Выделение и изучение экстрактивных продуктов коры осины Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Химия растительного сырья. 1998. № 3. С. 5-12

УДК 634.0.813.2

ВЫДЕЛЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ ЭКСТРАКТИВНЫХ ПРОДУКТОВ КОРЫ ОСИНЫ

© Б. Н. Кузнецов, В. А. Левданский, Л. К. Кедрова, А. П. Еськин, Н. И. Полежаева, Л. В. Сафонова, Н. И. Павленко

Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск (Россия) Красноярский государственный университет E-mail: [email protected] [email protected]

Изучена последовательная экстракция коры осины различными группами растворителей. Методом препаративной колоночной хроматографии проведено разделение липидных смесей на нейтральные липиды, гликолипиды и фосфолипиды. С использованием газо-жидкостной хроматографии, ИК- и ЯМР 'Н-спектроскопии получены данные

о количественном и качественном составе гексанового экстракта.

Введение

Среди лиственных пород древесины, произрастающих в России, второе место по запасам после березы занимает осина, количество которой превышает 1.6 млрд м3 [1].

Более половины (54.3 %) осинников Восточной Сибири расположено в Красноярском крае, который занимает первое место по ресурсам осины в целом по стране.

Древесная кора в больших количествах скапливается на предприятиях деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и её отходы достигают 15 % от перерабатываемой древесины. Только на Красноярском ЦБК скапливается до 100 тыс т осиновой коры в год. Известно, что кора осины является источником ценных химических и биологически активных соединений, таких как жиры, масла, воски, непредельные жирные кислоты, стерины и другие [2-4]. В работах, посвященных изучению коры древесины осины коры, показано, что качественные характеристики и выход экстрактивных веществ зависят от многих факторов: места произрастания, времени рубки,

климата, возраста дерева и продолжительности хранения [5, 6].

Целью настоящей работы явилось изучение химического состава экстрактивных веществ коры древесины осины с использованием методов хроматографии, ИК- и ЯМР ^-спектроскопии.

Экспериментальная часть

Объектом исследования являлась осиновая кора, отбор которой осуществляли из отвалов Красноярского ЦБК. Использовались частицы коры длиной 200-250 мм, шириной 30-60 мм, толщиной от 5 до 1 0 мм, кора высушивалась до влажности 9.5 % вес. В коре содержалось 11.5 % веществ, извлекаемых диэтиловым эфиром, 1 6.6 % трудногидролизуемых полисахаридов, 26.6 % легкогидролизуемых полисахаридов 30.1 % лигнина, 11.7 % целлюлозы, зольность составляла 3.3 %.

Экстракцию осиновой коры проводили в аппарате Сокслета емкостью 500 мл. Содержание экстрактивных веществ определяли по убыли массы коры после экстракции. В качестве экстрагентов использовали следующие растворители: гексан, бензол, диэтиловый эфир, изопропиловый спирт,

ацетон, воду и 0.1 н водный раствор КОН.

Разделение твердых и маслообразных продуктов осуществляли вымораживанием при температуре от -5оС до 0оС.

Разделение смеси липидов проводили на колонке диаметром 25 см и длиной 1 00 см, заполненной силикагелем марки Ь=100-200 меш., с использованием в качестве элюентов хлороформа, ацетона и изопропилового спирта. Нейтральные вещества и жирные кислоты также делили на колонке с силикагелем при последовательном использовании в качестве элюентов гексан, смесь гексана и диэтилового эфира и диэтиловый эфир. Содержание фенольных веществ определяли колориметрически по реакции с п-нитроанилином [7]. Содержание дубильных веществ определяли методом ВЭМ [8].

Липидные соединения переводились в метиловые эфиры и анализировались хроматографически (ЛХМ-7А, пламенно-ионизационный детектор). Применялась колонка из нержавеющей стали размером 200 х 4 мм, в качестве носителя использовался хромосорб Р (120-140 меш) с неподвижной фазой 1,4-бутандиолсукцинатом, взятым в количестве 15 % от носителя. Температура колонки составляла 205 оС, детектора - 300 оС, дозатора -300 оС. В качестве газа-носителя использовался

азот (расход 1.5 л/час). Идентификацию разделенных компонентов проводили методом метки.

