CC BY
90
Химия растительного сырья. 2003. №3. С. 35-39
УДК 543:662.641
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОРФОВ НА СОСТАВ ЩЕЛОЧНОГО ЭКСТРАКТА
© Т.П. Жилякова , Л.В. Касимова
ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт торфа, ул. Гагарина, 3, Томск, 634050 (Россия) e-mail: [email protected]
Высокая степень обогащенности торфа гуминовыми кислотами, аминокислотами и микроэлементами свидетельствует о целесообразности и перспективе применения торфа в качестве сырья для производства ветеринарных препаратов и биологически активных кормовых добавок. Был изучен химический состав щелочных экстрактов из западносибирских торфов (низинного осокового и верхового фускум-торфа) и сфагнового мха. Максимальный выход органического вещества, гуминовых и фульвокислот отмечается в экстракте из низинного торфа. Щелочные экстракты из верхового торфа и мха богаты алифатическими карбоновыми и аминокислотами, спиртовыми и фенольными соединениями.
Введение
Известно, что химический состав торфа определяется комплексом биологически активных веществ, входящих в состав растений-торфообразователей [1]. Установлено, что полисахариды растений проявляют высокую иммунную активность и являются неспецифическими иммуностимуляторами [2]. Показаны противовоспалительные, противоязвенные, ранозаживляющие противоопухолевые, противомикробные, общеукрепляющие свойства полисахаридов [3, 4]. Фенолы проявляют противоязвенную и фунгистатическую активность за счет уменьшения проницаемости и увеличения прочности клеточных и сосудисто-тканевых барьеров [1, 5]. Показано, что гуминовые вещества влияют на геном клетки, усиление процессов синтеза ДНК, РНК и белка, а также на ферменты белкового и нуклеинового метаболизма. Это приводит к активации клеточного деления, ростовых и морфологических процессов, регенерации тканей. Гуминовые вещества влияют на жизненно важные метаболические процессы, которые в первую очередь повреждаются под влиянием неблагоприятных условий окружающей среды. Данные качества торфа делают его исключительно важным сырьем для производства ветеринарных препаратов и биологически активных пищевых добавок.
Томская область располагает крупными запасами торфа разнообразного качественного состава - 26% от запасов в Западно-Сибирском регионе. Оценка торфяных ресурсов показала, что на территории области имеется сырье для производства всех видов торфяной продукции, в том числе особо ценной (продукты гидролизного производства) [6]. Вместе с тем Западная Сибирь относится к территории слабоизученных запасов торфа, более 90% общих торфяных ресурсов являются прогнозируемыми. Слабо изучены и продукты переработки местного торфяного сырья.
В Сибирском НИИ торфа методом щелочного гидролиза получены экстракты (оксидаты) из низинного, верхового торфов и сфагнового мха. Показана их противоязвенная, обезболивающая и антистрессовая активность на лабораторных животных [7], адаптогенные и анаболические свойства на сельскохозяйственных животных [8].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Целью данной работы является изучение химического состава щелочных экстрактов из западносибирских торфов разного ботанического состава.
Экспериментальная часть
В качестве сырья были отобраны образцы 1) низинного осокового торфа средней степени разложения (R = 25-30%); 2) верхового сфагнового фускум-торфа низкой степени разложения (R = 5%); 3) мха Sphagnum angustifolium месторождения «Темное» Томской области.
Ботанический состав низинного торфа: древесина - 10%, осока волосистоплодная - 40%, осока дернистая - 20%, осока шароплодная - единич., вахта - 5%, болотное разнотравье - 10%. Зольность низинного торфа - 20%, в состав органического вещества входит 23,03% водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, 6,68% битумов, 30,23% гуминовых кислот, 19,43% фульвокислот, 20,64 целлюлозы и лигнина.
