CC BY
130Т 48 (2)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2005
Л.П.КАРМАНОВА, А.В.КУЧИН, В.А.КУЧИН
ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ПИХТЫ - ОСНОВА ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ*
(Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН )
Систематическое исследование структурно-группового состава ДЗ пихты позволило разработать комплекс способов ее переработки, учитывая содержание основных компонентов: моно-, сескви-, ди- и тритерпеноидов, липидов и др. Цель настоящей работы - обсуждение предложенных способов выделения биологически активных веществ (БАВ) при обработке древесной зелени (ДЗ) пихты.
Моно- и сесквитерпеноиды были выделены впервые в процессе получения пихтового масла. ДЗ пихты как сырье для получения эфирного масла употребляется с середины 19 века и оно было единственным товарным продуктом до 70-80 г 20 века [1]. Пихтовое масло (ПМ) представляет собой смесь моно-, кислородсодержащих и сесквитерпеноидных соединений [2]. Наиболее ценный компонент масла -борнилацетат, используемый для получения медицинской камфоры. Остальная часть, состоящая из моно- (50-60%) и сесквитерпеновых (3-8%) углеводородов, применяется для получения товаров бытовой химии, санации воздуха помещений и других целей [3]. Традиционный способ получения ПМ -гидродистилляция. Действующие технологические схемы предусматривают утилизацию жидких отходов (флорентинная вода и кубовый остаток) и отработанной ДЗ. Использование флорентинной воды в котлах пихтоварения повышает выход эфирного масла и сокращает загрязнение водоемов производственными стоками. Кубовый остаток после гидродистилляции можно перерабатывать на хвойный экстракт. Он содержит БАВ фенольной природы и малотоксичен, его незначительная добавка к корму птицы повышает кормовую ценность и способствует приросту продуктивности на 9-10% [4]. Еще хвойный экстракт служит стимулятором антибиотикооб-разования в производстве тилозина. В отработанной ДЗ в связи с частичным гидролизом полисахаридов и разрушением целлюлозно-лигнинного комплекса при гидротермообработке содержание углеводов выше, чем в исходном сырье. В ней также больше
* Обзорная статья.
безазотистой экстрактивной клетчатки, что обуславливает питательную ценность, близкую к люцерновому сену [4]. Кроме хвойного экстракта из кубового остатка после его обработки 55-65% -ным раствором изопропиленового спирта получают хлорофилло-каротиновую пасту. Из остатка ДЗ после этой обработки готовят витаминную муку [5]. Выход эфирного масла и питательная ценность отработанной ДЗ повышаются при совмещении процессов гидродистилляции и парокрекинга (кратковременная обработка сырья паром высокого давления), приводящего к разрыву ковалентных связей в тканях [6]. Однако при использовании традиционной аппаратуры реализация совмещения двух процессов затруднена.
В процессе изучения структурно-группового состава компонентов ДЗ получили развитие экстракционные способы выделения целевых компонентов (ЦК), включая, кроме моно- и сесквитер-пеноидов, тритерпеноиды и липидный комплекс. Было показано, что важную роль при экстрагировании играет природа растворителя (минимум веществ выделяется неполярным растворителем, максимум - полярными). Кроме того, было подчеркнуто, что при выделении БАВ необходимо учитывать изменение содержания и состава компонентов в течение годового цикла, места произрастания, вида и т.д. В частности, учет химической изменчивости сырья важен при переработке ДЗ методом совмещенной водно-бензиновой экстракции, базирующейся на выделении липидного комплекса [2, 7]. Метод обеспечивает получение эфирного масла, хвойного воска, липидного и водного экстракта.
Отработанная биомасса утилизируется как кормовая мука и основа для компастирования. Вырабатываемые продукты выпускаются в виде хлоро-филло-каротиновой пасты или ее отдельных химически измененных составляющих - хлорофиллина натрия, бальзамической пасты и провитаминного концентрата. Из 1 т ДЗ пихты вырабатывается до 18 кг хлорофилло-каротиновой пасты или 0,16 кг хлорофиллина натрия, 3,8 кг бальзамической пасты и 6,3 кг провитаминного концентрата, а также 13,5 кг эфирного масла, 7,3 кг хвойного воска и до 20 кг водного хвойного экстракта [2]. Хвойный воск после очистки экстракцией ацетоном и этиловым или пропиловым спиртом используется в парфюмерии и декоративной косметике [8].
