Введение к работе
Актуальность темы.
Важнейшим направлением рационального природопользования и ресурсосбережения в отраслях лесного комплекса, а также роста прибыли предприятий, перерабатывающих древесное сырье, является, в частности, увеличение степени и глубины переработки биомассы дерева. Оценка фитомассы леса показала, что березовые леса в России занимают более 12% площади лесных насаждений, причем около половины берез представлены видом Betula pendula Roth. На целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятиях при производстве фанеры в результате окорки березовой древесины скапливается большое количество коры, которая не имеет промышленного применения и в лучшем случае идет на сжигание в качестве топлива. Доля коры в фитомассе березы составляет 10-14%. Существует проблема использования тонкомерной древесины и кроны дерева с почками и листьями – отхода лесозаготовительной промышленности. Доля ветвей в фитомассе березы – 13-17%.
Для использования некондиционного сырья имеются предпосылки. В медицине используются березовые почки, листья, обладающие фитонцидными свойствами. Отвар почек березы используется в качестве мочегонного и желчегонного средства, в виде примочек при порезах и нарывах. Спиртовая настойка помогает при пролежнях, грануляциях, эрозии кожи, гнойных выделениях. Настой и отвар листьев березы применяют как мочегонное, желчегонное, седативное и противовоспалительное средство. Спиртовая настойка березовых почек березы бородавчатой обладает антибактериальной активностью в отношении золотистого стафилококка. Антиокислительную и противоопухолевую активности проявляют спиртовые экстракты коры березы. Но точные составы используемых препаратов, действующие вещества для многих лекарственных средств неизвестны.
Наиболее изучен химический состав стволовой древесины, так как береза все в больших масштабах используется для производства целлюлозы по сульфатному способу, и большая часть экстрактивных веществ попадает в щелок. Имеются разрозненные сведения о соединениях почек и листьев, и они не позволяют оценить полный качественный состав компонентов и их количественное содержание. Аналогичное положение дел с определением состава экстрактов из бересты, в известных работах основное внимание исследователей обращено на бетулин и сопутствующие ему соединения, кристаллизующиеся совместно. Практически отсутствуют данные о липофильных соединениях луба, молодых тканей коры и древесной части побегов. В медицине используются почки и листья, но в литературе указывается присутствие только отдельных групп соединений. Полный состав экстрактивных вещества почек, листьев остается неизученным. В литературе нет сведений о качественной и количественной оценке экстрактов отходов лесозаготовки, имеющих практическое значение для получения биологически активных веществ (БАВ). Требуется более глубокое, детальное исследование как отдельных частей кроны (почки, листья, побеги) и коры, так и экстрактов из суммарного сырья. Так как при использовании кроны дерева в качестве сырья, листья и почки могут не отделяться от побегов и войдут основной частью в древесную зелень, то необходимо исследовать состав экстрактивных веществ такого сырья, который отличается от состава коры и древесины стволовой части из-за большего количества молодых тканей.
Изучение состава экстрактивных веществ составляющих частей кроны и ствола дерева является важным и актуальным как с точки зрения понимания процессов, происходящих в разных тканях и органах живого организма растения, так и для практического рационального использования экстрактивных веществ. Большинство целлюлозно-бумажных и других предприятий являются пользователями арендуемых лесов. Плата за лесные ресурсы, заготовку, логистику имеет тенденцию более быстрого роста, чем цена за единицу выпущенной продукции из древесины. Для повышения экономической эффективности перед предприятиями встает проблема более полного использования всей биомассы дерева, в том числе и отходов заготовки древесины. Постоянно растущая стоимость биологически активных веществ позволит повысить эффективность использования биомассы дерева и улучшить социальные условия для населения, занятого на небольших предприятиях с низкой долей капиталовложений, расположенных в местах заготовки древесины.
Исследования проводились в соответствии с заданиями Министерства образования и науки на проведение научных исследований по тематическому плану НИР: № 01200117897 «Теоретические основы экологически безопасных процессов химической и биохимической переработки и модифицирования древесного сырья. Физико-химические основы переработки древесного сырья лиственных пород для получения целевых продуктов и материалов» в 2001-2005гг.; № 01200955737 «Разработка научных основ безотходной конверсии биомассы дерева с получением продуктов и модифицированных материалов» в 2006-2010 гг; в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. «Органический синтез на основе растительного сырья. Металлокомплексный катализ в зелёной химии». Cоглашение № 14.B37.21.0794 от 03.09.2012.
