Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАГУЛЬНИКА БОЛОТНОГО С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 7
1.1 Характеристика багульника болотного как эфиромасличного растения 7
1.2 Локализация эфирных масел в растениях 12
1.3 Изменчивость компонентного состава эфирного масла багульника болотного в зависимости от природно-климатических условий и фазы вегетации... 15
1.3.1 Роль природно-климатических факторов 15
1.3.2 Зависимость от фазы вегетации 24
1.4 Особенности миграции тяжелых металлов в системе "почва - растительное сырье - продукт, содержащий БАВ" 29
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 37
2.1 Природно-климатические условия районов исследования 37
2.2 Методы исследований 41
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 47
3.1 Влияние разных факторов на локализацию, физико-химические характеристики и компонентный состав эфирного масла багульника болотного
3.1.1 Локализация эфирного масла в сырье багульнике болотного 47
3.1.2 Физико-химические характеристики и компонентный состав эфирного масла багульника болотного 50
3.2 Биохимический состав водного экстракта багульника болотного в зависимости от фазы вегетации и места произрастания 62
3.3 Миграция микро- и макроэлементов в системе «почва -растительное сырье-продукт, содержащий БАВ» 66
3.4 Возможности использования эфирного масла багульника болотного для улучшения микроклимата помещений 75
3.5 Технологическая схема комплексного использования багульника болотного 78
ВЫВОДЫ 87
Практические рекомендации 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 90
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 105
- Характеристика багульника болотного как эфиромасличного растения
- Природно-климатические условия районов исследования
- Локализация эфирного масла в сырье багульнике болотного
Введение к работе
Актуальность темы. Багульник болотный широко используется как в народной, так и в официальной медицине из-за ярко выраженного противовоспалительного, ранозаживляющего, седативного и спазмолитического фармакологических действий. Однако среди эфиромасличных растений он известен как вид, на качественный и количественный состав биологически активных веществ (БАВ) которого значительное влияние оказывают фаза вегетации и природно-климатические факторы (Белоусова Н. И., 1996, 1999). В Сибири основные районы, где возможна заготовка данного вида в промышленных масштабах, - это Восточные и Западные Саяны (Атлас ареалов и ресурсов..., 1983), поэтому представляется целесообразным проведение сравнительного анализа компонентного состава растительного сырья из этих биотопов и определение оптимального периода развития растения для получения продукции с максимальным количеством БАВ.
При разработке научных основ рационального использования багульника болотного важное место должна занимать оценка растительного сырья на экологическую безопасность, поскольку загрязнение окружающей среды носит глобальный характер. Почва является начальным этапом миграции тяжелых металлов и других химических элементов в системе «почва - растительное сырье - продукт, содержащий БАВ». Поэтому нами была изучена степень загрязненности данного объекта полютантами в районах заготовки сырья.
Особой значимостью отличается и задача по разработке экологически безопасных и малоотходных технологических схем комплексной переработки растительного сырья, что обеспечит не только рациональное использование багульника болотного, но и получение продукции, содержащей БАВ с низкой себестоимостью.
Цель исследований: экологическое обоснование рационального использования багульника болотного, произрастающего в Западных и Восточных Саянах.
Основные задачи:
определить влияние на локализацию, компонентный состав и физико-химические характеристики эфирного масла багульника болотного фазы вегетации и места произрастания;
исследовать биохимический состав водного экстракта багульника болотного разных фаз вегетации и мест произрастания;
изучить особенности миграции микро- и макроэлементов в системе «почва - растительное сырье - продукт, содержащий БАВ»;
разработать технологическую схему, обеспечивающую рациональное использование и комплексную переработку лекарственного растительного сырья для получения продуктов, содержащих БАВ.
Научная новизна. Впервые на основе комплексных исследований определен компонентный состав и биохимические свойства эфирного масла и водного экстракта багульника болотного, произрастающего в Западных и Восточных Саянах, и их зависимость от фазы вегетации растения. Изучены особенности миграции микро- и макроэлементов в системе «почва - растительное сырье -продукт, содержащий БАВ», и установлено влияние биотопа на биогеохимическую активность растений.
Разработана высокоэффективная условно-безотходная (Кб = 0,92) схема переработки лекарственного растительного сырья из багульника болотного для получения продуктов, содержащих БАВ, что позволяет значительно сократить объемы заготовки растений.
