Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 3
2. Литературный обзор 6
2.1. Классификация химического состава древесной зелени 7
2.2. Химическая переработка древесной зелени 13
2.3. Методы исследования экстрактивных веществ древесной ЗелеНИ 18
2.4. Тритерпеноиды пихты 20
2.5. Регуляторы роста растений 37
3. Обсуждение результатов 45
3.1. Эмульсионный способ выделения экстрактивных веществ из древесной зелени пихты и ели 45
3.2. Влияние концентрации основания и других факторов на выход экстрактивных веществ 47
3.3. Исследование фракционного состава кислых компонентов, выделенных эмульсионной экстракцией из древесной зелени пихты 56
3.4. Биопрепарат «Вэр ва» из древесной зелени пихты 64
4. Экспериментальная часть 80
Выводы 103
- Химическая переработка древесной зелени
- Регуляторы роста растений
- Влияние концентрации основания и других факторов на выход экстрактивных веществ
- Биопрепарат «Вэр ва» из древесной зелени пихты
Введение к работе
Постоянное возобновление в процессе фотосинтеза является одним из главных преимуществ растительной биомассы перед невозобновляемыми источниками органического сырья в аспекте их будущего использования. Комплексное рациональное использование лесных ресурсов предусматривает переработку отходов древесной зелени, которые образуются в процессе лесозаготовок и лесопиления. Эти отходы являются потенциальным сырьем для производства лечебных и биологически активных препаратов.
Экстрактивные вещества, содержащиеся в зеленой и древесной частях хвойных растений, играют роль регуляторов целого ряда процессов, обеспечивающих жизнедеятельность растений. Так, древесная зелень и кора пихты являются источником богатейшего набора тритерпеноидов, среди которых особенно ценные свойства проявили соединения кислотной природы.. Изучение их влияния на жизненный цикл важнейших сельскохозяйственных растений привело к выводу, что они способны повышать урожайность и устойчивость растений к стрессовым факторам.
Технология экстракционной переработки древесной зелени заключается в извлечении из измельченного сырья различными растворителями биологически активных веществ. Недостаток экстракции органическими растворителями заключается в том, что они пожароопасны, токсичны и обеспечивают невысокий выход экстрактивных веществ. Поэтому проблема разработки новых способов выделения экстрактивных веществ из древесной зелени актуальна.
Диссертационная работа выполнялась как раздел комплексной темы лаборатории лесохимии Института химии Коми НЦ: УрО РАН «Химия и технология растительных веществ; научные основы переработки и использования низкомолекулярных компонентов из растительного сырья как источника химических продуктов для органического синтеза; изучение физиологических свойств полученных соединений» (№ 01.960.010008, №01.2.00102727).
Целью данной работы является разработка метода эмульсионной экстракции древесной зелени, изучение и анализ кислых компонентов пихты и перспективы их применения.
Новый метод переработки хвойных и лиственных пород изучался с использованием водных растворов оснований. Проведены исследования закономерностей эмульсионного выделения низкомолекулярных компонентов из растительного сырья. Разработан и запатентован способ выделения
і.
тритерпеновых кислот из древесной зелени пихты.
В ходе проведенных исследований разработан способ получения нового высокоэффективного биопрепарата «Вэрва» - стимулятора роста и защиты растений от инфекций и проведены успешные испытания в научно-исследовательском проектно-технологическом институте агропромышленного комплекса республики Коми, МСХА им. К.А.Тимирязева, Саратовском институте биохимии и физиологии растений и микроорганизмов.
Результаты исследований были доложены и обсуждены на 2-ом и 3-ем Всероссийском совещании «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар 1996, 1998), 1-ой, 2-ой и 3-й Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар 2000, Казань 2002, Саратов 2004), на научно-технической конференции «Наука — производству. Внедрение новейших разработок научных и проектных организаций в промышленность» (Москва. 2001), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003).
По материалам диссертации опубликовано две статьи, тезисы семи докладов на Всероссийских конференциях, получено три патента РФ.
Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы
и приложений. Библиография включает литературные ссылки на 123 научные
публикации. і,
Первая глава представляет собой литературный обзор, где обобщены данные по химическому составу и способам переработки древесной зелени, по химической структуре и методам исследования тритерпеноидов пихты, а также данные по регуляторам роста растений. Во второй главе рассмотрены различные
условия выделения эмульсионным способом кислот древесной зелени, проведен анализ выделенных кислот пихты и приведены данные по изучению ростстимулирующеи активности кислых компонентов пихты. В третьей главе приведены экспериментальные данные.
