CC BY
145
УДК 630.892.6
ВЫХОД И СОСТАВ ВЫДЕЛЯЕМОГО РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ ПИХТОВОГО МАСЛА
© О.Г. Панькив , В.В. Мирошниченко, В.Н. Паршикова, Р.А. Степень
Красноярский государственный торгово-экономический институт,
ул. Л. Прушинской, 2, Красноярск, 660070 (Россия) E-mail: [email protected];
[email protected]; [email protected]
В статье анализируются и сравниваются результаты исследования выделения пихтового масла микроволновым способом, гидротермообработкой и СО2-экстракцией. При применении микроволнового способа существенно сокращаются продолжительность отгонки, увеличивается выход и содержание в масле борнилацетата. Рассмотрена динамика и механизм выделения эфирного масла.
Ключевые слова: лесосечные отходы, утилизация, древесная зелень, эфирное масло, микроволновое нагревание, гидротермообработка, экстракт, биологически активные компоненты.
Введение
При произрастании на территории нашего государства каждого пятого, а более ценных хвойных - второго дерева его доля в экспорте равна 2,3%. Имея гораздо меньшие лесосырьевые ресурсы Финляндия, Швеция, США и Канада обладают соответственно 8,4, 10,1, 12,7 и 17,3% мирового экспорта [1]. Еще хуже положение в Сибири, где произрастающая на лесосеке древесина используется лишь на треть.
Несмотря на огромные запасы спелых и перестойных древостоев в Красноярском крае, расчетная лесосека перерабатывается лишь на 15,9%. Создавшееся положение преимущественно обусловливается трудно-доступностью имеющихся массивов. Центральный район с его относительно налаженной дорожной сетью располагает в основном истощенными фитоценозами. Для подъема лесной отрасли в создавшейся ситуации представляется организация лесохимических предприятий по переработке лесосечных отходов. Оставаясь на лесосеке, они провоцируют пожары и нападение насекомых-вредителей. Вместе с тем лесосечные отходы, прежде всего их древесная зелень, являются богатым источником большого числа биологически активных и энергетических компонентов: эфирного масла, фенолов, витаминов, углеводородов и пр. Их утилизация позволяет без уничтожения новых лесных массивов получать широкий ассортимент востребованной и дорогостоящей продукции, выявленная потребность в которых в стране в настоящее время удовлетворяется на 10-15%. Огромное количество образующихся отходов указывает на актуальность крупномасштабного создания таких производств, возможно даже в виде малых предприятий. Их функционирование обеспечит появление новых рабочих мест и пополнит небогатый местный бюджет.
В сообщении обсуждаются различные способы одного из наиболее доступных продуктов переработки древесной зелени пихты - получения эфирного масла.
Пихта относится к главной лесообразующей породе Красноярского края, уступая по занимаемой площади лишь сосне и кедру, что свидетельствует об актуальности разработки технологии рационального использования всей биомассы дерева. В значительной мере это относится и к древесной зелени, вклад которой оценивается в 10% от его общей массы. Древесная зелень пихты традиционно используется для получения масла [2].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Хвойное эфирное масло в основном получают отгонкой из растительного сырья острым водяным паром. Проходя через сырье, он захватывает находящиеся на его поверхности терпеноиды и поступает в холодильную систему. В холодильнике пар конденсируется, и далее конденсат разделяется на легкую (эфирное масло) и тяжелую (флорентинная вода) фракции. Технология получения масла до настоящего времени остается неизменной, в том числе периодический режим работы. Усовершенствования относятся в основном к оборудованию: изменяется материал и аппаратурное оформление, механизируется загрузка и выгрузка сырья, улучшается герметизация и культура труда. В последнем из вариантов промышленная установка выполнена передвижной, в виде единого блока заводской готовности, которая монтируется на металлической раме [3]. Во избежание окислительных процессов оборудование, контактирующее с парами воды и эфирным маслом, выполнено из нержавеющей стали.