Практическая значимость. Установлено, что промышленные заготовки багульника болотного целесообразно производить в период вторичной вегетации - фазы наибольшей концентрации в растениях эфирного масла и ледола. Определено оптимальное время (240 минут) отгонки эфирного масла исследуемого сырья. Получены результаты по санации и бактерицидной активности
б эфирного масла багульника. Разработана технологическая схема комплексной переработки эфиромасличного сырья с рентабельностью производства 140,8%.
Материалы диссертации используются в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке специалистов - агроэкологов, инженеров пищевых производств.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации доложены и одобрены на межвузовских (Красноярск, 2005, 2006), межрегиональной (Красноярск, 2006), всероссийских (Красноярск, 2005, 2006, Барнаул, 2007) и международной (Москва, 2008) научно-практических конференциях.
Публикация результатов исследования. По результатам исследований опубликовано 14 статей, в т.ч. 1- в изданиях, рекомендованных ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту:
вариативность состава и физико-химических характеристик эфирного масла и водного экстракта багульника болотного в зависимости от фазы вегетации и места произрастания растения;
наличие особенности миграции микро- и макроэлементов в системе "почва - растительное сырье - продукт, содержащий БАВ";
разработана и рекомендована технологическая схема комплексной переработки эфиромасличного растительного сырья.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 118 страницах, включает 27 таблиц, 25 рисунков, 4 приложения и состоит из введения, трех глав, выводов, предложений производству и списка литературы из 142 наименований, из которых 16 - зарубежных авторов.
Характеристика багульника болотного как эфиромасличного растения
Морфология. Багульник болотный - Ledum palustre L. (семейство вересковые — Ericaceae). Вечнозеленый, сильно пахучий кустарник, высотой 20— 125 см. Молодые побеги с довольно густым рыжим опушением. Листья очередные, линейно-продолговатые или линейные, длиной (1,5) 2-4 (4,5) см и шириной 1,5-4 мм, зимующие, с цельными, завороченными на нижнюю сторону краями, на коротких (около 3 мм) черешках, сверху темно-зеленые, блестящие, снизу, особенно по срединной жилке, рыжеопушенные. Цветки белые, пяти-членные, довольно крупные (длина лепестков 4-8 мм), собраны на концах ветвей в многоцветковое щитковидное соцветие. Цветоножки тонкие, рыжеопушенные, железистые. Плод - продолговато-овальная, темная, слегка железисто-опушенная коробочка, длиной 4,5 - 5 мм. Корневище багульника может достигать 10 м длиной (Крылова И. Л., Прокошева Л. И., 1980; Гришин А. В., 1985; Атлас ареалов и ресурсов..., 1983; Березовская, Т. П. и др., 1983; Кузнецова М. А., Рыбачук И. 3., 1993; Горяев М. И., 1952; Планкова И. А., 1961; Муравьева Д. А., 1991).
Цветет в мае - июле; семена созревают в июле - августе. Изучение морфологии особей багульника болотного позволило установить, что предельный возраст его составляет 40-50 лет.
Сырье и требование к нему. Согласно требованиям фармакопеи сырье багульника состоит из смеси облиственных побегов, листьев и небольшого количества плодов. Листья очередные, на коротких черешках, кожистые, линейно-продолговатые или продолговато-эллиптические, цельнокрайние, длиной 15-45 мм, шириной 1-5 мм, с завернутыми вниз краями; с верхней стороны темно-зеленые, блестящие, молодые листья слегка опушенные, старые почти голые; с нижней стороны покрыты густым оранжево-коричневым войлочным опушением. Стебли цилиндрические, с таким же оранжево-коричневым войлоком. Плод - многосемейная продолговатая коробочка 3-8 мм длины, железисто-опушенная, раскрывающаяся при созревании сверху вниз пятью створками. Запах резкий специфический. Вкус не определяется.
Числовые показатели: эфирного масла не менее 0,1%, влаги не более 14%, серовато-коричневых стеблей не более 10%; органических примесей (части других неядовитых растений) не более 1%; минеральных примесей (земля, песок, камешки) не более 0,5% (Государственная фармакопея XI, 1987).
