CC BY
228
УДК 630*86.002.2(0785.8)
ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ И КОРЫ ПИХТЫ СИБИРСКОЙ С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОДУКТОВ
В.М. Ушанова
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049 г. Красноярск, пр. Мира, 82, e-mail: ushanova_vm@mail.ru
В работе предложена переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением биологически активных продуктов (углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, эфирного масла, хвойной пасты, хвойно-соляных брикетов) и утилизацией твердых остатков с получением биопрепаратов защиты растений (триходерминов).
Ключевые слова: пихта, древесная зелень, кора, использование, получение, экстракция, биологически активные продукты, биопрепараты защиты растений
Processing of wood greenery and bark of Abies sibirica with receipt of biollogically active products (carbon dioxide, water and spirit extracts, essential oil, conifer paste, conifer-salt briquettes) and recycling of solid remains with the receipt of biologi-cals for protection of plants (trichodermins) are investigated in the article.
Key words: abies, wood greenery, bark, extraction, use, receiption, extraction, biollogically active products, biologicals for protection of plants
ВВЕДЕНИЕ
Пихта сибирская (Abies sibirica Ledb.) является важнейшей лесообразующей породой. Хотя леса с преобладанием пихты редки, но в смеси с кедром и елью широко распространены. В Красноярском крае хвойные леса составляют 84,1 % от общего запаса лесных насаждений. На долю елово-пихтовых насаждений приходится 16,0 %. При заготовке и переработке древесины, а также рубках ухода образуются отходы, составляющие в среднем 13,5 %. Такими отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской (Лесной план..., 2009). Древесная зелень содержит комплекс веществ, обладающих высокой биологической активностью.
В промышленных масштабах из ДЗ получают эфирное масло. Отходы ДЗ пихты можно использовать для выработки витаминной муки, белково-витаминных концентратов, углеводистого корма, которые являются важными кормовыми добавками в рационе сельскохозяйственных животных.
Химическая переработка ДЗ хвойных позволяет расширить ассортимент получаемых продуктов (хлорофиллокаротиновая паста, хлорофиллин натрия, хвойный воск, хвойный лечебный экстракт, хвойно-соляной экстракт).
При экстрагировании ДЗ и коры пихты жидким диоксидом углерода получают продукты, применяемые в пищевой промышленности, медицине, производстве композиций для изделий парфюмерно-косметической и бытовой химии. Использование жидкого диоксида углерода позволяет извлекать эфирные масла, ароматические и другие БАВ (Ушанова, 2007; Рубчевская, 2004).
Кору пихты применяют в качестве сырья для получения эфирного масла. Выход его из коры пихты сибирской составляет от 1,4 до 3,3 % (к массе а.с.с.) (Степень, 1989; Левданский, 2006). Эфирное масло из коры пихты отличается от масла из ДЗ пихты
большим непостоянством химического состава.
Древесные отходы можно утилизировать, используя методы биоконверсии. Успешно утилизирующими растительные остатки микромицетами являются виды рода Trichoderma, способные утилизировать целлюлозосодержащие материалы. Под влиянием грибов происходит биодеструкция растительных субстратов в природной среде, что используется при решении биотехнологических задач, связанных с биоконверсией промышленных отходов. Применение грибов рода Trichoderma представляют интерес для получения биологических препаратов защиты растений (триходерминов). Процесс производства биопрепарата включает следующие операции: подготовку посевного материала и питательной среды; культивирование Trichoderma sp. на питательной среде; ферментацию на сыпучих средах; сушку, фасовку и упаковку триходермина (Заика, 2006; Садыкова, 2003; Бондарь, 2007, 2008).
Целью данной работы является расширение ассортимента продукции, получаемой при переработке ДЗ и коры пихты на основе экологически безопасных экстрагентов, и утилизация твердых остатков методами биоконверсии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследования служили ДЗ и кора пихты, являющиеся отходами лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Для эксперимента использовали ДЗ и кору пихты сибирской (Abies sibirica Ledb.), произрастаюшую на территории Красноярского края. Модельные деревья отбирали в естественных древостоях. Пробные площадки находились в Емель-яновском лесхозе, расположенном на территории Красноярского края в пределах Южно-таежной подзоны дерново-подзолистых почв, а также в учебно-
опытном лесхозе Сибирского государственного технологического университета. Общую пробу составляли из ДЗ, отобранную со всех модельных деревьев. Для проведения эксперимента отбирали ДЗ по ГОСТ 21769-84. Кору пихты автотранспортом доставляли на место переработки.
