Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностью
Компоненты | Продолжительность экстракции, ч | ||
1 | 5 | ||
Монотерпеновые углеводороды | Трициклен | 0,7 | 0,8 |
-пинен | 44,5 | 33,7 | |
Камфен | 8,6 | 7,0 | |
-пинен | 15,6 | 20,0 | |
-мирцен | 1,0 | 1,2 | |
3-карен | 7,8 | 10,6 | |
Лимонен + -фелландрен | 21,8 | 26,7 | |
Сесквитерпеновые углеводороды | Терпинилацетат | 2,6 | 2,2 |
Лонгифолен | 6,4 | 3,6 | |
Кариофиллен | 20,7 | 22,9 | |
-муролен | 11,4 | 12,6 | |
-гумулен | 9,4 | 10,1 | |
-муролен | 4,8 | 4,3 | |
-бизаболен | 12,1 | 8,8 | |
-муролен | 2,1 | 2,1 | |
Кадинен | 4,9 | 4,4 | |
Кислородсодержащие соединения | n-цимол | 2,8 | 3,5 |
Фенхол | 11,2 | 8,7 | |
-терпинеол | 8,9 | 10,1 | |
Камфара | 20,1 | 15,9 | |
-терпинеол | 4,4 | 3,7 | |
Изоборнеол | 3,6 | 3,6 | |
Борнеол | 9,2 | 8,2 | |
Борнилацетат | 39,8 | 46,3 |
Проведено исследование влияния водно-спиртовых растворов с концентрацией этилового спирта от 20 до 96 % на выход и состав получаемых экстрактов, а также зависимость между технологическими параметрами и скоростью процесса экстракции. Проведены исследования по получению экстрактов как из исходных коры пихты и ели, так и из твердых остатков после экстракции жидким диоксидом углерода. Определены удельные поверхности исходной коры пихты и ели, а также их твердых послеэкстракционных остатков. Установлено, что удельная поверхность исходной коры пихты и ели значительно меньше, чем у твердых остатков после экстракции жидким диоксидом углерода. Так, у коры пихты размером 1 мм удельная поверхность после СО2-экстракции в 2,2 раза больше, чем у исходной коры пихты, а для коры ели эта величина больше в 4,3 раза. С увеличением размера коры (от 1 до 3 мм) удельная поверхность возрастает, особенно после СО2-экстракции. Для коры пихты размером 2 мм удельная поверхность составляет 349,3 м2/кг, а после СО2-экстракции – 751,9 м2/кг. Это характерно и для коры ели.
На начальной стадии взаимодействия пористых материалов с водой или водно-этанольными растворами происходит заполнение системы пор (пропитка). Оценка времени приближения к равновесию, пр, с, за которое степень завершенности процесса пропитки достигает 0,98, определяется выражением
, (6)
где – поверхностное натяжение, Н/м; – вязкость жидкости, Пас; r –эффективный радиус пор образца, м; L – линейный размер пористого образца, м.
Результаты количественной оценки процесса пропитки при экстрагировании коры хвойных (пихта, ель) размером (1-3)10-3, м, приведены на рисунке 4.
а) (L = 1 мм) б) (L = 3 мм)
Рисунок 4 – Зависимость продолжительности пропитки коры пихты и ели водой и водными растворами этилового спирта от концентрации этилового спирта и температуры
Установлено, что продолжительность пропитки коры размером (1-3)10-3 м водой и водными растворами этилового спирта существенно меньше продолжительности экстракции, составляя 0,003% общей продолжительности экстракции. Поэтому процессом пропитки пористых частиц коры при исследовании экстракции водой и водными растворами этилового спирта можно пренебречь.
В случае взаимодействия воды и водно-этанольных растворов с корой, степень завершенности диффузионных процессов (при значении критерия Био Bi = ) определяется уравнением
, (7)
где D – коэффициент диффузии, м2/с; – степень извлечения; t – продолжительность экстракции, с; L – половина толщины слоя частиц коры, м.
При
t > tm = (8)
динамика процесса экстрагирования определяется первым членом ряда
, t > tm. (9)
Продолжительность экстракции tэк, при которой обеспечивается заданная степень извлечения з (з > 8/2 = 81 %),
. (10)
Продолжительность экстракции при 98 % степени извлечения определяется выражением
tэк . (11)
Проведенные исследования процесса экстракции коры растительного сырья и анализ литературных источников показал, что D (10-10–10-9) м2/с. При толщине слоя сырья 310-3 м и D = 10-10 м2/с tm = 0,5 ч, а продолжительность экстракции, обеспечивающая 90% степень извлечения, составляет 5,3 ч, что хорошо согласуются с экспериментальными данными (5-6) ч.