Интенсификация процесса выделения экстрактивных веществ и расширение ассортимента полученных на их основе продуктов проведены в последующих работах. В способе переработки древесной зелени хвойных пород, включая пихту [9] показана возможность получения БАВ - витаминов, лекарственных препаратов, инсектицидов, сырья для парфюмерной промышленности. В этом способе ДЗ подвергают последовательной обработке: экстракции органическим растворителем (приведены выходы ЦК, полученные экстракцией гексаном или на первой стадии изопропанолом а затем гексаном, соответственно), выделению из экстракта при охлаждении хвойного воска с температурой плавления 72-760С (3,5 и 8,1% от экстракта), омылению полученного раствора экстрактивных веществ в углеводородном растворителе 20-40%-ным раствором щелочи, разделению омыленного раствора на раствор нейтральных веществ (45,7 и 39,6 %) в углеводородном растворителе и водно-щелочной раствор солей органических кислот. Водно-щелочной раствор солей органических кислот подкисляют до рН 1-3, выделяют хлорофиллиновые кислоты(1,5 и 0,8%) и смесь жирных и смоляных кислот (49,3 и 51,6%), из которых выделяют инсектицид. Отгоняют растворитель от нейтральных веществ и высаживают воск с температурой плавления 52-560С (12,3 и 13% от нейтральных веществ). Воск может быть использован в парфюмерной промышленности в качестве наполнителя или как основа для формования. Нейтральные вещества экстрагируют полярным растворителем, разделяют на экстракт и рафинат. Экстракт разделяют на фракции сескви- и дитерпеноидов (3,5 и 3,2%) методом вакуумной дистилляции. После кристаллизации из петролейного эфира получают лабдановые спирты (40%) - эпиманоол и цис-абиенол. Из рафи-ната после омыления сложных эфиров выделяют концентрат жирных кислот (10,5 и 11,9%), концентрат стеринов (4,2 и 5,0%), концентрат ди- и тритер-
пеноидов (15,3 и 15,5%), концентрат алифатических углеводородов (5,4 и 5,1%), концентрат полипрено-лов (8,1 и 10,6%).
Авторами работы [10] на основании комбинации процессов экстрации, неизобарного пред-гидролиза, кислотного катализа коры и пиролиза твердого остатка предложена безотходная схема переработки коры пихты с получением пихтового масла (содержание борнилацетата 24-26%) и пихтового бальзама (содержание абиетиновой и де-гидроабиетиновой кислот до 59%), антоцианиди-нового красителя или дубильных веществ и углеродных сорбентов (рис.1). С целью увеличения дубильных веществ пихтовая кора была подвергнута активации методом неизобарного предгидро-лиза. Для получения антоцианидинового красителя кору пихты после экстракции гексаном кипятили в этиловом спирте в присутствии соляной кислоты. При этом происходит окисление лейкосое-динений и одновременно идет гидролиз связанных в лигноуглеводном комплексе глюкозидов: в результате получается смесь антоцианидиновых красителей с выходом до 16-18% [11].
Рис.1. Схема процесса безотходной переработки пихтовой коры.
Выделенные из пихтовой коры индивидуальные антоцианидиновые соединения - пеони-динхлорид (I), цианидинхлорид (II) и дельфини-динхлорид (III) входят в состав красителей, широко применямых в пищевой промышленности [12].
I - R1 = OCH3 R2 = H
II - Ri = OH, ' R2= H
III - Ri= OH, R2=OH
Дегидратацией и окислением дитерпено-вых спиртов и углеводородов бензинового экстракта пихты получены новые продукты для парфюмерных композиций [13]. Нейтральные вещества экстракта растворяют в уксусной кислоте, добавляют ацетат трехвалентного переходного металла (Бе, Сг или Со), нагревают в течении 30 часов при 100-120° при перемешивании током пропускаемого воздуха. Уксусную кислоту отгоняют, реакционную массу разбавляют толуолом, отфильтровывают от катализатора (ацетата металла), толуол отгоняют. Технический продукт перегоняют в вакууме, отбирая фракции с интервалом показателя преломления от 1,5270 до 1,5285 (остаточное давление 5 мм рт.ст, температура перегонки 100-2100 С). Выход продукта - 30-34% от исходной нейтральной части коры. Целевой продукт содержит 25-35% дитерпеновых углеводородов, 30-40% сесквитерпеновых и дитерпеновых оксидов, кетонов и ацетатов, 7-10% а-бизабола и ди-терпеновые спирты. Продукт имеет приятный дре-весно-бальзамический запах и может быть использован в парфюмерных композициях.
