Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 6
1.1 Физиология и химия семян Pinus sibirica 6
1.2 Методы переработки семян Pinus sibirica 15
1.3 Методы исследования растительных экстрактов 18
Выводы по главе 1 19
2. Методическая часть 20
2.1 Методика отбора проб растительного сырья 20
2.2 Метод определения представительности проб 20
2.3 Методы исследования химического состава семян и шишек Pinus sibirica 23
2.4 Методы исследования липидов 26
2.4.1 Методика выделения суммарных липидов 26
2.4.2 Методика выделения нейтральных, глико- и фосфолипидов 27
2.4.3 Методы выделения и идентификации ацилглицеролов... 28
2.4.4 Методы фракционирования и идентификации полярных липидов 28
2.5 Методы исследования химического состава экстрактов 30
2.6 Обоснования выбора схемы переработки шишек и семян сосны сибирской 31
2.7 Утилизация послеэкстракционного остатка шишки Pinus sibirica 33
2.8 Конструкция и принцип действия экстракционной установки для экстракции органическими растворителями 34
2.9 Конструкция и принцип действия экстракционной установки для экстракции сжиженной углекислотой 34
Выводы по главе 2 38
3. Результаты опытов и их обсуждение 39
3.1 Химический состав шишек Pinus sibirica в эмбриональной стадии развития 40
3.2 Химический состав шишек Pinus sibirica в постэмбриональной стадии развития 48
3.3 Химический состав семян Pinus sibirica 58
Выводы по главе 3 76
4 Переработка шишки Pinus sibirica 77
4.1 Оптимизация процесса экстракции этиловым спиртом скорлупы семян Pinus sibirica 79
4.2 Экстрагирование сжиженной углекислотой обрушенных шишек семян Pinus sibirica R. Mayr 88
4.3 Утилизация послеэкстракционных остатков шишки и семян Pinus sibirica R.Mayr 90
4.4 Принципиальная схема переработки шишек Pinus sibirica 93
Выводы по главе 4 95
Выводы 96
Список использованных источников 98
Приложение А 112
- Методы переработки семян Pinus sibirica
- Методы исследования химического состава семян и шишек Pinus sibirica
- Химический состав шишек Pinus sibirica в постэмбриональной стадии развития
- Утилизация послеэкстракционных остатков шишки и семян Pinus sibirica R.Mayr
Введение к работе
Экономическое значение хвойных связано с использованием древесины и экстрактивных веществ, представляющих собой исключительно ценный материал для лесоперерабатывающей промышленности. Продуктивность хвойных во многом определяется интенсивностью биосинтеза элементов растительных клеток, именно поэтому большое внимание исследователи уделяют вопросам биохимии древесной зелени хвойных. Несмотря на многочисленные исследования в этой области сведения о химических аспектах метаболизма шишек хвойных растений ограничены. Между тем, изучение химического состава шишек на разных стадиях их развития в конечном итоге позволит разработать методы регуляции синтеза биомассы хвойных растений.
Проведение работ по изучению химического состава шишек хвойных растений имеет и другой важный аспект, связанный с переработкой хвойного сырья. На современном этапе развития науки и техники предусматривается широкое внедрение прогрессивных технологий, одной из которых является комплексная химическая переработка всей биомассы дерева. Успехи химии природных соединений открыли широкие возможности для использования препаратов биологически активных веществ во многих областях пищевой, фармацевтической, парфюмерно - косметической промышленности, медицины, ветеринарии.
Объектом исследования являлась сосна сибирская (Pinus sibirica), занимающая среди хвойных особое место. Кроме древесной зелени и древесины она дает такой ценный продукт как семена, используемый в пищевой промышленности. При заготовке семян Pinus sibirica скапливается большое количество отходов в виде обрушенной шишки и скорлупы, требующих утилизации.
Огромное экономическое значений хвойных растений и недостаточная изученность химического состава элементов древесной зелени, в частности
шишек, ответственных за продуктивность хвойных растений и в то же время представляющих большой практический интерес, определяют актуальность настоящих исследований.
Цель работы заключалась в изучении изменения химического состава шишек сосны сибирской в ходе онтогенеза и определения возможности реализации, полученных результатов на практике.
