CC BY
52
Химия растительного сырья. 2006. №1. С. 41-44.
УДК 674.87:547.979.7
ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗЕЛЕНЫХ ПИГМЕНТОВ ПРИ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ ХВОЙНЫХ
© В.И. Антонов , В.И. Ягодин
Санкт-Петербургская лесотехническая академия, Институтский пер., 5, Санкт-Петербург, 194021 (Россия) e-mail:academy@home.m
Изучены характер и особенности превращений зеленых пигментов, происходящие в процессе экстракционной химической переработки еловой древесной зелени. Обработка экстрактивных веществ щелочным и кислотным реагентами приводит к полимеризации и окислению зеленых пигментов. При этом производные хлорофилла ассоциируются между собой, а также с дитерпеновыми и жирными кислотами, образуя олигомеры.
Введение
Процесс химической переработки древесной зелени включает около 150 операций, среди которых многократное нагревание и воздействие щелочными и кислотными реагентами. Проведение технологического процесса неизбежно связано с термическими и химическими превращениями пигментов и их потерями.
Ранее установлено, что при переработке еловой древесной зелени теряется около 8% зеленых пигментов [1], а также показано их распределение по продуктам в ходе химического разделения экстрактивных веществ [2].
Хлорофилл и его производные не растворимы в воде и хорошо растворяются в большинстве органических растворителей. При получении биологически активных продуктов экстрактивные вещества, растворенные в бензине, подвергаются щелочной обработке, а на последующих стадиях - воздействию кислоты [3]. Зеленые пигменты, являющиеся составной частью экстрактивных веществ и растворенные в бензиновом экстракте, находятся в окружении водной среды, содержащей реагенты, которые взаимодействуют с хлорофиллом и его производными. В результате получаются водорастворимые аналоги хлорофилла, которые, сохраняя структурные особенности молекулы хлорофилла, не образуют фазовой границы с водной средой.
Водорастворимыми производными хлорофилла являются хлорофиллины - продукты щелочного гидролиза пигмента. В результате гидролиза от хлорофилла очень легко отщепляется фитол, несколько медленнее метил-эфирная группа, разрушается циклопентановое кольцо и образуются три свободные карбоксильные группы. Свободный хлорофиллин в форме трикарбоновой кислоты очень неустойчив и поэтому его обычно переводят в более стабильную форму - соли натрия или калия. Спектр максимального поглощения хлорофиллина натрия, получаемого из древесной зелени в промышленных масштабах, располагается в сине-фиолетовой (406-410 нм) и красной (656-662 нм) областях, также имеется максимум 498-508 нм [4].
Цель данной работы - изучение характера и особенностей превращений зеленых пигментов, происходящих в процессе экстракционной химической переработки еловой древесной зелени.
Экспериментальная часть
Спектральные характеристики промежуточных продуктов, получаемых в процессе химической переработки бензинового экстракта древесной зелени в Лисинском учебно-опытном лесхозе ЛТА, измеряли на спектрофотометрах СФ-46 и «8ресоМ ИУ-УК».
* Автор, с которым следует вести переписку.
Обсуждение результатов
Спектр бензинового экстракта (табл.) близок к спектрам хлорофилла «а» и феофитина «а». Под воздействием физико-химических факторов (измельчение сырья, повышенная температура, кислая среда клеточного содержимого хвои) происходит частичная феофитинизация хлорофилла. При этом как магниевые, так и безметальные аналоги хлорофилла проявляют способность к образованию ассоциатов [5].
В неполярных растворителях, каким является экстракционный бензин, зеленые пигменты существуют обычно в ассоциативной форме, причем хлорофилл, содержащий магний, способствует образованию ассо-циатов, катализируя процесс полимеризации [6]. На образование ассоциатов (олигомеров) зеленых пигментов в бензиновом экстракте указывает смещение максимума спектра поглощения в длинноволновую область (680 нм).
При значительной степени ассоциации олигомеры, как обладающие большей молекулярной массой, должны выпадать в осадок из раствора. Это явление наблюдается при отстаивании бензинового экстракта с охлаждением. С воскообразными веществами из раствора уходят олигомерные формы производных хлорофилла, которые имеют максимум поглощения 680 нм, еще более смещенный по сравнению с максимумом мономерного хлорофилла. Отношение основных максимумов поглощения при этом достигает 8,0, что указывает на значительно большую степень изомеризации и полимеризации пигментов, чем при превращениях хлорофилла в феофитин, феофорбид и хлорин [5]. На стадии отделения воскообразных веществ из бензинового экстракта при охлаждении выпадает в олигомерной форме около 15% зеленых пигментов от их исходного содержания в растворе.