Работа выполнена в лаборатории лесохимии Коми научного центра Уральского Отделения Наук. Автор выражает признательность своему руководителю - член-корреспонденту РАН Александру Васильевичу Кучину за помощь и поддержку при выполнении данной работы. Автор благодарит весь коллектив лаборатории лесохимии за постоянную поддержку.
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Хвойные леса России, которые составляют примерно половину мировых запасов, активно используются лесоперерабатывающей промышленностью. Основные виды её многотоннажной продукции - деловая древесина и бумага. Сырьем для лесохимического комплекса служат древесные отходы, а также древесная зелень и кора. Однако большое количество биомассы дерева не используется, на лесосеках её скапливается до 60%. Значительная часть потерь приходится на древесную зелень (ДЗ), которая представляет собой конгломерат большого числа ценных биологически активных и энергетических компонентов. Ее комплексная переработка позволит существенно улучшить экономическое положение предприятий, утилизировать древесные отходы и увеличить ассортимент товарной продукции.
Для разработки и совершенствования технологии переработки древесной зелени необходимо знать химический состав и содержание биологически! активных веществ: в хвое (листьях), коре и древесине побегов. Трудности в изучении химического состава древесной зелени объясняются различиями в строении и функциях элементов древесной зелени (хвои, листвы, коры, древесных побегов), нестойкостью биоактивных соединений (пигментов, витаминов, белков, ферментов), отсутствием общепризнанных схем и методов анализа.
Химическому составу и содержанию отдельных соединений в хвое и листьях посвящено большое количество работ физиологов и биохимиков, однако, лишь сравнительно небольшое число опубликованных работ имеет практическую ценность для промышленного использования живых элементов дерева в виде древесной зелени [1-4].
Экспериментальные данные показывают, что состав древесной зелени сложен и непостоянен, на него оказывают влияние многие факторы. В частности, содержание экстрактивных веществ зависит прежде всего от видового состава растений. Их максимальное количество найдено в древесной зелени пихты. Количество экстрактивных веществ также во многом зависит от времени года, возраста деревьев, их органа и других факторов.
і.
Химическая переработка древесной зелени
ДЗ основных пород Picea, Abies и Pinus, являющаяся отходом лесозаготовительных производств, богата биологически активными соединениями. Для выделения этих соединений разработана целая серия экстракционных способов, позволяющих получать природные соединения и использовать их в медицине, косметике, сельском хозяйстве и т.п. На основе нейтральных и кислых компонентов экстрактивных веществ можно получать функциональные производные (соответствующие амины, альдегиды, кислоты, сложные эфиры и др.). Такие соединения обладают высокой биологической активностью и могут быть использованы для создания лекарственных средств широкого спектра дейтсвия с иммунотропной, антивирусной, противоязвенной активностью (полипреноль! и их производные), с витаминной (каротиноиды) и с бактерицидной активностью (монотерпены).[18-29] Технология экстракционной переработки древесной зелени заключается в извлечении из измельчённого сырья различными растворителями биологически активных веществ, их концентрирование и использование в качестве конечного продукта или как сырья для выделения соединений с ценными свойствами. Поиск новых методов и разработка установок, интенсифицирующих экстракцию растительного сырья-главная задача, стоящая сегодня перед исследователями. Способы экстрагирования можно классифицировать на статические и динамические. В статических способах экстрагирования сырье периодически заливают экстрагентом и настаивают определенное время. Динамические способы экстрагирования предусматривают постоянную смену либо экстрагента, либо экстрагента и сырья. Среди статических и динамических способов экстрагирования можно выделить периодические и непрерывные. В качестве экстрагента используются вода, водяной пар, полярные или неполярные растворители.[ 18] Эффективность процесса экстракции не ограничивается выбором типа растворителя и технологического режима, а существенно зависит от аппаратурного оформления, процесса.
