CC BY
51
УДК 634.0.861
ПОЛУЧЕНИЕ АНТОЦИАНИДИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ ИЗ ЛУБА КОРЫ БЕРЕЗЫ BETULA PENDULA ROTH.
© В.А. Левданский, Б.Н. Кузнецов
Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия), е-mail: inm@icct.ru
Красноярский государственный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041 (Россия)
Обработкой обессмоленного луба березовой коры 96% этиловым спиртом, содержащим соляную кислоту, получены окрашенные антоцианидины с выходом до 13-15% от массы абсолютно сухого луба. В составе получаемых антоцианидинов преобладают цианидинхлорид и дельфинидинхлорид, суммарное содержание которых достигает 70-75%.
Авторы выражают благодарность ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (госконтракт №43.044.11.12638 от 31. 01. 2002 г.), Интеграционной программе СО РАН (проект №33) и программе «Университеты России» (проект УР №05.01.012) за поддержку выполненного исследования.
Введение
Одним из наиболее распространенных классов экстрактивных веществ, содержащихся в коре различных пород древесины, являются фенольные соединения, к которым относятся простые фенолы, стильбены, лигнаты, дубильные вещества, а также большая группа флаваноидных соединений [1]. К последней принадлежат антоцианидиновые соединения, придающие растениям, цветам, плодам различную окраску [2].
Антоцианидиновые соединения обладают биологической активностью. В медицине используются нетоксичные фармокологические композиции на основе антоцианидинов, обладающие противовоспалительным, заживляющим и повышающим защитные свойства организма действием. Антоцианидиновые соединения широко применяются в качестве пищевых красителей.
В настоящее время антоцианидины получают из ягод, овощей (например, свекла и морковь) и различных плодов [3]. Однако те же самые соединения содержатся в коре различных пород древесины.
Важное значение при получении и выделении антоцианидинов из растительного сырья имеют реакции окисления и восстановления, устанавливающие тесную связь данных красящих веществ с флавонами и катехинами согласно следующей схеме [4]:
восстановление восстановление
флавонол ^ *“ янтопианиди^ *“ катехин
окисление окисление
В древесной коре красящие вещества содержатся в различных формах и чаще всего связаны с сахарами, лигнином и другими веществами, находящимися в коре. Для их выделения используют экстрактивные методы. Экстракция растворителем (например, этанолом) в присутствии минеральных кислот (HCl, H2SO4) способствует переводу связанных красящих веществ в свободное состояние, отщеплению сахаров и окислению веществ, находящихся в лейкоформе, до окрашенных антоцианидинов [3].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Известно, что луб коры березы содержит лейкоантоцианидины в количестве до 4%, а также дубильные вещества [5]. Последние представляют собой смешанные полимеры, построенные на основе катехинов и лейкоантоцианидинов, прототипом которого являются проантоцианидины [2] (рис. 1).
Рис. 1. Структура конденсированных дубильных веществ (R = H - полимерный процианидин; R = ОН -полимерный продельфинидин)
Ранее была показана возможность извлечения антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы путем обработки коры этанолом, содержащим соляную кислоту [6, 7]. В настоящем исследовании проведена оптимизация процесса получения антоцианидинов из луба коры березы.
Экспериментальная часть
В исследованиях использовали луб коры березы повислой (Betula pendula Roth.), заготовленной в окрестностях Красноярска. Исходный луб имел следующий химический состав (% от абсолютно сухого вещества): экстрагируемые водой вещества 12,63 (в том числе танниды 5,37), легкогидролизуемые полисахариды 26,29, трудногидролизуемые полисахариды 19,64, лигниновые вещества 39,13, смолистые вещества 3,10, минеральные вещества 3,32.
В экспериментах по экстракции использовали луб березовой коры, измельченный в дезинтеграторе до следующих фракций: менее 1, от 1 до 2 и от 2 до 3 мм. Измельченный луб предварительно обессмоливали обработкой гексаном в аппарате Сокслета в течение 6-8 часов. Степень извлечения смолистых веществ при этом составляла от 95 до 96%. Антоцианидиновые красители получали в круглодонной колбе объемом 1 л, снабженной мешалкой и обратным холодильником, путем обработки навески предварительно обессмоленного луба (10 г) 96% этиловым спиртом (80-140 мл), содержащим от 0,5 до 4,0% соляной кислоты при температуре кипения смеси.
Для качественной идентификации содержащихся в красителе антоцианидинов использовали хроматографию на бумаге. Количественное разделение смеси антоцианидинов осуществляли на колонке с полиамидным сорбентом, причем элюирование осуществляли 80% метанолом, содержащим 0,01% соляной кислоты по методике [7].
Анализ химического состава луба березовой коры проводили по общепринятым в химии древесины методикам [8].
Результаты и обсуждение
Содержание лейкоантоцианидинов и конденсированных катехинов в лубе коры березы составляет 1213%. При их кислотном гидролизе образуются мономолекулярные соединения катехиновой группы, которые в свою очередь при окислении в кислой среде образуют антоцианидиновые соединения.
Для оптимизации процесса получения антоцианидиновых красителей из луба коры березы был использован метод математического планирования эксперимента [9]. Процессы, протекающие при окислении лейкоантоцианидинов и деполимеризации конденсированных катехинов луба березовой коры могут быть охарактеризованы зависимостью выхода антоцианидиновых красителей от различных технологических факторов. В качестве таких факторов были выбраны расход этилового спирта, концентрация соляной кислоты и продолжительность процесса (табл. 1).
Как следует из представленных в таблице 2 данных, максимальный выход антоцианидинового красителя достигается при расходе этилового спирта 12 мл на 1 г коры и не возрастает при его дальнейшем увеличении.