В последние годы нашел применение способ извлечения БАВ экстракцией сжиженным диоксидом углерода [14-27]. Использование неполярных и полярных растворителей и их отгонка при повышенных температурах приводит к частичному разрушению БАВ. Частичное устранение этого недостатка обеспечивает последовательное экстрагирование ДЗ, в которой реализуется следующая последовательность: жидкая углекислота, вода и этиловый спирт ( выход экстрактивных веществ 30% ) [14]. Обработка сырья диоксидом углерода при низкой температуре позволила выделить нативные компоненты, состав и массовая доля которых дает возможность судить о протекающих в ассимиляционном аппарате метаболических процессах. Результаты такой экстракции свидетельствуют о выходе БАВ, равном 5% от а.с.с. и хороших потребительских свойствах ЦК, обеспечивающих их применение в медицинской, пищевой и парфюмерно-косметической промышленности. Водные и этанольные экстракты - смесь БАВ для кормопроизводства. ДЗ после экстракции используют для выращивания мицелия грибов, превращающих ее в высокобелковый кормовой продукт. Кроме того оказалось, что этот реагент извлекает все компоненты пихтового масла [17], в том числе и борнилацетат, который очень близок к полипренилацетатам по хроматографической подвижности на силикагеле. Однако сжиженная углекислота не извлекает хлорофилл [18], тритерпено-вые кислоты [19], компоненты хвойного воска и
полипренолы. Таким образом, был предложен способ выделения полипренолов [20] принципиальным отличием которого от другого способа
[21] является использование сжиженного СО2 вместо органического растворителя.
Сжиженный СО2 был использован и для получения мальтола ( 2-окси-3-метил-у-пирон) [22-27]. Мальтол может быть использован в пищевой промышленности для уничтожения горечи, улучшения вкуса и запаха пищевых продуктов
[22]. Известны многостадийные процессы синтеза мальтола, которые требуют тщательной очистки от токсических веществ и больших объемов органического растворителя [23,24]. Экстракцией хлороформом и сжиженным СО2 мальтол был выделен из коры [25] и ДЗ [26,27] пихты. Из коры мальтол выделен хлороформом из проэкстрагиро-ванного водой с добавлением танника раствора [24]. Проблема, связанная с длительностью такого процесса, решена при использовании сжиженного углекислого газа [25]. Увлажненную кору пихты измельчают и экстрагируют сжиженным СО2 при повышенном давлении (56-65 атм) и температуре 18-220С в течение 4-5 часов. Полученный углекислый экстракт методом декантации разделяют на липидную и водную части. Липидную часть используют как товарный продукт, а водную часть экстрагируют хлороформом при температуре 200С для извлечения мальтола-сырца. Хлороформ отгоняют, а мальтол сублимируют. В работе [26] ДЗ загружается в серийный реактор периодического действия и подается сжиженный СО2 при температуре 25-290 С и давлении 66-76 атм. Углекислый газ проходит через растительную массу и попадает в испаритель, где происходит отделение полученного экстракта от экстрагента вследствие отгонки легко летучего СО2 при температуре испарителя 400 С. Пары отогнанного СО2 попадают в теплообменник, где сжижаются, и затем самотеком подаются в реактор для дальнейшей экстракции, образуя замкнутый цикл. По окончании экстракции образуется газомасляная дисперсия. Выгруженная из реактора дисперсия доводится до комнатной температуры, вследствие чего происходит окончательная дегазация и расслоение экстракта на 3 фазы: верхнюю - маслянистую, среднюю - твердую, концентрат мальтола и нижнюю - водную. Использование в качестве экстрагента СО2 не вызывает трудностей при отделении экстракта от экст-рагента, т.к. удаление СО2 происходит вследствие сброса давления до атмосферного, а выделение концентрата из СО2-экстракта сводится к стандартному фильтрованию, что обуславливает технологическую простоту. Благодаря физико-хими-
ческим особенностям сжиженного СО2 на этапе захолаживания происходит эффективный перевод мальтола в твердый концентрат ( до 97% от всего количества проэкстрагированного мальтола). Растительное сырье после экстракции сжиженным углекислым газом применяется в качестве кормовых добавок в животноводстве.