Цель работы. Изучить химический состав экстрактивных веществ, предложить возможные направления химической переработки биомассы кроны и коры березы – отходов лесозаготовок и деревообработки и использования получаемых продуктов; выявить особенности метаболизма, в первую очередь изопреноидов, в разных частях дерева.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- выделить и установить химическое строение индивидуальных соединений углеводородных и эфирных экстрактов коры, почек, листьев, отдельных частей побегов березы;
- изучить динамику изменений в составе соединений в разных частях биомассы в процессе
вегетации;
- определить биологическую активность групп соединений;
- используя методы статической биохимии установить основные направления метаболизма
(биосинтеза) соединений экстрактивных веществ в разных частях дерева вида Betula pendula. Roth. и выявить их специфичность;
Научная новизна. Выполнено систематическое исследование состава экстрактивных веществ частей кроны: корка, флоэма и древесина побегов, почки и листья, и отдельных частей коры березы повислой, извлекаемых петролейным и диэтиловым эфиром. Установлено строение 34 неизвестных ранее и впервые обнаруженных в березе природных соединений: производных кариофиллена, гумулена, тритерпеновых секо-кислот, производных ситостерина, дикарбоновых ненасыщенных кислот. Определены различия в ацильной составляющей сложных эфиров в различных частях кроны дерева. Выявлено наличие в виде B. pendula хеморас, различающихся составом вторичных метаболитов – терпеноидов почек. Определены особенности биосинтеза терпеноидов в различных частях коры и кроны березы. В бересте синтезируются тритерпеноиды лупанового и олеанового типов, сесквитерпены сесквипинанового и сесквикамфанового типов, в почках и листьях – сесквитерпены кариофилланового и гумуланового типов. В неблагоприятных условиях в почках синтезируются тритерпеноиды даммаранового, олеанового, лупанового и тараксастанового типов, которые представлены, в основном, секо-кислотами. Две основные кислоты даммаранового и тараксастанового типов в березах, произрастающих в нормальных условиях, представлены в следовых количествах. Показана вирулицидная активность углеводородного экстракта березовых почек по отношению к вирусам гриппа и респираторному вирусу, бактерицидная активность спиртового экстракта по отношению к патогенным микроорганизмам. Установлены токсиметрические показатели экстрактов березовых почек. Синтезированы четвертичные аммониевые фосфаты полипренолов, установлены их токсиметрические показатели, противовирусная и интерофероногенная активности.
Практическая значимость. Знание состава компонентов экстрактивных веществ элементов кроны и коры березы повислой позволило создать научную базу для экстракционных технологий на предприятиях ЦБК и предприятиях по производству фанеры. Способ отделения бересты и ее экстракции реализован на опытно-промышленной установке лесохимического предприятия. Разработан способ синтеза бетулоновой кислоты окислением бетулина пиридиндихроматным комплексом в диметилформамиде в присутствии уксусного ангидрида. Показана возможность разделения тритерпеновых и жирных кислот. Предложен способ получения экстрактов почек с использованием различных растворителей с получением концентратов сесквитерпеноидов и флавоноидов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на: III Всероссийском совещании “Лесохимия и органический синтез” (Сыктывкар, 1998 г.); Международной конференции по природным продуктам и физиологически активным субстанциям (Новосибирск, 1998); 6-ом Европейском симпозиуме по лигнину, целлюлозе и варочным процессам (Бордо, 2000); Всероссийской конференции “Химия и технология растительных веществ” (Сыктывкар, 2000); II Всероссийской конференции “Химия и технология растительных веществ” (Казань, 2002); 7-ом Европейском симпозиуме по лигнину, целлюлозе и варочным процессам (Турку, 2002), III Всероссийской конференции “Химия и технология растительных веществ” (Саратов, 2004); IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины» (Санкт-Петербург, 2004); IV Всероссийской научной конференции “Химия и технология растительных веществ” (Сыктывкар, 2006); V Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар-Уфа, 2008); Пленарном совещании и конференции «Леса как возобновляемый источник жизненных ценностей для изменяющегося мира (Санкт-Петербург-Москва, 2009); Международной конференции «Возобновляемые источники растений и древесины: химия, технология, медицина» (Санкт-Петербург, 2011); VII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2011).
Публикации. Результаты работы приведены в 29 публикациях, в том числе в 18 статьях, опубликованных в журналах рекомендованных ВАК РФ, двух патентах Российской федерации.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов исследований (4 главы), методической части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 440 страницах, содержит 108 таблиц и 51 рисунок. В Приложении к диссертации приведены спектры неизвестных ранее природных соединений и соединений впервые выделенных из разных частей березы повислой. Список использованной литературы включает 352 ссылки.
В литературном обзоре приведены данные по анатомическому строению изучаемых частей кроны и коры березы, сведения о составе экстрактивных веществ корки, луба, древесины ствола, побегов, почек и листьев различных видов берез, направлениях использования природных соединений, выявленной их биологической активности.
В третьей главе представлены результаты изучения химического состава экстрактивных веществ, выделенных экстракцией петролейным (ПЭ) и диэтиловым эфиром (ДЭ) из разных частей кроны: почек, листьев, корки, флоэмы и древесины побегов. В третьей главе обсуждены результаты исследований экстрактивных веществ коры стволовой части березы повислой: отдельно луба и бересты. В четвертой главе приведены результаты изучения биологической активности групп веществ, выделенных из разных частей биомассы березы, и рассмотрены перспективы получения на основе природных соединений новых биологически активных продуктов; в пятой главе на основе полученных результатов по составу отдельных групп веществ и индивидуальных соединений предложены возможные направления переработки сырьевых источников биомассы березы - отходов деревообрабатывающей и лесозаготовительной промышленности.
В экспериментальной части приведены методики анализа исходного сырья, химических, спектральных и хроматографических методов исследований экстрактивных веществ и установления строения выделенных соединений, методы синтеза и физико-химические характеристики выделенных соединений.
Положения, выносимые на защиту:
1. Схемы анализа, групповой и индивидуальный составы эфирных (петролейный и диэтиловый эфир) экстрактов частей кроны березы повислой (почки, листья, корка, флоэма, древесина побегов), коры ствола (береста, луб).
2. Строение 19 соединений, ранее не найденных в природных объектах и 15 соединений ранее не идентифицированных в березах.
3. Направления биотрансформации фарнезилпирофосфата и фенолов в различных частях биомассы березы.
4. Анализ специфичности почек березы в биосинтезе, накоплении и расходовании компонентов экстрактивных веществ.
5. Данные по биологическим свойствам отдельных групп веществ биомассы, а также синтезируемых соединений.
6. Предложения по направлениям использования экстрактов различных частей биомассы березы и их основных компонентов.