Ботанический состав верхового торфа: макроостатки древесины - 5%, сфагнум бурый - 85%, сфагнум магеллянский - 5%, травянистые остатки неопределенные - 3%, пушица - 1%, шейхцерия - 1%. В верховом торфе содержится 8-10% минеральных веществ. В состав органического вещества входит 28,836,6% легкогидролизуемых и водорастворимых веществ; 3,7—4,1% битумов, 18,7-22,7% гуминовых кислот, 13-19% фульвокислот, 24-27% целлюлозы и лигнина.
Нами были исследованы щелочные экстракты из сырья следующего компонентного соотношения: 1 -торф верховой 100%; 2 - торф верховой 50%, мох 50%; 3 - торф верховой 95%, мох 5%; 4 - торф верховой 5%, мох 95%; 5 - мох 100%; 6 - торф низинный 100%.
Содержание витаминов и аминокислот [9], сухого (ГОСТ 26713-85) и органического вещества (ГОСТ 26226-95), общего и фракционного азота (ГОСТ 2675-85) определено по стандартным методикам.
ИК-спектры высушенных образцов сняты в вазелиновом масле на приборе SPEC0RD-M-80 в области частот 500-4000 см-1. Для расшифровки ИК-спектров щелочных экстрактов использовались данные корреляционных таблиц, указывающих характер поглощения различных функциональных групп [10, С. 202-225].
Определены массовые доли азота, кислорода углерода и серы [11].
Обсуждение результатов
После щелочного воздействия в экстрактах определяют от 1,5 до 3,8% органического вещества, до 84% которого составляют гуминовые кислоты (ГК). Максимальный выход органического вещества и гуминовых кислот наблюдают при обработке низинного торфа (табл. 1). В оксидате из верхового торфа содержание данных веществ уменьшается в 2 раза. Наименее обогащен гуминовыми и фульвокислотами (ФК) препарат из чистого мха, их общая сумма составляет 37% органического вещества.
В составе органического вещества препарата из низинного торфа концентрируется значительное количество аминокислот и витаминов (табл. 2, 3). В препарате определено 16 аминокислот из 20 существующих, включая семь незаменимых из десяти. Обращает на себя внимание высокое содержание витаминов групп А, Е и группы В, что актуально для данного оксидата, применяемого в качестве стимулятора роста растений и кормовой добавки. В сухом щелочном экстракте из низинного торфа содержится витаминов: А - 7,54; Е - 5,93; В1 - 0,98; В2 - 3,53; В3 - 2,83; В5 - 9,65; В6 - 1,03 мг/кг; В12 -5,17 мкг/кг; Вс - 0,26 мг/кг; К3 - 0,24 мг/кг.
Таблица 1. Содержание сухого вещества и органических компонентов в щелочных экстрактах, %
№ Сухое вещество Зольность Органическое вещество ГК+ФК ГК ФК
1 2,21±0,01 0,05 2,16±0,02 1,39±0,007 1,26 0,088
2 1,61±0,03 0,05 1,56±0,04 0,81±0,007 0,80 0,093
3 2,03±0,01 0,12 1,96±0,02 1,02±0,003 1,00 0,091
4 1,50±0,05 0,06 1,43±0,03 0,62±0,01 0,50 0,090
5 1,61±0,04 0,10 1,52±0,02 0,56±0,003 0,56 0,086
6 3,86±0,07 0,07 3,79±0,05 3,19±0,03 2,42 0,768
Таблица 2. Содержание аминокислот в щелочном экстракте из низинного торфа
Показатели Оксидат сухой Оксидат раствор
Влажность, % - 96,14
Аминокислоты в г/кг
Аспарагин 7,80 0,55
Треонин 3,70 0,21
Серин 4,70 0,29
Глутамин 9,00 0,75
Пролин 14,00 0,74
Глицин 4,40 0,22
Аланин 3,60 0,47
Валин 5,30 0,34
Метионин 2,00 0,20
Изолейцин 3,10 0,20
Лейцин 3,50 0,40
Тирозин 0,27 0,23
Фенилаланин 4,30 0,43
Гистидин 9,60 0,61
Лизин 6,20 0,43
Аргинин 6,80 0,20
Содержание общего, минерального и легкогидролизуемого азота зависит от вида и соотношения сырья (табл. 3). Содержание общего азота максимально в щелочном экстракте из низинного торфа. До 56% общего азота составляет минеральный азот, который доступен растениям в период вегетации, а также используется в рационах жвачных животных (коров, овец) в качестве источника белка в составе небелковых азотистых веществ. Минеральный азот может быть удален из препарата при его высушивании. Доля же легкогидролизуемого азота в данном препарате минимальна в ряду сравниваемых препаратов (18% от общего азота), что косвенно подтверждается данными элементного состава (табл. 4). С уменьшением степени разложения или доли торфа содержание общего азота в препарате уменьшается в 2 раза, при этом доля легкогидролизуемого азота в оксидате из мха возрастает до 40%.
