CC BY
87
УДК 66.021.3;66.081.6
экстрактивные вещества водно-щелочного
ЭКСТРАКТА КОРы СОСНы Ю.А. Тюлькова, Т.В. Рязанова, О.Н. Еременко, Т.М. Тарченкова
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», Красноярск, Россия 660049, Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: [email protected]
Основную долю экстрактивных веществ коры сосны составляют фенольные соединения. В статье приведены результаты исследования химического состава водно-щелочного экстракта коры сосны методами бумажной, тонкослойной и высокоэффективной жидкостной хроматографии, а также УФ- и ИК-спектрометрии. Показано, что фенольный комплекс экстракта представлен различными мономерными и олигомерными соединениями. Среди мономерных фенолов превалируют фенолкислоты, олигомерные представлены конденсированными таннидами.
Кора сосны обыкновенной по своему химическому составу является перспективным сырьем для химической переработки. Особый интерес представляют собой экстрактивные вещества, основную долю которых составляют фе-нольные соединения. Наибольшее извлечение экстрактивных веществ из коры хвойных достигается экстракцией раствором щелочи. В статье приведены характеристики полученного в оптимальном режиме водно-щелочного экстракта коры сосны, а также результаты фракционирования экстракта растворителями с возрастающей полярностью. Полученные фракции исследовали методами тонкослойной, высокоэффективной жидкостной хроматографии и УФ-, ИК-спектроскопии.
В результате водно-щелочной экстракции коры сосны получен экстракт c выходом (51,0±1,0) % от а.с.с. и доброкачественностью (60,2±0,5) %. После обработки на ионообменной смоле КУ-2 доброкачественность экстракта увеличилась до 70 %.
По своему групповому составу экстракт в основном представлен мономерными и полимерными фенольными соединениями.
Мономерный фенольный комплекс экстракта представлен в основном фенолкислотами. Идентифицированы следующие фенолкислоты: n-оксибензойная, n-кумаровая, кофейная (3,4-диоксикоричная), ванилиновая, феруловая и прото-катеховая (3,4-диоксибензойная) кислота. n-Кумаровая и феруловая кислоты представлены цис- и транс-изомерами. Оли-гомеры представлены в основном конденсированными таннидами.
Ключевые слова: дубильный экстракт, кора сосны, водно-щелочная экстракция, фенольный состав
The bark of pine-trees in their chemical composition is a promising raw material for chemical processing. Of special interest are extractive substances, mainly phenolic compounds. The highest extraction of extractive substances from the bark of coniferous achieved extraction alkali solution. The article provides characteristics of the generated in the optimal mode of water-alkaline extract of the bark of pine and results fractionation extract solvents of increasing polarity. The fractions obtained investigated by the methods of thin-layer, high-performance liquid chromatography and ultraviolet, infrared spectroscopy (UV-, IR-spectroscopy)
As a result of water-alkaline extraction of pine bark obtained extract c output (51,0 ^1.0 ) % of absolutely dry raw materials and health (60,2 approximately 0.5) %. After processing, ion-exchange resin CU-2 purity of the extract increased to 70 %.
On your group composition of the extract of mainly represented by monomeric and polymeric phenolic connections.
Monomelic phenolic complex extract is represented mainly phenolic acids. Identified the following phenolic acids: n-hydroxybenzoic, n-coumaric, cafe (3,4-dihydroxycinnamic), vanillic, ferulic and protocatechuic (3,4-dihydroxybenzoic) acids. n-Coumaric and ferulic acids represented cis - and trans -isomers. Oligomers are represented mainly condensed tannins.
Keywords: tanning extract, pine bark, water-alkaline extraction, phenolic composition
ВВЕДЕНИЕ
Кора древесных растений используется мало и крайне нерационально. В связи с необходимостью решения актуальной задачи по повышению комплексности переработки растительного сырья в последнее время все большее внимание привлекают экстрактивные вещества древесины, хвои и коры хвойных растений. Экстрактивные вещества коры хвойных, содержание которых в среднем достигает 20-30 % от абсолютно сухой массы, в основном представлены фенольными соединениями, которые вызывают особый интерес в дубильно-экстрактовом производстве и медицине.
Одним из наиболее широко используемых видов древесного сырья является сосна (обыкновенная и сибирская), занимающая второе место после лиственницы по распространенности в России.
Основными химическими веществами коры сосны являются лигнин, углеводы, суберины в сопровождении растворимых фенолов и живично-восковых веществ (Корбукова, 1996; Громова, 1987). Наличие в коре сосны биологически активных фенольных соединений дает основание считать кору ценным сырьем для получения практически значимых продуктов различного назначения. В связи с чем, необходимы более детальные исследования химического состава, что и явилось целью настоящей работы.
