Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Химические продукты из коры пихты и лиственницы 9
1.1. Экстрактивные вещества коры хвойных пород деревьев 9
1.2. Экстрактивные вещества автогидролизованной коры лиственницы и пихты 27
1.2.1. Используемые методы выделения и анализа экстрактивных веществ коры 27
1.2.2. Выделение и изучение химического состава экстрактов пихтовой коры 28
1.2.3. Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ коры лиственницы и пихты 35
1.2.4. Химический состав автогидролизованной коры лиственницы и пихты 46
1.2.5. Влияние хлорида аммония на выход экстрактивных веществ коры пихты и лиственницы 49
1.2.6. Химический состав автогидролизованной в присутствии хлорида аммония коры лиственницы и пихты 57
1.3. Превращения флавоноидов коры пихты и лиственницы в антоцианидиновые соединения 59
1.3.1. Методы выделения антоцианидиновых соединений из растительного сырья 59
1.3.2. Изучение процесса выделения антоцианидинхлоридов из коры пихты и лиственницы 67
1.3.3. Кинетика превращения флавоноидов коры пихты и лиственницы в антоцианидиновые соединения 77 '
1.3.4. Идентификация состава антоцианидинхлоридов, выделенных из коры пихты и лиственницы 82
1.3.5. Модификация антоцианидиновых красителей коры пихты и лиственницы пировиноградной кислотой 95
1.4. Комплексная переработка коры пихты 102
1.4.1. Выделение и химический состав пихтового масла и пихтового бальзама 102
1.4.2. Получение активных углей из остатков экстракционной переработки коры пихты 112
1.4.3. Принципиальная схема комплексной переработки пихтовой коры 117
1.5. Комплексная переработка коры лиственницы 121
1.5.1. Получение активных углей из остатков экстракционной переработки коры лиственницы 121
1.5.2. Принципиальная схема комплексной переработки коры лиственницы 128
1.6. Заключение к главе 1 132
Глава 2. Химические продукты из коры осины 135
2.1. Выделение и химический состав экстрактивных веществ коры осины 135
2.2. Состав экстрактивных веществ автогидролизованной коры осины 148
2.3. Комплексная переработка коры осины 154
2.4. Заключение к главе 2 156
Глава 3. Химические продукты из коры березы 158
3.1. Экстрактивные вещества коры березы 158
3.2. Состав и методы выделения экстрактивных веществ из коры березы 160
3.3. Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ комлевой коры березы 165
3.4. Экстрактивные вещества автогидролизованной бересты 178
3.4.1. Методы переработки бересты в бетулин и субериновые кислоты 178
3.4.2. Выделение бетулина и суберина из бересты 187
3.4.3. Влияние условий автогидролиза бересты на выход бетулина и суберина 193
3.4.4. Влияние щелочи на выход бетулина и суберина из автогидролизованной бересты 199
3.5. Синтез производных бетулина 203
3.5.1. Основные способы синтеза бетулиновой кислоты из бетулина 203
3.5.2. Усовершенствованной способ синтеза бетулиновой кислоты 209
3.5.3. Синтез биологически активных производных бетулиновой кислоты 218
3.5.3.1. Производные бетулиновой кислоты с алифатическими аминами 222
3.5.3.2. Аминокислотные производные бетулиновой кислоты 230
3.6. Переработка луба березовой коры 237
3.6.1. Выделение и состав экстрактивных веществ внутреннего слоя коры березы (луба) 237
3.6.2. Оптимизация процесса выделения дубильных веществ из луба коры березы 240
3.6.3. Выделение и химический состав антоцианидинового красителя из луба коры березы 248
3.6.4. Комплексная переработка коры березы 255
3.7. Заключение к главе 3 259
Выводы 262
Список литературы 264
- Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ коры лиственницы и пихты
- Идентификация состава антоцианидинхлоридов, выделенных из коры пихты и лиственницы
- Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ комлевой коры березы
- Выделение и химический состав антоцианидинового красителя из луба коры березы
Введение к работе
При переработке древесины образуются огромные количества древесных отходов, значительная часть которых представлена древесной корой. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса России скапливаются в отвалах десятки миллионов тонн коры, что создает серьезную опасность для окружающей среды.
