автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Комплексная переработка древесной зелени и коры пихты сибирской с получением продуктов, обладающих биологической активностью

На правах рукописи

УШАНОВА Валентина Михайловна

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

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 О СЕН 2012

Красноярск- 2012

005047093

005047093

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре Промышленной экологии, процессов и аппаратов химических производств

Научный консультант: доктор химических наук, профессор

Репях Степан Михайлович

Официальные оппоненты:

Рощин Виктор Иванович, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой Технологии лесохимических продуктов, химии древесины и физической химии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»

Богданович Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Лесохимических производств Северного (Арктического) федерального университета им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск

Вураско Алеся Валерьевна, доктор технических наук, профессор, декан инженерно-экологического факультета ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург

Ведущая организация: ФГБУН «Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук», г. Красноярск

Защита диссертации состоится « 26 » октября 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049 г. Красноярск, пр. Мира, 82, ауд.Ц-110.

E-mail: dissovetsibgtu01@mail.ru

Отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 212.253.01 по адресу: 660049 г. Красноярск, пр. Мира, 82, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет».

Автореферат разослан «

L2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Исаева Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследовании. Проблема рационального использования древесного сырья - одна из первостепенных задач лесного комплекса. Ее решение предусматривает утилизацию отходов лесозаготовок, лесопиления, целлюлозно-бумажного производства, которые могут служить сырьем для производства ценных веществ. Такими отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской, запасы которых только в Красноярском крае составляют 1170 и 129,7 млн. м3 соответственно. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса образуется около 30 млн. м3 коры в виде отходов окорки. По химическому составу и другим свойствам отходы окорки практически не отличаются от древесной коры. ДЗ и кора пихты содержат комплекс веществ, обладающих высокой биологической активностью и представляющих практически все классы органических соединений, встречающихся в растениях. Благодаря этому эти отходы могут использоваться для получения продуктов, находящих применение в различных отраслях народного хозяйства. Перспективным направлением является химическая переработка такого сырья с применением экологически чистых экстрагентов и утилизацией послеэкстракционных остатков.

Обработка растительного сырья сжиженными газами с целью извлечения отдельных компонентов в нативном виде относится к высокоэффективным технологическим процессам, обеспечивающим снижение трудовых затрат, улучшающим качество продукции, способствующим комплексному использованию сырьевых ресурсов и материалов. Возможность регенерации растворителя делает этот способ дешевым, простым и доступным для промышленности. Одним из направлений в этой области является использование для экстракции диоксида углерода, который находит все большее применение в различных отраслях промышленности, как в виде газа, так и в виде жидкости. Присутствие небольшого количества диоксида углерода в готовых экстрактах оказывает консервирующее действие на лабильные вещества, препятствует прогорканию жиров и позволяет сохранять экстракты в течение 4-5 лет. Использование таких экстрактов приводит к более мягкому и естественному воздействию на организм человека при проведении как лечебных, так и профилактических мероприятий.

Выход экстрактивных веществ можно увеличить, используя последовательную экстракцию сырья разными по полярности растворителями. В целях рационального использования сырья и более полного извлечения веществ, содержащихся в древесных отходах, в качестве экстрагентов предложено использовать диоксид углерода, воду и этиловый спирт с получением углекислотных, водных и спиртовых экстрактов. Для обеспечения экономической эффективности использования ДЗ и коры пихты сибирской необходима их комплексная переработка с получением не только экстрактов, но и утилизацией твердых остатков, что значительно повысит рентабельность предприятий за счет вовлечения в оборот' древесных отходов и увеличения ассортимента продуктов на основе экологически чистого сырья и экстрагентов. Получаемые продукты востребованы, так как в настоящее время наблюдается дефицит в натуральных продуктах, получаемых из растительного сырья и содержащих биологически активные вещества (БАВ), а также в биологических

препаратах защиты растений. Приоритетным направлением в борьбе с вредителями и болезнями растений считается биологическая защита. Биопрепараты, в отличие от химических инсектицидов, безвредны для человека, животных, птиц, рыб, быстро разлагаются в почве, не вызывают эффект привыкания к ним насекомых. По качеству отечественные биопрепараты не уступают зарубежным, при этом используется отечественное экологически чистое сырье, стоимость их ниже. В отличие от синтетических препаратов получаемые углекислотные экстракты являются нативными продуктами и могут использоваться как в пищевой промышленности, так и в медицине.

