Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов исследования эфирных масел хвойных растений 14
1.1. Различные направления исследований природных смесей 14
1.2. Газохроматографические методы исследования сложных смесей органических веществ растительного происхождения 17
1.3. Биогенез терпеноидов в природных объектах 26
1.4. Эфирные масла хвойных деревьев 28
1.5. Методика отбора растительного сырья 29
1.6. Способы извлечения эфирных масел 30
1 ;7. Физико-химические характеристики эфирных масел хвойных 32
1.8. Состав компонентов эфирных масел и методы его исследования 33
1.9. Возможность использования данных о составе эфирных масел в хемосистематике 41
1.10. Лесоводственно-биодогическое значение эфирных масел 45
1.11. Перспективы рационального использования эфирных масел 47
Глава 2. Программа работ, объекты и методика исследований 53
2 1. Цель исследований и основные задачи 53
2.2. Характеристика объектов исследований 53
2.3. Методика работы 61
Глава 3. Выбор оптимальных параметров хроматографического разделения эфирных масел хвойных растений 73
3.1. Выбор сорбентов 74
3.2. Выбор оптимальной скорости газа-носителя 98
3.3. Выбор температ ры 106
3.4. Расчет некоторых термодинамических характеристик эфирных масел хвойных растений 116
3.5. Разработка методшс анализа монотерпеповых, сесквихерпековых, кислородсодержащих и других соединении эфирных масел хвойных растений 122
3.6 Разделение монотерпеноидов эфирного масла
лиственницы жидкостной хроматографией 126
Глава 4. Исследования химического состава и содержания эфирных масел хвойных растений семейств Pinaceae LindL, Cupressaceae Rich ex Bartl., Taxodiaceae F.W. Neger 128
4.1. Извлечение и ректификация эфирного масла і 28
4.2. Препаративная хроматография эфирных масел хвойных 138
4.2.1. Разделение эфирного масла лиственниц 143
4.2.2. Разделение эфирного масла сосны Сосновского 155
4.2.3. Разделение эфирного масла пихты белокорой 159
4.3. Идентификация компонентов, входящих в эфирные масла хвойных растений 160
4.4. Изучение химического состава эфирных масел хвойных растений... 167
4.4.1. Эфирные масла лиственниц 167
4.4.2. Эфирные масла сосен 188
4.4.3. Эфирные масла пихт 211
4.4.4. Эфирные масла представителей других семейств и родов 215
Глава 5. Биологические особенности эфирных масел хвойных растений, изменчивость состава и содержания 232
5.1. Содержание эфирного масла в отдельных частях и тканях растений лиственницы 232
5.2. Изменчивость состава эфирных масел лиственниц 235
5.2.1. Распределение монотерпеновых углеводородов в различных
частях деревьев лиственницы сибирской 235
5.2.2. Влияние классов роста на состав эфирных масел 236
5.2.3. Химический состав компонентов эфирных масел как видовой признак растений рода Larix НИ! 23?
5.2.4. Г одичная динамика эфирного масла и содержания в нем монотерпеновых углеводородов у некоторых видов лиственницы 237
5.2.5. Состав и годичная динамика кислородсодержащих, сесквитерпеновых углеводородов и других соединений эфирного масла лиственницы 245
5.3- Изменчивость состава эфирных масел сосен 25!
5.3.1. Распределение монотерпеновых углеводородов в эфирных маслах различных частей растений 251
5.3.2. Возрастная изменчивость выхода и состава эфирных масел сосны 252
5.3.3. Сезонная изменчивость выхода и состава эфирных масел сосны 253
5.3.4. Суточная динамика выхода и содержания компонентов эфирного масла из хвои сосны обыкновенной 254
5.3.5. Состав эфирных масел и скипидаров ішщтаидуальньїх деревьев сосны обыкновенной 256
5.3.6. Состав эфирных масел из хвои у географических экотипов 257
5.3.7. Роль эфирных масел в устойчивости деревьев к болезням и вредителям 259
5.4. Изменчивость состава эфирных масел родов и семейств Pinaceae Lindl.. Taxodiaceae F. W. Neger. Cupressaceae Rieh, ex Bartl. 260
5.5. О “биогенетической лестнице” монотерпеноидов рода Larix Hill и рода Pinus L 265
Глава 6. Хемотаксономические особенности эфирных масел.
