Комплексная переработка вегетативной части тополя бальзамического с получением биологически активных продуктов Исаева Елена Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние исследований состава и вопросы переработки биомассы древесных растений 10

1.1 Тополь бальзамический 11

1.2 Химический состав и направления переработки биомассы древесный растений 17

1.2.1 Липиды древесных растений 20

1.2.2 Фенольные вещества древесных растений 30

1.2.3 Эфирные масла растений 34

1.3 Способы переработки растительного сырья 45

1.3.1 Извлечение экстрактивных веществ с использование органических растворителей 45

1.3.2 Методы выделения эфирных масел 51

1.3.3 Биоконверсия растительного сырья и получение биопрепаратов 55

1.3.4 Гидролиз растительного сырья 63

1.3.5 Использование древесной биомассы как топлива 67

Выводы по главе 1 72

2 Объекты и методы исследования 74

2.1 Выбор факторов экспериментальных исследований 74

2.2 Характеристика объекта исследования 78

2.3 Методы исследования химического состава вегетативной части тополя бальзамического 83

2.4 Выделение и анализ эфирных масел тополя бальзамического... 85

2.5 Методы выделения и анализа липидов 87

2.6 Методы изучения состава жирных кислот липидов 90

2.7 Методы выделения и исследования спирторастворимых веществ вегетативной части тополя бальзамического 93

2.8 Определение биологической активности экстрактов и эфирных масел почек тополя бальзамического 96

2.9 Методы исследования С02 экстракта вегетативной части тополя бальзамического 98

2.10 Методы исследования углеводов вегетативной части тополя бальзамического 99

2.11 Утилизация послеэкстракционного остатка 103

2.11.1 Методы исследования твердых остатков 103

2.11.2 Культивирование гриба рода Trichoderma 103

2.11.3 Определение теплотворной способности твердого остатка вегетативной части тополя бальзамического 107

2.11.4 Исследование гидролизатов вегетативной части тополя бальзамического 108

2.12 Методы оптимизации процесса экстракции вегетативной части тополя бальзамического 109

2.13 Статистическая обработка результатов 110

Выводы по главе 2 111

3 Химический состав вегетативной части тополя бальзамического ... 112

3.1 Углеводы вегетативной части тополя бальзамического 116

3.2 Лигниновые вещества вегетативной части тополя бальзамического 126

3.3 Эфирные масла вегетативной части тополя бальзамического 128

3.3.1 Содержание эфирных масел в вегетативной части тополя бальзамического 129

3.3.2 Индивидуальный состав эфирных масел вегетативной части тополя бальзамического 132

3.3.3 Влияние места произрастания на состав эфирных масел почек тополя бальзамического 144

3.4 Влияние технологических факторов на выход и состав эфирных масел тополя бальзамического 148

3.4.1 Влияние температуры и продолжительности хранения сырья на содержание эфирных масел в почках тополя бальзамического 148

3.4.2 Влияние крупности сырья на выход эфирных масел 153

3.4.3 Влияние продолжительности отгонки на выход эфирных масел 154

3.4.4 Влияние способа выделения на выход эфирных масел 157

3.5 Экстрактивные вещества почек тополя бальзамического 162

3.5.1 Состав и свойства экстрактивных веществ 163

3.5.2 Влияние вида, возраста и места произрастания тополя на содержание липидов в почках 193

3.6 Влияние температуры и продолжительности хранения сырья на содержание экстрактивных веществ в почках тополя бальзамического

3.7 Оптимизация процесса экстракции почек тополя бальзамического 199

3.8 С02 экстракция вегетативной части тополя бальзамического 211

4 Исследование состава свойств спиртового экстракта и эфирных масел вегетативной части тополя бальзамического 222

4.1 Результаты исследования группового состава спиртового экстракта вегетативной части тополя бальзамического 222

4.2 Биологическая активность экстрактов и эфирных масел тополя бальзамического 235

4.2.1 Установление антифунгальной и антибактериальной активности эфирных масел и спиртового экстракта 235

4.2.2 Установление иммуномодулирующей активности эфирных масел 246

5 Утилизация твердых и жидких отходов, образующихся при переработке вегетативной части тополя бальзамического 248

5.1 Ферментация твердого остатка вегетативной части тополя бальзамического грибами рода Trichoderma 251

5.2 Исследование вегетативной части тополя для получения биологически активных кормовых продуктов 271

5.2.1 Исследование вегетативной части тополя после извлечения эфирных масел в качестве биологически активной кормовой добавки 271

5.2.2 Переработка вегетативной части тополя с использование разбавленной серной кислоты 273

5.2.3 Оптимизация процесса гидролиза вегетативной части тополя

5.2.4 Получение белковых кормовых добавок на основе гидроли-затов вегетативной части тополя бальзамического 280

5.3 Использование вегетативной части тополя в качестве топлива... 282

6 Концепция комплексной переработки биомассы тополя 286

7 Разработка технологии и технико-экономические показатели ком

плексной переработки вегетативной части тополя бальзамического 292

7.1 Принципиальная схема переработки вегетативной части тополя бальзамического 292

7.2 Технико-экономические показатели комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического 305

Выводы 310

Библиографический список 313

Приложения 351

• Химический состав и направления переработки биомассы древесный растений
• Методы исследования химического состава вегетативной части тополя бальзамического
• Влияние технологических факторов на выход и состав эфирных масел тополя бальзамического
• Биологическая активность экстрактов и эфирных масел тополя бальзамического

Введение к работе

В России многие виды растений издавна применяются в промышленности, сельском хозяйстве, а также медицине, но большая их часть представляет пока еще не раскрытый резерв. Уникальным источником природных соединений являются экстрактивные вещества, извлекаемые из элементов дерева (древесины, хвои, листвы, пней, коры). Естественная возобновляемость древесных растений делает их неисчерпаемым сырьем для производства биологически активных веществ. Эти вещества, как правило, биоразрушаемы и безвредны как для фауны, так и для флоры. Вследствие этого продукты на их основе предпочтительнее используемым в настоящее время высокотоксичным продуктам большой химии.

В этом направлении интерес представляют растения рода Populus семейства ивовых Salicaceae как источник веществ, обладающих широким спектром биологической активности (флавоноиды, жирные кислоты, терпеноиды). Интерес к тополю объясняется его биологическими особенностями и хозяйственной ценностью. Из биолого-технических особенностей важно отметить быстроту роста и продуктивность, что с одной стороны, объясняет причину интереса к тополю, а с другой показывает его потенциальные возможности. Интенсивность жизнедеятельности тополей выше, чем у березы и других древесных пород. Об этом свидетельствует скорость протекания основных физиологических процессов - фотосинтеза и транспирации. Таким образом, скорость роста надземных органов, мощное развитие корневой системы, транспирирующей и фо-тосинтезирующей поверхности листьев свидетельствуют о большой устойчивости, высокой продуктивности и об исключительной конкурентной способности тополя по сравнению с медленно растущими растениями.

Основным сырьем для получения экстрактивных веществ является древесная зелень, которая представляет собой смесь листьев, коры, ветвей и неод-ревесневших побегов ветвей диаметром в отрубе не более 8 мм. В клетках дре-

7 весных растений, особенно в листьях, содержится много веществ от воды и углекислоты до сложных углеводов, а также липиды, белки, жирорастворимые пигменты, витамины, ферменты, гормоны, эфирные масла и другие. В связи с чем большой интерес как потенциальный источник сырья может представлять вегетативная часть древесных растений.

Известно, что некоторые виды тополя издавна применяются в народной медицине. Так, кору тополя белого используют в качестве лекарства при различных лихорадочных заболеваниях, а также в ветеринарии как антигельминт-ное средство [1]. В индийской медицине кора тополя черного используют как гемостатическое, отвар - при подагре, ревматизме [2].

Почки тополя черного рекомендуют в качестве антимикробного, успокаивающего средства, используют для лечения перемежающей лихорадки, подагры, ревматизма, лечения ран, ожогов и др. [3, 4]. Из почек тополя черного добывают смолистый бальзам, а из экстрактов приготавливают «тополевую мазь» для наружного применения в качестве жаропонижающего средства, для лечения суставов, язв и др. «Тополевая мазь» из свежих почек в немецкой медицине используется как средство при лечении геморроя и ожогов [5].

Почки и побеги тополя (пирамидального и корейского) используются в парфюмерной и мыловаренной промышленности [6].

Мягкая белая эластичная древесина тополя, характеризующаяся отсутствием неприятных запахов, смол, красящих веществ и содержащая высокий процент целлюлозы, находит применение в основном для изготовления упаковочной тары, внутренних частей мебели, деревянной посуды, лодок, в производстве бумаги, вискозно-ацетатной продукции, набивочной стружки и спичек [7-10]. Известно, что в США, Канаде, Финляндии и других странах древесину тополя используют и для энергетических целей [11]. В последнее время показана возможность получения микрокристаллической целлюлозы из древесных опилок осины [12].

Для коры ствола осины освоена технология ее переработки с получением очищенного витаминного концентрата, биоактивной восковой добавки, водно-го экстракта и корокомпоста. Помимо корокомпоста все продукты использу-

8 ются в косметической промышленности в качестве биоактивных добавок [13]. Есть сведения об использовании коры, листьев осины и осокоря для получения дубильных веществ [14] и желтой и зеленой красок для тканей [15].

В Канаде разработана технология по переработке листьев тополя быстрорастущего с получением белкового и провитаминного концентратов [16].

Имеются работы, в которых показана перспективность использования почек тополя в качестве источника для получения эффективных антибактериальных и противогрибковых лекарственных средств, Государственного стандартного образца пиностробина [17-20].

Сотрудниками Северо-Казахстанского университета совместно с Институтом фитохимии МН-АН РК разработан препарат «Тополин» на основе почек тополя бальзамического, зарекомендовавший себя в области стоматологии, гинекологии, дерматологии, также он способен стимулировать рост и развитие растений и животных. Теми же авторами показана возможность получения с помощью баротермического метода препарата «Эфматол», содержащего эфирг ные масла и флавоноиды. Выход субстанции из сырья составляет 1 %. В Казахстане препарат рекомендован к применению в комплексном лечении туберкулеза, в качестве антисептического и противовоспалительного средства. Остаток рекомендован в качестве кормовой добавки [19, 21].

Таким образом, в настоящее время биомасса тополя бальзамического перерабатывается ограниченно с выделением только эфирных масел из всего комплекса соединений.

Несмотря на то, что вегетативная часть тополя является доступным, легко возобновляемым и богатым биологически активными веществами сырьем, комплексной технологии переработки данного сырья не существует. Очевидным препятствием ее созданию является недостаточная изученность химического состава. Поэтому, выделение и установление строения биологически активных веществ из видов рода Populus является актуальным, а создание технологии комплексной переработки данного вида сырья - целесообразным.

Целю настоящего диссертационного исследования является разработка теоретических основ и технологии получения биологически активных продук-

9 тов при комплексной переработке вегетативной части тополя бальзамического. Предусматривается прижизненное использование тополя.

Для создания технологии ресурсосберегающей комплексной переработки вегетативной части тополя бальзамического необходимо более глубокое изучение химического состава ее элементов, свойств отдельных групп веществ, выявление закономерностей их изменения под действием природных и технологических факторов; решение вопросов утилизации отходов, образующихся в результате извлечения из сырья экстрактивных веществ.

Все вышеперечисленное ставит задачу проведения целого ряда различающихся по характеру исследований, которые позволят получить необходимые сведения о затронутых аспектах проблемы.

1 Состояние исследованийсостава и вопросы переработки биомассы древесных растений

Лес относится к числу восстанавливающихся сырьевых ресурсов. Это богатство России, которое надо беречь. Бережливость, прежде всего, должна выражаться в глубокой переработке древесины и утилизации отходов, в улучшении культуры лесопользования. При существующих способах использования лесных ресурсов до настоящего времени имеют место очень большие потери сырья. На лесосеках при сплошных рубках в отходах остается более 20 % всей органической массы, а при рубках ухода от 80 до 100 % . Ежегодно на лесосе-ках Красноярского края остается около 2 млн. м древесины в виде низкокачественных стволов, откомлевок, вершин и крупных сучьев. Использование расчетной лесосеки лесопромышленного комплекса в Сибирском федеральном округе составляет не более 15 %. Осуществляется рубка и вывозка в основном высококачественной древесины. На лесосеке остается тонкомерная древесина и древесина лиственных пород. Такое положение вызвано в основном убыточностью заготовки низкокачественного сырья, тогда как оно может служить источником востребованной продукции [22].

Удаленность существующих перерабатывающих предприятий от лесо-сырьевых ресурсов приводит к низкой рентабельности глубокой переработки древесины, а недостаток таких производств, помимо низкой доходности лесоперерабатывающего комплекса, приводит к невостребованности древесных отходов в качестве технологического сырья.

С другой стороны, в настоящее время быстрорастущий спрос на физиологически и биологически активные вещества для нужд медицины, парфюмерии, кормовой и пищевой промышленности и одновременное истощение традиционных ресурсов растительного сырья заставляет все больше внимания уделять проблемам поиска новых сырьевых ресурсов. При этом чаще обращаются к идее использования таких частей растений, которые до недавнего времени рассматривались как отходы. В лесном хозяйстве и промышленности к

такому сырью относится древесная зелень, в которой содержится много биологически активных компонентов — белков, липидов, углеводов, витаминов, гормонов, фитонцидов [23]. В связи с этим принимаются меры к подъему продуктивности насаждений и сокращению сроков выращивания товарной древесины за счет использования быстрорастущих пород, среди которых первое место принадлежит тополю.

1.1 Тополь бальзамический

Род тополь {Populus) принадлежит к семейству ивовых (Salicaceae). Родина — Северное полушарие, где тополи произрастают от Арктики до субтропиков. В мировой флоре описано 110 видов тополя, из них в лесах нашей страны произрастает около 30 видов, 12 видов интродуцировано. Наиболее широко распространенными являются: тополь бальзамический (P. balsamifera L.), тополь лавролистный (P. laurifolia L.), тополь белый (P. alba L.), тополь душистый (P. suaveolens F.), тополь канадский (P. deltoides L.), тополь черный или осокорь {P. nigra L.), осина (P. tremula L.), тополь пирамидальный (Р. pyramidalis L.) [3, 6, 24-26]. В бывшем СССР насчитывалось около 50 видов, три вида занесено в Красную книгу СССР [27].

Значительные площади тополевых лесов сосредоточены на Дальнем Востоке, Хабаровском крае (тополь душистый). Естественные леса, в основном из белого и черного тополей небольшими участками произрастают в поймах Волги, Дона и других рек европейской части страны [26].

Тополь является одной из ценных быстрорастущих древесных пород умеренного пояса России и других стран мира. Поэтому он всегда привлекал внимание ученых и практиков. В Сибири произрастают шесть видов тополя. Они характеризуются высокой зимостойкостью, но в сравнении с сортовым материалом растут медленно, многие из них плохо размножаются одревесневшими стеблевыми черенками, сильно поражаются грибными болезнями и поэтому без селекционного отбора малопригодны для широкого использования в зеленом строительстве и защитном лесоразведении [24].

Как отрасль лесо- и древокультуры тополеводство возникло в Европе в последние 300 лет, хотя простейшие приемы семенного и вегетативного размножения тополя были описаны еще XI веке. Повышенный интерес к тополе-водству связывают с введением в Европе североамериканских видов тополя в 1700 г. [6].

Резкое увеличение количества работ о тополе, посвященных его биологии, расширению культуры и началу селекционных работ относится к первой половине XX в. В нашей стране селекционная работа с тополем была начата в 30-е годы А.В. Альбенским (ВНИАЛМИ), П.Л. Богдановым (ЦНИИЛХ), A.M. Березиным ( БашЛОС) и А.С. Яблоковым (ВНИИЛХ). С конца 30-х гг. селекцией древесных пород в УкрНИИЛХА занимались С.С. Пятницкий и Ф.Л. Ще-потьев [6, 24].

Позднее селекционная работа с тополем велась многими исследователями в различных районах нашей страны. Так, в Сибири интродукция древесных растений осуществлялась преимущественно отдельными энтузиастами, в небольшом объеме и внепланово. Интродукционная работа особенно усиленно стала развиваться с середины XX века. Наиболее крупными интродукционны-ми центрами Сибири, содержащими большие коллекции древесных растений, в том числе и тополя, являются Новосибирск, Барнаул, Омск, Лениногорск, Горно-Алтайск, пос. Октябрьский Алтайского края, Томск, Абакан, Красноярск, Иркутск, Улан-Удэ, Якутск [24]. В России создан значительный генофонд отечественных интродуцированных видов, форм, гибридов тополя, однако он до сих пор пока малоизвестен широкому кругу специалистов, недостаточно изучен, районирован и внедрен в производство.

Повышенный интерес к тополю объясняется его биологическими особенностями и хозяйственной ценностью: быстрота роста и способность давать технически пригодную древесину при обороте рубки в 20 лет и менее; использование в большинстве производств, базирующихся на применении древесины; способность расти на землях, не всегда пригодных для сельскохозяйственного пользования, например в прирусловых затопляемых участках пойм, между дамбами и руслами рек; возможность широкого использования в защитных,

13 озеленительных и рекреационных посадках; вегетативное размножение, благодаря чему полностью сохраняется ценный в хозяйственном отношении по-тенциал выдающихся генотипов [6].

Тополь обладает исключительно сильной способностью давать придаточные почки на стволах и на ветвях различного возраста. Придаточные почки возникают в любой части ствола и ветвей, как вблизи мест ранения, так и на здоровой части. Такая способность обеспечивает тополям восстановление кроны при обрезке всех крупных боковых ветвей и даже при срезке всей кроны с вершиной, а также возобновление от пня [7, 28].

Интенсивность жизнедеятельности тополей выше, чем у березы и других древесных пород. Об этом свидетельствует скорость протекания основных физиологических процессов — фотосинтеза и транспирации. Соотношение транс-пирируемой воды составляет для тополей 1,07-2,38, березы 1,57, лиственницы 0,67 г/г сырой массы листьев в час. Тополь не требователен к почве, устойчив к задымлению, обладает повышенной способностью к газообмену. Имеет высокую скорость роста надземных органов, мощно развитую корневую систему. Все это свидетельствует о большой устойчивости и об исключительной конкурентной способности тополя по сравнению с медленно растущими растениями

[7].

Широкое распространение тополя в озеленении кроме быстрого роста обусловлено его декоративными и биологическими особенностями, такими как разнообразная форма кроны (раскидистая, пирамидальная, плакучая), поддающаяся обрезке и формовке; светлый цвет коры; аромат смолы; легкая смывае-мость пыли с листьев и т. п. Однако самое главное свойство — это его устойчивость к задымлению и повышенная способность к газообмену, по сравнению с другими древесными породами .[6]. По данным Васильева П.В. в течение вегетационного периода способность к газообмену у тополя берлинского составляет 691 %, лиственницы польской -118%, сосны обыкновенной - 164 % [29].

Тополевые леса имеют большое водоохранное, водорегулирующее и противоэрозионное значение. Велико значение тополя для защитного лесоразведения: создание полезащитных лесных полос, защитных насаждений вдоль

14 железных дорог, автострад, по берегам водоемов, каналов, на склонах и оврагах. Лесные полосы из тополя начинают выполнять защитные функции уже с трех летнего возраста [24].

С тополем связывают надежды на ослабление дефицита древесины. И действительно, в некоторых отраслях деревоперерабатывающей промышленности зарубежных стран (Италия, Франция и др.) доля тополевой древесины в разные годы достигала 10-25, 40 и даже 80 % общего баланса.

Из приведенных данных можно видеть, что тополеводство остается перспективной отраслью не только настоящего, но и будущего лесоводства.

В планах и прогнозах стран с развитым тополеводством предусматривается расширение посадок хозяйственно-ценных сортов тополя и в перспективе. Во многих странах мира созданы национальные тополевые комиссии. Более 20 стран входят в созданную в 1947 г. Международную тополевую комиссию (МТК) при ФАО ООН [6].

В искусственных насаждениях деревья тополя достигают крупных размеров, обеспечивающих возможность заготовки промышленных сортиментов в 20-25 лет, т.е. в 4 раза быстрее, чем хвойные породы. В мире уже создано более 1,5 млн. га плантационных культур из сортовых тополей. К ним ежегодно прибавляется примерно 150 тыс. га вновь создаваемых насаждений [24]. Наибольшие площади искусственных тополевых насаждений были созданы во Франции (160 тыс. га - в 60-е годы, 250 тыс. га - в настоящее время), Италии (в разные годы площади колебались от 142 до 205 тыс. га), Испании (160 тыс. га), Югославии (40 тыс. га), Венгрии (154 тыс. га) Аргентине (120 тыс. га), США (82 тыс. га) и других странах [6]. В нашей стране имеется опыт по созданию сырьевой базы из насаждений плантационного типа быстрорастущих видов тополей (Херсонский целлюлозо-бумажный завод, Астраханский и Измайловский ЦКК) [21]. Все это свидетельствует о хозяйственной целесообразности искусственного разведения лучших сортов и форм тополей.

Разнообразие видовых форм рода Populus, возобновляемость и быстрый рост растений позволяют наладить производство по выращиванию наиболее перспективных видов тополя. Они представляют интерес не только в плане ис-

15 пользования качественной древесины, но и утилизации бесценных отходов производства деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленно-сти: коры, веток, почек листьев.

Следует отметить, что дикорастущие виды тополя имеют некоторые недостатки: слабую способность к вегетативному размножению (одревесневшими черенками), повреждаемость сердцевинной гнилью, ржавчиной листьев и т.д., в связи с чем они не полностью удовлетворяют требованиям производства [24].

Тополь бальзамический — интродуцент, получивший широкое распространение в лесокультурной, полезащитной и озеленительной практике благодаря быстрому росту (прирост до 1 м за сезон), удобству размножения, относительной устойчивости к болезням и токсикантам.

Это крупное дерево до 20-25 м высотой, с раскидистой, широкой, яйцевидной кроной. Кора у старых деревьев внизу темно-серая, выше — серая, гладкая. Побеги слегка угловатые, позже цилиндрические, бурые. Листья яйцевидные или эллиптические (12x7 см), блестящие, сверху темно-зеленые, снизу беловатые, молодые клейкие, по краю мелко-пильчато-зубчатые [3, 30]. Возмужалость наступает в 10-12 лет. Цветут тополи обычно ранней весной до распускания листьев [7].