Значения О/С в исследуемых щелочных экстрактах характерны для почвенных гуминовых кислот (0,5-
0,7), причем, наибольшая окисленность наблюдается в оксидате из чистого мха. Низкие значения Н/С и О/С в торфяных экстрактах (табл. 4), вероятно, явились следствием увеличения содержания в них высокомолекулярных органических соединений [12, 13]. В оксидате из низинного торфа преобладают высокомолекулярные ненасыщенные соединения с низким содержанием азота. По сравнению с ним, в оксидате из верхового торфа и в смеси верхового торфа и мха доля ненасыщенных соединений уменьшается, а доля алифатических фрагментов возрастает. И, вероятно в связи с этим, увеличивается содержание азота. Относительно низкое содержание кислорода при практически равном содержании водорода указывает на высокую степень восстановленности молекул. Чем больше примесь мха, тем больше в экстрактах содержание серы. Таким образом, сера и азот присутствуют в экстрактах в восстановленной форме. Повышение соотношения Н/С в щелочном экстракте из чистого мха по сравнению с экстрактом из низинного и верхового торфа (2,04, 1,59 и 1,81 соответственно) указывает на рост доли природных алифатических фрагментов с низким содержанием азота и значительным количеством серы. Это подтверждается и ИК-спектрами полученных препаратов.
Таблица 3. Содержание общего и фракционного азота в щелочных экстрактах
№ Общий, мг/г сухого вещества Минеральный Легкогидролизуемый
мг/г сухого вещества в % от общего мг/г сухого вещества в % от общего
1 100,1±6,9 30,4 30,4 35,2 35,2
2 123,3±2,1 33,3 27,0 37,2 30,1
3 86,7±5,5 30,4 35,0 31,5 36,3
4 65,9±5,1 33,7 51,2 26,6 40,4
5 68,1±4,5 29,0 42,5 27,2 40,0
6 128,4±4,1 71,5 55,9 23,5 18,3
Таблица 4. Элементный состав щелочных экстрактов
№ Массовые доли элементов, % Отношения элементов, ат %
С Н N Б О Н : С С : Н О : С С : N
1 46,75 7,07 7,47 0,20 27,26 1,81 0,55 0,44 7,34
2 43,11 6,67 8,17 0,29 32,07 1,86 0,54 0,56 6,19
3 43,44 6,67 8,26 0,16 31,49 1,84 0,54 0,55 6,14
4 45,70 6,86 7,29 0,26 30,05 1,80 0,56 0,49 7,33
5 45,60 7,78 6,71 0,27 38,80 2,04 0,49 0,64 7,92
6 43,99 5,84 5,84 32,42 1,59 0,63 0,55 8,74
При расшифровке ИК-спектров обращалось внимание на поведение частот валентных колебаний -СОО-, -СООН, -ОН, МН2, ЫН3+, -С=0, которые могут присутствовать в органических соединениях типа карбоновых кислот, фенолов, аминокислот, солей органических кислот, как наиболее вероятных соединений, выделяемых из торфа при его щелочном гидролизе. В связи с тем, что оксидат представляет собой, прежде всего, аммонийные соли гуминовых и фульвокислот, в его ИК-спектрах наблюдаются полосы валентных колебаний не свободных карбоновых кислот, а их аммониевых солей и комплексов с двух- и трехвалентными катионами типа Са, М^, Бе, которые в небольших количествах присутствуют как в исходных торфах, так и в щелочных экстрактах из них.