Регистрацию ИК-спектров экстрактов осуществляли на спектрометре “Spekord 75-IR”. Твердые образцы снимали в матрице бромистого калия, жидкие - в тонком слое между пластинками из КВг. Величина навески вещества и толщина исследуемых слоев строго регламентировались, что позволило сравнивать интенсивности соответствующих полос поглощения. Спектры ЯМР 'Н снимали на спектрометре ”Tesla BS-567 A” с рабочей частотой 100 МГц, при использовании в качестве растворителей дейтерохлороформа и дейтероацетона.

Обсуждение результатов

Для выделения экстрактивных веществ из коры древесины осины применяли последовательную экстракцию серией растворителей с возрастающей полярностью. С этой целью применяли три группы растворителей.

Данные по количеству извлекаемых веществ первой группой растворителей, в качестве которых использовали: гексан, бензол, диэтиловый эфир, изопропиловый спирт, ацетон, вода, 0.1 н водный раствор КОН приведены в табл. 1.

Таблица 1

Данные по выходу веществ, извлекаемых при последовательной экстракции коры осины первой группой

растворителей

Растворитель Выход экстрагируемых веществ, % от а.с.к.* 1 2 3 усред. Содержание полифенолов в экстрактах, % Содержание дубильных веществ в экстрактах, %

Гексан 7.4 8.1 8.6 8.0 - -

Бензол 1.3 1.3 1.3 1.3 - -

Диэтиловый эфир 3.1 3.0 3.8 3.3 24.1 13.7

Изопропанол 8.6 8.8 8.8 8.7 15.1 5.3

Ацетон 1.8 1.8 1.8 1.8 15.5 5.4

Вода 11.6 11.9 12.0 11.8 10.1 -

0.1 н р-р КОН 1.9 1.9 1.9 1.9 - -

Всего: 35.6 35.7 38.2 36.9 - -

* от веса абсолютно сухой коры

Суммарный выход экстрактивных веществ достигает 36.9 %. После частичной отгонки растворителя и охлаждения из гексанового экстракта был выделен твердый компонент с выходом около 1 %. Выход маслообразной фракции составил 7 %. Некоторые характеристики твердой и маслообразной фракций приведены в табл. 2.

В табл. 3 приведены данные по определению методом ГЖХ содержания жирных кислот в маслообразной фракции, выделенной из гексанового экстракта осиновой коры.

В соответствии с полученными результатами связанные и свободные жирные кислоты составляют основную массу маслообразной фракции

гексанового экстракта. Линоленовая и линолевая кислоты, суммарное содержание которых в гексановом экстракте может превышать 60 %, относятся к незаменимым и обладают Б-витаминной активностью. Суммарное количество линолевой и линоленовой кислот в жидком компоненте возрастает до 70 % после выделения из гексанового экстракта твердой фракции.

Твердая фракция гексанового экстракта состоит, в основном, из насыщенных кислот состава С16 - С18, в то время как маслообразная фракция экстракта содержит, наряду с насыщенными кислотами, еще и непредельные кислоты.

Таблица 2

Некоторые характеристики гексанового экстракта коры осины

Наименование показателей Показатель

твердая фракция маслообразная фракция

Внешний вид желтый аморфный порошок маслообразный желтый продукт

Температура плавления, оС 63.0 -

Кислотное число, мг КОН/г 9.8 10.5

Число омыления, мг КОН/г 113.5 135.8

Йодное число, мг КОН/г 45.3 105.1

Коэффициент преломления - 1.46

Таблица 3

Данные о составе маслообразной фракции гексанового экстракта коры осины

Кислота: Содержание, %

свободные кислоты связанные кислоты

Пальмитолеиновая 0.05 0.06

Изопальмитиновая 0.03 0.21

Пальмитиновая 0.61 3.11

Стеариновая 0.05 0.47

Олеиновая 0.15 3.11

Линолевая 5.15 49.90

Линоленовая 0.56 5.14

Неомыляемые вещества 22.54 %

Неидентифицированные 1.52 5.10

Наиболее высокое содержание дубильных веществ - 13.7 % и максимальная концентрация полифенолов - 24.1 % было обнаружено в экстрактах, извлекаемых из осиновой коры диэтиловым эфиром. Содержание лигнина и целлюлозы в коре осины после экстракции первой группой растворителей составляло 14.6 % и 17.2 % соответственно.

При экстракции осиновой коры второй группой растворителей использовали: петролейный эфир (1кип = 70-100 оС), толуол, хлороформ, диэти-ловый эфир, ацетон, изопропиловый спирт, воду,

0.1 н водный раствор КОН.

Результаты, полученные при последовательной экстракции коры осины второй группой растворителей, приведены в табл. 4.