В секции бальзамических тополей распускание почек начинается раньше, чем во всех других секциях, и приходится на первую и начало второй декады апреля, верхушечные почки у большинства бальзамических тополей закладываются в конце августа. Окончание периода вегетации наступает в первой-третьей декадах сентября. Таким образом, все фенофазы бальзамических тополей сдвинуты. Эти тополя раньше начинают и заканчивают рост побегов и вегетацию. Период роста побегов у.них продолжается 140-154 дня, период вегетации 166-193 дня. Для лесостепи период вегетации составляет 145-178 дней [6]. Срок вегетации у бальзамических тополей несколько меньше, чем у белых и черных тополей, а продолжительность роста побегов такая же, как у белых, но меньше, чем у черных. Короткий период вегетации и раннее его окончание обуславливают, по мнению специалистов, большую зимостойкость бальзами-

ческих тополей. Установлено, что с продвижением от Центральной лесостепи на север и восток продолжительность периода вегетации уменьшается, а на юг и запад — увеличивается, что соответствует усилению или ослаблению конти-нентальности климата [6].

Тополь бальзамический довольно холодостоек, газоустойчив и морозоустойчив, выносит полутень. Он проявляет достаточно высокую толерантность к загрязнителям, несмотря на то, что металлы в значительной степени изменяют нормальные физиологические и морфометрические параметры растений. Это обстоятельство свидетельствует о правомерности широкого использования тополя бальзамического в санитарно-защитных насаждениях индустриальных центров [14, 15].

По данным П. Л. Богданова, до 1952 г. насаждения тополя составляли 21 % общего числа деревьев, растущих в Москве, от 15 до 47 % — в районах Ленинграда, около 30 % — в Ташкенте, 25 % - в Воронеже. В настоящее время, по имеющимся литературным данным, более 50 % зеленых насаждений г. Воронежа и около 30-35 % г. Рязани приходятся на долю тополя [6, 8]. Насаждения тополей занимают около 12,9 % от общей площади лесов зеленой зоны г. Уфа, причем большая часть приходится на тополь бальзамический [31].

В зеленых насаждениях городов и поселков Сибири распространен тополь бальзамический, представленный многочисленными клонами неизвестного происхождения, завезенными из европейской части страны, а также образцами семенного происхождения (местной репродукции), впоследствии размноженными вегетативно. Он рекомендован ботаническими садами и другими научными учреждениями для широкого распространения в защитном лесоразведении и зеленом строительстве в Красноярском крае и Хакасии. В Западной Сибири защитные насаждения из .тополя бальзамического занимают 42 % общей площади [24]. Основную массу всех зеленых насаждений г. Красноярска составляют тополя, преобладает тополь бальзамический. В нескольких районах Красноярска встречаются посадки тополя черного и тополя серебристого.

Ежегодно, в целях оздоровления насаждений тополей, производятся обрезки кроны деревьев. В зависимости от времени проведения данных работ,

17 обрезки представляют собой ветви с почками или листьями. С учетом большого количества насаждений тополей на свалки вывозятся огромные объемы отходов, которые для предотвращения загрязнения окружающей среды целесообразно вовлекать в глубокую комплексную переработку.

1.2 Химический состав и направления переработки биомассы

древесных растений

В настоящее время основная задача исследований в области химии древесины состоит в повышении комплексности и эффективности использования всей массы древесного сырья.

Проблема рационального использования древесного сырья является одной из самых важных в лесном хозяйстве. В отличие от хвойных, широкого развития переработка древесной зелени лиственных пород не получила, и это объясняется, в частности, недостаточной изученностью химического состава.

Древесина, как любой биологический организм, состоит из клеток, которые на 99 % состоят из органических соединений, подразделяющихся на углеводную и ароматическую части и, так называемые, экстрактивные вещества. Определение химического состава древесины и выделение ее отдельных компонентов в чистом виде имеет большое теоретическое и практическое значение. Однако это связано с большими трудностями из-за сложности строения клеточных стенок и существования тесной связи между отдельными компонентами древесины, в связи с чем, приходится прибегать к сравнительно жестким методам химического воздействия.

Наиболее подробно с точки зрения химического состава исследована биомасса хвойных пород — сосны, кедра, лиственницы, пихты и др. Для них показано, что химический состав биомассы растений разнообразен и зависит от многих факторов, основными из которых являются географические и метеорологические условия, порода дерева, возраст и другие [23, 33-39].

Наиболее изученной среди лиственных пород является береза. Большой интерес представляют быстрорастущие растения рода Populus, где наиболее

18 изученной является осина. После березы она занимает второе место по запасам (1^6 млрд. м³) среди лиственных пород древесины, произрастающих в России [9]. В литературе имеются разрозненные данные по составу отдельных частей дерева [17, 18, 40-42].

Исследования химического состава древесины березы в зависимости от места произрастания показали, что береза пушистая Красноярского края содержит меньше лигнина, чем береза Кировской области (19,1 и21,2% соответственно). Содержание целлюлозы не зависимо от места произрастания выше в березе пушистой (45,5 %), чем в березе бородавчатой (35,4 %) [43], на долю пентозанов приходится 22-25 % от а.с.с. В составе гидролизатов березовой древесины установлено наличие глюкозы (55 %), маннозы (1,0 %), ксилозы (29 %), арабинозы (15,7 % от общего состава моносахаридов) [44, 45]. Почки березы повислой (Ленинградская область) содержат 10, 3 % целлюлозы, 6,6 % легко-гидролизуемых веществ, 3,3 % пентозанов и 27,1 % лигнина [46,47].

Осина отличается от березы высоким содержанием целлюлозы* (47,2 %), что характерно для всего рода Populus, и лигнина (22,8 % от а.с.с.) [43].

Анализ древесины и коры тополей [48] показал, что основными компонентами являются также целлюлоза и лигнин. Так, содержание углеводов в древесине различных видов тополей: белого, черного и осины, составляет 74-78 %, из них целлюлозы - от 44,6 до 50,6 %. Содержание лигнина относительно невелико - 18,7-23 %. В работе [49] показано, что кора древесины осины включает в свой состав 30,1 % лигнина и 43,2 % углеводов, на 1/3 представленных целлюлозой.

Исследования быстрорастущего евро-американского тополя, произрастающего в Восточной Европе, показали, что содержание углеводов в древесине составляет 63-70 % (Д-глюкозы 40,2-47,9 %), в коре - 35,9-47,4 % (Д-глюкозы 19,4-32,0 %), в ветвях содержание углеводов и Д-глюкозы падает с уменьшением их диаметра [48]. По данным этих же авторов, количество лигнина в древесине тополя составляет 25,4-29,6 %, после корректировки на содержание суберина - только от 1,3 до 14,8 %. В работе указано, что больше всего суберина находится в коре ветвей и корней небольших диаметров. Других

19 источников, подтверждающих наличие суберина в тканях тополя, нами не встречено. Среди углеводов древесины и коры тополя установлено наличие глюкозы, маннозы, галактозы, ксилозы, арабинозы и уроновых кислот. В листьях и коре обнаружены также фруктоза, сахароза (0,5-1,2 %), трисахариды и пектин [43, 48].

Содержание минеральных веществ в древесине осины 0,26 %, древесине и коре тополя 0,5-1,0 и 2,5-7,6 % соответственно, что сопоставимо с древесиной хвойных пород. Содержание экстрактивных веществ увеличивается от 3,9-6,7 % в древесине, до 12,7-22,9 % от а.с.с. - в коре [43, 48].

В работе [50] указано на наличие углеводов и родственного им соединения — маннита в почках осокоря, но не приведена их количественная оценка. В почках и побегах тополя бальзамического содержание полисахаридов составляет около 17 % от а.с.с, из них более 50 % приходится на целлюлозу [51].

Древесина тополя и березы является ценным строительным материалом и используется в химической переработке для получения целлюлозных материалов.

Кроме основных компонентов при комплексном использовании древесины большое значение имеют экстрактивные вещества, которые с физиологической точки зрения являются веществами весьма разнообразного значения.

Фенолы, эфирные масла, смоляные кислоты, ростовые вещества, стери-ны, альдегиды, эфиры, рнейтральные вещества, жирные кислоты и др. относятся к веществам вторичного происхождения [52]. Образуются они на немногих путях обмена веществ. Их биогенными предшественниками является небольшое число веществ - мевалонат, ацетил-КоА, коричная кислота и аминокислоты [53].

Состав и содержание экстрактивных веществ будет зависеть от применяемого в конкретном случае растворителя, условий экстракции, породы и вида древесины и т.п. Химический состав экстрактивных веществ, особенно нерастворимых в воде, является предметом интенсивного изучения, что особенно необходимо, поскольку многие продукты внутренней секреции имеют важное практическое значение для производства.

1.2.1 Липиды древесных растений

Большинство данных о содержании липидов относится к эфирным экстрактам, содержащим кроме простых липидов, значительные количества иных веществ. Например, суммарный эфирный экстракт из листьев обычно составляет менее 5 % от массы сухого сырья, но он включает воск, кутан и другие вещества, поэтому содержание собственно липидов довольно низко. Содержание липидов в древесине также невелико, редко превышает 2-3 %, при этом в заболони концентрация обычно ниже, чем в ядре.

В литературе имеются сведения о том, что состав и содержание липидов и смоляных кислот в древесных растениях различны на разных географических широтах.

В таблице 1.1 приведено содержание эфирорастворимых веществ (липидов и смоляных кислот) в древесине основных лесообразующих пород южнотаежной подзоны России [54-58].

Таблица 1.1- Содержание эфирорастворимых веществ в древесине различных пород

В процентах от абсолютно сухой древесины

Продолжение таблицы 1.1

Данная территория характеризуется одинаковой среднегодовой температурой, хотя территория Сибири, в отличие от европейской части России, обладает резко континентальным климатом и отличается низкими зимними температурами. Из данных таблицы 1.1 видно, что в древесине перечисленных пород, произрастающих в Сибири и на Урале, в зоне южной тайги (Екатеринбург-Красноярск-Иркутск), за исключением Дальнего Востока и Сахалина, содержится больше липидов, чем в древесине пород, произрастающих в зоне Европейского Севера. Различие в содержании липидов древесины видов сосны и ели из перечисленных районов незначительно, а для тех же компонентов березы и осины выражено отчетливо.

В литературе имеются лишь единичные сведения, касающиеся исследования экстрактивных веществ тополя бальзамического. Из тополей, произрастающих в Восточной Сибири, наиболее изученными являются белый, черный или осокорь и осина. Так, при исследовании экстрактивных веществ фитомас-сы осины, извлекаемых диэтиловым эфиром, показано, что значительное их количество содержится в корке и лубе ствола (6-9 %), в древесине ствола их мало (0,94 %) [59, 60]. Наибольшее количество экстрактивных веществ извлекается из коры ветвей (6-13 %) [13, 49, 59]. При использовании последовательной экстракции рядом растворителей из коры осины можно извлечь до 37 % экстрактивных веществ [49, 61].

22 В коре содержание экстрактивных веществ выше, чем в древесине (очевидно за счет находящегося там суберина). В плодах и семенах концентрация липидов намного выше, чем в вегетативных структурах. Например, в клетках паренхимы плодов авокадо и маслин и в семенах масличной пальмы накапливается масло. Плоды оливкового дерева содержат 20-30 % масла, семена американского ореха, сосны однохвойной 60-75 % [28].

Липиды древесных растений в отличие от недревесных изучены недостаточно. Касающиеся липидов сведения ограничиваются лишь указанием содержания жиров в тканях дерева (лубе, древесине, хвое) и их годичной динамике. В конце 19 века Фишером было предложено разделять деревья на «жировые» и «крахмальные». Согласно этому классическому разделению деревьев большинство видов хвойных отнесено к жировому типу. Позднее такое разделение деревьев было подтверждено Синнотом [62]. Для древесины хвойных характерно содержание жировых веществ от 0,8 до 28 % от массы абсолютно сухой древесины, в то время как лиственные породы, по данным Крамера и Козловского, содержат липидов лишь от 0,7 до 3 % [28].

Коссович Н.Л., изучая динамику распределения жира и крахмала у разновозрастных деревьев, взятых в различных местах произрастания, показала, что жиры сосредоточены в лубяной части, в клетках лубяной паренхимы и в сердцевидных лучах [63]. Сурож О.И. [64] указал, что запасным веществом у многих наших деревьев являются жиры, находящиеся во флоэме и ксилеме. У липы и осины жиры обнаружили главным образом в стволе. Каштан, белая акация и дуб имеют повышенное содержание жиров в коре, ольха содержит жиры в древесине [65].

Отмечено также, что в древесных растениях содержание жиров колеблется в больших пределах. Наибольшее количество жира накапливается в семенах хвойных, где оно варьирует от 15 до 65 % [66]. В заболонной древесине жиров меньше по сравнению с ядровой. Корни содержат лишь следы жира. В мякоти плодов встречаются жиры гораздо реже, чем в семенах [67].

В литературе имеются сведения об участии веществ вторичного метаболизма в онтогенезе древесных растений. В частности в начале прошлого века установлено, что в период прекращения роста и перехода древесных растений в состоя-

23 ниє глубокого покоя изменяется направленность обменных процессов в сторону накопления пластических веществ, выполняющих в организме запасную и защитную роль [68].

У морозоустойчивых древесных форм растений в осеннее-зимний период наблюдается гидролиз крахмала и образование липидов [69]. Высокое содержание липидов в растениях в наиболее холодное время года отмечалось многими авторами [70-75].

Содержание липидов в составе экстрагируемых органическими растворителями веществ из древесины сосен различных видов колеблется от 14 до 60 %, причем наибольшее их количество содержится в осенне-зимний период. В почках сосны сезонное колебание липидов более значительно. Накопление липидных компонентов также отмечается в осенне-зимний период (в почках- 46-48%, в хвое 19,5-21 % от а.с.с). Подобная закономерность в содержании липидов прослеживается и в тканях других компонентов древесной зелени: хвое старшего возраста и в коре разновозрастных побегов. Увеличение суммарного количества липидов в неблагоприятный период в 2,5 раза во многом обусловлено увеличением концентрации фосфолипидов (с 0,32 до 0,88 % от а.с.с.) [76].

Исследованиями Рубчевской Л.П. липидов зимне-зеленых хвойных, произрастающих в Сибири, установлено, что древесная зелень содержит моно-, ди-и триацилглицеролы в течение всего годового цикла развития. Для сосны обыкновенной обнаружено три максимума содержания ацилглицеролов в течение года: весенний, летний и зимний. Зимой количество ацилглицеролов преобладает над двумя другими максимумами. В древесной зелени пихты сибирской наибольшее значение ацилглицеролов достигается в марте-апреле. Для сосны сибирской характерно сглаживание весенне-летних максимумов. В древесной зелени этой породы количество ацилглицеролов преобладает зимой. В период роста хвои древесная зелень изученных пород содержит пониженное количество ацилглицеролов. Общее содержание ацилглицеролов этих трех пород сравнимо и в течение года колеблется в пределах 0,04-0,08 %. Воздаст хвои, как показано исследованиями, не оказывает существенного влияния на характер количественных изменений ацилглицеролов [77,78].

24 В составе нейтральных веществ хвои ели европейской ди- и триглицери-ды не обнаружены, в побегах их содержание составляет примерно 10 %. Основными компонентами являются сложные эфиры (45,6 и 41,9 % соответственно). В побегах они представлены метиловыми и этиловыми эфирами смоляных кислот, эфирами высших жирных кислот с высшими жирными спиртами Сі_б-Сзо.в хвое - ацетатами алифатических полиизопреноидных спиртов [79].

Годичную динамику содержания липидов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в Карелии, изучала Ю.Е. Новицкая. Она установила пониженный уровень содержания липидов в летние месяцы, как в однолетней, так и двухлетней хвое (14 % на сухое вещество), в то время как зимой максимальное количество достигало 21 % на сухое вещество [76].

Лебеденко Л.А. отметила высокий уровень содержания липидов зимой в клетках коровой паренхимы взрослых деревьев лиственницы, произрастающей в Ленинградской области [80].

Почки лиственницы сибирской содержат до 10 % липидов, побеги несколько больше (11-12 %). Высоким содержанием липидов характеризуются и почки тополя бальзамического (более 20 %) [81, 82].

Содержание суммарных липидов в почках березы бородавчатой составляет 21-29 %, а общий выход веществ, экстрагируемых изопропиловым спиртом, составляет 49-56 % от массы сухого вещества. Побеги как тополя, так и березы содержат экстрактивных веществ в несколько раз меньше, чем почки. Так, в почках березы экстрактивных веществ содержится 56 %, вверху побега 21,2 %, в середине - 6,42 % и низу побега - 4,1 % [46]. Существенно отличаются по содержанию экстрактивных веществ и различные части дерева. Меньше всего содержится экстрактивных веществ в стволе березы - 3,2-4,5 %, несколько больше в ветвях - 6,5 %, корнях - 6,8 % и коре - 8,4 % [55].

По данным Шаркова В.И. в бересте березы повислой веществ, экстрагируемых этиловым спиртом, содержится - 24,8 %, а в лубе их практически в 2 раза меньше - 13,1 %. Кора березы бородавчатой отличается более высоким содержанием эфирорастворимых веществ - 5,91 % от абсолютно сухих веществ. В лубе их содержание достигает 2,1 %, а в бересте 32,3 % [45]. В почках бере-

25 зы повислой содержание спирторасторимых веществ составляет 52 %, в диэти-ловом эфире 40 %, в пертролейном эфире - 23 % от массы сухих почек [47].

Проведенное Родионовым B.C. с соавторами исследования показали, что в почках березы повислой ежегодные колебания в содержании липидов весьма значительны. Количество нейтральных липидов изменяется с 32 до 45 %, фосфолипидов 0,8-3,6 % и гликолипидов 1,-3,3 %. Изучение сезонной динамики жирнокислотного состава глико- и фосфолипидов показало, что осенью и зимой в них снижется количество линоленовой кислоты и увеличивается содержание линолевой кислоты, а весной происходят обратные процессы [83].

Групповой состав липидов и жирнокислотный состав в различных частях одного и того же растения также неодинаков. Так, если в запасающих тканях высших растений (древесине, коре, зимующих почках, семенах) основную долю липидов составляют ацилглицерины, то в фотосинтезирующих тканях в больших количествах присутствуют полярные липиды (фосфо- и гликолипиды).

Например, в хвое сосны и пихты содержание фосфолипидов составляет 0,4-1,7 %, в побегах 0,8-1,4 % от массы абсолютно сухого сырья. В древесине же этих компонентов меньше 0,4-0,6 %. Изучение состава фосфолипидов хвои пихты сибирской свидетельствует о колебаниях их концентрации. Содержание фосфати-дилхолина 5-55 % фосфатидилэтаноламина 8-26 % и фосфатидилинозита -8-12 %. В почках лиственницы сибирской содержание фосфолипидов 0,35-1,6 % от массы сухого сырья. Гликолипиды в количестве 0,3-1,8 % обнаружены в хвое лиственницы [84].

Исследования различных органов березы повислой и пушистой, произрастающих в Карелии, показано, что их почки содержат в основном нейтральные липиды, различающиеся как по качественному составу, так и по количественному соотношению жирных кислот. Содержание ненасыщенных жирных кислот в почках березы повислой составляет около 90 %, в почках березы пушистой не превышает 60 % [85]. В липидах почек березы первого типа высоко содержание ко-роткоцепочечных кислот. Установлено высокое содержание ненасыщенных жирных кислот (главным образом пальмитиновой) в коре и, особенно, в древесине ствола [86].

26 Кора и луб также запасают жиры в довольно значительных количествах, однако гораздо меньших, чем их содержится в семенах. По данным Н.Е. Судачко-вой, содержание липидов в лубе шестилетних растений сосны, ели и лиственницы может достигать в зависимости от времени года от 2 до 10,5 %, а количество суммарных липидов в лубе лиственницы сибирской 150-летнего возраста от 0,8 до 4,0% [87].

Подробные исследования липидов камбия и луба лиственницы сибирской проводились Рубчевской Л.П., их групповой состав приведен в таблице 1.2. Для сравнения приведены данные группового состава липидов камбия и луба тополя бальзамического, произрастающих на территории Красноярского края [82,88,89].

Таблица 1.2 - Групповой состав липидов камбия и луба лиственницы

сибирской и тополя бальзамического

Состав нейтральных липидов камбия и луба лиственницы сибирской разнообразен и включает такие соединения как моно-, ди- и триацилглицеролы, стерины и их эфиры, свободные жирные кислоты, основными из которых являются триацилгицеролы. Их содержание в камбиальной зоне 0,4-2 % и лубе 0,1-0,9 % от массы сухого сырья. Тополь бальзамический отличается более высоким содержанием полярных липидов. В составе нейтральных липидов, также основными являются ацилглицеролы. Основную долю кислот триацилг-лицеролов составляют ненасыщенные кислоты ряда Cig. Общее количество не-насыщенных кислот составило 55,8 % от концентрата, а насыщенных 34,2 %.

Хорошо изучен состав коры осины и входящие в них кислоты. Обусловлено это тем, что осиновая кора является эффективным кормовых продуктом. Она при соответствующем измельчении, является грубым кормом, а извлекаемые из нее липиды - осиновый жир, представляет собой важную добавку к ра-

27 циону животных, имеющую высокую кормовую ценность. Максимальный выход липидов из коры осины составляет 10 %. В таблице 1.3 приведен групповой состав липидов коры осины [55,90].

Таблица 1.3 - Групповой состав липидов коры осины

При хранении коры установлено резкое возрастание количества свободных кислот, что вызвано омылением жиров под действием внешних факторов. При этом, естественно сокращается количество связанных кислот. Помимо приведенных выше компонентов в коре осины обнаружены кислоты с нечетным количеством атомов углерода, такие как маргариновая и генейкозоновая.

Наряду с кислотами и стеринами в липидах коры осины найдены следующие вещества: витамин Е - 0,07 %, фосфатиды - 0,70 %, хлорофилл - 1,4 мг %, Р-каротин — 1,6 мг %. Обнаружены в этой коре и ароматические кислоты: галловая, коричная, о-кумаровая, мета- и параоксибензойная, салициловая и меток-сикоричная [90].

Несмотря на большое варьирование жирнокислотного состава липидов, выделенных из различных частей дерева, в растительных жирах основными являются кислоты ряда Сіб-Сів. Липиды некоторых растений содержат значительные количества специфических (необычных), жирных кислот, характерных именно для данных растений: эруковая, элеостеариновая, паринариновая и

28 другие кислоты.

Большинство данных о содержании липидов относятся к эфирным экстрактам, содержащим кроме простых липидов значительное количество других веществ [23, 42, 49,81].