При извлечении биологически активных веществ используются аппараты с интенсивным массообменом - дисковые экстракторы, роторно-пульсационные аппараты с резонансно-колебательным воздействием. Наиболее перспективным является совмещение в одной экстракционной установке как резонансного способа (на стадии извлечения экстрактивных веществ), так и дефлегмационно-оросительного (на стадии удаления остатков экстрактивных веществ из отработанного сырья основной массы экстракта). [19] На выход веществ при экстракции древесной зелени оказывают влияние множество факторов: факторы, определяемые технологическими свойствами сырья; факторы, влияющие на процесс массопередачи внутри частиц сырья и в экстрагенте. Экстрактивные вещества, как известно, содержатся во внутренних полостях клеток. Для перехода в экстракт им необходимо преодолеть клеточные мембраны и стенку, обладающие значительным диффузионным сопротивлением. Предлагаемые технологии должны обеспечить одновременное разрушение клеточных стенок и диффузию веществ из неразрушенных клеток. При этом процесс вымывания веществ из разрушенных клеток должен быть преобладающим, поскольку он более эффективен. Количество веществ, перешедших в раствор в период "быстрой" стадии экстракции, может служить относительной характеристикой числа разрушенных клеток [18]. Среди факторов первой группы существенным является измельчение. Экстрактивные вещества расположены в полостях клеток или на их поверхностях. Поэтому основными задачами измельчения можно считать разрушение макроструктуры растительного сырья. При этом часть клеток вскрывается и в ходе последующего экстрагирования вещества, находящиеся во вскрытых клетках, легко вымываются экстрагентом. Вследствие этого при экстрагировании происходит растворение и быстрое вымывание веществ из разрушенных клеток, а также медленная диффузия растворенных веществ из неразрушенных клеток. Первый процесс протекает в несколько раз быстрее, чем второй, и зависит от гидродинамических условий. Второй процесс протекает довольно медленно и зависит от коэффициента диффузии внутри растительного сырья. Таким образом процесс экстракции в зависимости от скорости делится на два периода - быстрый и медленный. Первый из них в самом начале имеет почти прямолинейный характер. Здесь извлекаются наиболее доступные для растворителя биологически активные вещества, расположенные на внешней, обнаженной в результате измельчения поверхности частиц древесной зелени, и непрочно связанные со структурой экстрагируемого материала. Этот процесс определяется скоростью растворения и массоотдачи от поверхности материала. Следовательно, количество веществ, перешедших в раствор в период быстрой экстракции, может служить относительной характеристикой числа разрушенных клеток, при условии равномерного распределения эктрактивных веществ в древесной зелени. Длительность и глубина этого периода определяются в основном степенью измельчения сырья. Во втором периоде происходит извлечение экстрактивных веществ из труднодоступных частей древесной зелени молекулярной диффузией; интенсивность процесса при этом резко снижается. [2] Род экстрагента,-. применяемого для извлечения веществ из растительного сырья, играет решающую роль.
По степени гидрофильности вещества, извлекаемые из древесной зелени, можно разделить на гидрофильные, гидрофобные и смешанные. Выбор экстрагента для извлечения вещества зависит от степени его гидрофильности. Здесь используется известное правило -подобное растворяется в подобном. Вещества полярные хорошо растворяются в полярных растворителях, вещества неполярные - в неполярых. Необходимо отметить, что в древесной зелени большинство веществ относится к гидрофильным, поэтому более полярные экстрагенты будут экстрагировать лучше. Интересно применение в качестве экстрагента водно-спиртовых смесей. Диэлектрическая постоянная этих смесей может быть изменена в больших пределах, и это позволяет экстрагировать широкий круг веществ. Как известно, экстрагент оказывает влияние не только на экстрагирование какой-либо группы веществ, но и на общее число извлеченных компонентов из древесного растительного материала. При исследовании влияния концентрации спирта на общий выход экстрактивных веществ установлено, что с понижением концентрации спирта выход увеличивается [11]. Для получения биологически активных веществ из древесной зелени в качестве экстрагента применяют бензин или трихлорэтилен. Промышленное применение получил способ извлечения веществ с использованием в качестве экстрагента бензина. Недостаток этого метода - низкая степень извлечения экстрактивных веществ. Бензиновый экстракт получают при температуре 60-80С, освобождают его от воска при понижении температуры до -10С. Затем омылением 30 % водным раствором щелочи экстракт разделяют на кислую и нейтральные фракции. Нейтральные вещества ("провитаминный концентрат") остаются в бензиновом растворе, из которого после отгонки растворителя получают концентрат с выходом 0,4-0,6 % от массы абсолютно сухого сырья (а.с.с). Водорастворимые вещества обрабатывают 15-20 % раствором серной кислоты, в результате чего выделяют жирные и смоляные кислоты ("бальзамическая паста"), выход которых составляет: 0,4-0,5 % от массы а.с.с.[20]. Высокой экстрагирующей способностью по отношению к экстрактивным веществам древесной зелени обладают ацетон (47,5 %), диоксан (44,5 %), этанол 96 %-ный (46,4 %) и изопропиловый спирт (38,8%). Одним из перспективных растворителей для извлечения экстрактивных веществ из древесной зелени является изопропиловый спирт. Наибольшее количество экстрактивных веществ извлекается разбавленным изопропанолом (конц. 55-60 %). Выход жиро-растворимых веществ с повышением концентрации изопропанола растет. С повышением концентрации спирта от 60 до 100% выход жирорастворимых веществ увеличивается в 2 раза, а водорастворимых уменьшается в 1,5 раза [21]. В последнее время для извлечения экстрактивных веществ из растительного материала в качестве растворителя применяются сжиженные газы. Процесс экстракции в этом случае проводится под давлением.