Во втором случае происходит предварительное экстрагирование экстрактивных веществ, в том числе терпеноидов, из растительного материала органическими растворителями. После удаления последних, эфирное масло отгоняется из экстракта водяным паром. Такой прием успешно применяется в ряде технологий: водно-бензиновой экстракции древесной зелени, масла кедровых орехов и др. [4, 5]. Поскольку при этом снижается продолжительность термической обработки, способствующей окислительным и конденсационным превращениям терпеноидов, можно ожидать некоторого повышения выхода масла. Кроме того, оставшаяся после его отгонки часть экстракта также служит дополнительным товарным продуктом или сырьем для дальнейшего фракционирования. К недостатку метода относится сложность исчерпывающего удаления из экстракта растворителя, ухудшающего качество продукции. Решение вопроса существенно упрощается при использовании в качестве растворителя легколетучих жидкостей или сжиженных газов, прежде всего диоксида углерода. Практически уже при комнатной температуре из такого экстракта улетучиваются остатки растворителя.
Хвойные растительные масла выделяются также при микроволновом нагревании растительного материала. Хотя и в данном случае его отгонка осуществляется с водяным паром, однако механизм появления в реакционной среде некоторой части масла может отличаться от предыдущих вариантов. Предполагается, что если при гидротермообработке распад комплексов осуществляется за счет повышенного температурного воздействия во всей зоне, то при микроволновом методе связи между компонентами меротерпенов разрушаются посредством направленного энергетического потока. При справедливости высказанного положения, продолжительность микроволновой методики должна быть меньше, а выход масла несколько больше, по сравнению с гидротермическим методом. Такое предположение следует из более краткого пребывания тер-пеноидов в температурной зоне, их образования при распаде сложных терпеноидных структур и более полной отгонки высококипящих компонентов.
Обсуждение результатов
Результаты экспериментального выделения эфирного масла из древесной зелени пихты гидротермообработкой при атмосферном давлении из гексанового экстракта и микроволновым методом приведены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние метода выделения на выход пихтового эфирного масла
№ опыта Метод выделения масла
гидротермообработкой из экстракта микроволновой
1 2,61 2,43 2,73
2 2,52 2,55 2,64
3 2,42 2,40 2,57
4 2,44 2,36 2,73
5 2,62 2,33 2,68
6 2,35 2,51 2,79
х - т 2,49±0,04 2,43±0,03 2,69±0,03
хтіп- хтах 2,35-2,62 2,33-2,55 2,57-2,79
0,109 0,086 0,078
V, % 4,37 3,54 2,9
Предположение о превышении выхода пихтового масла при его выделении микроволновым способом перед его отгонкой посредством гидротермообработки оправдалось. В первом случае его выделилось на 8% больше, чем во втором. Наряду с существенным сокращением продолжительности процесса, такое превышение может служить весомым достоинством применения микроволнового метода. Заключение об увеличении выхода масла путем предварительного экстрагирования суммы экстрактивных веществ неполярными растворителями не оправдалось. Его значение оказалось минимальным по сравнению с другими способами. Снижение выхода можно объяснить тем, что экстрагентом лишь частично выделяются терпеноидные комплексы, при последующем распаде которых образуются компоненты эфирного масла. Для оценки справедливости такого предположения исследована динамика его выделения тремя рассматриваемыми способами (рис.).
Динамика традиционной отгонки пихтового масла существенно отличается от двух остальных. Если в течение первых 20-25 мин из экстракта и микроволновым путем отгоняется практически все масло, то при гидротермообработке - лишь около 70%. Причем при продолжении процесса из экстракта масло вообще не выделяется, при микроволновой обработке - весьма незначительно.