На различных этапах выполнения диссертационная работа была поддержана грантами Красноярского краевого фонда науки: «Химия и технология переработки древесной зелени» (1994 г.), «Фундаментальные исследования в области химической технологии» (1994-1996 г.г.), «Исследование закономерностей изменения химического состава запасных липидов в древесных тканях хвойных в ходе онтогенеза» (1996-1997 г.г.), «Влияние эколого-биологических факторов на метаболизм мембранных липидов фотосинтетических тканей хвойных растений Сибири (на примере пихты сибирской)» (1997-2000 г.г.); грантом Красноярского краевого фонда науки «Научные проекты» на подготовку монографии (16 Б 54) (2008 г.); грантом Министерства образования и науки РФ (2004 г.) Работа по исследованию выхода пихтового масла выполнена при поддержке гранта проекта «ФОРЕСТ» № СА-1Ш-5225-03-03 Винрокского международного института сельскохозяйственного развития «Винрок Интернешнл» (США, 2003 г.).

Область исследования - химия и технология переработки древесной зелени и коры пихты сибирской.

Цель исследования - экспериментально-теоретическое обоснование комплексной переработки древесной зелени и коры пихты сибирской с применением экологически чистых экстрагентов (жидкого диоксида углерода, воды и этилового спирта) с получением биологически активных продуктов и утилизацией твердых остатков.

Объект исследования - древесная зелень и кора пихты сибирской, биомасса дерева.

Предмет исследования - комплексная переработка биомассы пихты сибирской с получением биологически активных веществ.

Основные задачи исследований:

- разработать технологию комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской и отходов окорки с использованием в качестве экстрагентов жидкого диоксида углерода, воды и этилового спирта, с получением продуктов, обладающих биологической активностью, и утилизацией твердых послеэкстракционных остатков;

- исследовать влияние эколого-биологических факторов, условий заготовки и хранения на состав сырья;

- установить закономерности изменения химического состава ДЗ пихты сибирской в зависимости от среднемесячной температуры и величины эффективного излучения в годовом цикле;

- изучить динамику извлечения БАВ из ДЗ и коры пихты сибирской жидким диоксидом углерода и водно-этанольными смесями различной концентрации;

- разработать теоретические основы комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской с обоснованием влияния подготовки сырья и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ;

- разработать способы утилизации твердых послеэкстракционных остатков древесной зелени и коры пихты сибирской методом биоконверсии с получением кормового продукта и биопрепаратов защиты растений;

- исследовать продукты комплексной переработки древесной зелени и коры пихты сибирской и направления их использования;

- оценить экономическую эффективность предлагаемой технологии переработки ДЗ и коры пихты сибирской;

- разработать нормативную документацию и провести апробацию технологии и продукции.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы ресурсосберегающей комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской, позволяющей в едином технологическом процессе получать продукты, обладающие биологической активностью. С использованием метода главных компонент показаны связи между химическим составом ДЗ пихты, среднемесячной температурой и величиной эффективного излучения в годовом цикле, что позволяет сделать выбор эффективного направления переработки сырья.

Установлено влияние размера сырья, вида экстрагента и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ из ДЗ и коры пихты. По результатам научных исследований даны рекомендации по повышению эффективности процесса экстракции за счет изменения фракционного состава сырья.

Получены адекватные математические модели зависимости выхода летучих компонентов, сесквитерпеновых и монотерпеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений от размера сырья и продолжительности экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода. Определены коэффициенты диффузии летучих компонентов, монотерпеновых и сесквитерпеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода и этанолом. Установлены зависимости выхода экстрактивных веществ и коэффициента диффузии от концентрации этилового спирта.

Используя жидкий диоксид углерода, из коры пихты выделено и идентифицировано душистое вещество мальтол.

Методом твердофазной ферментации на ДЗ и коре пихты получен новый биопрепарат латерин на основе продуцента 19/97-М Бперготусез ЫегШш (ВКПМ Ас-1637) и установлено влияние предварительной обработки ДЗ и коры пихты на биоконверсию.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации по повышению эффективности процесса экстракции, а также получению продуктов экстракции определенного состава.

Практическая значимость. Разработаны альтернативные технологии комплексной переработки ДЗ и коры пихты и отходов окорки с получением следующих продуктов: углекислотных, спиртовых и водных экстрактов, содержащих БАВ; эфирного масла, хвойной пасты, соляно-хвойных брикетов, мальтола, пектина, кормовой добавки, биопрепаратов защиты и стимуляции растений, топливных брикетов.