Определены коэффициенты диффузии при экстракции исходной коры пихты водно-этанольными растворами при температуре 22 оС. Показана адекватность модели экспериментальным данным при 5% уровне значимости. Статистические характеристики моделей приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Статистические характеристики модели (7) процесса экстракции коры пихты водой при температуре 22 °С
Показатель | Ymax, % к а.с.с. | D, мм2/ч | D10 9, м2/с | So, % к а.с.с. | R2 |
Значение | 2,45 | 0,65 | 0,181 | 0,03 | 0,987 |
Ymax – максимальный выход экстрактивных веществ; D – коэффициент диффузии; So – стандартная ошибка модели; R2 – коэффициент детерминации |
На рисунке 5 представлены результаты расчета процесса экстракции для условий проведенных экспериментов, а также для минимального (0,9 мм), среднего (1,8 мм) и максимального (3,0 мм) характерного размера сырья в экспериментах. Показана высокая чувствительность результатов экстрагирования к размеру сырья. Выход экстрактивных веществ при минимальном и максимальном размере сырья изменяется в 4,8 раза при продолжительности экстракции 0,5 ч, в 3,1 раза – при одночасовой экстракции, в 1,3 раза – при шестичасовой экстракции. Это учитывалось при планировании экспериментов по изучению динамики выхода экстрактивных веществ и разработке технологических регламентов получения БАВ экстракцией коры пихты.
Максимальная толщина сырья hmax, обеспечивающая заданную степень извлечения э при фиксированной продолжительности экстракции tэ, оценивается выражением:
. (12)
Для обеспечения 95 % степени извлечения экстрактивных веществ при пятичасовой экстракции коры пихты и температуре 22 °С, толщина коры должна быть не более 3,4 мм.
Получена корреляционная зависимость максимального выхода экстрактивных веществ (Ymax, % к а.с.с.) и коэффициентов диффузии (D, м2/с) от концентрации этилового спирта (С = 0 1) при экстракции коры пихты при температуре 22 °С (коэффициент детерминации модели R2 = 0,967 0,995):
Ymax(C) = 3,667 + 11,702C2 + 37,541C3 – 42,677C4, (13)
D(C) = (0,187 + 2,044C2 – 1,786C3)10-9, (14)
графики соответствующих зависимостей представлены на рисунке 6.
Полученное по (14) значение коэффициента диффузии для экстракции коры пихты водой D = 0,18710-9 м2/с совпадает с полученным ранее значением по серии независимых экспериментов (таблица 2).
При концентрациях от 0 до 15 % Ymax и D практически не изменяются на уровне (3,7 4,0) % к а.с.с. и (0,19 0,23)10-9 м2/с соответственно. С увеличением концентрации скорость экстракции увеличивается, так как наряду с водорастворимыми веществами начинают извлекаться липидные компоненты, при этом Ymax и D достигают максимума (13,9 % к а.с.с. и 0,5810-9 м2/с) при концентрации (70 80)%. Это объясняется тем, что 70 % этиловый спирт извлекает как жиро- так и водорастворимые компоненты. При дальнейшем увеличении концентрации спирта до 96 % Ymax и D снижается до 11,4 % к а.с.с. и 0,4910-9 м2/с, так как более концентрированный спирт экстрагирует в основном липидные компоненты.
Проведены исследования полученных водных и водно-этанольных экстрактов как из исходных коры пихты и ели, так и из твердых остатков после СО2-экстракции. С увеличением концентрации спирта общее количество экстрагируемых веществ увеличивается. При температуре 22 оС, продолжительности экстракции 5 ч и использовании растворителей с концентрацией от 20 до 70 % этилового спирта, происходит увеличение содержания экстрактивных веществ в экстрактах как из коры пихты с 3,5 до 12,5 %, так и из коры ели с 4,9 до 11,4 % соответственно. Повышение температуры экстрагента до температуры его кипения приводит к общему увеличению выхода экстрактивных веществ как из коры пихты, так и из коры ели.
