CC BY
112
УДК 582.632+1:57.014
ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КОРКИ И ЛУБА БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ BETULA PENDULA ROTH. (BETULACEAE) ПО ВЫСОТЕ ДЕРЕВА
© Д.Н. Ведерников , Н.Ю. Шабанова, В.И. Рощин
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М.Кирова, Институтский пер., 5, Санкт-Петербург, 194021 (Россия) e-mail: kaf.chemdrev@mail.ru
В статье приводятся результаты определения группового химического состава отдельных частей коры березы повислой Betula pendula (Betulaceae) на различной высоте дерева.
Определено, что доля коры в исследуемой березе составляет 14%, в том числе 5,4% бересты и 8,6% луба. После ме-танолиза луба установлено содержание по высоте ствола основных групп веществ: целлюлозы, лигнина, экстрактивных и минеральных веществ, свободных кислот и углеводов в бересте и лубе.
Ключевые слова: Betula pendula Roth. (Betula verrucosa Ehrh.), кора, корка, луб, групповой химический состав, изменение по высоте ствола, полисахариды, лигнин, жирные кислоты луба, продукты метанолиза луба.
Введение
Береза - ценное сырье для различных отраслей промышленности, причем все ее части - почки, ветки, листья, береста, сок и особенно древесина - широко используются. В настоящее время в промышленности перерабатывается в основном стволовая древесина, которая находит применение в целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности, а также при изготовлении древесного угля. Небольшое количество бересты используется для получения дегтя. На лесосеках после рубки и на деревообрабатывающих предприятиях, в результате окорки, скапливается большое количество отходов, которые не имеют промышленного применения. Наиболее многотоннажным из отходов березы является кора. Кора составляет значительную часть (10-15%) массы березы [1], которая может быть источником ценных биологически активных веществ (бетулин, бетулиновая кислота) [2].
Разрабатываемые методы извлечения бетулина [3-9], обладающего биологически активными свойствами, включают стадию отделения бересты от луба. В отличие от исследований бересты, работ по изучению химического состава луба и направлениям его использования недостаточно. Предлагают использовать луб для получения дубильных веществ, содержание которых достигает 8-11% [10]. В другой работе [11] дубильные вещества извлекают спиртовой щелочью, а остаток от экстракции применять в качестве энтеросорбента.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования использовали кору березы повислой Betula pendula Roth. Отбор проб провели в ноябре 2001 г. со свежесрубленного дерева в пос. Песочном (Ленинградская обл.). Возраст березы - около 55 лет. Части ствола дерева, предназначенные для окорки, не содержащие сучков, отбирали по всему сечению на высоте: 0,1; 0,3; 0,6; 0,9 от его общей высоты (26 м). Длина образцов 33-54 см. С каждого отобранного образца собирали отдельно бересту и луб с тканями прикамбиальной зоны, удаляя посторонние примеси (лишайники, песок). Сырье измельчали на дисковой мельнице и просеивали на ситах. Заготовлен-
* Автор, с которым следует вести переписку.
ные образцы бересты в виде чешуек длиной 1,0^2,8 мм, шириной 0,5^1,0 мм и толщиной 0,1^0,2 мм хранили при комнатной температуре, образцы луба (фракцию с размером частиц 0,35^0,71 мм) высушивали до воздушно-сухого состояния. Массовое содержание бересты, луба и древесины определяли в свежезаготов-ленных образцах в пересчете на сухое сырье. Абсолютную влажность (влагосодержание) определяли методом высушивания при 103+2 °С до постоянного веса [12].
Определение содержания экстрактивных веществ проводили в аппарате ускоренного действия [12]. Вещества, растворимые в горячей воде, экстрагировали из сырья на кипящей водяной бане [12]. Для определения содержания структурных компонентов и других анализов экстрактивные вещества удаляли этанолом в аппарате Сокслета емкостью 1000 мл в течение 6 часов с момента первого слива. Бересту и луб анализировали согласно схеме, которая приведена ниже. В остатке после экстракции этиловым спиртом были определены целлюлоза азотно-спиртовым методом (в лубе); пентозаны бромид-броматным полумикрометодом [12]. Для удаления суберина проводили омыление спиртовым раствором щелочи [11]. В остатке после удаления суберина была выделена холоцеллюлоза делигнификацией надуксусной кислотой с добавкой этанола [12]. В исходном сырье были также установлены азот по Кьельдалю [13], минеральные вещества сжиганием [12]. Для определения содержания лигнина по методу Классона из луба и бересты после экстракции диэтиловым эфиром и этанолом удаляли суберин и остаток экстрагировали 1%-ным водным раствором NaOH [15]. Состав сахаров определяли в виде силиловых эфиров методом хромато-масс-спектрометрии после метанолиза луба [16].