ДЗ и кора пихты, а также отходы окорки использованы в качестве субстратов для получения биопрепаратов защиты и стимуляции роста растений, кормового белка и биогумусов. Опытные партии биопрепаратов, полученные путем твердофазной ферментации штамма МГ 97/6 Trichoderma asperellum на коре пихты и на коре пихты после СОг-экстракции, испытаны на посевах Picea obovata L., о чем имеются акты испытаний. Результаты исследований показали, что выход здоровых сеянцев Picea obovata L. в сравнении с контролем увеличился: при внесении чистого спорового биопрепарата триходермин-с в 1,6 раза; триходермина, полученного на коре пихты -в 4 раза; триходермина, полученного на коре пихты после СОг-экстракции — в 3,4 раза.

Универсальность предлагаемой технологии комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской подтверждена использованием ее для переработки недревесного растительного сырья, продуктов пчеловодства (прополис и воск) и грибов (лиственничная губка) с получением экстрактов (углекислотных, водных, спиртовых).

Внедрение в промышленное производство продуктов переработки ДЗ и коры пихты сибирской в соответствии с разработанной нормативной документацией на них (технологический регламент, технические условия) расширяет ассортимент экологически чистой продукции, содержащей БАВ.

Новизна научно-практических концепций ряда технических решений подтверждена 7 патентами и 2 заявками РФ на изобретение.

Результаты исследований внедрены и приняты к использованию на ООО «Флора Биотех» (г. Красноярск»), ООО «Эковит» (п. Еловое, Красноярского края), АО «Канский биохимический завод» (г. Канск), АОЗТ «ПроТех» (г. Красноярск), Мининском опытно-механизированном лесхозе (п. Минино, Красноярского края), Департаменте природных ресурсов и лесного комплекса администрации Красноярского края (г. Красноярск), Городской больнице скорой медицинской помощи им. Н.С. Карповича главного управления здравоохранения администрации г. Красноярска (г. Красноярск).

Разработанные автором научные положения и практические решения используются в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов, в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Сибирского государственного технологического университета» при подготовке инженеров-экологов специальности 280201 и инженеров-технологов специальности 240406.

На защиту выносятся:

- результаты исследования влияния эколого-биологических факторов на химический состав ДЗ пихты и получаемые продукты экстрагирования;

— результаты исследования извлечения биологически активных веществ из ДЗ и коры пихты жидким диоксидом углерода и водно-этанольными смесями различной концентрации;

- ресурсосберегающая технология комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской и отходов окорки с получением продуктов, обладающих биологической активностью, и утилизацией твердых послеэкстракционных остатков.

Достоверность научных положений, выводов и результатов определяется применением современных методов химического, физико-химического, структурного анализов, ГЖХ, ЯМР-, УФ- и ИК-спектроскопии, используемых в химии древесины, а также корректным применением методов математического моделирования и статистических методов обработки результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах: «Лиственница-98» (Красноярск, 1998), «Каталитические преобразования натуральных органических полимеров» (Красноярск, 2000); Международных научно-практических конференциях: «Химико-лесной комплекс — научное и кадровое обеспечение в XXI веке» (Красноярск, 2000), «Биоразнообразие и сохранение генофонда флоры, фауны и народонаселения центрально-азиатского региона» (Кызыл, 2002), «Грибы в природных и антропогенных экосистемах» (Санкт-Петербург, 2005), «Современные средства, методы и технологии защиты растений» (Новосибирск, 2008), «Химия и полная переработка биомассы леса» (Санкт-Петербург, 2010, 2011); Всероссийских научно-практических конференциях: «Проблемы сертификации и управления качеством» (Красноярск, 1997), «Лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск, 1999, 2000), «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2001), «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск, 2001 - 2006), «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы» (Красноярск, 2004, 2007 -2009), «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2005); Всероссийском совещании «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар, 1998); Региональных конференциях: «Эколого-экономические проблемы лесного комплекса» (Санкт-Петербург, 1997), «Комплексное использование растительных ресурсов лесных экосистем» (Красноярск, 2004); Межрегиональной научно-методической конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск, 2000, 2002, 2003, 2007).

Материалы монографий «Углекислотные экстракты как источники биологически активных веществ», «Состав и переработка древесной зелени и коры пихты сибирской» и «Экстрагирование древесной зелени и коры пихты сибирской сжиженным диоксидом углерода и водно-спиртовыми растворами» используются научными, инженерно-техническими работниками и студентами, а также в системе образования при подготовке инженеров-экологов и инженеров-технологов.

Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.21.03-Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п.12 - Химия и технология лесохимических продуктов и биологически активных веществ; п. 13 - Химия и технология переработки древесной зелени).

Публикации. Общее число публикаций по теме диссертации - 69, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 19 работ, 7 патентов, 2 заявки на изобретения, 3 монографии.

Личный вклад автора. Исследования проводились лично автором и/или при его непосредственном участии в качестве руководителя или ответственного исполнителя. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в непосредственном участии во всех стадиях работы, начиная от постановки задач, выполнения теоретических и экспериментальных исследований и внедрения полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 553 наименований и приложений. Работа изложена на 379 страницах, содержит 54 таблицы и 126 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель и сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

В первой главе представлен аналитический обзор .научно-технической и патентной литературы по теме диссертации. Обобщены сведения о биологических особенностях пихты сибирской, ареал и запасы. Рассмотрено влияние экологических и географических факторов на химический состав ДЗ и коры пихты сибирской. Анализ литературных источников показывает, что древесная зелень и кора пихты сибирской содержат значительное количество БАВ, являясь ценным сырьем для получения биологически активных продуктов лечебно-профилактического и пищевого назначения. Практически отсутствуют сведения о взаимосвязях между содержанием отдельных компонентов ДЗ пихты сибирской в процессе онтогенеза, что важно для прогнозирования состава получаемых экстрактов.

Проведен анализ литературных источников по вопросам практического использования ДЗ и коры пихты сибирской, получаемым из них продуктам и областям их применения. Анализ литературных источников показал актуальность разработки технологии комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской с использованием экологически безопасных экстрагентов, при максимальном извлечении экстрактивных веществ и переработки послеэкстракционных остатков с получением экологически чистых продуктов.

Во второй главе дана характеристика объектов исследования, методов исследования состава сырья и полученных из него продуктов. Обоснован выбор схемы переработки ДЗ и коры пихты сибирской. Представлено описание лабораторных и полупромышленных установок и условий проведения экспериментов.

В работе обобщены результаты экспериментальных исследований, проводимых автором в течение 1990 - 2010 г.г. Объектом исследования служили ДЗ и кора пихты сибирской {Abies sibirica Ledb.), а также отходы окорки. Древесную зелень и кору хвойных пород, а также послеэкстракционные остатки и полученные экстракты

анализировали по методикам, принятым в химии древесины и химии растительного сырья.

Индивидуальный состав эфирных масел и жирных кислот устанавливали методом хромато-масс-спектрометрии на газовом хроматографе GCD Plus «Hewlett Packard, США». Идентификацию жирных кислот проводили по масс-спектрам и сравнением их времен удержания со стандартами. В качестве стандартов использовали кислоты фирмы «Serva» (Германия) и «Sigma» (США).

При выполнении работы в качестве растворителей использовали жидкий диоксид углерода, воду и этиловый спирт. Экстракты исследовали по ГОСТ 14618.0-78 — 14618.12-78 «Масла эфирные, вещества душистые и полупродукты их синтеза». Общее количество липидов определяли весовым методом. Разделение липидов на группы осуществляли методом колоночной хроматографии. Исследовался групповой и индивидуальный состав полученных продуктов. Исследование структуры отдельных групп веществ проводилось физико-химическими Методами анализа: ИК-, УФ- и ЯМР-спектров, ГЖХ, масс-спекгроскопии.

Предложена схема утилизации послеэкстракционных остатков методом биоконверсии: при использовании гриба Pleurotus ostreatus с получением кормового продукта, при культивировании штаммов МГ 97/6 Trichoderma asperellum и М 99/5 Trichoderma harzianum - биопрепарата защиты растений (триходермин), а при использовании продуцента 19/97-М Streptomyces lateritius - нового биопрепарата латерин. Для оценки степени утилизации и изменения биохимического состава растительных субстратов грибами рода Trichoderma проводили химический анализ субстратов до и после биодеструкции по методикам, принятым в химии растительного сырья.

Полевые испытания биопрепаратов проводили в Мининском лесном питомнике, расположенном на территории Мининского опытного лесного хозяйства (56°10'с. ш., 92°42'в. д.).

