CC BY
122
Химия растительного сырья. 2005. №2. С. 15-20.
УДК 581.192+547.914
ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ КОРЫ БЕРЕЗЫ ПЕРЕГРЕТЫМ ПАРОМ НА ВЫХОД И СОСТАВ ЭКСТРАКТОВ, СОДЕРЖАЩИХ БЕТУЛИН И ДУБИЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
© В.А. Левданский, Б.Н. Кузнецов , Н.И. Полежаева, Н.М. Иванченко, А.В. Левданский
Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск 660049 (Россия). E-mail: inm@jcct.ru
Активация коры березы водяным паром в условиях «взрывного» автогидролиза при температуре 240 °С и давлении 3,4 МПа увеличивает до 1,5-2 раз выход экстрактивных веществ, извлекаемых гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой при обычной и последовательной (дробной) экстракции. Гексановые экстракты содержат до 90% масс. бетулина. Более полярные растворители извлекают, наряду с бетулином, полифенолы, дубильные вещества и сахара. Количество полифенольных и дубильных веществ в экстрактах остается постоянным после кратковременной активации коры (до 30 с), однако содержание сахаров в них уменьшается в 1,5-2 раза по сравнению с неактивированной корой.
Введение
Береза относится к числу основных лесообразующих пород деревьев средней полосы России. При ее механической обработке получаются значительные отходы березовой коры, которые до настоящего времени не находят квалифицированного применения и чаще всего сжигаются.
Однако в березовой коре содержится ряд ценных химических веществ, что стимулирует исследования по разработке эффективных и экономически приемлемых методов их извлечения. Березовая кора молодых деревьев состоит из внешнего слоя (бересты) и внутреннего слоя (луба), которые значительно отличаются друг от друга по механическим характеристикам и химическому составу. Береста содержит большое количество тритерпеновых соединений (до 35%вес.), среди которых преобладает бетулин [1]. Другим значимым компонентом бересты является суберин, содержание которого достигает 30-31% вес. [2, 3]. Луб березовой коры содержит много полисахаридов и веществ лигниновой природы, среди которых наибольший интерес представляют полифенольные соединения с дубильными свойствами [4].
Большинство известных методов выделения ценных веществ из березовой коры основано на раздельной переработке бересты и луба. Однако имеются огромные ресурсы березовой коры, в которой отсутствует четкая граница между внешней и внутренней частями. Такую кору имеют стволы перестойных деревьев березы, она сосредоточена также в комлевой части достаточно молодых березовых деревьев.
В ранее выполненном исследовании авторами показана возможность экстракционного извлечения достаточно узких групп соединений из коры комлевой части ствола березы [5]. В частности, установлено, что гексановый экстракт такого рода коры содержит 90% бетулина. Путем последовательной экстракции коры гексаном, а затем более полярными растворителями получены экстракты, преимущественно содержащие полифенолы. Эти экстракты могут использоваться в качестве дубителей, хотя наличие сахаров снижает их потребительскую ценность. Содержание сахаров в экстрактах коры березы варьируется от 5,3% (изопропа-нольный экстракт) до 15,4% (водный экстракт). Для их удаления может использоваться термическая обработка водных экстрактов, однако она приводит к снижению содержания дубильных веществ [6].
Другой подход к снижению содержания легкогидролизуемых полисахаридов в экстрактах березовой коры может быть основан на использовании гидролитической обработки исходной коры.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Одним из наиболее эффективных методов гидролитической активации растительного сырья является так называемый взрывной автогидролиз [7-8]. Его сущность заключается в кратковременной обработке лигноуглеводного материала перегретым паром с последующим резким сбросом давления («выстрелом»). При этом ускоряется гидролиз гемицеллюлоз, катализируемый органическими кислотами, которые образуются в условиях процесса активации, а также происходит разрыхление волокнистого материала. Показано, что активация «взрывным» автогидролизом коры пихты [8], лиственницы [9] и бересты [3, 10] позволяет повысить выход некоторых классов экстрактивных веществ.