Разработка методов ранней диагностики видов растений семейства Pinaceae Lindl. по изменчивости состава эфирных масел 272
6.1. Способ хемотаксономической диагностики вида лиственницы 273
6.2. Изучение состава эфирных масел сосен как химического признака видов 2-87
6.3.. Возможность использования данных о химическом составе эфирных масел в систематике видов пихт 290
6.4. Возможность использования данных о химическом составе эфирных масел в диагностировании представителей родов Pseudotsuga Carr., Sequoia Endi., Cryplomcria Don, Chamaccyparis Spach, Piatyciadus Spach (Biota (D. Don) Endi.), Juniperus L. (Sabina Mill.) 291
Глава 7. Рациональное использование эфирных масел хвойных и сопутствующих им продуктов
(флорентинных вод) 292
7.1. Продуктивность различных видов лиственницы по компонентам эфирных масел 293
7.2. Продуктивность различных видов сосны и пихты по компонентам эфирных масел 296
7.3. Использовашхе хвойных эфирных масел и фяорентинной воды для профилактики и лечения заболеваний 308
7.4. Другие направления рационального использования хвойных эфирных масел 311
Глава 8. Внедрение результатов исследований 312
8.1. Краткая характеристика товарной продукции 312
8.2. Использование результатов работы в научно-исследовательских институтах 315
8.3. Внедрение научных разработок в производство 316
Выводы ; 323
Литература 328
Приложения (1-10) 356
Приложение t. Дисперсионный анализ данных о содержании и химическом составе эфирных масел (табл. 1-16 к главе 2) 357
- Газохроматографические методы исследования сложных смесей органических веществ растительного происхождения
- Характеристика объектов исследований
- Расчет некоторых термодинамических характеристик эфирных масел хвойных растений
- Идентификация компонентов, входящих в эфирные масла хвойных растений
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одним из путей комплексного рационального возобновляемого природопользования является переработка отходов хвойных пород для получения эфирных масел (ЭМ) и целого ряда других продуктов. ЭМ - это уникальная группа природных биологически активных веществ, продуцируемых растениями и частично выделяемых ими в окружающую среду. Большой научно-практический интерес представляет изучение ЭМ, выделяемых из древесной зелени растущих растений. ЭМ обладают высокими бактерицидными свойствами, играют важную роль в очищении воздуха от болезнетворных микроорганизмов, в охране здоровья человека (Миргородская, 1995). Некоторые из них, такие как розовое, лавандовое, мятное (Танасиенко, 1985) издавна используются человеком, хвойные же из-за слабой изученности оставались пока недостаточно востребованными. В целом, резервы ЭМ весьма внушительные, если учесть, что масла вырабатываются тысячами видов растений и ежегодно выделяются в атмосферу планеты в количествах от 175 млн. т до 1012 т; при окислении 175 млн. т ЭМ под действием атмосферных факторов высвобождается энергия, равная 1,75 1018 калорий. Это несколько больше суммарной энергии грозовых разрядов -1,5 1018 калорий в год (Степанов, 1972).
Ресурсы древесной зелени хвойных в России составляют около 25 млн.т, экономически доступных - 10 млн. т хвойных пород (Боханова, 1973). Интерес кЭМ вызывается не только стремлением их утилизировать, но и тем, что их состав и свойства выражают биологические особенности растений, их устойчивость к морозам и засухе, грибным заболеваниям, вредным насекомым и т.д. Они в значительной степени определяют характер взаимоотношений между совместно произрастающими растениями. Проблема ЭМ
стала особенно актуальной в последние десятилетия. Ей посвящаются совещания, конференции, международные конгрессы, ряд монографий: Г.Дюпон (1931); Е.Гильдемайстер, Ф.Гофман (1949); ); Г.В. Пигулевский (1949); М.И.Горяев (1952); И.И.Супрунов, П.Г.Горовой, Ю.А.Панков (1972); Р.А.-Степень, С.П.Чуркин (1982); Ф.С.Танасиенко (1985); В.В.Ни-колаевский и др. (1987); А.И.Чернодубов, Р.И.Дерюжкин (1990) и др.; N.T.Mirov (1961), S.Juvonen (1966);
ЭМ в жидком виде содержат часть летучих фракций. В ряде областей применение их весьма важно. Прежде всего, это оптимизация воздуха закрытых помещений в местах массового скопления или длительного пребывания людей. В закрытых помещениях резко снижается биологическая активность воздуха. ЭМ являются одним из регуляторов физико-химических свойств воздушной среды, снабжая воздух активным кислородом. Они создают неповторимый аромат и свежесть воздуха, что положительно влияет на эмоциональное состояние человека. Очень важно то обстоятельство, что ЭМ являются поставщиком необходимых для человека веществ - витаминоподобных, гормоноподобных, а также веществ, идущих на построение биологических комплексов, их называют «атмосферными витаминами» (Степень, 1992). ЭМ широко используются в санаторно-курортной практике. Изучение влияния ЭМ на здоровье человека позволяет научно обосновать размещение и выращивание зелёных насаждений в санаториях, курортах, городах и лесопарках.
В целом ЭМ обладают разносторонней активностью: антимикробной, противовирусной, противовоспалительной, противогнилостной и оказывают различное действие: адап-тогенное, антидепрессивное, дезинфицирующее, ранозажив-ляющее, противоопухолевое и др. Хвойные масла, однако, слабо изучены, данные о составе масел представляли неполную и разрозненную информацию. Недостаточны сведения о хро-матографическом разделении ЭМ хвойных растений.
Несмотря на имеющиеся публикации по изучению ЭМ ко времени начала данных исследований в литературе отсутствовали хроматографические методы исследования ЭМ хвойных растений, включая высококипящую фракцию масел, данные о содержании и составе ЭМ основных лесообра-зующих пород России (сосны, ели, лиственницы, пихты и др.), а также сведения об ЭМ хвойных растений дальневосточного региона, мало данных было и об ЭМ интродуциро-ванных хвойных пород, слабо изучены ресурсные, лесовод-ственно-биологические и хемотаксономические особенности ЭМ хвойных растений. Всё это явилось основанием для проведения настоящих исследований.
Цель исследований. Изучить закономерности содержания и состава ЭМ древесной зелени хвойных растений семейства Pinaceae Lindl., произрастающих в естественных насаждениях, а также интродуцированных на территории России и на основе полученных научных данных определить продуктивность хвойных растений по биологически активным компонентам масел для их рационального использования в практике.
При этом были поставлены следующие задачи.
-
Разработать хроматографические методы аналитического и препаративного разделения хвойных ЭМ.
-
Выделить из состава ЭМ группы веществ, а также индивидуальные компоненты и провести их идентификацию.
-
Изучить изменение содержания и состава в различных частях древесной зелени с растущих деревьев.
-
Изучить сезонную, суточную, возрастную динамику содержания и состава ЭМ хвойных растений для выяснения участия их в процессах жизнедеятельности.
-
Изучить различия содержания и состава в зависимости от видов для определения роли компонентов ЭМ в химической систематике растений.
6. Рекомендовать на основе полученных данных наиболее перспективные и рациональные направления использования ЭМ для практических целей.