В работе [18] установлено, что для древесины и коры осины, произрастающей в различных климатических условиях Восточной Сибири, количество липидов в эфирных экстрактах составляет 4,1-7,2 % от сухой массы. Причем, с нарастанием контитентальности климата происходит снижение их массовой доли в коре и увеличение в древесине. Содержание липидов изменяется также по высоте ствола дерева: комель и вершина — 1,2 %, середина дерева — 0,75 %. В коре их содержание возрастает от комля к середине и незначительно снижается к вершине ствола.

Основная доля липидов коры осины приходится на нейтральные вещества (72-76 %), гликолипиды составляют 10 %, фосфолипиды - 15 % [41, 18, 50].

Групповой состав этанольных экстрактов листьев и побегов осины изучали Рощин В.И. с сотрудниками. Ими показано, что листья осины содержат в два раза больше липидных компонентов, чем побеги [91]. В составе нейтральных соединений установлено наличие углеводородов, спиртов, стеринов, воскообразных веществ. В коре ветвей на долю восков приходится 54 % [42], в листьях - 10 %, побегах - 20 % от исходного экстракта [91].

По содержанию липидов в других видах Populus в литературе имеются ограниченные сведения, в связи с этим изучение липидов тополя бальзамического является своевременным. Так, исследования почек тополя бальзамического показывают, что содержание суммарных липидов достигает 21-25 %. На долю нейтральных приходится до 50 %, фосфолипидов - до 2 % от суммы липидов в различные периоды годичного цикла развития дерева [82, 92]. Содержание гликолипидов в почках тополя бальзамического колеблется от 9,8 до 17,6 % от а.с.с. [93,94].

Нейтральные вещества почек тополя представлены различными соединениями. В их составе обнаружены углеводороды, эфиры стеринов, свободные жирные кислоты и их метиловые эфиры, ацилглицеролы. На долю последних

29 приходится более 50 % от суммы нейтральных соединений [95]. В составе жирных кислот идентифицированы олеиновая, линолевая, линоленовая, пальмитиновая, миристиновая, лигноцериновая и др. кислоты. В фосфолипидах почек тополя была обнаружена арахидоновая кислота, являющаяся биологически активным соединением [95, 96].

В самое последнее время у представителей растительного мира обнаружены вещества класса биологически активных соединений - простагландины. Первоначально простагландины были обнаружены в тканях животных и морских организмов. Особенно богата ими семенная жидкость человека. Проста-ноиды являются мощными биостимуляторами. Обладая широким спектром действия, они активно влияют на репродуктивную деятельность человека и животных, на функцию нервной и сердечнососудистой системы, играет важную роль в нормальной жизнедеятельности любого живого организма [97].

До семидесятых годов прошлого столетия считалось, что простаноиды присущи только животным организмам и а жизнедеятельности растений не играют никакой роли. Позднее, в липидах нескольких видов низших растений (мхах, папоротниках), у представителей голосеменных растений Gingo biliba и арахисовом масле было найдено значительное количество полиненасыщенных жирных кислот с четырьмя, пятью двойными связями [98-100], являющихся предшественниками простагландинов. Содержание арахидоновой кислоты в липидах растений Mnium euspidatum, Mnium medium Hylocomium и Splendens Pleurisium Schreberi, составляет 30-40 % [100]. В растениях полиеновые кислоты входят в состав фосфолипидов хлоропластов, таких как фосфатидилэтано-ламин, фосфатидилинозит и др. К этому же времени относится и обнаружение веществ с простагландиноподобной активностью в заметных количествах в трех видах тропических растений: сахарном тростнике (Saccharum bicinarum), бананах {Musa paradisiacal) и кокосовой пальме (Cocos nucifera Linn) [101]. Джанистин Б. [102] доказал наличие арахидоновой кислоты во фракции кислот чистого масла зародыша пшеницы. Высокомолекулярные непредельные жирные кислоты содержатся в пыльце травянистых растений. В пыльце клевера и гречихи содержание арахидоновой кислоты составляет 2,9 и 2,0 % соответст-

венно [103]. В липидах семях Helleborus abshasicus сет. Kanunculaceae обнаружена эйкозатриеновая кислота [104].

По данным Левина Э.Д. и др. в живых элементах тополя бальзамического и лиственницы сибирской содержатся простагландины (от 0,55 до 7,10-10"⁵ г/г а.с.с.) и арахидоновая кислота (0,16-5,34-в почке и 0,26-2,910"⁵ г/г а.с.с. - в камбии) [105-108]. Простагландины обладают самой высокой активностью среди всех известных в природе веществ. По характеру действия они, прежде всего, являются регуляторами биологических процессов, проходящих в живом организме. В последнее время в научной литературе появились сообщения о наличии арахидоновой кислоты в почках лиственницы сибирской (0,63-5,56 % от суммы кислот фосфолипидов) и березы [109].

Исследование арахидоновой кислоты и продуктов ее окисления имеют важное значение для выяснения истинной роли этих веществ в физиологических процессах, протекающих в древесных растениях и открывают новые источники для ее практического выделения.

1.2.2 Фенольные вещества древесных растений

К числу вторичных метаболитов относятся также фенольные вещества. В физиологически активных тканях высших растений фенольные соединения находятся в вакуолях в виде гликозидов. Местом синтеза фенольных соединений являются хлоропласты, они же и первичные компартменты фенольных соединений [ПО]. Освобождению и преобразованию имеющихся в клетке фенольных соединений способствуют стрессовые условия, они же стимулируют фе-нольный метаболизм, при котором увеличивается синтез производных кофейной и хинной кислот. Количество фенольных соединений возрастает при различных повреждениях: механическом, химическом, тяжелыми металлами, инфекцией. Образованию фенолов способствует также дефицит элементов минерального питания (бора, кальция, магния, фрсфора, калия и серы), в частности возрастает концентрация хлорогеновой кислоты. Жара, засуха и холод также влияют на выделение фенолов [111]. На синтез и выделение фенольных соеди-

31 нений влияют и многие другие факторы.

Установлено, что фенольные и близкие им ароматические соединения могут вызвать значительные изменения проницаемости и водообмена клеток [112]. Соединяясь с белками цитоплазмы, они влияют на водоудерживающие силы клеток.

В литературе имеется значительное количество работ, посвященных изучению фенольных соединений тополя, поскольку многие растительные фенольные соединения интересны с фармакологической и терапевтической точек зрения [4, 19,113,114]. Наиболее многочисленной группой природных фенольных соединений являются флавоноиды. Они принимают участие в фотосинтезе, образовании лигнина и суберина, в качестве защитных агентов в патогенезе растений [113].

В диссертационном исследовании Оразова О.Э. рассмотрены состав и накопление флавоноидов и таннидов у женских и мужских клонов видов рода Salix L. Для листьев изученных видов ивы идентифицировано 13 индивидуальных соединений флавоноидной структуры, основными из которых являются производные агликонов кверцитина, изорамнетина, кемферола, лютеолина и апегенина. Сделано предположение о связи состава флавоноидов с эколого-физиологической устойчивостью к газообразным поллютантам [115].

В работе [91] показано наличие в листьях и побегах осины бензойной, п-оксибензойной, ванилиновой, коричной, п-кумаровой кислот. Кофейная и феруловая кислоты, широко представленные в хвойных растениях, в экстрактах из осины не найдены.

Имеющиеся литературные сведения указывают на наличие в коре и почках тополей (белого, черного, лавролистного, душистого) фенолглюкозидов (5-9 %), фенолкарбоновых кислот (кофейная, феруловая, гидроксикоричная), флавоноидов, дубильных веществ (1,3-9 %). Ароматические кислоты представлены бензойной и коричной кислотами [48].

Так, при изучении ацетоновых и этанольных экстрактов почек тополей (P. nigra, P. trichocarga, P. grandidentata), произрастающих в Германии, идентифицирован ряд фенольных соединений - п-гидроксиацетофенон, диметил-

32 кофейная кислота, циннамоил-циннамат, ванилин и ряд флавоноидов — хризин, хризин-7-метиловый эфир, апигенин, галандин, 7-метилгаландин, 7-метилкем-пферол, кверцетин, 7-метилкверцетин и 3,7-диметил кверцетин, пиноцембрин, 7-метилпиноцембрин, 2,5-дигидрокси-7-метоксифлавонон и 2',6'-дигидрокси-4'метоксихалкон. В P. nigra было идентифицировано ранее неизвестное соединение — демитилалильный эфир кофейной кислоты [116].

При исследовании Populus tremula, P. tremuloides, P. grandidentata, произрастающих в Финляндии, обнаружены бензойная кислота и ее производные, а также ряд флавоноидов: дигидрокемпферол, нарингенин, кемпферол, кате-хин, таксифолин. Содержание флавоноидов в различных тканях варьирует от 11 до 43 мг/г для для P. tremula, от 12 до 62 мг/г для для P. Tremuloides и от 47 до 82 мг/г для P. grandidentata [117].

При исследовании фенольных соединений почек P. euphratica и P. lasio-сагра, произрастающих в Турции, методом хромато-масс-спектрометрии было показано наличие 59 компонентов, 37 из которых идентифицированы. Основными компонентами являются фенилпропаноидные кислоты - феруловая кислота (25 %), п-кумаровая кислота (13,8 %) и их моно- и диацетилглицерило-вые эфиры [40].

Поляковым В.В., изучавшим почки бальзамических тополей, произраставших в Северном Казахстане, показано наличие в составе полифенолов таких соединений как пиностробин, пиноцембрин, хризин, тектохризин, апигенин, кемпферол, кверцетин, мирицетин, галангин, изальпинин, изорамненин, рамнетин, 2,6-дигидрокси-4'-метоксихалкон и 4',6'-дигидроксихалкон. Общее содержание суммарных флавоноидов в почках тополя бальзамического по его данным составляет 1,96 % в пересчете на кверцетин. В составе почек тополя обнаружены также протокатеховая, галловая, транс-коричная, п-кумаровая, феруловая и кофейная кислоты. Этим же автором получены некоторые данные о связи строения и противоопухолевого действия в ряду флавоноидов, халко-нов и продуктов их модификации. Гидроксилированные флавоны обладают противоопухолевым действием, причем действие их усиливается у флавонолов с тремя гидроксилами [21].

В работах ряда авторов из Самарского государственного медицинского университета, изучавших химический состав различного вида тополей (канадского, бальзамического, лавролистного, черного, душистого), отмечено, что во всех исследованных образцах почек высоко содержание флавоноидов. Суммарное количество фенилпропаноидов (флавоноидов и гидроксикоричных кислот) для тополя бальзамического составляет 34,6-35,2 %, канадского — 30,2 %, черного — 24,4 % от массы сухого сырья [118]. Среди флавононов идентифицированы пиностробин и пиноцембрин, флаванонолов - альпинон, пинобаксин, популигенин, флавонов — хризин и тектохризин, флавонолов — галангин, изаль-пинин, 7,3'-диметилкверцетин, также халконы и дигидрохалконы. В составе гидроксикоричных кислот почек тополя бальзамического, черного, канадского обнаружены кофейная, п-кумаровая, феруловая и 3,4-диметоксикоричная. В почках тополя лавролистного, душистого обнаружили лишь две кислоты, причем в первых видах доминирует кофейная, а во вторых — коричная кислота [119].

Результаты количественной оценки пиностробина показали, что наиболее высокое содержание этого компонента имеет место в почках тополя лавролистного (4,96 %) и тополя бальзамического (5,30 %) , а минимальный уровень отмечен в почках тополя канадского (0,32 %). Содержание пиноцембрина в почках тополя бальзамического составляет 0,6 — 1,4 % [17, 118].

Сравнительное изучение почек некоторых дикорастущих сибирских и дальневосточных видов тополя, а также новых гибридных и полиплоидных форм растений, полученных в Центральном Сибирском ботаническом саду СО РАН свидетельствует о том, что между содержанием фенилпропаноидов и пиностробина нет строгой зависимости. Во всех исследованных образцах почек сибирских видов и форм тополя, отмечено сравнительно низкое содержание пиностробина, но более высокое содержание его халконового аналога по сравнению с таковыми в почках видов тополя, произрастающих в европейской части России [120].

Почки березы повислой являются официальным сырьем, спиртовые настои которых применяются как диуретическое, желчегонное и бактерицидное

34 средство [121]. Установлено, сто в спиртовом экстракте преобладают флавано-ны (12 %), флавоны (10 %), флавонолы (16 %). Среди выделенных соединений встречаются моно-, диметоксилированные и гидроксилированные флавоноиды [122, 123].

Флавоноиды в зависимости от структуры различно влияют на организм человека. Они оказывают сосудорасширяющее, бактерицидное, противовоспалительное действие, проявляют диуретиеский эффект [124] . Возможно, именно благодаря наличию флавоноидов спиртовые вытяжки из почек березы и тополя обладают лечебными свойствами.

1.2 3 Эфирные масла растений

Обсуждение экстрактивных веществ биомассы растений не будет полным без рассмотрения основной их группы, входящей в состав так называемой смолы. Термин древесная смола, или смолистые вещества используют в химической технологии древесины для обозначения смол ксилемы, имеющих промышленное значение. Под смолой подразумевают гидрофобные вещества, растворимые в нейтральных неполярных растворителях, таких как этиловый и петролейный эфиры. К ним относятся терпены, смоляные кислоты, жирные кислоты и их сложные эфиры, различные спирты, углеводороды и другие нейтральные соединения, связанные с этими веществами. Этот термин применим как к экстрактивным веществам хвойных пород древесины, так и лиственных пород, хотя последние не содержат смоляных кислот.

Эфирные масла, смоляные кислоты и другие производные терпенов относятся к группе соединений, известных под названием терпеноиды.

Терпеноиды (изопреноиды) — углеводороды, построенные из различного числа изопреновых единиц. Кроме названных эфирных масел и смол к этой группе соединений относятся каротиноиды и каучук.

Эфирные масла представляют собой смесь веществ. Всего из эфирных масел выделено около 1000 органических соединений. Среди них насыщенные и ненасыщенные, ароматические, терпеновые, сесквитерпеновые, моно- и би-

35 циклические углеводороды и их кислородсодержащие производные — спирты, альдегиды, кетоны, простые и сложные эфиры, кислоты, лактоны, а также гетероциклические соединения. В некоторых эфирных маслах присутствуют фенолы. Однако, наиболее характерным компонентом эфирных масел являются терпены, главным образом монотерпены и сесквитерпены. Монотерпены представляют собой летучие эфирные масла, определяющие запах растений. Сесквитерпены играют меньшую роль в формировании запаха, но это самая обширная группа среди известных терпенов.

К терпеноидам относятся также растительные гормоны: абсцизовая и гиб-берелловая кислоты и стероиды. Большинство исследователей считают, что все этапы биосинтеза терпенов протекают в самих секреторных клетках [125, 126]. Эфирные масла всегда вызывали у исследователей большой интерес [127 -129]. В нашей стране интенсивное развитие научных исследований по эфиромас-личным растениям и эфирным маслам начались в 20-х годах прошлого столетия. Вышли в свет книги Вульфа Е.В. [28 Щ, Демьянова Н.Я. [130], Рутовского Б.Н. [131]. Обилие накопившейся информации наталкивало исследователей на путь обобщения, поиска ответов на вопросы об образовании и функции эфирных масел, изменении их состава по фазам развития растений.

Еще в начале 20 века Е. Шарабо с соавторами [132-134] обратили внимание на изменение состава эфирных масел в процессе развития ряда растений и предположили, что здесь имеет место преобразование одних компонентов в другие, родственные исходным. Эфирные масла, образовавшись в зеленых частях растений, «перетекают» к другим органам и расходуются теми как энергетический материал. Затем генетически близкие компоненты эфирных масел претерпевают взаимные окислительно-восстановительные превращения, которые имеют определенную направленность в соответствии с фазами развития растения.

Впоследствии было высказано много гипотез относительно путей образования эфирных масел. Нилов В.И. [135], Львов С.Д. [136], Варенцов В.И. [137-139] в своих работах приблизились к раскрытию механизма видимых изменений состава эфирных масел в растениях, однако они еще не располагали

36 данными об избирательности потерь отдельных компонентов, связанных со степенью растворимости их в воде и степенью диффузии через мембраны и клеточные оболочки.

Постепенно было накоплено огромное количество чрезвычайно ценных экспериментальных данных, анализируя которые не трудно заметить, что авторы отдельных исследований нередко приходят к противоречивым выводам в вопросах о местах образования эфирных масел и степени их использования растениями, причинах изменения их состава в онтогенезе, возможности и потерь в атмосферу.

Кустова С.Д. [140] и Танасиенко Ф.С. [141] дают следующее определение эфирных масел. Эфирные масла — летучие, в подавляющем большинстве жидкие вещества, находящиеся во многих растениях и обуславливающие их запах. В растениях эфирные масла чаще находятся в свободном состоянии, реже - в связанном, в виде гликозидов. По химической природе они представляют смеси, состоящие из различных классов органических соединений.

Терпеноиды составляют основную часть эфирных масел. Химии этих соединений посвящены монографии Симонсена И.Л. [142], Никитина В.М. [143], П де Майо [144], Пигулевского Г.В. [145], Пентеговой В.А. и Ралдугина В.А. [146], Племенкова В.В. [147].

Накапливаются эфирные масла в эфиромасличных вместилищах (экзогенных и эндогенных), хотя, по мнению ряда авторов, не исключена возможность их повсеместного распространения в тканях растений [136,148,149]. По мнению Васильева А.Е. [125], терпены накапливаются в виде капель, которые затем «одеваются» мембраной.

Вульф Е.В. [148] утверждает, что в большинстве все части одного растения содержат масла одинакового состава, но бывают случаи, когда различные органы растения содержат масла, резко отличающиеся по составу. Позднее Нилов В.И. [150,151] установил, что одни и те же органы, например листья, в зависимости от их положения на растении содержат эфирные масла, отличающиеся по составу и соотношению компонентов. Полученные нами данные для тополя бальзамического показывают, что эфирные масла почек, побегов и ли-

37 стьев имеют практически одинаковый состав, но разное соотношение компонентов [152].

Способность к образованию эфирных масел у живых организмов возникла одновременно с возникновением жизни на земле. Однако место метаболизма терпеноидов в общем синтезе и роль эфирных масел до сих пор не выяснены.

Тинасиенко Ф.С. [141] утверждает, что наряду с белками, углеводами, липидами, эфирные масла играют важную роль в обмене веществ растения. Другие авторы [153] считают, что низкомолекулярные терпены легко испаряются и привлекают насекомых к пыльце цветов и тем самым способствуют опылению. Однако этим трудно объяснить присутствие терпеноидов в листьях, хвое и древесине.

Демьянов В.А. [154], Грегори [155] и Степень Р.А. [156] говорят о том, что значение терпеновых углеводородов, и в частности некоторых сесквитер-пеноидов, в большинстве определяется экологическими свойствами: защитой растений от болезней, от насекомых-вредителей. По мнению ряда авторов, количество и состав выделяющихся терпенов является показателем устойчивости растений к стрессам. В частности устойчивые и неустойчивые виды хвойных отличаются разным содержанием монотерпенов [53, 157,158].

Терпеноиды долгое время рассматривались как экскреты, то есть конечные продукты обмена веществ в растениях. По мнению Р.И. Томчук и Г.Н. Томчук [159] эфирные масла являются продуктами распада и отбросами жизнедеятельности растений.

В научной литературе имеются работы, которые указывают на вероятное участие терпеноидов в метаболизме растений. Так, Быховский Е.Г. [160] наблюдал монотонное обновление терпенов на протяжении вегетационного периода, однако средняя продолжительность жизни терпенов примерно в десять раз больше, чем активных метаболитов — Сахаров и хлорофилла. Следовательно, обмен веществ с участием терпенов происходит очень медленно.

Сурож О.И. [64] и Демьянов Н.Я. [154] считают, что синтез терпеноидов в зеленых растениях строго локализован в определенных субклеточных струк-

38 турах, Терпеноиды, находящиеся вне хлоропластов, синтезируются вне хлоро-пластов. Терпеноиды, находящиеся внутри хлоропластов, синтезируются внутри хлоропластов. Биосинтез хлоропластных терпеноидов с больщоей легкостью идет на свету. В последние годы получены данные о синтезе терпенов в специализированных пластидах, где обнаружен фермент фотосинтеза [125, 161]. При благоприятной температуре эфирные масла через клеточную оболочку и кутикулу диффундируют в атмосферу.

Основоположником гипотезы о последовательном превращении компонентов эфирных масел на пути от менее к более сложным является Е. Шаработ [133]. Выдвинутая им гипотеза основывается на структурном родстве компонентов эфирных масел и на возможности их взаимодействия, наблюдаемого в лабораторных условиях. Во времена Е. Шаработ возможности исследователей были ограничены, и намеченные схемы преобразований включали лишь немногие широко известные компоненты. Современные методы газохроматогра-фического и спектрального анализов, раздвинув предел видимости исследователей, дали возможность рассмотреть десятки новых соединений, что привело к усложнению схем.

Компоненты эфирного масла способны к реутилизации и вторичному использованию в метаболизме [162]. Многие терпеноиды — гиббереллины, абс-цизовая кислота - обладают гормональной активностью. Моно- и сесквитерпе-нам часто приписывают роль аллелопатического фактора во взаимоотношениях растений. Установлено, что монотерпены могут являться ингибиторами. Особенно активными ингибиторами оказались карвон, а-терпинен и лимонен [35].

Биосинтез терпеноидов подчиняется «изопреновому правилу», сформулированному Ружечкой [163]. В соответствии с ним синтез идет из изопрено-вых единиц по ацетатно-мавалоновому пути. Мевалоновая кислота синтезируется в лейкопластах из Сахаров. В дальнейшем из нее образуются фосфорили-рованные промежуточные соединения: сначала изопренилприрофосфат (активный изопрен), из которого происходят все изопреноидные соединения. Путем

39 конденсации молекул изопренилпирофосфата образуются соединения, содержащие от двух до нескольких тысяч изопреновых единиц [147].

Несмотря на усилия биохимиков в вопросах о путях синтеза эфирных масел, их преобразовании, составе и использовании растениями, остается очень много неясного. Следует отметить, что прямых экспериментальных данных, подтверждающих ту или иную роль терпеноидов, очень немного, их физиологическая роль, по сути дела, лишь предполагается.

На сегодняшний день достаточно широко исследуются эфирные масла лекарственных трав и цитрусовых [164-173]. Что же касается древесных пород, то по имеющимся в литературе сведениям достаточно широко изучены эфирные масла хвойных.

