CC BY
129
Химия растительного сырья. 2007. №3. С. 9-21.
УДК 634.986
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ ЛИСТВЕННИЦЫ
© В.А. Бабкин, С.З. Иванова, Т.Е. Федорова, Е.Н. Медведева , Ю.А. Малков, Л.А. Остроухова,
Н.Н. Трофимова, Н.В. Иванова
Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033 (Россия) E-mail: [email protected]
С целью оптимизации технологической схемы производства экстрактивных веществ из древесины лиственницы изучена кинетика экстракции, получены математические зависимости, описывающие данный процесс, определены факторы, влияющие на его качество и скорость. Методом количественной спектроскопии ЯМР 13С показано, что компонентный состав и степень разветвления макромолекул арабиногалактана из древесины лиственницы зависят от способа его выделения и очистки. На основании данных УФ- и ИК-спектроскопии установлена природа веществ, обусловливающих окраску глюкозных сиропов из целлолигнинового остатка древесины лиственницы. Изучены химическое строение и биологическая активность комплекса полифенолов коры лиственницы. На основе разработанных способов получения индивидуальных экстрактивных веществ предложена схема переработки древесины и коры лиственниц сибирской и Гмелина.
Введение
Технология комплексной безотходной переработки биомассы лиственниц сибирской и Гмелина, предусматривающая получение широкого набора продуктов для медицины, сельского хозяйства, пищевой и парфюмерно-косметической промышленности, разрабатывается лабораторией химии древесины Иркутского института химии СО РАН уже более 10 лет [1-3].
Создание современной технологии переработки биомассы лиственницы предполагает исследование химического состава и биологической активности выделяемых экстрактивных веществ, изучение фундаментальных основ разрабатываемых технологических процессов, а также разработку новых блоков и усовершенствование технологии безотходной переработки древесины и коры лиственницы.
Изучение кинетики процесса экстракции древесины лиственницы
С целью оптимизации технологической схемы производства экстрактивных веществ из древесины лиственницы (ДЛ) впервые изучена кинетика экстракции, получены математические зависимости, описывающие данный процесс, определены факторы, влияющие на его качество и скорость [4, 5].
Для исследования и описания технологических процессов экспериментально получены необходимые данные о физико-химических свойствах используемых веществ и их растворов [6]. Определена сорбционная емкость ДЛ по воде, равная 2,7 кг/кг абсолютно сухой древесины (а.с.д.), что соответствует пределу насыщения ДЛ водой 73%, а также сорбционная емкость ДЛ по этилацетату. Получена линейная зависимость поверхностной сорбционной емкости измельченной древесины от удельной поверхности и определена зависимость для общей сорбционной емкости измельченной ДЛ. Показано, что сорбционная емкость древесины по этилацетату при 20 °С Ен =1,7262 кг/кг а.с.д. и, соответственно, степень насыщения составляет 63,3%. Таким образом, ДЛ поглощает воды больше, чем этилацетата, на 10%.
Автор, с которым следует вести переписку.
Для получения эмпирических зависимостей физико-химических свойств растворов от температуры и концентрации экспериментально определены растворимость основного экстрактивного вещества ДЛ дигид-рокверцетина (ДКВ) в различных растворителях, динамическая вязкость, плотность и температура кипения растворов ДКВ в воде и этилацетате при различных температурах.
Важной характеристикой двухфазного процесса экстракции древесины лиственницы является распределение экстрактивных веществ в системе этилацетат-вода [7]. Экспериментальные определения коэффициента распределения ДКВ в смеси этилацетат-вода позволили установить, что ДКВ практически полностью переходит в этилацетат. Доля его в воде не превышает 0,5%. Полученная зависимость линейна, и коэффициент распределения ДКВ равен т=24.
Основной задачей изучения кинетики процесса экстракции является определение времени контакта взаимодействующих фаз, необходимого для достижения заданной степени извлечения экстрагируемых веществ [8]. Данные кинетики процесса экстракции позволяют установить оптимальное время контакта фаз и геометрические размеры аппарата. Экспериментально определено, что степень влияния температуры и размера частиц на выход экстрактивных веществ увеличивается при повышении влажности сырья. Таким образом, установлено, что влажность существенно влияет на диффузию экстрактивных веществ [9].
Установлено, что температура незначительно влияет на содержание ДКВ в экстракте, влажность же оказывает существенное воздействие. При этом зависимость содержания ДКВ (С, кг/кг экстракта) от влажности (№, кг/кг) и температуры (Т, К) можно выразить следующей эмпирической формулой:
С = 0,073W0'338T0'293.
Среднее отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет 1,5%.
На основе приведенных исследований определен коэффициент диффузии (О) экстрактивных веществ из ДЛ (рис. 1).
Из рисунка 1 видно, что при увеличении влажности значение О возрастает в меньшей степени, чем в случае высушенной древесины. Следовательно, изменение О от температуры с учетом влажности можно описать разными зависимостями.
При обработке экспериментальных данных был получен ряд выражений для коэффициента диффузии суммы экстрактивных веществ, из которых установлено, что зависимость О ДКВ от Т и № имеет линейный характер и описывается следующим уравнением:
Б = Бо • [1 + (0,^ + 0,0031)(Т- То)], (1)
где О0=2,О-10-9 см2/с - коэффициент диффузии ДКВ при 70=293 К и влажности №=0,5%.
Для предварительной оценки выхода ДКВ из ДЛ при экстракции более 6 ч была получена следующая эмпирическая зависимость:
1 - — = 4,4 • 10-16 50А2Ж-г'11Т4'44, (2)
Х 0
где Х0, X- начальное и конечное содержание ДКВ в древесине, кг/кг а.с.д., Б - удельная поверхность частиц щепы, м2/м3; №=1-х , х - влажность древесины, кг/кг а.с.д.; Т- температура, К.