Прибор - хромато-масс-спектрометр с газовым хроматографом 6850А модели - G2629A с селективным масс-спектрометрическим детектором HP5973 Network, модели - G2577A фирмы «Agilent Technologies, Inc.». Энергия ионизации 70 эВ. Температура сепаратора 280 °С, ионного источника - 230 °С. Колонка кварцевая HP-5MS 30000x0,25 мм со стационарной фазой (5% фенилметил-силоксан) толщиной 0,25 мкм. Температура колонки: программирование температуры от 150 до 280 °С со скоростью 5 °С в мин, выдержка при 280 °С 5 мин. Температура испарителя 280 °С. Скорость газа носителя (гелия) 1 см3/мин. Дозируемый объем 0,1 мкл. Соединения идентифицировали по табличным временам удерживания для индивидуальных соединений, сравнением получаемых масс-спектров со спектрами индивидуальных соединений, а также библиотекой NIST 98.L.
Вещества луба, растворимые в диэтиловом эфире, и вещества бересты, растворимые в диэтиловом эфире, разделили на свободные кислоты и нейтральные вещества [17]. Кислоты эфирорастворимых веществ луба перед хромато-масс-спектрометрическим анализом метилировали диазометаном. Индексы удерживания метиловых эфиров кислот определяли по [18].
Схема анализа химического состава бересты и луба березы
Обсуждение результатов
Отобранные с разных высот образцы дерева разделили на древесину, корку и луб с прикамбиальной зоной. В образцах древесины, луба и корки методом высушивания установлены абсолютные влажности, что позволило определить соотношение выбранных частей дерева по массе (табл. 1). Массовая доля древесины уменьшается по высоте ствола, а коры увеличивается от 13,7 до 18,8% от массы сух. сырья. Доля корки в нижней части ствола выше, чем луба. По высоте дерева происходит снижение массовой доли корки и в вершинной части дерева соотношение корки и луба составляет 1 : 3. Высокая доля флоэмной части в верхней части ствола, вероятно, связана с основной функцией - проведение соков вниз по флоэме. Поэтому количество ситовидных трубок в функциональной части флоэмы примерно одинаково по высоте ствола, а массовая ее доля увеличивается по сравнению с ксилемой и коркой.
Определив изменения в содержании частей коры и древесины в образцах по высоте ствола и зная их массу, методами интерполирования и интегрирования, рассчитали приблизительный вес срубленного ствола без веток. Он составил 685 кг, в том числе луба 59 кг, а корки 37 кг. Таким образом, содержание коры в надземной части ствола данного дерева - 14,0%, в том числе 5,4% корки и 8,6% луба.
Химический состав корки и луба, определенный примерно на первой трети высоты дерева, значительно различается (табл. 2). Из бересты извлекали диэтиловым эфиром в 6 раз, а этанолом в 2 раза больше экстрактивных веществ, чем из луба. В лубе содержится значительно (в 20 раз) больше веществ, экстрагируемых горячей водой. Но количество веществ, извлекаемых 1% -ным раствором №ОН, в бересте уже больше (34,5%), чем в лубе (25,5%).
Отличительной чертой бересты является наличие гидрофобного компонента - суберина. Его содержание составило около трети бересты и около 1% от массы луба.
Содержание углеводной части, в том числе целлюлозы и пентозанов в лубе, значительно больше содержания углеводной части в корке.
Содержание лигнина определяли двумя способами: в первом случае после последовательной экстракции диэтиловым эфиром и этанолом исследуемый образец обрабатывали 1% раствором щелочи; во втором - после экстракции органическими растворителями образец обрабатывали спиртовой щелочью для удаления суберина, а затем водным раствором 1% щелочи. В лубе было получено одинаковое содержание лигнина в обоих случаях - около 18%, а в корке без выделения суберина содержание лигнина составило более 30%, а после отделения суберина - только 7%. В литературе содержание лигнина в бересте приводится от 1,3% [20] до 10-13% [14, 19]. В лубе содержание лигнина определено в количестве 20,3% [20].