Наиболее распространенным способом утилизации древесной коры является ее сжигание, хотя по своему химическому составу кора хвойных и лиственных пород деревьев представляет собой ценный и практически неисчерпаемый источник сырья для получения многих продуктов, востребованных фармацевтической, косметической, пищевой и другими отраслями производства [1].
Традиционные способы экстракционной переработки некоторых видов коры позволяют получить только ограниченный набор целевых продуктов, в основном представленных дубильными веществами.
Актуальные направления исследований в создании новых подходов к утилизации древесной коры связаны с интенсификацией процессов выделения ценных экстрактивных веществ и с комплексной переработкой коры в ассортимент биологически активных, дубильных, красящих и прочих ценных продуктов.
В диссертационной работе обобщены выполненные автором исследования по развитию новых подходов к комплексной переработке коры хвойных и лиственных пород деревьев, основанных на процессах ее активации взрывным автогидролизом и последующих превращений автогидролизованной коры.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХХТ СО РАН и ИХПОС СО РАН по программам фундаментальных исследований СО РАН «Новые процессы углубленной комплексной переработки минерального и вторичного сырья, нефти, угля, древесины», «Переработка ископаемых углей и возобновляемого растительного сырья,
а также в рамках Государственных научно-технических программ «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» (направление 5 «Новые технологии лесохимических продуктов и биологически активных веществ растительного сырья»), «Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы химии и химической технологии» (направление 4 «Катализаторы нового поколения и высокоэффективные процессы на их основе»), а также в рамках ФЦП «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» (грант № 217), ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» (госконтракт № 43.044.1 1.2638).
Цель исследования - создание новых подходов к комплексной переработке коры хвойных (пихта, лиственница) и лиственных (осина, береза) пород деревьев в ценные продукты, основанных на процессах ее активации в условиях взрывного автогидролиза и последующих превращений автогидролизованной коры.
В работе были поставлены следующие задачи:
установление закономерностей изменения химического состава коры пихты, лиственницы, осины и березы в процессе активации в условиях взрывного автогидролиза и изучение состава выделенных экстрактов;
подбор условий взрывного автогидролиза и экстракции коры, обеспечивающих максимальный выход ценных экстрактивных веществ;
установление закономерностей кислотно-каталитических превращений полифенолов коры пихты и лиственницы в антоцианидиновые вещества;
разработка новых эффективных способов выделения дубильных веществ и антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы, бетулина, суберина и полифенолов из коры березы, синтеза производных бетулина;
разработка новых методов комплексной переработки коры пихты, лиственницы, осины и березы в ассортимент востребованных химических продуктов.
Впервые предложено использовать метод взрывного автогидролиза для интенсификации процессов экстракции древесной коры и повышения выхода экстрактивных веществ, извлекаемых из автогидролизованной древесной коры различными растворителями.
Впервые установлены основные закономерности процессов экстракции автогидролизованной коры пихты, лиственницы, осины и березы растворителями различной полярности.
Осуществлен подбор оптимальных режимов активации древесной коры взрывным автогидролизом и условий последующей экстракции, обеспечивающих максимальный выход дубильных веществ из коры пихты и лиственницы, свободных жирных кислот из осиновой коры, бетулина и суберина из бересты, дубильных веществ из луба березовой коры.
Впервые установлены основные закономерности кислотно-каталитических превращений флавоноидов коры пихты, лиственницы и березы в антоцианиди-новые соединения. Определены кинетические параметры процесса превращений флавоноидов коры в антоцианидины в среде этилового спирта в присутствии соляной кислоты. С использованием методов хроматографии, ИК- и УФ-спектроскопии и хромато-масс-спектрометрии установлен химический состав ан-тоцианидиновых соединений, выделенных из коры пихты, лиственницы и березы.
Предложены новые подходы к комплексной переработке коры пихты, лиственницы, осины и березы в ассортимент ценных химических продуктов, основанные на активации коры в условиях взрывного автогидролиза.
Разработаны новые, более эффективные, чем известные, способы выделения дубильных веществ и антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы.
