Научная статья на тему 'Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях «Взрывного автогидролиза»'

Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях «Взрывного автогидролиза» Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
545
175
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кузнецов Б. Н., Левданский В. А., Еськин А. П., Полежаева Н. И.

Изучено влияние активации бересты березы водяным паром в условиях "взрывного" автогидролиза, а также влияние некоторых алифатических спиртов на степень извлечения бетулина и суберина. Установлено, что предварительная активация бересты березы позволяет увеличить на 25-40 % выход бетулина и суберина при использовании обычных методов их извлечения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Кузнецов Б. Н., Левданский В. А., Еськин А. П., Полежаева Н. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях «Взрывного автогидролиза»»

Химия растительного сырья. 1998. №1. С. 5-9

УДК 547.595 (0888)

ВЫДЕЛЕНИЕ БЕТУЛИНА И СУБЕРИНА ИЗ КОРЫ БЕРЕЗЫ, АКТИВИРОВАННОЙ В УСЛОВИЯХ “ВЗРЫВНОГО АВТОГИДРОЛИЗА”

© Б.Н. Кузнецов, В.А. Левданский, А.П. Еськин, Н.И. Полежаева

Институт химии природного органического сырья СО РАН, г. Красноярск (Россия) E-mail: icorm@nchem.krasnoyarsk.su cnv@cc.krascience.rssi.ru

Изучено влияние активации бересты березы водяным паром в условиях “взрывного” автогидролиза, а также влияние некоторых алифатических спиртов на степень извлечения бетулина и суберина. Установлено, что предварительная активация бересты березы позволяет увеличить на 25—40% выход бетулина и суберина при использовании обычных методов их извлечения.

Введение

Кора березы служит источником разнообразных экстрактивных веществ. Наиболее богата экстрактивными веществами внешняя кора различных видов берез, в экстрактах которой преобладают пентациклические тритерпеноиды ряда лупана и p-амирина, причем основным компонентом является бетулин [1], обусловливающий белый цвет коры берез [2]. Содержание бетулина во внешней коре составляет от 10 до 40% в зависимости от вида березы, места и условий её произрастания, возраста дерева. Бетулин (I) является три-терпеновым спиртом, обладающим двумя гидроксильными группами (рис.1). Доступность и биологическая активность бетулина ставят его в ряд ценных природных соединений [3].

Ряд растительных экстрактов, основным компонентом которых является бетулин, проявляет противоопухолевое действие [4]. Показано, что бетулин является наилучшим эмульгатором системы рыбий жир — вода, а его эфиры — системы арахисовое масло — вода [5, 6]. Бетулин обладает гастро- и гепатопротективными свойствами [7].

Гидроборированием бетулина с последующим

окислением перекисью водорода получен триок-силупан, используемый в медицине [8].

H2C^ /ШЗ

I, II

Рис.1. I. Rl = -ОН; R2 = -CH2OH - бетулин;

II. ^ = -0-С0-СН3; R2 = -CH2-O-CO-CH3 — диацетат бетулина

Предложены различные способы выделения бетулина из коры березы. В соответствии с [9] березовую кору экстрагируют бензолом, выделившийся при охлаждении бетулин отфильтровывают и сушат. Для его извлечения использовалась также последовательная экстракция измельченной коры петролейным эфиром, четыреххлористым углеродом и хлороформом [10].

Предложен многостадийный метод выделения бетулина из коры березы, включающий экстрак-

цию трихлорэтиленом, прямое ацелирование экстракта и гидролиз диацетата бетулина [11].

Кора березы содержит также суберин — сложный полиэфир, состоящий из высокомолекулярных жирных кислот и гидроксикислот. Суберин локализуется преимущественно в пробковых клетках коры березы. При обработке суберина концентрированным раствором щелочи образуются растворимые соли феллоновой и пробковых кислот.

Известен метод выделения суберина и бетули-на путем измельчения коры в присутствии щелочи и изопропилового спирта при 60—70оС [12].