По данным Ягодина В.И. [174], содержание эфирных масел в древесной зелени различных хвойных пород колеблется и составляет 0,1-0,2 % для сосновой, 0,96 - 2,35 % кедровой, 2,5 - 5,0 % пихтовой, 0,3 - 0,8 % лиственничной древесной зелени. Эти представители хвойных различаются не только по содержанию эфирных масел, но и по их качественному и количественному составу.

Основную часть хвойных эфирных масел составляют монотерпены. Горностаевой Л.И. [175, 176] установлено, что в маслах кедра сибирского содержание этой группы веществ наибольшее и составляет 90,4% от масла. В пихте их концентрация невысока (60,48 %) по сравнению с кедром, лиственницей сибирской (84,95 %), сосной (72,26 %) и елью (71,36 %).

Обращает на себя внимание тот факт, что эфирное масло сосны содержит сескитерпеновых углеводородов (15,8%) почти в 2 раза больше, чем остальные изученные породы. Концентрация кислородсодержащих соединений в древесной зелени пихты и ели в 2-3 раза выше (32,2 и 20,8 % соответственно), чем в сосне и лиственнице (8,3 и 9,3 % соответственно) и в 5-9 раз (3,4 %), чем в древесной зелени кедра.

Индивидуальный состав эфирных масел хвойных также различен. Г.А. Кайль и Л.И. Горностаева [177, 178] установили, что во всех маслах в больших количествах содержится а-пинен. В сосновой и особенно в кедровом масле а-

40 пинен является превалирующим компонентом (36,8% и 58,0% соответственно). В пихтовом и еловом маслах содержится большое количество камфена (23,1 и 19,3 % соответственно) и трициклена (1,96 и 1,86 % соответственно). Кедровое масло отличается высоким содержанием в монотерпеновой части Р-фелландрена (10,8%) и очень малым содержанием А³- карена (7,8%). Большую часть эфирного масла лиственницы сибирской составляет А - карен (62,5 % от суммы монотерпенов или 53,1 % суммарного масла). На это также указывали и другие авторы [179, 180].

В работах [181-183],^освященных изучению внутригруппового состава сесквитерпеновых углеводородов хвойных эфирных масел, идентифицированы моно-, би-, три- и тетрациклические углеводороды, относящиеся к различным структурным типам. Отмечено значительное количество а- и у-муролена, ка-риофиллена в сесквитерпеновой фракции масел всех исследованных пород. В сесквитерпенах эфирного масла сосновой древесной зелени большую долю составляют углеводороды «кадалиновой группы» (только а- и у-муролены составляют более 67 % от суммы сесквитерпенов). Для древесной зелени кедра характерно высокое содержание бизаболена и Р-гумулена наряду с углеводородами кадалинового типа (а- и у-муролен, иланген, 5-кадинен). Особеннно большое количество бизаболена обнаружено в пихтовом масле (45 % от суммы сесквитерпенов или 30 % от суммарного масла). Следует отметить, что оно также отличается и наибольшим содержанием кариофиллена.

Основными компонентами лиственницы являются а-муролен, Р-гумулен и кариофиллен. Сесквитерпены эфирных масел ели имеют более равномерный состав и представлены углеводородами различных типов. Превалирующим является лонгифолен (29,2 % от суммы сесквитерпенов).

Пентегова В.А. [183], Репях СМ., Рубчевская Л.П. [184] при изучении кислородсодержащих соединений установили, что основную их часть, особенно в еловом и пихтовом маслах, составляет борнилацетат (15,6 и 29,6 % соответственно). Наибольшее количество кислородсодержащих соединений обнаружено в эфирных маслах пихты и ели (32,2 и 20,1 % соответственно). Эфир-

41 ное масло древесной зелени ели отличается относительно высоким содержанием камфары (2,4%).

Черчес Х.А. [186] в сосновом масле обнаружил сесквитерпеновые спирты: 8-кадинол и бизаболол. Их содержание составляет 2,7 % от масла при общем содержании кислородсодержащих соединений 8,3 %. Эти же спирты в следовых количествах присутствуют в масле кедра, 5-кадинол — масле лиственницы.

Проведенный анализ литературы показывает, что эфирные масла изученных пород существенно отличаются по содержанию и составу различных групп компонентов.

Качественный и количественный состав эфирных масел лиственных пород, по сравнению с представителями хвойных, изучен мало, за исключением эфирных масел плодовых деревьев, в частности цитрусовых [173, 186] и березы. Так, Степень Р.А., Вершняк В.М. установили, что содержание эфирных масел в почках березы составляет от 3 до 8 %. Наиболее богаты эфирным маслом почки березы пушистой, где превалирующими компонентами являются бор-нилацетат, бетуленолы, и кадинен. До 50 % компонентов не идентифицированы. В листьях березы масло содержится лишь в виде следов (0,04 - 0,8 %), а в тонких необлиствленных ветвях его содержание несколько выше (0,17-0,29 %). [187, 188].

Сеновым П.Л. [189], Колесниковой Р.Д. [190] установлено, что главными компонентами почек березы повислой являются а -бетуленилацетат (29,1 %) и кариофиллен (23,8 %). В заметном количестве присутствует гумулен (5,8 %), кариофилленоксид (6,5 %), а-бетуленол (4,7 %), и р-бетуленол (6,5 %), а также терпеновые углеводороды (4 %) и спирты (8 %), парафины (2,5 %) [167, 191].

По данным Фуксман И.Л. [35], изучавшей элементы фитомассы осины (кора, древесина, ветви), во всех исследованных образцах обнаружено незначительное количество эфирного масла (до 0,02 % от массы сухого сырья). Из 41 компонента идентифицированы только 6, относящиеся к монотерпеновым углеводородам.

Данные, касающиеся содержания и состава эфирных масел, выделенных

42 из различных элементов биомассы тополя, также носят фрагментарный характер. В ряде работ [29, 49] показано наличие эфирных масел в почках тополей: черного (0,5 %), корейского (2,8 %), бальзамического (2 %).

Исследованиями почек тополя черного и бальзамического, произрастающего в Польше, показано наличие в составе гексановых экстрактов соединений, относящихся к сесквитерпеноидам, таких как а-, Р-, у-эвдесмол (3,0 и 9,1 % соответственно), гумулен, кариофиллен, куркумен и др. [41]

Поляковым В.В. при исследовании эфирного масла, полученного методом гидродистилляции из апрельских почек тополя бальзамического, произрастающего в Северном Казахстане (Петропавловск), методом ГЖХ установлено наличие 75 соединений, 30 из которых идентифицированы. Основными компонентами являются цис-неролидол (21,4 %), гермакрен Д (11,4 %), фарнезол ЕЕ (5,8 %), сабинол (5,4 %), а-, Р-бисаболол (5,0 %), Р-, у-эвдесмол (4,6 %). Доля кислородсодержащих соединений составляет 52,8 %, монотерпенов -11 % [21].

В работе Зверяченко Т.С. [49] содержатся несколько иные данные. В составе эфирного масла, полученного баротермическим методом из аналогичного сырья, показано наличие 150 компонентов, 16 из которых идентифицированы. Указано, что углеводороды составляют около 70 % и представлены в основном ациклическими (фарнезен) и моноциклическими (тип бизаболана и тип гуму-лана) сесквитерпенами. В значительных количествах присутствуют сесквитер-пеновые спирты: фарнезол — 12 % и бизаболол - 10 %.

Влияние различных факторов на содержание и состав эфирных масел. Факторы, влияющие на содержание и состав эфирных масел, наиболее полно изучены на примере хвойных [193-195].

Состав эфирных масел изменяется в онтогенезе и в зависимости от вида растения. Динамика их содержания у различных растений неодинакова. Изменяется не только количество масла, но и его качественный состав. Ю.А. Акимов [196] установил, что в тканях хвойных эфирное масло максимально накапливается в июле, а к концу вегетации и в период фенологической паузы его количество постепенно снижается. В начале вегетации следующего года количе-

43 ство эфирного масла в хвое увеличивается, тогда, как в ветках продолжает уменьшаться.

Содержание эфирного масла зависит также от почвы, климатических условий и времени года, влажности и возраста растений.

Чудный А.В. и Проказин Е.П. [197] изучали эфирное масло сосны и пришли к выводу, что качественный состав эфирного масла одинаков и не зависит от района произрастания, количественное содержание, особенно а- и Р~ пинена, А - карена, различно. Дальнейшие исследования [198] позволили установить, что состав масел в пределах дерева не изменяется. Сезонные изменения происходят в хвое первого года и в период активного роста и развития иглы, а затем стабилизируется в течение остальной части жизни.

При изучении лиственницы сибирской сотрудниками СибГТУ установлено, что накопление эфирного масла происходит к концу периода вегетации, при этом основную часть составляют монотерпеновые углеводороды до 93 % [184, 199]. К концу лета процессы образования терпенов становятся менее интенсивными. Преобладающими здесь являются процессы гидратации и этери-фикации, в результате чего увеличивается доля кислородсодержащих соединений. По мере развития тканей наблюдалось снижение содержания р—фелланд-рена в эфирном масле. В октябре, когда хвоя уже опала и дерево готовится к периоду покоя, в эфирных маслах побегов несколько снижается содержание кислородсодержащих соединений и увеличивается количество пиненов.

Динамика содержания эфирных масел в почках тополя бальзамического была впервые изучена нами. Исследования показали, что также как и в лиственнице, количество эфирных масел увеличивается в период вегетации. Содержание их в течение годового цикла развития дерева изменяется с 1,7 % до 11 %. Отмечается два максимума: осенний (октябрь) и весенний (апрель) [200].

О влиянии других факторов на выход и состав эфирных масел, таких как географическая [194, 195], суточная [197.201,202] и индивидуальная [193,195] изменчивость имеется достаточно сведений только об эфирных маслах хвои-

44 ных и практически отсутствуют сведения о влиянии этих факторов на эфирные масла лиственных пород, в частности рода Populus.

Анализ литературных данных показал, что при определении массовой доли эфирного масла в хвое и охвоенных побегов всех хвойных пород наиболее значительна индивидуальная изменчивость, несколько меньше — географическая. Влияние суточной, сезонной, возрастной изменчивости проявляется в меньшей мере и примерно на одном уровне.

Таким образом, приведенные литературные данные доказывают, что в течение года не зависимо от породы дерева изменяется не только содержание эфирных масел, но и соотношение отдельных компонентов

Сотрудниками СибГТУ [185] изучено изменение содержания и состава эфирных масел древесной зелени пихты в зависимости от периода заготовки и условий ее хранения. Исследования показали, что заметное увеличение содержания эфирных масел наблюдается на вторые сутки хранения. Этот факт объяснен тем, что эфирное масло обладает свойствами «залечивать раны», нанесенные дереву во время рубки. Поэтому в первые сутки идет интенсивное выделение эфирный масел. Затем на протяжении нескольких суток, в зависимости от времени года, содержание масла практически не менялось. В ноябре этот период составляет 17 суток, в апреле 12 суток в мае 9 суток, в июле — до шести суток хранения. В ноябре содержание эфирного масла, по сравнению с первоначальным, при хранении увеличивается на 30 %. Для весенних месяцев характерно следующее увеличение: в апреле - на 10 % , мае — на 28 %, а летом -почти в 2 раза. Далее происходит резкое снижение содержания эфирного масла для всех исследованных образцов. Содержание эфирного масла в древесной зелени, отобранной в ноябре, уменьшилось через 30 суток хранения на 10 %, через два месяца - на 20 % и достигло своего первоначального значения спустя 5 месяцев хранения. Для весенне-летнего периода характерно более резкое снижение содержания эфирного масла. Первоначальная концентрация достигается на 23-е и 11-е сутки хранения соответственно. То есть, при переработке древесной зелени с целью получения эфирных масел лучше заготавливать ее осе-

45 нью и хранить можно до весны. При заготовке весной и летом рекомендуется хранить сырье не более 6-ти суток.

При изучении влияния продолжительности хранения сырья на качественный и количественный состав эфирных масел установлено, что во всех случаях, за исключением осенне-зимнего периода, содержание наиболее ценного компонента — борнилацетата, при хранении выше, чем в эфирных маслах исходной древесной зелени. Поэтому для получения эфирных масел следует всегда учитывать время заготовки и срок хранения.

Таким образом, имеющиеся в литературе сведения не дают целостной картины состава экстрактивных веществ и эфирных масел вегетативной части тополя бальзамического, так как касаются только отдельных групп экстрактивных веществ. Остается неизвестным, как влияет на состав экстрактивных веществ время заготовки и условия хранения сырья.

В связи с этим продолжение исследований химического состава тополя является актуальной задачей.

1.3 Способы переработки растительного сырья

Перспективным направлением переработки биомассы растений является химическая переработка, позволяющая комплексно получать значительный ассортимент продукции. Традиционными продуктами на рынке являются эфирные масла, хлорофилло-каротиновая паста, воска и др., получаемые при переработке древесной зелени хвойных.

1.3.1 Извлечение экстрактивных веществ с использованием

органических растворителей

Создание современного лечебного или косметического препарата невозможно без глубокого знания биохимических процессов и современных технологий выделения действующих веществ из растительного сырья. В зависимости от поставленных целей возможно как выделение индивидуальных, глубоко

46 очищенных соединений, так и суммарных комплексов биологически активных веществ с полным сохранением их нативных свойств. В этих целях используются как традиционные, хорошо зарекомендовавшие технологии, так и новые технологические процессы. Основным технологическим приемом, используемым в лесохимии для выделения биологически активных веществ из растительного сырья, является процесс экстракции.

Технология переработки древесной зелени заключается в извлечении из измельченного сырья различными растворителями биологически активных веществ, их концентрирование и использование в качестве конечного продукта или как сырья для выделения соединений с ценными свойствами. Все существующие технологические схемы можно подразделить на непрерывные и периодические с использованием в качестве экстрагента воды, водяного пара, полярных или неполярных растворителей.

Перед экстракцией растительного сырья его сортируют, очищают от примесей и измельчают. Измельчение позволяет разрушить клетки растения и освободить биологически активные вещества, а также увеличить поверхность фазового контакта между экстрагентом и растительной массой. Такая обработка позволяет экстрагенту проникнуть во все части сырья, не ухудшая его дренажных свойств. В этих целях применяются различные мельницы, корморезки, вальцы, дезинтеграторы, дисмембраторы и др. Применяя ультрадиспергирование, криотехнологии можно достичь очень тонкого измельчения с повреждением клеточных стенок, что ускоряет процесс экстракции и полноту извлечения экстрактивных веществ в несколько раз. Однако при этом значительно возрастает гидродинамическое сопротивление, особенно при использовании водных растворителей, когда возможно разбухание растительного сырья [203,199].

Традиционные процессы извлечения биологически активных веществ из растительного сырья основаны на процессах перколяции или мацерации - последовательном вытеснении экстрактивных веществ в диффузионной батарее или реакторе с мешалкой. В настоящее время предложены разнообразные конструкции экстракторов, в наиболее совершенных экстракторах использованы такие приемы как противоточная экстракция, градиентная экстракция, экстрак-

47 ция в сочетании с фильтрацией и др. [204].

Концентрирование биологически активных веществ осуществляют как с помощью отгонки, экстракции различными растворителями, кристаллизации примесей, так и с помощью упаривания растворителя. Процесс упаривания осуществляют при атмосферном давлении или под вакуумом. Упаривание растворителя под вакуумом дает возможность проводить процесс при более низких температурах, что важно в случаях концентрирования растворов веществ, разлагающихся при повышенных температурах. В этих целях применяют вакуум-циркуляционные аппараты, роторные испарители и различные пленочные сушилки. К перспективным методам относится криоконцентрирование, лио-фильная сушка, в которых используется принцип возгонки растворителя. Упаривание при этом происходит в особо мягких условиях, что позволяет сохранить тонкую структуру биологически активных веществ (например, ферментов, белков и пр.).

Досушивание сгущенных экстрактов осуществляют в сушилках различной конструкции. Предпочтительно использование бесконтактных сушилок, в которых процесс досушивания осуществляют с помощью газообразного теплоносителя, обычно горячего воздуха. Перспективна тонкопленочная сушка, сушка в псевдоожиженном слое, распылительная сушка, сушка в сочетании с фильтрованием и пр. [203].

Эффективность экстрагирования существенно зависит от аппаратурного оформления процесса. При извлечении биологически активных веществ в аппаратах с интенсивным массообменом — дисковых экстракторах, а также ро-торно-пульсационных аппаратах - существенно повышается выход экстракта и снижается продолжительность и температура экстрагирования [204]. Но их применение связано с рядом трудностей, возникающих при эксплуатации.

Использование аппаратов периодического действия оправдано в тех случаях, когда объем перерабатываемого сырья невелик. Немаловажным фактором является простота обслуживания и ремонта аппаратуры [36,205].

Однако эффективность процесса экстрагирования не ограничивается выбором технологического режима, аппаратурным оформлением процесса, она

48 существенно зависит от выбора растворителя.

К растворителям предъявляется ряд требований: быть высокоселективными по отношению к целевым компонентам, легко отгоняться из мицеллы, растворитель должен быть нетоксичным, пожаровзрывобезопасным, химически инертным.

Учеными Таллинского политехнического института исследовалась экстрагирующая способность хлорорганических растворителей (трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, четыреххлористый углевод), а также бензола. Выяснено, что их экстрагирующая способность более чем в 1,5 раза превышает экстрагирующую способность бензина. Однако указанные растворители не пригодны для промышленного использования из-за повышенной горючести и токсичности [206,207]. Трихлорэтилен применялся в качестве экстрагента при производстве хвойной пасты на предприятиях Эстонии и Украины в 70-е годы прошлого столетия.

СИ. Ладинская и Ф.А. Медников отмечают, что высокой экстрагирующей способностью обладают ацетон, диоксан, этиловый и изопропиловые спирты [208].

Финские ученые изучали экстрагирующую способность различных растворителей (бензин, диэтиловый эфир, ацетон, этанол, спиртобензольная смесь 1:1). Наибольшей растворяющей способностью обладают ацетон, этанол и спиртобензольная смесь (для еловой хвои). Спиртобензольная смесь наиболее эффективно выделяет липиды и терпеноиды и дает возможность начинать экстрагирование без предварительной сушки древесной зелени [209].

Для экстракции неполярных и малополярных веществ из растительного сырья могут применяться сжиженные газы: хлор и фторсодержащие углеводороды [хладоны, С(Н, CI, F)2_n+2]> диоксид углерода (С0₂), пропан (СзН₈), бутан (С4Н10). Они не токсичны, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, по-жаро- и взрывобезопасные (исключение составляют пропан и бутан). Мягкие температурные условия испарения растворителей из экстрактов позволяют сохранить от разрушения термолабильные соединения. Сжиженные газы извлекают эфирные и жирные масла, производные кумаринов, каротиноиды, токо-

49 феролы, сесквитерпены, терпеноиды, стерины, хлорофиллы, алкалоиды и ряд других природных соединений, практически не извлекают водорастворимых веществ (полисахариды, белки, фенольные соединения и др.). К недостаткам этого метода относятся значительные затраты на производство экстрагента при больших потерях его в процессе экстракции (20-50 % от емкости экстрактора), а также высокое давление в экстракторах и вследствие этого необходимость изготовления специального оборудования [210-212]. Технология экстракции жидким диоксидом углерода эффективна только в случае непосредственного применения получаемого экстракта. Вместе с тем, экологическая нейтралность и пожаробезопасность процесса наряду с низкой температурой экстрагировния позволяют предположить включение экстракции в технологические схемы переработки растительного сырья.

Для получения производных хлорофилла ряд авторов рекомендуют применять в качестве экстрагента изопропиловый спирт, а также ацетон, этилаце-тат и другие растворители [36, 213].

Из органических растворителей в настоящее время нашли промышленное применение только бензин БР-1 и БР-2. Однако применение бензина имеет свои недостатки: близкие значения температур кипения бензина и экстрагируемого вещества усложняет стадии разделения и отгонки растворения; присутствие в экстракционном бензине, непредельных соединений, продуктов полимеризации и конденсации, образующихся в процессе переработки мисцеллы и не удаляемых в процессе регенерации. Биологически активные вещества, полученные из бензиновых экстрактов, значительно отличаются по свойствам от нативных и могут обладать токсичными свойствами, что ограничивает области их применения.

В настоящее время бензин используется в производстве при переработке древесной зелени хвойных с получением хвойной хлорофилло-каротиновой пасты, хвойного воска и эфирного масла, хлорофиллина натрия, бальзамической пасты и провитаминного концентрата [36, 199, 214].

Применение исключительно бензина сопровождается неполным извлечением и использованием содержащихся в древесной зелени компонентов.

В настоящее время предложен целый ряд способов комплексной переработки древесной зелени методами последовательной экстракции водой и бензином. Однако двухстадийная экстракция, исследованная как в периодическом, так и в непрерывном режиме не нашла применения в цехах по комплексной переработке древесной зелени. В НПО "Силава" был разработан экспериментальный проект завода с последовательной бензино-водной экстракцией. Из приведенных основных технико-экономических показателей следует, что экономическая эффективность производства при введении такой экстракции снижается [36].

Изучение процесса извлечения экстрактивных веществ из хвойной древесной зелени различными экстрагентами показало перспективность применения для этой цели гидрофильных растворителей - низкомолекулярных спиртов. Спирты обеспечивают увеличение выхода суммарного экстракта в 4 - 6 раз по сравнению с используемыми в настоящее время гидрофобными экстрагентами (бензин и др.) [215, 216]. Аналогичные зависимости установлены и для древесной зелени лиственных пород. Достаточно наглядно это продемонстрировано в работах [91, 217]. Так, наибольшее количество экстрактивных веществ из почек березы повислой извлекается спиртами (бутанол - 49 %, этанол - 52 %), наименьшее — углеводородными экстрагентами (пентан — 15 %, петролей-ный эфир - до 28 %). Из листьев осины этанол извлекает 23 % экстрактивных веществ, петролейный эфир -6%, диэтиловый эфир - 7 %.

Таким образом, анализ литературных данных показывает, что наибольшее количество веществ извлекается полярными растворителями, в частности спиртами [79, 105]. Так, было показано, что разбавленным изопропанолом (55 — 60 %) из древесной зелени хвойных извлекается наибольшее количество экстрактивных веществ. Выход жирорастворимых веществ с повышением концентрации спирта от 60 до 100 % увеличивается в 2 раза, а водорастворимых, напротив, уменьшается в 1,5 раз [212].