Попытка расширения арсенала препаратов растительного происхождения, обладающих анти-оксидантными и антирадикальными свойствами предпринята в работе [27] при использовании мальтола. Его выделяли следующим образом. Измельченную ДЗ пихты экстрагировали жидким диоксидом углерода. Температура окружающей среды и давление были такими, при которых углекислота находилась в жидком состоянии ( 18-25 0С и 52-60 атм). Полученный экстракт отстаивали при 0-250 С и отделяли образовавшуюся кристаллическую часть от жидкости. Кристаллическую часть промывали петролейным эфиром, промытые кристаллы подвергали возгонке. Чистота полученного мальтола 98-99,9%. Полученный мальтол испытан на антиоксидантную ( направленную против ко-роткоживущих активированных кислородных метаболитов ) и антирадикальную ( направленную против длительно живущих радикалов ) активности. Необходимо отметить, что процессы метаболизма кислорода в организме связаны с образованием активных форм кислорода (АФК), обладающих высокой реакционной способностью. С АФК связано появление свободно-радикальных продуктов разной химической природы. В процессах генерации АФК и свободно радикальных соединений принимают активное участие металлы переменной валентности. Исходя из этого, действие антиоксидантов может реализоваться путем снижения уровня АФК. Это проявление антиокси-дантной активности соединений. Другой путь связан со снижением продуктов радикальной природы - антирадикальная активность. Антиоксидант-ная и антирадикальная активности - это специфический путь нейтрализации реакционных соединений. Кроме того, многие антиоксиданты могут препятствовать образованию радикальных продуктов неспецифическим путем, связывая металлы переменной валентности (хелатирующая способность). Металлы в образующихся хелатах не могут участвовать в реакциях генерации свободных радикалов. При проведении исследований была выявлена антирадикальная активность мальтола в отношении радикала аскорбиновой кислоты. Проведены исследования взаимодействия мальтола со стабильным радикалом а-, а-дифенил-Р-пикрил-гидразином. Ярко выражена активность мальтола
в отношении ОН-радикалов. Отмечено, что в живом организме не выявлено специализированных систем по нейтрализации этого высокореактивного продукта и вся нагрузка по ликвидации ОН-радикалов лежит на низкомолекулярных соединениях, среди которых многочисленную группу занимают вещества флавоноидной и фенольной природы. Проведены дополнительные исследования, в которых были произведены сравнения активности мальтола и типичного флавоноида -кверцетина в системе, генерирующей ОН-ради-калы. При сочетанном введении мальтола и квер-цетина в систему ^Си/Н2О2 отсутствие суммарного эффекта свидетельствует о том, что оба антиокси-данта конкурентно взаимодействуют с одним и тем же радикалом. Причем образующиеся интер-медиаты не обладают реакционной способностью, по крайней мере, в отношении друг друга. Данные исследования делают перспективным применение мальтола в качестве биоантиоксиданта в фармацевтической, пищевой и парфюмерной промыш-ленностях.
Использование для экстракции ДЗ пихты жидкого пропана и/или бутана [28] при гидромодуле 6-9, температуре 20-260С и давлении 0,07 Мпа позволило увеличить выход до 12% БАВ от а.с.с. При этом извлекаются термолабильные БАВ липидного характера также в нативном виде. Полученные экстракты содержат хлорофиллы, каро-тиноиды, жирорастворимые витамины, стеарины, эфирные масла, воска, полиеновые соединения. Твердый остаток после экстракции можно применять для изготовления биотоплива или в смеси со свежеприготовленной зеленью для производства витаминной муки. Использование для экстракции ДЗ пихты жидкой пропанбутановой смеси при температуре 20-260 С и давлении 1,0-0,8 МПа (первая ступень) и 50-60%-ного этилового спирта при температуре 40-80° С (вторая ступень) позволяет получить эфирные масла ( пихтовое масло, 3,1% от а.с.с.), водорастворимые (хвойный экстракт, 17,1%) и жирорастворимые (хлорофилло-каротиновая паста, 15,2% ) вещества [29].
Серия работ [30-37] посвящена выделению суммы тиртерпеновых кислот (ТТК) и их натриевых солей. ТТК входят в состав кислой части живиц, коры и ДЗ пихты. Предложенный способ [30] выделения ТТК из живицы пихты использует в качестве растворителя диэтиловый эфир. Живицу растворяют в диэтиловом эфире, обрабатывают насыщенным водным раствором бикарбоната натрия. После отделения водно-содового слоя его подкисляют соляной кислотой до рН 2, и экстрагируют целевой продукт диэтиловым эфиром.
Этог способ получил развитие в работе [31]. Скипидар входит в состав живиц: его доля в пихтовой живице составляет 38-40%. Живицу растворяют в скипидаре, а затем при температуре 50-900 С обрабатывают водным раствором бикарбоната натрия. После отстаивания отделенный водный раствор Ка-солей ТТК обезвоживают в распылительной сушилке при температуре 115-1250 С. Получают порошкообразный продукт, содержащий 62-74% Ка-солей ТТК, 5-9% воды. Этот продукт был предложен для изготовления косметических изделий, лекарственных препаратов.