Недостатками описанных выше способов выделения бетулина и суберина является небольшой выход целевого продукта, его низкое качество, многостадийность процессов выделения и очистки, необходимость применения легковоспламе-няемых и токсичных реагентов.

В настоящей работе изучена возможность применения активирующей предобработки коры березы для повышения степени извлечения бету-лина и суберина. С этой целью использовалась предварительная активация коры водяным паром в условиях “взрывного” автогидролиза, успешно применяемого для активации древесной щепы [13] и коры лиственницы [14].

Экспериментальная часть

В работе использовали кору свежесрубленной березы вида Ве1у1а alba, произрастающей в районе Красноярска. Влажность бересты березы составляла 3.05%, зольность — 2.11%. Содержание летучих веществ — 6.97%; элементный состав: С, % 67.09; H,% 9.61; N,% 0.60. Активацию коры проводили на установке с объемом реактора 0.85 л при различных режимах по методике, описанной в [14]. Кора загружалась в реактор, в который подавался насыщенный водяной пар. В течение 10— 15 сек достигались нужная температура и давление. Через определенный промежуток времени давление сбрасывалось с помощью шарового кра-

на. При этом автогидролизованный материал “выстреливается” из реактора в приемник. Полученный продукт высушивали в сушильном шкафу при 105оС до постоянного веса.

Получение бетулина осуществляли по методике, аналогичной [15]. После перекристаллизации из этилового спирта, полученный бетулин представляет собой порошок белого цвета. Найдено: С,% 81.21; 81.67. Н,% 11.51; 11.19. С31 Н50 О2 Вычислено: С,% 81.45; Н,% 11.31. Тпл.= 258 - 260оС [16].

Регистрацию ИК-спектров бетулина осуществляли на спектрофотометре “8рекоМ 75 Ж “ в области 400 — 4000 см-1. Вещества исследовали в твердом состоянии в матрице бромистого калия.

Получение диацетата бетулина осуществляли по следующей методике. В раствор бетулина в бензоле добавляли уксусный ангидрид и кипятили в колбе с обратным холодильником 2 — 2.5 ч. Ход реакции контролировали методом тонкослойной хроматографии на пластинках “Силуфол”. После отгонки бензола реакционную массу охлаждали. Выпавший диацетат бетулина отфильтровывали и высушивали при комнатной температуре. Выход продукта составил 4.98 г (93%). Тпл = 222оС. Найдено: С,% 77.98; 78,21. Н,% 10.49; 9.83. С34Н5404. Вычислено: С,% 77.57; Н,% 10.27.

Для получения суберина к коре, освобожденной от луба и подвергнутой активации водяным паром, добавляли водный раствор едкого натра и кипятили в колбе с обратным холодильником в течение 20 мин. Раствор охлаждали до 70оС, в реакционную смесь добавляли изопропиловый спирт и кипятили ещё 5 мин. Горячий раствор фильтровали, отгоняли изопропиловый спирт, остаток разбавляли водой и фильтрованием отделяли бе-тулин. Водный раствор подкисляли серной кислотой до рН = 4—5. Осадок суберина отфильтровывали, промывали на фильтре холодной водой до нейтральной реакции.

Обсуждение результатов

Процесс неизобарного предгидролиза основан на кратковременной обработке древесного материала перегретым паром при температуре 200— 350оС и давлениях 3—5 МПа. При этом протекают реакции диацелирования гемицеллюлоз и распада сахаров с образованием низкомолекулярных органических кислот (преимущественно уксусной и муравьиной). Последние катализируют реакции гидролиза эфирных и прочих связей в древесной биомассе. Одновременно происходит механическое разрыхление обрабатываемого материала в результате резкого сброса давления пара в процессе активации. Береста березы при этом разрыхля-

ется до пылевидного состояния. Выделение бету-лина из активированной бересты осуществляли путем кипячения в водно-спиртовом растворе щелочи.