Адекватность данного уравнения оценивалась по среднеквадратичному отклонению, которое составляет 0,14%, что характеризует высокую степень соответствия экспериментальных данных расчетной формуле.
Формулы (1, 2) получены для условий экстракции в большом объеме растворителя и справедливы для исходного сырья с содержанием экстрактивных веществ, извлекаемых этилацетатом, от 2 до 6% от а.с.д., при температуре до 70 °С.
Таким образом, при анализе экспериментальных данных по извлечению этилацетатом экстрактивных веществ из древесины лиственницы установлено, что полученная зависимость позволяет с достаточной точностью описать процесс экстракции.
На основе полученных данных и выведенных зависимостей рассчитан и спроектирован экстракционный аппарат объемом 4 м3. В настоящее время изготовлены 3 таких аппарата, которые успешно используются в производстве ДКВ.
Рис. 1. Зависимость коэффициента диффузии суммы экстрактивных веществ от температуры и влажности
Т-То, К
Зависимость строения арабиногалактана из древесины лиственницы сибирской от способа его выделения и очистки
Разработанная нами технология выделения из ДЛ дигидрокверцетина позволяет одновременно получать водный экстракт арабиногалактана (АГ). Благодаря комплексу уникальных свойств этот водорастворимый полисахарид может применяться во множестве разнообразных областей, таких как медицина, пищевая и парфюмерно-косметическая промышленность, ветеринария, целлюлозно-бумажная промышленность и др. [10-12]. В настоящее время водный экстракт АГ из древесины лиственницы является отходом производства дигидрокверцетина.
Биологическая активность арабиногалактанов высших растений непосредственно связана с их структурными особенностями: величиной галактанового кора, строением боковых углеводных цепей, а также молекулярной массой и способностью образовывать межмолекулярные ассоциаты [13, 14].
Макромолекула АГ из древесины лиственницы имеет высокоразветвленное строение; главная цепь ее состоит из звеньев галактозы, соединенных ГЛИКОЗИДНЫМИ СВЯЗЯМИ Р-(1—>3), большинство из которых имеет боковые ответвления. Арабинозные фрагменты включены в макромолекулу АГ в основном как боковые цепи, состоящие из 3-О-замещенных остатков Р-Ь-арабинофуранозы и концевых остатков, представленных Р-Ь-арабинопиранозой, Р-Б-арабинофуранозой и а-арабинофуранозой [15]. Имеются сведения о том, что звенья арабинозы могут присутствовать также в основной цепи макромолекулы [16]. Моносахаридный состав и молекулярная масса (ММ) макромолекул АГ колеблются не только в зависимости от вида лиственницы, но и в пределах одного вида. Кроме того, как показали исследования АГ из западной лиственницы, фракции полимера, различающиеся по молекулярной массе, имеют различное соотношение звеньев галактозы и арабинозы [17].
Способы извлечения АГ из древесины лиственницы основаны на его экстракции водой и различаются по методам предварительной обработки исходного сырья, условиям экстракции, а также очистки экстрактов и целевого продукта от примесей. Соотношение мономерных звеньев в макромолекулах арабиногалактана и его свойства во многом зависят от этих условий [11, 12], а значения молекулярной массы АГ - от способа ее определения. Решающее влияние на результаты определения ММ гель-проникающей хроматографией (ГПХ) оказывает выбор элюирующей системы, что, вероятно, обусловлено образованием устойчивых ассо-циатов и проявлением макромолекулами АГ полиэлектролитного эффекта [18-21].
Образцы арабиногалактана, получаемые из древесины лиственницы сибирской по разработанной нами технологии [22], выделяются из водных экстрактов и очищаются различными методами в зависимости от требуемой чистоты продукта.
С целью стандартизации продукта мы исследовали некоторые характеристики образцов АГ, различающихся по способу выделения и очистки.
Наиболее распространенный способ выделения арабиногалактана из водных экстрактов - осаждение полисахарида алифатическими спиртами, чаще всего этанолом. При этом происходит освобождение продукта от дигидрокверцетина и других растворимых в спиртах низкомолекулярных фенольных соединений, являющихся основными примесями в АГ из лиственницы. Высокомолекулярные вещества фенольной природы, связанные с АГ в лигноуглеводный комплекс, остаются в продукте. Нами было показано, что до 88% этих примесей удаляется при обработке экстракта флокулянтами катионного типа [23]. Применение метода
флокуляции позволило нам отказаться от стадии осаждения АГ этанолом и выделять товарный продукт концентрированием осветленного экстракта ультрафильтрацией с последующей сушкой концентрата [22]. При этом наряду с концентрированием при ультрафильтрации происходит эффективная очистка экстракта от ДКВ, а также от неорганических примесей [24].
Имеются сведения о присутствии в АГ из древесины лиственницы протеинов, связанных с АГ химическими связями (гликопротеинов) [25]. Проведенные исследования показали, что в получаемых нами образцах АГ протеины отсутствуют. Об этом свидетельствуют данные ИК спектроскопии, элементного анализа (отсутствие азота), электрофореза, анализа с амидо-черным, а также аминокислотного анализа.
Детальное исследование образцов АГ, получаемых на каждой стадии выделения и очистки продукта, позволит охарактеризовать влияние способов получения чистого арабиногалактана на его структуру и стандартизировать конечный продукт.
Водные экстракты с содержанием сухих веществ 4,9% (промышленный экстракт №1) и 10,2% (промышленный экстракт №2) были получены на опытно-промышленной установке из различных партий древесины лиственницы при температуре 80-90 °С после удаления из нее ДКВ [22]. Экстракт очищали путем обработки флокулянтом и пероксидом водорода, продукт выделяли осаждением в этанол [23]. Выделенные различными способами образцы АГ сушили при 105 °С.
