CC BY
233
Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 103-108.
УДК 615.322
КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ЭФИРНОГО МАСЛА СОСНЫ СИБИРСКОЙ (PINUS SIBIRICA)
© А.Н. Нарчуганов, Е.Г. Струкова, А.А. Ефремов
Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия), e-mail: [email protected]
Изучен компонентный состав и физико-химические показатели эфирного масла Pinus Sibirica, полученного гид-ропародистилляцией. Проанализирована динамика выделения эфирного масла в ходе гидропародистилляции. Методом хромато-масс-спектрометрии обнаружено более 95 компонентов эфирного масла Pinus Sibirica, 59 из которых являются основными и идентифицированы по масс-спектрам и линейным индексам удерживания.
Ключевые слова: Pinus Sibirica, эфирное масло, хромато-масс-спектрометрия, гидропародистилляция,
Введение
Сибирский федеральный округ (СФО) занимает 30% площади России, при этом 51% его территории покрыто лесами. Самую низкую лесистость среди регионов СФО имеют Омская (18%) и Новосибирская (13%) области, самую высокую - Иркутская (78%) и Читинская (66%) области [1]. Для сравнения: большинство стран Европы покрыты лесом на 20-40%.
В сибирских лесах распространены хвойные, в их составе преобладают деревья рода Larix (Лиственница) - 52% по площади, рода Pinus (Сосна) - 24%, родов Picea (Ель) и Abies (Пихта) - 17%. Общие запасы древесины в Сибирском федеральном округе оцениваются в 30-36 млрд м3, эксплуатационные - в 10-15 млрд м3. Основная часть запасов сосредоточена в Восточной Сибири [2].
Ежегодный объем прироста древесины в Сибири оценивается примерно в 300-400 млн. кубометров. Это больше, чем общий объем лесозаготовок в бывшем СССР в период максимальных рубок. Почти половина всех лесов относится к категории спелых и перестойных, поэтому крайне важно вовремя изымать лесные ресурсы.
Ресурсы древесных растений можно разделить на непосредственно ствол дерева (древесина), пни, сучья и ветки, древесную зелень, шишки. Как правило, в лесной промышленности используется только ствол дерева, а хвоя и мелкие побеги считаются отходами производства. В то же время известно, что именно в этих частях древесной растительности под действием солнечного света образуются многочисленные биологически активные соединения. Часть этих веществ расходуется на синтез основных элементов, таких как клетчатка и лигнин, другая - регулирует жизненные процессы самого организма, выполняет защитные и сигнальные функции и откладывается про запас [3].
К наиболее важному продукту, который может быть выделен из древесной зелени, относятся эфирные масла. Эфирные масла - сложная смесь терпеновых углеводородов и их производных, продуцируемых в условиях жизнедеятельности самого растения [4-5].
Вопрос изменчивости компонентного состава эфирных масел древесных растений достаточно хорошо изучен [6-11]. Рассмотрено влияние условий роста и развития деревьев на выход и состав масла. В качестве объектов исследования выступала древесная зелень сосны, кедра, пихты, ели и лиственницы - основных хвойных лесообразующих пород Красноярского края.
Однако состав эфирных масел хвойных пород деревьев, приводимый в литературе, как правило, далеко не полный. Так, в [9-11] при исследовании состава эфирного масла сосны обыкновенной авторы указыва-
* Автор, с которым следует вести переписку,
ют лишь на содержание монотерпенов, а также отмечается, что среди высококипящих компонентов преобладает борнилацетат. Однако очевидно, что кроме борнилацетата в эфирном масле хвойных должны присутствовать и другие сесквитерпеновые соединения, качественный и количественный состав которых практически не изучен. С внедрением наиболее информативного метода анализа сложных смесей органических веществ -газовой хромато-масс-спектрометрии появилась возможность более полно исследовать состав эфирных масел хвойных. Этот метод, как известно, позволяет проводить качественный и количественный анализ компонентов сложных смесей, включая массовые концентрации в десятые и сотые доли процентов [12].