Исходя из вышесказанного, в работе изучен химический состав шишки, ядра и скорлупы семян Pinus sibirica в ходе онтогенеза. Предложенная схема переработки шишек Pinus sibirica внесет вклад в решение природоохранной задачи рационального использования растительного сырья.
Методы переработки семян Pinus sibirica
Семена Pinus sibirica с давних времен привлекали внимание местное население Сибири из - за высокой питательности. Однако их использование не поднималось выше народных средств.
Промышленное производство масла из семян началось совсем недавно. Первоначально, кедровое масло получали методом прессования. Однако, при этом в семенах остается до 50 % кедрового масла. Поэтому широкое распространение получил метод экстракции растительного масла органическими растворителями.
Методом прессования или экстракцией органическими растворителями получают вытяжку липидов - кедровое масло. Общая характеристика кедрового масла полученного методом прессования, а также его жирнокислотный состав наиболее полно изучены В.В. Лизуновой, СВ. Нетупской, А.П. Пентеговым [1-5]. Так было установлено, что кедровое масло имеет приятный вкус, слабый ореховый запах и светло-янтарный цвет. Температура застывания кедрового масла полученного прессованием - от минус 19.5 до минус 21.0 С. При повышении температуры до 160 С масло темнеет. Уникален жирнокислотный состав кедрового масла. На долю линолевой кислоты приходиться 58.74 %, олеиновой - 11.33 %, линоленовой - 24.64 %. По количеству линолевой и линоленовой кислоты кедровое масло выделяется среди других растительных масел. Средняя сумма их в масле составляет 80 % [2].
Одной из важнейших характеристик масел является йодное число, отражающее степень высыхания масла. По этому показателю кедровое масло относят к высыхающим маслам, ибо йодное число его достигает 150-158.
Сократить потери липидов возможно при получении масла методом экстракции органическими растворителями [7]. Кедровое масло из семян Pinus sibirica выделяют экстракцией гексаном, диэтиловым эфиром, бензином. После экстракции экстрагент удаляют из экстракта и регенерируют. Главными достоинствами этого метода являются: возможность использования семян вместе со скорлупой, регенерация экстрагента, увеличение выхода товарного продукта.
Послеэкстракционный остаток (шрот) характеризуется высокой пищевой ценностью, так как в его состав входит до 50 % белка и 40 % углеводов, 20 % из которых составляет крахмал. Послеэкстракционный остаток может быть использован в качестве белково - углеводной добавки при приготовлении кондитерских изделий [7].
При заготовке и переработки семян в качестве отходов остается скорлупа, составляющая 51-59 % от всех массы ореха и обрушенная шишка, которые необходимо утилизировать. В настоящий момент предложены технологии утилизации скорлупы. В основу всех методов переработки скорлупы положены: - делигинфикация скорлупы семян Pinus sibirica [6]; - термокаталитическое окисление скорлупы [6]; - пиролиз скорлупы [66]. Эти методы позволяют получать целлюлозу, ряд ароматических альдегидов и их кислот, например таких как п-оксибензальдегид, ванилин, метилванилин, которые, в свою очередь, могут являться сырьем для получения различных лекарственных препаратов, таких как бисептол и его аналоги, активные угли и жидкие продукты пиролиза, которые являются исходным сырьем для получения уксусной кислоты, ацетона, метанола [66]. Кроме того, в последние время на рынке лекарственных препаратов и пищевых продуктов появилось огромное количество лекарств на основе природного растительного сырья [66]. Такие препараты содержат вытяжки биологически активных веществ растений. В эликсирах «Кедровит», «Алтайский», «Демидовский», «Эвалар», в качестве биологически активной добавки используется этанольный экстракт полученный из семян сосны сибирской. В экстрактах содержатся липиды, аминокислоты, витамин Е, полифенольные вещества [67]. Химический состав шишки сосны сибирской менее изучен и поэтому способы ее переработки отсутствуют. Исходя из вышеизложенного, следует, что отходы заготовки и переработки семян сосны сибирской используются недостаточно, вследствие отсутствия комплексной технологии ее переработки. Создание такой технологии позволит выпускать высококачественные продукты и расширить ассортимент продуктов на основе отходов переработки семян сосны сибирской и решить вопрос их