ВЫДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (БАВ) ИЗ ЛУБА БЕРЕЗОВОЙ

ВЫДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (БАВ) ИЗ ЛУБА
БЕРЕЗОВОЙ КОРЫ
Бадогина А.И., Матухин А. Л., Кунавин А. А., Эль-Фахар М.
Научные руководители: Третьяков С.И., Кутакова Н.А., Коптелова Е.Н.
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,
Набережная Северной Двины, 17, г. Архангельск, 163002 (Россия)
THE SELECTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES (BAS) FROM THE
BAST OF A BIRCH BARK
Budogina A. I., Matukhin A. L., Kunavin A. A., El-Fakhar M.
Scientific supervisors: Tretyakov S. I., Kutakova N. A., Koptelova E. N.
Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov,
Severnaya Dvina Emb. 17, Arkhangelsk, 163002 (Russia)
Березовая кора имеет две четко различимые части – внешнюю (береста) и
внутреннюю (луб). Внешняя кора содержит до 40 % экстрактивных веществ (ЭВ), основным
из них является бетулин (до 35 %), ценное биологически активное вещество [1]. В состав
луба входят дубильные вещества, вещества фенольной структуры, полисахариды, играющие
роль БАВ. Для выделения ЭВ и БАВ из луба используют растворители: гексан, этилацетат,
изопропиловый спирт и cпиртовой раствор гидроксида натрия [2,3]. Максимальный выход
дубильных веществ достигается при следующих параметрах экстракции: температура
70 0 C , расход NaOH 1,5 % от массы луба, концентрация этанола 15 %, гидромодуль 10,
продолжительность 1 ч. В этих условиях получен экстракт с выходом 38,6 % от массы луба.
Целью работы является выделение БАВ из луба коры березы
водно-спиртовым
раствором КОН в условиях интенсификации экстракции в СВЧ-поле.
При проведении экспериментов пользовались СВЧ-камерой по методике, описанной в
работе [4]. Установлено, что при воздействии СВЧ-поля скорость экстракции и выход ЭВ
возрастают в 1,5–2 раза по сравнению с методом настаивания [5]. Реализован планированный
эксперимент по СВЧ-экстракции луба березы с варьированием трех переменных:
концентрация спирта (С) в диапазоне 3,2… 36,8 %, расход KOH (G) от 6,6 до 23,4 % от массы
сырья, жидкостной модуль (M) от 6,6 до 23,4. В опытах наблюдался выход ЭВ от 10 до 27 %.
1
В результате математической обработки [6] экспериментальных данных получено
следующее уравнение регрессии по выходу ЭВ луба (В, %):
В = –46,7–0,229С +4,054G +4,348M –0,1044G2–0,1256М2
На основании анализа коэффициентов уравнения регрессии и графиков поверхностей
отклика (рис. 1) обнаружено, что выход ЭВ снижается с увеличением концентрации спирта в
выбранном диапазоне. С увеличением расхода КОН
в диапазоне 10…17 % выход ЭВ
возрастает и достигает максимума на уровне 25–26 %. При увеличении жидкостного модуля
выход достигает максимального значения (27 %) при модуле 17.
а) ЖМ = const
б) Расход KOH = const
в) Концентрация С2Н5ОН = const
Рис.1. Поверхности отклика для выхода ЭВ при условиях фиксирования
одного из параметров
2
В технологии выделения ЭВ медленной стадией является фильтрация экстрактов. При
обработке экспериментальных данных получено уравнение регрессии по продолжительности
фильтрования (, мин.) в зависимости от вышеуказанных параметров:
 = 106,14 – 3,851С-0,106G – 6,972М + 0,165СМ - 0,08GМ + 0,0344С2 + 0,0668G2+
+0,1376М2
Минимальная
продолжительность
фильтрования
19
мин
наблюдается
при
жидкостном модуле 16 и концентрации спирта на уровне 10 %. Зависимости выхода ЭВ от
концентрации этилового спирта и продолжительности фильтрования от жидкостного модуля
носят практически линейный характер.
Таким образом, оптимальными условиями спиртово-щелочной экстракции луба в
СВЧ-поле являются: расход КOH 17 %, концентрация этанола 10 %, жидкостной модуль 17;
в этих условиях выход ЭВ равен 27 % от массы луба.
Компоненты спиртово-щелочных экстрактов луба имеют свойства БАВ, например
могут использоваться в качестве стимулятора роста растений. Для оценки биологической
активности экстрактов, полученных в СВЧ-камере, провели обработку семян акации желтой
(Caragána arboréscens), предоставленные Дендрологическим садом САФУ, использовали
пробы экстракта из центра плана.
Семена проращивали в соответствии с ГОСТ 12038-84 на специальном термостате
(водяной бане) при температуре 25 … 30 °С в течение 20 дней, размещая по 100 штук на
подложке. Всего приготовлено 5 проб для обработки семян: вода, раствор гумата калия
(известный стимулятор роста растений), и три раствора ЭВ с концентрацией, мг/мл: 1,0 (1);
10-2 (2); 10-4 (3). В соответствии с правилами проращивания периодически контролировали
количество ростков длиной больше размеров семени, и проводили отборы пророщенных
семян.