Разработаны новые эффективные способы выделения бетулина и суберина из березовой коры, окисления бетулина в бетулиновую кислоту и синтеза ее новых амидных производных.
Предложены новые процессы комплексной переработки хвойной коры (пихта и лиственница) в пихтовое масло, хвойный бальзам, дубители, красители, углеродные сорбенты, комплексной переработки коры осины в F-витаминные и кормовые добавки и удобрения, коры березы в бетулин, субериновые вещества, полифенолы и сорбенты. Осуществлен подбор условий проведения процессов комплексной переработки указанных видов коры, обеспечивающих высокий выход целевых продуктов. На пилотной установке отработана технология получения бетулина из березовой коры и наработана опытная партия бетулина.
Основные положения, выносимые на защиту:
закономерности процессов экстракции автогидролизованной коры хвойных (пихта, лиственница) и лиственных (осина, береза) пород деревьев растворителями различной полярности и сведения о выходе и составе экстрактивных веществ.
закономерности кислотно-каталитических превращений флавоноидов коры пихты, лиственницы и березы в антоцианидиновые вещества и сведения о химическом составе индивидуальных антоцианидинхлоридов.
новые способы выделения из древесной коры дубильных веществ, красителей, бетулина и субериновых кислот, синтеза производных бетулина.
новые методы комплексной переработке коры пихты, лиственницы, осины и березы в ценные химические продукты.
Авторы выражают глубокую признательность всем соавторам публика- / ций, на основе которых написана настоящая диссертация, за неоценимую помощь и поддержку в работе.
Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ коры лиственницы и пихты
Большое внимание уделялось исследованию процессов водно-щелочной и щелочной экстракции коры различных пород, например коры дугласовой пихты, ели, сосны [78-80]. При обработке коры сосны 3% NaOH при 20С и последующей нейтрализации разбавленной серной кислотой выделяли фракцию фе-нолокислот, содержащую в качестве примеси 5% углеводов [81].
Ряд работ [82-84] посвящен исследованию состава спиртощелочных экстрактов коры лиственницы сибирской. В них показано, что при спиртощелоч-ной экстракции коры лиственницы выход дубильных веществ увеличивается за счет соединений, содержащихся в коре в связанном состоянии, но способных перейти в раствор под действием щелочных деполимеризующих экстрагентов. В работе [83] изучен групповой и химический состав спиртощелочных экстрактов коры лиственницы. Показано, что они идентичны таннидам водного экстракта коры лиственницы (товарный дубильный экстракт), имеют высокую (до 44,0%) доброкачественность и также способны взаимодействовать с гольевым порошком. В этой работе [83] описаны ИК-спектры изученных экстрактов и выявлен ряд полос поглощения, характерных для природных дубильных веществ.
Полученные из коры хвойных пород древесины дубильные экстракты имеют доброкачественность 40-45% для ее повышения используют различные методы модификации. В работах [84-89] предложен двухстадийный способ модификации спирто-щелочного экстракта коры лиственницы сибирской с целью повышения его доброкачественности с 50 до 61%. Этот метод предусматривает добавку к дубильному экстракту сульфита натрия и формальдегида. На первой стадии к дубильному экстракту добавляется сульфит натрия (в количестве 0,1% в расчете на сухой вес экстракта), при этом доброкачественность повышается до 61%. Затем на второй стадии к полученной смеси добавляется формальдегид (в количестве 0,1% в расчете на сухой вес экстракта). Авторы обсуждаемых работ объясняют повышение доброкачественности тем, что лиственничный дубильный экстракт содержит значительное количество нерастворимых веществ, которые частично или полностью растворяются в процессе сульфитирования. На второй стадии - при прибавлении формальдегида происходит конденсация низкомолекулярных соединений фенольного комплекса экстракта с формальдегидом. В результате происходит увеличение количества веществ, обладающих дубящей способностью.
Для повышения доброкачественности дубильных экстрактов, получаемых из коры хвойных пород древесины, в работах [90-97] предложен метод ультрафильтрации, предусматривающий использование мембран пленочного типа УАМ и полых волокон ВПУ-15. Это позволяет повысить доброкачественность дубильного экстракта до 67,0 - 94,6%.