Использование. Багульник болотный имеет широкие возможности применения в медицине. В нём обнаружен целый комплекс биологически активных соединений: дубильные вещества, арбутин, кумарины, флавоноиды, фенолы, фенолокислоты, катехины, микроэлементы, аскорбиновая кислота, урсоловая кислота, фитостерины, что представляет интерес для рационального использования сырья. Настои багульника болотного применяются как отхаркивающее средство при острых и хронических бронхитах и туберкулезе, а таюке при спастических энтероколитах. Трава багульника болотного обладает фитонцидной активностью. Однако наибольший интерес исследователей вызывает изучение биологической активности эфирного масла багульника болотного. В первую очередь учёные обратили внимание на возбуждение им центральной нервной и сердечно-сосудистой систем и противопаразитарные свойства (Бело-усоваН. И., 1996).
Эфирное масло багульника болотного из Иркутской области усиливает диурез, при внутривенном введении возбуждает дыхание и снижает кровяное давление. Эфирное масло багульника болотного из Якутии вызывает сначала угнетение работы сердца лягушки, затем - кардиотонический эффект. Отмечено бронхолитическое и умеренное коронаролитическое действия эфирного масла багульника из Новосибирской обл. (Белоусова Н. И., 1996).
Учитывая успешное лечение багульником хронических лёгочных заболеваний - бронхитов, бронхиальной астмы и др. было изучено противокашлевое
действие эфирного масла растения, которое как показали опыты на морских свинках, связано с наличием в эфирном масле сесквитерпенового спирта ледо-ла.
Таблетки "Ледин", полученные на основе основного компонента эфирного масла - ледола, применяются как противокашлевое средство. Выявлены противовоспалительное и ранозаживляющее свойства эфирных масел багульника болотного (Акимов Ю. А., Остапчук И. Ф., 1985; Лекарственные средства..., 1989; Киселева А. В., 1991; Ковалева Н. Г., 1971; Станкавичене Н. А., 1979; Николаева В. Г., 1979; Гаммерман А. Ф. и др., 1984; Шарапов Н. И.,1954; Сур С. В., 1990; Кузнецова М. А., Рыбачук И. 3., 1993).
Природно-климатические условия районов исследования
Исследование багульника болотного проводилось в двух регионах: Западные Саяны (Республика Хакасия) и Восточные Саяны (Иркутская область).
Восточные Саяны (Иркутская область), а именно Прибайкалье - это высокие хребты, прилегающие к озеру Байкал, с широкими межгорными котловинами. Для региона характерна большая амплитуда высот между хребтами и днищами котловин (1500-5000м). Эти хребты сложены в основном метаморфическими породами - гнейсы, мраморы, кварциты и интрузии гранитов (Почвы Иркутской области..., 1979; Почвенное районирование..., 1960).
Исследуемый район принадлежит к климатическому таксону отличающемуся повышенным количеством осадков и увлажнением, возрастанием континентальное климата в предгорьях, подгольцовом и гольцовом поясах. Средняя температура воздуха здесь в январе на побережье ниже -17С, в предгорьях ниже -18С, в июле +14-15С. Среднегодовая температура составляет -2,5 - -3,5С. Осадков выпадает более 600-700 мм в год. Максимальное их количество (до 1443мм) отмечается на хр. Хамар-Дабан на высоте 1442м.
Но климат места сбора образцов багульника болотного несколько отличается. Так среднегодовая температура варьирует от 0,4 до -2С. В год осадков выпадает меньше, всего 500 мм. Основная причина такого различия в резкой контрастности, проявляющейся в природе и климате Восточной Сибири. Контрастное различие климата объясняется влиянием факторов, обусловленных взаимодействием локальных атмосферных процессов и орографии. (Климат и растительность..., 1983).
Почвы отличает малая гумусность, сильная скелетность (щебнистость или даже каменистость). Все это обуславливает значительную скважинность и способствует сохранению атмосферной влаги в почве, улучшая тем самым водный режим растений. В то же время низкие температуры почв и сезонная или вечная мерзлота затрудняют освоение воды растениями, что накладывает отпечаток криофильности на растительные сообщества.
Почвы данного района относятся к провинции подбуров, подзолов и буроземов. Подзолы иллювиально-гумусовые, подбуры, торфяно-перегнойные почвы водоразделов и склонов под темно-хвойными кустарничково-мохово-разнотравными лесами и их мелколиственными восстановительными сериями.
Горно-таежные леса Средне-Сибирской формации кедровые, с примесью ели и лиственницы, багульниково-бруснично-зеленомошные леса местами в сочетании с бадановыми кедрачами на пологих и крутых склонах. Пихтово-кедровые кустарниково-мелкотравно-зеленомошные местами в сочетании с крупнотравными на довольно крутых склонах речных долин разных экспозиций и водоразделов.