Для сравнения использовали образец АГ, полученный в лаборатории в мягких условиях водной экстракцией лиственничных опилок при комнатной температуре и гидромодуле 1 : 10 в течение 72 чс последующей сушкой при комнатной температуре. Анализ спектров ЯМР 13С этого продукта (табл. 1, образец 1) и продукта, полученного выпариванием исходного промышленного экстракта (образец 2), выявил существенные различия апрдукта, в их моносахаридном составе: соотношение мономерных звеньев галактозы и арабинозы в образце 1 значительно выше. Эти образцы различаются и по молекулярно-массовому распределению (ММР).
Сравнение данных спектров ЯМР 13С образца 2 и образца 3, полученного выпариванием осветленного флокуляцией экстракта, свидетельствует о том, что обработка экстракта флокулянтом приводит к получению продукта с более низким соотношением ва1/Ага в макромолекуле полисахарида. По-видимому, в процессе флокуляции в водных растворах АГ наряду со связыванием сопутствующих АГ примесей происходят агрегация обогащенных галактозой (высокомолекулярных) компонентов АГ с макромолекулами флокулянта и удаление этих агрегатов из раствора. При этом средняя ММ также снижается.
Выделение АГ из экстракта осаждением этиловым спиртом дает продукт 4, в котором содержание ара-бинозных звеньев почти в два раза ниже, чем в исходном образце (табл. 1).
Известно, что в процессе обработки водного раствора АГ из древесины лиственницы сибирской этиловым спиртом происходит преимущественное осаждение высокомолекулярных фракций арабиногалактана [26]. Полученные нами результаты указывают на то, что эти фракции обогащены галактозой, а остающиеся в растворе олигомерные продукты содержат арабинозных звеньев больше, чем исходный образец. Эти данные согласуются с литературными [17].
Очистка образца 6 от низкомолекулярных фракций диализом против дистиллированной воды также приводит к увеличению доли звеньев галактозы в макромолекулах АГ (образец 7). Еще заметнее этот эффект проявляется при дополнительной очистке образца 6 двукратным переосаждением из воды в этанол (образец 8).
Предварительная флокуляция экстракта АГ с последующим осаждением этиловым спиртом дает продукт (5) с соотношением галактозных и арабинозных звеньев, близким к значению ва1/Ага в АГ из древесины лиственницы сибирской, сообщавшемуся в работе [15].
Использование количественной спектроскопии ЯМР 13С позволяет не только определить компонентный состав выделяемых образцов АГ (соотношение галактозных и арабинозных единиц), но и оценить соотношение основных структурных галактозных фрагментов макромолекул АГ:
1
1
^3)-р-Б-Оа1^-(1^
Р-Б-вф
6
Р-Б-вф
6
Звенья галактанового кора
с
Звенья боковых цепей
г
Концевые звенья
Таблица 1. Влияние способа выделения и очистки на моносахаридный состав и молекулярную массу образцов арабиногалактана
Образец Условия выделения Оа1 / Ага ММ (ГПХ) М№ Мп Степень полидисперсности (М„/ Мп)
1 Экстракция и сушка при комнатной температуре 13,1 18780 37880 16500 2,30
Промышленный экстракт №1
2 Выпаривание исх. экстракта 7,2 13800 15980 12230 1,31
3 Флокуляция исх. экстракта, выпаривание 5,7 12630 15320 11880 1 ,29
4 Осаждение из исходного экстракта этанолом 13,7 - - - -
5 Флокуляция исходного экстракта, осаждение этанолом 9,4 - - - -
Промышленный экстракт №2
6 Осаждение из исходного экстракта этанолом 7,4 19950 18900 14880 1 ,27
7 Диализ образца 6, лиофильная сушка 8,5 19950 21160 17740 1,19
8 Двукратное переосаждение образца 6 из воды в этанол 13,4 - - - -
9 Флокуляция исх. экстракта, осаждение этанолом 7,9 - - - -
Относительные соотношения фрагментов с, 8 и г можно определить из количественных спектров ЯМР 13С образцов АГ сравнением интегральных интенсивностей сигналов незамещенных атомов С-6 и С-3 галактозных звеньев и атомов С-6 и С-3 галактозы, участвующих в образовании гликозидных связей [15].
Соотношение 3-О-замещенных звеньев Б-галактопиранозы (главным образом звенья с) и звеньев Б-галактопиранозы боковых цепей (звенья 8 и г) рассчитывали из спектров ЯМР 13С по интенсивностям сигналов атомов углерода при 5 81,7 м.д. (С-3 замещ.) и 5 71,3 м.д. (С-3 незамещ.) (табл. 2). Соотношение 3,6-ди-О- , 6-О-замещенных остатков Р-Б-галактопиранозы (звенья с и 8) и концевых звеньев галактозы (звенья г) рассчитывали по интегральным интенсивностям сигналов атомов углерода при 5 68,9 м.д. (С-6 замещ.) и 5 61,3 м.д. (С-6 незамещ.) [15].
По результатам хроматомасс-спектрометрии продуктов частичного гидролиза метилированного АГ лиственницы сибирской ранее было установлено, что макромолекула арабиногалактана имеет высокоразветв-ленную структуру, средняя единица повторения которой содержит 2 остатка арабинозы и 20 остатков галактозы. Соотношение звеньев галактозы с : 8 : г составило 8 : 5 : 7 [15]. На основании этих данных при расчете соотношения с: 8 : г для каждого образца АГ было принято, что количество звеньев с = 8. Как видно из таблицы 2, в образце АГ (3), выделенном после предварительной флокуляции водного экстракта, по сравнению с исходным АГ (2) снижается количество звеньев 8. Вместе с тем для этого образца характерно более высокое содержание арабинозных звеньев (на 25% выше, чем в исходном образце АГ). Эти данные указывают на то, что полученный продукт содержит больше коротких галактозных боковых цепей (состоящих из одной концевой галактозной единицы) и больше боковых арабинозных цепей.