Защищаемые положения
-
Данные о качественном и количественном составе и содержании ЭМ семейства Pinaceae Lindl.
-
Хроматографические методы разделения ЭМ.
-
Изменчивость биологически активных компонентов и содержания ЭМ, подтверждающая активное участие этих природных групп химических веществ в процессах метаболизма хвойных растений.
-
Способы хемотаксономической диагностики вида растений.
5. Продуктивность хвойных растений семейства
Pinaceae Lindl. и рекомендации их посадки в зелёных зонах
городов, дендропарках, санаторно-курортных местностях с
учетом биологически активных компонентов ЭМ, продуци
руемых этими растениями.
Научная новизна
Работа является развитием новых направлений - хе-мотаксономии хвойных растений и рационального использования природных смесей биологически активных веществ - эфирных масел растений сем. Pinaceae Lindl. для улучшения среды обитания и здоровья человека.
Впервые проведены комплексные целенаправленные исследования содержания и состава ЭМ у 52 ботанических видов и 6 разновидностей 3-х семейств: Pinaceae Lindl., Taxodiaceae F. W. Neger, Cypressaceae Rich ex Bartl., произрастающих и интродуцированных на территории России, а также в странах СНГ.
Разработан способ получения хвойного эфирного масла, обогащенного кумаринами.
Выявлены закономерности изменчивости содержания и состава ЭМ из отдельных органов и тканей растений, а также изменчивость этих показателей в период вегетации.
Впервые установлено, что каждый вид хвойного растения имеет определённый химический состав ЭМ, в котором соотношение содержания доминирующих компонентов а-пинена и Д3карена, а также борнилацетата и суммы кади-ненов может служить дополнительным химическим признаком характеристики вида растения.
Практическое значение и реализация результатов исследований
Разработаны хроматографические методы разделения сложных природных смесей, приемлемые для использования в исследовательских биохимических лабораториях и в промышленной практике (А.с. СССР № 205813).
Результаты исследований содержания и состава ЭМ могут быть использованы для оценки санитарно-гигиенической роли основных лесообразующих хвойных пород: лиственницы, ели, пихты, сосны. Они характеризуют биохимические процессы, протекающие в растении.
Способ хемотаксономической диагностики вида лиственницы (А.с. СССР №457922) позволяет определить ботанический вид растения в раннем возрасте (1-2 года).
Данные о содержании и количественном составе ЭМ несут обширную информацию о продуктивности по терпе-новым соединениям 52-х видов 3-х семейств растений, что позволяет рекомендовать конкретные виды для озеленения городов, санаторно-курортных зон, а также для создания плантаций и селекционно-семеноводческих участков.
Информация, полученная при изучении суточных, сезонных и возрастных изменений ЭМ в хвое и коре, необходима для практических рекомендаций по срокам отбора древесной зелени для их получения.
Данные о содержании и составе ЭМ необходимы и для решения ряда других направлений использования древесной зелени хвойных растений, в частности, они положены в основу разработки нормативно-технических докумен-
тов, обеспечивающих промышленное производство ЭМ (Технические условия на «Масло пихтовое дальневосточное», «Масло эфирное натуральное елово-пихтовое», «Масло эфирное натуральное лиственничное», «Масло эфирное натуральное кедровостланиковое» и др.), а также «Способа получения хвойного эфирного масла* (А.с. (патент) №1723109). В 1986 - 1990 гг. по разработанным нормативным документам было организовано промышленное производство пихтового масла в Хабаровском и Приморском краях, Амурской и Сахалинской областях. В Дальневосточном регионе пихтовое и елово-пихтовое масла вырабатывали свыше 60 лесхозов, леспромхозов и других организаций. Одновременно с пихтовым маслом вырабатывалась и пихтовая вода, зарегистрированная как "Вещество, обладающее противовоспалительным, биостимулирующим и общеукрепляющим действием" (Патент России № 1805966).
Информация о количественном химическом составе биологически активных компонентов ЭМ и пихтовой воды послужила необходимой научной основой для проведения доклинических и клинических испытаний ЭМ в Хабаровском государственном фармацевтическом институте, Хабаровском государственном медицинском, Красноярском государственном медицинском институтах, Хабаровском краевом Центре психического здоровья, Хабаровском краевом онкодиспансере, Хабаровских клиниках, во Владивостокском институте медицинской климатологии и восстановительного лечения (в диссертации приводятся акты испытаний и внедрения).