Древесную зелень и кору, а также послеэкс-тракционные остатки анализировали по общепринятым в химии древесины методикам. Экстракцию жидким диоксидом углерода проводили при температуре 18-22 оС и давлении 5,6-6,0 МПа в течение 46 ч, что позволяет перевести в экстракт из растительного сырья комплекс БАВ и ароматических веществ без изменений. При снятии давления экстра-гент легко и быстро улетучивается из отработанного сырья и мисцеллы. Остается сумма экстрактивных веществ, не нуждающаяся в дополнительной обработке. После экстрагирования жидким диоксидом углерода в шроте сохраняются почти все водорастворимые вещества и часть органорастворимых веществ. Такое отработанное сырье дополнительно экстрагируется водой (с получением водного экстракта) и водно-спиртовыми растворами. Спиртовые экстракты перерабатывали с получением хвойной пасты.
После выделения экстрактивных веществ из ДЗ и коры пихты остается около 70 % не утилизированного послеэкстракционного остатка. Одним из направлений его утилизации является метод биоконверсии. Для выполнения исследований использовали штаммы грибов рода Trichoderma коллекции культур Центра биотехнологии и микологии Сибирского государственного технологического университета: Trichoderma asperellum (Samuels) штамм МГ 97/6 (ВКПМ F-878) и Trichoderma harzianum (Rifai) штамм М 99/5 (ВКПМ F-888), обладающие высокой антагонистической активностью к фитопатогенам рода Fusarium и рекомендованные как продуценты для получения биопрепаратов триходерминов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ
В работе представлены различные способы переработки отходов пихты с получением продуктов, содержащих БАВ. Древесную зелень пихты (1,5 т) обрабатывали острым паром при температуре 110120 оС в течение 12-14 ч, при этом получали 23-25 кг эфирного масла, 258-260 кг кубовой жидкости, 497500 кг флорентинной воды.
Кубовую жидкость использовали для получения хвойного водного экстракта. Для этого кубовую жидкость упаривали, добавляли эфирное масло и получали хвойный водный экстракт (50 кг). Полученный водный экстракт соответствует ТУ 81-05-9770 на экстракт хвойный натуральный.
Кроме этого упаренную кубовую жидкость использовали для получения хвойно-соляного экстракта. Упаренный экстракт (50 кг) переливали в реактор с мешалкой и добавляли к горячему раствору 3,15 кг
хлористого натрия, то есть в количестве 1,0:1,0 в отношении сухого вещества экстракта. После полного растворения соли (в течение 30 мин.) полученный раствор сушили в сушилке при 100 оС. Получали 19 кг хвойно-соляного экстракта черно-зеленого цвета с приятным хвойным запахом, который расфасовывали по 50 г в полиэтиленовые пакеты.
После отгонки эфирного масла остаток ДЗ экстрагировали 70-94 %-м раствором этилового спирта при температуре 60-78 оС в течение 2,5-4 ч (соотношение твердое вещество: жидкость 1:3 - 1:5). Получали от 229 до 340 кг спиртового экстракта с содержанием экстрактивных веществ 31,94-41,62 %. Внешний вид спиртового экстракта - жидкость темно-зеленого цвета. Экстракт охлаждали и отстаивали в течение 12 ч. Охлажденный экстракт фильтровали с отделением воскообразных веществ, упаривали и разделяли на два слоя: нижний - водный и верхний, содержащий липидные компоненты. Водный слой упаривали до плотности 1225 кг/м3 и получали водный хвойный экстракт. Спиртовый экстракт, после упаривания и отгонки следов растворителя, использовали для получения хвойной пасты (127,7 кг). Полученный продукт, хвойную пасту, сравнивали с хлорофиллокаротиновой пастой. Результаты показали, что полученная хвойная паста не уступает требованиям ГОСТ 21802-76. Хвойная паста может использоваться в качестве биоактивных добавок в косметические изделия и к кормам сельскохозяйственных животных.
Твердый остаток после экстрагирования этиловым спиртом высушивали, измельчали и из него готовили витаминную муку (350 кг).
Используемый раствор этилового спирта регенерируется и может повторно использоваться в производстве. Коэффициент регенерации 0,75-0,80.
В зависимости от поставленных задач возможны и другие варианты переработки отходов пихты. Повысить эффективность переработки ДЗ пихты можно за счет сокращения продолжительности экстракции и получения продуктов с высоким содержанием БАВ (Пат. 2228116). Одним из продуктов, получаемым по данной технологии, является углекислотный экстракт. Известно, что СО2-экстракты являются очень ценными продуктами и могут иметь множество разнообразных областей применения, таких как фармацевтическая, пищевая, парфюмерно-косметическая, медицинская, ветеринарная и другие.