В этой связи в данной работе методом хромато-масс-спектрометрии исследован состав эфирного масла древесной зелени сосны (Pinus Sibirica), произрастающей в Красноярском крае, изучена динамика отгонки масла и компонентный состав отдельных фракций, выделяющихся в разные периоды процесса гидропародистилляции.
Экспериментальная часть
Исходное сырье - древесная зелень (лапка) Pinus Sibirica, заготовленная согласно [13-14] в феврале 2009 г. в Емельяновском районе Красноярского края. Эфирное масло получали методом гидропародистиля-ции исходя из разовой навески воздушно-сухого сырья 1,0-1,5 кг, с использованием цельнометаллической установки, снабженной насадкой Клевенджера. Влажность и зольность исходного сырья определяли согласно ГОСТ 24027.0-80 [15]. Полученное эфирное масло количественно собирали в процессе отгонки, высушивали над безводным Na2SO4 и взвешивали. Основные физико-химические характеристики - плотность и показатель преломления определяли с использованием высокоточных приборов Mettler Toledo DE 40 Density Meter и Mettler Toledo RE 40D Refractometer с четырьямя значащими цифрами после запятой.
Состав эфирного масла определяли на хроматографе Agilent Technologies 7890 GC System с квадру-польным масс-спектрометром Agilent 5975 С в качестве детектора. Использовали малополярную кварцевую колонку HP-5ms длиной 30 м с фазой 5%дифенил-95% диметилсилоксан (толщина слоя 0,5 мкм), внутренний диаметр 0,25 мм. Температурный режим хроматографирования: изотермический режим при 50 °С в течение 3 мин, затем программированный подъем температуры со скоростью 4 °С/минуту до 270 °С с выдержкой при конечной температуре 30 мин. Температура испарителя 280 °С, температура ионизационной камеры 170 °С, энергия ионизации 70 эВ. Содержание компонентов вычисляли по площадям пиков, идентификацию отдельных компонентов проводили сравнением линейных индексов удерживания и полных масс-спектров с соответствующими данными библиотек и атласов масс-спектров [12].
Обсуждениерезультатов
Основной вопрос, который необходимо решать при получении эфирных масел из растительного сырья - вопрос полноты отгонки масла, т.е. определения времени для полного выделения всех летучих компонентов, формирующих эфирное масло, из сырья. Очевидно, что из-за недостаточной продолжительности процесса гидропародистилляции будет получаться лишь отдельная фракция, а не цельное масло.
Изучение динамики выделения эфирного масла из древесной зелени Сосны сибирской показало, что данный процесс растянут во времени и его можно разделить на три временных интервала (рис. 1): в первом наблюдается практически линейная зависимость количества выделившегося масла от времени, в наших условиях он составлял 2-3 ч. Второй временной интервал характеризуется переходной областью, когда количество выделившегося масла более сложным образом зависит от времени отгонки. В третий временной интервал наблюда -ется бесконечно малое увеличение количества масла с течением времени, он начинается в наших условиях примерно через 18-19 ч. Практически полное выделение эфирного масла наблюдается только после 24 ч непрерывной отгонки, поскольку в течение последующих 4 ч выделения эфирного масла не было зафиксировано.
Полученное эфирное масло Pinus Sibirica имело плотность 0,8643 г/см3, показатель преломления
1,4705. Выход масла составил 1,46±0,07% в пересчете на свежее сырье со средней влажностью 57,2% или 3,42±0,12% в пересчете на воздушно-сухое сырье.
Для более полного описания процесса получения эфирного масла собирали отдельные фракции по мере его выделения и анализировали показатель преломления и фракционный состав. Показатель преломления отдельных фракций изменяется по мере выделения масла, что свидетельствует об изменении его состава (см. табл. 1). Кроме того, обнаружено, что в электронных спектрах поглощения в видимой области спектра послед-
ние фракции имеют заметное поглощение в области 600-700 нм (рис. 2), которое характерно для азуленовых производных, в частности хамазулена, зафиксированного в малых количествах хроматографически [16].
