CC BY
303
УДК 547.917
ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА ЭКСТРАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ КОРЫ СОСНЫ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
© А.И. Бутылкина1, В.А. Левданский1’2, Б.Н. Кузнецов1’2
1 Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: [email protected]
2Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия)
Изучен состав экстрактивных веществ, выделенных из коры сосны (Pinus Sylvestris) различными растворителями. Предложены схемы комплексной переработки коры сосны в ценные химические продукты: дубильный экстракт, анто-цианидины, проантоцианидины, пектин. Изучено влияние способа выделения на характеристики пектиновых веществ коры сосны.
Ключевые слова: кора сосны, экстрактивные вещества, выделение, идентификация, состав.
Введение
Одним из наиболее широко используемых видов древесного сырья является сосна обыкновенная, занимающая второе место после лиственницы по распространенности в России. Кора сосны содержит ценные экстрактивные вещества [1]. В литературе имеются сведения о способах выделения некоторых групп веществ из коры сосны, например фенольных соединений [2] и пектина [3]. Кора сосны приморской используется для получения биологически активного комплекса на основе проантоцианидинов [4].
Для извлечения экстрактивных веществ из древесной коры целесообразно использовать ее последовательную экстракцию растворителями с возрастающей полярностью. Применение данного подхода позволяет наиболее полно извлечь из коры основные классы экстрактивных веществ, которые в дальнейшем могут быть переработаны в востребованные товарные продукты.
Цель настоящей работы - изучение различных способов экстракционной переработки коры сосны, комбинация которых обеспечивает ее комплексную утилизацию с получением ассортимента востребованных продуктов.
Экспериментальная часть
В работе использовали кору сосны сибирской (Pinus Sylvestris) - отход окорки деловой древесины Красноярского ЛДК. Кору сушили при температуре 104-105 °С в течение 5-6 ч, измельчали и отбирали для исследования фракцию 1,0-2,0 мм. Содержание основных компонентов в коре сосны (% от массы а.с. коры): целлюлоза 22,9, лигнин 21,2, экстрактивные вещества 11,5, зольность 3,1. Кора содержит 15,0% мас. легкогидролизуемых и 28,8% мас. трудногидролизуемых полисахаридов.
Высушенную и измельченную до частиц размером 1-2 мм кору экстрагировали гексаном в течение 10 ч в аппарате Сокслета емкостью 250 мл. Выход смолистых веществ составил 4,8% мас. а.с.к.
Для выделения дубильного экстракта обессмоленную кору экстрагировали этанолом в аппарате Сокслета в течение 8 ч, затем остаток коры дважды промывали водой по 30 мин при температуре 60 °С и гидромодуле 30 при постоянном перемешивании. Полученные экстракты упаривали под вакуумом на ротационном испарителе и объединяли.
Для выделения проантоцианидинов обессмоленную кору подвергали экстракции кипящим 15% этанолом при гидромодуле 10-15 в течение 0,5-1,0 ч. Водно-спиртовый экстракт концентрировали до 1/4 первона-
* Автор, с которым следует вести переписку.
чального объема, насыщали хлоридом натрия и отфильтровывали выпавшие полифенольные соединения. Полученный водно'-спиртовый раствор трижды экстрагировали этилацетатом, вытяжки объединяли, концентрировали до 1/5 от первоначального объема и далее хлороформом высаживали проантоцианидины.
Для получения антоцианидинхлоридов к обессмоленной коре добавляли этиловый спирт, содержащий 3% соляной кислоты, и кипятили на водяной бане в колбе с обратным холодильником в течение 3 ч. Затем остаток коры отфильтровывали, фильтрат упаривали в 4 раза, разбавляли водой, выпавшие в осадок антоцианидинхлориды отделяли фильтрованием.
Для выделения пектиновых веществ кору сосны после извлечения из нее воска и дубильного экстракта обрабатывали водными растворами кислот (азотной, соляной, ортофосфорной, серной, лимонной) с рН от 1,1 до 2,2 при температуре 80 оС и гидромодуле 20 при постоянном перемешивании в течение 1 ч. Затем раствор отфильтровывали, концентрировали под вакуумом и осаждали пектин - изопропиловым спиртом, далее пектин отделяли фильтрованием, промывали дважды изопропиловым спиртом и сушили.
Вязкость растворов пектина определяли с помощью вискозиметра Оствальда с диаметром капилляра
0,56 мм. Величины средневязкостных молекулярных масс рассчитывали по известной методике [6].
