CC BY
157
УДК 581.192+547.914
ИЗУЧЕНИЕ ЭКСТРАКЦИИ КОРЫ БЕРЕЗЫ ГЕКСАНОМ, ЭТИЛАЦЕТАТОМ, ИЗОПРОПИЛОВЫМ СПИРТОМ И ВОДОЙ
© В.А. Левданский, Н.И. Полежаева, А.В. Левданский, Б.Н. Кузнецов
Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия) е-mail: [email protected]
Представлены данные о составе экстрактов, извлекаемых различными растворителями из березовой коры без ее предварительного разделения на бересту и луб. Установлено, что гексановый экстракт, выход которого составляет 10,5% от веса абсолютно сухой коры, состоит на 90% из бетулина. Этилацетатный, изопропанольный и водный экстракты, полученные путем последовательной экстракции березовой коры гексаном, затем этилацетатом, изопропанолом и водой, преимущественно содержат полифенолы и могут использоваться в качестве дубителей.
Введение
В лесах Сибири и Дальнего Востока сосредоточено 6,6 млрд м3 лиственной древесины, основную часть которой составляет береза [1]. Древесина березы широко используется в фанерном и целлюлознобумажном производствах. Березовая кора является крупнотоннажным отходом переработки березы, составляющим до 15-17% от объема заготавливаемой древесины. Вопросы выделения и изучения различных классов экстрактивных веществ и индивидуальных соединений коры березы рассмотрены в обзорах [2, 3]. Изучено влияние различных факторов и видов изменчивости (индивидуальной, суточной, возрастной, географической, по высоте столба, сезонной и т.п.) на состав и соотношение основных веществ коры [1, 4]. Березовая кора имеет две четко различимые части - внешнюю (береста) и внутреннюю (луб), которые значительно отличаются по химическому составу. Наиболее богата экстрактивными веществами внешняя кора. Их можно извлекать, в зависимости от используемого растворителя, в количестве до 40% относительно веса бересты. В экстрактах внешней коры различных видов берез преобладают пентациклические тритер-пеноиды, основным из которых является бетулин. Его содержание в бересте может достигать 35% [3]. Луб березовой коры содержит меньше экстрактивных веществ и их состав отличается от состава веществ экстрагируемых из бересты.
Предлагаемые способы выделения ценных веществ из коры березы включают ее разделение на бересту и луб и последующую независимую переработку экстракционными методами [5].
Особое внимание в последнее время уделяется разработке методов экстракции из бересты тритерпе-ноида бетулина. Сам бетулин и его производные, например бетулиновая кислота, проявляют высокую биологическую активность [6, 7], и на их основе разрабатываются новые антивирусные препараты.
Во внутренней части коры (так называемом лубе) содержание целлюлозы варьируется от 19,3 до 25,2%, лигнина от 24,7 до 37,9%, легкогидролизуемых полисахаридов от 18,1 до 26,9%, трудногидролизуемых полисахаридов от 17,1 до 22,8% и золы от 1,1 до 2,4% [8]. Луб березы содержит от 9 до 12% дубильных и до 6,5% сахаристых веществ. Доброкачественность дубильного экстракта, получаемого из луба березовой коры, в зависимости от возраста и вида берез составляет от 42 до 71% [1, 9].
Предложенные методы разделения коры березы на бересту и луб являются достаточно сложными и энергозатратными [10, 11]. Кроме того, значительные ресурсы березовой коры представлены, так называемой комлевой корой, в которой отсутствует четко выраженная граница между берестой и лубом.
Целью настоящей работы являлось изучение возможности экстракционной переработки березовой коры с получением бетулина и дубильных веществ без предварительного разделения коры на бересту и луб.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
В работе использовали кору свежесрубленной березы Betula pendula Roth., произрастающей в пригородной зоне г. Красноярска. Отбор образцов коры производили на расстоянии 0,5-2 м от комля. Состав используемой березовой коры: экстрактивные вещества - 27%; полисахариды: легкогидролизуемые - 18%, трудногидролизуемые - 22%; целлюлоза - 23%; лигнин - 35%; зольные вещества - 1,8%. Кору предварительно измельчали до частиц размером 1-2 мм, высушивали при температуре 105 °С до влажности менее 1%, затем экстрагировали в аппарате Сокслета. В качестве экстрагентов использовали следующие растворители: гексан, этилацетат, изопропиловый спирт и воду. Исчерпывающую экстракцию гексаном проводили в течение 30 ч, этилацетатом, изопропиловым спиртом и водой - в течение 10-12 ч. Каждый эксперимент по извлечению экстрактивных вешеств проводили не менее трех раз. Количество извлеченных экстрактивных веществ определяли весовым методом после удаления растворителя.