Результаты хромато-масс-спектрометрического анализа (табл. 2-4) показали, что в состав эфирного масла Ртив БШпса входит не менее 94 индивидуальных соединений, 59 из которых были надежно идентифицированы. Как следует из представленных данных, среди идентифицированных компонентов цельного эфирного масла три имеют массовые концентрации более 10%: альфа-пинен, лимонен и дельта-кадинен; с концентрацией 1-10% было обнаружено 11 веществ, с концентрацией 0,1-1% - 38 веществ; 2 компонента присутствуют в концентрациях менее 0,1%.
Компонентный состав отдельных фракций эфирного масла свидетельствует о том, что по мере отгонки масла в нем закономерно изменяется содержание отдельных компонентов. В таблице 3 приведен компонентный состав первой фракции эфирного масла (получена в течение первых 3 ч отгонки масла), а в таблице 4 - компонентный состав фракции, полученный в течение последних 4 ч отгонки масла.
Из представленных данных видно, что по мере выделения эфирного масла из древесной зелени его состав обогащается сесквитерпеновыми соединениями и обедняется монотерпеновыми соединениями.
Рис. 1. Зависимость выхода эфирного масла Ртив БШпса от продолжительности гидропародистилля-ции (цифрами указаны периоды процесса)
Рис. 2. Фрагмент электронного спектра в видимой области фракции эфирного масла Ртив БШпса, полученной в период 20-24 ч процесса гидропародистилляции
Таблица 1. Данные по динамике выделения эфирного масла Ртив БЛтса при гидропародистилляции
№ фракции Время отбора фракции, ч Масса выделившегося масла, г Выход, в % от цельного масла Показатель преломления, при 20 °С
1 0,5 1,2 11,65 1,4670
2 2,5 2,7 26,22 1,4645
3 7,5 3,9 37,86 1,4645
4 13,5 1,2 11,65 1,4725
5 19,5 1,0 9,71 1,4835
6 24 0,3 2,91 1,4837
7 28 0 0 -
ИТОГО 28 10,3 - 1,4705
Таблица 2. Компонентный состав эфирного масла Ріпия БіЬігіса
№ Время удерживания, мин Линейные индексы удерживания Компонент Содержание, в % от цельного эфирного масла
1 9,893 921 трициклен 0,12
2 10,333 932 а-пинен 26,84
3 10,883 947 камфен 0,59
4 11,940 975 Р-пинен 1,19
5 12,428 991 Р-мирцен 0,60
6 12,986 1004 а-фелландрен 0,67
7 13,219 1010 3-карен, 0,53
8 13,467 1017 а-терпинен 0,35
9 13,782 1024 п-цимен 0,22
10 13,954 1028 лимонен 11,41
11 14,127 1033 бензиловый спирт 0,28
12 15,124 1058 у-терпинен 0,12
13 16,311 1086 изотерпинолен 1,07
14 19,416 1166 борнеол 0,21
15 19,846 1177 терпинен-4-ол 0,18
16 20,343 1191 а-терпинеол 1,40
17 21,961 1236 метилтимоловый эфир 0,33
18 23,942 1287 борнилацетат 0,83
19 26,201 1351 а-терпинеол ацетат 0,53
20 26,407 1352 а-лонгипинен 0,48
21 27,112 1372 а-иланген 0,22
22 27,268 1378 а-копаен 0,53
23 27,802 1392 Р-элемен 0,51
24 28,186 1401 Р-лонгипинен 0,09
25 28,425 1408 лонгифолен 0,14
26 28,848 1422 кариофиллен 0,75
27 29,144 1432 Р-копаен 0,28
28 29,514 1440 аромадендрен 0,71
29 29,869 1452 транс-мурола-3,5-диен 0,24
30 30,008 1456 гумулен 0,35
31 30,221 1465 ^иомурола-4(14),5-диен 0,38
32 30,515 1469 9-эпи-кариофиллен 0,15
33 30,616 1480 у-муролен 0,75
34 30,707 1482 а-аморфен 4,71