Луб содержит в 3 раза больше минеральных веществ, чем береста. Содержание минеральных веществ увеличивается к комлю, что можно объяснить выполнением лубом рециркуляционной функции, позволяющей растению использовать только часть ионов, попадающих из почвы в растение [21, с. 345]. Содержание минеральных компонентов в бересте увеличивается по высоте ствола.
По высоте ствола содержание основных групп соединений изменяется как в лубе, так и в бересте (табл. 3). Содержание веществ, растворимых в диэтиловом эфире, в бересте увеличивается по высоте ствола с 16,3 до 27,5%, а в лубе снижается с 3,2 до 2,5%. Аналогично распределятся в бересте и лубе вещества, растворимые в этаноле: по высоте ствола их содержание в бересте увеличивается, а в лубе снижается. Луб содержит значительное количество (19,3%) водорастворимых соединений. Содержание веществ, извлекаемых горячей водой, увеличивается сверху вниз как в лубе, так и в бересте (табл. 3). Наибольшее содержание суберина, холоцеллю-лозы и минеральных веществ определено в бересте, отобранной из вершинной части дерева. Целлюлоза и лигнин в лубе распределены примерно одинаково по высоте ствола: содержание целлюлозы колеблется от 22 до 24% с тенденцией снижения по высоте ствола; содержание лигнина более постоянно - около 18%.
Таблица 1. Влагосодержание (%) и массовая доля (%) частей коры и древесины по высоте дерева
Относительная высота отбора образцов
Части ствола 0,1 (2,6 м) 0,3 (7,8 м) 0,6 (15,6 м) 0,9 (23,4 м)
Влагосо- держание Массовая доля Влагосо- держание Массовая доля Влагосо- держание Массовая доля Влагосо- держание Массовая доля
Корка 12,9 7,6 37,6 5,7 33,0 5,3 40,6 4,6
Луб 72,1 6,1 70,6 10,7 65,3 12,8 61,8 13,5
Древесина 68,0 86,3 86,9 83,6 88,7 81,9 77,3 81,9
Таблица 2. Групповой состав бересты и луба березы повислой на относительной высоте 0,3
Группы соединений Содержание, % от массы сухого сырья
береста луб
Экстрактивные вещества, извлекаемые: диэтиловым эфиром 19,6 3,0
этанолом 29,1 15,8
горячей водой 0,9 19,3
Вещества, растворимые в 1%-ном растворе ЫаОН 34,5 25,5
Суберин 33,1 1,4
Холоцеллюлоза 8,5 38,7
Целлюлоза 7,3 23,4
Пентозаны 3,1 21,8
Лигнин после экстракции органическими растворителями и 1% рас- 33,2 18,1
твором щелочи Лигнин после экстракции органическими растворителями, удаления 7,1 18,1
суберина омылением и экстракции 1% раствором щелочи Минеральные вещества 0,3 1,5
Азот 0,52 0,45
Таблица 3. Распределение основных компонентов бересты и луба по высоте дерева, % от массы сухого сырья
Группы соединений Высота, доли от общей высоты ствола
0,1 0,3 0,6 0,9
Береста
Экстрактивные вещества, извлекаемые:
диэтиловым эфиром, 16,3 19,6 21,5 27,5
из них кислот: 25 25 10 10
этанолом 24,2 29,1 32,0 37,9
горячей водой 1,8 0,9 0,9 0,6
Суберин 26,4 33,1 34,5 39,3
Холоцеллюлоза 7,6 8,5 9,1 9,7
Минеральные вещества 0,28 0,31 0,48 0,51
Луб
Экстрактивные вещества, извлекаемые:
диэтиловым эфиром, 3,2 3,0 2,0 2,5
из них кислот: 30 19 15 12
этанолом 17,3 15,8 14,4 13,6
горячей водой 19,6 19,3 18,9 15,0
Целлюлоза 23,9 23,4 22,6 22,5
Пентозаны 20,0 21,8 23,7 25,5
Лигнин 18,1 18,1 18,5 18,5
Минеральные вещества 1,6 1,5 0,6 0,5
В экстрактивных веществах, извлекаемых диэтиловым эфиром из луба и бересты, определили содержание свободных кислот. Доля кислот в экстрактивных веществах бересты снижается по высоте ствола (табл. 3), в то время как общее количество экстрактивных веществ увеличивается. Ранее [18] нами было определено, что в состав свободных кислот бересты входят в основном тритерпеновые кислоты. Их содержание составило около 94% от массы свободных кислот углеводородного экстракта, а содержание жирных кислот не превышало 6%. Доля свободных кислот в экстрактивных веществах луба уменьшается по высоте ствола в пределах от 30 до12% от эфирного экстракта. Свободные кислоты луба (табл. 4) состоят из насыщенных и ненасыщенных жирных и насыщенных дикарбоновых кислот.