Суммарный выход экстрактивных веществ в этом случае достигает 32.6 % от веса абсолютно сухой коры.

Экстракт, извлекаемый петролейным эфиром, был разделен на твердую и маслообразную фрак-

ции, выход первой составляет около 1 %, второй -4.4 %. Твердый экстракт выделялся кристаллизацией из эфира и представляет собой желтый аморфный порошок с температурой плавления 61 оС. Содержание лигнина и целлюлозы в коре осины, после её экстракции второй группой растворителей, составляет 13.8 % и 15.6 % соответственно.

При выборе третьей группы растворителей гексан и петролейный эфир были заменены на более доступный и дешевый бензин марки БР-1, а эфир, пропанол-2 и ацетон - на азеотропную смесь пропанол-2 - вода, кипящую при 86 оС.

Результаты, полученные при последовательной экстракции коры осины третьей группой растворителей, приведены в табл. 5.

Кристаллизацией из бензинового экстракта были выделены твердый и жидкий продукты с выходом 0.5 % и 11.0 %, соответственно. Температура плавления твердого компонента составляет 59 оС.

Таблица 4

Данные по выходу веществ, извлекаемых при последовательной экстракциикоры осины второй группой

растворителей

Растворитель Выход экстрактивных веществ, % от а.с.к.* 1 2 3 усред. Содержание полифенолов в экстрактах, % Содержание дубильных веществ в экстрактах, %

Петролейный эфир 5.4 5.4 5.4 5.4 - -

Толуол 1.0 1.2 1.1 1.1 - -

Хлороформ 1.0 1.0 0.1 1.0 - -

Диэтиловый эфир 2.3 2.2 1.9 2.1 32.8 22.1

Ацетон 5.6 5.6 5.6 5.6 18.7 6.8

Изопропиловый спирт 3.3 3.4 3.3 3.3 17.5 5.2

Вода 9.2 9.4 9.4 9.3 8.1 -

0.1 н р-р КОН 4.7 4.8 4.9 4.8 2.8 -

Всего: 32.5 32.9 32.5 32.6 - -

: от веса абсолютно сухой коры

Таблица 5

Данные по выходу веществ, извлекаемых при последовательной экстракции коры осины третьей группой

растворителей

Растворитель Выход экстрактивных веществ от а.с. к.*

1 2 3 усред.

Бензин БР-1 11.2 11.3 11.6 11.4

Пропанол-2/вода 88:12 19.1 18.9 19.0 19.0

Всего: 30.3 30.2 30.6 30.4

* от веса абсолютно сухой коры

Разделение смеси липидов гексанового экстракта коры осины проводили на колонке с силикагелем с использованием в качестве элюентов хлороформа, ацетона и изопропилового спирта. Полученные элюаты анализировали по методике, приведенной в работе [9]. Хлороформные элюаты, получаемые при хроматографировании липидов, содержат, в основном, нейтральные липиды, а именно углеводороды, каратиноиды и хлорофилл, эфиры стеринов, глицериды, воски, жирные кислоты. Ацетоновые элюаты содержат гликопептиды, а изопропанольные элюаты содержат основную массу фосфолипидов и лишь следы гликопептидов. Основная доля липидов коры осины приходится на нейтральные вещества. В гексановой фракции их содержится 72.0 %, гликолипидов -10.2 % и фосфолипидов - 15.0 %.

Фракцию нейтральных веществ делили на колонке с силикагелем, приготовленным по методи-

*

Данные по составу веществ, выделенных из

ке [9]. Вещества последовательно вымывали элю-ентами. Полученные данные по составу выделенных углеводородов приведены в табл. 6.

Идентификацию выделенных из смеси нейтральных компонентов (углеводороды, стерины, жирные кислоты, моно-, ди- и триглицериды) проводили известными методами [9].

С применением метода ИК-спектроскопии проведено изучение функционально-группового состава продуктов, полученных при последовательной экстракции коры осины различными растворителями.

Сравнение спектров продуктов показывает, что наиболее чистыми и однородными по функционально-групповому составу являются твердые фракции, полученные при экстракции коры осины гексаном, петролейным эфиром и бензином БР-1 . Отнесение наблюдаемых полос в ИК-спектрах этих продуктов представлено в табл. 7.