Ниже приведена диаграмма результатов наблюдений по проращиванию семян (рис. 2).
По данному графику можно заметить положительный эффект обработки экстрактом с 10-го
дня наблюдения. Раствор под номером 3 с концентрацией 10-4 г/л наболее эффективен: при
его использовании к концу наблюдений проросло более 80 % семян.
Растворы большей концентрации ЭВ действуют как ингибиторы. Также при
наблюдении было замечено, что семена, обработанные растворами ЭВ любой концентрации,
не подверглись гниению, то есть экстракты служат антисептиками. В случае с водой и
раствором гумата калия загнило 10 и 7 % семян, соответственно. Обработка гуматом калия в
3
начале наблюдения дает повышение всхожести по сравнению с контролем (вода), позднее
всхожесть в этих пробах выравнивается.
Рис. 2. Диаграмма всхожести семян
Затем проведена посадка пророщенных семян, при этом они были перемешаны и
разделены на 4 части по 60 штук. Для посадки использовали натуральный торфогрунт
производства Торфозавода «АГРОТОРФ» (Ленинградская обл.) на основе природных
компонентов с содержанием, мг/л: азота – 300, фосфора – 200, калия – 350. Торфогрунт
смешали с промытым песком в соотношении 2:1, в качестве добавки использовали
проэкстрагированный луб (смесь остатков от реализации эксперимента) с различной
дозировкой.
В первую пробу почвы луб не добавляли (контроль). Во вторую пробу было
помещено 0,5 % луба (по отношению к массе грунта), в третью – 1,0 %, в четвертую – 1,5 %.
В течение 11 дней визуально оценивалось количество всходов (ростков); ниже
приведена таблица для сравнения результатов наблюдений по пробам.
N
Доля взошедших семян, %
Содержание отработанного
луба в почве, %
7-ой день наблюдений
11-ый день наблюдений
1
0 (контроль)
13
28
2
0,5
17
30
3
1,0
18
35
4
1,5
27
45
Таблица. Результаты выращивания сеянцев акации желтой
4
По приведенным результатам
видно, что при
добавлении в почву луба доля
взошедших семян возрастает. На 7-ой день по сравнению с контролем доля увеличилась в 2
раза, на 11-ый – в 1,6 раз. Чем больше содержание луба, тем выше доля взошедших семян
(максимум 45 %). Положительный эффект можно объяснить тем, что при экстракции луба
спирто-щелочным раствором KOH происходит удаление смолистых веществ – ингибиторов
роста и добавление калия – одного из биогенных элементов, что и обеспечивает хорошие
условия для питания растений.
Выводы:
1) Изучено влияние основных параметров на процесс СВЧ-экстракции луба берёзовой
коры. При воздействии СВЧ-поля скорость экстракции и выход ЭВ возрастают в 1,5-2 раза
по сравнению с методом настаивания.
2) Определены оптимальные условия выделения БАВ для достижения максимального
выхода с учетом минимальной продолжительности фильтрации: концентрация спирта 10 %,
расход КОН 17 %, модуль обработки 17.
3) Спиртово-щелочные экстракты луба березы, полученные методом СВЧ-экстракции,
содержат БАВ и могут использоваться как стимуляторы роста растений и антисептики для
предпосевной обработки семян. Остатки луба после экстракции служат структурирующей
добавкой к почве и калийным удобрением.
Список литературы:
1. Похило Н.Д., Уварова Н.И. Изопреноиды различных видов рода Betula // Химия
природных соединений. 1988. №3. С. 325-341.
2. Экстрактивные вещества березы / Г.Н. Черняева, С.Я. Долгодворова, С.М. Бондаренко. –
Красноярск: ИЛиД, 1986. – 123 с.
3. Долгодворова С.Я., Черняева Г.Н. Дубильные вещества коры березы. АН СССР.
Биологические ресурсы лесов Сибири. – Красноярск, 1980. С. 137-143.
4. Коптелова Е.Н. Интенсификация процесса выделения бетулина из бересты с
использованием СВЧ-поля / Е.Н. Коптелова, Л.Н. Кузнецова, Н.А. Кутакова, С.И. Третьяков
// Лесной журнал. – 2013. – № 5. – С. 193-201.
5. Рязанова Т.В. Оптимизация процесса получения дубильного экстракта из луба березовой
коры / Т.В. Рязанова, Б.Н. Кузнецов, С.А. Кузнецова и др. // Химия растительного сырья. –
2004. – № 3. – С. 29-33.
5
6. Планирование эксперимента в примерах и расчетах: учеб. пособие / Н.И. Богданович, Л.Н.
Кузнецова, С.И. Третьяков, В.И. Жабин. – Архангельск: Северный (Арктический)
федеральный университет, 2010. – 126 с.
6