Количество пентозанов оценивается по выходу фурфурола - продукта дегидратации пентоз, образующихся при гидролизе различных пентозанов и пентоз-содержащих полисахаридов. Для того чтобы определить, какие виды полисахаридов прежде всего влияют на изменение содержания пентозанов по высоте ствола, исследовали состав моносахаридов после метанолиза луба с различных высот до и после экстракции горячей водой. Моносахариды силилировали и анализировали хромато-масс-спектрометрическим методом. Экстракция горячей водой позволяет удалить водорастворимые полисахариды: пентозан - арабинан, галактан, крахмал и моносахара.
Количественное содержание полисахаридов, дающих при метанолизе ксилозу, увеличивается по высоте ствола (табл. 5). На количественное содержание ксилозы в продуктах метанолиза луба экстракция луба горячей водой практически не влияет. По высоте ствола содержание ксилозы увеличивается. Скорее всего, за увеличение содержания пентозанов по высоте дерева ответственен ксилан. Основным нецеллюлозным полисахаридом луба, как установлено, является 4-О-метилглюкуроноксилан [22, 23].
Количество водорастворимых веществ, в состав которых входит крахмал, уменьшается в лубе по высоте ствола (табл. 3) и этот факт соответствует уменьшению содержания глюкозы в продуктах метанолиза луба.
Таблица 4. Состав кислот экстрактивных веществ луба
Кислоты Относительное содержание Газохроматографический индекс удерживания метилового эфира (I)
Октандиовая 3,8 1446
Нонандиовая 34,3 1548
Пальмитиновая 30,4 1928
Гептадекановая 1,4 2021
Линолевая 3,1 2081
Олеиновая 5,9 2085
Стеариновая 4,8 2106
Нонадекановая 1,2 2221
Арахиновая 3,2 2321
Генэйкозановая 1,6 2430
Бегеновая 5, 1 2530
Трикозановая 1,2 2631
Лигноцериновая 1,0 2731
Не идентифицировано 3,0
Таблица 5. Содержание продуктов метанолиза луба, отобранного с различных высот в исходном образце до и после экстракции горячей водой.
0,1 0,3 0,6 0,9
Компоненты % к лубу % к сумме сахаров % к лубу % к сумме сахаров % к лубу % к сумме сахаров % к лубу % к сумме сахаров
до после до после до после до после до после до после до после до после
Арабиноза 2,6 1,6 10,0 9,0 2,8 1,7 10,6 9,0 2,.9 1,8 10,7 9,0 3,0 1,8 10,7 8,3
Ксилоза 12,1 12,0 46,4 67,8 13,6 13,3 51,5 70,7 14,8 14,5 54,6 72,9 16,1 15,8 57,5 72,5
Рамноза 0,5 0,3 1,9 1,7 0,5 0,3 1,9 1,6 0,5 0,3 1,8 1,5 0,6 0,3 2,1 1,4
Манноза 0,4 0,4 1,5 2,2 0,3 0,3 1,1 1,6 0,2 0,3 0,7 1,5 0,2 0,2 0,7 0,9
Галактоза 1,5 1,0 5,7 5,6 1,5 1,1 5,7 5,9 1,6 1,0 5,9 5,0 1,7 1,1 6,1 5,0
Глюкоза 6,5 0,9 24,9 5,1 5,3 0,8 20,1 4,2 4,8 0,8 17,7 4,0 4,4 0,7 15,7 3,2
Галактуроновая кислота 2,5 1,5 9,6 8,5 2,4 1,3 9,1 6,9 2,3 1,2 8,5 6,0 2,0 1,9 7,1 8,7
Выводы
Определено, что доля коры в исследуемой березе составляет 14%, в том числе 5,4% бересты и 8,6% луба. По высоте дерева масса луба увеличивается с 6,1 до 13,5%, а бересты уменьшается с 7,6 до 4,6%. Определен общий химический состав отдельных частей коры березы повислой Betula pendula Roth. и его зависимость от высоты ствола. Содержание веществ, экстрагируемых диэтиловым эфиром и этанолом, в бересте увеличивается по высоте ствола, а в лубе - снижается. Установлен состав высших жирных кислот луба и углеводов после метанолиза луба.