Таблица 6

нейтральных липидов гексановой фракции

Элюент Объем элюата, мл Элюируемый компонент Содержание компонента в нейтральной фракции, %

Гексан 45 Углеводороды 2.60

Гексан: диэтиловый эфир

(99:1) 95 Эфиры стеринов 5.97

(95:5) 60 Триглецириды 24.03

(92:8) 75 Жирные кислоты 10.80

(85:15) 115 Диглецириды 39.44

Диэтиловый эфир 45 Моноглицериды 14.03

Метод колоночной хроматографии на силикагеле

Таблица 7

Отнесение полос, наблюдаемых в ИК-спектрах твердой фракции, выделенной из коры осины

неполярными растворителями

Отнесение полос ИК-спектра Растворители

Гексан Петролейный эфир Бензин БР-1

Валентные колебания:

-ОН групп 3400 ср. 3400 ср. 3360 ср.

-ОН (СООН) 2800 с. 2800 с. 2800 с.

=С-Н групп (аромат.) 3030 сл.

=С-Н групп (алкены) 3010 о.сл. 3010 о.сл. 3010 ср.

-СНз 2960 ср. 2960 ср. 2960 ср.

К 0 1 2920 о.с. 2851 2920 о.с. 2851 2920 с. 2851

-С=О 1730 о.с. 1710 с. 1730 о.с. 1710 с. 1730 с. 1710 с.

-С=С (алкены) 1640 о.с. 1640 о.с. 1640 ср.

1602 сл. 1 608 сл. 1 605 ср.

-С=С (аромат.) 1590 сл. 1590 1590 ср.

1515 сл. 1515 1 5 1 5 ср.

Деформационные колебания:

1465 1460 1460

-СН2 + СН3

1470

-СН3 1375 1370 1370

-СН2 (маятниковое) 720 720 720

с - сильная интенсивность (80 - 10 %);

ср. - средняя интенсивность;

сл. - слабая интенсивность;

о.сл. - очень слабая интенсивность.

Анализ этих данных показывает, что основными компонентами твердых фракций являются насыщенные алифатические карбоновые кислоты, не содержащие электрофильных заместителей. Доказательством этого служит наличие двух полос поглощения 1730 и 1710 см-1 в области валентного колебания С=О групп в совокупности с широкими полосами с максимумами 2800 и 3400 см-1, принадлежащих валентным VoН колебаниям в карбонильной группе. Дополнительным подтверждением является наличие в спектрах всех твердых фракций интенсивных полос при 1260 и 1160 см-1, которые по данным Беллами [10] присутствуют непременно в спектрах жирных кислот с длинной

цепью.

Действительно, в анализируемых спектрах самыми интенсивными являются полосы поглощения 2920 и 2851 см-1, принадлежащие валентным колебаниям СН2-групп, и в области 720 см-1 - маятниковое колебание метиленовой группы, причем последняя полоса поглощения появляется в спектрах соединений, содержащих длинные (СН2)п-цепи.

Однако наличие в спектрах описываемых продуктов слабых полос поглощения в области 1600 -1500 см-1 , на наш взгляд, свидетельствует о присутствии в продуктах ароматических структур, а полос при 3010 см-1 и 1640 см-1 - непредельных соединений. Из сравнения интенсивностей отме-

ченных полос следует, что в твердых продуктах гексанового и эфирного экстрактов эти соединения присутствуют на уровне примесей. В случае бензина БР-1 содержание этих примесей, особенно непредельных соединений, наиболее высоко.

В спектрах маслообразной фракции экстрактов осиновой коры присутствуют характеристические полосы поглощения, аналогичные наблюдаемым для твердой фракции. Характер изменения интенсивностей полос поглощения свидетельствует об уменьшении длины алифатической составляющей (область валентных колебаний СН2- и СН3-групп), а также о наличии в составе жидких фракций значительного количества непредельных и ароматических структур.

Аналогичные результаты получены при исследовании экстрактов коры осины методом ЯМР 'Н. В растворах дейтерохлороформа интенсивность остаточного сигнала растворителя незначительна, что позволяет исследовать распределение протонов во всей области спектра.

Распределение интегральных интенсивностей протонов в спектрах ЯМР 'Н экстрактов приведено в табл. 8.

В табл. 8 приведены данные для экстрактов, полученных при экстракции коры осины гексаном, петролейным эфиром или бензином БР-1. В этом случае извлекаются соединения, содержащие

в основном насыщенные группы. Отсутствие в спектре сигналов спиртов, альдегидов, сложных и простых эфиров позволяет предполагать, что в этих экстрактах преобладают кислоты, при этом твердая фракция экстракта содержит длинные насыщенные кислоты, а жидкая, кроме них, еще и непредельные кислоты.