35 30,922 1484 гермакрен-Д 1,12
36 31,315 1496 у- аморфен 2,03
37 31,469 1502 а-муролен 3,33
38 31,970 1517 у-кадинен 5,32
39 32,226 1527 5-кадинен 14,23
40 32,711 1541 а-кадинен 0,65
41 32,914 1546 а-калакорен 0,90
42 33,046 1553 элемол 0,62
43 33,566 1565 Р-калакорен 0,50
44 34,059 1580 спатуленол 0,09
45 34,561 1593 виридифлорол 0,21
46 35,202 1618 1,10-ди-эпи-кубенол 0,29
47 35,411 1620 джуненол 0,29
48 35,601 1632 1-эпи-кубенол 0,33
49 35,976 1643 т-кадинол 0,70
50 36,113 1649 5-кадинол 4,63
51 36,393 1658 а-кадинол 0,73
52 37,202 1686 а-бисаболол 4,61
53 37,508 1694 акоренон 1,24
54 44,304 1937 кембрен 0,42
Таблица 3. Компонентный состав первой фракции эфирного масла Ртия Б1Ътса
№ Время удерживания, мин Линейные индексы удерживания Компонент Содержание, в % от цельного эфирного масла
1 10,317 932 а-пинен 49,86
2 10,876 947 камфен 1,17
3 11,935 975 Р-пинен 4,10
4 12,424 991 Р-мирцен 1,35
5 13,212 1010 3-карен, 0,89
6 13,943 1028 лимонен 29,86
7 14,136 1033 бензиловый спирт 0,32
8 16,307 1086 изотерпинолен 1,19
9 18,922 1158 декан-2-он 0,46
10 20,621 1199 метилкавиколовый эфир 0,58
11 21,953 1236 метилтимоловый эфир 0,34
12 23,939 1287 борнилацетат 0,86
13 26,192 1351 а-терпинеол ацетат 0,31
14 26,400 1352 а-лонгипинен 0,52
15 30,915 1484 гермакрен-Д 1,44
16 31,436 1500 бициклогермакрен 1,33
17 31,635 1511 Р-бисаболен 0,87
18 31,961 1517 у-кадинен 1,14
19 32,208 1527 5-кадинен 2,71
20 35,961 1649 5-кадинол 0,70
Таблица 4. Компонентный состав последней фракции эфирного масла Ртия БШпса
№ Время удерживания, мин Линейные индексы удерживания Компонент Содержание, в % от цельного эфирного масла
1 2 3 4 5
1 10,319 932 а-пинен 2,45
2 10,888 947 камфен 0,10
3 11,942 975 Р-пинен 0,52
4 12,429 991 Р-мирцен 0,27
5 12,987 1004 а-фелландрен 0,22
6 13,222 1010 3-карен, 0,17
7 13,465 1017 а-терпинен 0,11
8 13,958 1028 лимонен 7,26
9 14,138 1033 бензиловый спирт 0,09
10 15,127 1058 у-терпинен 0,07
11 16,315 1086 изотерпинолен 0,53
12 19,419 1166 борнеол 0,10
13 19,863 1177 терпинен-4-ол 0,09
14 20,347 1191 а-терпинеол 1,28
15 21,966 1236 метилтимоловый эфир 0,18
16 23,945 1287 борнилацетат 0,24
17 26,203 1351 а-терпинеол ацетат 0,14
18 26,286 1351 а-кубебен 0,13
19 26,409 1352 а-лонгипинен 0,49
20 27,113 1372 а-иланген 0,18
21 27,274 1378 а-копаен 0,54
22 27,625 1388 Р-бурбонен 0,06
23 27,790 1392 Р-элемен 0,20
24 28,187 1401 Р-лонгипинен 0,13
25 28,433 1408 лонгифолен 0,16
26 28,853 1422 кариофиллен 1,18
27 29,149 1432 Р-копаен 0,51
28 29,520 1440 аромадендрен 1,76
29 29,715 1448 ^иомурола-3,5-диен 0,18
30 29,877 1452 га^акс-мурола-3,5-диен 0,48
31 30,013 1456 гумулен 0,38
32 30,226 1465 ^иомурола-4(14),5-диен 0,72
33 30,517 1469 9-эпи-кариофиллен 0,32
Продолжение таблицы 4
1 2 3 4 5
34 30,619 1480 у-муролен 1,20
35 30,717 1482 а-аморфен 5,93
36 30,934 1484 гермакрен-Д 0,59
37 31,322 1496 у-аморфен 2,65
38 31,477 1502 а-муролен 3,49
39 31,725 1509 5-аморфен 1,28
40 31,985 1517 у-кадинен 8,89
41 32,251 1527 5-кадинен 20,85
