изучением химического состава экстрактивных веществ пихты (см. [6-14]). Так, например, изучение состава и строения тритерпеновых кислот в экстрактах древесной зелени пихты, результаты их биологического тестирования, выполненного совместно НИОХ и ИЦиГ СО РАН [13,15-19], позволили создать высокоэффективный фунгицид и стимулятор роста сельскохозяйственных растений «Новосил» , ныне широко применяемый в агрохимии различных регионов России.
С точки зрения полноты использования экстрактивных веществ пихты значительный интерес представляют отходы производства препарата «Новосил». В первую очередь это относится к так называемой нейтральной части эфирного экстракта древесной зелени пихты (далее НЧ), которая представляет собой остаток экстрактивных веществ после отделения свободных карбоновых кислот - ДВ препарата «Новосил». Способ получения этого препарата предполагает, что все составляющие компоненты пихтового масла должны оста-
* Автор, с которым следует вести переписку. ** Прежнее название препарата - «СИЛК».
ваться в НЧ. Среди этих компонентов коммерчески привлекательны борнилацетат (БА) и борнеол (Б), представленные в нативном сырье единственными энантиомерами с оптической чистотой выше 98-99%.
Целью работы является установление химического состава дистиллята из нейтральной части - фракций легколетучих терпеноидов, а также выявление технологических параметров процесса получения концентрата борнилацетата и борнеола на химико-технологическом оборудовании пилотного масштаба.
Объектом исследования явилась НЧ, полученная при производстве препарата «Новосил» в 2003-2004 гг.
Экспериментальная часть
Аналитические приборы, технологическое оборудование и материалы. Качественный и количественный анализ химического состава органических фракций проведен методом хроматомасс-спектрометрии с использованием газового хроматографа Hewlett-Packard 5890/II с квадрупольным масс-спектрометром (НР MSD 5971) в качестве детектора. Использована 30-метровая кварцевая колонка HP-5MS (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксана) с внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0,25 цм. Идентификация компонентов осуществлена сопоставлением времен удерживания пиков на хроматограмме и полных масс-спектров отдельных компонентов с соответствующими данными для чистых соединений (метчиков). Относительное количественное содержание химических компонентов во фракции вычислено методом внутренней нормализации по площадям пиков без корректирующих коэффициентов чувствительности.
Используемое стандартное химико-технологическое оборудование объединено в пилотную установку, включающую: а) перегонный куб - стальной эмалированный аппарат объемом 100 л, снабженный дренажным краном, рубашкой для обогрева паром низкого давления (—120 °С при 0,2 Ати), погружной термопарой и манометром; б) прямоточный холодильник - вертикально расположенный над кубом теплообменник, охлаждаемый оборотной водой с температурой —15-20 °С, холодильник снабжен независимым нижним спуском для соединения с приемником отгона (дистиллята); в) приемник дистиллята - емкость с мерной шкалой объема и нижним спускным краном. Все элементы схемы соединены между собой теплоизолированными трубопроводами, включающими стеклянные фрагменты для визуального контроля и запорными кранами на линиях и выходах. Разрежение (—200 мм. рт. ст.) в установке обеспечено водо-кольцевым насосом ВВН-12, присоединенным к верхнему выходу теплообменника.
НЧ получена следующим образом. Древесная зелень (ТУ 88-15326-58-98 «Пихтовая лапка сухая»), заготовленная в Маслянинском районе Новосибирской области и высушенная до остаточной влажности 1215% (согласно ТУ), измельчена на ножевой мельнице до размера частиц 1-5 мм и трижды проэкстрагиро-вана метил-трет-бутиловым эфиром. Из объединенного экстракта выделены свободные карбоновые кислоты в соответствии с процедурой производства препарата «Новосил». Из остатка отогнано основное количество МТБЭ при остаточном давлении 20—250 мм рт. ст. и температуре 70^80 °С в кубе. Нейтральная часть экстракта представляет собой вязкую жидкость темно-зеленого цвета с характерным пихтовым запахом, содержащую от 20 до 35% весовых МТБЭ в разных партиях. НЧ хранили в 200-литровых стальных бочках под навесом на улице при естественных перепадах температуры.