Следующее выделение ТТК [32] было проведено из коры пихты экстракцией бензином и этилацетатом или их смесью. Разделение экстракта на кислую и нейтральную части проводили насыщенным раствором бикарбоната натрия ( при совмещенной бензилацетиловой экстракции) или 1-2%-ным раствором щелочи ( в случае последовательной экстракции бензином и этилацетатом). Для извлечения целевых компонентов - суммы ТТК из обработанного экстракта использовали этилацетат. Выход 1,04-1,47% от а.с.с. Целевой продукт представлял собой желто-коричневый аморфный порошок, нерастворимый в воде, но растворимый в неуглеводородных растворителях. Его кислотное число составляет 200-270 мг КОН на 1 г продукта, УФ-спектр ( в этаноле), ^max = 237239 нм (lge = 3,8-3,9). Характеристичной для него является полоса при 1770 см-1 в ИК-спектре (раствор СС14 ), составляющая не менее 50% по высоте от полосы при 1710 см-1 и обусловленная наличием лактольных таутомерных форм молекул три-терпеновых кислот с ß-эцилакрилатным хромофором. Обработка культуры огурцов препаратом в дозе 20, 40 и 60 г/га соответственно повысила урожайность на 7,8%, что свидетельствует о перспективности препарата для повышения урожайности огурцов при выращивании в закрытом грунте. Кроме того, были получены данные о повышении урожайности табака.
Далее идея выделения ТТК развивалась и следующим объектом была ДЗ пихты [23-25]. Первая попытка [33] заключалась в экстракции ДЗ диэтиловым эфиром с последующим разделением кислот на сильные (обработка насыщенным раствором бикарбоната натрия) и слабые (последующая обработка 2%-ным водным раствором гидроокиси натрия). Экстракция целевого продукта ди-этиловым эфиром позволила получить выход равный 4,6% от а.с.с. Неудобство, связанное с диэти-ловым эфиром, послужило толчком в поиске более технологичных растворителей. В следующей работе [34] предложена экстракция бензином или
петролейным эфиром (первая стадия) и этилацета-том (вторая стадия) - или их смесью (одна стадия). Разделение экстракта - водным раствором щелочного агента и после подкисления до рН 2 выделение этилацетатом суммы ТТК, выход составил 4,4%. Предложенный процесс сочли многостадийным и неэкологичным, вследствие образования кислых стоков за счет использования этилацетата на двух стадиях. Кроме того, сумма ТТК нерастворима в воде, и ее применение возможно лишь в виде водной эмульсии. Модернизация этого способа представлена в патенте [35]. Отделение водного раствора от органической фазы при обработке бензин-этилацетатного экстракта водной щелочью проводят после самопроизвольного установления в нем нейтральной реакции (рН 7-8) и высушивают до порошка, обладающего важными потребительскими свойствами - растворимостью в воде и биологической активностью. Сущность этого процесса заключается в самопроизвольной нейтрализации водного раствора за счет протекания гидролиза растворенного в нем этилацетата под действием избытка щелочи, необходимой для достижения полноты экстракции ТТК. Достигаемая самонейтрализация обеспечивает в конечном итоге сохранность ТТК, разлагающихся под действием щелочи при нагревании даже до 600 С [36]. Выход суммы ТТК составил 5,25% от а.с.с. Поиск однокомпонентного растворителя, близкого по растворяющей способности к диэтиловому эфиру, но не обладающего его недостатками, остановился на использовании трет-бутилметилового эфира (промышленно-производимый легко регенерируемый продукт с температурой кипения 55,20 С) [37]. Такая замена растворителей сделала более безопасным способ выделения суммы ТТК и повысила ее выход до 6,2%.
Использование водных растворителей как экстрагирующих систем для создания технологий экологизированного производства проведено в работах [38-42, 44-47]. Начало развития метод выделения низкомолекулярных компонентов экстракционными системами, включающими водный раствор гидроксида натрия, получил при выделении липи-дов и входящих в их состав терпеноидов из хвои ели. Показано [38-42], что такие системы способствуют извлечению низкомолекулярных компонентов из ДЗ хвойных пород. Суть метода заключается в следующем: при обработке ДЗ водными растворами гидроксида натрия в суспензионной смеси появляются поверхностно-активные вещества (ПАВ) -соли жирных и смоляных кислот. С участием ПАВ и липидных компонентов в водной среде образуется эмульсия. Извлечение нейтральных веществ
(НВ), в том числе полипренолов (РРгеОН), происходит в результате экстракции эмульсией. Разрушение эмульсии и выделение целевых продуктов осуществляется с помощью петролейного эфира и спирта. Измельченную ДЗ обрабатывают водным раствором щелочи при температуре 20-25 °С (рис.2). Смесь перемешивают механической мешалкой (150-300 об./мин.) в течение двух часов при температуре реакционной смеси. Полученную гетерогенную массу разделяют фильтрованием или центрифугированием. Отделяют твердую фазу, которая может служить для изготовления кормовой муки, адсорбентов и т.д. Из фильтрата петролей-ным эфиром экстрагируют НВ, в состав которых входят РРгеОН. Из оставшегося водно-щелочного раствора после подкисления диэтиловым эфиром экстрагируют кислоты. Выбор условий максимально возможного выделения низкомолекулярных компонентов был сделан на основании полученных закономерностей извлечения веществ от качества измельчения ДЗ, количества гидроксида натрия и гидромодуля, природы щелочного металла, воздействия ультразвука (УЗ), состава дисперсной фазы образовавшейся эмульсии.