Регуляторы роста растений
Японские ученые обнаружили, что некоторые тритерпеноидные структуры, которые были выделены из различных видов Abies или приготовлены химической модификацией натуральных тритерпеноидов тормозят развитие раковых опухолей. В частности были исследованы абиеслактон 1 и его производную (диметил - 3 - оксоабиеслактон) 4 , которые показали сильнейший тормозящий эффект [87]. Абиеслактон 1 и диметил-3-оксоабиеслактон 4 были выделены из Abies mariesi и Abies vietchi и очищены. Было доказано, что производная абиеслактона сдерживает развитие злокачественных опухолей на этапе канцерогенеза. Хотя механизм противоопухолевого эффекта не известен, противовоспалительное действие этого производного может играть важную роль [88]. Мариесиановые кислоты 11-15 и изомариесианов ая кислота 16 показали активность против грамм-положительных бактерий и актиномицетов. Их метиловые эфиры и модельные соединения, аналогичные ациклическим частям молекул - (2Е)-2-метил-4-оксо-2-пентеновая кислота, и ее 4-гидроксильная производная не проявили антимикробной активности. Эти результаты указывают на то, что не только карбоксильная часть, но и гидрофобная группа играют роль в выявлении биологической активности [70]. 2;5. Регуляторы роста растений Низкомолекулярные продукты вторичного метаболизма растений длительное время рассматривались как балластные, ненужные для их жизнедеятельности вещества. Однако, начиная с 20 - 30-х годов прошлого столетия накоплен огромный фактический материал, указывающий на важную роль многих вторичных метаболитов как регуляторов роста и развития растительных организмов. Детальное их исследование не только открывает перспективу для понимания проблем эндогенной химической регуляции в целом, но и оказывает все возрастающее влияние на решение практических задач сельскохозяйственного производства.
Среди такого рода биорегуляторов различают фитогормоны, природные стимуляторы и ингибиторы. К фитогормонам (растительным гормонам) относятся ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. В отличие от многих других биологически активных соединений, фитогормоны -общие для всех растений биорегуляторы, которые синтезируются в активно делящихся клетках меристемы (верхушке побега, кончике корня, молодых лястьях, семенах) и затем транспортируются в другие органы и ткани, где при низких концентрациях (10 5-10"пМ) осуществляют химический запуск физиологических программ. Молекулярные механизмы действия фитогормонов интенсивно изучаются в последние годы: по-видимому, аналогично другим гормонам, они действуют на уровне регуляции белкового синтеза, активности ферментов и транспорта через биологические мембраны [89]. В настоящее время известно большое количество регуляторов роста как природного происхождения, так и синтетических. Многие синтетические регуляторы были синтезированы как аналоги или предшественники фитогормонов [90]. Индолилуксусная кислота является главным представителем ауксинов -группы природных соединений, стимулирующих клеточное деление (митоз), корнеобразование, дыхание и синтез белка в растениях. Ауксины и большое число их синтетических аналогов широко применяются в растениеводстве при пересадке деревьев, размножении посадочного материала путем черенкования и в других случаях [91]. Гиббереллины выделяют практически из всех частей растений; их запасные и транспортные формы представляют собой гликозиды и комплексы с белками. Место биосинтеза гиббереллинов - корни, верхушечные стеблевые почки и развивающиеся семена. Имеются данные, что гиббереллины синтезируются в побегах, затем транспортируются в корни, где трансформируются в активные формы, после чего снова возвращаются в побеги, где и проявляют стимулирующий эффект. В основе практического использования гиббереллинов лежит способность стимулировать рост стебля, увеличивать размеры плодов, изменять форму и величину цветков, ускорять прорастание семян, индуцировать партенокарпию (образование бессемянных плодов) [92]. Цитокинины - вещества, стимулирующие клеточное деление (цитокинез). Цитокинины принимают участие в процессах роста и дифференциации клеток, поэтому их применяют для ускорения прорастания семян, стимуляции роста почек и плодов, задержки процессов увядания. Предполагают, что механизм их биологического действия связан с усилением биосинтеза ДНК, РНК и белка, а также влиянием на функционирование биологических мембран. Абсцизовая кислота - высокоспецифичный эндогенный ингибитор высших растений. Абсцизовая кислота переводит растения в состояние покоя. При созревании плодов ее количество резко увеличивается; она вызывает опадение листьев и плодов, увядание. Важное свойство абсцизовой кислоты — влияние на устьичный аппарат растений: обработка растений абсцизовой кислотой (закрытие устьиц) помогает им противостоять засухе. С точки зрения физиологического действия абсцизовая кислота выступает как антагонист гиббереллинов, а цитокинины в свою очередь, ослабляют ее действие. Всеми свойствами истинных фитогормонов обладает этилен.