В работах [216, 218, 219] показана целесообразность использования этилового спирта различной концентрации для извлечения биологически активных веществ. Этот растворитель извлекает до 90 % липидных компонентов, т.к.

51 он разрушает комплексы их с белками, растворяет их и дезактивирует ферменты, вызывающие расщепление липидов.

Этиловый спирт как экстрагент имеет следующие преимущества: не образует вредных соединений с экстрагируемым веществом, не вызывает коррозии оборудования, доступен как многотоннажный продукт химической промышленности, имеет относительно низкую температуру кипения (78 С). Диэлектрическая постоянная его может быть изменена в больших пределах, и это позволяет экстрагировать широкий круг веществ. В это же время, этиловый спирт является достаточно хорошим консервантом и экологически безопасен. Это позволяет использовать полученные на его основе препараты как в пар-фюмерно-косметической промышленности, так и в медицине [212, 220].

Последующее фракционирование спиртовых экстрактов, опираясь на схему, разработанную В.И.Рощиным [211], позволит сконцентрировать группы компонентов, различающихся по классам органических природных соединений.

Исходя из вышеизложенного, для извлечения экстрактивных веществ из вегетативной части тополя в качестве экстрагента целесообразно использовать этиловый спирт.

1.3.2 Методы выделения эфирных масел

В литературе имеется достаточно сведений о способах получения эфирных масел [174, 221-226]. Наиболее полно все методы освещаются в работе [227]. Эфиромасличное сырье перерабатывают физико-химическими и механическими методами. К первым относятся перегонка с водяным паром, экстракция летучими и нелетучими растворителями (мацерация), сорбция различными сорбентами (анфлераж и динамическая сорбция); механический метод осуществляется прессованием или соскабливанием.

Экстракция летучими растворителями находит все более широкое применение в эфиромасличном производстве [228]. Метод основан на растворимости душистых веществ растений в органических растворителях и жидком ди-

52 оксиде углерода. Сущность метода заключается в обработке эфиромасличного сырья растворителем, погружением в него или орошением. Кроме компонентов эфирных масел, из сырья извлекаются труднолетучие смолистые вещества, обладающие фиксирующими свойствами, интересными запахами, и воскообразные вещества. При этом получают экстракт-конкрет, выход которого всегда выше, чем эфирных масел, а запах полнее передает аромат растений в виду извлечения всего комплекса душистых веществ и отсутствия химических изменений компонентов. Высокий выход, улучшенное качество экстрактивных масел, повышенные экономические показатели производства составляют главные достоинства метода.

Метод мацерации, или экстракция нелетучими растворителями, основан на растворимости душистых веществ в нелетучих растворителях, в качестве которых применяют высококачественные животные жиры (говяжий, свиной или их смеси), растительные масла (оливковое, миндальное), труднолетучие органические соединения (бензилбензоат). Этим методом перерабатывают только цветочное сырье [228]. Сущность мацерации заключается в извлечении душистых веществ из сырья нелетучими растворителями путем настаивания и выделения их из смеси экстракцией этиловым спиртом. Ввиду большого расхода высококачественных жиров, высокой трудоемкости, недостаточной степени извлечения душистых веществ, мацерация уступила место экстракции летучими растворителями.

Сорбционный метод отличается тем, что благодаря совмещению физико-химических процессов извлечения с продолжающимися биохимическими процессами маслообразования, позволяет получить достаточно высокий выход эфирных масел из сырья. Метод применяется для тех видов сырья, в которых процессы образования масла не прекращаются после уборки (цветки жасмина, туберозы, ландыша). Метод основан на способности животных жиров, растительных масел, нелетучих органических веществ и некоторых твердых сорбентов поглощать душистые вещества из воздуха. Метод осуществляется двумя способами в зависимости от характера сорбента: анфлераж - в качестве сор-

53 бента используется корпус из жиров, а также растительных жирных масел; динамическая сорбция - сорбентом служит безводный активный уголь.

Механический метод извлечения эфирных масел применяется для переработки цитрусовых культур, в которых эфирные масла находятся в крупных легкодоступных эфиромасличных вместилищах, расположенных в поверхностных тканях кожуры. Метод осуществляется двумя способами: соскабливанием или натиранием целых плодов, при котором разрушается поверхность кожуры, и прессованием целых плодов или одной кожуры, отделенной от мякоти. Эфирные масла, полученные механическим методом, не подвергаются тепловым воздействиям и, следовательно, обладают натуральным ароматом. В работе показана возможность извлечения цитрусового эфирного масла методов гидродистилляции [173].

Выбор способа переработки зависит от сырья, типа эфиромасличных вместилищ, свойства эфирных масел и его компонентов, характера связи эфирного масла с сырьем. Если эфирные масла находятся в связанном состоянии, то ферментация сырья, либо предшествует основному процессу переработки, либо совмещается с ним. Выбранный метод должен обеспечивать максимальный выход и наилучшее качество продукции.

Перегонка с водяным паром - это самый распространенный метод получения эфирных масел, основан на летучести их с парами воды, осуществляется при атмосферном давлении, при температуре около 100 С. Столь низкая температура извлечения масел, компоненты которых имеют температуру кипения от 150 до 250 С, является одним из главных достоинств метода. Сущность метода заключается в том, что при обработке эфиромасличного сырья паром, компоненты эфирного масла переходят в паровую фазу и в смеси с парами воды направляются на конденсацию, а затем на отделение от воды, достоинством метода является простота, относительно низкая температура процесса, пожаро-безопасность, высокая производительность труда, безвредность. К недостаткам следует отнести ухудшение качества эфирных масел за счет химических изменений компонентов, особенно, таких как терпеновые спирты, их сложные эфи-ры, а также потери ценных душистых веществ, нелетучих с водяным паром.

Для повышения выхода эфирных масел используются различные приемы, включающие как дополнительную обработке сырья, так и модификацию самого процесса. Наиболее интенсивным представляется использование вместо воды растворов неорганических солей (хлоридов), в некоторых случаях с вариациями рН за счет добавок кислот (соляной или серной). Подобный интерес представляет интерес не только для технологии, но и для лабораторной практики [229].

Метод выделения эфирных масел отработаны на древесной зелени хвойных. В России в крупных масштабах вырабатывается лишь пихтовое масло. Мелкотоварное производство организовано также на основе переработки и древесной зелени некоторых дальневосточных хвойных пород.

Наиболее распространенными для промышленной выработки пихтового масла являются стационарные или передвижные установки периодического действия западносибирского типа. Паровая перегонка эфирного масла на производственных установках осуществляется, как правило, перегретым паром с повышенным давлением. Разработаны также пихтоваренные установки непрерывного действия. Они более совершенны, удобны в эксплуатации и требуют меньше ручного труда. Вместе с тем их использование снижает выход и ухудшает качество масла, что требует ее дополнительной доработки.

Сотрудниками СибГТУ предложена схема переработки древесных отходов в аппарате, где совмещено измельчение сырья и отгонка из него масла [184, 199].

В промышленном масштабе выделяют эфирные масла из биомассы и экстракционными методами. Процесс состоит в экстрагировании измельченной древесной зелени и коры бензином или его смесью с водой и дальнейшей отгонке из липидного комплекса летучих терпеноидов острым паром [174, 205, 214]. Для переработки используется и сосновая и еловая древесная зелень. В 80-х годах двадцатого века была внедрена технология получения хвойного эфирного масла путем вакуумной фракционной дистилляции масла-сырца с применением ротационного пленочного испарителя ИР-10 [174].

55 В настоящее время разрабатываются безотходные технологии переработки древесной зелени с получением целого ряда биологически активных продуктов и в том числе эфирного масла [230].

Несмотря на глубокий и дифференцированный подход к проблеме переработки древесной зелени, они пока не нашли промышленного применения.

Сотрудниками ЛТА им. СМ. Кирова с учетом исследований состава экстрактивных веществ древесной зелени сосны обыкновенной и данных по биологической активности отдельных соединений создана технология, позволяющая выделить концентраты соединений, обладающих наиболее ценными свойствами [215, 221]. В настоящее время эта технология прошла опытно-промышленные испытания.

1.3.3 Биоконверсия растительного сырья и получение биопрепаратов

В последнее время уделяется большое внимание разработке технологий биоконверсии растительных отходов с помощью микроорганизмов с целью получения продуктов различного назначения. В этом аспекте в качестве деструкторов особое внимание уделяется грибам, имеющим активную ферментативную систему.

В настоящее время наступил новый этап применения микробиологических процессов для биоконверсии растительного сырья, то есть, как отмечает академик М. Е. Беккер, для превращения компонентов растительной массы в полезные вещества и продукты [230].

Биоконверсия растительного сырья особенно перспективна, поскольку ресурсы растительной массы возобновляются ежегодно. Следовательно, они практически неисчерпаемы, поэтому перспективным является расширение сырьевой базы для производства биопрепаратов за счет использования отходов деревообрабатывающей промышленности и нетрадиционных сельскохозяйственных отходов.

Грибы, разлагающие растительное сырье, используют его в качестве питательного вещества, при этом происходят изменения в химическом составе, во

56 внутренней структуре и строении, в результате чего изменяются физические свойства сырья [232]. Разложение растительной массы грибом происходит по-разному, характер распада зависит как от свойств растительного материала, так и от вида гриба. Грибы, разрушающие растительное сырье можно разделить на две основные группы: целлюлозоразрушающие и лигнинразрушающие.

Целлюлозоразрушающие грибы разлагают только целлюлозу. При этом растительное сырье меняет окраску в направлении красно — бурых тонов от освобожденного лигнина, становится более хрупким, легко ломается, крошится, заметно теряет в массе и объеме. Целлюлозоразрушающие грибы вызывают, так называемое, деструктивное разложение растительного сырья. Они проникают в клетки древесины из сердцевинных лучей отдельными разветвленными гифами. В начале процесса разлагаются полисахариды с короткими молекулами и затем постепенно, на более простые элементы, расщепляется целлюлоза и сопутствующие ей полисахариды. Разложение целлюлозы протекает неравномерно, это зависит от того, что в древесине гифы находятся поодиночке и значительно рассеяны вначале, поэтому заражаются только немногие клетки и по мере дальнейшей деструкции, их число постепенно увеличивается. Содержание целлюлозы заметно снижается как по массе, так и по объему. Разложение целлюлозы начинается, как правило, только после того, как гемицеллюлозы израсходованы. Разложение целлюлозы идет вплоть до ее полного разрушения [233].

Лигнинразрушающие грибы кроме целлюлозной части растения разлагают и лигнин. Они вызывают коррозионное разложение растительной массы. Растительная масса становится мягкой, волокнистой, а иногда крошащейся, теряет в массе, но объем не уменьшается.

При разложении древесины образуются сначала более простые вещества. Полисахариды расщепляются на олигосахара и монозы. Лигнин также разрушается постепенно. Часть простых веществ гриб съедает, остальные затем соединяются в новые высокомолекулярные вещества, преимущественно гумусового характера.

Процесс ферментативного разрушения лигнина до сих пор не изучен. Это связано с тем, что лигнин представляет собой сложный гетерогенный, не-стереорегулярный полимер, состоящий из фенилпропановых единиц, соединенных между собой различными типами С-С и эфирных связей. Кроме того, лигнин содержит много функциональных групп, в первую очередь меток-сильных и гидроксильных. Такая сложная структура лигнина затрудняет его биодеструкцию, лишь немногие микроорганизмы, и то очень медленно, разлагают его [234].

Наиболее мощные разрушители целлюлозы, виды Stachybotrus, Chae-tomium, Trichoderma, Myrothcium относятся к числу почвенных несовершенных грибов, или аскомицетов, и обладают обширным набором целлюлитических ферментов.

Чаще всего грибы рода Trichoderma встречаются на различных растительных, в особенности богатых целлюлозой, субстратах, в почве на грубых кормах, в основном на более старых стеблях корневых растений. Изредка встречаются на соломе, редко на сене злаков, преимущественно расположенных на земле, нижних слоях скирд, смоченных дождем, на разлагающихся органических остатках [235]. Грибы рода Trichoderma могут самостоятельно вызвать разрушение древесины [236].

В настоящее время по морфологическим, культуральным, физиологическим, биохимическим и связанным с ними экологическим признакам грибы рода Trichoderma подразделяются на пять видов: Т. album, Preus, Т. lignorum (Tode) Harz, Т. glaucum Abbot, Т. konineii Oudem и Т. viride Pers. ex Fr. (rife). Эти виды включают в себя многочисленные штаммы, которые четко различаются между собой [237].

Грибы рода Trichoderma известны как активные продуценты комплекса ферментов, среди них целлюлаза является ведущей [238, 239]. Грибы активно растут и образуют целлюлолитические ферменты на природных субстратах и различных растительных отходах. Максимальное возможное накопление всех ферментов, входящих в целлюлазный комплекс, происходит при поверхностном способе культивирования микроорганизмов [240]. У штаммов рода Tricho-

58 derma оценена эстеразная активность [241]. У некоторых представителей обнаружена способность образовывать окислительные ферменты [242] и таннина-цилгидролазу [243] В работе [244] показано, что у штаммов «10-99» и «МГ-97» T.asperellum, штамма «У» T.harzianum и штамма «0-97» T.virens в состав комплекса ферментов наряду с целлюлазами входит пероксидаза. У штамма «МК» T.koningii оксидазная активность не проявлялась, но характерно наличие высокой активности целлюлаз.

Для выращивания грибов рода Trichoderma обычно используют жидкие и твердые (агаризованные) синтетические питательные среды (сусло-агар, среда Чапека, среда Захарченко, пивное сусло), а также естественные материалы-отходы или побочные продукты пищевой, перерабатывающей промышленности, богатые органическими веществами (гидролизаты древесины, меласса, барда, жом, зерноотходы, виноградная выжимка, торф), которые применяют после предварительной стерилизации [245].

Культивирование грибов рода Trichoderma проводится как поверхностным (в покое), так и глубинным способами (при постоянном взбалтывании). В условиях поверхностного культивирования все стадии цикла развития протекают нормально и последовательно: сначала прорастают споры, образуя ростовую трубку, затем гифы образуют ватообразную грибницу, затем наблюдается появление конидиального газона. Преимуществ перед глубинным способом культивирования: проще технологическая схема; при высушивании продукта не требуется больших затрат энергии, так как влажность перед сушкой составляет 34-45 % и выход спор по сравнению с глубинным способом выше [246].

Глубинное культивирование осуществляется на роторной качалке. Это способствует энергичному развитию грибов и быстрому накоплению биомассы. При постоянном движении жидкости обеспечивается непрерывное обновление питательного материала и доступ кислорода, а продукты метаболизма, сдерживающие рост, быстро уносятся током жидкости . В отличие от поверхностного способа при глубинном полного формирования конидиеносцев не

59 происходит, начинающий ветвиться конидиеносец разрушается, не успевая образовывать конидиальные головки.

От источника углерода в среде зависит образование ферментов грибами рода Trichoderma. При использовании среды с лактозой - выделялась целлюла-за и амилаза, при использовании ксилана - ксилаза. При использовании в качестве источника углерода фильтровальной бумаги выделялся весь комплекс целлюлолитических ферментов. Качество источников углерода оказывает влияние на метаболизм клеток, например, заметно изменяется внутриклеточный аминокислотный фонд клеток гриба. В отсутствии других источников углерода грибы рода Trichoderma могут использовать клетчатку, лигнин, хитин [247, 248].

Грибы рода Trichoderma, развиваясь на субстратах, содержащих целлюлозу в большом количестве, могут успешно конкурировать с другими видами. Грибы рода Trichderma входят в ограниченную группу разрушителей лигнина. Способность грибов осуществлять глубокое разрушение лигнина представляет собой уникальное явление. Однако антагонистические свойства гриба снижаются на субстратах с меньшим содержанием целлюлозы даже при более благоприятных условиях [247].

Споры гриба рода Trichoderma составляют основу отечественного биопрепарата «Триходермина», который используется для регуляции численности многих фитопатогенных микромицетов — возбудителей ризоктониза картофеля, [249] корнееда свеклы, сосудистого бактериоза капусты, корневых гнилей злаков, сосудистых микозов сеянцев хвойных пород [250]. Применение Триходермина в течение вегетации приводит к увеличению урожайности и улучшению фитосанитарного состояния грунтов.

Биопрепараты «Триходермин-1,2,3» [251] получены поверхностным способом и различаются, главным образом, по составу питательных сред, на которых выращивается гриб. Биопрепарат «Триходермин-4» получен в условиях глубинного культивирования [252].

Первоначально был предложен препарат «Триходермин-1», для его получения штаммы рода Trichoderma выращиваются на высококонцентрирован-

60 ных белковоуглеводных питательных средах (зерновки, овса, ячменя, пшеницы, кукурузы). Однако сырье является дорогим.

Для получения «Триходермин-2» в качестве питательной среды используются различные растительные материалы в измельченном и пропаренном виде (солома, разные травы, мякина, отходы зерна).

Для изготовления «Триходермин - 3», в качестве субстрата применяют прогретый торф. Однако формы препарата «Триходермин - 2» и «Триходер-мин-3» не отвечают требованиям современного крупнотоннажного производства биопрепарата с высоким титром.

«Триходермин-4» предназначен для борьбы с болезнями растений, передающимися через почву: корневыми гилями зерновых, ризоктониозом картофеля и др.

Биопрепарат представляет собой либо компост, обогащенный антагонистами, либо конидии гриба в чистом виде. Способы применения «Триходерми-на» могут быть различными: опудривание или дражирование семян, а на почвах богатых органикой — прямое внесение в почву.

Полезная деятельность грибов выражается, прежде всего, в гумификации растительного сырья. Гуминовые кислоты изменяют свойства почв, оказывают прямое физиологическое воздействие на растения, стимулируют развитие корневых систем, оказывают защитное действие вредного влияния радиоактивных веществ и других загрязнителей.

В работах последних лет показана возможность получения биопрепарата на отходах деревообрабатывающей промышленности (например, кора, одубина коры, древесная зелень) и нетрадиционных отходах сельского хозяйства (топинамбур) [236, 253, 254]. Они являются доступным и дешевым субстратом. Древесная зелень имеет преимущества перед другими видами растительного сырья. В древесной зелени присутствуют сахара, органические кислоты, биологически активные соединения, минеральные вещества, которые могут входить в состав водных экстрактов и являться источником питания микроорганизмов.

Для получения биопрепаратов на основе грибов рода Trichoderma перспективно использование в качестве источников питания древесных отходов и компостов: они являются как структурообразователями почв, так и источниками прогумусовых веществ. Однако многие виды рода Trichoderma не способны усваивать труднодоступные компоненты, в связи с чем, для получения биопрепаратов существует необходимость отбора активных штаммов рода Trichoderma со стабильными признаками и последующую их селекцию. В публикациях последних лет подчеркивается целесообразность использования на практике защиты растений аборигенных штаммов грибов этого рода [249, 250]. Необходимо учитывать не только эффективность подавления возбудителя заболевания, но и изменения в составе микробиоты почв, в которых предполагается использовать биопрепарат.

При внесении в почву они попадают уже в сложившиеся условия биоценоза, поэтому должны обладать высокой конкурентной и адаптационной способностью, чтобы обеспечить высокую численность популяции и длительное выживание в среде. Так, результаты полевых испытаний аборигенного штамма «МГ-97», Т. asperellum и привозного штамма «У» Т. harzianum для борьбы с фузариозом сеянцев хвойных показали, что применение штамма «МГ-97» более эффективно. Он сохраняет высокую численность в течение 60-ти суток после внесения в почву, штамм «У» - 30 сут [244, 255].

Исследование онтогенеза штаммов и стабильности биологических свойств позволило из штамма «МГ-97» Т.asperellum отобрать моноспоровый клон "МГ-97/6», который использован для получения биопрепарата на лигно-углеводных субстратах [244, 254].

В работе Маховой Е.В. изучено влияние дозы внесения спорового посевного материала на выход конидий грибов рода Trichoderma на лигноуглевод-ных субстратах при влажности субстратов 80 %. Установлено, что увеличение дозы внесения спорового материала более 1-10⁶ конидий/ г а.с.с. не приводит к увеличению выхода конидий на коре и одубине лиственницы. На стеблях топинамбура при увеличении дозы внесения спорового материала от 110 до

62 13-Ю⁷ конидий/г а.с.в. выход конидий увеличивается в 1,8 (штамм «10-99» T.asperellum)-3J раза (штамм «0-97» T.virens) [244].

На примере коры лиственницы и березы показана возможность освоения лигноцеллюлозных субстратов, степень их трансформации, морфологические параметры роста. Показано, что интенсивность спорообразования гриба тесно связаны с природой субстрата и степенью его подготовки. В результате культивирования гриба рода T.asperellum штамм «МГ-97/6» на коре древесных пород деструкции подвергаются как полисахариды, так и вещества лигниновой природы. Установлено, что в первую очередь деструкции подвергаются экстрактивные вещества сахарной природы. Деструкция целлюлозы идет путем расщепления 1,4-(3-гликозидной связи между остатками D-глюкозы на участках, удаленных от концов полимерной цепи, что приводит к значительному снижению степени полимеризации целлюлозы (в 1,2-2,6 раза) и увеличению ее редуцирующей способности. Деструкция лигнина сопровождается деметокси-лированием с последующим гидроксилированием макромолекулы лигнина, об этом свидетельствует снижение содержания метоксильных групп в 1,4-1,8 раза и увеличение общих гидроксильных групп в 1,2-1,4 раза; разрывом связи Са-Ср и окислением первичного гидроксила до карбоксильной группы; разрывом ароматического кольца в структурах лигнина. Процесс деструкции лигноугле-водного комплекса сопровождается образованием гуминовых веществ [244, 257].

На одубине коры лиственницы получают препарат «Триходермин-6». На этом субстрате при степени помола 43 ШР, влажности 73 %, внесении NaN0₃ (3 % от массы а.с.с), продолжительности культивирования 35 сут получается биопрепарат с высоким титром до 110 ⁹ конидий/г [23]. Установлено, что вне-сение биопрепарата в почву в количестве 10 г/ м резко снижает выпад сеянцев Larix sibirica L. от фузариоза и оказывает положительное влияние на почвообразовательный процесс [249].

Более поздними работами показано, что введение в субстрат торфоцео-литовой смеси повышает биотехнологические показатели биопрепарата. Вне-

63 сение такого биопрепарата в почву оказало положительное влияние на увеличение урожайности картофеля [258].

При выборе конкретного вида сырья в качестве субстрата необходимо-проведение дополнительных исследований по конидиегенезу, установлению степени трансформации исходных компонентов, поскольку от этих показателей будет зависеть направление использование биопрепарата.