Выделение АГ из водных экстрактов осаждением этиловым спиртом приводит к продукту (4) также с большим содержанием коротких галактозных боковых цепей и значительно меньшим (~ 50%) количеством арабинозных боковых цепей. То есть в целом образец имеет более низкую степень ветвления по сравнению с исходным образцом (2) за счет меньшего количества боковых арабинозных цепей в его составе.
Образец (5), полученный флокуляцией экстракта и последующим осаждением спиртом, характеризуется структурными параметрами, наиболее близкими к составу АГ древесины лиственницы сибирской, приведенному в работе [15].
Данные таблицы 3 характеризуют продукты, очищенные окислением сопутствующих АГ фенольных и лигнинных примесей пероксидом водорода. Полученные результаты показывают, что под влиянием пероксида водорода соотношение галактозных и арабинозных фрагментов в образцах АГ изменяется; при увеличении продолжительности воздействия Н202 или повышении температуры процесса окисления происходит преимущественное отщепление остатков арабинозы.
Таблица 2. Структурные параметры образцов АГ, рассчитанные из спектров ЯМР 13С
Образец* С-3 зам./ С-3 незам. С-6 зам./ С-6 незам. с 8 1 Ага / 20 Оа1
1 0,90 2,43 8 4 5 1,5
Промышленный экстракт №1
2 0,73 2,81 8 6 5,4 2,7
3 0,95 2,38 8 3, 6 4,9 3,5
4 0,83 2,25 8 4,2 5,4 1,5
5 0,84 2,43 8 4,4 5,1 2,1
Промышленный экстракт №2
6 0,86 2,34 8 4,1 5,2 2,7
7 0,79 2,54 8 5 5,1 1,5
8 0,73 2,26 8 5,1 5,8 2,4
9 0,92 2,37 8 3,7 5 2,5
Литературные данные
[14] АГ из Ьапх згЫтгеа Ь. 0,77 2,2 8 4,6 5,8 2
(ЯМР 13С) [14] АГ из Ьапх згЫгтгеа Ь. 0,67 1,83 8 5 7 2
Анализ после метилирования [17] АГ из Ьапх occidentalis. 0,83 1,75 8 4 5,6 3,7
Анализ после метилирования
*
Номера образцов соответствуют приведенным в таблице 1.
Соотношение 3-О-замещенных звеньев Б-галактопиранозы (звенья с) и звеньев Б-галактопиранозы боковых цепей (8 + г) неокисленного и окисленных образцов изменяется незначительно. Следовательно, в мягких условиях окисления пероксидом водорода состав макромолекул арабиногалактана остается стабильным. Это подтверждают и данные ГПХ образцов АГ. Препарат АГ, полученный в оптимальных условиях (табл. 3, образец 17), имеет почти такое же молекулярно-массовое распределение, как продукт 6, выделенный из исходного экстракта (М„/ Мп= 1,22).
Таблица 3. Расчетные данные из спектров ЯМР13С образцов арабиногалактана, выделенных осаждением в этанол после окисления пероксидом водорода в различных условиях
Образец Условия окисления С-3 замещ./ С-6 замещ./ 1 Оа1/
Cн202, моль/л 0^^ ммоль/л Темпера- тура, °С т, ч С-3 незамещ. С-6 незамещ. с 8 Ага
Без предварительной флокуляции
4* - - - - 0,83 2,25 8 4,2 5,4 13,7
10 0,5 - 60 2 0,85 2,36 8 4,2 5,2 10,3
11 0,5 0,5 60 2 0,75 2,39 8 5,2 5,6 10,7
С предварительной флокуляцией
5* - - - - 0,84 2,43 8 4,4 5,1 9,4
12 0,2 - 40 2 0,81 2,43 8 4,7 5,2 8,0
13 0,2 - 40 4 0,83 2,58 8 4,7 4,9 9,6
14 0,2 - 60 2 0,84 2,39 8 4,4 5,2 8,3
15 0,2 - 60 4 0,81 2,73 8 5,1 4,8 12,3
16 0,5 - 70 4 0,82 1,90 8 3,6 6,1 12,0
17 0,2 0,5 60 2 0,85 2,20 8 4 5,4 8,8
18 0,2 5,0 60 2 0,86 2,25 8 4 5,3 8,8
Номера образцов соответствуют приведенным в таблицах 2, 3.
Более жесткие условия проведения реакции (табл. 3, образец 16) оказывают деструктирующее влияние на макромолекулу АГ, выражающееся в укорочении боковых галактозных цепей (значительное снижение количества звеньев 8 и увеличение содержания концевых звеньев) и отщеплении арабинозных боковых цепей. О фрагментации макромолекул арабиногалактана свидетельствуют данные ГПХ этого образца, обнаруживающие наличие фракций с ММ от ~ 18000 до 4000 и сравнительно высокую степень полидисперсности (М„/Мп= 3,65). В спектре ЯМР 13С этого продукта наряду с сигналами, характерными для звеньев араби-нозы и галактозы, наблюдаются малоинтенсивные сигналы в области 220 м.д. и 170-180 м.д., относящиеся к кетонным и карбоксильным С=0 группам окисленных фрагментов.
Таким образом, установлено, что соотношение звеньев галактозы и арабинозы в макромолекулах АГ в процессе выделения и очистки существенно изменяется. Способ очистки образцов оказывает незначительное влияние на их среднюю молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение.