На растворимость и скорость диффузии веществ в экстрагенте оказывают влияние такие физические свойства растворителей, как вязкость и поверхностное натяжение. Анализ показал, что вязкость водных смесей этанола может быть рассчитана по модели Макаллистера-Эйринга, в которой взаимодействие между слоями молекул при градиенте скорости обуславливает «активированные» скачки молекул из слоя в слой. Молекула, перемещающаяся таким образом, рассматривается как подвергающаяся воздействию химической реакции. Проталкивание или сдавливание такой движущейся молекулы требует, чтобы она преодолевала во время этого процесса определенный барьер потенциальной (свободной) энергии. Такой механизм приводит к уравнению, известному как корреляция Андраде. Экспериментальные и расчетные значения динамических коэффициентов вязкости водно-этанольных растворов от температуры представлены на рисунке 7. На рисунке 8 представлены результаты расчетов зависимостей энтропийного фактора ln(A) и кажущейся энтальпии активации Н от концентрации этанола в водно-спиртовой смеси.
Рисунок 7 – Зависимость вязкости Рисунок 8 - Зависимость энтропийного фак-
водно-этанольных растворов от тора ln(А) и энтальпии активации Н от кон-
температуры центрации этанола в водно-этанольной смеси
Величина энтальпии активации вязкого течения является мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия макромолекул в растворах (для воды 15,0 кДж/моль; для этилового спирта 14,6 кДж/моль). Для водно-этанольных растворов эта величина больше, а при концентрации этилового спирта 40 % (об.) – она максимальная и составляет 23,8 кДж/моль. При этой концентрации растворителя наблюдается наибольшее значение энергии активации и происходит упорядочивание структуры раствора. Следовательно, при экстракции будут извлекаться те вещества, которые внедряются в структуру водно-этанольных растворов, не разрушая их. Энтропийный фактор выражает меру беспорядка в растворе, имеет отрицательное значение, достигая минимального значения при концентрации этилового спирта 40 % (об.), что также свидетельствует об упорядоченности системы.
Поверхностное натяжение растворителя уменьшается с увеличением концентрации спирта в растворе, так как этанол является поверхностно-активным веществом по отношению к воде. Поверхностное натяжение экстрактов, полученных из исходной коры пихты при температуре 22 оС, уменьшается с 65,9 мН/м (водные экстракты) до 24,3 мН/м (экстракты, полученные 96 % этанолом). При экстракции твердых остатков коры пихты после экстракции жидким диоксидом углерода поверхностное натяжение экстрактов уменьшается с 65,1 до 24,6 мН/м, соответственно. Использование водно-этанольных растворов позволяет извлекать из сырья различные классы веществ.
Исследования показали, что при увеличении пористости коры, в результате взрывного измельчения, скорость диффузионных процессов возрастает, что связано с уменьшением пути массопереноса через плотные участки коры. Повышение температуры также приводит к увеличению скорости диффузионных процессов.
Экстракция жидким диоксидом углерода проводилась как исходной ДЗ пихты, так и твёрдого остатка после извлечения эфирного масла (после пихтоваренной установки). Применение жидкого диоксида углерода для экстрагирования растительного сырья позволяет получать углекислотные экстракты, в которых наиболее полно сохраняется ароматическая часть исходного сырья, а извлеченные вещества находятся в неизменном виде. Выход СО2-экстрактов составляет 2-5 % (от а.с.с.). Нейтральные липиды в углекислотном экстракте из ДЗ и коры пихты составляли соответственно 44,2 и 52,1 % (от а.с.с.). Методом колоночной хроматографии нейтральные липиды разделяли на отдельные классы соединений. Основным классом нейтральных веществ являются стерины: 39,2 и 33,8% соответственно для СО2-экстрактов из ДЗ и коры пихты.
В СО2-экстрактах из твёрдого остатка ДЗ пихты после пихтоваренной установки и отходов окорки содержатся БАВ: эфирные масла, жирные кислоты, витамины, пигменты. Полученные углекислотные экстракты представляют собой мазеобразную массу оранжево-коричневого цвета с выходом экстрактивных веществ 1,59 и 1,32 % соответственно. В углекислотном экстракте из отходов окорки содержится до 19,8 % летучих компонентов. В СО2-экстрактах из твердого остатка ДЗ пихты после пихтоваренной установки содержание омыляемых и неомыляемых веществ практически одинаковое и составляет 49,2 и 50,2 % соответственно. Углекислотный экстракт из ДЗ пихты обладает приятным, ярко выраженным запахом хвои, а из коры пихты – имеет древесно-смолистый запах. Запах обусловлен высоким содержанием летучих компонентов, которые в СО2-экстракте из ДЗ пихты достигают 50 % и более, а из коры пихты – около 40 %. Приятный аромат СО2-экстрактов ДЗ и коры пихты позволяет использовать их как ароматизирующие средства в парфюмерно-косметической промышленности и бытовой химии.