Целью настоящего исследования являлось изучение влияния предварительной активации коры березы перегретым водяным паром на выход и состав извлекаемых различными растворителями экстрактов, содержащих бетулин и дубильные вещества.
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья использовали кору березы Betulapendula Roth., заготовленную в окрестностях Красноярска. Кора измельчалась до частиц размером от 6 до 15 мм и высушивалась при температуре 105 °С до влажности менее 1%. Кора содержит 23% целлюлозы, 35% лигнина, 18% легкогидролизуемых и 22% трудногидролизуемых полисахаридов, 27% экстрактивных веществ, 1,8% зольных веществ.
Экстракцию активированной коры производили в аппарате Сокслета гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой. Экстракцию гексаном осуществляли в течение 30 ч, остальными растворителями - в течение 12 ч. Каждый эксперимент повторяли не менее трех раз и рассчитывали среднее количество извлеченных экстрактивных веществ, которое определяли весовым методом.
Активацию коры березы «взрывным» автогидролизом проводили с использованием установки с объемом реактора 0,85 л по методике, описанной в работе [11]. После обработки водяным паром при температуре 240 °С, давлении 3,4 МПа в течение 15-240 с кора березы представляла собой рыхлую массу, которую после высушивания подвергали разделению на ситах. В зависимости от продолжительности активации, содержание фракций с размером частиц менее 1 мм составляло от 60 до 90%.
Химический состав исходной и активированной коры березы определяли по стандартным методикам [12]. Выделенный из экстракта бетулин идентифицировали по температуре плавления (составляет 257259 °С) и по ИК спектрам, снятым на Фурье ИК-спектрометре «Vektor-22» фирмы «Bruker». Количественное определение полифенолов осуществлялось по реакции с паронитроанилином [13] с использованием фотометра фотоэлектрического КФК-3. Содержание дубильных веществ в образцах коры и в полученных экстрактах определяли стандартным методом ВЭМ [14].
Результаты и обсуждение
Ранее нами было установлено, что активация коры пихты и лиственницы методом «взрывного» автогидролиза значительно увеличивает выход дубильного экстракта [8, 9]. Можно ожидать, что аналогичная обработка коры березы не только будет способствовать увеличению выхода экстрактивных веществ, но и приведет к уменьшению количества сахаров в экстрактах, содержащих дубильные вещества.
Влияние продолжительности активации коры березы водяным паром на выход веществ, экстрагируемых гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой, иллюстрируется рисунком 1. Выход гексанового экстракта возрастает с 10,5 до 15,4% при увеличении продолжительности активации коры с 15 до 60 с и снижается до 12,5% после активации в течение 240 с. Однако количество выделяемого бетулина во всех гексановых экстрактах остается постоянным. Так, из 10,5 г и 15,4 г гексановых экстрактов, полученных соответственно из исходной и активированной в течение 60 с коры березы, выделено около 9 г бетулина.
Этилацетат и изопропанол извлекают из коры примерно одни и те же классы экстрактивных веществ, представленных бетулином, полифенолами, дубильными веществами и сахарами. Как следует из приведенных на рисунке 1 и в таблице 1 данных, выход веществ, извлекаемых из активированной коры этилацетатом и изопропанолом, возрастает с 15,5 до 26,3% и с 20,6 до 31,6% соответственно, с увеличением продолжительности активации от 15 до 120 с. С увеличением полярности растворителя при переходе от этилацетата к изопропанолу и воде концентрация полифенолов и дубильных веществ в выделенных экстрактах увеличивается, а содержание сахаров изменяется незначительно. Количество полифенольных и дубильных веществ в этих экстрактах остается примерно постоянным при продолжительности активации коры до 30 с, однако концентрация сахаров уменьшается в 2,0-2,5 раза по сравнению с неактивированной корой. Возрастание продолжительности активации коры до 240 с хотя и приводит к увеличению выхода этилацетатного и изопропанольного экстрактов до 29,0-30,2%, при этом в нем резко падает содержание полифенолов, дубильных веществ и сахаров.