В целом, рассмотренные методы интенсификации процессов экстракции либо не обеспечивают высокой степени извлечения экстрактивных веществ, либо являются достаточно сложными. Поэтому актуальны работы по поиску нетрадиционных методов предварительной обработки (активации) древесного сырья, позволяющие достичь более полного извлечения ценных классов экстрактивных веществ (таннидов, стеринов, терпенов, высших жирных кислот и др.) и индивидуальных соединений (кверцетин и дигидрокверцетин).
Перспективным методом активации древесины является т.н. «взрывной» автогидролиз (паровой взрыв, неизобарный предгидролиз и т.п.) [98-102]. Этот метод впервые был осуществлен в 30-х годах в США Мейсоном (процесс Ме-зонита) [103, 104] и применяется для производства древесно-волокнистых плит и древесных пластиков [105-107]. В настоящее время процесс взрывного автогидролиза (или неизобарного предгидролиза) интенсивно исследуется во многих странах мира с целью создания комплексной технологии безотходной переработки древесины [108-115]. В ходе процесса древесное сырье подвергается кратковременной обработке насыщенным водяным паром. Так как полисахариды гемицеллюлоз древесины частично ацетилированы, то при повышенной температуре протекают реакции деацетилирования с образованием уксусной кислоты (до 6% от массы абсолютно сухой древесины) [116]. При распаде Сахаров генерируется муравьиная кислота. Хотя количество муравьиной кислоты составляет доли процента, ее вклад в гидролиз углеводов весом, так как константа диссоциации Кнсоон в воде на порядок выше КСцзсоон- Эти органические кислоты способствуют разрыву некоторых слабых связей в матрице древесной биомассы, являясь катализаторами реакций кислотного гидролиза. В то же время в результате резкого сброса давления происходит механическое разрыхление древесной щепы в процессе активации.
Активация древесного сырья в условиях взрывного автогидролиза облегчает разделение основных компонентов древесины - целлюлозы и лигнина. До сих пор этот метод активации изучался применительно к древесине, соломе, сахарному тростнику и т.п. До проведения настоящих исследований в литературе отсутствовали сведения об использовании этого метода для активации древесной коры. Однако, можно ожидать, что предварительная активация коры в условиях взрывного автогидролиза будет способствовать повышению степени извлечения экстрактивных веществ коры.
Проведенный обзор литературных данных показал, что выделению и изучению экстрактивных веществ коры хвойных пород древесины посвящено значительное количество научных работ. Однако, выпуск товарных продуктов из коры ограничивается лишь получением незначительного количества дубильного экстракта из коры лиственницы. Существующее положение объясняется отсутствием комплексной, безотходной и экономически выгодной технологии переработки коры. Проблеме безотходной комплексной переработки возобновляемого растительного сырья, в том числе и коры, в последнее время уделяется повышенное внимание. Это в первую очередь связано с решением экологических проблем, а так же с тем, что растительное сырье и отходы его переработки являются источником для получения различных классов ценных, биологически активных веществ для пищевой, медицинской, парфюмерно-косметической и других отраслей промышленности.
Идентификация состава антоцианидинхлоридов, выделенных из коры пихты и лиственницы
В обзоре [129], посвященном теоретическим и прикладным аспектам метода взрывного автогидролиза растительной биомассы, рассмотрены различные его модификации. Различия существующих разновидностей взрывного автогидролиза связаны с применением разных добавок, без которых трудно сохранить достаточно высокую степень полимеризации целлюлозы при одновременной глубокой деструкции лигнина. В качестве таких добавок используют 2-нафтол, резорцинол, п-гидроксибензойную кислоту, не исклю- л чено применение типичные катализаторов - солей типа кислот Льюиса. Ми- , неральные кислоты - серная и другие, наиболее часто используются для гидролиза целлюлозы с целью получения из древесины и соломы кормов, обогащенных сахаристыми веществами [130].
Использование минеральных кислот в процессе активации коры нежелательно, поскольку в получаемом из нее дубильном экстракте будет повышенное содержание Сахаров, что в силу их легкой сбраживаемости резко снижает качество дубильного экстракта.