Отгонка легколетучих соединений из НЧ (технологическая процедура). Взвешенное количество НЧ (45^55 кг) помещают в перегонный куб и задраивают верхний люк. Вакуумируют систему и обеспечивают барботаж воздуха через массу для равномерного кипения смеси. Отгон летучих веществ из НЧ проводят при остаточном давлении в аппарате 200-250 мм рт. ст., медленно поднимая в течение 2-2,5 ч температуру в рубашке с 20 до 125 °С. В приемник отбирают фракции погона при следующих интервалах температуры внутри куба и длительностью отгонки: «фракция 1» - 40-80 °С, 60 мин; «фракция 2» - 80-100 °С, 25 мин; «фракция 3» - 100-115 °С, 15 мин; «фракция 4» - 115-120 °С, 20 мин и «фракция 5» - 120-125 °С, 20 мин. Каждую отобранную фракцию взвешивают и анализируют ее химический состав с использованием хрома-томасс-спектрометрии.
При снижении скорости накопления дистиллята в приемнике до —0.25 л/ч содержимое куба охлаждают до 50-60 °С подачей холодной воды в его рубашку, выравнивают давление в системе с атмосферным и добавляют к кубовому остатку горячую воду (—60 °С) одной порцией в объеме, равном начальному объему НЧ (45^55 л). Проводят отгонку с паром (гидродистилляцию) остаточных количеств легколетучих веществ. Окончание гидродистилляции определяют по объему водной фазы в погоне, равному объему воды,
залитому в перегонный аппарат. При этом отбирают две фракции погона (по 23-28 л): «гидродистиллят-1» и «гидродистиллят-2», которые перемещают в делительные воронки, отстаивают не менее 1-2 ч при комнатной температуре и разделяют верхнюю органическую и нижнюю водную фазы. Органические фазы («фракция 6» и «фракция 7» соответственно) сушат безводным сульфатом натрия, фильтруют, взвешивают и анализируют химический состав с использованием хроматомасс-спектрометрии. Данные о весах полученных фракций и их химических составах представлены в таблицах 1 и 2.
Химический состав органических соединений, остающихся в водной части гидродистиллята, описан в работе [20].
Обсуждение результатов
Эфирный экстракт древесной зелени пихты (далее ДЗ пихты) содержит моно-, сескви-, ди- и тритерпе-ноиды (углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры и другие производные); полиизопре-ноиды (полипренолы и долихолы, их сложные эфиры); соединения ароматического ряда; воски (сложные эфиры жирных кислот с фитостериновыми или жирными спиртами); растительные жиры и фосфолипиды; свободные алифатические спирты; метиловые эфиры алифатических кислот; хлорофиллы и многие другие [11]. Такое исключительное разнообразие групп и классов экстрактивных веществ пихты существенно затрудняет процесс фракционирования экстрактов и выделения из них индивидуальных субстанций. Как правило, фракционирование таких мультикомпонентных смесей ограничивается выделением из них фракций, небольших по весу и состоящих из родственных соединений близкого структурного типа.
Одним из немногих эффективных, успешно применяемых в промышленных масштабах способов фракционирования экстрактивных веществ пихты является производство пихтового масла - смеси летучих с паром моно- и сесквитерпеновых соединений, состоящей преимущественно из пяти компонентов с относительным содержанием не ниже 5% каждого [12].
Аналогичный технологический прием, в комбинации с предварительной отгонкой летучих веществ НЧ при пониженном давлении, использован в данной работе с целью получения фракций, сходных с пихтовым маслом по химическому составу и последующему целевому назначению (ароматические отдушки, сырье для получения оптически активных борнеола и камфоры). При выборе способа фракционирования учитывалась необходимость сохранения природных соединений пихты в нативном виде. Такой подход подразумевает использование щадящих режимов воздействия на НЧ.
В таблице 1 представлены усредненные по десяти экспериментам данные о весах: а) НЧ, загруженной в перегонный аппарат, б) фракций летучих веществ, в) выгруженного кубового остатка, г) газового выхлопа , рассчитанного как разность весов НЧ и суммы «кубовый остаток + отгон-дистиллят».
Из приведенных в таблице 1 данных следует, что простой отгонкой при пониженном давлении и последующей гидродистилляцией НЧ можно разделить на фракции легколетучих веществ (в сумме ~18-20%) и кубовый остаток (~60%). Поскольку НЧ при производстве «Новосила» составляет 5-6% от веса экстрагируемой ДЗ пихты, то расчетное содержание легколетучих компонентов достигает 1±0.2% (на сухую ДЗ), что сопоставимо с выходом пихтового масла, получаемого при пихтоварении [4]. Это косвенно указывает на то, что с помощью предложенной нами технологической процедуры удается почти полностью отделить легко летучие вещества пихты, содержащиеся в эфирном экстракте.