Определение уронидной составляющей проводили по методике, описанной в работе [7]. ИК-спектры пектина снимали на приборе ИК-Фурье (Vector 22) в области длин волн 500-4000 см-1. Образцы пектина запрессовывали в матрицу KBr. Элементный анализ образцов пектина проведен на элементном анализаторе FlashEATM-1112 (Thermo Quest Italia).
Обсуждение результатов
Изучены три варианта комплексной переработки коры сосны в ценные химические продукты, приведенные на рисунке 1.
Первая стадия всех предлагаемых схем комплексной переработки коры включает ее экстракцию гексаном с целью выделения смолистых веществ. Их выход, в зависимости от срока хранения коры, может составлять от 4 до 5%. Гексановый экстракт обладает биоцидными и гидрофобными свойствами. Поэтому он применяется в фармацевтической, косметической промышленности и в качестве покрытий для защиты древесных материалов от воздействия влаги, бактерий и грибков.
Одна из схем комплексной переработки обессмоленной коры (рис. 1) ориентирована на получение дубильных веществ и пектинов. С этой целью использована последовательная экстракция обессмоленной коры спиртом, затем водой. После объединения спиртового и водного экстрактов получен дубильный экстракт с выходом 10% и доброкачественностью 48%.
Дальнейшая обработка остатка коры сосны 1% водным раствором соляной кислоты позволяет извлекать пектиновые вещества с выходом 4%. Пектины - это растительные полисахариды сложного строения с молекулярной массой 14000-75500. Основной составной частью молекулы пектиновых веществ является D-галактуроновая кислота [8].
Пектиновые вещества оказывают на организм человека положительное воздействие, поскольку являются природным сорбентом радиоактивных и тяжелых металлов, различных шлаков. Пектиновые вещества, обладая хорошими желирующими свойствами, традиционно используются в производстве фруктовых, молочных, десертных продуктов, а также в фармацевтике [9].
Альтернативная схема комплексной переработки коры сосны позволяет получить окрашенные анто-цианидинхлориды. Это достигается обработкой обессмоленной коры спиртовым раствором соляной кислоты при температуре 75-80 °С в течение 3-3,5 ч. Антоцианидиновые красители, выделяемые из плодоовощного сырья, применяются в качестве красителей в пищевой промышленности [10].
Еще одна из схем комплексной переработки коры сосны направлена на выделение ценного класса биологически активных соединений - проантоцианидинов. Источником для их получения является виноград (виноградные семена, кожица, гребни) и кора сосны приморской (Pinus maritima). Проантоцианиди-ны относятся к полифенольным соединениям и являются одними из наиболее широко применяемых антиоксидантов растительного происхождения с высокой биологической активностью. Проантоцианидины, выделенные нами из коры сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), показали высокую антикоагулянтную активность [11].
Остаток коры после извлечения проантоцианидинов также может быть использован для получения пектина.
Кора сосны
Смолистые вещества
4.8% вес.
Обессмоленная кора
Экстракция спиртом —
_______I_______
Остаток коры
Экстракция водой при 60-65 °С '
Остаток
коры
Экстракция водным р-ром кислоты
Пектин
4% вес.
Рис. 1. Изученные варианты комплексной переработки коры сосны
В настоящее время в качестве сырья для производства пектина используются яблочные и цитрусовые выжимки, жом сахарной свеклы. Из литературы известно, что для расширения сырьевой базы в качестве растительного сырья для получения пектина можно использовать кору хвойных деревьев [12, 13], а также кору деревьев семейства ивовых [14].
В работе [13] изучено влияние различных факторов на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы. Показано, что предварительное удаление экстрактивных веществ из коры приводит к увеличению выхода продукта (примерно в 1,5 раза), что, очевидно, связано с увеличением доступности пектиновых веществ. С увеличением температуры процесса гидролиз-экстракции пектиновых веществ их выход возрастает и проходит через максимум при температуре 80 °С. Чистота пектиновых веществ при осаждении этиловым спиртом выше, чем при использовании ацетона.
Наиболее часто в качестве экстрагирующего агента для извлечения пектина используют растворы щавелевокислого аммония и щавелевой кислоты. Однако нами обнаружено, что при использовании этих реагентов на стадии осаждения спиртом вместе с пектином в осадок выпадает некоторое количество щавелевокислого аммония (либо щавелевой кислоты). Поэтому в данной работе в качестве экстрагентов использовали хорошо растворимые в спирте кислоты.