Свежую ДЗ пихты (7 кг) измельчали и экстрагировали на первой стадии жидким диоксидом углерода в течение 4 ч при температуре 22 оС и давлении 6,0 МПа при соотношении сырье: экстрагент 1:5. Выход продукта составил 3,20 % (от массы а.с.с.). Получали углекислотный экстракт в виде густой маслянистой жидкости зелено-коричневого цвета с характерным запахом пихты.
Углекислотный экстракт из древесной зелени пихты соответствует требованиям технических условий ТУ 2455 - 034 - 02067903 - 2007. Результаты сравнения продуктов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнительные показатели углекислотных экстрактов из древесной зелени пихты
Наименование показателя Норма Полученный продукт
1-й сорт 2-ой сорт
маслянистая жидкость от оливково- маслянистая жидкость зелено-коричневого цвета
Внешний вид и цвет зеленого до оранжево-коричневого цвета
Запах характерный для хвои пихты характерный для хвои пихты
Массовая доля воды, %, не более 10,0 15,0 3 ± 1
Плотность , кг/м3, (20+2) 0С 940 - 990 929 - 999 958 ± 6
Показатель преломления, при (20+2) 0С Кислотное число, мг КОН, не более 1,4902 - 1,4982 50,0 1,4700 - 1,5120 70,0 1,495 ± 0,001 35 ± 2
Эфирное число, мг КОН, не менее 60,0 50,0 63 ± 4
Содержание летучих веществ, нерастворимых в воде, %, не менее 22,0 18,0 50 ± 2
Карбонильное число, мг КОН, не менее 30,0 20,0 46 ± 1
По органолептическим и физико-химическим показателям углекислотный экстракт соответствует нормам, указанным в таблице 1.
Подсушенный твердый остаток (на второй стадии) экстрагировали 94 %-м раствором этилового спирта при атмосферном давлении, темпера-
туре 78 оС в течение 2,5 ч при соотношении сырье: экстрагент 1:3. Полученный спиртовый экстракт сравнивали с экстрактом, полученным из древесной зелени пихты по ТУ 2455-03102067903 - 2007. Результаты сравнения представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Сравнительные показатели спиртовых экстрактов из древесной зелени пихты
Наименования показателя
Характеристика и нормы_Полученный продукт
Внешний вид и цвет Запах
Плотность, кг/м3, (20+2) 0С Показатель преломления при (20+2) 0С Выход экстрактивных веществ, % не менее Кислотное число, мг КОН г Эфирное число, мг КОН г_
жидкость темно-зеленого цвета пихты 820-900 1,3628-1,3785 15,0 1,0-20,0 20,0-50,0
жидкость темно-зеленого цвета пихты 829 ± 4 1,368 ± 0,001 25 ± 3 16,9 ± 0,5 21 ± 1
По органолептическим и физико-химическим показателям спиртовый экстракт соответствует нормам, указанным в таблице 2.
Большинство применяемых способов утилизации ДЗ и коры отличаются низкой степенью извлечения экстрактивных веществ, сложностью и мно-гостадийностью их выделения и разделения, а также не позволяют достичь полной утилизации основных компонентов коры. Количество экстрактивных веществ можно увеличить, используя последовательную экстракцию сырья разными по полярности растворителями. Так, при последовательной экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом выход экстрактивных веществ составил 25,0 %, а ДЗ пихты -33,1 %. Основная доля экстрактивных веществ, как для ДЗ (от 16,7 до 24,4 %), так и для коры пихты (16,4 %), приходится на спиртовый экстракт.
Твердый остаток ДЗ пихты после отгонки эфирного масла экстрагировали (на первой стадии) жидким СО2 и 94 %-м раствором этилового спирта (на второй стадии), как и из исходной древесной зелени пихты. Выход СО2-экстракта составил 3,5 %. Углекислотный экстракт представлял собой густую маслянистую жидкость красно-коричневого цвета с характерным запахом пихты. Выход спир-
тового экстракта составил 17,0 %. Спиртовый экстракт представлял собой жидкость оливкового цвета с характерным запахом пихты.