Предварительная оценка природы веществ, обусловливающих окраску глюкозных сиропов из целлолигнинового остатка древесины лиственницы
После извлечения из древесины лиственницы экстрактивных веществ остается целлолигниновый остаток (ЦО), доля которого в биомассе составляет 60% и более. В связи с разработкой комплексной безотходной технологии переработки биомассы лиственницы становится актуальной проблема рационального использования этого остатка.
По нашим данным целлюлоза в исходной древесине лиственницы составляет 46% от массы абсолютно сухого сырья, в ЦО содержатся 12-15% гемицеллюлоз, 54% целлюлозы и 29% от массы а.с. лигнина. Таким образом, экстракция способствует увеличению относительного содержания полисахаридов в ЦО, что делает его технологически «привлекательным» для использования в кислотногидролитической переработке.
Разработка и реализация технологии получения кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза ЦО будут способствовать расширению ассортимента ценных продуктов из биомассы лиственницы и повышению экологической безопасности и рентабельности производства. Накопленный экспериментальный материал позволил создать основы новой технологии получения глюкозных сиропов и выделения из них кристаллической глюкозы [27].
Изучение процесса кислотного гидролиза ЦО представляет и теоретический интерес, заключающийся в получении новых технологических параметров производства кристаллической глюкозы из непищевого многотоннажного сырья.
Известно, что качественный и количественный состав компонентов в гидролизатах зависит от вида сырья и параметров процесса гидролиза. Кроме глюкозы и других моно-, ди-, три- и олигосахаридов в гидролизате содержатся примеси, относящиеся к различным классам органических соединений: кислоторастворимый лигнин, фурфурол, оксиметилфурфурол, лигногуминовый комплекс, коллоидные вещества, левули-новая и другие органические кислоты [28].
Целью настоящего исследования является определение химической характеристики примесей в глюкозных сиропах, получаемых при кислотном гидролизе ЦО древесины лиственницы.
Особое внимание уделено определению природы веществ, обусловливающих окраску гидролизатов. По данным [28], такими веществами могут быть лигногуминовые вещества, обладающие редуцирующей способностью, растворяющиеся в этаноле и адсорбирующиеся активированным углем.
Воздействие концентрированных кислот на углеводы сопровождается их глубоким распадом, вплоть до гумификации и обугливания. Реакция распада протекает различно у гексоз и пентоз. Так, гексозы распадаются с образованием гидроксиметилфурфурола, который далее распадается до левулиновой и муравьиной кислот (рис. 2). Одновременно часть гексоз переходят в высокомолекулярные вещества коричневого цвета, частично выпадающие из раствора. Пентозаны в этих условиях образуют летучее органическое вещество фурфурол, придающее гидролизату желтую окраску.
Кроме продуктов распада сахаров кислые гидролизаты содержат ряд примесей, которые по своему происхождению связаны с лигнином. Прежде всего это кислоторастворимый лигнин. По литературным данным, при гидролизе хвойной древесины 72%-ной серной кислотой растворяется 2-3% общего количества лигнина.
сн он
он
Продукты конденсации
НОН2С хо сн0
Гидроксиметил-
фурфурол
а„а
н3с—с соон II
о
Левулиновая кислота
Н2О-СН2
+ нсоон
он
Глюкоза
он
Продукты конденсации
Фурфурол
Ксилоза
Рис. 2. Схема распада гексоз и пентоз в кислой среде
Лигнин и продукты распада сахаров - фурфурол, гидроксиметилфурфурол в кислых условиях в небольших количествах дают конденсированные продукты, а нерастворимые гуминоподобные соединения, образующиеся из моносахаридов, и продукты неполного гидролиза полисахаридов олигосахариды могут частично адсорбироваться кислотонерастворимым лигнином. Все эти продукты также обусловливают окраску гидролизата.
Объект исследования - предварительно проэкстрагированная органическим растворителем и водой щепа древесины лиственницы (ЦО) с размерами частиц 25x15x5 мм, а также опилки, полученные из ЦО путем измельчения, с размерами частиц <3 мм.
Коэффициенты сухости, определенные по методу [29], составляли для опилок 0,97 и для исходной щепы 0,96.
Для удаления легкогидролизуемых полисахаридов проводился предгидролиз ЦО 5%-ной Н2804 с гидромодулем 1 : 7 в течение 3 ч при температуре кипения. По истечении заданного времени щепа ЦО отфильтровывалась от предгидролизата, доводилась до воздушно-сухого состояния, измельчалась до опилок и использовалась для кислотного гидролиза. Навеску ЦО одноступенчато гидролизовали 75%-ной Н2804 при комнатной температуре при периодическом перемешивании гидролизат-массы. Инверсию гидролизата проводили путем понижения концентрации серной кислоты в растворе до 5% и кипячением инверта в течение 3 ч. Кислый гидролизат нейтрализовали гидроксидом кальция при 75-80 °С до pH 4-4,5. Нейтрализат осветляли активированным углем БАУ-А ГОСТ 6217-74 в течение 2 ч при 40-50 °С. Десорбцию веществ с угля осуществляли этиловым спиртом.
Данные ИК-спектра спирторастворимых веществ X (см-1): 3400 (-ОН фенольные), 2920 (-СН2, -СН3), 1710 (-С=0 в аром. и алиф. группах), 1620 ( -С=С- в аром. группах), 1510 (-С=С- в аром.), 1380 (-СН3, -СО- фенольн.) свидетельствуют об их ароматической природе.
Определение концентрации кислоторастворимого лигнина проводили по методу [29] при длине волны 280 нм на спектрофотометре СФ-26 в кювете с /=10 мм.