Была сопоставлена эффективность извлечения пектиновых веществ из коры сосны при 80 °С водными растворами следующих кислот: лимонной, серной, фосфорной, азотной и соляной при вариации рН
Экстракция Нагревание в 15%-ным
от 1,1 до 2,2. Определен выход, молекулярная масса, уронидная составляющая и элементный состав пектинов, полученных при использовании различных экстрагентов.
В таблице 1 представлены характеристики пектиновых веществ коры сосны. Выход соснового пектина составил от 2,2 до 4,2%. Содержание пектина в яблочных выжимках составляет 10-15%, жоме сахарной свеклы - 10-20%, корзинках подсолнечника - 15-25%, корочках цитрусовых - 20-35%. Элементный состав соснового пектина (С - 25,33-33,97%, Н - 4,02-4,97%) сопоставим с элементным составом пектина, выделенным из коры лиственницы (С - 30,28-36,55%, Н - 4,51-6,82%) [13].
Уронидная составляющая, которая характеризует состав пектинов по наличию в них полигалакту-роновой кислоты, является важнейшей характеристикой пектина и определяет его сорбционные свойства. Высокое значение уронидной составляющей свидетельствует о выраженных защитных свойствах пектинов, так как детоксикация пектинами происходит благодаря наличию в них полигалактуроновых кислот.
Молекулярная масса является важной характеристикой пектина, так как она в значительной степени определяет его студнеобразующую способность, которая является важным свойством пектиновых веществ, определяющим область их применения в пищевой промышленности. Студнеобразование зависит от молекулярной массы пектина, степени этерификации его молекулы и содержания функциональных групп, концентрации сахара в растворе, количества балластных веществ, сопутствующих данному пектину; температуры и рН среды [6].
Молекулярные массы полученных образцов достаточно близкие (4700-5300), за исключением пектина, полученного экстракцией 0,2 н (рН=1,9) серной кислотой (2900). При использовании серной кислоты в качестве гидролизующего агента, по-видимому, следует использовать растворы с рН > 2, чтобы снизить степень деструкции биополимеров. Молекулярная масса соснового пектина на порядок ниже, чем у пектинов из традиционного сырья: свекловичного - 14000, хлопкового - 15500, яблочного - 37000, лимонного -25800 [8]. Значения уронидной составляющей для соснового пектина (56-68) близки к аналогичному показателю пектина из пищевого сырья. Так, уронидная составляющая пектина из свекловичного жома - 68,7%, из сухих яблочных выжимок - 69,8% [15].
ИК-спектры всех полученных образцов пектинов аналогичны и содержат полосы, характерные для спектра яблочного пектина [16]. На рисунке 2 приведены ИК-спектры пектинов коры сосны, полученные при использовании растворов различных кислот при вариации рН от 1,1 до 2,2.
Как и для всех углеводов, для пектинов характерны интенсивные полосы валентных колебаний гидроксилов пиранозного кольца в области 3400 см-1. В области 1000-1150 см-1 присутствует характерная для пектиновых веществ группа интенсивных полос, соответствующим скелетным колебаниям пиранозного цикла и гликозидных связей. Полоса при 1750 см-1 относится к валентным колебаниям С=О связи в составе сложного эфира или карбоксильной группы. Полосу при 1300 см-1 можно отнести к плоскостным деформационным колебаниям спиртовых гидроксилов 5(О-Н)с пиранозных циклов. ИК-спектры соснового пектина аналогичны спектру яблочного пектина (рис. 3). Наличие интенсивной полосы в области 1620 см-1 свидетельствует о наличии в исходном образце значительного количества свободных карбоксильных групп, которые при запрессовывании образца в таблетку КВг приводят к образованию пектата калия.