Для удаления водорастворимых компонентов (солей, сахаров, аминокислот и др.) из твердого остатка после экстракции жидким диоксидом углерода предусматривается предварительная экстракция водой. Важнейшими компонентами водных экстрактов являются углеводы, танниды, аскорбиновая кислота. Танниды легко выделяются и придают водным экстрактам коричневый цвет. Подсушенный твердый остаток после экстракции жидким диоксидом углерода экстрагировали (на второй стадии) водой при атмосферном давлении и температуре кипения растворителя в течение 4 ч при соотношении сырье : экстрагент (1:4). Выход продукта составил 6,8 % (от массы а.с.с.).
Упаренный водный экстракт удовлетворяет техническим требованиям.
Переработка коры пихты (Пат. 2067977) предусматривает получение углекислотного экстракта и мальтола. Полученный углекислотный экстракт из коры пихты (6,0 %) соответствовует требованиям технических условий ТУ 2455 - 033 - 02067903 -2007. Результаты сравнения продуктов представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Сравнительные показатели углекислотных экстрактов из коры пихты
Наименование показателя
Норма
Полученный продукт
Внешний вид и цвет Запах
Массовая доля воды, %, не более Плотность , кг/м3, (20+2) 0С Показатель преломления, при (20+2) 0С Кислотное число, мг КОН, не более Эфирное число, мг КОН, не менее Содержание летучих веществ, нерастворимых в воде, %, не менее
Карбонильное число, мг КОН, не менее_
маслянистая жидкость от оранжево-желтого до оливково-зеленого цвета древесно-смолистый 10,0 940 - 990 1,4902 - 1,5230 50,0 60,0
22,0
20
маслянистая жидкость оранжево-желтого цвета древесно-смолистый 2 ± 1 943 ± 3 1,5001 ± 0,001 33 ± 2 54 ± 6
35 ± 2
35 ± 2
По органолептическим и физико-химическим показателям углекислотный экстракт соответствует нормам, указанным в таблице 3.
При экстракции жидким диоксидом углерода происходит извлечение почти всего эфирного масла, содержащегося в коре пихты, а в спиртовом экстракте обнаружены только его следы.
На основании проведенных исследований разработан регламент на производство углекислотных экстрактов и технические условия на СО2-экс-тракты, водный и спиртовой экстракты из ДЗ и коры пихты сибирской.
Экстракция жидким диоксидом углерода отходов лесного комплекса является высокоэффективным и прогрессивным процессом и позволяет получать ценные концентраты ароматических и биологически активных веществ. Перспективным является создание новых видов биокосметики на основе СО2-экстрактов и изучения их свойств. С использованием СО2-экстрактов нами разработаны и защищены авторскими свидетельствами биокосметические изделия (Пат. 2252017, Пат. 2319478).
Результаты исследований углекислотного и водно-спиртового экстрактов на токсичность показали, что данные препараты характеризуются низкой токсичностью и их можно отнести к классу малотоксичных соединений.
ДЗ и кору пихты как исходную, так и после экстракции жидким диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом использовали в качестве субстратов для твердофазной ферментации штаммами грибов рода Trichoderma с получением биопрепаратов защиты растений. Культивированием штамма МГ-97/6 Trichoderma asperellum Samuels получен биологический препарат триходермин. Полевые испытания биопрепаратов на основе грибов рода Trichoderma проводили в Мининском лесном питомнике, расположенном на территории Мининского опытного лесного хозяйства. Испытания на посевах Picea obovata L опытных партий биопрепаратов, полученных путем твердофазной ферментации штамма МГ 97/6 Trichoderma asperellum на коре пихты и на коре пихты после СО2-экстракции, показали, что выход здоровых сеянцев Picea obovata L. в сравнении с контролем увеличился: при внесении трихо-дермина, полученного на коре пихты - в 4 раза; триходермина, полученного на коре пихты после СО2-экстракции - в 3,4 раза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана технология переработки ДЗ и коры пихты сибирской с использованием экологически безопасных экстрагентов (жидкий диоксид углерода, вода и этанол) с получением биологически активных продуктов: углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, эфирного масла, хвойной пасты, хвойно-соляных брикетов и биопрепарата защиты растений (триходермина).
Полученные СО2-экстракты использованы для получения косметических средств. Применение СО2-экстрактов позволяет расширить ассортимент продукции, создать новые препараты и повысить качество парфюмерно-косметической продукции.
ДЗ и кору пихты, а также их послеэкс-тракционные остатки использовали в качестве субстратов для твердофазной ферментации штаммами грибов рода Trichoderma с получением биопрепаратов защиты растений (триходерминов). Результаты испытаний биопрепаратов в Мининском лесном питомнике показали, что их использование увеличивает выход здоровых сеянцев, по сравнению с контролем, в три - четыре раза.