экспериментальная часть
Объектом исследования служил водно-щелочной экстракт коры сосны. Экстракцию коры проводили в оптимальном режиме (Тюлькова, 2011).
Исследования химического состава водно-щелочного экстракта проводили по общепринятым методикам (Рязанова, 1996), все эксперименты дублировались. За основу методики определения доброкачественности экстракта был взят ВЕМ (Тюлькова, 2012; ВЭМ, 1955). В качестве сорбента в данном случае использовали коллаген (производитель - ООО «Вектон»).
Фракционировали водно-щелочной экстракт органическими растворителями с возрастающей полярностью: гексаном, диэтиловым эфиром, этилацетатом и бутанолом.
Тонкослойную хроматографию развивали в системе бензол-ацетон (3:1) на пластинках Lucefol. В качестве проявителя использовали раствор диазотирован-ной сульфаниловой кислоты в насыщенном растворе соды.
Анализ фракций методом высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) проводили в следующих условиях:
- колонка стеклянная 16 х 250 мм;
- неподвижная фаза: Диасорб 130 С16 / Т, 6 д;
- градиентное элюирование по программе: первые 20 мин — 3 %-й уксусная кислота; с 21 по 50 мин — 3 %-я уксусная кислота : 96 %-й этанол (9:1); последующие мин — промывка и стабилизация системы 3 %-й уксусной кислотой и 96 %-м этанолом;
- скорость подачи элюэнта — 3 мл/мин при давлении 25 атм;
- термостатирование системы — при температуре 35 °С;
- детектирование при 280 нм на спектрофлюори-метре «Флюорат-02-Панорама».
УФ-спектры фракций водно-щелочного экстракта были сняты на спектрофотометре СФ-26.
Регистрацию ИК-спектров осуществляли на ИК-спектрометре FT-02 ИНФРАЛЮМ. Исследовали образцы методом тонкой пленки на таблетках КВг.
результаты и их обсуждение
В предыдущих работах показано, что наиболее полное извлечение экстрактивных веществ достигается с использованием в качестве экстрагента щелочных растворов. В результате проведения водно-щелочной экстракции коры сосны в оптимальном режиме (Тюлькова, 2011) получен экстракт, имеющий следующие характеристики:
- выход - 51,0 ± 1,0 % от а.с.с.;
- сухой остаток (СО) - 26,5 ± 0,6 г/л;
- растворимые вещества - 98,8 ± 0,2 % от СО;
- нерастворимые вещества - 1,2 ± 0,2 % от СО;
- нетанниды - 34,9 ± 0,6 % от СО;
- танниды - 65,1 ± 0,6 % от СО;
- доброкачественность - 60,2 ± 0,5 %;
- рН - 10,9 ± 0,1.
Как видно из приведённых данных, водно-щелочной экстракт коры сосны представлен в основном фе-нольными соединениями (таннидами).
С целью детального изучения компонентного состава фенольных соединений провели фракционирование полученного водно-щелочного экстракта растворителями различной (возрастающей) полярности.
Результаты разделения представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Фракции водно-щелочного экстракта коры сосны
Растворитель Содержание, %
Гексан 1,5 ± 0,1
Диэтиловый эфир 24,0 ± 0,3
Этилацетат 19,6 ± 0,3
Бутанол 27,8 ± 0,4
Остаток 27,1 ± 0,2
Как видно из таблицы 1, гексаном извлекается не более 1,5 % веществ. Основное количество экстрактивных веществ извлекается бутанолом и составляет 28 %. Несколько ниже процент извлечения диэтило-вым эфиром. На долю этилацетатной фракции приходится около 20 %.
Известно (Артёмкина, 2009), что диэтиловым эфиром и этилацетатом извлекаются мономерные фенолы, например, такие как фенолкарбоновые кислоты, кумарины, флаванолы, халконы, флавоны, а также моно- и дигликозиды и эфиры всех классов фенолов. Бутанолом извлекаются вещества с более высокой молекулярной массой, в основном, олигомерные соединения.
Таким образом, фенольные соединения коры сосны можно отнести к двум основным группам: мономерам и олигомерам. Данный вывод подтверждают результаты УФ- и ИК-спектроскопии.
На рисунке 1 представлены УФ-спектры эфирной, этилацетатной и бутанольной фракций водно-щелочного экстракта коры сосны.