Личный вклад автора
Все экспериментальные хроматографические исследования химического состава ЭМ 52-х видов и 6-ти разновидностей 3-х семейств растений, обработка результатов и их анализ выполнены автором в период работы в Воронежском лесотехническом институте (1970 - 1985 гг), а также в
процессе работы над плановыми и инициативными темами в Дальневосточном НИИ лесного хозяйства (1985 - 1997 гг). Предложена и подтверждена экспериментально идея определения видовой принадлежности хвойных растений по количественному соотношению доминирующих компонентов ЭМ, на основе которой затем, совместно с соавторами, был разработан и защищен авторским свидетельством способ хемотаксономической диагностики вида Larix Hill. Результаты исследований внедрены при непосредственном участии автора.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях: по хроматографии (Таллин, 1967; Черкассы, 1972; Баку, 1973); по физиологии и биохимии древесных растений (Красноярск, 1974); областной научно-практической конференции Воронежского отделения ВОГИС имени Н.В.Вавилова (Воронеж, 1976); совещании Всесоюзного общества генетиков и селекционеров (Ленинград, 1977), по хемосистематике и эволюционной биохимии высших растений (Ялта, 1979, 1982; Ленинград, 1986), республиканской конференции по аллелопатии (Киев, 1982), по проблемам использования древесной зелени в народном хозяйстве (Ленинград, 1984), по химии и использованию экстрактивных веществ дерева (Горький, 1990), по экстрактивным веществам древесной зелени (Новосибирск, 1986), по использованию вторичных древесных ресурсов (Москва, 1990), Всероссийской конференции «Сосновые леса России в системе многоцелевого лесопользования» (Воронеж, 1993), на 3-х сессиях комиссии имени Л.А. Иванова по анатомии, физиологии и экологии лесных растений (Ленинград, 1980,1981,1982); на Международных конгрессах по ЭМ (США, Сан-Франциско, 1974; Япония, Киото, 1977; Сингапур, 1983; США, Вашингтон, 1986; Индия, Нью-Дели, 1988); на Международных конференциях: по эколого-социальным
проблемам Центральной Сибири (Лесосибирск, 1993); фундаментальным и прикладным проблемам охраны окружающей среды (Томск, 1995); кедрово-широколиственным лесам Дальнего Востока (Хабаровск, 1996); использованию цеолитов - «Цеолиты в народном хозяйстве России» (Иркутск, 1996); сохранению и устойчивому развитию уникальной экосистемы Сихотэ-Алиня (Владивосток, 1997), на Международной конференции "Флора, растительность и растительные ресурсы Забайкалья" (Чита, 1997).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 126 работ, в том числе 2 монографии, получено 5 авторских свидетельств.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и приложений. Общий объем рукописи составляет 474 страницы компьютерного текста, включает 134 таблицы, в том числе 47 в приложениях, 75 рисунков, из них 35 в приложениях. Список литературы включает 600 наименований, в том числе 132 на иностранном языке.
Выражаю глубокую благодарность д.х.н., проф. А.А. Жуховицкому, д.х.н., проф. К.И. Сакодынскому, д.б.н., проф. Яценко-Хмелевскому, д.б.н., проф. Е.Г. Боброву, академику, д.б.н., проф. П.Г.Горовому, д.т.н., проф. Ю.И. Холькину, д.б.н. В.В. Татаринову за внимание, проявленное к этой работе и её одобрение, а также к.с.-х.н., с.н.с. Ю.Г.Тагильцеву за помощь и поддержку в проведении работы.
Благодарю врачей - В.А.Цюпко и к.м.н. В.И.Михайлова за активное проведение испытаний хвойных эфирных масел и пихтовой воды в медицинской практике.
Газохроматографические методы исследования сложных смесей органических веществ растительного происхождения
ЭМ хвойных деревьев представляют собой сложные смеси различных органических веществ природного происхождения.
Особенно велика роль ОМ в очищении воздуха, санаторно-курортной практике, охране здоровья человека. Эффективному оздоровлению воздуха фитонцидами посвящены работы Б.П.Токпяа (1957), М.А.Комаровой (1954) и Др. В ряде работ рассматривается роль ЭМ в охране здоровья человека: использование ЭМ при лечении больных туберкулезом легких (Александровский, 1955); изучение антимикробной и противовирусной активности (Вичканова, 1971): применение пихтового масла при лечении гнойных рак (Ворончпхмн, 1981). Перспективы использования ЭМ при лечении ряда заболеваний рассматривают М.И.Гульман, С.М.Репях и другие (1981), М.И.Гульман, Л.И. Горностаева, В.Е.Тучин (1981), Бактерицидные свойства ЭМ ели изучал А.А.Гукасян и другие (1981), сосны - Н.И.Гульман и другие (1981). Токсичность ЭМ рассматривает в своих работах В.А.Нетёса с сотрудниками (1984). В последние годы ЭМ широко используются в ароматерапии (Миргородская, 1995).
Продуктивность и перспективы рационально! о использования древесной зелени в комплексной проблеме возобновляемого природопользования рассмотрены в работах В.П.Тимофеева (1961), В.И.Ягодина (1981), перспективы рационального прижизненного использования древостоев для получения биологически активных веществ рассматривает в ряде работ Ю.ГЛ апШьЦ ёв_(Г970Г 197 Г, 1976) и др.
В связи с развитием высокочувствительных методов анализа, таких как газовая хроматография, спектроскопия, масс-спектроскопия (Замурсенко и др., 1979) н другие появилась возможность более углубленного изучения сложных смесей органических соединений.
Ряд работ посвящается изучению постоянных газов, легких углеводородов, альдегидов, спиртов, вырабатываемых древесными растениями или выделяемых ими в окружающую среду. Так, З.Н.Брянцева (1951) изучала летучие органические вещества, выделяемые растениями в воздух. В.Д.Рощина (1974) исследовала в своей работе растительные выделения, используя методы газо-жидкостной хроматографии. В составе транспирационной воды клена ясенелистного, тополя бальзамического, березы бородавчатой, ясеня обыкновенного, дуба летнего были обнаружены бутилен, уксусный альдегид, пропионовый альдегид, метанол, этанол, пропанол. Летучие альдегиды были найдены в составе паров черемухи обыкновенной, тополя бальзамического и лиственницы сибирской.
Физиолого-биохимические процессы, обуславливающие образование органических веществ, выделяемых растениями, рассматривают в своих работах С.С.Скворцов (1961), Ю Н.Новицкая (1967), В.Д.Гулисашвили (1967). Л.И.Горностаева (1979) исследовала ЭМ хвойных пород Сибири, выделенные в производственных условиях.
Динамику выделения летучих веществ у некоторых древесных растений рассматривает С.С.Скворцов (1961) и др.
Обширный литературный материал по вопросу разделения легких углеводородов, исследованию их состава и разработке методов хроматографического препаративного выделения их в чистом виде собран в монографии Р.Д.Колесниковой и Л.П.Егельской (1970).