Таблица 1. Усредненный вес НЧ и полученных из нее фракций летучих веществ
НЧ и фракции из нее
Вес, кг (в % весовых к НЧ)
НЧ
Отгон-дистиллят
53,8 9,8 (18,2)
в том числе фракции: Фр-1 Фр-2 Фр-3 Фр-4 Фр-5 Фр-6 Фр-7
1,0 (1,9) 1,3 (2,4) 1,5 (2,8) 2,3 (4,3) 2,4 (4,5) 1,1 (2,0) 0,2 (0,4)
Газовый выхлоп Кубовый остаток 11,4 (21,2) 32,6 (60,6)
*
Химический состав газового выхлопа определен в эксперименте с присоединенной ловушкой на выходе теплообменника, охлаждаемой жидким азотом. Установлено, что газовый выхлоп представляет собой МТБЭ (на 98-99%) с незначительной примесью низкокипящих нативных соединений ДЗ пихты (в основном сабинена и трициклена).
В таблице 2 представлены усредненные по десяти экспериментам результаты хроматомасс-спектрометрического анализа полученных фракций дистиллята. Рассмотрение этих данных приводит к следующим заключениям.
Во-первых, все идентифицированные компоненты отгона, за исключением МТБЭ, являются нативными веществами пихты и присущи пихтовому маслу (ср. [12]). В отгонах в заметных количествах нет ни одного соединения, не характерного для ПМ. По соотношению нативных компонентов наиболее близкими к пихтовому маслу оказались фракции 2 и 3. Фракция 4 и все последующие, включая органическую часть гидродистиллята, характеризуются повышенным содержанием БА и Б (не менее 60% по сравнению с ~30% в ПМ).
Во-вторых, существенным представляется различие соотношения «БА/Б» в отгонах из НЧ и пихтовом масле: во фракциях 2^6 соотношение равно 1.7/1 (—2.5/1 во фракции 7) против —20/1 в пихтовом масле [21]. Причиной этому является, по-видимому, омыление борнилацетата остаточными количествами водной щелочи, использованной для извлечения свободных кислот (ДВ препарата «Новосил») из суммарного эфирного экстракта. Нагревание НЧ в перегонном аппарате заметно ускоряет этот процесс.
Таблица 2. Химический состав фракций летучих соединений НЧ
Компоненты фракций Фракция 1, 40-80°С Фракция 2, 80-100°С Фракция 3, 100-115°С Фракция 4, 115-120°С Фракция 5, 120-125°С Фракция 6, гидродистиллят 1 Фракция 7, гидродистиллят 2 Общее содержание вещества в отгонаха) (весовой %) Содержание вещества в пихтовом масле [12]
Относительное содержание вещества в данной фракции (весовой %)
МТБЭ 59,6 19,1 12,3 4,4 0,8 0,3 -б) 11,8 -
трициклен 2,1 3,8 2,5 0,4 -б) -б) -б) 1,2 2,4
а-пинен 9,2 17,1 12,1 2,7 0,4 0,2 0,1 5,8 13,7
камфен 14,5 26,4 21,6 6,6 1,1 0,3 0,1 10,1 24,2
Р-пинен 1,3 2,9 2,8 1,1 0,2 -б) -б) 1,3 1,6
Р-мирцен -б) 0,3 0,4 -б) -б) -б) -б) 0,1 0,7
3-карен 5,2 11,3 12,8 7,7 2,2 0,4 0,2 6,4 12,2
п-цимол -б) -б) 0,3 0,3 -б) -б) -б) 0,1 0,1
Р-фелландрен + лимонен 2,5 5,9 7,5 5,5 2,0 0,4 0,2 4,0 6,4
терпинолен -б) 0,3 0,6 0,7 0,4 -б) -б) 0,4 1,1
пинокарвеол -б) -б) -б) -б) -б) 0,2 -б) -б) -б)
камфора 0,2 0,4 0,7 1,4 1,5 1,1 0,5 1,0 -б)
транс-вербенол -б) -б) -б) -б) -б) 0,3 0,2 -б) -б)
борнеол 1,3 4,3 9,6 23,4 30,1 28,9 20,5 18,7 1,6
эйкарвон -б) -б) -б) -б) -б) 0,6 0,4 -б) -б)
борнилацетат 4,0 7,3 14,9 39,3 51,8 53,5 50,0 32,6 30,8
а-лонгипинен -б) -б) -б) -б) -б) 0,3 0,3 -б) -б)
сибирен -б) -б) -б) 0,3 0,4 0,4 0,3 0,2 -б)
лонгифолен -б) -б) 0,1 0,4 0,6 0,7 0,8 0,4 -б)
кариофиллен 0,1 0,5 1,2 3,6 5,2 6,8 10,2 3,4 0,6
гумулен -б) 0,2 0,5 1,4 2,2 2,8 4,2 1,4 0,3
Р-бизаболен -б) -б) 0,1 0,5 0,7 1,0 1,3 0,4 -б)