Таким образом, совокупность данных ЯМР 'Н и ИК-спектроскопии показывает, что в твердых продуктах, выделенных из гексанового, эфирного и бензинового экстрактов, основым компонентом являются алифатические карбоновые кислоты, имеющие длинные углеводородные цепи. Содержание ароматических и непредельных структур в них изменяется в ряду гексан < петролейный эфир < бензин БР-1. В жидких продуктах количество этих структур значительно больше (табл. 7). Этот вывод подтверждается также результатами, полученными при анализе смесей липидов методом колоночной хроматографии.

Экстракты остальных растворителей первой группы (бензол, диэтиловый эфир, изопропиловый спирт и ацетон) представляют собой сложные смеси ароматических соединений, вероятно, производных кислородсодержащих соединений типа фенолов или нафтолов.

Таблица 8

Распределение интегральных интенсивностей протонов (в %) в спектрах ЯМР :Н экстрактов коры

древесины осины

Диапазон, м.д.

Экстракция Фракция 0 - 4.6 алифатические насыщенные фрагменты 4.6 - 9.0 олефиновые и ароматические фрагменты

тв. 98.2 1.8

Гексан

ж 93.7 6.3

тв. 97.6 2.3

Петролейный эфир 95.5 4.5

ж.

тв. 96.6 3.4

Бензин БР-1

ж. 94.6 5.4

Из данных ИК и ЯМР :Н спектроскопии следует, что доля ароматических структур в экстрактах уменьшается в ряду изопропанол > ацетон > ди-этиловый эфир > бензол. Особенностью бензольного экстракта является наличие в нем алифатических структур.

Выводы

1. Изучена последовательная (дробная) экстракция коры осины тремя группами растворителей с возрастающей полярностью. Установлено, что при последовательной экстракции различными группами растворителей извлекается от 30 до 36 % экстрактивных веществ коры.

2. Проведено разделение осинового жира на твердую и маслообразную составляющие. Химическими методами, ИК- и ЯМР :Н - спектроскопией установлено, что твердая фракция, в основном, состоит из насыщенных жирных кислот состава С16 - С18, а маслообразная фракция включает также ненасыщенные жирные кислоты.

3. Проведен хроматографический анализ жирных кислот маслообразной фракции, выделенной из гексанового экстракта. Установлено, что липиды коры осины, в основном, состоят из непредельных кислот состава С18 : олеиновой, линоле-вой, линоленолевой. Среди предельных кислот удалось идентифицировать пальмитиновую и стеариновую. С использованием метода колоночной хроматографии установлено, что липиды коры осины состоят из нейтральных веществ, свободных жирных кислот, гликолипидов и фосфолипидов. Основную долю в нейтральной фракции

составляют неомыляемые вещества и связанные жирные кислоты.

4. Большое количество линолевой кислоты, обладающей F-витаминной активностью, позволяет считать кислотную фракцию липидов биоактивным веществом , которое может найти применение в сельском хозяйстве, медицине, парфюмерно-косметической промышленности.

Список литературы

1. Джалилов Х.Н. Проблемы сырьевой базы целлюлозно-бумажной промышленности. М., 1964. 258 с.

2. Шарков В.И., Калнина В.И. // Лесохимическая промышленность. 1940. № 7.

3. Pearl J.A. Aspen bark as a source of organic chemicals // Forest. Prod. J. 1963. Vol.13. № 3. p. 122-123.

4. Hossfeld R.L., Hunter W.T. The petroleum Ether Extractives of Aspen Bark // Tappi. 1958. Vol. 41. № 7. p. 359-362.

5. Долгодворова С.Я., Бурлакова Р.Ф., Перышки-на Г.И., Черняева Г.Н. Содержание липидов в древесине и коре осины // Химия древесины. 1 988. № 4. С. 95-98.

6. Abramovitch R.A., Micetich R.G., Smith S.J. Extractives from Populus tremuloides (aspen poplar) heartwood // Tappi. 1963. V. 46. № 1. p. 37-40.

7. Запрометов М.Н., Бухтаева В.Я. О продуктах фотосинтеза чайного растения и биосинтеза фенольных соединений // Физиология растений. 1967. Т. 14. № 2. С. 197.

8. Всесоюзный единый метод исследования в кожевенном, обувном и дубильно-экстрактивном производстве (ВЭМ). М., 1955. С. 320.

9. Кейтс М. Техника липидологии. М., 1975. 322 с.

1 0. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М., 1963. С. 579.

Поступило 09.06.98