1.3.4 Гидролиз растительного сырья

Из органической химии известно, что гидролиз - реакция расщепления связей в молекуле под действием воды с присоединением ее элементов по месту возникновения свободных валентностей. Реакцию гидролиза можно рассматривать как частный случай сольволиза, поскольку это реакция обменного разложения между растворенным веществом и растворителем.

При кислотном гидролизе растительных тканей происходит сложный комплекс различных реакций. Изучению механизма реакции гидролиза разбавленными кислотами посвящено много работ и, в частности [259-262], несмотря на это химическая кинетика превращений компонентов растительного сырья в условиях гидролиза изучена недостаточно, что обусловлено сложным химическим составом исходного сырья, большим числом последовательных и последовательно-параллельных стадий процесса, высокой реакционной способностью промышленных продуктов.

По современным представлениям, большинство химических реакций, протекающих при гидролизе растительного сырья, сопровождается перераспределением зарядов между реагирующими частицами, и относится к гетеро-литическим реакциям. Процесс гидролиза - расщепление гликозидных связей под действием кислотного катализатора, происходит с образованием положительно заряженного промежуточного продукта (интермедиата) с его последующим сольволизом, протекающим по ионному механизму.

Признан механизм кислотно-каталитического расщепления глюкозидных связей, продуктом полного гидролиза промежуточных продуктов реакции яв-

64 ляется Д-глюкоза. Расщепление гликозидной связи происходит при первом углеродном атоме (гликозидном центре), это подтверждено радиоизотопным анализом. В качестве промежуточных продуктов гидролиза образуется комплекс олигосахаридов. Содержание их незначительно, так как скорость гидролиза их велика [262].

Экспериментально установлено, что увеличение концентрации кислоты ускоряет реакцию, так как увеличивается концентрация агентов, разрушающих ацетальную связь, но для увеличения их активности необходима повышенная температура.

При нормальной температуре гидролиз полисахаридов не идет. С увеличением температуры увеличивается как скорость реакции гидролиза, так и скорость вторичных превращений сырья - распада моносахаридов [262, 263]. В качестве оптимальной температуры гидролиза полисахаридов называют температуру в интервале 155-175 С, а концентрацию серной кислоты - 0,5-1,3 %.

Кроме этих двух факторов, очевидно влияние на процесс гидролиза химической природы полисахаридов, то есть вида растительного сырья, его химического состава и строения. Целлюлоза, имея регулярное строение, плотную упаковку, гидролизуется медленно. Кроме того, затрудняет гидролиз лигнин, обволакивающий агрегаты макромолекул целлюлозы.

Реакционная способность гемицеллюлоз также зависит от их химического состава и строения. Гемицеллюлозы имеют меньшую степень полимеризации и доступность для каталитического агента и гидролизуются разбавленной кислотой уже при 100 С. Для гемицеллюлоз характерно образование растворимых олигомерных продуктов неполного гидролиза со степенью полимеризации от 2 до 10, обладающих редуцирующей способностью, и альдобиуроновых кислот. Для превращения растворимых олигосахаридов в моносахариды проводят инверсию. В составе гидролизатов гемицеллюлоз присутствуют гексоз-ные и пентозные моносахариды, уроновые кислоты, их эфиры, уксусная кислота и муравьиный спирт [264, 265].

Содержание основных компонентов в гидролизате определяется концентрацией катализатора, температурой реакции и продолжительностью процесса.

При проведении кислотного гидролиза при повышенной температуре продолжительность гидролиза имеет большее влияние на качественные показатели продуктов реакции. Она в значительной мере зависит от вида сырья и получаемых продуктов, и нуждается в строгом поддержании ее оптимального значения.

Влияние модуля и других факторов определяется видом продукции, получаемой из моносахаридов, они достаточно специфичны. Очевидно одно, чем меньше модуль, тем выше концентрация моносахаридов в гидролизате.

При кислотно-каталитической обработке растительных материалов происходят и вторичные превращения углеводов с образованием фурановых соединений. Считают, что образовавшиеся при гидролизе моносахариды подвергаются сложным ступенчатым превращениям, которые обычно называют распадом Сахаров.

При кислотно-каталитической обработке растительного сырья происходят дальнейшие превращения фурановых производных с образованием низкомолекулярных и полимерных соединений. Из низкомолекулярных продуктов реакции основными являются органические кислоты. Установлено, что выход их возрастает в присутствии молекулярного кислорода. В составе низкомолекулярных продуктов идентифицированы малеиновая, фумаровая, янтарная, а-кетоглутаровая, левулиновая, муравьиная кислоты. В качестве же основных низкомолекулярных соединений образуются муравьиная и левулиновая.

Установлено, что продукты конденсации в условиях гидролиза могут взаимодействовать с образованием лигногуминовых веществ (ЛГВ) [266-269], которые находятся в гидролизате как в виде истиных и коллоидных растворов, так и во взвешенном состоянии. Молекулярная масса ЛГВ гидролизатов хвойной древесины составляет 480-500 (метод парового осмоса). Кроме того, авторы [268] на основании результатов физико-химических методов исследования (потенциометрического, ВЧ-кондуктометрического титрирования, УФ и ИК-спектроскопии, ПМР) в качестве альтернативы термину ЛГВ предлагают тер-

мин "лигнофурановые вещества". Поскольку по их данным вышеназванные полимеры есть продукт конденсации фенольных соединений, образующихся при деструкции лигнина и фурфурола или оксиметилфурфурола, имеющихся в гидролизате.

Следует сказать, что некоторые авторы допускают возможность взаимодействия фурфурола с моносахаридами.

Таким образом, в результате гидролиза полисахаридов разбавленными кислотами образуется целый комплекс органических веществ, включая углеводы, фурановые производные и органические монокарбоновые кислоты.

Установлено, что кинетика гидролиза полисахаридов во всех водных средах может выть описана уравнением для реакции первого порядка. Так, в [260] приведены кинетические характеристики процесса гидролиза древесной целлюлозы раствором H2SO4. Показано, что величина kj возрастает пропорционально увеличению температуры. При температуре 130 С к=0,001 1/мин, при 160 С,170 С, 180 С возрастает до 0,022; 0,058 и 0,15 1/мин соответственно. Сравнительно высокие значения энергии активации Е=155 кДж/моль свидетельствуют о том, что процесс гидролиза протекает в кинетической области.

Гидролиз гемицеллюлоз, как уже отмечалось выше, протекает в гомогенных условиях и с высокой скоростью. В частности, при 130-160 С константа скорости гидролиза декстринов він. растворе H₂S0₄ составляет 0,7-7,4 1/мин, что в 340-660 раз больше, чем при гидролизе целлюлозы. Средняя эффективная величина энергии активации при гидролизе гемицеллюлоз близка к величине Е для гидролиза целлюлозы и составляет Е = 135-140 кДж/моль [261].

В работах В.И. Шаркова, Ш.И. Королькова, Ю.И. Холькина [260, 261, 270] приведены кинетические уравнения, описывающие процесс гидролиза с учетом влияния различных факторов, включая реакционную способность полисахаридов, активность и концентрацию катализатора. Кинетика вторичных процессов описывается уравнениями реакции первого порядка. По своей реакционной способности в кислотно-каталитических превращениях моносахариды

67 располагаются в следующем порядке: глюкоза (1) < галактоза (1,1) < манноза (1,5) < арабиноза (1,7) < ксилоза (3,0), в скобках приведены значения 8г- Константа скорости распада Д-глюкозы к₂ при 130-160 С в 1 н. раствора H2SO4 составляет 0,0012-0,026 1/мин. Средняя эффективная величина энергии активации распада Д-глюкозы при гидролизе Е = 137 кДж/моль.

Гидролиз разбавленными кислотами можно осуществлять четырьмя методами: стационарным, ступенчатым, методом пульсирующей перколяции и методом непрерывной перколяции.

В настоящее время стационарный метод применяется только для гидролиза гемицеллюлоз (предгидролиз древесины перед сульфатной варкой, гидролиз сельскохозяйственных отходов).

Метод ступенчатого гидролиза был предложен для снижения распада Сахаров при гидролизе древесины. Дальнейшим усовершенствованием процесса гидролиза древесины разбавленными кислотами явился метод пульсирующей перколяции с подачей кислоты и отбором гидролизата порциями. В настоящее время на действующих гидролизных заводах применяется метод непрерывной перколяции: разбавленная кислота непрерывно протекает через слой измельченной древесины, а образующиеся сахара непрерывно удаляются из реакционного пространства. Гидролиз в этих условиях осуществляется с 0,5 %-й H₂S0₄ при 180 - 190 С. Общая продолжительность гидролиза 3 ч.

Несмотря на то, что при гидролизе растительного сырья концентрированными кислотами может быть получен почти количественный выход моносахаридов, этот способ долгое время не был осуществлен в промышленном масштабе из-за более сложной технологии, необходимости использования кислотоупорной аппаратуры, а также из-за трудностей, связанных с регенерацией кислоты и т. д.

1.3.5 Использование древесной биомассы как топлива

На основании оценок роста численности населения, темпов экономического роста и динамики цен Международное энергетическое агентство прогно-

68 зирует, что к 2010 г. суммарная мировая потребность в первичных энергоресурсах составит величину порядка 11,3 млрд. т у. т., что на 47 % превысит этот показатель 1991 г.

В соответствии с прогнозами Мировой энергетический совет, сделанными в начале 90-х годов, ископаемые топлива будут продолжать обеспечивать потребности землян в течение следующих нескольких десятилетий. При современном уровне потребления запасов нефти хватит на 40 лет, природного газа - на 65 лет, угля - на 250 лет. После 2020 г. в связи с возможным снижением добычи нефти и газа и ростом цен на них может произойти существенное изменение в структуре топливного баланса в пользу возрастания роли альтернативных источников энергия, прежде всего - нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на основе использования биомассы [271].

Россия является одной из немногих стран мира, обладающих в достаточном количестве практически всеми первичными ископаемыми (нефть, газ, уголь), и вторичными - в виде биомассы (торф, древесина, отходы сельского хозяйства) энергетическими ресурсами.

Древесина - самый древний вид топлива. Одной из особенностей древесной биомассы является высокий выход летучих при ее сжигании. Он достигает 85 %. Это создает условия для эффективной работы поверхностей нагрева кот-лоагрегата за счет большой протяженности факела, в котором осуществляется сгорание выходящих из слоя горючих компонентов.

Теплота сгорания абсолютно сухой древесины составляет от 18,9 МДж/кг до 21,4 МДж/кг. Теплота сгорания коры почти такая же, как у древесины соответствующей породы. Исключение составляет наружная часть коры березы, которая имеет теплоту сгорания 35 МДж/кг [272].

Использование древесины в, качестве энергоносителя — это наиболее вероятное и в настоящее время доступное направление развития комплексного использования древесных отходов и неликвидной древесины, имеющее уже созданную для реализации этого направления базу.

Использование биомассы ограничивается ее двумя существенными недостатками: большое и нестабильное содержание влаги, что приводит к слож-

69 ной технологии сжигания и малый объемный вес, что приводит к большим удельным затратам на доставку единицы условного топлива. Поэтому, несколько лет назад, в западноевропейских странах появилась и получила широкое распространение технология «облагораживания» биомассы - производство высокостандартизированного биотоплива, выпускаемого в виде гранул.

Биотопливо (обезвоженные древесина, торф, отходы растениеводства, кора и ветви деревьев и т.д.) — это по своей сути твердое углеводородное топливо, обогащенное кислородом. Оно экологично, поскольку имеет низкое содержание азота и серы.

По содержаниею углерода и водорода разные породы древесины различаются слабо (± 0,5-1,5 %) и в оценках для абсолютно сухой древесины можно принимать С - 50 %, Н₂ - 6 %, Ог - 42 %, N - 0,7 %, остальное минеральные вещества [273].

Важнейшим свойством для любой биомассы из высших растений является естественное высокое содержание лигнина, необходимого для получения качественного брикета или гранулы. Лигнин является естественным природным полимерным материалом и связующей основой в древесно-растительнои биомассе в процессе прессования биотоплива - гранул или брикетов.

Суть технологии состоит в следующем: биомасса различной влажности подается в сушильную установку, где под действием температуры из нее испаряется влага до уровня 10-12 %. Затем масса измельчается и подается в гранулятор, где сжимается в объеме до 4 раз, исключительно за счет высокого давления. Без добавления каких-либо закрепителей получают цилиндры диаметром 4-14 мм и длиной от 20 до 50 мм. Удельный расход щепы и опилок с влажностью 50 % на одну тонну пеллет составляет 2,5-3 т.

В комплектное оборудование технологических линий (отечественное и зарубежное) обычно входят: склад для приема, хранения и подачи щепы и опилок; печи с калориферами для выработки горячего воздуха; сушилки; молотковая дробилка щепы; сепараторы от пьши; смесители крошки щепы и опилок; прессы-грануляторы; средства для расфасовки гранул; транспортеры. Мощность линии от 0,5 до 2 т/ч [274].

70 Топливные гранулы — как стандартизированный продукт имеет следующие энергетические характеристики, представленные в таблице 1.4 [275].

Древесные гранулы как топливо высококалорийны и имеют значительную насыпную плотность, благодаря чему не требуется больших складов для топлива.

Таблица 1.4 — Характеристика топливных гранул

Стоимость энергии (по прогнозам на 2010 г.), полученной на топливных гранулах (2,9 тыс. руб.), будет существенно ниже стоимости энергии, получаемой при сжигании каменного угля (3 тыс. руб.) и мазута (9,5 тыс. руб.).

Потенциал биомассы, пригодной для энергетического использования, в большинстве стран очень велик. При этом учитывают специфические особенности запасов природных энергоресурсов. Так, в Швеции основное внимание уделяется топливному использованию древесных отходов, в Финляндии - торфа, в США - бытовых отходов и отходов сельского хозяйства и деревообработки [271].

В США в 1990 г. благодаря использованию биомассы произведено электроэнергии 31 млрд. кВт-ч. На 2010 г. планируется выработать 59 млрд. кВт-ч. В Скандинавских странах (Швеция, Финляндия) до 70 % вырабатываемой тепловой энергии приходится на долю биомассы [276].

В России ресурсы древесных отходов оцениваются в 36 млн. м в год, что эквивалентно 59 млн. МВт-ч тепловой энергии, и позволяет заменить 7820 тыс. тонн мазута стоимостью $745 млн. Экологический эффект по снижению вредных выбросов при использовании древесных отходов в качестве топлива со-

71 ставит: двуокись серы - 1,1 млн. т/г.; двуокись углерода - 727 млн. т/г.; окись серы - 71 тыс. т/г [276].

В настоящее время на рынке представлены отопительные системы на топливных гранулах производства Финляндии, Италии, Чехи, Латвии. Появились первые котлы на топливных гранулах и российского производства. Ковровскии завод котельного оборудования «Союз» разработал целую линейку котлов мощностью от 100 кВт до 1 МВт [275].

Малая энергетика на древесном топливе — это жизненно важное и коммерчески перспективное направление развития лесоресурсных регионов России

Выводы по главе I

На основании проведенного анализа состояния исследований состава биомассы древесных растений и вопросов переработки их вегетативной части, следует отметить, что сведения о химическом составе рода Populus носят фрагментарный характер.

Достаточно подробно изучен химический состав фитомассы Populus tremula L. Сведения для других видов тополей отсутствуют или носят ограниченный характер.

В литературе отсутствуют данные по изменению содержания отдельных компонентов в процессе годового цикла развития дерева, что затрудняет определение качественного состава и выхода целевых продуктов при переработке вегетативной части тополя. Практически отсутствуют сведения о липидах тополя.

Наиболее изученными группами соединений являются флавоноиды и эфирные масла. Данные об их составе неполные, иногда противоречивые, что, очевидно, связано с местом и условиями произрастания, индивидуальной особенностью дерева или же недостаточной методической проработкой анализа.

Сравнительно небольшое число работ имеет ценность для практического использования отдельных элементов биомассы тополя бальзамического как сырья. В тоже время, известные данные по биологической активности веществ, входящих в состав биомассы тополя, позволяют сделать вывод о перспективности переработки сырья экстракционными методами, с последующим разделением выделенных смесей органических соединений на ряд продуктов с высокой физиологической и биологической активностью.

Остается неизвестным, как влияет на состав экстрактивных веществ почек тополя бальзамического время заготовки и продолжительность хранения вегетативной части тополя.

Практически не изучены вопросы, касающиеся биоконверсии лигноугле-водного комплекса вегетативной части древесных растений и получения био-

73 препаратов и кормовых продуктов на ее основе.

Исходя из вышеизложенного, нами сформулированы задачи исследования:

установить химический состав сырья и закономерности его изменения, связанные с внутривидовой изменчивостью, местом произрастания и фазой роста растения;

изучить динамику содержания групп веществ и индивидуальных соединений в элементах вегетативной части тополя бальзамического, как важнейшего фактора, определяющего качественный состав и выход целевых продуктов;

исследовать групповой и индивидуальный состав эфирных масел, спиртового и СОг - экстрактов;

установить особенности химического состава вегетативной части тополя бальзамического и разработать рекомендации по срокам ее промышленной заготовки;

изучить влияние основных технологических факторов на выход и состав экстрактивных веществ и провести оптимизацию процессов извлечения экстрактивных веществ из вегетативной части тополя бальзамического;

изучить состав и свойства полученных продуктов и установить пути их использования;

исследовать состав послеэкстракционного остатка и определить возможные направления его утилизации;

- на основе результатов изучения химического состава вегетативной
части тополя бальзамического, свойств отдельных групп веществ и выявлен
ных закономерностей их изменения под действием технологических факторов,
разработать теоретические основы ресурсосберегающей комплексной перера
ботки вегетативной части тополя с получением биологически активных ве
ществ;

- разработать технологию комплексной переработки вегетативной части
тополя и нормативную документацию. Провести апробацию технологии и
продукции.

2 Объекты и методы исследования

2.1. Выбор факторов для экспериментальных исследований

Комплексное использование всей биомассы дерева включает утилизацию его вегетативной части. Проблема рационального подхода к глубокой переработке вегетативной части древесных растений весьма актуальна. До настоящего времени систематически исследовалась древесная зелень хвойных. В литературе имеются сведения о химическом составе и содержании отдельных компонентов в представителях рода Populus. Некоторые из них представляют определенную ценность для промышленной переработки. В основном эти работы посвящены изучению группового химического состава. Более детально изучен состав биомассы осины, почек белого, черного и душистого тополей. Химический состав вегетативной части тополя бальзамического изучен недостаточно. Одни классы соединений изучены в большей, а другие в меньшей степени. Наличие же некоторых компонентов только предполагается. Комплексное и рациональное использование такого специфического сырья, как вегетативная часть, требует проведения более широких и глубоких исследований этого вида растительного материала.

Все вышеизложенное ставит задачу проведения целого ряда различающихся по характеру исследований, которые позволят получить определенные сведения о затронутых аспектах проблемы.

В этой связи можно выделить ряд направлений:

исследование состава вегетативной части тополя;

исследование процессов комплексной переработки вегетативной части тополя (отгонка легколетучих компонентов, экстрагирование вегетативной части тополя полярным растворителем и диоксидом углерода, разделение экстрактов на группы веществ, различающихся по полярности, облагораживание экс-

75 трактов, биохимическая и гидролитическая переработка твердого остатка после экстракции);

- исследование продуктов комплексной переработки вегетативной части
тополя с установлением их свойств.

Решение этих задач дает возможность сделать определенные теоретические обобщения и выработать рекомендации по рациональному и комплексному использованию вегетативной части тополя.

Каждое из названных направлений включает несколько объектов и распадается на ряд факторов.

Как видно из анализа опубликованных работ, состав вегетативной части древесных растений непостоянен и зависит от многих факторов: породы дерева, бонитета, возраста дерева, географических и климатических условий. Состав сырья будет зависеть также и от способа и продолжительности хранения. Работы, опубликованные по данному вопросу, в основном, касаются древесной зелени хвойных. Поэтому из литературных источников не представляется возможным получить целостной картины о составе соединений вегетативной части тополя бальзамического. Для решения этой задачи необходима постановка специальных экспериментов. Раздельное изучение почек, побегов и листьев дает возможность выявить различия в составе соединений и определить возможности использования. Это позволит более рационально и комплексно переработать и использовать вегетативную часть тополя.

На ряд факторов распадаются и аспекты второго направления изучаемой проблемы:

выбор принципов переработки и соответствующих методов, которые будут перспективны для практического использования;

нахождение и изучение влияния основных технологических параметров на выход основных продуктов и отдельных групп соединений;

объяснение найденных закономерностей;

нахождение оптимальных условий процессов.

Выбор принципа и метода экстрагирования вегетативной части вытекает

76 из анализа известных способов и устройств для извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья. Наибольшее количество веществ извлекается полярными растворителями, в частности спиртами. Для извлечения биологически активных веществ целесообразно использовать этиловый спирт различной концентрации. Выход жирорастворимых веществ увеличивается с повышением концентрации спирта. Этот растворитель, в частности, извлекает до 90 % ли-пидных компонентов, т.к. он разрушает комплексы их с белками, растворяет их и дезактивирует ферменты, вызывающие расщепление липидов. Он не вызывает коррозии оборудования, доступен как многотоннажный продукт химической промышленности, имеет относительно низкую температуру кипения. Диэлектрическая постоянная его может быть изменена в больших пределах, что позволяет экстрагировать широкий круг веществ.

Наряду с этим эитловый спирт является достаточно хорошим консервантом и экологически безопасен. Это позволяет использовать полученные на его основе препараты как в парфюмерно-косметической промышленности, так и в медицине.

Выбор способа переработки сырья с целью количественного выделения летучих компонентов зависит от типа эфиромасличных вместилищ, свойства эфирных масел и его компонентов, характера связи эфирного масла с сырьем. В литературе имеется достаточно сведений о способах получения эфирных масел.

Наиболее приемлемым на наш взгляд является перегонка с водяным паром — это самый распространенный в промышленности способ получения эфирных масел, основанный на летучести их с парами воды. Осуществляется -при атмосферном давлении, при температуре около 100 С. Низкая температура извлечения масел, компоненты которых имеют температуру кипения от 150 до 250 С, — одно из главных достоинств метода. Достоинством является также простота, относительно низкая температура процесса, пожаробезопасность, высокая производительность труда, безвредность.

Исходя из вышеизложенного, для извлечения экстрактивных веществ из вегетативной части тополя в качестве экстрагента целесообразно использовать

77 этиловый спирт, для выделения эфирных масел метод гидродистилляции с водяным паром.