Известно, что многие фенольные вещества в растительном сырье, в том числе, и в коре содержатся как в свободном, так и в связанном состоянии [131]. Вещества, находящиеся в коре в свободном состоянии, достаточно легко извлекаются различными растворителями. Степень их извлечения зависит от природы растворителя, продолжительности и условий экстракции (время, температура, гидромодуль) и размера частиц экстрагируемого материала. Для извлечения веществ, находящихся в коре в связанном состоянии, необходимо частично или полностью провести гидролиз лигноуглеводного комплекса растительного материала.
Эффективными добавками, сохраняющими достаточно высокую степень полимеризации целлюлозы при одновременной деструкции лигнина, являются некоторые соли: FeCl3, ZnCb, А1С13, NH4C1 и т.д., взятые в концентрациях 0,1 - 1,0% [132].
Как показано в разделах 1.2.2 и 1.2.3, кратковременная обработка коры пихты и лиственницы в условиях взрывного автогидролиза приводит к увеличению выхода дубильных веществ и снижению легкогидролизуемых полисахаридов. Катализаторами гидролиза в этом процессе выступают уксусная и муравьиная кислоты. Источником уксусной кислоты являются ацетильные группы гемицеллюлоз, муравьиная генерируется при распаде Сахаров. Интенсивность процесса гидролиза растительной биомассы можно существенно повысить добавками минеральных кислот. Однако известно, что добавка серной кислоты от 0,1 до 1,0 % приводит к г зкому_гидролизу целлюлозы с к образованием глюкозы (процесс осахаривания) [129], а это нежелательно, т.к. присутствие Сахаров резко снижает качество получаемого из коры дубильного экстракта.
Эффективными добавками в процессе взрывного автогидролиза древе- О сины могут быть кислые соли, водный гидролиз которых приводит к образованию кислот. Однако эффективность солей, в состав которых входят катионы металлов, применительно к коре резко падает вследствие высокого содержания в ней фенольных веществ. Перечисленные выше соли металлов при взаимодействии с дубильны ми веществами образуют нерастворимые комплексы. Соли этих металлов ис пользуются в кожевенном производстве для контроля качества дубителей. При взаимодействии с ними дубильные вещества выпадают в осадок [128]. Поэтому, на наш взгляд, наиболее приемлемой солью, которую предложено ис пользовать в процессе активации коры, является хлорид аммония. Хлорид аммо- / ния в воде полностью гидролизуется с образованием соляной кислоты и аммиака и дает кислую реакцию (рН = 5). Он также полностью разлагается на хлористый водород и аммиак при температуре выше 220-230 С в отсутствии воды. v Было изучено влияние хлорида аммония в процессе активации коры пихты и лиственницы водяным паром на выход экстрактивных веществ, извлекаемых из коры следующей группой растворителей: гексаном, этилацета-том, изопропиловым спиртом и водой [133]. Как следует из полученных данных, при продолжительности активации коры пихты до 60 с наблюдается резкий рост выхода экстрактивных веществ, извлекаемых изопропиловым спиртом и водой. Увеличение продолжительности активации до 90 с способствует увеличению выхода экстрактивных веществ, извлекаемых этилацетатом. Выход веществ, извлекаемых гексаном, в меньшей мере зависит от продолжительности активации.
Известно, что использование дробной экстракции, включающей последовательное применение экстрагентов различной природы, вместо традиционной позволяет во многих случаях повысить выход экстрактивных веществ из растительной биомассы. Общий выход экстрактивных веществ при последовательной экстракции активированной в присутствии хлорида аммония коры пихты гексаном, этилацетатом, изопропиловым спиртом и водой возрастает с 18,1% до 35,8% при продолжительности активации до 60 с. Увеличение продолжительности активации коры пихты приводит к уменьшению общего выхода экстрактивных веществ. Наиболее резко падает выход экстрактивных веществ, извлекаемых изопропиловым спиртом и водой (рисунок 9 Б).