кариофиллен- а-оксид -б) -б) -б) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,2 -б)
Сумма идентифицированных компонентов, % ~100 ~100 ~100 ~100 ~100 ~98,7 ~89,9 ~99 95,8
[) Общее содержание компонентов рассчитано по формуле: ^ (содержание компонентов во фракции) х (вес фракции)
% = ^--------------------------------------------------
(вес отгона - дистиллята)
2) Содержание компонента менее 0,1%.
В-третьих, выявлены технологические параметры процесса отгонки (температуры нагрева куба, скорости отбора фракций, комбинирование простой отгонки с гидродистилляцией), позволяющие достаточно полно выделять легколетучие соединения из НЧ. При этом существенным результатом представляется высокое содержание сесквитерпеновых соединений во фракции 5 и органической части гидродистиллята (во фракциях 6 и 7 на порядок выше, чем в ПМ).
Вследствие вышеизложенного фракции 4^7 представляют интерес в качестве сырья для получения БА и Б, а фракции 5^7 - как перспективный источник кариофиллена и гумулена. Последние фракции по содержанию указанных сесквитерпеновых углеводородов конкурируют с гвоздичным маслом - одним из главных природных источников кариофиллена, концентрация которого в гвоздичном масле составляет 2-7% [22].
Фракции с высоким содержанием МТБЭ (от 30% и выше) могут быть использованы в качестве экстрагента ДЗ пихты по аналогии с использованием флорентинной воды в процессе пихтоварения [23], что представляется рациональным с позиций сохранения нативных летучих веществ пихты.
Следует отметить, что присутствие МТБЭ во фракциях 2^6 (от 19% до 0.3 соответственно) снижает их ценность в качестве ароматических добавок, но не исключает возможность использования в технических продуктах без дополнительной переработки.
Выводы
В масштабе пилотной установки апробирована комбинация процессов при пониженном давлении - отгонка и последующая гидродистилляция летучих веществ из нейтральной части эфирного экстракта древесной зелени пихты (до 20% от веса НЧ).
Установлен химический состав фракций летучих соединений в зависимости от температуры куба и продолжительности отбора фракции.
Определены технологические параметры получения фракций, обогащенных БА и Б (с суммарным содержанием выше 60%) и сесквитерпеновыми соединениями (10-15%).
Список литературы
1. Манаков В.А., Ляндрес Г.В., Шпаков А.Я., Черняева Г.Н. Утилизация древесной зелени и коры пихты сибирской // Лесная промышленность. 1986. №7. С. 14.
2. Ушанова В.М., Репях С.М. Исследование влияния полярности растворителя на состав экстрактивных веществ и послеэкстракционных остатков коры Abies sibirica // Химия природных соединений. 1996. №1. С. 42-45.
3. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Макиевская А.И., Кузнецов Б.Н. Безотходная переработка коры пихты // Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 21-28.
4. Степень Р.А. Изменение выхода и состава пихтового масла в процессе отгонки // Известия вузов. Лесной журнал. 1998. №4. С. 113-118.
5. Сидельников В.Н., Патрушев Ю.В., Сизова Н.В., Петренко Т.В. Сравнительный анализ состава пихтового масла, полученного водно-паровой дистилляцией и эфиромасличной фракции СО2-экстракта лапки пихты сибирской // Химия растительного сырья. 2003. №1. С. 79-85.