На рисунке 3 приведены УФ-спектры нейтрализата до и после его осветления активированным углем. В УФ-спектре нейтрализата в области 280 нм наблюдается поглощение, соответствующее поглощению кислоторастворимого лигнина [29]. Обработка активированным углем позволяет значительно снизить содержание кислоторастворимого лигнина (от 1,45 до 0,03%).
По данным УФ-спектроскопии, экстракция гидролизата дихлорэтаном также способствует его осветлению за счет снижения содержания кислоторастворимого лигнина (рис. 3).
Упаренный дихлорэтановый экстракт имеет коричневую окраску и по данным ИК-спектроскопии идентифицирован как кислоторастворимый лигнин. Таким образом, на основании данных УФ- и ИК-спектроскопии определено присутствие кислоторастворимого лигнина в гидролизате, который обусловливает окраску гидролизата и глюкозного сиропа.
Комплекс полифенолов коры лиственницы, химическое строение и биологическая активность
На предприятиях лесного комплекса России, где перерабатываются сотни тысяч кубометров древесины лиственницы, кора лиственницы является неутилизируемым отходом. В то же время по своему химическому составу она представляет собой уникальное и практически неисчерпаемое сырье для получения многих ценных продуктов.
0,6
0 Н------1-----1-----1-----1-----1------1-----1-----1-----1-----1-----1-------
210 220 230 240 230 260 270 280 230 300 310 320 330
длина волны, нм
Рис. 3. УФ-спектры иейтрализата до (♦) и после обработки активированным углем (А) и дихлорэтаном (■)
Экономическая целесообразность утилизации коры эффективно проявляется при реализации предложенной нами комплексной безотходной технологии переработки всей биомассы лиственницы. Процесс переработки коры предусматривает экстракцию измельченного сырья растворителями возрастающей полярности. Таким образом можно извлечь до 25-30% (от массы сухой коры) ценных продуктов различного назначения: воск, антиоксидантный комплекс (АОК), пектин. Оставшийся проэкстрагированный шрот коры может служить эффективным сорбентом, например, для сбора нефтепродуктов с поверхности водоемов.
Проведенные токсико-фармакологические исследования показали, что АОК коры лиственницы, представляющий собой смесь полифенольных соединений, обладает выраженной капилляроукрепляющей активностью, высоким гастро- и гепатозащитным эффектом, достоверно увеличивает резервы системы анти-оксидантной защиты организма.
На основе АОК нами разработана биологически активная добавка к пище ПИКНОЛАР [30, 31], прошедшая государственную регистрацию (per. № 77.99.23.3.У.330.1.05).
В данной работе представлены полученные к настоящему времени результаты наших исследований химического состава АОК коры лиственницы.
Изучались полифенольные соединения, экстрагируемые этилацетатом из коры лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина, древесина которых является сырьем при производстве дигидрокверцетина на ООО ИНПФ «Химия древесины».
Фенольные соединения коры лиственницы, идентифицированные нами, рассматриваются от фенолкар-боновых и оксикоричных кислот и их эфиров до конденсированных таннинов.
Фенолокислоты. Среди растительных фенольных соединений оксикоричные кислоты занимают особое положение. Они широко распространены в растениях и являются биогенетическими предшественниками большинства других фенольных соединений.
В этилацетатном экстракте коры лиственницы сибирской было установлено наличие следующих кислот: фе-нолкарбоновых - и-оксибензойной, протокатеховой, ванилиновой и, впервые, сиреневой кислоты, а также оксикоричных - и-кумаровой (цис-, транс-формы), феруловой (цис-, транс-формы) и кофейной (рис. 4) [1, 3, 33].
Сложные эфиры фенолокислот. При изучении этилацетатного экстракта коры лиственницы сибирской были нами выделены фракции сложных эфиров и-кумаровой и феруловой кислот. Комплексом физикохимических методов анализа (УФ-, ИК-спектроскопии, спектроскопии ЯМР 13С, хроматомасс-спектрометрии) установлено, что в состав сложных эфиров входят транс-п-куиаровая и да^анс-феруловая кислоты и высшие н-алифатические спирты с доминирующим содержанием н-эйкозанола и докозонола (рис. 5) [1, 3, 34, 35 ].
Флавоноидные соединения составляют основную группу полифенолов в АОК коры лиственницы.
Флаваноны. В коре лиственницы до настоящего времени обнаружен только один представитель флава-нонов - нарингенин (рис. 6) [32].
Флавонолы и дигидрофлавонолы. В коре идентифицирован ряд флавонолов: кемпферол, кверцетин, ми-рицетин, изорамнетин и два дигидрофлавонола - дигидрокемпферол (аромадендрин) и дигидрокверцетин (таксифолин) [1], причем доминирующим является дигидрокверцетин (рис. 7).
Флаеан-3-олы. В АОК нами идентифицированы следующие флаван-3-олы: (-)-эпиафцелехин, (-)-эпи-катехин, (+)-катехин (рис. 8).
Спирофлавоноиды. Ранее было показано, что в коре лиственницы сибирской (Ьапх $1Ътса Ledeb.) и лиственницы Гмелина (Ьапх gmelinii (Яирг.) Яирг.) обнаружены спиробифлавоноиды лариксинол и ларикси-динол (рис. 9) [3, 35-37].
К настоящему времени нами выделено еще одно спирофлавоноидное соединение - трифлариксинол (рис. 10) [38]. Новое третье спирофлавоноидное соединение - трифлариксинол было получено при хроматографическом разделении экстракта коры лиственницы вслед за лариксинолом и лариксидинолом [38]. Трифлариксинол является продуктом конденсации димера спиро-типа - лариксинола и флаван-3-ола - (-)-эпиафцелехина.