На рисунках 10 А и Б приведены кривые зависимости выхода экстрактивных веществ от продолжительности активации коры лиственницы. Про-мотирующее действие хлорида аммония на гидролиз лигноуглеводного комплекса коры в процессе активации водяным паром для коры лиственницы проявляется в большей степени, чем для коры пихты. Очевидно это связано с особенностями анатомического строения коры лиственницы. Кора лиственницы имеет более развитую пористую структуру, по сравнению с корой пихты, что способствует более глубокому проникновению хлорида аммония во внутренние поры коры в процессе ее пропитки. Выход веществ, извлекаемых изопропиловым спиртом и водой из коры лиственницы, активированной в присутствии хлорида аммония, возрастает с 9,8% до 23,8% и с 7,7% до 20,0%, соответственно (рисунок 10), тогда как активация коры водяным паром в отсутствии хлорида аммония увеличивает выход экстрактивных веществ данными экстрагентами только до 18,5% и 13,2% соответственно [125].
Влияние условий автогидролиза на выход и состав экстрактивных веществ комлевой коры березы
Получению антоцианидиновых красителей из различных видов коры и изучению их химического состава посвящено ограниченное число публикаций. Так в работе [167], посвященной изучению леикоантоцианидинов коры березы повислой, последние окислялись в подкисленных спиртах до соответствующих антоцианидинов, по результатам изучения которых проводили идентификацию исходных леикоантоцианидинов. Процесс изучения бесцветных, легко окисляющихся, способных к конденсации и другим химическим превращениям леикоантоцианидинов после их перевода в окрашенные антоцианидины значительно упрощается. В работе [168], посвященной переработке биомассы лиственницы сибирской и даурской, говорится, что до настоящего времени совершенно не разработан вопрос о получении красителя из коры. Отмечено, что вещество, окрашивающее кору в красивый насыщенный красный цвет, легко выделяется по предлагаемой авторами схеме. Это антоцианидиновый краситель [169] аналоги которого, получаемые из других растительных источников, с успехом применяются в кондитерской промышленности в странах ближнего зарубежья [170]. Получение природного нетоксичного красителя актуально также и для других областей использования: мебельной, кожевенной промышленности и т.п.
Под антоцианидиновым красителем, получаемым из коры лиственницы при экстракции этилацетатом по предлагаемой авторами схеме [168], подразумевается сложная смесь моно-, би- и полифлавоноидов, а также извлекаемых попутно с ними фенокислот, леикоантоцианидинов, катехинов и т.п. соединений.
Проведенный анализ литературных данных показал, что наиболее изученной группой флавоноидных соединений являются антоцианидины. Причем значительное число исследований посвящено получению антоцианидинов из пищевого сырья (плодов, ягод, цветов и т.п.) и изучению их свойств. Это в первую очередь связано с тем, что антоцианидиновые соединения являются пищевыми красителями и широко применяются в различных областях пищевой промышленности. Цвет большинства натуральных продуктов: соков, вин, фруктовых напитков, джемов, компотов и т.п. обеспечивается присутствием в исходном сырье различных антоцианидинов [156].
В предложенной в работе [161] схеме комплексной переработке биомассы лиственницы показано, что антоцианидиновый краситель в смеси с фенокислотами и флавоноидами извлекается из коры лиственницы после ее предварительной экстракции гексаном. В рассматриваемой работе не указан ни общий выход этилацетатного экстракта, ни содержание в нем антоцианидинов.
Как показал анализ литературных данных, в различных видах растительного сырья, включая кору, содержатся многочисленные группы флаво-ноидных соединений. В растительном сырье флавоноиды содержатся как в виде бесцветных лейкоантоцианидинов, так и в связанном состоянии в виде глюкозидов. Получение антоцианидинов из растительного сырья возможно одновременно как путем гидролиза соответствующих глюкозидов, так и окислением бесцветных лейкоантоцианидинов [156]. В связи с этим, для их выделения используют метод экстракции в присутствии органических и минеральных кислот. Наибольшее предпочтение отдается минеральным кислотам: серной и соляной. Минеральные кислоты катализируют процесс гидро- / лиза антоцианов (глюкозидов) и одновременно окисляют вещества, находя- J щиеся в неокрашенной, так называемой лейкоформе.