Длина волны,нм
- Эфирная фракция -Этилацетатная - - - Бутанольная
фракция фракция
Рисунок 1 - уФ-спектры эфирной, этилацетатной и бутанольной фракций водно-щелочного экстракта коры сосны
Как видно из рисунка 1, УФ-спектры имеют максимум поглощения при 276-300 нм и минимум - при 250260 нм, что соответствует характерным полосам поглощения катехинов и лейкоантоцианов. Это подтверждает принадлежность фенольных соединений коры сосны к группе конденсированных таннидов и согласуется с литературными данными.
ИК-спектры эфирной, этилацетатной и бутанольной фракций экстракта коры сосны представлены на рисунках 2 и 3.
Растительные дубильные экстракты вследствие разнообразного состава дают усложненные ИК-спектры. В них отмечено присутствие целого ряда интенсивных полос поглощения.
® 4,5
О"
0) 4
Е з
о
1= 2 , 5 2
1,5 '
0,5 :
3500 4000 4500
Волновое число, 1/см
Рисунок 2 - ИК-спектры эфирной (1) и этилацетатной (2) фракций водно-щелочного экстракта коры сосны
Широкая полоса поглощения в области 31003500 см-1 обусловлена наличием ассоциированных гидроксильных групп, которые перекрывают полосы С-Н-связей ароматического цикла при 3020 см-1. Интенсивные полосы поглощения при 2850-2920 см-1 характеризуют валентные колебания С-Н-связи в метоксильных группах. При 1700-1720 см-1 интенсивные полосы поглощения относятся к колебаниям связей С=О сложно-эфирных групп. На присутствие карбонильных соединений в ароматическом кольце указывают полосы поглощения в диапазоне 1600-1700 см-1. Совместное рассмотрение этой области и области 3800-2600 см-1, где находятся полосы валентных колебаний ОН-групп, позволяет предположить, что в состав эфирной и этилацетатной фракций входят карбоновые кислоты.
Q 1,2
3
о
¡Е о , 8
ш
!!
Ш
Доказательством служит наличие очень широкой полосы с максимумом ~2650 см-1, относящейся к валентным колебаниям (иОН) карбонильных групп и интенсивной полосы при 1700-1735 см-1, относящейся к валентному колебанию иС=О карбоновых кислот. Одно из основных отличий ИК-спектра бутанольной фракции от других - это отсутствие колебаний в данной области.
Колебания в области 1400-1600 см-1 относятся к колебаниям связей С=С в ароматических и алифатических группах. Полосы поглощения в области 900-1500 см-1 относятся к колебаниям углеродного скелета. К асимметрическим колебательным частотам связей С-О-С в метоксильных группах относятся полосы поглощения при 1280-1290 см-1, которые сливаются с полосами валентных колебаний связей С-О карбонильных групп. В области 1200-1000 см-1 наблюдаются деформационные колебания связей Н-О. При этом колебания при 12001180 см относятся к колебаниям свободных фенольных групп -ОН, а полосы при 1050 см-1 указывают на присутствие гетероциклов с кислородным гетероатомом.
Результаты ИК-спектроскопии хорошо согласуются с результатами УФ-спектроскопии, говорят о сложном химическом составе экстрактивных веществ коры сосны и подтверждают принадлежность фенольных соединений к дубильным веществам (Тарасевич, 2012; Полежаева, 2005). Качественный состав фракций, полученных в результате разделения водно-щелочного экстракта, исследовался методом тонкослойной хроматографии.
Результаты исследования (таблица 2) позволяют говорить о том, что экстракт коры сосны представлен широким спектром веществ со значениями Rf от 0,27 до 0,88, причем во всех образцах экстракта присутствуют одни и те же вещества, но в разных количествах. Пятна явно выражены и имеют характерные окраски при взаимодействии с диазотированной сульфониловой кислотой.
По значению М и при сравнении с достоверными образцами идентифицировали следующие вещества: п-оксибензойную, п-кумаровую, кофейную (3,4-диокси-коричную), ванилиновую, феруловую и протокатеховую (3,4-диоксибензойную) кислоты.