Для разделения нейтральных и кислых веществ гексанового экстракта в круглодонную колбу объемом 250 мл вносили 5 г сухого гексанового экстракта и кипятили в 50 мл 20% водного раствора гидроксида натрия в течение трех часов. Реакционную массу отфильтровывали, вещество на фильтре промывали водой до бесцветных и нейтральных промывных вод. Фильтраты и промывные воды объединяли, подкисляли до рН=3-4 и экстрагировали три раза по 30 мл диэтиловым эфиром. Эфирные вытяжки объединяли и сушили над сульфатом натрия. После отгонки эфира выход кислых веществ составил 0,24 г (4,8%).
Выделение бетулина из этилацетатного экстракта проводили следующим образом. В круглодонной колбе объемом 500 мл, снабженной обратным холодильником, кипятили 5 г сухого этилацетатного экстракта в 30 мл 20% водного раствора NaOH и 250 мл этилового спирта в течение 4 ч. Затем отгоняли этиловый спирт, реакционную массу охлаждали, разбавляли 10 мл воды и отфильтровывали. Бетулин промывали на фильтре до нейтральных промывных вод. Выделение бетулина из изопропанольного экстракта проводили аналогично.
Бетулин после перекристаллизации из этилового спирта представляет собой порошок белого цвета. Найдено: C, % 81,24; 81,69. H, % 11,56; 11,21. С3іН50О2 Вычислено: C, % 81,45; H, % 11,31. Тпл.= 258260 °С. Регистрацию ИК-спектров бетулина осуществляли на спектрометре «Spekord 75 JR» в области 4004000 см-1. Вещества исследовали в твердом состоянии в матрице бромистого калия.
Количественное определение полифенолов проводили на фотоэлектрокалориметре КФК-3 по реакции с паронитроанилином [12]. Содержание дубильных веществ в образцах коры и в полученных экстрактах, а также доброкачественность последних определяли методом ВЭМ [13]. Химический состав исходной и активированной коры березы анализировали известными способами [14].
Результаты и обсуждение
Выделение содержащихся в коре березы экстрактивных веществ проводили в двух сериях экспериментов. В одной из них кору экстрагировали только одним растворителем (гексаном, этилацетатом, изопропиловым спиртом и водой). В другой осуществляли последовательную экстракцию коры указанными растворителями.
Гексановый экстракт коры березы после удаления растворителя представляет собой порошок белого цвета, выход которого составляет 10,5% от веса абсолютно сухой коры. Обработкой водным раствором щелочи он был разделен на нейтральную (выход 95,1%) и кислую (выход 4,8%) составляющие. Нейтральная составляющая гексанового экстракта была перекристаллизована из изопропилового спирта. Температура плавления полученного вещества составила 258-260 °С, что соответствует температуре плавления бетулина. Подтверждением того, что полученное при экстракции коры березы вещество в основном состоит из бетулина, является идентичность его ИК-спектра с ИК-спектром бетулина, приведенным в работе [15].
Экстракт, выделенный из коры березы этилацетатом (выход 15,5%), после отгонки растворителя представляет собой порошок кофейного цвета. Хроматографический анализ полученного продукта показал, что экстракт преимущественно состоит из смеси бетулина и фенольных веществ. Для количественного выделения бетулина этилацетатный экстракт обработан 20%-ным водно-спиртовым раствором щелочи (по аналогии с гидролизным способом получения бетулина), при этом происходит омыление липидов, а также перевод жирных кислот и фенолов в растворимое состояние. В результате получается порошок белого цвета, на 92-94% состоящий из бетулина. Выход бетулина, полученного из этилацетатного экстракта, составил 9,3% в пересчете на абсолютно сухую кору. Установлено, что доля бетулина в этилацетатном экстракте составляет 60,0%.