Таблица 1. Характеристики пектиновых веществ коры сосны, выделенных водными растворами кислот
Природа и концентрация кислоты рН экстракционной среды Выход пектина, % от в.с. коры Молекулярная масса Уронидная составляющая, % Элементный состав, %
С Н
0,1 н HNO3 1,1 4,2 4950 56 31,95 4,60
0,1 н HCl 1,3 2,5 5344 62 33,97 4,47
0,25 н H3PO4 1,7 3,6 4902 68 29,46 4,37
0,2 н H2SO4 1,9 2,4 2935 61 25,33 4,02
0,1 н лимонная кислота 2,2 2,2 4744 57 31,90 4,97
-1
см-1 см
Рис. 2. ИК-спектры пектина коры сосны: 1 - 0,2 н Рис. 3. ИК-спектр яблочного пектина H2SO4 (рН=1,9); 2 - 0,1 н HNO3 (рН=1,1); 3 - 0,1 н HCl (рН=1,3); 4 - 0,1 н лимонная кислота (рН=2,2);
5 - 0,25 н H3PO4 (рН=1,7)
Установлено, что при использовании в качестве экстрагентов растворов лимонной, фосфорной, азотной и соляной кислот в диапазоне рН от 1,1 до 2,2 пектиновые вещества коры сосны обладают близкими молекулярными массами (4700-5300), а также сходными уронидными составляющими (57-68%) и элементным составом.
Таким образом, в результате выполненного исследования предложены различные пути комплексной переработки коры сосны в ассортимент востребованных химических продуктов: смолистых веществ, дубильного экстракта, антоцианидинхлоридов, пектина, проантоцианидинов. Выход указанных продуктов приведен в таблице 2. Продукты экстрактивной переработки коры сосны востребованы в фармацевтической, косметической, пищевой промышленности, в бытовой химии и других областях.
Список литературы
1. Дейнеко И.П., Дейнеко И.В., Белов Л.П. Исследование химического состава коры сосны // Химия растительного сырья. 2007. №1. С. 19-24.
2. Pan H., Lundgren L.N. Phenolics from inner bark of Pinus sylvestris // Phytochemystry. 1996. V. 42. Pp. 1185-1189.
3. А.с. №563154 (СССР). Способ получения пектина из растительного сырья / Н.А. Ярцева, Г.В. Пермякова / Опубл. 30.06.77, БИ. №24.
4. Патент №4698360 (US). Plant extract with a proanthocyanidins content as therapeutic agent having radical scavenger effect and use thereof / J. Masquelier / 06.10.1987.
5. Патент №1650681 (РФ). Способ переработки древесной зелени хвойных пород / В.И. Рощин, С.Н. Васильев, И.С. Павлуцкая, Л.А. Колодынская / заявл. 22.07.1991; опубл. 15.108.1994.
6. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродуктов. М., 2000. 260 с.
7. Кайшева Н.Ш., Щербак С.Н. и др. Анализ пектинов защитного действия // Журнал аналитической химии. 1994. Т. 49, №11. С. 1158-1162.
8. Новосельская И.Л., Воропаева Н.Л. и др. Пектин. Тенденции научных и прикладных исследований // Химия природных соединений. 2000. №1. С. 3-11.
9. Шелухина Н.П. Научные основы технологии пектина. Фрунзе, 1988.
10. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Бутылкина А.И., Кузнецов Б.Н. Получение антоцианидинхлоридов из коры лиственницы и пихты // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. №10. С. 331-337.
11. Кузнецова С.А. и др. Антикоагулянты из коры ели, березы, кедра, сосны, лиственницы // Химия. XXI век: новые технологии, новые продукты : матер. XII науч.-практич. конфер. Кемерово, 2009. С. 156-157.
12. А.с. №563154 (СССР). Способ получения пектина из растительного сырья / Н.А. Ярцева, Г.В. Пермякова / опубл. 29.08.1977.
13. Иванова Н.В., Попова О.В., Бабкин В.А. Изучение влияние различных факторов на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы // Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 43-46.
Таблица 2. Выход продуктов, извлекаемых из коры сосны различными экстрагентами
Продукты Выход, % от а.с.к.
Смолистые вещества, 4,8
Дубильный экстракт или 10,0
Антоцианидинхлориды 10,0
Проантоцианидины 0,5
Пектин 4,0
14. Патент №2095371 (РФ). Способ получения пектина из растительного сырья / М.И. Герасимов, А.И. Конев / опубл. 10.11.1997.
15. А.с. 1165684 (СССР). Способ получения пектата натрия или калия / Д.Э. Алиева, Г.Б. Аймухамедова, Н.П. Шелухина и др. / опубл. 07.07.1985.
16. Филиппов М.П. Инфракрасные спектры пектиновых пленок // Журнал прикладной спектроскопии. 1972. Т. XVII, Вып. 2. С. 296-299.
Поступило в редакцию 12 февраля 2010 г.
