VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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 , 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 %.

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

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 (Caragánaarboréscens), 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 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.

	Содержание отработанного луба в почве, %	Доля взошедших семян, %
		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

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.

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.

5

Код для цитирования: Скопировать