В экстракте, освобожденном от восков, производные хлорофилла находятся в основном в мономерной форме, поскольку максимумы их спектрального поглощения составляют 410 и 668 нм, что согласуется с максимумами феофитина «а» (409 и 667 нм) и феофорбида «а» (410 и 667 нм).
В результате обработки бензинового экстракта водным раствором щелочи с целью разделения кислых и нейтральных веществ получены бензиновый раствор неомыляемых веществ и водный раствор омыленных соединений [3].
Спектр неомыляемых веществ представлен характерными для каротиноидов максимумами поглощения, которые хорошо согласуются с данными, приведенными в работе [7].
Спектральные характеристики промежуточных продуктов экстракционной переработки еловой древесной зелени
Условия определения Длина волны, нм (Дтах/Д)
Субстанция Полоса Соре Полоса I Полоса ассоциации
1. Экстракт древесной зелени Бензин 418 680 -
2. Воскообразные вещества Хлороформ 425 680 (8,0) -
3. Экстракт, освобожденный от восков Бензин 412 668 (5,9) -
4. Неомыляемые вещества Бензин 432, 455, 480 - -
5. Омыленные вещества Водный раствор, рН 10 404 662 (6,0) -
6. Смесь дитерпеновых и жирных кислот Этанол 408 675 (9,0) 700 (9,0)
7. Смесь производных хлорофилла Этанол 410 670 (6,0) 700 (8,2)
Этанол : вода 2 : 1, 20°С 410 670 (6,0) 710 (8,2)
8. Фракции, выделенные из смеси производных хлорофилла: Этанол : вода 2 : 1, 70°С 410 670 (5,9) 710 (8,3)
- петролейным эфиром - смесью петролейного эфира и ацетона 4 : 1 Петролейный эфир 420, 453, 480 - -
- то же 1 : 1 Этанол 411 669 (6,4) 702 (5,8)
- то же 1 : 3 Этанол 410 670 (6,0) 700 (8,2)
- ацетоном Этанол 402 670 (5,8) -
Этанол 400 670 (5,1) -
Водно-щелочной раствор омыленных веществ имеет спектральную характеристику, близкую к хлорофиллу «а» и феофитину «а», хотя имеется смещение максимума в сторону коротковолновой области (404 нм). Соотношение основных максимумов поглощения производных хлорофилла (6,0) значительно превышает таковое для хлорофилла (1,18). Производные хлорофилла, находящиеся в мономерной форме в очищенном бензиновом экстракте, в результате взаимодействия со щелочью подвергаются, вероятно, окислительной полимеризации с образованием ассоциатов в форме карбоновых кислот. В омыленных продуктах содержится около 81% зеленых пигментов, извлеченных из сырья; потери при омылении составляют 4%.
При дальнейшем разделении омыленных веществ получены фракция дитерпеновых (смоляных) и жирных кислот и смесь производных хлорофилла путем обработки водно-щелочного раствора минеральной кислотой [3].
Во фракции смоляных и жирных кислот содержатся производные хлорофилла, спектральная характеристика которых указывает на значительный сдвиг в красную длинноволновую область спектра (675 нм). Максимум поглощения в сине-фиолетовой области приктически совпадает со спектром феофитина «а». Соотношение основных максимумов поглощения составляет 9,0, что указывает на значительную степень окисления и полимеризации зеленых пигментов. Кроме этого, в спектре производных хлорофилла фракции кислот появился новый максимум поглощения в длинноволновой области (700 нм), который свидетельствует о наличии прочных ассоциатов - олигомеров. Вероятно, изменения в спектре зеленых пигментов фракции кислот связаны с образованием устойчивых олигомеров хлорофилла и его изомеров с дитерпено-выми и жирными кислотами. По всей видимости, образуются олигомеры зеленых пигментов и кислот смешанного типа: производные хлорофилла между собой, а также с кислотами (как смоляными, так и жирными, или теми и другими). Кроме этого, во фракции предположительно присутствуют полимеры кислот простого и смешанного типа: дитерпеновая - дитерпеновая, жирная - жирная, дитерпеновая - жирная с различной степенью полимеризации и окисления. В кислотной фракции содержится около 25,5% зеленых пигментов от их массы в бензиновом экстракте.
Смесь производных хлорофилла (хлорофиллин-сырец [3]) имеет электронный спектр, близкий к спектральной характеристике хлорофилла «а», феофитина «а», феофорбида «а» и хлорофиллида «а». При этом отмечается появление нового максимума в длинноволновой области спектра, который указывает на присутствие в смеси устойчивых олигомеров с высокой степенью полимеризации, но несколько меньшей по сравнению с фракцией кислот степенью окисления. Это объясняется меньшим содержанием смоляных и жирных кислот в указанной смеси и образованием олигомеров из мономеров производных хлорофилла. Хотя не исключено присутствие полимеров состава: зеленый пигмент - кислота. Устойчивость олигомеров доказывается тем, что при нагревании смеси производных хлорофилла в водной среде до 70 °С не происходит их диссоциации до исходных мономеров, поскольку спектральные характеристики до и в момент нагрева практически совпадают. Следует отметить, что частичная диссоциация все же происходит (снижение соотношения максимумов при 670 нм). В смеси производных хлорофилла содержится около 52% зеленых пигментов, извлеченных из сырья. Потери при обработке кислотой составляют 3,5%.