Наибольшее количество экстрактивных веществ (выход 20,6%) извлекалось из коры березы изопропиловым спиртом. Как и при экстракции этилацетатом, продукт, извлекаемый изопропиловым спиртом, представляет собой смесь, на 46% состоящую из бетулина и на 40% - из фенольных веществ, основная доля последних представлена дубильными веществами.
Выход экстрактивных веществ, экстрагированных из коры березы водой, составил всего 9,7%. Такой низкий выход экстракта обусловлен тем, что содержащийся в коре березы бетулин в воде не растворим. Поэтому используются способы выделения бетулина, включающие предварительную экстракцию коры березы кипящей водой с целью удаления фенольных веществ [16].
В таблице 1 приведены данные по выходу и содержанию основных компонентов в полученных экстрактах.
Как следует из таблицы 1, при экстракции коры березы водой в основном извлекаются фенольные вещества и сахара, содержание которых в экстракте составляет 71,7 и 24,8% соответственно.
С целью повышения степени извлечения экстрактивных веществ и разделения их на более узкие фракции кора березы была подвергнута последовательной (дробной) экстракции растворителями с возрастающей полярностью. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Общий выход экстрактивных веществ, извлекаемых из исходной коры березы путем ее последовательной экстракции гексаном, этилацетатом, изопропиловым спиртом и водой, составил 26,9%. Гексановый экстракт, который в основном состоит из бетулина, извлекается с выходом 10,5%. Последующая экстракция коры березы полярными растворителями (этилацетатом, изопропиловым спиртом и водой) позволяет извлечь фенольные вещества с высоким содержанием дубильных веществ. Из литературных источников известно, что общее содержание различных классов фенольных веществ в коре березы может достигать 16%, что позволяет рассматривать березовую кору в качестве сырья для получения дубителей [8]. Однако основным недостатком дубильного экстракта из коры березы является высокое содержание в нем сахаристых веществ [9]. Для их удаления можно использовать термическую обработку экстрактов. В работе [17] показано, что выдержка водного экстракта коры ели в течение 2 ч при температуре 120 °С увеличивает содержание дубильных веществ с 9,4 до 11,8%. Повышение температуры обработки до 180 °С снижает содержание легкогидролизуемых сахаров с 21,6 до 5,7%, однако при этом значительно уменьшается содержание дубильных веществ.
Таблица 1. Данные по выходу и составу экстрактивных веществ, извлекаемых при обычной экстракции коры березы различными растворителями
Растворитель Выход экстрактивных веществ, % Содержание бетулина в экстракте, %** Содержание полифенолов в экстракте, %** Содержание дубильных веществ в экстракте, %** Содержание сахаров в экстракте, %** Доброкачественность экстракта, %
Гексан 10,5 90,0 - - - -
Этилацетат 15,5 60,0 27,1 18,5 12,7 42,3
Изопропанол 20,6 46,0 39,6 26,3 14,2 46,5
Вода 9,7 - 71,7 48,7 24,8 46,4
* от веса абсолютно сухой коры ** от веса экстракта
Таблица 2. Данные по выходу и составу экстрактивных веществ, извлекаемых из коры березы при последовательной экстракции
Растворитель Выход экстрактивных веществ, % Содержани е бетулина в экстракте, %** Содержание полифенолов в экстракте, %** Содержание дубильных веществ в экстракте, %** Содержание сахаров в экстракте, %** Доброкачественность экстракта, %
Гексан 10,5 90,0 - - - -
Этилацетат 6,9 1,4 78,3 67,5 8,5 46,3
Изопропанол 5,2 - 61,8 56,2 5,3 48,4
Вода Общий выход 4,3 26,9 - 54,2 51,3 15,4 49,7
от веса абсолютно сухой коры
от веса экстракта
Заключение
Изучен состав экстрактов, извлекаемых различными растворителями из березовой коры без ее предварительного разделения на бересту и луб.
Установлено, что гексановый экстракт, выход которого составляет 10,5% от веса сухой коры, состоит на 90% из бетулина.
Экстракты, выделенные этилацетатом и изопропанолом, с выходом 15,5 и 20,6%, соответственно, содержат три основных компонента: бетулин, полифенолы и сахара. Их содержание в этилацетатном и изо-пропанольных экстрактах составляет 60,0, 27,1, 12,7 и 46,0, 39,7, 14,3% соответственно.