Геоботаническое районирование территория относиться к Восточно-Байкальскому таежно-лиственнично-темнохвойному округу озерно-котловинной провинции Байкало-Джунгарской гольцово-горно-таежной области (Атлас Иркутской области..., 2004).
Природная зона исследованного района Западных Саян (Республика Хакасия) относится к зоне южной тайги и подтайги. Среднегодовая температура воздуха отрицательная (-1-2С0). В холодные месяцы температура опускается до -54 -61С. Зимой иногда имеют место оттепели. Безморозный период короткий и изменяется в широких пределах (73 - ПО дней). Почвы промерзают глубоко. Средние температуры июля достигают 16,5 - 18,5С. Сумма температур за вегетационный период колеблется в интервале 1570 - 1670С0. Осадков в среднем выпадает от 400 до 450 мм (Крупкин П.И., 2002; Бугаков П.С. и др., 1981; ЧупроваВБ., 1973).
Локализация эфирного масла в сырье багульнике болотного
Таким образом, для наиболее объективной характеристики физико-химических величин и компонентного состава необходимо как можно полнее извлекать эфирное масло из исходного сырья, так как состав его может варьироваться в определенных пределах в зависимости от времени отгонки. Для надземной части багульника болотного время полного выделения эфирного масла багульника болотного в условиях паровой дистилляции составляет не менее 240 минут.
В связи с этим можно предположить, что в процессе отгонки будут выделяться различные компоненты, а интегральные характеристики выделяемых масел могут также изменяться. В этой связи представляло интерес исследовать динамику выделения эфирного масла багульника болотного и определить состав и значение каких-либо физико-химических величин для порций масла, выделенных в различные промежутки времени, и определить минимальное время выделения всего количества эфирного масла. Очевидно, что при выделении только части эфирного масла из растительного сырья состав и физико-химические характеристики могут заметно отличаться от таковых для цельного масла.
Так, в ходе процесса были отобраны образцы выделившегося масла через каждые 30 мин.
В приложении 1 показано изменение показателя преломления в динамике выделения эфирного масла багульника болотного, а также с целью определения химического состава отдельных фракций методом хромато-масс-спектрометрии изучено содержание отдельных компонентов в эфирном масле в получаемых фракциях по мере отгонки масла.
Как следует из полученных данных (см. приложение 1), показатель преломления различных фракций эфирного масла имеет разные значения, что однозначно может свидетельствовать о разном составе получаемых фракций. Следует отметить, что в получаемых отгонах, как правило, увеличивается концентрация труднолетучих компонентов. В данном случае это гераниол, ледол и хамазулен. В то же время концентрация легколетучих компонентов, таких как Р-пинен, р-цимол и терпенилацетат, по мере выделения масла - закономерно уменьшается.
Багульник болотный - типичный представитель лекарственной флоры Сибири. Биологическая активность багульника прежде всего определяется содержанием и составом эфирного масла. Поэтому нами были изучены физико-химические характеристики эфирного масла багульника болотного, произрастающего в Западных и Восточных Саянах, полученного из растений, находящихся в разные фазы вегетации (цветения, плодоношения, вторичной вегетации).
Хорошо известно, что основными показателями физико-химических характеристик эфирных масел являются плотность и показатель преломления. Эти две величины являются основными практически для всех эфирных масел (Химический анализ лекарственных..., 1983; Муравьева Д. А., 1991).
Как показывает анализ литературных источников, величина плотности и показателя преломления эфирного масла багульника болотного, полученного различными авторами, сильно колеблется и составляет пределы 1 =1,4803-1,5017 и d =0,8475-0,9988 г/см , что свидетельствует о возможных существенных различиях их химических составов (Белоусова Н. И. и др., 1999). Это может объясняться, на наш взгляд, не только геофизическими условиями произрастания растительного сырья, но и, например, способом выделения эфирного масла, условиями его хранения. Так, например, низкой плотностью могут обладать масла, полученные экстракционными методами, из которых трудно отогнать остатки летучих растворителей. В то же время, если при экстракции из растительного сырья выделяются также жиры и смолы, которые всегда выделяются при их наличии в самом сырье, то плотность получаемого эфирного масла может несколько увеличиваться по сравнению с чистым маслом. Кроме того, высокой плотностью могут обладать масла, подвергшиеся длительному хранению, результатом увеличения плотности которых могут стать процессы полимеризации или окисления под действием кислорода воздуха на свету (Зю-ков Д. Г. и др., 1979).