Он образуется главным образом во фруктах. Этилен регулирует старение различных органов растений, ускоряет опадение листьев, дозревание плодов, тормозит рост корней, побегов и поэтому используется на практике для ускорения дозревания фруктов и увеличения их сахаристости. Помимо этилена широко применяется также ряд синтетических соединений, способных разлагаться в растительных тканях с выделением этилена. Механизм биологического действия этилена, по-видимому, состоит во взаимодействии со специфическими белками клеточных мембран и в торможении биосинтеза индолилуксусной кислоты [89]. Кроме фитогормонов в растениях образуются также так называемые вторичные ростовые вещества: флавоноиды, аминокислоты, липиды, карбоновые кислоты (например, галловая и коричная кислоты - ингибиторы роста), алкалоиды, ненасыщенные лактоны, терпеноиды и др. Многие фитогормоны и другие вещества со свойствами регуляторов роста образуются также в процессе жизнедеятельности грибов и бактерий, что может быть использовано для получения их в промышленном масштабе. Так, методом биотехнологии получают гибберелловую кислоту; культивированием соответствующих микроорганизмов получен ряд высокоэффективных регуляторов роста: фузикокцины, офиоболины, котиленины, гельминтоспорины и другие; некоторые из них, возможно, найдут практическое применение [93]. Важную роль в регуляции жизнедеятельности, роста, развития и размножения млекопитающих играют стероидные гормоны. То, что стероидные соединения содержатся в растениях и что при обработке растений стероидами наблюдаются разнообразные реакции на них, до последнего времени не было доказано. Сейчас накопилось много работ, свидетельствующих о наличии у растений уникальной группы стероидов, обладающих ярко выраженной специфичной рострегулирующей активностью, что позволяет отнести их к самостоятельной группе фитогормонов. Так как впервые эти вещества были обнаружены в пыльце рапса (Brassica napus), они получили групповое название брассины или брассиностероиды [94-96]. Они обладают способностью сильно ускорять рост растений. При этом их действие отличается от известных фитогормонов. Так, брассины вызывают не только рост, но и деление растительных клеток.
Влияние концентрации основания и других факторов на выход экстрактивных веществ
Влияние концентрации щелочных агентов на выход экстрактивных веществ из ДЗ пихты изучали в реакторе объемом 1 литр с механическим перемешиванием. Концентрацию щелочи NaOH варьировали от 0,5% до 20% (рисі). В проведенных опытах использовали гидромодуль (отношение массы сырья к массе раствора) от 1/8 до 1/12. Анализ экспериментальных данных показывает, что при увеличении концентрации щелочи NaOH до 5 % выход кислых веществ повышается от 1 до 5,5 % от веса а.с.с. Причем наибольший выход наблюдается при гидромодуле процесса 1/10. С дальнейшим увеличением концентрации щелочи выход кислых компонентов не увеличивается и не зависит от гидромодуля. Уменьшение выхода экстрактивных веществ из раствора щелочи концентрацией 10-20 % можно объяснить процессами окисления и полимеризации соединений в сильно щелочной среде. При использовании раствора Na2C03 концентрацию соды варьировали от 5 % до 20 % (рис.2). При этом выход кислых компонентов изменяется от 1 % до 3,5 % от веса а.с.с. при гидромодуле процесса 1/10. Причем наибольшее количество экстрактивных веществ извлекается при концентрации раствора соды 10 %. Дальнейшее повышение концентрации не ведет к существенному изменению степени извлечения экстрактивных веществ. Проведенные эксперименты показали, что при использовании щелочи выход экстрактивных веществ почти в два раза выше, чем при использовании соды (рис.3). Разницу в выходах экстрактивных веществ в зависимости от использования щелочи и соды можно объяснить тем, что в щелочном растворе в процессе интенсивного механического перемешивания происходит разрушение растительных тканей древесной зелени, что облегчает процесс извлечения кислых и нейтральных компонентов. Кроме этого в реакционной среде под действием щелочи протекает гидролиз сложных эфиров ДЗ, за счет этого также повышается выход кислых компонентов. В опытах с применением растворов гидроксида калия и карбоната калия использовали гидромодуль процесса 1/10 (рис.4 и 5). Исследования показали, что оптимальная концентрация КОН для выделения кислых компонентов из ДЗ составляет 5 %, при этом выход кислых компонентов не превышает 4,5 % от веса а.с.с. Оптимальная концентрация К2С03 - 10 %, наибольший выход кислых компонентов составляет 3 % от веса а.с.с. При исследовании экстракции растворами NaOH и Na2C03 установлено, что выход кислых компонентов выше, чем при использовании растворов КОН и К2СОз. Поэтому в дальнейших опытах в качестве оснований использовались растворы NaOH и Na2C03.