комплексной переработки. Основным методом получения биологически активных веществ является экстракция. Экстракты, полученные из растительной ткани, представляют сложный комплекс веществ различных классов: кислот, спиртов, углеводородов, альдегидов, эфиров, фенолов и т. д. Для изучения состава экстрактов используют различные аналитические методы анализа: газовую, жидкостную, колоночную, бумажную и тонкослойную хроматографии, спектральные, фотокалориметрические, титриметрические [68 - 87]. Анализ экстракта начинают с определения физико-химических свойств и органолептических свойств. Далее экстракты разделяют на отдельные группы и классы соединений. Для их исследования нашли широкое применение высокоэффективная жидкостная хроматография, хромато-масс-спектрометрия [76 - 77]. Для идентификации фенольных соединений и углеводов используется бумажная хроматография [78]. Так, для изучения свойств и структуры фенольных компонентов коры кедра С.Я. Долгодворова, Р.А. Степень, Г.И. Перышкина использовали бумажную хроматографию [49]. Им удалось идентифицировать (+)-катехин, пирокатеховую и ванилиновую кислоту. Для изучения группового состава липидов широко используют колоночную хроматографию. Пропуская через слой силикагеля с исследуемым образцом последовательно хлороформ, ацетон и изопропиловый спирт можно разделить липиды на различные группы: нейтральные, гликолипиды и фософлипиды.
Методы исследования химического состава семян и шишек Pinus sibirica
Общую липидную фракцию извлекали из анализируемых растительных тканей по методу Блайя и Дайера смесью растворителей хлороформ-изопропиловый спирт в соотношении 1:2 по объему [112]. Очистку липидов от нелипидных примесей проводили гель-фильтрацией через колонку с сефадексом Г-25 [113]. Очищенный экстракт суммарных липидов упаривали под вакуумом при температуре не выше 40С. Количество полученного экстракта определяли гравиметрически и использовали далее для выделения глико-, фосфолипидов, стеринов и их эфиров, ацилглицеролов.
Выделение нейтральных, глико- и фосфолипидов из суммарной фракции липидов проводили методом адсорбционной колоночной хроматографии. Для этого использовали хроматографическую колонку длиной 1200 мм и диаметром 30 мм. В качестве адсорбента применяли силикагель марки КСК Воскресенского химкомбината зернением 200-325 меш. Силикагель перед употреблением очищали от солей железа, активировали в течение 8 часов при 120С и использовали для заполнения колонки.
Заполнение колонки проводили силикагелем в виде суспензии, исходя из соотношения 15 г силикагеля в 30-50 мл хлороформа. После равномерного оседания адсорбента его дважды промывали хлороформом в объеме, равном объему колонки. Совместив уровень растворителя с верхней границей адсорбента, вносили пробу суммарных липидов (навеска 200 мг в 5 мл хлороформа). Отношение массы силикагеля к массе экстрактивных веществ равно 75:1. При скорости элюирования примерно 3 мл/мин колонку промывали последовательно 525 мл хлороформа, 2000 мл ацетона и 525 мл изопропанола. Указанными растворителями последовательно вымываются вещества нейтрального характера, гликолипиды и фосфолипиды. Полученные экстракты упаривали под вакуумом при температуре не более 40С. Полученные экстракты нейтральных, глико- и фосфолипидов использовали для установления их состава.
Растительные ацилглицеролы имеют сложный состав и представляют собой смесь веществ, близких друг к другу по физическим и химическим свойствам. Ацилглицеролы выделяют из растительных тканей в виде смеси суммарных липидов. в состав которых входит большое число различных типов соединений. Сюда относятся сложные эфиры, свободные кислоты, простые эфиры, спирты, альдегиды, Для фракционирования этих смесей на отдельные классы и выделения из них ацилглицеролов служит метод адсорбционной хроматографии, в частности тонкослойной. Хорошее разделение было достигнуто при использовании системы растворителей: гексан - диэтиловый эфир- уксусная кислота 85:15:1. В этой системе различные классы соединений разделяются по полярности в следующем порядке: углеводороды, эфиры стеринов, триацилглицеролы, свободные жирные кислоты, стерины, диацилглицеролы, стерины. моноацилглицеролы. Полярные липиды остаются на старте. После выделения моно-, ди- и триацилглицеролов из смеси липидов приступают к разделению их на отдельные компоненты и установлению состава.