Я=Я^Н - п-
соон
Я'
Яі
он
оксибензойная
Я =н, Я1=ОН -
протокатеховая Я=Н, Я1=ОСН3 -ванилиновая
Я= Я1= ОСН3 - сиреневая
СН=СН—СООН
Я
ОН
Я=Н - и-кумаровая Я=ОН - кофейная Я=ОСН3 - феруловая
Рис. 4. Фенолокислоты
СН= СН—С—О—(СН2)п—СН3
II 3
о О
ОН
Рис. 5. Сложные эфиры фенолокислот
Рис. 6. Нарингенин
Я=Я1=Н - кемпферол Я =ОН, Я1= Н -кверцетин
Я=Я1 =ОН-мирицетин Я= ОСН3, Я1= Н -изорамнетин
Я= Н -
дигидрокемпферол Я =ОН -
дигидрокверцетин
Рис. 7. Флавонолы и дигидрофлавонолы
ОН
ОН
Я= Н - (-)-эпиафцелехин Я =ОН - (+)-катехин, (-)-эпикатехин
ОН
Я1,2=Н - лариксинол Я1=ОН; Я2=Н - лариксидинол
Я
Рис. 8. Флаван-3-олы
Рис. 9. Спиробифлавоноиды
ОН
Рис. 10. Трифлариксинол
Олигомеры и конденсированные таннины. Анализ олигомерных и полимерных фракций этилацетатно-го экстракта коры лиственницы методами ИК-спектроскопии и спектроскопии ЯМР 13С показал наличие диагностических сигналов спиробифлавоноидов с у-бутиролактонным циклом в спирановой системе, которые наряду с фрагментами флаван-3-олов входят в состав этих соединений. Обнаружение и установление структуры трифлариксинола, следовательно, являются очень важным этапом в исследовании строения этих сложных биологически активных природных полимеров, так как демонстрируют, каким образом спиробиф-лавоноидные модули могут быть включены в их структуру.
Для количественной оценки содержания групп соединений фитокомплекса коры лиственницы использовался метод флеш-хроматографии.
В результате были получены фракции, содержащие: I - воски, фенолокислоты и их эфиры (4-6%); II -мономерные флавоноиды (18-20%); III - спирофлавоноиды (38-40%), IV - олигомеры (25-27%), V - полимеры (10-12%).
Заключение
На основе разработанных способов получения индивидуальных экстрактивных веществ предложена схема переработки древесины и коры лиственниц сибирской и Гмелина (рис. 11). Выходы основных продуктов из 1 м3 биомассы лиственницы согласно этой схеме представлены в таблице 4.
Разработанные технологии получения экстрактивных веществ, составляющие основу предложенной схемы, характеризуются высокой степенью экологической безопасности и оптимальными техникоэкономическими показателями [3, 4].
На основе предложенных технологий создается универсальная опытная установка по переработке биомассы лиственницы.
Таблица 4. Выход основных продуктов из 1 м3 биомассы лиственницы
Наименование продукта Выход, кг Степень извлечения, %
Дигидрокверцетин 5,2-10,9 95
Арабиногалактан 26-54 67
Смола лиственничная 12-25 90
Глюкоза 87-122 50
Полифепан 68-71 67
Воск 2,2-3,4 80
Антиоксидантный комплекс 2,1-3,1 85
Водорастворимые вещества 1,0-1,5 70
Пектины 1,0-1,6 75
-| Древесина, 88-92 %
[ Экстрактивные 15-3G % | Целлолигнин, 7G-85 %
-С Дигидрокверцетин, 1,5-3%
К
—с
Смола лиственничная, 3.5 - 7 %
Арабиногалактан, 1G-2G%
Кора, 8-12 %
Экстрактивные 2G-25 % | Сорбент, 75-8G %
-с
-с
Воск, 5-7 %
]
АОК, 7-8 %
Водорастворимые вещества, 1
I___________3:4%_____________I
К
Пектины, 2-4%
Глюкоза, 5G-6G%
Полифепан, 2G-25 %
Рис. 11. Схема комплексной переработки биомассы лиственницы Список литературы
1. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Дьячкова С.Г., Святкин Ю.К. и др. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственниц сибирской и даурской // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. Т. 5. С. 105-115.
2. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Малков Ю.А., Иванова С.З. и др. Биологически активные вещества древесины лиственницы // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т. 9. С. 363-367.
3. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Иванова С.З., Иванова Н.В. и др. Продукты глубокой химической переработки биомассы лиственницы. Технология получения и перспективы использования // Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2004. Т. XLIII. №3. С. 62-69.
4. Бабкин В.А., Малков Ю.А., Остроухова Л.А., Иванова С.З. и др. Ресурсосберегающая и экологически безопасная переработка древесины и коры лиственницы // Наука - производству. 2004. №1. С. 52-58.
5. Малков Ю.А., Остроухова Л.А., Бабкин В.А. Применение метода математического моделирования для разработки технологии извлечения экстрактивных веществ из древесины лиственницы // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 133-138.
6. Выродов В.А. Технология лесохимических производств. М., 1987. 372 с.
7. Аксельруд Г.А., Альтшулер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. М., 1983. 264 с.
8. Исаев С.И., Кожинов П.А., Кофанов В.И. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М., 1979. 495 с.
9. Бабкин В.А., Остроухова Л.А., Малков Ю.А., Онучина Н.А., Еськова Л.А. Эффективный антиоксидант из древесины лиственницы // Хвойные бореальной зоны. Лиственница. Красноярск, 2003. Вып. 1. С. 108-113.
10. Антонова Г.Ф., Тюкавкина НА. Водорастворимые вещества лиственницы и возможности их использования // Химия древесины. 1983. №2. С. 89-96.