Присутствие органических кислот в оксидате из низинного торфа подтверждается проявлением характерных для карбоксилат-ионов полос поглощения в области частот: 1640 см-1 vасим. (с.) и 1410 см-1
^им. (с.).
Наличие спиртов подтверждается следующими полосами поглощения: V (ОН) (с.) в области 34003500 см-1, V (С-О) (ср.) в области 1050 см-1, 5 (ОН) (сл.) в области 1250-1300 см-1. При этом сильное смещение полосы поглощения в область меньших частот (примерно на 150-200 см-1) относительно стандартных значений (3615-3635 см-1) свидетельствует о проявлении межмолекулярной водородной связи гидроксильной группы между спиртами, а также с молекулами воды.
О присутствии в оксидате аминосоединений в виде аминов и аминокислот свидетельствуют полосы поглощения V (Ы-Н) (с.) в области частот 3100-3300 см-1, группа полос V (С-Ы) (ср.) в области 10501250 см-1, 5 (Ы-Н) (сл.) в области 1450-1500 см-1 и широкая полоса средней интенсивности в области 400900 см-1. Смещение валентных колебаний V (Ы-Н) в область низких частот примерно на 100-200 см-1 подтверждает участие аминогруппы в межмолекулярных водородных связях.
В ИК-спектре щелочного экстракта из верхового торфа проявляются колебания всех вышеперечисленных функциональных групп. Отличие ИК-спектров щелочных экстрактов из верхового и низинного торфов заключается в усилении интенсивности полос поглощения в области 3200, 2950, 16001650 и 1410 см-1.
Усиление полос поглощения валентных колебаний ионизированных карбоксильных групп в области 1500-1700 см-1 и 1410 см-1 может служить косвенным доказательством преобладания в составе щелочного экстракта карбоновых кислот. Широкая сложная полоса поглощения в области 1500-1700 см-1 обусловлена присутствием в экстракте смеси алифатических и ароматических карбоновых кислот.
Наряду с карбоновыми кислотами в составе органического вещества экстракта присутствует значительное количество спиртовых или фенольных соединений, связанных между собой водородными связями. Подтверждением этому служат полосы поглощения в области 3400-3600 см-1 V (ОН) (оч.с.), 1050 см-1 - V (С-О) (с.), 1250-1300 см-1 - 5 (ОН) (сл.).
Появление широких и сильных полос поглощения в областях 2800-3000 см-1 и 1050 см-1, отнесенных нами к валентным колебаниям СН-групп свидетельствует об извлечении из верхового торфа смеси углеводородов разного строения и природы: гемицеллюлоз, целлюлозы, клетчатки.
Усиление поглощения полос валентных колебаний V (Ы-Н) (с.) в области 3200 см-1, группы полос
V (С-Ы) (с.) 1050 см-1 свидетельствует об увеличении в составе органического вещества щелочного экстракта азотсодержащих веществ, в том числе аминов и аминокислот.
ИК-спектр щелочного экстракта из мха значительно отличается по интенсивности полос поглощения анализируемых функциональных групп. Так, высокая интенсивность полос поглощения в области 3400 см-1
V (С-ОН) и 1000-1100 см-1 V (С-О) свидетельствует о преобладании в составе органического вещества экстракта спиртовых и фенольных соединений. Сложные широкие полосы с несколькими пиками невысокой интенсивности в области 1600-1700 см-1 vасим. (СОО ) и 1400-1480 см-1 vсим. (СОО ) соответствуют валентным колебаниям комплексных соединений алифатических и ароматических карбоновых кислот с металлами. Появление полосы поглощения в области 1750 см-1 обусловлено присутствием группы С=О, вероятно, в составе аммонийных солей карбоновых кислот. Узкая и достаточно интенсивная полоса поглощения в области 2950 см-1 характерна для валентных колебаний СН2, СН3 насыщеных углеводородов.