Позиционно - типовой и позиционно-видовой составы триацилглицеролов устанавливали методом ферментативного гидролиза [112 -114].
Для разделения и анализа полярных липидов предложено много методов, включая фракционирование по растворимости в различных растворителях, колоночную хроматографию, тонкослойную хроматографию (ТСХ) и высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ).
При выделении чистых фракций полярных липидов, как предварительную ступень процесса разделения суммы липидов обычно применяют хроматографию на колонке с соответствующим адсорбентом. Как показала практика, наиболее часто применяется адсорбционная колоночная хроматография на силикагеле. Для аналитического или препаративного разделения полярных липидов на индивидуальные соединения обычно используют ТСХ. Методики препаративной и аналитической ТСХ обычно аналогичны. Главное различие заключается в использовании для препаративной ТСХ толстых слоев силикагеля. В каждом конкретном случае для разделения полярных липидов предварительно подбирают оптимальную систему растворителей.
Поскольку фосфо- и гликолипиды являются полярными соединениями, для элюирования и разделения их на слоях силикагеля необходим полярный растворитель. Наиболее часто используется смесь хлороформ - метанол - вода с различными соотношениями компонентов, хлороформ - метанол - 20 % аммиак (65:35:5) и хлороформ - метанол - уксусная кислота вода (65:20:10:3), а для десорбции фосфо- и гликолипидов с пластинок использовали систему хлороформ-метанол-вода [113].
Для разделения фосфо- и гликолипицов на слоях силикагеля был предложен новый состав системы растворителей ацетон-бензол-вода (91:30:80), причем система дает четкое фракционирование полярных липидов даже в присутствии пигментов.[112].
Идентификацию фосфо- и гликолипидов, разделенных методом ТСХ, проводят на основании сравнения хроматографической подвижности исследуемых веществ и модельных препаратов, по литературным данным о величине Rf в конкретных системах, а также по цветным реакциям и спектральным характеристикам. При идентификации полярных липидов сложного строения пользуются данными химического анализа водо- и липорастворимых фрагментов молекул, выделенных после проведения жесткого кислотного гидролиза.
Достаточно точно идентифицировать полярные липиды можно с помощью специфических окрашенных реактивов, взаимодействующих с определенными структурными группировками молекулы [112]. При идентификации полярных липидов необходимы данные физико-химических методов анализа, таких как инфракрасная спектроскопия (ИКС), ультрафиолетовая спектрометрия (УФ), масс-спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Химический состав шишек Pinus sibirica в постэмбриональной стадии развития
Применение биологически активных веществ из растительного сырья в косметике, парфюмерии и медицине возлагает дополнительные требования к качеству препаратов. Анализ литературных источников показал, что в парфюмерно - косметической и медицинской промышленности в качестве экстрагента предпочитают этанол, воду, растительные масла. Для извлечения таннидов широко используют растворы щелочей различной концентрации. Однако, экстракты, ее полученные таким способом, необходимо нейтрализовать.
По степени гидрофильности вещества, извлекаемые из лекарственно-технического сырья, делятся на гидрофильные, гидрофобные и смешанные. Выбор экстрагента для извлечения веществ зависит от степени его гидрофильности.
Использование-водно-спиртовых смесей в настоящее время при производстве растительных экстрактов дает возможность экстрагировать широкий круг веществ. Однако, смеси растворителей, содержащих спирт, экстрагируют помимо целевых компонентов балластные, снижающие качество вырабатываемых экстрактов. Кроме того, при получении спиртовых экстрактов растительное сырье подвергается иногда высоким температурным воздействиям, что отрицательно сказывается на сохранении термолабильных веществ.