Особенно большое внимание уделяется исследованию терпенов, входящих в состав многих природных смесей: живицы, бальзамов, смол, скипидаров. ЭМ (Влахов. Иванов, Огнянов, 1971; Бабкин. 1973; Хан. Дубовенко, Пентегова, 1975, 1976; Дембицкий, Юрина, Горяев, 1977; Горностаева, 1979; Sandermann, I960; Snatzke, Kovals, Chloff, 1966; Hanover, 1966; Jankov el al.. 1969; Baradat et al., 1972; Nigam, Ramalah, 1973; Zola, Gamero, 1973; Gilmore, 1975; Zavarin, Snajbcrk, Lee Gliung-Yen, 1978).
Особое внимание уделяется изучению состава ЭМ. М.И.Горяев и др. (1967); Л.Н.Лиштвниова, Г.И.Нилов. Ю.А.Акимов (1972); А.Д.Дембицкий, Р.А.Юрина, М.И.Горяев (1977) изучали состав ЭМ сосны пицундской, выделенного из хвои и веток. Общее количество обнаруженных компонентов - 26. В хвое основные компоненты а- и р - пинепы. В ветках - а-, Р - пинены, лимонен, А - парен. Этими авторами изучался также состав ЭМ из сосен, произрастающих в различных районах страны. Установлено, что состав ЭМ характеризуется значительными внутривидовыми колебаниями. Причем, для каждого вида растения из исследованных районов произрастания имеются определенные особенности как в содержании отдельных компонентов, так и в их соотношении.
П.Огнянов и Е.Цанкова (1971) занимались изучением сесквитерпеновых соединений в болгарских хвойных деревьях при помощи газо-жидкостной хроматографии.
Экстрактивные ЭМ в семенах некоторых видов пихты исследовали Я. Герман, М.Грживнич, М.Пенка (1971). Авторами показано, что при анализе экстрактивного ЭМ методом ГЖХ следует учитывать, из какой ткани дерева было извлечено исследуемое ЭМ. Выделение ЭМ проводилось частично перегонкой с паром, частично прямым взятием проб. ЭМ, полученное перегонкой, содержит меныпе летучих продуктов, чем масло, полученное прямым взятием проб. Установлено, что отдельные виды пихты имеют различный состав монотерпенов. Масло родственных видов по составу одинаково. Однако, количественный состав монотерпенов для разновидностей физиологически различных и внутри одной группы деревьев различен.
ЭМ хвойных изучали Г.Н.Николов и др. (1971). Они исследовали ЭМ, полученное из хвои и молодых веток некоторых болгарских хвойных пород. Авторами установлено их различие по физико-химическим показаяслям.
В некоторых работах описано выделение отдельных индивидуальных компонентов из соснового масла. Так, например, М.М..1о)е, А.Т.Ргосеаих. R.V.Lawrance (1972) описали выделение лонгифолена из соснового масла. Сосновое масло фракционировали на насадочной колонке при 25-50 мм и 40-50 С для выделения лонгифолена. Отобранные фракции исследовали методом ГЖХ на хроматографе Fand N4 модели 700 с двойной колонкой и пламенно-ионизационным детектором. Разделение проводили на колонках (456 х 0.5 см) с 5 % версамида 900 на диатопорте (70-80 меш) при 150 С. расход газа-носителя (Не) 100 см Умпн. В работе использовали интегратор. Идентификацию компонентов проводили по времени удерживания и по инфракрасным спектрам (Беллами, 1963).
И.И.Бардышев и сотрудники изучали также химический состав отечественных скипидаров (1949, 1950. 1952, 1953, 1955, 1958, 1964, 1966, 1967. 1968. 1969. 1970, 1971, 1972, 1978, 1979). По данным авторов средний качественный состав всех образцов их одинаков, а количественный состав различен. Химический состав ЭМ исследовали В.И.Шаблина, М.И.Горяев, А.Д.Дембицкий (1965); М.П.Горяев, А.Д.Дембицкий (1972). Химия терпеноидов и смоляных кислот рассмотрена в монографии В.М.Никитина (1952). Состав и выход пихтового масла, полученного из ветвей, хвои и коры сибирской пихты, изучал А.П.Пентегов и др. (1934, 1955, 1957, 1959). Исследуя вещества, входящие в состав ЭМ, Л.И.Петелина и др. (1968) отмечает каталитическую изомеризацию а - пилена в присутствии анкалита КТ-3. Г. А.Толстяков и др. (1963) исслеовали терпены, входящие в состав ЭМ.
Характеристика объектов исследований
Одним из основных достоинств хроматографического метода анализа, впервые открытого М.С.Цветом (1903, 1946), является возможность изменения большого числа параметров. Они могут быть разделены на три группы, характеризующие разделительную колонку, газ-носитель, детектор и дозатор (Жуховицкий, Туркельтауб, 1962).
К первой группе относятся: природа сорбента и растворителя неподвижной фазы, температура, длина колонки, сечение колонки, форма колонки, величина зернения сорбента и толщина пленки, характер наполнения колонки сорбентом.
Ко второй группе относятся: скорость газа-носителя, давление.
К третьей - количество нанесенного вещества, способ нанесения пробы, чувствительность детектора, инерционность и стабильность детектора. Параметры также классифицируются по характеру их воздействия на степень разделения. Большая часть параметров определяет размывание полосы веществ, т.е. ширину полосы. Это относится к скорости газа-носителя, зернению, характеру заполнения колонки, давлению, природе газа-носителя, температуре, форме колонки и ее сечению.
Эти параметры определяют кинетику процессов размывания полосы. Природа сорбента, природа и количество растворителя, длина колонки и температура определяют расстояние между полосами веществ и относятся к статическим параметрам.