В третьей главе приведены результаты исследования: сезонных изменений химического состава ДЗ пихты; влияния хранения ДЗ пихты на содержание в ней хлорофилла, каротина, витамина С; влияния подготовки ДЗ и коры пихты на выход экстрактивных веществ при экстракции их растворителями различной полярности. Представлены полученные обработкой экспериментальных данных результаты математической формализации изменений в годовом цикле следующих составляющих ДЗ пихты: водорастворимых веществ, витамина С, каротина, хлорофилла, эфирного масла, суммы монотерпенов эфирного масла, борнилацетата, суммы кислородсодержащих соединений эфирного масла, суммы сесквитерпенов эфирного масла, липидов и других составляющих ДЗ. Анализ корреляционных связей между компонентами монотерпеновых углеводородов эфирного масла из ДЗ пихты показал существенную корреляционную связь между содержанием p-фелландрена и суммы монотерпеновых углеводородов (R = 0,89); между содержанием борнилацетата и суммы кислородсодержащих соединений (R=0,91); между содержанием кариофиллена (R=0,97), р-гумулена (R = 0,84), р-бизаболена (R = 0,77) и суммы сесквитерпеновых углеводородов.

В работе представлены коэффициенты корреляции между содержанием 26-ти компонентов ДЗ пихты в годовом цикле, а также среднемесячной температурой и величиной эффективного излучения.

На рисунке 1 представлены графы значимых связей между факторами на уровнях достоверности 95 % (131 значимая связь). Анализ корреляционных связей на 90 %-м уровне достоверности показывает наличие статистически значимой связи среднемесячной температуры (Х27) и эффективного излучения (Х28) с содержанием 19 компонентов древесной зелени пихты в годовом цикле.

- достоверность не менее 99,9°-Ь - - - достоверность 99° о - достоверность 95%

Минеральные вещества X, а-пинеи Х15

Витамин С х2 Камфен Х16

Каротин Х3 р-пинен Х17

Хлорофилл X, Лимонен Х]8

Протеины х5 Терпинолен Х|9

Эфирное масло х6 Сантен Х20

Сумма монотерпенов х7 Борнеол х21

р-фелландрен х8 Липиды х22

Сумма кислородсодержащих х9 Фосфолипиды в ДЗ Х23

Сумма сесквитерпенов Хю Фосфатидилхолины Х24

Борнилацетат Хп Фосфатидилэтаноламины Х25

Кариофиллен Х,2 Фосфатидилинозиты Х26

р-гумулен Х,3 Среднемесячная температура х27

р-бизаболен Х]4 Эффективное излучение Х28

Рисунок 1 - Граф корреляционных связей между факторами на 95 %-м уровне достоверности

Содержание эфирного масла в ДЗ пихты зависит от возраста, времени года и времени суток. Получена модель оценки содержания эфирного масла в ДЗ пихты, учитывающая возрастной, сезонный и суточный цикл

У(МЬ12) = УоЙ, 1,)хУз(12), ¥с(м,) = У.фхУ^,), (1)

и

где I - возраст пихты 0 = ОД,...), лет; 11 - номер дня года (I] =1, 365); 12 - время суток

____

(ц =00; У.(1) = 7,7хе 78'° -6,8хе 20>3, т(М =12х » ^с - состав эфирного масла с

1 365

учетом возрастной и сезонной • составляющих

Y2(ti) = l + 0,333xexp

( О,)-4,6^

+ 0,667 х ехр

ÍT(ti)-9,2 Л 0,7

+ 0,292 xexpj -| T(t')-1°-i

24!

V3(t2)=1-0,030х sin (^.j - 0,107х eos

Изменения содержания и выхода пихтового масла в годовом цикле с максимумом в июне-июле и минимумом в ноябре-январе обусловлены динамикой изменения процессов фотосинтеза и сезонными колебаниями температуры. Результаты моделирования позволяют прогнозировать и контролировать выход пихтового масла.

При организации промышленного использования большое значение имеет сохранность в ДЗ биологически активных веществ при ее хранении перед переработкой. В работе представлены результаты математического моделирования изменения содержания каротина в ДЗ пихты при хранении. Показано, что содержание каротина в древесной зелени пихты уменьшается:

- на 20 % при хранении в течение трех недель при температуре минус 20 °С, в течение недели при температуре О °С, в течение суток при температуре плюс 20 °С;

- на 50 % при хранении в течение месяца при температуре минус 7 °С, в течение пяти дней при температуре плюс 15 °С.