Для детального изучения смеси производных хлорофилла было проведено ее фракционирование с учетом хорошей растворимости зеленых пигментов в полярных, а сопутствующих веществ - в неполярных растворителях. Разделение проводили методом тонкослойной хроматографии на силуфоле UV-254 последовательным элюированием петролейным эфиром (1 фракция), смесью петролейный эфир : ацетон 4 : 1 (2 фр.), 1 : 1 (3 фр.), 1 : 3 (4 фр.) и ацетоном (5 фр.).
Спектральная характеристика 1-й фракции показывает наличие в ней каротиноидов в виде незначительной доли в примеси сопутствующих производных хлорофилла жирных и смоляных кислот. Имеется несколько максимумов в сине-фиолетовой области, соответствующих максимумам поглощения ß-каротина, а-каротина и , возможно, лютеина, виолаксантина и зеаксантина, что хорошо согласуется с данными, приведенными в работе [7].
Спектр производных хлорофилла 2-й фракции близок к феофорбиду «а», однако соотношение основных максимумов превышает обычное, что указывает на образование ассоциатов.
Спектр пигментов 3-й фракции отличается от спектра 2-й фракции высоким соотношением основных максимумов поглощения в полосе ассоциации, что указывает на наличие высокополимеризованных олигомеров.
Электронная характеристика зеленых пигментов 4-й фракции отличается смещением максимума в коротковолновую область (402 нм) и отсутствием максимума в полосе ассоциации. Спектр указывает на продолжительное присутствие в 4-й фракции феофитина «а» и феофорбида «а» практически без их полимеризации.
Производные хлорофилла 5-й фракции имеют на спектре дополнительные максимумы 480, 500-520 нм, которые указывают на присутствие феофорбидов «а» и хлорина е6, которые не ассоциированы (отсутствие максимума в длинноволновой части).
Выводы
1. Зеленые пигменты бензинового экстракта еловой древесной зелени представлены главным образом хлорофиллом «а» и феофитином «а».
2. В процессе отстаивания экстракта с охлаждением одновременно с воскообразными веществами выпадают в осадок олигомерные формы зеленых пигментов, образующиеся в неполярном растворителе за счет ассоциации хлорофилла с другими формами производных.
3. Освобожденный от восков экстрат содержит мономерные формы зеленых пигментов.
4. Обработка экстрактивных веществ щелочным и кислотным реагентами приводит к полимеризации и окислению зеленых пигментов. При этом производные хлорофилла ассоциируются между собой, а также с дитерпеновыми и жирными кислотами, образуя смешанные олигомеры, устойчивые к воздействию температуры и гидролитического агента. На электронных спектрах появляются максимумы поглощения в длинноволновой области, отсутствующие в спектрах мономерных пигментов.
5. Производные хлорофилла конечных продуктов химической переработки древесной зелени представлены в основном феофитином «а», феофорбидом «а», хлорофиллидом «а», хлорином е6 и их олигомерами.
Список литературы
1. Антонов В.И., Ягодин В.И. Сохранность и распределение пигментов в ходе переработки древесной зелени // Производство кормовых и биологически активных продуктов на основе низкосортной древесины и отходов лесопромышленного комплекса. Красноярск, 1988. С. 63-65.
2. Антонов В.И., Ягодин В.И. Распределение пигментов в процессе химической переработки древесной зелени // Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1989. №3. С. 17.
3. Ягодин В.И., Антонов В.И. Комплексная химическая переработка древесной зелени // Лесное хозяйство. 1982. №5. С. 72-73.
4. ОСТ 56-33-85. Хлорофиллин натрия хвойный: Технические условия. М., 1985. 12 с.
5. Голубчиков О.А., Березин Б.Д. Прикладные аспекты химии порфинов // Успехи химии. 1986. Т. 55. Вып. 8. С. 1361-1382.
6. Клейтон П. Фотосинтез (физические механизмы и химические модели). М., 1984. 350 с.
7. Солодкая Г.Ф., Черноморский С.А. Спектральные характеристики пигментных фракций препарата хлорофил-лина натрия, полученного из хвои // Использование живых элементов дерева. Л., 1969. С. 39-42.
Поступило в редакцию 6 декабря 2006 г.