В настоящее время достаточно подробно изучены условия и отработаны методы количественного определения антоцианидиновых красителей в плодоовощном сырье [156, 171, 172]. Самый распространенный метод получения антоцианидинов из плодоовощного сырья - гидролиз антоцианов (глюкозидов) 2 н соляной кислотой при 100С в течение 40 мин или 6 н соляной кислотой при той же температуре в течение нескольких минут. Однако, те же самые соединения могут быть получены при соответствующей обработке коры хвойных пород деревьев или дубильных экстрактов, получаемых из коры. В коре различных видов деревьев антоцианидиновые соединения могут содержаться как в свободном состоянии, так и включенном в лигноуглеводный комплекс коры. Так в коре лиственных пород деревьев, например, березы, основное количество лейкоантоцианидинов находится в свободном состоянии [167]. Лейкоантоцианидины коры березы анализируют, предварительно переведя их в соответствующие окрашенные антоцианидин-хлориды, при этом концентрация соляной кислоты составляет около 6-7%, а время выдержки 30 мин. В настоящее время недостаточно изучены процессы получения антоцианидиновых красителей из коры сибирских хвойных пород деревьев.
Общую массовую долю антоцианидинов, содержащихся в коре пихты и лиственницы, определяли следующим образом: в каждую из трех мерных колб объемом 50 мл вносили навеску коры 0,0500 г, предварительно проэкс-трагированную гексаном (обессмоленную), прибавляли 45 мл этилового спирта, 0,75 мл 33,3% соляной кислоты (что соответствует 0,5% раствору соляной кислоты в этиловом спирте). Затем мерные колбы доводили до метки этиловым спиртом, закрывали обратными холодильниками и нагревали в термостате при (75±0,2)С. По истечении заданного промежутка времени мерные колбы охлаждали до 20С с целью отделения дубильных веществ, раствор отфильтровывали через фильтр Шотта, заполненный полиамидным сорбентом (высота слоя сорбента составляла 2 см). Оптическую плотность измеряли на фотометре КФК-3 при 550 нм. Исходя из трех параллельных опытов рассчитывали среднее значение оптической плотности, а концентрацию антоцианидинхлоридов коры определяли по калибровочному графику. Проведена серия экспериментов при концентрации соляной кислоты 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0% и времени выдержки 1, 2, 3 и 4 ч.
Выделение и химический состав антоцианидинового красителя из луба коры березы
Природные антоцианидиновые пигменты растительного происхождения используются в качестве красных водорастворимых пищевых красителей [171]. Однако из-за невысокой стабильности окраски эти соединения не получают широкого распространения в пищевой и химико-фармацевтической промышленности. Причина низкой сохранности красного цвета красителей связана с молекулярной структурой антоцианов. Наличие в гетероциклической молекуле антоциана положительного заряда и гидроксильной группы фенольного типа обусловливает протекание реакций с нуклеофильными реагентами (щелочь, белки) и окислителями (кислород воздуха, катионы металлов переменной валентности), приводящими к изменению окраски [200-202]. Вопросам повышения стабильности пищевых антоцианидиновых красителей уделяется особое внимание, что в первую очередь связано с расширением областей их применения. В работе [203] приведен обзор литературы по 1986 г., в которой подробно рассмотрено влияние многих факторов (температура, свет, неорганические соли и кислоты, органические кислоты, альдегиды, а также сопутствующие антоцианидинам вещества) на стабильность и изменение окраски антоцианов, получаемых из ягод, плодов и овощей.
Известно, что в некоторых растениях наряду с обычными антоциани-динами содержатся и их различные производные, которые обладают повышенной стабильностью. К таким стойким красителям относятся ацилирован-ные производные антоцианов [200].
Предлагается повысить стабильность антоцианидиновых красителей за счет предварительной обработки антоцианидинсодержащего сырья или его экстрактов карбонилсодержащими (уксусный ангидрид, альдегид) или алки-лирующими (диметилсульфат) реагентами [201,204,205].
В работах [201, 204] показано, что стабильность природных пищевых антоциановых красителей может быть повышена их ацилированием. Обработка высушенных выжимок черноплодной рябины смесью уксусного ангидрида с 5 %-м количеством концентрированной ортофосфорной кислоты приводит к образованию более стойкого красителя за счет ацилирования гидроксильных групп основных природных антоциановых пигментов: цианидин-3-галактозида, цианидин-3-арабинозида, цианидин-3- глюкози да, цианидин-3-ксилозида, а также флаванолрутина. По данным ТСХ и ВЭЖХ в условиях реакции происходит разрушение темно окрашенного олигомера проантоциани-дина, состоящего из 4-5 молекул антоцианидина, с образованием пигментов красного цвета [201].