Летучие компоненты (терпеноиды) из углекислотных экстрактов были выделены методом гидродистилляции. Установлено, что в СО2-экстрактах из ДЗ и коры пихты преобладают монотерпеновые углеводороды: 54,4 и 51,7 % соответственно (от суммы терпеноидов). В СО2-экстрактах из отходов окорки содержится больше кислородсодержащих соединений (43,8 %, от суммы терпеноидов). Среди монотерпеновых углеводородов в СО2-экстрактах преобладают -пинен (от 7,2 до 13,7 % от суммы терпеноидов), -пинен (от 2,4 до 11,2%) и -фелландрен+лимонен (от 4,9 до 16,6 % от суммы терпеноидов). Основным компонентом сесквитерпеновых углеводородов углекислотных экстрактов отходов хвойных является кариофиллен, количество которого изменяется от 4,0 до 8,2 %. Среди кислородсодержащих соединений превалирует борнилацетат, наибольшее количество которого отмечено в углекислотном экстракте из древесной зелени пихты (31,5 %).
В углекислотных экстрактах коры и ДЗ пихты омыляемые и неомыляемые компоненты содержатся практически в равных количествах, соответственно для коры 51,0 и 46,2 % и для ДЗ пихты 45,7 и 49,4 % (от а.с.с.). В состав омыляемых компонентов входят жирные кислоты. Так же, как и в исходном сырье, в углекислотных экстрактах из ДЗ и коры пихты присутствуют жирные кислоты ряда С9-С26. Углекислотные экстракты, как и растительные масла, содержат в своем составе ПНЖК, которые обладают высокой биологической активностью. Биологическая роль ПНЖК определяется их участием в качестве структурных элементов биомембран клеток. Они содействуют регулированию обмена веществ в клетках, влияют на обмен холестерина, стимулируя его окисление и выделение из организма, стимулируют защитные механизмы организма, повышая устойчивость к инфекционным заболеваниям, действию радиации и других повреждающих факторов. В СО2-экстрактах из ДЗ пихты исходной и после пихтоваренной установки, а также коры пихты и отходах окорки преобладают ненасыщенные жирные кислоты 67,0, 64,8, 74,4 и 73,5 % соответственно (от суммы кислот), которые преимущественно представлены олеиновой 12,8 13,7, 35,2 и 25,3 %, линолевой 22,8, 19,2, 16,3 и 25,8 % и –линоленовой 14,8, 17,1, 5,6 и 4,8 % кислотами соответственно (от суммы кислот). Наибольшее количество олеиновой кислоты содержится в СО2-экстрактах из коры пихты, линолевой – в СО2-экстрактах из отходов окорки, -линоленовой – в СО2-экстрактах из ДЗ пихты после пихтоваренной установки. Линолевая и линоленовая кислоты необходимы для нормальной жизнедеятельности организма, их относят к незаменимым или эссенциальным жирным кислотам. Отсутствие этих кислот, например, в кормах, приводит к нарушениям обмена веществ, деятельности центральной нервной системы. Линолевая кислота имеет активность в 8-10 раз выше, чем линоленовая кислота. При достаточном количестве эссенциальные кислоты образуют с холестерином сложные эфиры, которые при обмене веществ окисляются до низкомолекулярных веществ и выводятся из организма. Присутствие в экстрактах олеиновой кислоты, не обладающей физиологической активностью эссенциальных кислот, усиливает активность линолевой кислоты. Среди насыщенных жирных кислот во всех СО2-экстрактах преобладает пальмитиновая кислота 9,6, 9,7, 11,9 и 6,6 % соответственно (от суммы кислот). Значительные количества лигноцериновой кислоты содержатся в СО2-экстрактах из ДЗ пихты исходной 4,9 и после пихтоваренной установки 3,7 % (от суммы кислот). В углекислотных экстрактах из отходов окорки превалируют маргариновая 6,1 и бегеновая 5,5 % кислоты. В СО2-экстрактах из ДЗ пихты содержится в 1,3 раза больше стеариновой кислоты, чем в СО2-экстрактах из коры пихты и отходов окорки. Остальные кислоты содержатся в экстрактах в сравнительно небольших количествах.