11. Медведева С.А., Александрова Г.П. Стратегия модификации и биопотенциал природного полисахарида араби-ногалактана // Панорама современной химии России. Синтез и модификация полимеров. М., 2003. С. 328-356.
12. Медведева Е.Н., Бабкин В.А., Остроухова Л.А. Арабиногалактан лиственницы - свойства и перспективы использования // Химия растительного сырья. 2003. №1. С. 27-37.
13. Оводов Ю.С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24. №7. С. 483-501.
14. Арифходжаев А.О. Галактаны и галактансодержащие полисахариды высших растений // Химия природных соединений. 2000. №3. С. 185-197.
15. Karacsonyi S., Kovacik V., Alfoldi J., Kubackova M. Chemical and 13C-NMR studies of an arabinogalactan from Larix sibirica L. // Carbohydrate Research. 1984. V. 134. P. 265-274.
16. Clarcke A.E., Anderson R.L., Stone B.A. Form and function of arabinogalactans and arabinogalactan-proteins // Phytochemistry. 1979. V. 18. P. 521-540.
17. Prescott J.H., Groman E.V., Gyongyi G. New molecular weight forms of arabinogalactan from Larix occidentalis // Carbohydrate Research. 1997. V. 301. P. 89-93.
18. Медведева С.А., Александрова Г.П., Танцырев А.П. Гельпроникающая хроматография арабиногалактана // Известия вузов. Лесной журнал. 2002. №б. C. !0S-n4.
19. Ponder G.R., Richards G.N. Arabinogalactan from Western Larch. Part і. Arabinogalactan from Western Larch. Part і. Effect of uronic acid groups on size exclusion chromatography // J. Carbohydrate Chem. і997. V. іб. №2. P. і8і-і93.
20. Swenson H.A., Kaustinen H.V., Kaustinen O.A., Tomson N.S. Structure of gum arabic and its configuration in solution // J. Polymer Sci. A-2. mS. V. б. P. і593-іб0б.
21. Ponder G.R., Richards G.N. J. Arabinogalactan from Western Larch. Part II. A reversible order - disorder transition // Carbohydrate Chem. і997. V. іб. №2. P. і95-2іі.
22. Патент РФ №2 25б 66s. Способ получения арабиногалактана / В.А. Бабкин, Л.Г. Колзунова, Е.Н. Медведева, Ю.А. Малков, Л.А. Остроухова // Б.и., 2005. №20.
23. Медведева Е.Н., Бабкин В.А., Макаренко О.А., Николаев С.М. и др. Получение высокочистого арабиногалактана лиственницы и исследование его иммуномодулирующих свойств // Химия растительного сырья. 2004. №4. С. і7-23.
24. Медведева Е.Н., Колзунова Л.Г., Бабкин В.А., Малков Ю.А. и др. Совершенствование технологии получения арабиногалактана // Химия и технология растительных веществ: Мат. III Всеросс. конф. Саратов, 2004. С. 25-27.
25. Антонова Г.Ф. Исследование фракционного состава полисахарида арабиногалактана древесины лиственницы сибирской // Химия древесины. і977. №4. С. 97—і00.
26. Широкова Е.Н. Окисление арабиногалактана под действием пероксида водорода и персульфата калия в водной среде: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Уфа, 2003.
27. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А. Целлолигниновый остаток древесины лиственницы как сырье для получения кристаллической глюкозы // Хвойные бореальной зоны. Лиственница. Красноярск, 2003. Вып. і. С. ііб—і22.
28. Корольков И.И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М., і978. 262 с.
29. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.,
і99і. 320 с.
30. Патент №2і8803і РФ. Фитокомплекс, обладающий антиоксидантной активностью, и способ его получения / В.А. Бабкин, Л.А. Остроухова, Н.В. Иванова, Ю.А. Малков и др. // Б.и., 2002. №24.
31. Патент №2252028 РФ. Новый комплекс биологически активных соединений из коры лиственницы - Пикнолар / В.А. Бабкин, Л.А. Остроухова, Ю.А. Малков, Н.В. Иванова и др. // Б.и., 2005. №і4.
32. Иванова С.З., Федорова Т.Е., Иванова Н.В., Федоров С.В. и др. Флавоноидные соединения коры лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина // Химия растительного сырья. 2002. №4. С. 5-і3.
33. Иванова Н.В., Остроухова Л.А., Бабкин В.А., Иванова С.З., Попова О.В. Комплекс мономерных фенольных со-
единений коры лиственницы // Химия растительного сырья. і999. №4. С. 5-7.
34. Федорова Т.Е., Иванова С.З., Иванова Н.В. Алкилкумараты коры лиственницы сибирской и даурской // Химия растительного сырья. 200і. №2. С. 89—9і.
35. Лейман ЗА. Изучение полифенолов коры лиственницы сибирской: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. Алма-Ата, і974.
36. Shen Z., Falshaw C.P., Haslam E., Begley M.J. A Novel Spiro-Biflavonoid from Larix gmelini // J. Chem. Soc. Chem. Commun. і985. №іб. P. іі35-іі37.
37. Федорова Т.Е., Иванова С.З., Иванова Н.В., Федоров С.В. и др. Лариксидинол - новый спиробифлавоноид из коры лиственницы сибирской и лиственницы Гмелина // Химия растительного сырья. 2003. №2. С. 5-8.
38. Иванова С.З., Федорова Т.Е., Иванова Н.В., Федоров С.В., Бабкин В.А. Cпиpoфлaвoнoиды коры лиственницы // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: Мат. II Всеросс. конф. Барнаул, 2005. С. 388-392.
Поступило в редакцию 1 июля 2007 г.