6. Медведева С.А., Иванова С.З., Луцкий В.И., Кейко В.В., Тюкавкина Н.А. Фенолокислоты и их гликозиды из хвои Abies sibirica и Abies nephrolepis // Химия природных соединений. 1974. №3. С. 404.
7. Титова Т.Ф., Хан В.А., Дубовенко Ж.В., Пентегова В.А. Кислородсодержащие моно- и сесквитерпеноиды живицы Abies sibirica // Химия природных соединений. 1987. №3. С. 460-461.
8. Ралдугин В.А., Судакова О.В., Деменкова Л.И., Пентегова В.А. Анализ состава нейтральной части живицы Abies sibirica с использованием схемы группового разделения // Химия природных соединений. 1988. №4. С. 601-602.
9. Рощин В.И., Колодынская Л.А., Баранова Р.А., Нагибина Н.Ю. Состав экстрактивных веществ древесной зелени пихты сибирской // Химия древесины. 1989. №5. С. 96-105.
10. Ралдугин В.А., Деменкова Л.И., Ярошенко Н.И., Ляндрес Г.В. О химическом составе коры пихты сибирской // Сибирский химический журнал (Известия СО РАН). 1993. №1. С. 64.
11. Васильев С.Н., Рощин В.И., Ягодин В.И. Состав экстрактивных веществ «древесной зелени» Abies sibirica Le-deb // Растительные ресурсы. 1993. Т. 29. Вып. 1. С. 117-132.
12. Orav A., Kuningas K., Kailas T. Computerized capillary gas chromatographic identification and determination of Siberian fir oil constituents // J. Chromatogr. A. 1995. №697. P. 495-499.
13. Ралдугин В.А., Шевцов С.А., Шакиров М.М., Рощин В.И., Пентегова В.А. Тритерпеноиды из видов Abies. VII. Новые ланостановые лактоны из хвои пихты сибирской // Химия природных соединений. 1989. №2. С. 207-212.
14. Ралдугин В.А. Полипренолы древесной зелени пихты сибирской: использование сжиженного диоксида углерода в новом способе их выделения // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 75-77.
15. Рощин В.И., Ралдугин В.А., Баранова Р.А., Пентегова В.А. Новые тритерпеновые кислоты хвои Abies sibirica // Химия природных соединений. 1986. №5. С. 648-649.
16. Ралдугин В.А., Шевцов С.А., Ярошенко Н.И., Гатилов Ю.В., Багрянская И.Ю., Деменкова Л.И., Пентегова В.А. Тритерпеноиды из видов Abies. lV: Новые тритерпеновые кислоты хвои Abies sibirica // Химия природных соединений. 1987. №6. С. 824-830.
17. Ралдугин В.А., Шевцов С.А., Рощин В.И., Пентегова В.А. Тритерпеноиды из видов Abies. VI: «Изофирмано-вая» и (24Е)-ланоста-8,24-диен-3,23-дион-26-овая кислоты из хвои пихты сибирской // Химия природных соединений. 1988. №6. С. 816-820.
18. Ралдугин В.А., Шевцов С.А. Тритерпеноиды растений рода Abies // Химия природных соединений. 1990. №4. С. 443-454.
19. Ралдугин В.А., Шакиров М.М., Лейбюк Т.В., Шевцов С.А. Тритерпеноиды из видов Abies. Xll. (24Z)- и (24Е)-8(14,13)-абео-17,13-фридо-ланоста-8,14(30),24-триен-3,23-дион-26-овые кислоты - новые тритерпеноиды из хвои пихты сибирской // Химия природных соединений. 1991. №4. С. 511-517.
20. Козлова Л.П. Кукина Т.П., Малыхин Е.В., Понов С.А., Сальникова О.И., Чибиряев А.М. Экстрактивные вещества флорентинной воды. Органический состав гидродистиллята эфирного экстракта пихтовой ланки // Химия растительного сырья. 2004. №2. С. 39-46.
21. Отраслевой стандарт. Масло пихтовое. Технические условия. ОСТ 13-221-86.
22. Bruneton J. // Pharmacognosy, phytochemistry of medicinal plants. 1995. P. 450-451.
23. Степень P.A., Климова Л.С., Белянкина Н.И. Использование флорентинной воды для повышения выхода эфирного масла // Лесохимия и подсочка. 1981. № 6. С. 7.
Поступило в редакцию З марта 2005 г.