Результаты исследований запатентованы и внедрены. Рентабельность производства с получением биопрепаратов из ДЗ или коры пихты составляет 40 %. Срок окупаемости составляет 1,5 года.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бондарь, П. Н. Оценка возможности использования сибирских штаммов ТЫСНОБЕКМА для создания биопрепаратов защиты растений /П. Н. Бондарь, В. С. Садыкова, В. М. Ушанова //Всероссийская науч-но-практич. конф. «Лесной и химический комплексы
- проблемы и решения». - Красноярск, 2007. - Том 2.
- С. 7 - 11.
Бондарь, П. Н. Биотехнологические аспекты отбора штаммов ТЫСНОБЕКМА для создания прпепарптов для защиты растений /П. Н. Бондарь, В. С. Садыкова, В. М. Ушанова, А.Г. Савицкая //Новосибирский аграрный научно-образовательный производственный комплекс. Материалы международной научно-практич. конф. «Современные средства, методы и технологии защиты растений». - Новосибирск, 2008.
- С. 30 - 34.
Заика, Н. А. Эколого-биологическое обоснование скрининга грибов рода Trichoderma для получения и ис-
пользования биопрепаратов на растительных субстратах : автореф. дис. ... канд. биологич. наук / Заика Надежда Алексеевна. - Красноярск, 2006. -16 с.
Левданский, В. А. Комплексная переработка древесной коры с использованием процессов экстракции и взрывного автогидролиза : автореф. дис. ... докт. хи-мич. наук / Левданский Владимир Александрович. -Красноярск, 2006. - 40 с.
Лесной план Красноярского края [Электронный ресурс] / Красноярск, 2009. - 210 с. - Режим доступа: http://www.krskstate.ru/nature/wood/lespaln.
Пат. 2228116 Российская Федерация, МПК7 А 23 L 1/30, А 61 К 35/78, С 11 В 1/10. Способ получения биологически активных продуктов из древесной зелени пихты сибирской / Ушанова В. М., Шныткина М. И., Терентьев В. И., Репях С. М.; заявитель и патентообладатель СибГТУ. - № 2001120288/13; заявл. 19.07.2001; опубл. 10.05.2004, Бюл. № 13. - 3 с.
Пат. 2067977 Российская Федерация, МПК6 С 07 Б 309/40. Способ переработки коры хвойных деревьев / Ушанова В. М., Зиганшин А. В., Репях С. М.; заявитель и патентообладатель Красноярская гос. техно-логич. академия. - № 93045134/13; заявл. 17.09.93; опубл. 20.10.96, Бюл. № 29. - 3 с.
Пат. 2252017 Российская Федерация, МПК7 А 61 К 7/48, 7/00, 35/78. Косметическое средство и способ его по-
лучения / Ушанова В. М., Лебедева О. И., Мулява В. Е.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «СибГТУ». - № 2004118887/15; заявл. 22.06.2004; опубл. 20.05.2005, Бюл. № 14. - 8 с.
Пат. 2319478 Российская Федерация, , МПК7 А 61 К 8/97, А 61 К 8/31, А 61 Q 19/00. Косметическое средство / Ушанова В. М., Новицкий И. А., Иванов В. В., Оор-жак У. С.; патентообладатели Ушанова В.М., Новицкий И.А., Иванов В.В. - № 2007100632/15; заявл. 09.01.2007; опубл. 20.03.2008.; Бюл. № 8. - 3 с.
Рубчевская, Л. П. Биологически активные вещества угле-кислотных и пропан-бутановых экстрактов древесной зелени /Л. П. Рубчевская, В. М. Ушанова, Л. Н. Журавлева //Российский химич. журнал - 2004.- Т. ХЬУШ.- № 3. С. 80 - 83.
Степень, Р. А. Влияние некоторых факторов на выход и состав эфирного масла коры пихты сибирской / Р. А. Степень [и др.] // Химия древесины. - 1989. - № 4. -С. 102 - 106.
Садыкова, В. С. Изменчивость Trichoderma asperellum и отбор штаммов для создания биопрепаратов на гидролизном лигнине : автореф. дис. ... канд. биол. наук / Садыкова Вера Сергеевна. - Москва, 2003. - 20 с.
Ушанова, В. М. Углекислотные экстракты, как источники биологически активных вешеств / В. М. Ушанова, С. В. Ушанов, С. М. Репях // Монография. - Красноярск, 2007. - 159 с.
Поступила в редакцию 24 февраля 2012 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