Активацию бересты проводили при следующих параметрах процесса: температура 180 — 240оС, давление пара 1.0—3.4 МПа, продолжительность обработки 30—360 сек. В качестве оптимальных параметров активации была выбрана температура 240оС и давление пара 3.4 МПа. Таблица 1 иллюстрирует влияние продолжительности активации коры на выход бетулина, извлекаемого водно-щелочными растворами метанола, этанола и изопропанола.

Таблица 1

Влияние продолжительности активации бересты березы методом неизобарного предгидролиза при температуре 240оС и давлении пара 3.4 МПа на выход бетулина, экстрагируемого водно-спиртощелочными растворами

Спирт в водно-щелочном растворе Выход бетулина при различной продолжительности активации бересты*

0 30 б0 120 180 240 300 3б0

Метиловый 23.0 25.0 29.0 31.5 34.5 35.0 34.5 35.0

Этиловый 24.0 2б.5 30.5 34.б 37.0 37.0 3б.5 3б.0

Изопропиловый 24.б 2б.7 31.3 33.0 34.3 35.0 35.2 35.0

* Выход в % от веса абсолютно сухой бересты, продолжительность активации в сек.

Наиболее высокий выход бетулина наблюдался при продолжительности активации бересты 180 — 300 сек, причем максимальное количество бетулина (37% от веса абсолютно сухой бересты) извлекалось в присутствии этанола. В целом степень извлечения бетулина возрастала на 25 — 40% при активации бересты в условиях неизобарного пред-гидролиза. На описанный выше способ получения бетулина получен патент [15]. Для идентификации бетулина (I) использовалась характерная для него

реакция ацилирования уксусным ангидридом, приводящая к образованию диацетата бетулина (II) с выходом до 93%. Реакции ацилирования и гидролиза диацетата бетулина могут использоваться для извлечения бетулина из различных смесей и экстрактов [11]. Состав полученного бе-тулина был подтвержден данными элементного анализа. Было также установлено, что ИК-спектры выделенного из активированной бересты бетулина (рис. 2) идентичны описанным в работе [17].

Рис. 2. ИК - спектр бетулина

Известно, что при гидролизе коры березы в водно-спирто-щелочном растворе наряду с бету-лином извлекается суберин при подкислении гидролизата [12]. Известный способ получения суберина включает стадию измельчения коры в водном растворе щелочи, требующей повышенных энергетических затрат.

Более эффективен предложенный нами способ извлечения суберина, основанный на использовании активирующей обработки коры в условиях неизобарного предгидролиза водяным паром. После активации бересту кипятят в водно-спиртовом

растворе щелочи в течение 20—25 мин, отделяют раствор, из которого отгоняют спирт, отфильтровывают бетулин, а затем оставшийся фильтрат подкисляют серной кислотой до рН 4—5. При этом выпадает желтый хлопьевидный осадок суберина, который отделяют фильтрованием.

В таблице 2 приведены данные о влиянии продолжительности активации бересты березы при температуре 240оС и давлении 3.4 МПа на выход суберина, извлекаемого водно-спирто-щелочными и водно-щелочными растворами.

Таблица 2

Влияние продолжительности активации бересты березы методом неизобарного предгидролиза при температуре 240оС и давлении пара 3.4 Мпа на выход суберина, экстрагируемого водно-спиртощелочными растворами

Спирт в воднощелочном растворе Выход суберина при различной продолжительности активации бересты*

0 30 60 120 180 240 300 360

Метиловый 25.0 25.0 26.0 25.0 26.0 27.0 29.0 30.0

Этиловый 24.0 24.0 25.0 27.0 27.0 28.0 28.0 31.0

Изопропиловый 25.0 26.0 26.0 27.0 28.0 30.0 31.0 29.0

Отсутствует 20.0 26.0 26.0 25.0 27.0 30.0 29.0 32.0

• Выход в % от веса абсолютно сухой бересты, продолжительность активации в сек.