Водой извлекается 9,7% экстрактивных веществ, в которых содержатся 71,7% полифенолов (из них 48,7% дубильных веществ) и 24,8% сахаров.
При последовательной экстракции коры березы гексаном, этилацетатом, изопропанолом и затем водой в сумме извлекается 26,9% экстрактивных веществ. Причем этилацетатный, изопропанольный и водный экстракты преимущественно состоят из полифенолов (78,3, 61,8, 54,2%) и в них соответственно содержится 67,5, 56,2 и 51,3% дубильных веществ. Доброкачественность этих экстрактов варьируется от 46,3 до 49,7%, и они содержат от 5,3% (изопропанольный экстракт) до 15,4% (водный экстракт) сахаров, снижающих качество дубильных экстрактов.
Список литературы
1. Долгодворова С.Я., Черняева Г.Н. Дубильные вещества коры березы // Биологические ресурсы лесов Сибири: Сборник трудов Института леса и древесины СО АН СССР. Красноярск, 1980. С. 72-80.
2. Кислицин А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, свойства, применение (обзор) // Химия древесины. 1994. №3. С. 3-28.
3. Похило Н.Д., Уварова Н.И. Изопреноиды различных видов рода Betula // Химия природных соединений. 1988. №3. С. 325-341.
4. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Перышкина Г.И. Сезонная динамика содержания дубильных веществ в коре повислой // Растительные ресурсы. 1982. Т. XVIII. Вып. 1. С. 63-66.
5. Патент США. Birch bark processing and the isolation of natural products from birch bark / Edwardson C.F., Kolo-mitsyn I.V., Krasutsky P.A., Carlson R.M., Nesterenko V.V. №W00110885; 15.02.2001.
6. Флехтер О.Ф., Карачурина Л.Т, Нигматуллина Л.Р., Сапожникова Т.А. и др. Синтез и фармакологическая активность диникотината бетулина // Биоорганическая химия. 2002. Т. 28. №6. С. 543-550.
7. Шон Ле Банг, Каплун А.П., Шпилевский А.А., Андия-Правдивый Ю.Э. и др. Синтез бетулиновой кислоты из бетулина и исследование ее солюбилизации с помощью липосом // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24. №10. С. 787-793.
8. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Бондаренко С.М. Экстрактивные вещества березы. Красноярск, 1986. 125 с.
9. Арбузов Г. А., Шипков П.Ф., Товароведение растительных дубильных материалов. М., 1932.
10. А. с. 1428576 СССР. Способ переработки березовой коры на бересту и луб / Воскресенский В.Е., Маркович М.Б, Казак Г. Д., Токарева К.Н. // БИ. 1988. №37.
11. А. с. 1364378 СССР. Установка для разделения не связанных между собой материалов луба и бересты / Воскресенский В.Е., Григорьев Н.М., Добровольский Г.Э. // БИ. 1988. №1.
12. Запрометов М.Н., Бухтаева В.Я. О продуктах фотосинтеза чайного растения и биосинтеза фенольных соединений // Физиология растений. 1967. Т. 14. №2. С. 197.
13. Всесоюзный единый метод исследования в кожевенном, обувном и дубильно-экстрактивном производстве (ВЭМ). М., 1955.
14. Шарков В.И., Куйбина Н.И., Соловьева Ю.П. Количественный химический анализ растительного сырья. М., 1968.
15. Era V., Jaaskelainen P., Ukkonen K. Fatty acid esters from Betulinol // J. Amer. Oil Chem. Soc. 1981. V. 58. P. 20-23.
16. Юрьев Ю.Л., Штеба Т.В. Выделение и очистка бетулина из бересты: Тез.докл. 3 Всесоюз. науч.-техн. конф. «Химия и использование экстрактивных веществ дерева». 15-18 мая 1990 г. Горький, 1990. С. 128.
17. Жученко А.Г., Авдюкова Н.В. Влияние экстрактивных веществ коры ели на превращение компонентов при термогидролитической обработке // Сборник трудов СвердНИИПДрев. М., 1969. Вып. 4. С. 69-75.
Поступило в редакцию 23 марта 2004 г.