Таблица 1. Данные по составу экстрактов, выделенных из коры березы, активированной водяным паром при температуре 240 °С и давлении 3,4 МПа
Экстрагируемые вещества,
Продолжительности активации коры, с
% вес. 0 15 30 45 б0 90 120 1S0 240
Экстрагируемые этилацетатом, 15,5 1S,1 20,S 22,0 23,S 2б,2 2б,3 27,2 29,0
из них (в % от экстракта):
бетулин б0,0 51,4 44,7 42,3 39,1 35,5 35,4 34,2 32,1
полифенолы 27,1 2S,6 27,7 25,S 1S,4 10,3 б,2 4,3 3,1
дубильные 1S,5 19,1 1S,1 13,5 S,3 5,2 3,1 2,7 2,5
сахара 12,7 7,3 б,3 5,4 4,3 3,5 3,1 2,б 2,1
Экстрагируемые изопропано- 20,б 23,S 2б,2 27,7 29,2 30,1 31,б 31,2 30,2
лом, из них (в % от экстракта):
бетулин 4б,0 40,0 3б,1 34,2 32,4 31,5 30,0 30,4 31,4
полифенолы 39,б 39,2 34,3 27,1 19,3 S,4 5,б 3,S 3,2
дубильные 2б,3 2б,4 25,3 21,2 14,4 7,S 5,7 5,1 4,3
сахара 14,2 б,5 5,S 4,2 3,4 2,S 2,б 2,3 2,0
Экстрагируемые водой, из них 9,7 12,1 13,2 10,9 10,0 S,4 S,2 S,0 7,б
(в % от экстракта):
полифенолы 71,7 69,S 6S,0 56,S 31,7 1S,5 13,2 S,4 7,1
дубильные 4S,7 45,1 42,0 30,7 15,1 7,S 5,1 4,0 3,3
сахара 24,S S,9 7,2 б,3 5,4 4,7 4,3 3,S 2,S
В случае экстракции водой выход экстрактивных веществ возрастает с 9,7 до 12-13% после активации коры в течение 15-30 с. Дальнейшее увеличение продолжительности активации коры приводит к снижению выхода водного экстракта и к одновременному уменьшению содержания в нем полифенолов и дубильных веществ.
Дубильные вещества являются преимущественно олигомерами и полимерами катехиновой или флаван-3,4-диоловой природы с молекулярной массой от 300 до 3000. При гидролизе конденсированных дубильных веществ образуются проантоцианы в виде димеров и мономеров [15]. Известно, что в процессе активации растительной биомассы «взрывным» автогидролизом образуются муравьиная и уксусная кислоты, причем с увеличением продолжительности активации их концентрация возрастает [7]. Органические кислоты очевидно ускоряют кислотно-каталитическую деполимеризацию конденсированных дубильных веществ, причем одновременно интенсифицируется извлечение веществ, находящихся в коре в связанном состоянии (например, содержание связанных лейкоантоцианидинов в коре березы достигает 5% [16]). Таким образом, наблюдаемые с увеличением продолжительности активации коры эффекты возрастания выхода этилацетатного и изопропанольного экстрактов при одновременном снижении их дубильных свойств можно объяснить интенсификацией процессов деполимеризации полифенолов и извлечением связанных низкомолекулярных фенолов. Как известно, низкомолекулярные фенолы не проявляют свойств, характерных для полифенолов и дубильных веществ.
В таблицах 2-4 приведены данные о химическом составе образцов коры березы, экстрагированных этилацетатом, изопропанолом и водой. Как следует из полученных результатов, содержание легкогидролизуемых полисахаридов в коре резко падает после ее активации и последующей экстракции. В коре, активированной в течение 240 с и затем экстрагированной растворителями, полностью отсутствуют полисахариды. Содержание целлюлозы, лигнина и трудногидролизуемых полисахаридов мало изменяется после активации коры и ее последующей экстракции этилацетатом, изопропанолом, водой.