42 32,556 1536 га^акс-кадина-1,4-диен 1,01
43 32,715 1541 а-кадинен 1,18
44 32,925 1546 а-калакорен 0,58
45 33,052 1553 элемол 0,23
46 33,565 1565 Р-калакорен 0,34
47 34,074 1580 спатуленол 0,31
48 34,290 1587 глобулол 1,34
49 34,561 1593 виридифлорол 0,81
50 35,207 1618 1,10-ди-эпи-кубенол 0,61
51 35,427 1620 джуненол 0,73
52 35,605 1632 1-эпи-кубенол 1,65
53 36,001 1643 т-кадинол 9,84
54 36,125 1649 5-кадинол 1,52
55 36,410 1658 а-кадинол 10,21
56 37,213 1686 а-бисаболол 2,92
57 37,508 1694 акоренон 0,18
58 44,306 1937 кембрен 0,42
Выводы
1. Изучена динамика процесса выделения эфирного масла из свежей древесной зелени сосны сибирской. Показано, что процесс полного выделения всех компонентов масла протекает в условиях проведен -ного эксперимента не менее 24 ч.
2. Методом хромато-масс-спектометрии идентифицировано более 50 основных компонентов полученного масла. Показано, что компонентный состав эфирного масла из древесной зелени сосны сибирской заметно изменяется с течением времени его получения - возрастает содержание сесквитерпеновых углеводородов, причем последние фракции обогащаются азуленовыми производными.
Список литературы
1. Суходолов А.П. Лесные ресурсы Сибирского федерального округа: эффективность использования // Ресурсы регионов России. 2001. №5. С. 13-16.
2. Исаев А.С. Лесной комплекс в составе производительных сил Сибири // Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса : матер. Всерос. конф. Красноярск, 1985. С. 6-22.
3. Левин Э.Д., Репях С.М. Переработка древесной зелени. М., 1984, 120 с.
4. ВойткевичС.А., ХейфицЛА. Отдревних благовоний к современным парфюмерии и косметике. М., 1997. 215 с.
5. Лоулес Д. Энциклопедия ароматических масел. М., 2000. 287 с.
6. Лир X., Польстер Г., Фидлер Г.И. Физиология древесных растений. М., 1974. 422 с.
7. Мамаев С.А. Формы внутривидовой изменчивости древесныхрастений. М., 1972. 284 с.
8. Пигулевский Г.В. Образование и превращение эфирных масел и смол у хвойных. Л., 1939. 107 с.
9. Чуркин С.П. Изучение состава эфирного масла сосны обыкновенной // Экстрактивные вещества древесных
пород Сибири. Красноярск, 1972. С. 42-47.
10. Кисловская Т.П. Биологически активные вещества культур сосны и ели среднего Урала // Лесные биологические вещества : матер. межд. семинара . Хабаровск, 2001. С. 296-297.
11. Колесникова Р. Д., Тагильцев Ю.Г. Особенности химического состава и физико-химических характеристик хвойных эфирных масел разных стран мира // Лесные биологические вещества : матер. межд. семинара . Хабаровск, 2001. С. 202-207.
12. Ткачев А.В. Исследование летучих веществ растений. Новосибирск, 2008. 969 с.
13. ГОСТ 21769-84. Зелень древесная. М., 1984. 5 с.
14. Славянский А.К., Шарков В.И., Ливеровский А.А. и др. Химическая технология древесины. М., 1962. 577 с.
15. ГОСТ 24027.2-80. Сырье лекарственное растительное. М., 1980. 27 с.
16. Куцик Р.В., Зузук Б.М Тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium L. (Аналитический обзор) // Провизор. 2002. №14. С. 33-39.
Поступило в редакцию 27 апреля 2010 г.