Способ, основанный на экстракции измельченной ДЗ водным раствором основания, позволил получить ряд полезных продуктов.
Липиды используют в парфюмерно-косметической, медицинской и других областях промышленности. Концентрат нейтральных веществ (провитаминный концентрат), выделенный эмульсионной экстракцией может быть использован в качестве биоактивной добавки в парфюмерно-косметической промышленности, в качестве кормовой добавки для кормления пушных зверей и домашних птиц.
Концентрат нейтральных и кислых липи-дов необходим для получения поливитаминно-фитонцидного препарата широкого действия "Феокарпина". Все ФАВ хвои ели содержатся в "Феокарпине" в соотношениях, созданных природой, чрезвычайно полезны для организма и прекрасно усваиваются. В нем собраны воедино жизненно важные природные вещества:
• производные хлорофилла, обладающие кроветворным, антимикробным, дезодорирующим, антимутагенным и антиоксидантным действием;
• каротиноиды (в их числе провитамин А) - ан-тиоксиданты, предотвращающие в комплексе с витамином Е развитие опухолей;
• витамин Е - антиоксидант, усиливающий и защищающий мембраны клеток, способствующий нормализации липидного обмена, предотвращающий старение организма;
ДРЕВЕСНАЯ МаОИ РЕАКЦИОННАЯ ТВЕРДАЯ
ЗЕЛЕНЬ растворитель СМЕСЬ ФАЗА
фильтрование или
центрифугирование
ЭМУЛЬСИЯ
петролейный эфир
НЕЙТРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
ОМЫЛЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА
хроматография на силикагеле
ПОЛИПРЕНОЛЫ С70-С85
подкисление Н2$О4,
диэтиловый эфир
Рис. 2. Выделение низкомолекулярных компонентов из древесной зелени хвойных пород
• витамины группы К, нормализующие свертываемость крови, предотвращающие выведение кальция из костей;
• фитостерин (бета-ситостерин), способствующий нормализации уровня бета-липопротеидов и холестерина в крови;
• макро- и микроэлементы, нормализующие обмен веществ;
• полипренолы, восстанавливающие белково-углеводный обмен, повышающие потенцию, репродуктивную функцию организма, коррелирующие иммунный статус, обладающие противоязвенным эффектом, превышающим действие облепихового масла;
• жирные кислоты, образующие резервные вещества клетки, повышающие иммунитет;
• эфирные масла и бальзамические вещества с ярко выжженным антимикробным действием.
Природные полипренолы С70-С80 являются единственным источником для получения "фос-пренила" - нового противовирусного препарата с иммуномодуляторной активностью Основное действующее вещество этого препарата - полипре-нилфосфат (продукт фосфорилирования полипренолов хвои). Фоспренил одновременно: предохраняет от заражения многими вирусами, препятствует размножению вирусов в организме, усиливает естественную устойчивость организма к инфекциям, предотвращает и ликвидирует осложнения за счет ускорения регенерации пораженных тканей, нормализует функции органов.
Сумма кислот (бальзамическая паста) из хвойной зелени используется в парфюмерно-косметической промышленности как добавка в различные моющие средства. Концентрат этих кислот проявляет высокую инсектицидную активность против колорадского жука, яблоневой пло-
этанол
КИСЛОТЫ
доножки и других садовых вредителей. Смесь этиловых эфиров ненасыщенных жирных кислот (олеиновой, линолевой, линоленовой) используют для приготовления препарата линетол, витамина F.
Далее развитие метода было направлено на получение ростостимулирующих средств из ДЗ пихты [44-47]. Известно, что биологическая активность тритерпеновых кислот, присутствие которых характерно для ДЗ пихты (Abies) проявляется в подавлении развития грамм-положительных бактерий (Bacillus subtilis, Micrococcus luteus) и актиномицета (Nocardia corallina), они признаны эффективными стимуляторами роста и защиты растений от инфекций. Среди средств, направленных на повышение продуктивности агрокультур, очень перспективными являются стимуляторы роста растений, выделенные из древесной зелени (ДЗ) пихты и представляющие собой сумму три-терпеновых кислот (ТТК). При нанесении этих стимуляторов на вегетирующие растения в весьма малых дозах, они способны сильно влиять на физиологический процесс роста и развития растений. Это проявляется в увеличении урожайности, в повышении засухо- или морозоустойчивости вегети-рующих растений, в повышении устойчивости к болезням растений.