Большинство авторов связывают факт уменьшения реакционной способности ацилированных антоцианов с защитой положительного заряженного флавилиевого ядра от воздействия нуклеофильных молекул воды гидрофобным остатком ароматической кислоты в результате образования «сэндви-чевой структуры» [203]. Эффект стабилизации антоцианов наблюдается и при добавлении в систему соединений, обладающих способностью связывать свободные молекулы воды и образовывать ионные пары с флавилиевым катионом [206].
Достаточно подробно изучены антоциановые красители, содержащиеся в красных виноградных винах, рассмотрены факторы, влияющие на их стабильность. Показано, что стабильность антоциановых красителей повышается за счет их внутримолекулярной сопигментации [207]. В работе [208] изучен процесс копигментации мальвин-3,5-диглюкозида с флаваном морин. Установлено, что образование копигмента мальвин/морин сопровождается увеличением стабильности и батохромным сдвигом (ДА, = 7 нм) с углублением окраски.
В работе [209] изучено взаимодействие между антоцианинами (3-глюкозидами цианидина, пеонидина и мальвидина), процианидином В2 и ацетальдегидом в модельных винных растворах, приводящее к образованию новых соединений с углубленной окраской. Установлено, что взаимодействие антоцианина с проантоцианидином В2 является реакцией конденсации первого порядка в присутствии ацетальдегида или без него. Во всех модель ных растворах, содержащих эти вещества, наблюдается быстрое усиление окраски и ее переход в фиолетовую. Аналогичные изменения окраски наблюдаются в модельных растворах, содержащих антоцианины и ацетальде-гид. Показано, что в обоих случаях присутствие ацетальдегида имеет важное значение в ускорении химических превращений антоцианинов в более стойкие красители.
Новые производные антоцианидинов, обладающие повышенной стабильностью обнаружены в красных виноградных винах [210, 211]. Авторы работы [210] выделили и идентифицировали два новых красителя и показали, что их образование происходит за счет взаимодействия мальвидин-3-моноглюкозида и мальвидин-3-(6-п-кумароил)-моноглюкозида с 4-винил-фенолом. В цитируемой работе показано, что синтетические продукты, полученные взаимодействием этих реагентов, идентичны натуральным красителям, выделенным из вина, что подтверждено УФ и ЯМР-спектрограммами. Установлено, что образование новых более стойких красителей сопровождается замыканием кольца между С-4 и гидрокси-группой при С-5 исходной флавилиевой группой и двойной связью винилфенола и последующим окислением (рисунок 36)
Как видно из рисунка 36, структура нового пигмента образует две фла-вилиевые мезомерные формы (I и II), одна из которых соответствует мальви-диновому (I) типу, а другая - пеларгонидиновому (II). Преобладающей является последняя. Близкий по химической структуре красный пигмент, обладающий повышенной свето- и термостабильностью, выделен из экстракта виноградного жмыха [211]. Установлено, что данный пигмент является ад-дуктом пировиноградной кислоты с мальвидин-3-моноглюкозидом. Структура пигмента подтверждена встречным синтезом. Показано, что образование нового пигмента происходит в результате реакции 5-ОН антоцианина с пировиноградной кислотой, находящейся в енольной форме, последующей циклизацией по четвертому атому углерода С (4) дигидратацией и последующей реароматизацией. Авторы [211] полагают, что могут присутствовать и аддук-ты других антоцианов и антоцианидинов: дельфинидина, пеонидина и циани-дина.
Анализ литературных данных показал, что достаточно подробно изучены модифицированные антоцианины (красители, связанные с различными сахарами), содержащиеся в винограде или образующиеся в процессе созревания красных виноградных вин, а также получаемые из другого плодовощного сырья. В литературе отсутствуют данные о модификации антоцианидинов, получаемых из коры хвойных или лиственных пород деревьев.
