Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностью

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

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.