Основными стадиями предлагаемой технологии получения ТТК являются экстракция целевых компонентов из сырья с использованием водного раствора основания и разделение твердой и жидкой фаз. Изучение закономерностей извлечения экстрактивных веществ водными растворами оснований из древесной зелени пихты для получения стимуляторов роста растений [47] позволило определить оптимальные параметры процесса.
Ряд рассматриваемых ТТК имеет в своих молекулах фрагмент ß-ацилакриловой кислоты, что делает возможным их выделение экстракцией водным раствором карбоната или бикарбоната натрия.
с г у I (Iе
сО Rl"^ R,C'" I I I N R3
I II Ri COOH CH3 R2 CH3 COOH VI VII VIII X Ri H H COCH3 COCH3 R2 COOH CH3 CH3 COOH R3 CH3 COOH COOH CH3
Этим объясняется выбор водных систем для экстракции. Что, в свою очередь, делает возможным получать готовые биопрепараты в водных сре-
дах без выделения целевых компонентов из экстрактов. Это новый подход к получению стимуляторов роста растений. Дальнейшее развитие технологии предполагает использование водного раствора щелочи, так как этот экстрагент дополняет извлечение ТТК в виде лактона и секо-кислот.
Исследование
Рис. 3. Схема выделения экстрактивных веществ из ДЗ пихты водными растворами щелочи и карбоната натрия.
Новое предложение способа выделения -использование поля низкочастотных колебаний (пульсации). Интенсификация процесса массооб-мена происходит за счет знакопеременного обтекания частиц жидкостью, устранения их слежи-ваемости, сокращения застойных зон в рабочем объеме аппарата. Для разработки технологии получения стимуляторов роста растений была выбрана конструкция пульсационного экстрактора-фильтра (ПЭФ) и определены параметры экстракции целевых компонентов. В одном технологическом процессе происходит экстракция и отделение экстракта от твердой фазы.
Полученные экстрактивные вещества были испытаны в опытах предпосевной обработки семян и вегетационных опытах. Подобранная доза препарата позволила получить эффект в интенсивности ростовых процессов зерновых культур, равный 20-25% и увеличить урожай овощных культур в этом же интервале. По полученному эффекту активность препарата не уступает известным препаратам, таким как СИЛК, Эпин и др.
Резюмируя полученные достижения по выделению низкомолекулярных компонентов ДЗ хвойных пород, можно сделать следующее заключение. ДЗ основных видов Abies, произрастающих в России и являющаяся отходом лесозаготовительных производств, богата биологически активными соединениями. Для выделения этих соединений разработана целая серия экстракционных способов, позволяющая получать природные соединения и использовать их в медицине, косметике, сельском хозяйстве, промышленности и др. На
основе нейтральных и кислых компонентов экстрактивных веществ возможно получение функциональных производных (соответствующих аминов, альдегидов, кислот, сложных эфиров и др.). Такие соединения обладают высокой биологической активностью и могут быть использованы для создания лекарственных средств широкого спектра действия с иммунотропной, антивирусной, противоязвенной активностями (полипренолы и их производные), с гипохолестерическим действием (полиеновые кислоты), с витаминной активностью (каротиноиды), с бактерицидной активностью (монотерпены). Подобное использование древесной зелени резко повышает выход полезных продуктов из неё. Учитывая практически неограниченные ресурсы хвои можно считать, что Россия обеспечена достаточным количеством сырья для производства фармакологических препаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вшивцев Н.Н. Производство пихтового масла. КОИЗ. Москва. 1941.
2. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Степень Р.А. Утилизация древесной биомассы. Изд. ИЛиД СО АН СССР, Красноярск. 1987.
3. Рогов В.А., Головина Г.В., Степень Р.А. Ионизация и биологически активные вещества в оздоровлении атмосферы производственных помещений. Изд. СибНИИЛП, Красноярск.1989.
4. Черняева Г.Н., Нетеса В.А., Федюкович Л.Н. Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1982.Т.4.С.14.
5. Авторское свидетельство СССР № 1375226, кл А 23К 1/00. 1988.
6. Левданский В.А., Кузнецов Б.Н., Репях С.М. Сибирский химический журнал.1992.Т.6.С.25.
7. Ягодин В.И. Основы химии и технологии переработки древесной зелени. Ленинград: Изд-во Ле-нингр. ун-та. 1981.
8. Зингель Т.Г., Репях С.М., Лебедева О.Н. А с. №1726500 СССР. 1991.
9. Рощин В.И. и др. Способ переработки древесной зелени. Патент №20151150 Россия. 1994.
10. Лебединский А. и др. Химия растительного сы-рья.2000. №4. С.21-28.
11. Левданский В.А. и др. Способ переработки пихтовой коры. Патент № 2137821 РФ. 1998.
12. Левданский В.А. и др. Химия в интересах устойчивого развития. 2000. №8. С. 823-827.