Этиловый спирт различной концентрации дает возможность экстрагировать кроме полифенольных соединений также витамины, пигменты и другие биологически активные вещества. Поэтому, предпочтение для извлечения полифенольных соединений остается за использованием этанола. Вещества, обуславливающие запах, по своей химической природе хорошо растворяются в неполярных растворителях, поэтому наиболее перспективным для извлечения ароматических веществ должен быть астворитель с низкой температурой кипения. Среди сжиженных газов наиболее подходящим экстрагентом является сжиженная углекислота, которая разрешена к применению в пищевой промышленности. В химическом отношении сжиженный СОг -прочное и инертное вещество, проявляющее полную химическую индифферентность по отношению к перерабатываемому сырью, извлекаемым веществам и конструкционным материалам аппаратуры. Процесс экстракции сжиженной углекислотой проводится под большим статическим давлением, что важно в технологическом отношении, т.к. при снятии давления уже при нормальной температуре экстрагент легко и быстро улетучивается из извлеченного и отработанного сырья. В результате остается сумма экстрактивных веществ, не нуждающаяся в какой-либо дополнительной обработке. Процесс экстракции и удаление сжиженных газов из мисцеллы можно проводить при температуре 18-20С, что сохраняет в экстракте термолабильные и легколетучие вещества, позволяет перевести в экстракт из растительного сырья биологически активные и ароматические вещества без изменений, сохранив полноту аромата исходного сырья. Сжиженная углекислота обладает определенными физико-термодинамическими свойствами, которые позволяют вводить в технологический процесс фазу селективной экстракции. Диоксид углерода является нетоксичным сжижженным газом, применение которого как экстрагента исключает полное удаление остатков растворителя и необходимость контроля готового продукта на содержание растворителя. Кроме того, некоторая примесь двуокиси углерода в готовых продуктах оказывает консервирующее действие на лабильные вещества, препятствует прогорканию жиров, повышает срок хранения готовых экстрактов. Вязкость и поверхностное натяжение сжиженной СОг ниже, чем у традиционных растворителей, что способствуют интенсивному массообмену. Использование углекислотной экстракции для экстрагирования шишки сосны сибирской позволяет выделить эфирные масла, липиды, пигменты. После выделения экстрактивных веществ из шишки остается послеэкстракционный остаток, который может быть утилизирован биоконверсией. Для этой цели успешно применяют гриб Pleurotus ostreatus. Обработка остатка позволяет повысить содержание белка и разрушить лигноуглеводный комплекс шрота. Остаток может быть использован в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных. Таким образом, предложенная схема переработки шишки и семян сосны сибирской включает экстракцию этанолом скорлупы семян сосны сибирской, а шишек - углекислотную экстракцию. Остаток подвергают биоконверсии дереворазрушающим грибом Pleurotus ostreatus. Принципиальная схема переработки шишки представлена в главе 4.
Утилизацию послеэкстракционных остатков осуществляли микробиологическим методом, используя дереворазрушающий гриб Pleurotus ostreatus. Измельченный шрот массой 10 г помещали в колбу емкостью 500 мл, добавляли питательную среду следующего состава: NH4N03 - 1,5 г/л, КН2Р041,0 г/л, MgS04 0,5 г/л, FeS04 0,0001 г/л, KCI 0,5 г/л, жидкостный модуль - 5. Стерилизацию проводили острым паром в течение 1 часа. Культивирование гриба осуществляли при рН среды 4,5 в термостатах при температуре 26 - 28 С на колбах при 1 - 1,5 см толщине слоя субстрата.. Послеэкстракционные остатки обрабатывали грибом в течение 20 суток. В послеэкстракционном остатке древесной зелени сосны обыкновенной определяли содержание лигниновых веществ, легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, протеина, зольных веществ и перевариваемость по методикам [137,138].
Утилизация послеэкстракционных остатков шишки и семян Pinus sibirica R.Mayr
Исследован состав ядер семян сосны сибирской. Основной группой липидов являются нейтральные липиды, а доминирующей кислотой является линолевая кислота 42,84 % - 45,86 %. Преобладающей группой ацилглицеролов являются триацилглицеролы - 92,10 % к сумме всех ацилглицеролов. Основная масса триацилглицеролов представлена соединениями UUU - типов (U - ацилы непредельных кислот, S - ацилы предельных кислот). Основными молекулярными формами триацилглицеролов являются: ЛЛЛ (28,90 %), ЛеЛЛ (8,51 %),ЛЛО (5,33%).