Решая вопросы нахождения оптимального режима и выявления основных технологических параметров на результаты процесса, принималось во внимание то, что процесс извлечения экстрактивных веществ изучен недостаточно. Исчерпывающие же сведения о технологическом процессе можно получить построив детерминированную математическую модель процесса на основании изучения закономерностей. Однако для процесса извлечения экстрактивных веществ из вегетативной части тополя, где протекает сложный комплекс физико-химических и химических превращений, зависящих от большого количества независимых и взаимосвязанных факторов, сопряжено со значительными трудностями. Поэтому в предлагаемой работе исследовалось только влияние технологических факторов. Описание таких сложных процессов с достаточным уровнем достоверности и информативности производится с помощью полиномиальных моделей, которые позволяют выявить характер и связи между независимыми переменными и выходными параметрами, а также решить задачу оптимизации.

Для твердого послеэкстракционного остатка, с нашей точки зрения, наиболее целесообразны ряд направлений: переработка его методом микробиологической конверсии, гидролиз разбавленной серной кислотой с последующей биохимической переработкой гидролизата и получение топливных гранул. По указанным объектам в предлагаемой работе исследовалось влияние биохимии-ческих и технологических факторов. Процессы описывались с помощью полиномиальных моделей, которые позволяют выявить характер взаимосвязи между независимыми переменными и выходными параметрами и решить задачи оптимизации процессов.

Аспекты третьего направления изучаемой проблемы также включают ряд факторов. Наряду с использованием выходов продуктов переработки вегетативной части тополя: эфирных масел при паровой отгонке; спиртовых экстрактов при экстрагировании; редуцирующих веществ при гидролизе послеэкстрак-

78 ционного остатка, необходимо было знать влияние свойств исходных материалов и технологических факторов на выходы и качество продуктов. Решение этих вопросов представляет практический интерес, поскольку они в значительной мере определяют экономичность процесса.

Исследование всех названных аспектов проблемы требует использования как классических химических методов исследования, так и современных физико-химических методов анализа.

Схема исследования состава вегетативной части тополя бальзамического приведена на рисунке 2.1.

2.2 Характеристика объекта исследования

Объектом исследования служила вегетативная часть тополя бальзамического (Populus balzamifere L.) и отдельные ее элементы: почки, побеги и листья.

Под термином «побеги» понимается одревесневшая, покрытая корой безлиственная часть кроны дерева. Диаметром не более 0,8 мм длиной 8-10 см.

Почки тополя сравнительно крупные, покрыты многими чешуйками и сильно смолистые. Плотные кожистые почечные чешуи защищают почки от воздействия неблагоприятных условий внешней среды.

Строение почек тополя бальзамического изучали методом растровой (сканирующей) электронной микроскопии. Срезы почек замораживали при минус 40 С, лиофильно высушивали, затем на поверхность в вакууме напыляли серебро. Электронные микрофотографии при различном увеличении получали на микроскопе РЭМ-100 У. На рисунке 2.2 приведен снимок среза почки тополя бальзамического.

Терминальные почки тополя яйцевидно-удлиненные с заостренной верхушкой. Чешуи располагаются по спирали, нижние - мелкие округлые и жесткие, верхние — овальные, конически-заостренные. Края чешуи прилегают плотно, кончик (верхушка) нижних и средних чешуи слегка отогнут.

Физико-химические показатели

Групповой и индивидуальный состав

Групповой и химический состав

2 Н

»

Макро - и микроэлементы

із О

з: вз !a

н о

s а к

Я ⁵

О S

г тз

2 сг CD

|ё

I

5 "а

2 «и 2 g;

е-

s о

a о

«

ft)

о о

ь о

J=l о

га о

а к о

Л со о

н о

со К

CD О

О -І о

Гидролиз

Сумма жирных кислот

Полиненасыщенные жирные кислоты

Влажность

Зольность

Рисунок 2.2 - РЭМ-изображение среза почки тополя бальзамического

Длина почек от 10 до 30 мм, в поперечнике от 5 до 11 мм. Число почечных чешуи составляет 9-12.

Боковые почки конической формы с округлым основанием. Верхушка слегка изогнута по направлению к стеблю. Длина почек от 10 до 30 мм, в поперечнике от 3 до 7 мм. Боковая почка имеет одну, сравнительно крупную, нижнюю чешую. Весь покров почки состоит из 6-8 чешуи. Основная ткань чешуи - рыхлая паренхима. В верхушках чешуи клетки паренхимы одревесневают.

Пробы древесной ткани отбирали с деревьев 15-20 и 30-35 летнего возраста, произрастающих, как в районе г. Красноярск, так и в трехсоткилометровой зоне от него. Районы исследования различаются по природно-климатическим условиям. Города Красноярск и Ачинск (184 км к западу) расположены в лесостепной и степной зоне, где преобладают горные подзолистые и неподзолистые почвы; Канск (247 км к востоку) в зоне лесостепи с серо-лесными почвами и выщелоченными черноземами. Лесосибирск (300 км к северу) находится на подзольно-таежных почвах Абакан находится в степной зоне (560 км к югу

от Красноярска), где преобладают черноземы, темно-каштановые и каштановые почвы [277].

Карта районов исследования приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Районы исследования на территории Красноярского края и Хакасии

Сырье заготавливали в последней декаде месяца с 1995 по 2007 гг. Требования, предъявляемые к сырью, были аналогичны требованиям ГОСТ 21769-84 «Древесная зелень».

Учитывая, что состав вегетативной части неодинаков у различных частей кроны, у модельного дерева отбирали пробы с каждой трети кроны отдельно и затем усредняли. Общую пробу составляли из всех проб, отобранных с разных деревьев. Методика оценки представительности проб сырья приведена приложении А.

Для вегетативной части тополя бальзамического был изучен механический состав. Результаты исследований представлены ниже.

В таблице 2.1 приведены усредненные (а=0,05) результаты исследования механического состава вегетативной части тополя бальзамического в период покоя и начальный период вегетации до появления листа.

Таблица 2.1 - Механический состав вегетативной части тополя

В процентах от общей массы

Исследования показали, что в зависимости от фенологического состояния дерева массовая доля почек в,составе вегетативной части тополя бальзамического изменяется с 27 до 62 % по массе. К моменту распускания почек их доля увеличивается в 2,3 раза (апрель) по сравнению с периодом глубокого покоя (декабрь).

В таблице 2.2 представлены результаты исследования вегетативной части тополя бальзамического в период вегетации.

Таблица 2.2 - Механический состав древесной зелени тополя

в период вегетации

В процентах от общей массы

Как свидетельствуют результаты таблицы 2.2, массовая доля листьев в составе вегетативной части тополя увеличивается к концу периода вегетации (август) в 2,2 раза по сравнению с маем.

Полученные результаты служат характеристикой вегетативной части тополя бальзамического как технологического сырья.

2.3 Методы исследования химического состава вегетативной части

тополя бальзамического

Анализ вегетативной части тополя бальзамического проводили по схеме, приведенной на рисунке 2.1.

Для исследования химического состава вегетативной части тополя использовали общепринятые в химии растительного сырья методы [278-280]. Влажность сырья определяли методом выслушивания навески сырья до постоянной массы при 105 С, а также методом Дина и Старка, зольные компоненты — сжиганием навески сырья с последующим прокаливанием в муфельной печи при 600 С.

Содержание легко- и трудногидролизируемых полисахаридов определяли применяя различные условия гидролиза минеральными кислотами. Гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов проводили путем кипячения с 2 %-й соляной кислотой в течение трех часов. Гидролиз трудногидролизуемых полисаха-

84 ридов проводили 80 %-й серной кислотой при комнатной температуре в течение двух часов. Пентозаны определяли бромид-броматным полумикрометодом. Метод основан на определении фурфурола, образующегося при дегидратации пентоз, которые получаются при гидролизе пентозанов в солянокислой среде при нагревании.

Содержание целлюлозы в образцах определяли азотнокислым методом в спиртовой среде. Среднюю молекулярную массу целлюлозы определяли виско-зометрически после растворения ее в щелочном растворе железовиннокислого натриевого комплекса (ЖВНК) [278].

Для количественного определения лигнина, как негидролизуемого остатка растительной ткани, использовали метод гидролиза 72 %-й серной кислотой в модификации Комарова, дающий выход лигнина с максимальным содержанием метоксильных групп.

Выделение диоксанлигнина из растительного материала проводили по методу Пеппера в токе азота [281].

Метоксильные группы диоксанлигнина определяли по модификации метода Цейзеля с применением ГЖХ. Содержание общих гидроксильных групп определяли методом ацетилирования. Содержание алифатических гидроксильных и карбоксильных групп определяли с помощью метода Энквиста [282]. Элементный состав определяли с помощью CHN-анализатора [279]. Спектро-фотометрическое исследование диоксанлигнинов проводилось в водно-диоксановом растворе на спектрофотометре СФ-26 при изменении длины волны от 260 до 380 нм через промежутки в 5 нм [279].

ИК-спектры снимали на спектрофотометре марки «ИНФРОЛЮМ ФТ-02» в диапазоне частот 4000-400 см"¹. Навески образцов лигнина запрессовывались в таблетки с КВг [281].

Эфирные масла выделяли методом гидррдистилляции на модифицированном аппарате Клевенджера, экстрактивные вещества — последовательной исчерпывающей экстракцией 96 %-м этанолом и водой [278].

85 2.4 Выделение и анализ эфирных масел тополя бальзамического

2.4.1 Выделение летучих компонентов проводили двумя способами: от-дувкой паром и гидродистилляцией на обычной перегонной и замкнутой установках.

При выделении летучих компонентов острым паром подготовленное сырье помещали в круглодонную колбу на 500 дм³, которую соединяли с холодильником. Из парообразователя подавали острый пар, и летучие компоненты отгоняли во флорентинное устройство.

Перегонная установка состояла из колбы-запарника, соединенной с холодильником посредством переходника, и приемника (флорентинного устройства). Анализируемый материал усредняли и измельчали. Заданное количество сырья (100-150 г) помещали в перегонную колбу, заливали водой при гидромодуле 1:6. Нагрев колбы-запарника регулировали таким образом, чтобы скорость отгонки составила одну-две капли в секунду. При проведении дробной отгонки фракции летучих компонентов отбирали через 15-30 мин. Отгонку прекращали, когда их достигался постоянной объем, а количество воды в колбе значительно сокращалось.

При отгонке летучих компонентов в установке замкнутого типа (модификация аппарата Клевенджера) объем воды, находящийся в системе, остается практически неизменным. В такой установке соединительный ввод между кол-бой-запартиком и холодильником совмещается с флорентинным устройством и представляет собой ловушку для отгоняемых летучих компонентов. Образующаяся при нагревании в колбе паромасляная смесь по боковому отводу ловушки поднимается в вертикально расположенный холодильник, конденсируется в нем и стекает в градуированную ловушку, в которой она расслаивается. Освобожденная вода перетекает в колбу, восстанавливая ее первоначальный объем, что исключает возможность подгорания сырья, повышая тем самым надежность работы установки.

Выход летучих компонентов определяли волюмометрическим методом

по их объему и плотности в каждом опыте. Оценку достоверности результатов

серии опытов проводили с применением методов математической статистики

при доверительной вероятности 95 % [283-285].

2.4.2 Газожидкостная хроматография летучих компонентов. Хромато-
графирование осуществляли с использованием набивной и капиллярной коло
нок. В первом случае анализ осуществляли на приборе «Цвет-100» с пламен
но-ионизационным детектором, используя стеклянную колонку диаметром
2-Ю"³ м, длиной 2 м, заполненную Chromaton NAW-DMCS (0,20-0,25-10"³ м),
пропитанным 5 %-м Silicon SE-30. Газ-носитель гелий. Программированный
нагрев колонки от 60 до 280 С/мин. Скорость нагрева 8 С/мин. Во втором —
хроматографирование осуществляли на приборе «Биохром-1» на стеклянной
микрокапиллярной колонке длиной 50 м, диаметром 1 мм, заполненной непод
вижной фазой OV-101. Программированный нагрев колонки осуществляли от
70 до170С/мин, скорость нагрева 4 С/мин.

Хроматографирование осуществляли с использованием стандартов тер-пеноидов. Идентификацию компонентов проводили по относительному времени удерживания и методом добавок чистых веществ. В качестве внутреннего стандарта был принят а-муролен. Количественную оценку компонентов осуществляли методом внутренней нормализации по площадям пиков. Полученные результаты подвергали статистической обработке по методике [285].

2.4.3 Эфирные масла идентифицировали методом хромато-масс-
спектрометрии на хромато-масс-спектрометре НР6890 с MSD5972. Условия
хроматографирования: колонка НР-5 (кварц, 30 м х 0,25 мм, толщина пленки
0,25 мкм), газ-носитель - гелий (постоянный поток 1 мл/мин).

Температура колонки: 50 С (изотерма 2 мин), 50-200 С (4 С/мин), 200-280 С (20 С/мин), 280 С (изотерма 5 мин). Температура испарителя: 280 С, температура источника ионов: 173 С, температура интерфейса между газовым хроматографом (ГХ) и детектором масс-спектрометра (МС): 280 С, объем

87 пробы: 1 мкл раствора с разделением потока 20 к 1. Ионизация: электронный удар (70 эв), сбор данных: 1,2 скан./с при массовой области 30-650 а.е.м.

Легколетучие компоненты вегетативной части тополя бальзамического анализировали также на газовом хроматографе TraceGC и хромато-масс-спектрометре Polaris Q на колонке Cp-Si8CB lowbleed/MS (кварц, длина 50 м, ширина 0,5 мм, толщина пленки 0,25 мкм). Температура колонки: 40 С (изотерма 5 мин), 40-280 С (10 С/мин), 280 С (изотерма 30 мин). Температура испарителя: 280 С, температура источника ионов: 150 С, температура интерфейса между ГХ и МС детектором: 280 С, объем пробы: 1 мкл раствора. Ионизация: электронный удар (70 эв), сбор данных: 1,2 скан./с при массовой области 40-600 а.е.м.

2.5 Методы выделения и анализа липидов

Химический состав веществ, растворимых в органических растворителях, чрезвычайно разнообразен. От растворителя, которым они извлекаются, зависит их количество и состав. Определить понятие «липид» не так просто — в зависимости от предмета, где этот материал рассматривается, это понятие может быть разным.

По современным представлениям [286], вещества живых организмов, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях (хлоро-фор, эфир, бензол и др.) и содержащие в молекулах высшие алкильные радикалы, называют липидами. К ним относят высшие углеводороды, спирты, альдегиды, производные жирных кислот (глицериды, воски, фосфо-, глико- и сульфолипиды), жирорастворимые витамины (А,Д,Е,А) и их производные, хлорофилл, каротиноиды, стерины. В настоящей работе мы будем придерживаться определения липидов как жирных кислот и их производных, рационального как с позиций химии, так и биологии.

Липиды извлекали модифицированным методом Блая и Дайера смесью растворителей хлороформ-изопропанол в соотношении 1:2 по объему [286, 287]. Отобранные пробы гомогенизировали. Гомогенизированную смесь цен-

88 трифугировали, гомогенат фильтровали. Одновременно с суммарными липи-дами в экстракт переходили углеводы, пигменты, аминокислоты и др. вещества. Для удаления нелипидных примесей экстракт промывали 1 %-м раствором хлорида натрия. Очищенный экстракт липидов упаривали под вакуумом при 30-35 С. Остаток немедленно растворяли в небольшом количестве хлороформа. Экстракт суммарных липидов разделяли на фракции нейтральных и полярных липидов методом адсорбционной колоночной хроматографии. Разделение проводили на стеклянной хроматографической колонке диаметром 2 см, длиной ПО см. В качестве адсорбента использовали силикагель L 100/250 меш., активированный при 120 С в течение 16 ч. Отношение массы силикагеля к массе липидного экстракта составило75:1. Содержимое колонки последовательно элюировали хлороформом, ацетоном, изопропиловым спиртом. Скорость элюирования составляла 3 мл/мин. При этом последовательно вымывались нейтральные липиды, гликолипиды и фосфолипиды. Элюаты упаривали под вакуумом при 35 Си использовали для анализа группового состава методом препаративной колоночной и тонкослойной хроматографии.

Для препаративной хроматографии липидов использовали стеклянные пластины 20 х20 см. Пластины имели аналитическую чистоту. Адсорбент силикагель LS 5/40. Пластины перед употреблением активировали в течение 2 ч при 120 С. В качестве общих проявителей использовали пары йода, 5 %-й спиртовый раствор фосфорно-молибденовой кислоты и 50 %-й раствор серной кислоты. Идентификацию компонентов проводили сравнением их хроматографической подвижности (Rf) с литературными данными.

Качественный состав нейтральных липидов устанавливали методом тонкослойной хроматографии на силикагеле в системе гексан-диэтиловый эфир-уксусная кислота (85:15:1), петролейный эфир — диэтиловый эфир — уксусная кислота (80:20:1) и (70:30:1), гептан-бензол (9:1). В качестве проявителей использовали пары йода и раствор фосфорно-молибденовой кислоты. Количественную оценку выделенных групп нейтральных веществ проводили по методу Кабара после разделения смеси на группы в тонком слое силикагеля [286]. Для

89 выделения отдельных групп нейтральных липидов также использовали метод элюентной хроматографии на активированном силикагеле марки L 40/100. В качестве элюентов использовали гексан и диэтиловый эфир [286]. Контроль за разделением осуществляли методом микротонкослойной хроматографии (МТСХ).

Качественный состав гликолипидов почек тополя устанавливали методом тонкослойной хроматографии на силикагеле. Для ТСХ применяли дезактивированные слои силикагеля, обеспечивающие подавление адсорбционных эффектов, ведущих к образованию хвостов. Силикагель, не содержащий гипса, оказался более подходящим. В систему растворителей включали главным образом ацетон, хлороформ и метанол, поскольку растворители служат донорами электронов и образуют водородные связи с многочисленными группами гликолипидов [286]. В качестве проявителей использовали пары йода, фосфорно-молибденовую кислоту и специфический обнаружитель — раствор а-нафтола, причем при опрыскивании последним гликолипиды окрашивались в синефио-летовый цвет. В качестве растворителей использовали системы: хлороформ — метанол - вода (65:25:4); хлороформ - метанол — уксусная кислота — вода (25:15:4:2) и (40:25:3:7); хлороформ - метанол — 28 %-й аммиак (65:25:5); хлороформ - ацетон - вода (15:30:1). Гидролиз гликолипидов проводили в присутствии 2 н. соляной кислоты [288]. Наличие углеводов в водно-метанольной фракции гликолипидов после гидролиза устанавливали, используя цветную реакцию Молиша, основанную на превращении гексоз при нагревании с концентрированной серной кислотой в гидроксиметилфурфурол [288]. Полученный продукт давал с а-нафтолом в присутствии серной кислоты продукты конденсации, окрашенные в фиолетовый (с переходом до красного) цвет. Количественную оценку Сахаров проводили йодометрическим методом [288].

Определение группового состава фосфолипидов проводили методом аналитической микротонкослойной хроматографии на стеклянных пластинках 60x60 мм с толщиной слоя силикагеля 200-250 мкм. Для качественной характеристики отдельных групп фосфолипидов применяли одномерную и двумер-

90 ную ТСХ. Двумерную ТСХ проводили в системах: первое направление хлоро-форм-метанол-28 % аммиак (65:25:5); второе направление хлороформ-ацетон-метанол-уксусная кислота-вода (6:8:2:2:1). Одномерную ТСХ в системах: хлроформ-матанол-вода (65:25:4); хлроформ-матанол-ацетон-уксусная кислота-вода (6:2:8:2:1); хлроформ-матанол-уксусная кислота-вода (25:15:4:2). Идентификацию отдельных групп проводили с помощью общих и специфических проявителей. Для специфического окрашивания пластинки последовательно обрабатывали нингидрином, реагентом Драгендорфа и реагентом Вась-ковского [204 мир]. Содержание фосфолипидов определяли колориметрическим методом по количеству неорганического фосфора в пятнах, полученных при МТСХ [208 мир].

Ферментативный гидролиз фосфолипидов. При исследовании структуры фосфолипидов использовали фосфолипазу А₂ . Данный фермент специфически гидролизует сложноэфирную связь в sn-2 положении фосфолипидов, в результате чего образуются жирные кислоты [286]. К раствору, содержащему 5 мг фосфолипидов в 5 см смеси диэтиловый эфир-метанол (98:2), приливали 0,5 см раствора лиофилизированного яда Porcine pancreas, содержащего 1,6 мг ацетата кальция. Смесь энергично встряхивали 30 с и инкубировали 3-4 ч при комнатной температуре. Растворители упаривали в токе азота. Для удаления воды использовали бензол. Остаток сушили под вакуумом при 30 С, растворяли в 10 ил смеси хлороформ-метанол (1:1) и центрифугировали. Полученный продукт разделяли с помощью двумерной ТСХ.

2.6 Изучение состава жирных кислот липидов

Идентификацию жирных кислот проводили методами газожидкостной хроматографии и хромато-масс-спектрометрии в виде их метиловых эфиров. Для получения метиловых эфиров жирных кислот липиды вначале подвергали щелочному гидролизу; выделенные жирные кислоты метилировали диазоме-таном [286].

Газожидкостную хроматографию осуществляли на приборе «Цвет 100» с пламенно-ионизационным детектором на стеклянной колонке длиной 2 м, диаметром Змм, заполненной Chromaton N-AW-HMDS с 5%-м SE-30. Условия анализа: газ-носитель — гелий, программированный нагрев колонки от 130 до 280 С при скорости нагрева 8 С/мин. В качестве свидетелей были использованы стандарты метиловых эфиров: пальмитиновой, стеариновой, линолевой, линоленолевой и арахидоновой кислот.

Для хромато-масс-спектрометрического анализа использовали хромато-масс-спектрометр GCD Plus «Hewlett Packard», США, с капиллярной колонкой НР-5 с диаметром 0,32 см, длиной 300 см. Условия анализа: газ-носитель — гелий, скорость 1 мл/мин. Температура колонки 180-230 С, скорость ее нагрева 3 С/мин., а также газовый хроматограф TraceGC и хромато-масс-спектро-метр Polaris Q, США, с колонкой Cp-Si8CB lowbleed/MS (см. условия в п.п. 2.4.3).