13. Ляндрес Г.В. и др. Способ переработки экстракта коры пихты. Патент № 2103338 РФ. 1998.
14. Ушанова В.М., Репях С.М. В кн.: Переработка древесной зелени. Лесн. пром-сть. Москва. 1984.
15. Черняева Г.Н., Ляндрес Г.В., Перышкина Г.И. В сб.: Химия и использование экстрактивных веществ дерева: Тез.докл.3-й Всесоюз.конф. Горький 1990. С.97.
16. Ушанова В.М. Комплексная переработка древесных отходов пихты с использованием сжиженной углекислоты: Автореф.....канд.техн.наук. Красноярск. 1995.
17. Баранов Т.В., Черняева Г.Н. В сб.: Лесохимия и подсочка: Обзорная инф., ВНИИПИЭИЛеспром, Москва, 1974, вып.8, с.9.
18. Рощин В.И. Состав, строение и биологическая активность терпеноидов из древесной зелени хвойных растений: Автореф.....д-ра хим.наук, Санкт-
Петербург. 1995.
19. Ралдугин В.А., Шевцов С.А. Химия природ. со-единений.1986. С.443.
20. Ралдугин В.А и др. Патент №2053992 Россия., 1996.
21. Патент № 60-109536 Япония. 1985. С.А. 104 (1986) 68194 п.
22. Рощин В.И. Способ получения мальтола из древесной зелени пихты. Патент № 2183630 РФ. 2002.
23. Патент № 4342697 США. 1982; № 3159659 США. 1964.
24. Патент № 3501501 США. 1970.
25. Ушанова В.М., Зиганшин А.В., Репях С.М. Химия природных соединений. 1998.№1.С.131.
26. Дергалева Г.А. Способ получения мальтола из древесной зелени пихты сибирской. Патент № 2129121, РФ, 1999.
27. Рощин В.И., Султанов В.С. Антиоксидантное и антирадикальное средство. Патент № 2178303.
28. Репях С.М., Рубчевская Л.П. Способ переработки древесной зелени. Патент №2045196 Россия. 1995.
29. Репях С.М., Воронин В.М., Ушанова В.М. Способ получения продуктов из хвойной древесной зелени. Патент №2041646. РФ. 1995.
30. Химия природных соединений.1986. №4. С.584.
31. Кушнир С.Р. и др. Способ получения натриевых солей тритерпеновых кислот. Патент № 2048815. РФ. 1995.
32. Ралдугин В.А. и др. Способ получения биологической активной суммы тритерпеновых кислот. Патент № 2061487. РФ. 1996.
33. Ралдугин В.А. и др. Химия природных соединений. 1987. №6. С. 824-831.
34. Чекуров В.М. и др. Способ борьбы с вилтом хлопчатника. Патент №2025976 РФ.
35. Ралдугин В.А. и др. Способ получения биологически активной суммы солей тритерпеновых кислот. Патент № 2108107 РФ. 1998.
36. Гришко В.В. и др. Изв. АН.Сер.хим.. 1996. 748.
37. Ралдугин В.А. и др. Способ получения биологически активной суммы солей тритерпеновых кислот. Патент № 2108803 РФ. 1998.
38. Карманова Л.П. и др. Выделение липидов из хвойной зелени. Лесохимия и органический синтез. Сыктывкар. 1996. С.53-60. (Труды Коми научного центра УрО РАН. № 144).
39. Кучин А.В., Карманова Л.П., Королева А.А. Способ выделения липидов. Патент № 2089208 РФ. 1997.
40. Кучин А.В. и др. Выделение липидов из хвойной зелени. Нейтральные вещества из древесной зелени
ели. Проблемы химии древесины и лесохимии. -Сыктывкар. 1997. С.8-14. (Труды Коми научного центра УрО РАН. № 156).
41. Кучин А.В. и др. Способ выделения липидов с использованием ультразвука. Патент 2119347. РФ. 1998.
42. Кучин А.В. и др. Эмульсионный способ выделения липидов. Патент № 2117487. РФ. 1998.
43. Пономарев В. Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М.: Медицина, 1976. 202с.
44. Карманова Л.П., Королева А.А., Кучин А.В. Выделение липидов из древесной зелени хвойных пород. Нейтральные вещества древесной зелени пих-
ты. Сыктывкар. 1996. С.6-12. (Труды Коми научного центра УрО РАН, № 162).
45. Карманова Л.П. и др. Способ выделения нейтральных веществ липидов. Патент № 2138283. РФ. 1999.
46. Кучин А.В., Карманова Л.П., Хуршкайнен Т.В.
Способ выделения биологически активной суммы кислот из древесной зелени пихты. Патент № 2161149 РФ.
47. Карманова Л.П. и др. // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002.№7. С. 61-64.