Возможность изменения большого числа параметров позволяет достигать высокой эффективности хроматографического метода для самых различных систем, создавая различные трудности при их выборе. Прежде всего при выборе параметров следует учесть, что реальные условия ограничивают область применения параметров, поэтому выбор параметров относится к изопараметрическим задачам. Это означает, что при решении таких задач ищут экстремум какой-либо величины при соблюдении какого-то дополнительного условия.
В случае хроматографического разделения ищут максимум для критериев, характеризующих качество разделения. Заданными могут служить время анализа, величина сопротивления, длина слоя.
Анализируя литературные данные по разделению терпеновых углеводородов, следует отметить, что метод газо-жидкостной хроматографии широко применяется для разделения терпеновых соединений.
Однако, в ряде случаев, выбор методических приемов происходит чисто эмпирически. До настоящего времени остаются неизученными такие важные вопросы, как выбор твердых носителей и неподвижных фаз, особенно для разделения высококипящей части. Отсутствуют исследования по выбору оптимальной скорости газа-носителя. Совершенно не изучены термодинамические характеристики компонентов, входящих в состав ЭМ.
Исключительно важную роль играет выбор температуры испарителя и колонок при разделении лабильных компонентов ЭМ.
К тому же особенности состава ЭМ хвойных растений (многообразие химических соединений различных классов, резкие различия в количеством соотношении компонентов) требуют детальной методической разработки.
Исследовано разделение монотерпеновых углеводородов лиственницы на неподвижных фазах: полиэтиленгликольсебацинате, динониловом эфире фталевой кислоты; 1,2,3,4,5,6 - гексакисбета (цианэтокси) гексане из маннита, полиэтиленгликольсукцинате, карбоваксе, апиезоне L, полиэтиленгли- кольадипатс, недостаточно изученных при разделении ЭМ, в сравнении с трикрезилфосфатом, широко применяемым для разделения монотерпеновых углеводородов. В работе использованы твердые инертные носители: 1) Инертон AW-DMCS, фракция 0,16-0,20 мм (производство Чехии) использован нами впервые для разделения эфирного масла. 2) Хезасорб AW - HMDS, силанизированный ГМДС (гсксаметилдисилазаном). Впервые использован для разделения эфирного масла. 3) Пористый полимерный сорбент - полисорб, разработанный в НИФХИ им. Л.Я.Карпова. В литературе также пет сведений о поведении природных терпеновых углеводородов на полимерных сорбентах, поэтому испытание их для целей разделения также представляло научный и практический интерес.
Известно, что пористые полимерные сорбенты могут быть использованы в качестве адсорбентов или в качестве инертных носителей, модифицированных жидкими фазами. Условия проведения опытов Хроматограф Цвет. Колонка из нержавеющей стали длиной 6 м диаметром 3 мм, газ-носитель - гелий, расход - 35 CMVMHII. Рабочая температура колонок - 122 "С. Температура испарителя -130 "С. Детектор пламенно-ионизационный.
Состав смеси: нонан -13,1%; а - пинен -14,1%; камфен -3,1%; р- пинен - 8,5 %; А3 - карен - 27,4 %; лимонен - 18,0 %; неидентифпцирован- ный компонент - 2.9 %; терпинолен - 15,6 %.
Оказалось, что колонка с полисорбом в идентичных условиях работает гораздо эффективнее, чем колонка с диатомитом.
Число теоретических тарелок (т.т.) для колонки, заполненной диатомитом, составило 2200, а для колонки, заполненной полисорбом - 14400 т.т.
Разделительный процесс на полисорбе отличается от разделения на диатомите. Вероятно, компоненты проникают в глубину структурной решетки полимера, тогда как на диатомите процесс распределения происходит в пленке жидкой (фазы; на полисорбе, по-видимому, происходят как распределительные, так и адсорбционные процессы.
В работе исследовано изменение объема удерживания от расхода газа- носителя и температуры колонок и выбраны оптимальные условия разделения смесей терпеновых углеводородов эфирного масла на модифицированном полисорбе. Для сравнения проводились также в аналогичных условиях исследования на диатомите, обработанном 8 % трикрезилфосфата.
При одинаковых условиях анализа объемы удерживания на полисорбе значительно отличаются от объемов удерживания на диатомите.
С увеличением расхода газа - носителя время удерживания уменьшается. При рассмотрении данных, приведенных в табл. 11-13, следует отметить, что повышение температуры также приводит к уменьшению времени удерживания. Необходимо было выбрать оптимальный расход и температуру, при которой достигается максимальная эффективность разделения. При длине слоя сорбента, равном 3.0 м, оптимальная скорость газа- носителя составляет в наших опытах 30 см3/мин, повышение температуры до 100 С на диатомите вызывает частичную изомеризацию терпеновых углеводородов.
Расчет некоторых термодинамических характеристик эфирных масел хвойных растений
Максимальный выход А1 - карена (61,6 %) наблюдается лишь после восьмичасовой отгонки эфирного масла. Содержание а - терпинена в эфирном масле, примерно, постоянное на всем протяжении отгонки. Максимальный выход дипентена - 5,4 %, р - фелландрена - 16,5 %, ци- неола - 6,7 %, терпинолена - 15,1 %, у - терпинена и п - цимола - 13.6 % наблюдается после семичасовой отгонки. Таким образом, установлено, что максимальный выход ЭМ из растительного сырья наблюдается в течение первых трех часов отгонки. В первые часы отгонки ЭМ более богато низкокипящими терпеноидами. Для полного извлечения высококипящих терпеноидов необходимо проводить отгонку не менее семи часов.
Далее была проведена серия опытов по ректификации эфирного масла. Ректификация эфирного масла проводилась на лабораторном дистил- ляционном аппарате типа ОВ-503Т (Венгрия) с транзисторной системой регулирования.