Разницу в выходах экстрактивных веществ при использовании растворов оснований натрия и калия можно объяснить влиянием ионной силы раствора. Радиус иона Na+ меньше, чем радиус иона К+, следовательно удельный заряд иона Na+ выше, чем иона К+. Поскольку ионная сила растворов разная, разным будет и состав образующихся мицелл. Изменение состава мицелл ведет к изменению степени извлечения экстрактивных веществ. Таким образом, исследования способа эмульсионной экстракции ДЗ пихты показали, что при использовании гидромодуля процесса 1/10 и 5 %-ного раствора NaOH извлекается наибольшее количество кислых компонентов и составляет 6 % от веса а.с.с. Следующим объектом изучения способа эмульсионной экстракции была ДЗ ели (рис. 6). На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод, что при концентрации щелочи 5 % выход кислых компонентов ДЗ ели максимальный, также, как и при обработке 5 % раствором щелочи ДЗ пихты. Наибольшая степень извлечения экстрактивных веществ наблюдается при использовании гидромодуля процесса 1/10 и 1/12. При этом выход кислых компонентов ДЗ ели составляет 4,5 -4,8 % от веса а.с.с. Таким образом, концентрация 5 % водного раствора NaOH и гидромодуль процесса 1/10 являются наиболее предпочтительными условиями способа эмульсионной экстракции. Влияние продолжительности обработки ультразвуком на выход экстрактивных веществ. Известно, что при действии УЗ эффективность экстракции повышается. Это объясняется улучшением гидродинамических условий процесса. Учитывая строение растительного сырья, которое представляет собой разветвленную систему капилляров, при воздействии ультразвука вследствие изменения давления при сжатии и разряжении возникает эффект «губки», улучшающий проникновение экстрагента в капилляры ДЗ [18]. Обработку ультразвуком проводили перед стадией механического перемешивания реакционной смеси. Обработку эмульсии ультразвуком проводили на приборе УЗДН-А при частоте генератора и излучателя 22 ±1,65 кГц.