Изучены групповой, аминокислотный состав белковых веществ семян сосны сибирской и свободных аминокислот в ходе онтогенеза. Белки ядра семян состоят из наиболее легкоусвояемых альбуминов - 48,43 % и глобулинов - 48,00 % от общего количества содержащихся в ядре белков. Среди аминокислот количественно преобладает аргинин - 20,98 % и глутаминовая кислота - 23,12 % .
Определен химический состав скорлупы семян сосны сибирской. В процессе созревания семян в скорлупе происходит увеличение содержания полифенольных соединений до 6,20 % и лигниновых веществ. Основную массу полифенолов скорлупы семян 4,60 % составляют танниды.
Переработка шишки Pinus sibirica R. Mayr Проведенные исследования химического состава шишки сосны сибирской показывают, что отходы заготовки и переработки семян сосны сибирской (обрушенная шишка и скорлупа) могут быть использованы в качестве сырья для получения экстрактов, содержащих биологически активные вещества.
Экстракция является одним из основных технологических процессов и на сегодняшний день это самый распространенный способ переработки растительного сырья. Для производства экстрактов используют растворители различной полярности, которые должны иметь следующие свойства: - быть избирательными по отношению к целевым компонентам; - легко отгоняться от мисцеллы: - растворитель должен быть нетоксичным, химически инертным, пожаровзрывобезопастным; - экономически выгодным. В качестве экстрагента широко стали применять водные растворы этилового спирта различной концентрации. Используя данный экстрагент, возможно выделить большое количество биологически активных веществ [68 - 75]. В промышленности используют различные методы экстрагирования растительного сырья. Традиционными считают метод настаивания и режим мацерации [70 - 75]. В качестве сырья при получении экстрактов главным образом используют древесную зелень, кору, семена растений. Влияние технологических параметров процесса экстракции растительного сырья различными растворителями описано в работах [118 -123]. К этим факторам относятся: - степень измельчения сырья; - полярность растворителя; - температура; - конструкция экстрактора; - влажность сырья. Для установления оптимальных условий процесса экстракции сырья необходимо в каждом конкретном случае исследовать экстракционный процесс и влияние на него технологических факторов и экстрагента. Предварительная подготовка сырья имеет важное значение при проведении экстракции.. От нее зависит скорость экстракции и фильтрации мисцеллы, полнота извлечения экстрактивных веществ, качество экстракта. Способ и степень измельчения сырья оказывает непосредственное влияние на скорость процесса экстракции. Основная задача измельчения сводится к разрушению структуры растительного сырья. В зависимости от полярности экстрагента и типа используемого экстрактора размер частиц сырья может варьировать в широких пределах от 1 до 10 мм [123, 124]. Полярность растворителя оказывает существенное влияние на выход биологически активных веществ [125, 126]. При использовании органических растворителей из растительного сырья извлекаются жирорастворимые витамины, липиды, полифенольные соединения и другие группы веществ. Использование этилового спирта различной концентрации позволяет расширить компонентный состав экстрактов за счет водорастворимых веществ [127, 128]. Большое влияние на процесс экстракции оказывает и температура. Как известно, с повышением температуры уменьшается вязкость экстрагируемой жидкости, что приводит к улучшению гидродинамических условий процесса. При этом растворитель легче проникает в поры растительного материала. Кроме того, с повышением температуры усиливается тепловое движение молекул, за счет чего возрастают коэффициенты диффузии внутри растительного материала и экстрагента. Однако, при извлечении биологически активных веществ из растительного сырья нагрев должен быть ограничен во избежании их окисления и деструкции. Влажность сырья также влияет на количественный выход экстракта. Повышенная влажность приводит к увеличению содержания водорастворимых компонентов в экстракте, тем самым, изменяя состав полученных продуктов.
С учетом вышеизложенного было проведено исследование процесса экстракции скорлупы семян Pinus sibirica этиловым спиртом различной концентрации.
На предварительных этапах работы, устанавливали факторы, влияющие на выход экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской. На рисунке 4.1 представлена зависимость выхода суммарных экстрактивных и отдельных групп фенольных соединений от продолжительности экстракции этанолом. Экстракцию проводили этиловым спиртом 94 % концентрации при температуре кипения 78 С.
Похожие диссертации на Химический состав шишек Pinus Sibirica R. Mayr