Наличие указанных кислот подтверждают и результаты исследования фракций водно-щелочного экстракта методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Таблица 2 - Результаты исследований фракций водно-щелочного экстракта коры сосны методом ТСХ
rt rt м -Й œ н 3 p
и
S Ря
я IS S
j &S и
® S 3 d
я ■©■ s SP
,
я
M
H л
О X
и л
M fc
,
>Я
g>S
^ Я ° я Я cû ,—)
S Я о >18
^■=52 а <р я е S is Щ S
Н н о ^
II
=я
, о о >я Я й Й ш о aï
5 S3 я | g " о- g S о о 5
Я 2 S Л и
а" о 3 5
^ Я S ^
«
Эталон
3500 4000 4500
Волновое число, 1/см
Рисунок 3 - ИК-спектр бутональной фракции водно-щелочного экстракта коры сосны
0,27 0,28 0,36 0,38
0,55 0,57
сиреневый сиреневый
серый
серый
феруловая кислота
кофейная (3,4-диоксикорич-
ная) кислота n-оксибензойная кислота
С 5
1,4
0,6
0,4
0,2
а т а го оранже- „ ванилиновая кис-
0,67 0,68 г „ оранжевый
выи г лота
0,71 0,71 розовый розовый п-кумаровая кислота
, , протокатеховая
0,88 0,88 фиол!то- фиол!то- (3,4-диоксибензой-
вый вый
ная) кислота
На рисунках 4 и 5 представлены полученные хро-матограммы.
Сигнал детектора, yie.
0 4 8 12 16 20 24 28 3 2 36 40 44 48 52 5 6 60
Время, мин
Кислоты: 1 - протокатеховая; 2 - п-оксибензойная; 3 - ванилиновая; 4 - кофейная; 5 - п-кумаровая; 6 - феруловая
Рисунок 4 - Хроматограмма эфирной фракции водно-щелочного экстракта коры сосны
Таким образом, результаты хроматографического анализа фракций хорошо согласуются с результатами УФ- и ИК-спектроскопии.
Сигнал детектора, у.е.
LU
u Ь
i Г
г' 1
г . /
N 1 д.
ITI 1 Г ¥
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Время, мин
Кислоты: 1 - протокатеховая; 2 - п-оксибензойная; 3 - ванилиновая; 4 - кофейная; 5 - п-кумаровая; 6 - феруловая кислоты
Рисунок 5 - Хроматограмма этилацетатной фракции водно-щелочного экстракта коры сосны
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенных исследований показали, что основу экстрактивных веществ водно-щелочного экстракта коры сосны составляют фенольные соединения, большая часть которых относится к дубильным веществам.
Установлено, что мономерные фракции фенольно-го комплекса экстракта представлены в основном фе-нолкислотами. Методами ТСХ и ВЭЖХ идентифицированы следующие фенолкислоты: n-оксибензойная, n-кумаровая, кофейная (3,4-диоксикоричная), ванилиновая, феруловая и протокатеховая (3,4-диоксибен-зойная) кислота. n-Кумаровая и феруловая кислоты представлены цис- и транс- изомерами. В составе олигомерной фракции превалируют конденсированные танниды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Корбукова, И.В. Особенности химического состава корки и луба Pinus sylvestris L.: дис. ... канд. хим. наук: - СПб, 1996. - 160 с. Громова, А.С. Фенолкислоты и их производные из коры некоторых видов пихты, ели и сосны / С.А. Громова, В.И. Луцкий, В.А. Тюкавкина // Химия древесины. - 1987. - № 4. - С. 99-102. Тюлькова, Ю.А. Характеристические параметры процесса экстракции коры сосны водно-щелочным раствором / Ю.А. Тюлькова, Т.В. Рязанова // Химия растительного сырья. - 2011. - № 4. -С. 49-52.
Рязанова, Т.В. Химия древесины: учеб. пособ. / Т.В. Рязанова, Н.А. Чупрова, Е.В. Исаева. - Красноярск: Изд-во КГТА, 1996. - 358 с. Тюлькова, Ю.А. Новый сорбент для определения содержания дубящих веществ в экстрактах коры хвойных / Ю.А. Тюлькова, Т.В. Рязанова // Всероссийская научно-практическая конференция "Молодые ученые в решении актуальных проблем науки": сб. ст. - Красноярск, 2012. - С. 245-247. Всесоюзный единый метод исследования в кожевенном, обувном и дубильно-экстрактовом производстве (ВЕМ). - М. : Гостехиздат, 1955. - 320 с. Артемкина, Н.А. Содержание фенолов в коре ели на разных стадиях техногенной сукцессии биогеоценозов Кольского полуострова / Н.А. Артемкина, Т.Т. Горбачева // Химия растительного сырья. -2009. - № 2. - С. 111-116. Тарасевич, Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы / Б.Н. Тарасевич. - М. : МГУ 2012. - 55 с. Полежаева, И.В. Изучение экстрактивных веществ CHAMERION ANGUSTIFOLIUM (L.) HOLUB / И.В. Полежаева, Н.И. Полежаева и др. // Химия растительного сырья. - 2005. - № 1. - С. 25-29.
и