С целью более полного извлечения экстрактивных веществ и разделения их на узкие фракции была проведена последовательная (дробная) экстракция активированной коры березы этими же растворителями. Влияние продолжительности активации на выход экстрактивных веществ, извлекаемых при последовательной экстракции коры березы гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой, иллюстрируется рисунком 2. Максимальному выходу экстрактивных веществ соответствует продолжительность активации коры 30-45 с. С ростом продолжительности активации коры свыше 60 с происходит резкое снижение выхода веществ, извлекаемых изопропанолом и водой.
Данные по составу выделенных экстрактов приведены в таблице 5. Максимальное содержание полифенолов (78,0%) и дубильных веществ (65,3%) наблюдается в этилацетатном экстракте, выделенном из коры после ее активации в течение 15 с. Экстракт, извлеченный из активированной в этих условиях коры изопропанолом, содержит 60,3% полифенолов и 55,2% дубильных веществ, а водный экстракт - от 54,0% полифенолов и 50,7% дубильных веществ.
Рис. 1. Влияние продолжительности активации коры березы водяным паром при температуре 240 °С и давлении 3,4 МПа на выход экстрактивных веществ при раздельной экстракции: гексаном (1), этилацетатом (2), изопропиловым спиртом (3), водой (4)
Таблица 2. Данные по химическому составу коры березы, активированной водяным паром при температуре 240 °С, давлении 3,4 МПа и затем экстрагированной этилацетатом
Компоненты коры березы
Содержание компонентов коры нри различной продолжительности активации, с
0
15
30
45
б0
90
120
1S0
240
Целлюлоза
Лигнин
Трудногидролизуемые
полисахариды
Легкогидролизуемые
полисахариды
27,9
34.4
23.5
1S,2
2S,7 41,б 2S,1
7,S
2S,3
41,7
29,5
б,1
27,1
42,0
2б,7
5,5
2б,9
42.3 25,0
4.3
24.5
42.5 22,3
4,0
24.4
43.5 21,9
2,3
24,0
44,4
22,3
1,S
23,5
44,9
21,4
Таблица 3. Данные по химическому составу коры березы, активированной водяным паром при
температуре 240 °С, давлении 3,4 МПа и затем экстрагированной изопропиловым спиртом
Компоненты коры березы
Содержание компонентов коры нри различной продолжительности активации, с
0
15
30
45
б0
90
120
1S0
240
Целлюлоза
Лигнин
Трудногидролизуемые
полисахариды
Легкогидролизуемые
полисахариды
24,7
29.5
22.5
22.6
25.7 3S,2
25.7
б,0
25.0 3S,S
26.1
4,4
27.1
39.2
25.7
3.7
2б,3
39,б
24,S
2,7
25,9
40,1
23,7
1,S
24,2
40.5
22.5
1,3
25.0
40.1 22,9
1.1
2б,9
39.6
24.6
Таблица 4. Данные по химическому составу коры березы, активированной водяным паром при температуре 240 °С, давлении 3,4 МПа и затем экстрагированной водой
Компоненты коры березы
Содержание компонентов коры нри различной продолжительности активации, с
0 15 30 45 б0 90 120 1S0 240
Целлюлоза 25,1 31,2 31,7 30,9 29,0 2S,7 27,5 27,0 25,1
Лигнин 52,5 52,2 50,S 53,7 55,7 5S,4 б1,3 б 1,5 б4,0
Трудногидролизуемые полисахариды 25,5 33,9 32,5 31,3 2S,4 2б,9 2б,4 23,1 24,9
Легкогидролизуемые полисахариды 9,3 2,3 2,2 2,0 1,9 1,7 - - -
* В процентах от массы абсолютно сухой коры.