Максимальный выход суберина наблюдался 20 — 25% по сравнению с неактивированной бе-

при продолжительности активации бересты 360 рестой, причем природа спирта не оказывала сусек. Степень извлечения суберина возрастала на щественного влияния на выход суберина. Как уже

отмечалось, в присутствии алифатических спиртов удается одновременно извлекать бетулин и суберин. Если же активированная кора экстрагируется в водно-щелочной среде без добавок спирта, извлекается только суберин. Было установлено, что оптимальная продолжительность активации определяется размерами исходных частиц бересты. При размерах частиц бересты: 25— 30 х 20—25 х 2—5 мм оптимальная продолжительность активации составляет 180-360 сек.

Выводы

1. Установлено влияние предварительной активации бересты березы в условиях процесса “взрывного” автогидролиза водяным паром на степень извлечения бетулина и суберина воднощелочными растворами с добавками алифатических спиртов.

2. Предложены способы выделения бетулина и суберина, позволяющие увеличить выход последних на 25 — 40% по сравнению с неактивированной берестой.

Литература

1. Ilyin S.G., Malinovskaya G.V., Uvarova N.I., Elyakov G.B., Antipin M.Yu., Struchkov Yu.T. X-ray analysis of betulafolienetetraol oxide, a triterpene isolated from Betula costata Trautv // Tetrahedron Lett. 1982. Vol. 23. №48. P. 5067-5070.

2. Jaaskebainen P. Betulinol and its utilization // Pap. ja puu. 1981. Vol. 63. №10. P. 599-603.

3. П. де Майо Терпеноиды. М., 1963. 424 с.

4. Семенов А.А. Природные противоопухолевые соединения. Новосибирск, 1979/

5. Pasich J. Emulgatory z grupy trojterpenoidow. Cz. V. // Farmac. polska. 1965. Vol. 21. №17-18. P. 661-665.

6. Pasich J. Emulgatory z grupy trojterpenoidow. Cz.VIII. Fizykochemiczne badania betuliny i jej estrow // Herba pol. 1979. Vol. 25. №2. P. 147-153.

7. Похило Н.Д., Уварова Н.И. Изопреноиды различных видов рода Веty1a // Химия природных соединений. 1988. №3. C. 325-341.

8. Матюхина Л.Г., Салтыков И.А. Синтез три-оксилупана // ЖОХ. 1976. Т. 46. Вып. 12. С. 27592760.

9. Huneck S. Die Darstellung von 19 p.28-Epoxy-3-oxo-2-diazo-18aH-oleanan und dessen photo-chemische Umwandlung in A-Nor-Verbindungen // Chem. Ber. 1965. Vol. 98. №6. P. 1837- 1857.

10. Rapil R.S., Dhaz M.M. Chemical constituents of Diospyros montana Roxb. Part I. Isolation of diospyrin, a new binaphthyl derivative // J. Scient. and Industr. Res. 1961. Vol. 20. №10. P. 498-500.

11. Pasich J., Pojda M. Naturaline i polsyntetyczne tenzydy. Cz. VII. Prosty sposob otrzymywania betuliny // Farmac pol. 1974. Vol. 30. №8. P. 771772.

12. А. с. 382657 СССР. Способ выделения бе-тулина и суберина / Т.И. Федорищев, В.Г. Калай-ков // БИ. №23. 1973. С. 66.

13. Гравитис Я. А. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы // Химия древесины. 1987. №5. C. 3-21.

14. 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.

15. Пат. PФ №2074867. Способ получения бе-

тулина / Б.Н. Кузнецов, В.А. Левданский,

Т.А. Шилкина, С.М. Репях.

16. Одинакова Л.Э., Малиновская Г.В., Похило Н.Д., Уварова Н.И. Тритерпеноиды коры и веточек Betula Dahurica // Химия природных соединений. 1985. №3. С. 14.

17. Era V., Jaaskelainen P., Ukkonen K. Fatty acid esters from Betulinol // J. Amer. Oil Chem. Soc. 1981. January. Vol. 58. P. 20-23.

Поступило в редакцию 21.01.98

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.