Смешивание мха с верховым торфом в различных соотношениях отражается на интенсивности полос поглошения основных функциональных групп с сохранением полос поглощения, характерных для щелочного экстракта из верхового торфа.
Сравнение ИК-спектров щелочных экстрактов из верхового торфа и мха в этой области поглощения позволяет сделать вывод о том, что в щелочном экстракте из мха преобладают насыщенные углеводороды близкого строения, что хорошо согласуется с данными элементного состава.
Выводы
1. Получение щелочного экстракта из низинного торфа обеспечивает максимальный выход препарата, в составе которого преобладает органическое вещество, состоящее преимущественно из гуминовых и фульвокислот.
2. С уменьшением степени разложения исходного сырья доля высокомолекулярных ненасыщенных соединений в экстрактах также уменьшается, а количество природных алифатических фрагментов возрастает.
3. Методами элементного анализа и ИК-спектроскопии показано, что добавление мха в верховой торф обогащает экстракт спиртовыми и фенольными соединениями, углеводами алифатического строения, и этим расширяет спектр фармакологической эффективности препарата.
Список литературы
1. Белькевич П.И., Голованов Н.Г., Долидович Е.Ф. Битумы торфа и бурого угля. Минск, 1989. 127 с.
2. Маслаков Д.А., Эйсмонт К.А. Биологическая активность некоторых полисахаридов и их клиническое применение. Минск, 1977. 230 с.
3. Киселева А.В., Волхонская Т.А., Киселев В.Е. Биологически активные вещества лекарственных растений Южной Сибири. Новосибирск, 1991. 134 с.
4. Оболенцева Г.В. Растительные полисахариды - перспективный источник лекарственных средств // Всесюз. конф. «Актуальные проблемы оценки фармакологической активности химических соединений»: Тез. докл. М., 1981. С. 108-109.
5. Юдина Н.В., Писарев С.И., Саратиков А.С. Противоязвенная активность фенольных соединений торфа // Химия растительного сырья. 1998. №4. С. 29-32.
6. Инишева Л.И., Архипов В.С., Маслов С.Г., Михантьева Л.С. Торфяные ресурсы Томской области и их использование. Новосибирск, 1995. 88 с.
7. Жилякова Т.П., Панина О.П., Ратахина Л.В., Зуева Е.П. и др. Торфотон - перспективный противоязвенный препарат // Сибирский журнал «Гастроэнтерология и гепатология». №8-9. 1999. С. 108-109.
8. Жилякова Т.П., Касимова Л.В., Бледнов В.А., Никитина М.М., Панов А.Н. Биостимулирующая кормовая добавка из торфа для телят молочного периода // Актуальные проблемы диагностики, профилактики и терапии болезней животных в современных экологических условиях. Барнаул. 2001. С. 25-28.
9. Методика современных химических исследований качества мяса и кормов. Новосибирск. 1998.
10. Методы количественного органического элементного микроанализа/ Под ред. Больмана Н.Е. М., 1987.
11. Гордон А., Форд Р. Спутник химика / Пер. с англ., М., 1976. 541 с.
12. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б. Элементный состав гуминовых веществ сапропелевых отложений // Вестник РАСХН. 2000. №4. С. 59-62.
13. Жмакова Н.А., Стригутский В.П., Наумова Г.В., Косоногова Л.В. и др. Структура гуминовых кислот торфа // Гуминовые вещества в биосфере. М., 1993. С. 50-54.
Поступило в редакцию 4 июля 2003 г.