Такой ход отгонки можно объяснить отличием протекающих процессов. В экстракте компоненты масла находятся в свободном состоянии в гомогенной массе с другими экстрактивными веществами. Для их удаления достаточно контакта терпеноидов с водяным паром. Сложные комплексы практически отсутствуют в экстракте, в связи с чем в данном случае продолжительность отгонки минимальная. При микроволновом воздействии с учетом различной энергии связи составляющих меротерпеноидов, время распада комплексов может несколько увеличиться. Возможно, на это указывает незначительный подъем кривой в заключительном периоде. Кроме того, некоторой части терпеноидов для контактирования с паром необходимо время для диффузии из объема на поверхность части сырья. При традиционной отгонке кривая накопления масла возрастает значительно медленнее, по сравнению с другими способами его извлечения. Такой ход кривой, по-видимому, связан с замедленным распадом меротерпеноидов, что и обусловливает большую продолжительность процесса отгонки.
Компонентный состав эфирного масла, выделенного из древесной зелени пихты сравниваемыми методами, приведен в таблице 2.
Таблица 2. Компонентный состав пихтового масла, % от суммы
Компоненты Метод выделения масла
гидротермообработка из экстракта микроволновый
1 2 3 4
Сантен 1,5 0,9 0,7
а-пинен 13,3 10,8 8,1
Камфен 20,4 22,1 19,3
Р-пинен 3,7 5,2 1,4
Мирцен 0,7 1,1 0,3
3-карен 8,8 13,2 40
Лимонен + Р-фелландрен 11,5 10,2 7,1
Другие 1,2 1,9 2,6
Всего монотерпеновые углеводороды 61,1 65,4 43,1
Фенхон 0,6 0,5 0,3
Изофенхон 0,1 0,3 0,1
Камфора 2,4 3,8 0,1
Терпениолы 1,2 1,5 0,5
і 2 3
Продолжительность, ч
Динамика выделения продолжительности пихтового масла: 1 - микроволновым методом, 2 - из экстракта, 3 - гидротермообработкой
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4
Борнеол 1,4 0,3 2,2
Изоборнеол 0,3 0,1 0,1
Борнилацетат 26,4 20,4 41,2
Другие 2,4 1,0 0,9
Всего кислородсодержащих соединений 34,8 27,9 45,4
Лонгифолен 0,2 0,5 0,5
Кариофиллен 1,3 2,2 4,3
Муролены 0,3 0,6 0,5
Р-гумулен 0,7 1,0 1,9
Р-бизаболен 1,0 1,2 0,3
Кадинен 0,3 0,9 1,0
Другие 0,3 0,3 6,3
Всего сесквитерпеноидных соединений 4,1 6,7 11,5
Количественный состав эфирных масел, выделенных различными методами, практически одинаков. Сравнительно близки и количественные вклады большинства терпеноидов, отогнанных острым паром из древесной зелени и экстракта. Некоторое превышение в первом из них а-пинена, возможно, связано с участием в образовании комплексов, распад которых увеличивает его вклад. Значительное расхождение отмечается при сравнении состава эфирного масла, полученного этими методами и при микроволновой обработке древесной зелени. Снижение доли монотерпенов, по-видимому, объясняется перераспределением фракционного состава компонентов и частичным улетучиванием этой легколетучей фракции в процессе отгонки. Высокое содержание в масле сесквитерпеноидов может свидетельствовать о полноте его выделения из сырья и возможном применении данной фракции как ингредиента инсектицидных препаратов. Богатую бор-нилацетатом фракцию целесообразно использовать в производстве медицинской камфоры.
Выводы
Результаты исследования свидетельствует о предпочтительном выделении пихтового масла микроволновым способом. При его применении существенно сокращаются продолжительность отгонки, увеличивается выход и содержание в масле борнилацетата. Рассмотрена динамика и механизм выделения эфирного масла.
Список литературы
1. Кондратюк В.А. Лесопромышленный комплекс России: вчера, сегодня, завтра // Лесная промышленность. 2002. №1. С. 4-7.
2. Степень Р.А., Репях С.М. Легколетучие терпеноиды сосновых лесов. Красноярск, 1998.404 с.
3. Степень Р.А. и др. Организация и технология пихтоваренного производства. Красноярск, 2000. 46 с.
4. Левданский В.А. и др. Безотходная перегонка коры пихты // Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 21-28.
Поступило в редакцию 9 ноября 2008 г.
После переработки 18 декабря 2008 г.