Лабораторный дистиллятор типа ОВ-503/Т отличается от обычных тем, что процесс ректификаци автоматизирован. Трудно улетучиваемые компоненты потока паров, поступающих вверх снизу конденсируются на тарелках, расположенных в колонке. Из смеси, так называемого обратного потока, протекающего вниз через тарелки компоненты более летучие снова выпариваются. Таким образом, восходящий поток постоянно очищается от менее летучих компонентов. Менее летучие компоненты при нисходящем потоке также обогащаются и скапливаются в перегонном кубе. Насадка - 1,5-витковые кольца Фенске, диаметром 1,5 мм, выполненные из нержавеющей стали диаметром 0,2 мм. Число теоретических тарелок аналитической колонки 40, эквивалентная высота - 37 мм. Высота колонки - 1 м, внутренний диаметр - 15 мм. В аппарат загружали 180 см3 смеси ЭМ состава: а - пинен - 15,7 %; (1 - пинен - 2,7 %; Д - карен - 64,8 %; а - фелландрен - 2,5 %; « - терпинен 3,0 %; дипентен - 4,4 %; (3 - фелландрен - 1,5 %; п - цимол + у - терпинен - 1,3 %; терпинолен - 4,1 %. Длительность цикла ректификации 8 часов 50 минут. В процессе ректификации автоматически регулировались: температура нагрева куба и колонки, скорость кипячения, давление паров. Отбор дистиллята проводился по мере изменения разности температур бойлера и верха колонны и по времени. Всего за один цикл ректификации проводилось по восемь отборов.
Дистиллят из каждого отбора подвергался анализу на хроматографе типа Цвет - 100. Данные об изменении состава эфирного масла при ректификации представлены в табл. 32. Из данных таблицы видно, что максимальное концентрирование а - пинена (до 78 %) в смеси происходит по истечении 2 ч 30 мин ректификации эфирного масла: наибольшее концентрирование А3 - карена в смеси (94 %) наблюдается через 5 ч 40 мин. Концентрирование остальных компонентов смеси, содержащихся в количестве до 19.5 % происходит в зависимости от физико-химических свойств компонентов в разное время и при различной температуре. В процессе экспериментов установлена зависимость процентного выхода компонентов смеси от разности температур бойлера и верха ректификационной колонки. Разность температур, соответствующая 52 С, наиболее благоприятна для отбора дистиллята с максимальным содержанием а - пинена, а разность температур, соответствующая 100 С. наиболее благоприятна для отбора дистиллята с наибольшим содержанием А - карена. В процессе ректификации эфирного масла большое значение имеют длительность цикла ректификации и разность температур бойлера и верха колонки.
На рис. 16 представлены кривые, характеризующие процесс ректификации п зависимость процента выхода основных компонентов смеси (а-, р- пиненов и А3 - карена) от времени отбора дистиллата. Из рис. 16 видно, что максимальное концентрирование в смеси а - пинена (до78 %) Изменение состава эфирного масла при ректификации
На рис. 17 представлена зависимость процента выхода компонентов смеси от разности температур бойлера и верха ректификационной колонки. Как видно из рисунка разность температур, соответствующая 52 "С, наиболее благоприятна для отбора дистиллата с максимальным содержанием а - пинена, а разность температур, соответствующая 100 С - Л3 - карена.
Анализируя процесс ректификации, видно, что при ректификации ЭМ основное внимание следует уделять длительности цикла ректификации и регулировке разности температур бойлера и верха колонки. Максимальный выход а - пинена 78 % достигается по истечении 2 ч 30 мин ректификации при разности температур 52 С, А1 - карена - 5 ч 40 мин при разности температур 100 С. Концентрирование остальных компонентов смеси, содержащихся в количестве до 19,5 % происходит в зависимости от физикохимических свойств компонентов в разное время и при разной температуре.
В табл. 33 представлены данные ректификации цикла № 2. Как следует из материала таблицы в первой фракции накапливается трициклен, а - пи- нен и камфен, причем содержание а -пинена - основное в данной фракции (78,1 %); во второй происходит накопление р - пинена и мирцена (соответственно 58,8 и 11,9%). Третья фракция насыщена кареном, а- фелландреном, а -терпиненом и дипентеном (соответственно 62,0; 15,7 и
В четвертой фракции накапливается дипентен (37,9 %). Значительный процент приходится на долю р - фелландрена и 1,8-цинеола (37,5 %), появляются у - терпинен и п - цимол (8,8 %), а также накапливаются неидентифицированные компоненты, выходящие на аналитических хроматограммах следами перед терпиноленом. Рисі?. Зависимость % выхода компонентов смеси от разности температур бойлера и верха ректификационной колонки
Сумма монотерпеновых углеводородов в исходном масле лиственницы составляла 97,4 %. Кислородсодержащие, сесквитерпспоиды и другие высококипящие соединения появляются лишь в пятой фракции.
Далее был проведен цикл № 3 ректификации свежесобранного эфирного масла лиственницы, выполнено шесть отборов, каждый из которых подвергался разделению на препаративном газо-жидкостном хроматографе.
Проведена также ректификация эфирного масла лиственницы на стеклянной лабораторной колонке эффективностью 60 теоретических тарелок (тт). Отобрано 12 фракций. Данные представлены в табл. 34, 35. Анализируя таблицы, следует во-первых, отметить удовлетворительное совпадение аналитических данных исследуемых проб на фазах различной полярности. Прослеживая результаты ректификации, видно, что накопление кислородсодержащих, сесквитерпеновых и других высококипящих соединений также происходит в пятой фракции и концентрируется далее до двенадцатой, причем в последних фракциях происходит концентрирование нсидентифи- цированных соединений. Заметного улучшения в концентрировании отдельных основных компонентов монотерпеноидов на лабораторной рект ификационной колонке но сравнению с ректификационным аппаратом не наблюдается. Более того, очевидны преимущества лабораторного дистиллятора типа 05-503, позволяющие автоматически регулировать давление и температуру процесса и загружать в аппарат в десятки раз больший объем эфирного масла (Колесникова и др., 1974).