Идентификация арахидоновой кислоты методом спектрофотометрии. Спектрофотометрическое определение арахидоновой кислоты осуществляли после щелочной изомеризации ее метилового эфира, выделенного по методике [289]. Для приготовления изомеризационной смеси использовали раствор гидроксида калия в этиленгликоле [290]. Спектр изомеризованного метилового эфира арахидоновой кислоты регистрировали на приборе "Specord М-40", толщина слоя раствора 1 см. Параллельно снимали УФ-спектр изомеризованного метилового эфира стандартной арахидоновой кислоты в интервале длин волн 220-360 нм. В качестве раствора сравнения использовали оптически чистый метанол.

Идентификация арахидоновой кислоты методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. При использовании метода ВЭЖХ удобнее предварительно кислоты разделить на группы, близкие по степени ненасыщенности и длине цепи. Такое разделение было достигнуто на колонке с сили-кагелем, импрегнированном ионами серебра. Для чего жирные кислоты после щелочного гидролиза фосфолипидов [286] упаривали под вакуумом и немед-

92 ленно растворяли в 10 мл охлажденного ацетона. Затем подвергали низкотемпературной кристаллизации (НТК) в течение 12-15 ч последовательно при температуре минус 2 С, минус 18 С и минус 70 С. При этом каждый раз происходило выкристаллизовывание насыщенных жирных кислот, которые отделяли от маточного раствора через микропористый фильтр Шота. Маточный раствор подвергали следующей стадии кристаллизации. Полученную после НТК в ацетоне смесь ненасыщенных жирных кислот упаривали под вакуумом, остаток растворяли в диэтиловом эфире и метилировали диазомета-ном.

Смесь метиловых эфиров жирных кислот подвергали разделению на колонке с силикагелем L 100/250, импрегнированным нитратом серебра (10 % от массы силикагеля). Использовали стеклянную колонку размером 500x10 мм. В качестве элюента использовали смесь толуол-ацетон (9:1).

Предварительно очищенную фракцию полиненасыщенных жирных кислот анализировали методом ВЭЖХ в ее адсорбционном и обращеннофазном вариантах. Разделяли смеси как свободных кислот, так и их эфиров. Метиловые эфиры кислот получали с использование диазометана. Для получения бромфенациловых эфиров использовали в качестве реагента а-п-дибромаце-тофенон, в качестве катализаторов краун-эфир (дибензо-18-краун-6) или три-этиламин [290,291].

Химический состав и направления переработки биомассы древесный растений

В настоящее время основная задача исследований в области химии древесины состоит в повышении комплексности и эффективности использования всей массы древесного сырья.

Проблема рационального использования древесного сырья является одной из самых важных в лесном хозяйстве. В отличие от хвойных, широкого развития переработка древесной зелени лиственных пород не получила, и это объясняется, в частности, недостаточной изученностью химического состава.

Древесина, как любой биологический организм, состоит из клеток, которые на 99 % состоят из органических соединений, подразделяющихся на углеводную и ароматическую части и, так называемые, экстрактивные вещества. Определение химического состава древесины и выделение ее отдельных компонентов в чистом виде имеет большое теоретическое и практическое значение. Однако это связано с большими трудностями из-за сложности строения клеточных стенок и существования тесной связи между отдельными компонентами древесины, в связи с чем, приходится прибегать к сравнительно жестким методам химического воздействия. Наиболее подробно с точки зрения химического состава исследована биомасса хвойных пород — сосны, кедра, лиственницы, пихты и др. Для них показано, что химический состав биомассы растений разнообразен и зависит от многих факторов, основными из которых являются географические и метеорологические условия, порода дерева, возраст и другие [23, 33-39].

Наиболее изученной среди лиственных пород является береза. Большой интерес представляют быстрорастущие растения рода Populus, где наиболее изученной является осина. После березы она занимает второе место по запасам (1 6 млрд. м3) среди лиственных пород древесины, произрастающих в России [9]. В литературе имеются разрозненные данные по составу отдельных частей дерева [17, 18, 40-42].

Исследования химического состава древесины березы в зависимости от места произрастания показали, что береза пушистая Красноярского края содержит меньше лигнина, чем береза Кировской области (19,1 и21,2% соответственно). Содержание целлюлозы не зависимо от места произрастания выше в березе пушистой (45,5 %), чем в березе бородавчатой (35,4 %) [43], на долю пентозанов приходится 22-25 % от а.с.с. В составе гидролизатов березовой древесины установлено наличие глюкозы (55 %), маннозы (1,0 %), ксилозы (29 %), арабинозы (15,7 % от общего состава моносахаридов) [44, 45]. Почки березы повислой (Ленинградская область) содержат 10, 3 % целлюлозы, 6,6 % легко-гидролизуемых веществ, 3,3 % пентозанов и 27,1 % лигнина [46,47].

Осина отличается от березы высоким содержанием целлюлозы (47,2 %), что характерно для всего рода Populus, и лигнина (22,8 % от а.с.с.) [43]. Анализ древесины и коры тополей [48] показал, что основными компонентами являются также целлюлоза и лигнин. Так, содержание углеводов в древесине различных видов тополей: белого, черного и осины, составляет 74-78 %, из них целлюлозы - от 44,6 до 50,6 %. Содержание лигнина относительно невелико - 18,7-23 %. В работе [49] показано, что кора древесины осины включает в свой состав 30,1 % лигнина и 43,2 % углеводов, на 1/3 представленных целлюлозой.

Исследования быстрорастущего евро-американского тополя, произрастающего в Восточной Европе, показали, что содержание углеводов в древесине составляет 63-70 % (Д-глюкозы 40,2-47,9 %), в коре - 35,9-47,4 % (Д-глюкозы 19,4-32,0 %), в ветвях содержание углеводов и Д-глюкозы падает с уменьшением их диаметра [48]. По данным этих же авторов, количество лигнина в древесине тополя составляет 25,4-29,6 %, после корректировки на содержание суберина - только от 1,3 до 14,8 %. В работе указано, что больше всего суберина находится в коре ветвей и корней небольших диаметров. Других источников, подтверждающих наличие суберина в тканях тополя, нами не встречено. Среди углеводов древесины и коры тополя установлено наличие глюкозы, маннозы, галактозы, ксилозы, арабинозы и уроновых кислот. В листьях и коре обнаружены также фруктоза, сахароза (0,5-1,2 %), трисахариды и пектин [43, 48].

Содержание минеральных веществ в древесине осины 0,26 %, древесине и коре тополя 0,5-1,0 и 2,5-7,6 % соответственно, что сопоставимо с древесиной хвойных пород. Содержание экстрактивных веществ увеличивается от 3,9-6,7 % в древесине, до 12,7-22,9 % от а.с.с. - в коре [43, 48].

В работе [50] указано на наличие углеводов и родственного им соединения — маннита в почках осокоря, но не приведена их количественная оценка. В почках и побегах тополя бальзамического содержание полисахаридов составляет около 17 % от а.с.с, из них более 50 % приходится на целлюлозу [51].

Древесина тополя и березы является ценным строительным материалом и используется в химической переработке для получения целлюлозных материалов. Кроме основных компонентов при комплексном использовании древесины большое значение имеют экстрактивные вещества, которые с физиологической точки зрения являются веществами весьма разнообразного значения. Фенолы, эфирные масла, смоляные кислоты, ростовые вещества, стери-ны, альдегиды, эфиры, рнейтральные вещества, жирные кислоты и др. относятся к веществам вторичного происхождения [52]. Образуются они на немногих путях обмена веществ. Их биогенными предшественниками является небольшое число веществ - мевалонат, ацетил-КоА, коричная кислота и аминокислоты [53].

Состав и содержание экстрактивных веществ будет зависеть от применяемого в конкретном случае растворителя, условий экстракции, породы и вида древесины и т.п. Химический состав экстрактивных веществ, особенно нерастворимых в воде, является предметом интенсивного изучения, что особенно необходимо, поскольку многие продукты внутренней секреции имеют важное практическое значение для производства.

Большинство данных о содержании липидов относится к эфирным экстрактам, содержащим кроме простых липидов, значительные количества иных веществ. Например, суммарный эфирный экстракт из листьев обычно составляет менее 5 % от массы сухого сырья, но он включает воск, кутан и другие вещества, поэтому содержание собственно липидов довольно низко. Содержание липидов в древесине также невелико, редко превышает 2-3 %, при этом в заболони концентрация обычно ниже, чем в ядре.

В литературе имеются сведения о том, что состав и содержание липидов и смоляных кислот в древесных растениях различны на разных географических широтах.

В таблице 1.1 приведено содержание эфирорастворимых веществ (липидов и смоляных кислот) в древесине основных лесообразующих пород южнотаежной подзоны России [54-58].

Методы исследования химического состава вегетативной части тополя бальзамического

Анализ вегетативной части тополя бальзамического проводили по схеме, приведенной на рисунке 2.1. Для исследования химического состава вегетативной части тополя использовали общепринятые в химии растительного сырья методы [278-280]. Влажность сырья определяли методом выслушивания навески сырья до постоянной массы при 105 С, а также методом Дина и Старка, зольные компоненты — сжиганием навески сырья с последующим прокаливанием в муфельной печи при 600 С.

Содержание легко- и трудногидролизируемых полисахаридов определяли применяя различные условия гидролиза минеральными кислотами. Гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов проводили путем кипячения с 2 %-й соляной кислотой в течение трех часов. Гидролиз трудногидролизуемых полисаха ридов проводили 80 %-й серной кислотой при комнатной температуре в течение двух часов. Пентозаны определяли бромид-броматным полумикрометодом. Метод основан на определении фурфурола, образующегося при дегидратации пентоз, которые получаются при гидролизе пентозанов в солянокислой среде при нагревании.

Содержание целлюлозы в образцах определяли азотнокислым методом в спиртовой среде. Среднюю молекулярную массу целлюлозы определяли виско-зометрически после растворения ее в щелочном растворе железовиннокислого натриевого комплекса (ЖВНК) [278].

Для количественного определения лигнина, как негидролизуемого остатка растительной ткани, использовали метод гидролиза 72 %-й серной кислотой в модификации Комарова, дающий выход лигнина с максимальным содержанием метоксильных групп. Выделение диоксанлигнина из растительного материала проводили по методу Пеппера в токе азота [281].

Метоксильные группы диоксанлигнина определяли по модификации метода Цейзеля с применением ГЖХ. Содержание общих гидроксильных групп определяли методом ацетилирования. Содержание алифатических гидроксильных и карбоксильных групп определяли с помощью метода Энквиста [282]. Элементный состав определяли с помощью CHN-анализатора [279]. Спектро-фотометрическое исследование диоксанлигнинов проводилось в водно-диоксановом растворе на спектрофотометре СФ-26 при изменении длины волны от 260 до 380 нм через промежутки в 5 нм [279].

ИК-спектры снимали на спектрофотометре марки «ИНФРОЛЮМ ФТ-02» в диапазоне частот 4000-400 см"1. Навески образцов лигнина запрессовывались в таблетки с КВг [281]. Эфирные масла выделяли методом гидррдистилляции на модифицированном аппарате Клевенджера, экстрактивные вещества — последовательной исчерпывающей экстракцией 96 %-м этанолом и водой [278].

Выделение летучих компонентов проводили двумя способами: от-дувкой паром и гидродистилляцией на обычной перегонной и замкнутой установках. При выделении летучих компонентов острым паром подготовленное сырье помещали в круглодонную колбу на 500 дм3, которую соединяли с холодильником. Из парообразователя подавали острый пар, и летучие компоненты отгоняли во флорентинное устройство.

Перегонная установка состояла из колбы-запарника, соединенной с холодильником посредством переходника, и приемника (флорентинного устройства). Анализируемый материал усредняли и измельчали. Заданное количество сырья (100-150 г) помещали в перегонную колбу, заливали водой при гидромодуле 1:6. Нагрев колбы-запарника регулировали таким образом, чтобы скорость отгонки составила одну-две капли в секунду. При проведении дробной отгонки фракции летучих компонентов отбирали через 15-30 мин. Отгонку прекращали, когда их достигался постоянной объем, а количество воды в колбе значительно сокращалось.

При отгонке летучих компонентов в установке замкнутого типа (модификация аппарата Клевенджера) объем воды, находящийся в системе, остается практически неизменным. В такой установке соединительный ввод между кол-бой-запартиком и холодильником совмещается с флорентинным устройством и представляет собой ловушку для отгоняемых летучих компонентов. Образующаяся при нагревании в колбе паромасляная смесь по боковому отводу ловушки поднимается в вертикально расположенный холодильник, конденсируется в нем и стекает в градуированную ловушку, в которой она расслаивается. Освобожденная вода перетекает в колбу, восстанавливая ее первоначальный объем, что исключает возможность подгорания сырья, повышая тем самым надежность работы установки.

Выход летучих компонентов определяли волюмометрическим методом по их объему и плотности в каждом опыте. Оценку достоверности результатов серии опытов проводили с применением методов математической статистики при доверительной вероятности 95 % [283-285]. 2.4.2 Газожидкостная хроматография летучих компонентов. Хромато графирование осуществляли с использованием набивной и капиллярной коло нок. В первом случае анализ осуществляли на приборе «Цвет-100» с пламен но-ионизационным детектором, используя стеклянную колонку диаметром 2-Ю"3 м, длиной 2 м, заполненную Chromaton NAW-DMCS (0,20-0,25-10"3 м), пропитанным 5 %-м Silicon SE-30. Газ-носитель гелий. Программированный нагрев колонки от 60 до 280 С/мин. Скорость нагрева 8 С/мин. Во втором — хроматографирование осуществляли на приборе «Биохром-1» на стеклянной микрокапиллярной колонке длиной 50 м, диаметром 1 мм, заполненной непод вижной фазой OV-101. Программированный нагрев колонки осуществляли от 70 до170С/мин, скорость нагрева 4 С/мин.

Влияние технологических факторов на выход и состав эфирных масел тополя бальзамического

Для установления срока хранения сырья без существенного снижения его качества была проведена серия опытов. В настоящем подразделе приведены результаты исследования влияния продолжительности и температуры хранения сырья на выход эфирных масел. Сырье хранили при двух фиксированных температурах: плюс 4 С (в холодильной камере), минус 12 С (в морозильной камере) и на открытом воздухе, где ежедневно фиксировали температуру окружающего воздуха. На диаграммах рисунков 3.5-3.9 отражена зависимость выхода летучих компонентов от условий хранения сырья.

При хранении почек тополя, отобранных в октябре, содержание эфирных масел в течение всего срока хранения уменьшается с 4 % в среднем в 2,5 раза (рисунок 3.5), поэтому сырье, заготовленное в данный период, необходимо сразу включать в переработку. Для сырья, отобранного в ноябре, установлено резкое снижение содержания эфирных масел в первые 5 дней хранения с 3 до 1,5 %. В последующие 15-20 дней отмечено их накопление до первоначального значения.

В сырье, отобранном в декабре и хранившемся при различных температурах (плюс 4 С И минус 12 С), в первые пять дней содержание эфирных масел уменьшается в 1,2-1,5 раза по сравнению с исходной пробой (3,2 %). К 10-му дню хранения отмечена тенденция к их накоплению. В естественных условиях хранения при температуре окружающего воздуха минус 15 С содержание летучих компонентов резко снижается, начиная с 15-го дня хранения (рисунок 3.7).

При исследовании сырья, отобранного в январе, установлено, что содержание эфирных масел в данном случае увеличивается с первого дня хранения. Максимальное их содержание отмечено на 10-15-й день хранения (рисунок 3.8). Далее доля терпеноидов снижается и через 20-30 дней достигает первоначального значения (2 %).

Максимальное количество их во всех пробах отмечено через 15-20 дней хранения. Далее содержание эфирных масел снижается в среднем в 1,2-1,5 раза и к 30-му дню достигает первоначального значения.

В содержании эфирных масел почек тополя, отобранных в разные месяцы, в процессе хранения наблюдается одинаковая зависимость. Сырье отбирали в последней декаде каждого месяца, т.е. через 20-30 дней после предыдущего отбора пробы. Из диаграмм видно, что в свежезаготовленном сырье текущего месяца, и сырье предыдущего месяца, хранившемся 20-30 дней, содержание эфирных масел практически одинаково. Можно предположить, что это связано с биологической функцией терпеноидов и, так называемым, генетическим кодом, заложенным в клетках растительной ткани. То есть, в отобранной и оставшейся расти почке, происходят одинаковые биологические процессы.

Также в работе было изучено влияние продолжительности и температуры хранения сырья на групповой состав эфирных масел. Содержание отдельных групп терпеноидов в исходном сырье следующее: монотерпеноидов - 7,72 %, сесквитерпеноидов - 91,65 %, других соединений - 0,63 %.

В таблице 3.17 представлены результаты исследования группового состава эфирных масел в процессе хранения на примере сырья, отобранного в марте.

Из результатов таблицы 3.17 видно, что содержание терпеноидов в почках тополя меняется незначительно. В предлагаемых условиях хранения отмечено некоторое увеличение доли монотерпеновых углеводородов. Содержание сесквитерпеновых углеводородов подвержено незначительным изменениям. Полученные данные свидетельствуют о том, что условия хранения сырья не оказывают существенного влияния на качественный состав летучих компонентов. С целью увеличения выхода эфирных масел заготавливаемое с января по апрель сырье рекомендуется перерабатывать после 15-20 дней хранения в естественных условиях, за которые содержание легколетучих компонентов увеличивается в среднем в 1,5-2 раза.

Биологическая активность экстрактов и эфирных масел тополя бальзамического

Согласно исследованиям ряда ученых [18, 19, 114], летучие компоненты и спиртовые экстракты почек тополя обладают выраженными антимикробными свойствами, превосходящими по таковым экстракт прополиса, а в ряде случаев и эвкалиптовое масло. По рецептам народной медицины они давно используются для лечения бронхитов, туберкулеза, ревматизма, в качестве рано-заживляющего и противовоспалительного средства.

В последнее время рядом авторов проводятся исследования по влиянию веществ растительного происхождения на ростовые характеристики мицели-аль-ных и дрожжевых грибов [369-372]. Большинство исследований имеет фармакологическую направленность, тогда как возможно использование эфирных масел и растительных экстрактов при хранении зерновых, овощных и плодовых культур для их защиты от многочисленных возбудителей болезней, в том числе, грибов рода Fusarium [300].

Антисептические свойства экстрактов почек тополя связывают с наличием в их составе фенолкарбоновых кислот и флавоноидов [373]. Поскольку тер-пеноиды и флавоноиды почек тополя бальзамического Красноярского края имеют отличительные особенности компонентного состава от тополей других регионов, нами была исследована биологическая активность эфирных масел и спиртового экстракта.

Установление антифунгальной и антибактериальной активности эфирных масел и спиртового экстракта

Грибы рода Fusarium широко распространены в природе и представляют собой обширную, биологически неоднородную группу, в состав которой вхо дят облигатные сапротрофы, факультативные паразиты и факультативные са-про-трофы. Их действие на растения определяется совокупностью вирулентных свойств, которые варьируют у различных видов и популяций внутри вида под влиянием растения-хозяина и экологических условий региона [374, 375].

Грибы рода Fusarium продуцируют около 150 токсических соединений, представляющих опасность для человека, животных и растений. Фитотоксины, подавляя жизнедеятельность растительных клеток в малых концентрациях, являются детерминантами многих заболеваний растений, в частности фузарио-зов, и способствуют утомлению почвы вследствие накопления высокотоксичных видов[374 - 376].

Определение биологической активности эфирных масел и спиртового экстракта почек тополя бальзамического проводили согласно методике, изложенной в п.п. 2.8. Проведенные исследования показали, что штаммы Til Fusarium sporotri-chioides и ТІ3 Fusarium moniliforme практически не различаются между собой по скорости роста, как в контроле, так и в опытных вариантах (рисунок 4.6).

При внесении веществ растительного происхождения из почек тополя бальзамического выявлено достоверное снижение скорости роста штаммов по сравнению с контролем. Так, при использовании эфирных масел скорость роста штаммов ТІЇ и Т13 уменьшилась в среднем в 2,4 и 2,2 раза, при внесении спиртового экстракта - в 6,9 и 6,1 раза соответственно. На рисунке 4.7 представлена динамика прироста диаметра колоний штаммов ТІ 1 и ТІ3 в течение восьми суток культивирования.

Отмечена общая тенденция замедления роста на 6-7-е сутки культивирования. В контрольном варианте задержка роста мицелия лимитируется размерами чашки Петри и питательным субстратом, в опытных вариантах, вероятно, внесенными соединениями, обладающими антифунгальной активностью. Минимальный прирост диаметра колоний обоих штаммов происходит при внесении в питательную среду веществ спиртового экстракта.

Штаммы микромицетов обладают различной чувствительностью к изучаемым соединениям. Так, спиртовый экстракт из почек тополя бальзамического в большей, а эфирное масло в меньшей степени обладают выраженной антифунгальной активностью: в отношении штамма Til Fusarium sporotrichioides 77,4 и 48,9 %, в отношении штамма Т13 Fusarium moniliforme 16 J и 48,3 % соответственно.

В ходе проведенных исследований фунгицидной активности выявлено не было, что привело к необходимости увеличить концентрацию исследуемых соединений с целью эффективного ограничения роста фитопатогенных грибов рода Fusarium.

Ниже приведены результаты исследований по влиянию различных концентраций спиртового экстракта (СЭ) почек тополя на динамику прироста колоний штамма ТІЇ (рисунок 4.8) и Т13 (рисунок 4.9).

Похожие диссертации на Комплексная переработка вегетативной части тополя бальзамического с получением биологически активных продуктов

Комплексная переработка вегетативной части топинамбура с получением продуктов микробного синтеза Емелина Татьяна Николаевна

Разработка технологии комплексной переработки биомассы лимонов с получением биологически ценных продуктов Антонов Виктор Николаевич

Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностьюУшанова Валентина Михайловна

Технология получения новых продуктов на основе таллового пека Исмагилов Рафаел Мансурович

Получение химических продуктов из древесной биомассы с применением катализаторов и активирующих воздействийКузнецова Светлана Алексеевна

Получение и использование биологически активных и сопутствующих продуктов из сульфатного мылаНекрасова Валерия Борисовна

Коллоидно-химические свойства гетерогенных систем на основе сульфатного мыла и продуктов его переработкиТруфанова Марина Витальевна

Влияние техногенного загрязнения на состав древесной зелени и качество продуктов ее переработкиШубина Наталья Валерьевна

Разработка методов расчета технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продуктыГрачев, Андрей Николаевич

Переработка лиственного таллового масла и применение полученных продуктов на предприятиях лесопромышленного комплексаЧинь Хиен Фыонг