Время обработки варьировали от 10 до 60 минут (рис. 7). Проведенные эксперименты показали, что оптимальным временем озвучивания является интервал от 10 до 20 мин. При этом выход кислых компонентов из ДЗ ели достигает 5-5,2 % от веса а.с.с. и повышается на 12 % по сравнению с опытами, показанными на графике 6. Увеличение времени обработки ультразвуком не приводит к повышению выхода экстрактивных веществ, что свидетельствует о полноте извлечения за 10-20 минут [108]. Влияние гидрофобных добавок и поверхностно-активных веществ на выход экстрактивных веществ. Площадь поверхности дисперсной фазы оказывает влияние на выход кислых компонентов в процессе эмульсионной экстракции ДЗ водными растворами оснований. В качестве гидрофобной добавки использовали петролейный эфир, нерастворимый в воде (рис. 8). Добавление петролейного эфира в количестве 1/10 к объему эмульсии при перемешивании позволяет увеличить выход кислых компонентов на 0,5 % от веса а.с.с. по сравнению с контролем. Увеличение объема петролейного эфира до 1/2 от общего объема повышает выход кислых компонентов еще на 0,3 % от веса а.с.с. Таким образом, способом эмульсионной экстракции с использованием ультразвука и добавления петролейного эфира извлекается кислых компонентов ели 5-5,5 % от веса а.с.с.[109]. Выход нейтральных компонентов составляет 2-2,5 % f от веса а.с.с. [ПО] Снижение поверхностного натяжения благотворно сказывается на скорости экстрагирования. Для снижения поверхностного натяжения используют добавки различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поэтому было изучено влияние экзогенных ПАВ на выход экстрактивных веществ ДЗ пихты способом эмульсионной экстракции. В качестве ПАВ использовали коммерческий алкилбензолсульфонат натрия для синтетических моющих средств. На графике 9 приведены результаты ряда опытов по выделению кислых веществ из ДЗ пихты эмульсионными системами, содержащими от 0,5 до 2,0 % ПАВ. Как следует из полученных данных, добавление в реакционный раствор 1 % экзогенного ПАВ в смеси повышает выход кислых компонентов на 2 % от веса а.с.с, дальнейшее увеличение количества ПАВ не приводит к существенному увеличению выхода экстрактивных веществ. Выделение экстрактивных веществ в аппарате объемом 20 л. В процессе изучения способа эмульсионной экстракции для разработки технологии переработки древесной зелени пихты был использован аппарат объемом 20 л с механическим перемешивающим устройством.
Биопрепарат «Вэр ва» из древесной зелени пихты
Неблагоприятные климатические условия северо-запада России в весенне-летний период не позволяют получить высокий урожай сельскохозяйственных культур. Сельскохозяйственным предприятиям в условиях Севера необходимо использовать биопрепараты, для стимуляции роста растений, позволяющие ускорить рост и созревание культур. Как уже отмечалось в литературном обзоре, применение биологически активных веществ растительного происхождения, повышает жизнестойкость растений в экстремальных климатических условиях, скорость и дружность прорастания семян, урожайность сельскохозяйственных культур. Многие стимуляторы роста хорошо изучены и успешно применяются. К ним относится и биопрепарат «Силк», разработанный сотрудниками Новосибирского института органической химии. «Силк» получают экстракцией древесной зелени пихты метилтретбутиловым эфиром, действующим веществом (ДВ) препарата являются тритерпеновые кислоты пихты. В Республике Коми ежегодно заготавливается 6-8 млн. м древесины. В процессе лесозаготовок 40-60 % фитомассы древостоя остается на лесосеке. Большая часть отходов это древесная зелень хвойных пород. Запасы древесной зелени пихты по Республике Коми составляют 3 млн. 804 тыс. тонн [115]. Для переработки отходов лесозаготовок на основе эмульсионного способа извлечения низкомолекулярных компонентов из древесной зелени пихты нами разработана технология получения нового биопрепарата «Вэ рва». Химический состав активной части препарата состоит из натуральной смеси натриевых солей тритерпеновых » кислот ДЗ пихты. Биопрепарат «Вэр ва» в отличие от препарата «Силк» содержит также нейтральные компоненты - монотерпеноиды, полипренолы, каратиноиды. Для изучения влияния кислых компонентов пихты на сельскохозяйственные растения были проведены испытания самого биопрепарата, а также четырех фракций кислот, описанных выше, и дикетона 26. 3.4.1. Определение энергии прорастания и всхожести семян, обработанных биопрепаратом и его компонентами. Для изучения влияния биопрепарата «Вэр ва» на рост растений использовали метод исследования жизнеспособности семян овса — определение энергии прорастания и всхожести. Энергия прорастания т число проросших семян, выраженное в процентах, на условно принятый день. Для овса энергию прорастания принято подсчитывать на четвертые сутки. Энергия прорастания является главным показателем биологического качества семян.