Таблица 5. Данные по составу экстрактов, выделенных при последовательной экстракции коры березы, активированной водяным паром при температуре 240 °С и давлении 3,4 МПа
Экстрагируемые вещества,
Продолжительности активации коры, с
%вес.* 0 15 30 45 60 90 120 180 240
Экстрагируемые гексаном, из 10,5 12,4 13,5 14,6 15,4 14,7 13,5 12,7 12,5
них (в % от экстракта):
бетулин 90,1 76,6 69,1 63,5 59,9 63,1 69,3 73,7 75,4
Экстрагируемые этилацетатом, 6,9 10,2 12,1 13,5 13,5 12,7 12,5 11,8 11,4
из них (в % от экстракта):
полифенолы 78,3 78,0 74,4 65,7 51,3 28,5 18,3 11,2 6,1
дубильные 67,5 65,3 62,7 57,1 38,3 22,3 15,1 9,6 4,3
сахара 8,5 3,9 3,1 2,7 2,5 2,1 1,5 0,9 -
Экстрагируемые изопропано- 5,2 7,1 10,2 10,7 10,1 5,5 3,1 2,0 1,2
лом, из них (в % от экстракта):
полифенолы 61,8 60,3 58,4 50,1 41,6 23,4 14,1 10,6 5,8
дубильные 56,2 55,2 50,2 36,3 28,7 16,5 12,2 7,6 3,7
сахара 5,3 2,3 1,8 1,5 1,0 - - - -
Экстрагируемые водой, из них 4,3 5,2 6,2 6,7 6,1 4,3 3,5 2,5 2,1
(в % от экстракта):
полифенолы 54,2 54,0 50,3 40,0 27,3 18,1 11,3 6,2 4,0
дубильные 51,3 50,7 49,9 39,7 27,1 16,7 8,4 6,3 3,7
сахара 15,4 6,7 4,8 3,1 1,9 1,5 0,9 - -
От массы абсолютно сухой коры.
Рис. 2. Влияние продолжительности активации коры березы водяным паром при температуре 240 °С и давлении 3,4 МПа на выход экстрактивных веществ при последовательной экстракции: гексаном (1), этилацетатом (2), изопропиловым спиртом (3), водой (4)
Как следует из приведенных в таблице 5 данных, при продолжительности активации коры 30 с содержание полифенолов и дубильных веществ в экстрактах незначительно уменьшается по сравнению с неактивированной корой. Однако при этом резко увеличивается общий выход экстрактов и снижается содержание в них сахаров. Так, выход экстрактивных веществ, извлекаемых этилацетатом, увеличивается с 6,9 до 12,1%, изопропанолом с - 5,2 до 10,2%, а водой с - 4,3 до 6,2%. С ростом продолжительности активации коры свыше 30 с происходит резкое снижение в экстрактах содержания полифенолов, дубильных веществ и сахаров. Таким образом, оптимальная продолжительность активации коры березы водяным паром составляет 15-30 с. При этом возрастает степень извлечения из нее фенольных веществ при одновременном резком (до 3-х раз) снижении сахаров в полученных экстрактах.
Заключение
Установлен факт значительного (до 1,5-2,0 раз) возрастания выхода экстрактивных веществ, извлекаемых гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой из коры березы, активированной перегретым водяным паром в условиях «взрывного» автогидролиза.
Изучен химический состав экстрактивных веществ, выделенных из активированной коры березы методами раздельной и последовательной экстракции. Показано, что массовая доля бетулина во всех гексано-вых экстрактах остается постоянной, независимо от продолжительности активации коры. Более полярные растворители (этилацетат и изопропанол) извлекают из активированной коры наряду с бетулином полифенолы, дубильные вещества и сахара. Увеличение полярности растворителя при переходе от этилацетата к изопропанолу и воде способствует росту концентрации полифенолов и дубильных веществ в выделенных экстрактах и мало влияет на содержание сахаров.
Количество полифенольных и дубильных веществ в этих экстрактах остается примерно постоянным после кратковременной активации коры (до 30 с), однако содержание сахаров уменьшается в 2,0-2,5 раза по сравнению с неактивированной корой. Возрастание продолжительности активации коры до 240 с увеличивает выход этилацетатного и изопропанольного экстрактов до 29,0-30,2%, однако в нем резко падает содержание полифенолов, дубильных веществ и сахаров. Наблюдаемые эффекты очевидно связаны с интенсификацией процессов деполимеризации полифенолов и извлечения связанных низкомолекулярных фенолов с ростом продолжительности активации коры. Аналогичные закономерности наблюдаются и при последовательной экстракции активированной березовой коры растворителями с возрастающей полярностью: гексаном, затем этилацетатом, изопропанолом и водой.