Список литературы
1. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Бондаренко С.М. Экстрактивные вещества березы. Красноярск. 1986. 123 с.
2. Кислицын А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, применение. Обзор // Химия древесины. 1994. №3. С. 3-28.
3. Patent 09/038173 (US) Birch bark processing and isolation of natural products from Birch bark / P.A. Krasutsky, R.M. Carlson, I.M. Kolomitsyn, C. Edwardson, V.V. Nesterenko. 2001. Aug 23.
4. Патент 2184120 (РФ ) Способ получения бетулина / В.И. Рощин, Н.Ю. Шабанова, Д.Н. Ведерников // БИ. 2001. №18 (II ч). С. 16-17.
5. Штанько Н.Г. Получение бетулина и синтез сложноэфирных пленкообразователей на его основе: автореф. дис.
... канд. техн. наук. М., 1953. 10 с.
6. Патент 2138508 (РФ) Способ выделения бетулинола / Кислицын А.Н., Сластников И.И., Трофимов А.Н. // БИ. 1999. №27 (II ч). С. 263.
7. Eckerman C., Ekman R. Comparison of solvents for extraction and crystallisation of betulinol from birch bark waste // Paperi ja Puu. 1985. N3. Pp. 100-106.
8. А.с. 382657 СССР. Способ выделения бетулина и суберина / Т.И. Федорищев, В.Г. Калайков // БИ. 1973. №23. С. 66-67.
9. Патент 2131882 (РФ). Способ получения бетулина / В.А. Левданский, Н.И. Полежаева, А.П. Еськин, В.А. Винк, Б.Н. Кузнецов // БИ. 1999. №17. С. 350.
10. Рязанова Т.В., Левданский В.А., Кузнецова С.А., Щипко М.Л. Изучение процесса экстракции дубильных веществ из луба березовой коры // Химия и технология растительного сырья: тез. докл. III Всерос. конф. Саратов, 2004. С. 242-243.
11. Рязанова Т.В., Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Левданский В.А., Чупрова Н.А., Киселев Е.Г. Оптимизация процесса получения дубильного экстракта из луба березовой коры // Химия растительного сырья. №3. 2004. С. 29-33.
12. Оболенская А. В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
13. Жигунов А. и др. Проведение биохимического анализа растительных образцов: практ. рекомендации. Л., 1979. 44 с.
14. Шарков В.И., Куйбина Н.И., Соловьева Ю.П., Павлова Т.А. Количественный химический анализ растительного сырья. М., 1976. 72 с
15. Ukkonen K., Era V. Birch bark extractives // Kemia-Kemi. 1979. V. 6. №5. P. 217-220.
16. Sundberg A., Sundberg K., Lillandt C., Holmbom B. Determination of Hemicelluloses and pectins in wood and pulp fibres by acid methanolysis and gas chromatography // Nord. Pulp. Pap. Res. 1996. V. 11. №4. P. 216-226.
17. Рощин В.И., Баранова P.A., Белозерских О.А., Соловьев В.А. Состав экстрактивных веществ хвои и побегов ели европейской // Химия древесины. 1983. №4. C. 56-61.
18. Ведерников Д.Н., Рощин В.И., Состав жирных и тритерпеновых кислот углеводородного экстракта из бересты Betulapendula Roth. // Растительные ресурсы. 2008. Т. 44. №3. С. 75-82.
19. Левданский В.А. Комплексная переработка древесной коры с использованием процессов экстракции и взрывного автогидролиза: автореф. дис. ... д-ра хим. наук. Красноярск, 2006. 40 с.
20. Pulkkinen E., Nurmesniemi H. Studies on the chemical composition of the inner bark of Betula Verrucosa // Paperi ja Puu. 1980. V. 62. №4. Pp. 285-288.
21. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В., Мейчик Н.Р., Носов А.М., Полесская О.Г., Ха-ритонашвили Е.В., Чуб В.В. Физиология растений. М., 2005. 640 с.
22. Nurmesniemi H. and Pulkkinen E. Isolation and partial hydrolysis of acidic xylan from birch (Betula Verrucosa) inner bark // Paperi ja Puu. 1981. N3. Pp. 121-125.
23. Nurmesniemi H. Molecular properties of 4-O-methylglucuronoxylan from birch (Betula Verrucosa) inner bark // Paperi ja Puu. 1981. N1. Pp. 25-29.
Поступило в редакцию 4 мая 2009 г.