Всхожесть семян злаков определяется в процентах, как отношение числа проросших семян к общему числу семян, взятых на проращивание. Энергия прорастания определяет скорость появления всходов. Чем скорее и в большем количестве взойдут семена в течение первых дней, тем больше у них энергия прорастания и тем жизнеспособнее такие семена. Важна не столько полная всхожесть, сколько то количество семян, которое обладает высокой жизненностью и может дать высокий урожай. Практика показывает, что те семена, которые прорастают до момента определения энергии прорастания в данном образце, являются самыми жизненными и способными дать нормальную всхожесть в полевой обстановке. Энергию прорастания определяли на четвертый день после замачивания семян в биопрепарате. Результаты опыта (табл. 5) показали, что энергия прорастания во всех дозах не превысила контроль. В третьей и, особенно, в четвертой дозах проявился явный отрицательный эффект. Также в четвертой дозе на второй день исследований вообще не наблюдалось прорастание семян, тогда как в остальных дозах (кроме третьей) большая часть семян уже проросла. Всхожесть семян определяли на седьмой день после их замачивания (табл.5). Самый большой процент всхожести семян наблюдается во второй и первой дозах, что говорит о положительном влиянии этих доз и их стимулирующем эффекте. В четвертой дозе проявилось отрицательное влияние, процент всхожести в этой дозе составил 33 %, что на 37,5 % ниже контроля. Делая вывод по данному опыту можно отметить, что явный достоверный отрицательный эффект наблюдался в четвертой дозе, где концентрация активного вещества была самой большой и составила 250 мг/л. В этой дозе, как видно из таблицы 5, были самые низкие показатели. Эта доза не только не улучшала энергию прорастания и всхожесть семян, а наоборот подавляла нормальный рост и развитие семян. Похожие замечания относятся и к третьей дозе, где концентрация активного вещества составляла 25 мг/л. Отрицательный эффект третьей дозы проявился в опыте на определение энергии прорастания, что говорит скорее о подавляющем характере этой дозы. Первая доза (концентрация 0,25 мг/л) не оказала отрицательных результатов, но и не являлась стимулирующей; значения показаний оставались на уровне контроля, не превышая его. И только влияние второй дозы (концентрация 2,5 мг/л) показывает действительно положительный, стимулирующий результат. Вторая доза является самой эффективной для ростстимулирующего действия на растения, в частности на семена овса. После проведения испытаний на препарате и выявления отрицательных и положительных доз приступили к изучению влияния кислых фракций, описанных в п. 6, на рост растений по аналогичной методике. На 4-е сутки после замачивания семян определяли их энергию прорастания (табл. 6) Во всех опытах проявился очевидный положительный эффект. Все фракции проявили ростстимулирующее воздействие на энергию прорастания семян и превысили показания контроля в среднем на 12 %.
Наилучший по результатам определения энергии прорастания показал опыт 2 - это фракция II с концентрацией активного вещества 2,5 мг/л, результат превысил контроль на 19 %. На 7-й день опыта определяли всхожесть семян. Испытания показали только положительный результат воздействия кислых компонентов на всхожесть семян (табл. 6). Все дозы превысили показания контроля (80 %) в среднем на 12 %. При проведении опыта измеряли также длину стебля растения (табл. 6) и получили, что фракции кислых компонентов благоприятно влияют на этот показатель. Далее были проведены опыты по изучению влияния нейтрального производного фирмановой кислоты - дикетона 26 - на энергию прорастания и всхожесть семян овса. При определении энергии прорастания было замечено, что в первую очередь проклюнулись семена, обработанные дикетоном 26. По энергии прорастания результаты были достаточно высокие, но почти одинаковые с контролем (табл. 7). При определении энергии прорастания на 4-й день обратили внимание на длину проклюнувшихся ростков, измерили ее и полученные результаты (табл. 7) показали, что самые длинные ростки наблюдались у семян, обработанных в растворе нейтрального компонента, они на 4 мм длиннее, чем в контроле. На 7-й день определяли всхожесть семян, измеряли длину ростков, результаты представлены »з таблице 7. По данным опыта длина ростков, замоченных в дикетоне 26, больше, чем длина ростков в контроле на 60%. Таким образом, по результатам опытов влияния биопрепарата и его компонентов на энергию прорастания и всхожести семян можно сделать следующие выводы: 1) самая эффективная ростстимулирующая доза ДВ биопрепарата - 2,5 мг/л; 2) все фракции кислых компонентов оказывают стимулирующее воздействие на энергию прорастания и всхожесть семян овса; Ф. 3) дикетон 26 не влияет на энергию прорастания и всхожесть семян овса, но стимулирует рост растения. 3.4.2. Выращивание растений в вегетационных сосудах. При изучении влияния биопрепарата «Вэр ва» в вегетационных сосудах на рост растений, первые всходы появились на второй день после высадки семян. Измерения показали, что самое большое количество всходов появилось в опыте, где семена обрабатывались третьей дозой (концентрация 25 мг/л). В контроле всходов не наблюдалось. Минимальное количество всходов из четырех испытываемых доз на второй день составляло во второй дозе (концентрация 2,5 мг/л). На шестой день наблюдения все посаженные семена взошли.