При изучении зависимости выхода антоцианидинового красителя от продолжительности обработки луба реакционной смесью установлено, что его максимальная величина достигается в течение 210 мин (рис. 2).
В таблице 3 представлены данные по влиянию концентрации соляной кислоты на выход антоцианидинового красителя при фиксированном расходе спирта и продолжительности обработки. Максимальный выход красителя достигается при содержании HCl в этиловом спирте 3,0-3,5% и снижается при дальнейшем увеличении концентрации кислоты.
Таблица 1. Влияние технологических факторов на выход антоцианидиновых красителей из луба коры березы (температура обработки 78 °С)
№ п/п Расход Продолжительность процесса, мин Выход антоцианидинового красителя, %
Луб березовой коры, г Этиловый спирт, мл Соляная кислота, %
1 10,0 80 0,5 120 4,3
2 10,0 90 1,0 150 5,6
3 10,0 100 1,5 180 8,8
4 10,0 110 2,0 210 12,5
5 10,0 120 3,0 240 14,7
6 10,0 130 3,5 270 13,6
7 10,0 140 4,0 300 13,2
8 10,0 100 2,5 120 9,0
9 10,0 100 3,0 120 10,1
10 10,0 100 3,5 120 11,2
11 10,0 100 4,0 120 11,4
12 10,0 110 2,5 180 11,8
13 10,0 110 3,0 180 13,0
14 10,0 110 3,5 180 12,8
15 10,0 110 4,0 180 12,3
16 10,0 110 2,5 210 12,4
17 10,0 110 3,0 210 14,7
18 10,0 110 3,5 210 14,8
19 10,0 120 2,5 180 12,6
20 10,0 120 3,0 180 14,8
21 10,0 120 3,5 180 14,9
22 10,0 120 4,0 180 14,5
23 10,0 130 2,5 180 12,3
24 10,0 130 3,0 180 14,6
25 10,0 130 3,5 180 15,0
26 10,0 130 4,0 180 14,3
27 10,0 130 2,5 210 13,2
28 10,0 130 3,0 210 14,3
29 10,0 130 3,5 210 14,2
30 10,0 130 3,0 210 12,8
Таблица 2. Влияние расхода этилового спирта на выход антоцианидинового красителя из луба коры березы (концентрация HCl - 3,5%, продолжительность обработки - 210 мин)
Эксперимент 1 2 3 4 5 6 7
Расход этилового спирта, мл/г коры 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
Выход антоцианидинового красителя, % от веса а.с. луба 8,3 9,8 12,1 13,8 14,8 14,7 14,8
Таблица 3. Влияние концентрации соляной кислоты в этаноле на выход антоцианидинового красителя из
луба коры березы (расход спирта - 12 мл/г луба, продолжительность обработки - 210 мин)
Эксперимент 1 2 3 4 5 6 7 8
Концентрация HCl (%) в этиловом спирте 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Выход антоцианидинового красителя, % от веса а.с. луба 7,2 9,9 11,1 12,8 13,9 14,9 14,8 14,1
1 4
1 2 1 0 8 6 4 2 0
18 0 2 10 2 4 0
Время,мин
Рис. 2. Зависимость выхода антоцианидинового красителя из луба коры березы от продолжительности обработки (концентрация НС1 3,5%)
В результате выполненного исследования установлено, что наиболее высокий выход антоцианидинового красителя (13-15% от массы а.с. луба) достигается при использовании фракции сырья менее 3 мм, температуре 75 °С, расходе спирта 12 мл/г луба, концентрации HCl 3,0%, гидромодуле 10, продолжительности обработки 210 мин.
В колонке с полиамидным сорбентом осуществлено разделение антоцианидинов, входящих в состав красителя из луба коры березы. По ходу движения элюента (80% метанола, содержащего 0,01% соляной кислоты) в колонке наблюдали две четко выраженные зоны окрашивания. После отбора этих двух фракций и их упаривания досуха были получены соединения I и II.
В УФ спектре соединения I наблюдается максимум поглощения в области, близкой к 537 нм, что характерно для цианидинхлорида [3]. Соединению II соответствует максимум в области около 547 нм, который относится к дельфинидинхлориду.
OH
(I)
(II)
Общее содержание цианидинхлорида и дельфинидинхлорида в красителе, выделенном из луба коры березы, составляет 70-75%. По своему составу этот антоцианидиновый краситель соответствует выделенному из обессмоленной коры лиственницы [7].
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
Семенов А.А. Очерк химии природных соединений. Новосибирск, 2000. 664 с.
Запрометов М.Н. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях. М., 1993. 272 с. Танчев С.С. Антоцианы в плодах и овощах. М., 1980. 304 с.
Ветчинкин А.Р. Естественные органические красящие вещества. Саратов, 1966. 250 с.
Бондаренко С.М., Долгодворова С.Я., Черняева Г.Н. Лейкоантоцианидины коры березы // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. 1989. Т. 1. С. 86-90.
Левданский В.А., Полежаева Н.И., Макиевская А.И., Кузнецов Б.Н. Выделение и изучение состава антоцианидинов коры пихты // Химия в интересах устойчивого развития. 2000. Т. 8. №6. С. 823-827. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Кузнецов Б.Н. Новые методы комплексной переработки древесной коры в ценные химические продукты // Сборник научных трудов / Институт химии и химической технологии СО РАН. Красноярск, 2001. С. 161-175.
Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. Красноярск, 2003. 248 с.
Поступило в редакцию 22 мая 2004 г.
После переработки 5 июня 2004 г.