Получены сведения о химическом составе коры березы, вначале активированной водяным паром, а затем экстрагированной гексаном, этилацетатом, изопропанолом и водой. Установлено, что содержание легкогидролизуемых полисахаридов в коре резко падает после ее активации и последующей экстракции. В коре, активированной в течение 240 с и затем экстрагированной растворителями, полностью отсутствуют легкогидролизуемые полисахариды. Содержание целлюлозы, лигнина и трудногидролизуемых полисахаридов мало изменяется после активации и последующей экстракции коры.
В результате выполненного исследования осуществлен подбор условий активации и последующей экстракции коры березы, обеспечивающих повышение доброкачественности выделенных дубильных экстрактов за счет уменьшения в них содержания сахаров.
Список литературы
1. Похило Н.Д., Уварова Н.И. Изопреноиды различных видов рода Betula // Химия природных соединений. 1988. №3. С. 325-341.
2. А.с. 382657 СССР. Способ выделения бетулина и суберина / Федорищев Т.И., Калайков В.Г. // БИ. 1973. №23.
3. Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Еськин А.П., Полежаева Н.И. Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях «взрывного автогидролиза» // Химия растительного сырья. 1988. №1. С. 5-9.
4. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Бондаренко С.М. Экстрактивные вещества березы. Красноярск, 1986. 125 с.
5. Левданский В.А., Полежаева Н.И, Левданский А.В., Кузнецов Б.Н. Выделение и изучение экстрактивных веществ коры березы // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: Сб. ст. Всероссийской. науч.-практ. конф., 24-25 апреля. Красноярск, 2003. С. 422-426.
6. Жученко А.Г., Авдюкова Н.В. Влияние экстрактивных веществ коры ели на превращение компонентов при термогидролитической обработке // Сборник трудов СвердНИИПДрев. Вып. 4. М., 1969. С. 69-75.
7. Гравитис Я.А. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы // Химия древесины. 1987. №5. C. 3-21.
8. Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Павленко Н.И., Полежаева Н.И., Шилкина Т.А., Еськин А.П. Экстракционная переработка активированной хвойной коры // Химия в интересах устойчивого развития. Т. 5. 1997. С. 179-185.
9. Левданский В.А., Кузнецов Б.Н., Репях С.М., Щипко М.Л., Шилкина Т.А. Комплексная переработка коры лиственницы // Сибирский химический журнал. 1992. Вып. 6. С. 25-28.
10. Патент 2074867 РФ. Способ получения бетулина / Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Шилкина Т.А., Репях С.М. // БИ. 1997. №7.
11. Kuznetsov B.N., Efremov A.A., Levdanskii V.A., Kuznetsova S.A., Polezhaeva N.I., Shilkina T.A., Krotova I.V. The using of non-isobaric pre-hydrolysis for the isolation of organic compounds from wood and bark // Bioresource Technology. 1996. V. 58. P. 181-188.
12. Шарков В.И., Куйбина Н.И., Соловьева Ю.П. Количественный химический анализ растительного сырья. М., 1968.
13. Запрометов М.Н., Бухтаева В.Я. О продуктах фотосинтеза чайного растения и биосинтеза фенольных соединений // Физиология растений. 1967. Т. 14. №2. С. 197.
14. Всесоюзный единый метод исследования в кожевенном, обувном и дубильно-экстрактивном производстве (ВЭМ). М., 1955.
15. Запрометов М.Н. Фенольные соединения: Распространение, метаболизм и функции в растениях. М., 1993. С. 84.
16. Бондаренко С.М., Долгодворова С.Я., Черняева Г.Н. Лейкоантоцианидины коры березы повислой // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. 1989. №1. С. 86-90.
Поступило в редакцию 16 июня 2005 г.