Идентификация компонентов, входящих в эфирные масла хвойных растений
Эфирные масла некоторых видов пихт: белокорой, сахалинской, Майра, полеполистной - прозрачные жидкости от бесцветного до светло- желтого или зеленоватого цвета с приятным таежным ароматом являются уникальными многокомпонентными природными продуктами. Характеризуются бактерицидными, антимикробными, противовоспалительными, ра- нозажпвляющими и другими лечебными свойствами. Б состав масел входят группы веществ, обладающих противолучевым и противоопухолевым действиями. В составе пихтовых масел обнаружено свыше ста химических веществ, однако лишь 35 компонентов находятся в количествах, которые можно практически выделись (Колесникова, Тапшьцев, 1980, 1985, 1997; Коїевпікстуа. Та»і!и еу, 1986, 1989). Нам удалось идентифицировать 29 химических веществ: а - гшнсн, камфен, Р - пинен, мирцен, Л3 - карен, а - тср- пипсн, дипентен, р - фелпандрен, 1,8 - цинеол, у - терпннсн, п - цимол, тср- пинолен, гераниаль, нераль, камфара, борнилацетат, карнофиллен, лопгнфолеи, Г - муролеи. а. - гумулен, у - муролеп, терпинеол, а - му- ролен, а - кадмием, у - кадмием, хамазулен, р - бизаболеи, а - курку- мен, элемазулен. Химический состав ЭМ некоторых видов пихт представлен в табл. 59.
Качественный состав масел изученных видов пихт оказался одинаков. В количественном содержании отдельных компонентов наблюдаются значительные колебания. Следует отметить, что качественный терпеноид- ный состав масел сходен с таковым у видов Ьагіх НШ. и Ріпш Ь. Однако, в количественном содержании компонентов также наблюдаются существенные различия,
Отличие ОМ пихты сахалинской от других ОМ - высокое содержание монотерпеновых углеводородов ( 90,9 %). Содержание а - пшена составляет 18,6: В - пинена - 16.8%. Хамазулен содержится в количестве 1,0%. Из других компонентов в масле пихты сахалинской найден мирцен в количестве 18,3. 1,8 - цинеол - 12.1 %. На рис. 28 показано хроматограмма разделения ЭМ пихты сахалинской.
Пихта Майра Выход ЭМ из охвоенных побегов - 2,41 %. Монотерпены содержатся в количестве 71,1 %. В ЭМ пихты Майра содержание а - пинена составляет 18,7, р - пинена - 17,4. лимонена - 10,8 , мирцена - 10,5, Д3-карена - 3,6 7 и.. Сесквитерпеновыс и высокоюшяшие соответственно - 28,9 %. Хамазулен найден в количестве 0,4 %. Из других компонентов следует отметить мирцен (10,5). борншхацетат (25,2 %!. Пихта исльнолиетная Выход ЭМ из охвоенных побегов - 1,53 %. ЭМ пихты цельнолистной отличается повышенным содержанием лимонена (Зі,1 % ). Содержание а- и р - пинснов ниже, чем в маслах рассмотренных пихт и составляет соответственно 13,1 и 10,3 %. Монотерпены содержатся в количестве 85,1 %; сесквитсрпсны и высококипящие соединения _ 14.9 %. Хамазулен найден в масле в количестве 0,4 /о.
Монотерпены содержатся в количестве 63 %. Значительная часть приходится на сссквнтерпеновые и кислородсодержащие соединения. В монотерпеновой части преобладает а - пинен (9.0). [З-пинен (20,5), мирней (12,0 %). Среди вмеококигшщен части 25 % приходится на долю борнштацетата. Хамазулен составляет 1.3 %.
Данные по исследованию состава компонентов ЭМ из одногодичных побегов некоторых представителей семейства Pinaceae Lindl., Cupressaceac Rich, ex Baril, и Taxodiaeeae F.W.Neger представлены в гаи л. 60-67. Хроматограммы даны в прил. 8 (рис. 9-15).
Изучен состав монотерпеновых углеводородов ЭМ одногодичных побегов и проведено сравнение его с составом монотерпеноидов ЭМ сосны и лиственницы.
У представителей перечисленных видов, за исключением к. ливанского, в состав монотерпеноидов входят те же компоненты, что и в ЭМ лиственницы и сосны. В ЭМ с. приморской, однако, ярко выражено наличие лишь первых трех компонентов: трпциклена, а - пшена н камфена.
Совершенно обособленно представлен состав ЭМ к. ливанского из побегов. На долю X - компонента (впоследствии идентифицированного как ц-гентан) приходится 69,1 Со. На долге» о - пштена 24,5 Со.
Если сравнить состав ЭМ к. ливанского, представленный в табл. 61, с составом в табл. 65, мы увидим совпадение данных по содержанию 11- гептана и а - пинена, хотя эти анализы выполнены на различных неподвижных фазах и из различных проб растительного сырья. Состав монотсрпеноидов эфирного масла из одногодичных побегов некоторых представителей семейств (Pinaceae Lindi.,
Преобладающими компонентами являются камфен и и - цимол. В высококипящеп части масла - борнилацетат. Однако, в маслах лжетсуги имеется еще много неидентпфпппрованных компонентов, дальнейшая расшифровка которых поможет, вероятно, вскрыть особенности этих масел. Хроматограмма дана на рис. 12, прил. 8.
Хроматограммы других изучаемых видов (кипарнсовика Лавсона. криптомерии японской и секвойи вечнозеленой) предст авлены на рис.13-15, прил. 8. Сводные данные о химическом составе хвойных растений показаны в табл. 69.