Изменение содержания витамина С в ДЗ пихты от продолжительности хранения и температуры окружающей среды определяется моделью (2) - (3):

__t_

YCt^e-^^e"^, (2)

k(T)=ÍA + BxT1+CxT,2 ,T<Tlf (3)

\A + BxT + CXT2 ,T>T, где Y(t,T) - содержание витамина С в ДЗ пихты по отношению к первоначальному содержанию при продолжительности хранения t (сутки) и температуры хранения

Т(°С); km - ; т(Т) = 1/к(Т) - постоянная времени (продолжительность

dt

хранения, при котором содержание витамина С уменьшается в е » 2,72 раз); А = 0,0201 ± 0,0008; В = 0,00179 + 0,00004; С = 0,000051 + 0,000004; Т, = 17,5 + 1,9; Soc = 3 % - стандартная ошибка модели; R2 = 0,98 - коэффициент детерминации.

Расчеты показали, что хвою и ДЗ для получения витамина С в летнее время нельзя хранить более трех суток из-за резкого снижения аскорбиновой кислоты, а хранение ДЗ при отрицательных температурах не приводит к заметному разрушению витамина С. Это согласуется с литературными данными.

Изучен химический состав ДЗ, коры пихты и отходов окорки. В их состав входят эфирные масла (летучие терпеноиды). Исследования монотерпеновых углеводородов терпеноидов отходов хвойных пород показали, что во всех терпеноидах коры преобладает а-пинен, наибольшее количество его содержится- в терпеноидах отходов

окорки (24,8 % к сумме терпеноидов и 35,1 % к сумме монотерпеновых углеводородов). В монотерпеноидах из ДЗ пихты превалирует камфен (19,5 % от суммы терпеноидов и 28,1 % - от суммы монотерпеновых углеводородов); Р-фелландрен+лимонен, 3-карен и а-пинен содержатся примерно в одинаковых количествах: 12,8, 12,3, 11,7 % соответственно (от суммы терпеноидов). Среди сесквитерпеновых углеводородов отходов окорки и ДЗ пихты превалирует кариофиллен: 3,9 и 1,5 % соответственно (к сумме терпеноидов). Для сесквитерпеновых углеводородов коры пихты преобладающим является Р-бизаболен (1,6 % к сумме терпеноидов). В кислородсодержащих соединениях ДЗ и коры пихты преобладает борнилацетат: 21,7 и 10,9 % соответственно (к сумме терпеноидов), а в отходах окорки - камфара (6,3 % к сумме терпеноидов). Больше всего борнеола содержится в терпеноидах коры пихты - 10,1 % (к сумме терпеноидов).

В ДЗ и коре пихты содержатся липиды: фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные вещества. В липидах ДЗ пихты и отходах окорки преобладают насыщенные жирные кислоты 55,8 и 54,8 % (от суммы кислот) соответственно, тогда как в коре пихты - ненасыщенные кислоты 58,4 % (от суммы кислот). Основными ненасыщенными жирными кислотами в коре пихты и отходах окорки являются олеиновая 33,6 и 27,4 % и линолевая 12,1 и 7,5 % кислоты, соответственно. В липидах ДЗ пихты преобладают линолевая 17,1 % (семейства со-6) и а-линоленовая 10,2 % (семейства со-3) кислоты. Среди насыщенных кислот в липидах коры пихты и отходах окорки превалирует пальмитиновая кислота - 10,1 и 13,2 % соответственно, а в ДЗ пихты - изо-докозановая 12,9 % и пальмитиновая 8,6 %. В липидах отходов окорки содержится больше стеариновой кислоты, чем в липидах ДЗ и коры пихты (в 2,2 и 3,8 раза соответственно).

В четвертой главе рассмотрены теоретические основы процесса экстракции, исследован процесс экстрагирования водой и водно-спиртовыми растворами, состав продуктов экстракции и направления использования послеэкстракционных остатков.

Теоретические основы процесса экстракции ДЗ и коры пихты жидким диоксидом углерода, водой и растворами этилового спирта. Представлены результаты исследования влияния технологических параметров (степени измельчения сырья и продолжительности экстракции) на выход экстрактивных веществ при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода на полупромышленном экстракторе. При проведении исследований влияние других факторов было стабилизировано.

На извлечение экстрактивных веществ из ДЗ и коры пихты оказывает влияние степень их измельчения, так как при этом возрастает поверхность массоотдачи. Основную массу сырья коры пихты составляют фракции размером от 1 до 3 мм, на долю которых приходится более 60 %. Такие размеры сырья позволяют извлекать наибольшее количество экстрактивных веществ. ДЗ пихты измельчали до размеров 0,5-2,2 мм. Наибольший выход экстрактивных веществ наблюдался при размере частиц 0,8-0,9 мм. Измельчение, а затем и лепесткование ДЗ пихты на вальцах увеличивает выход экстрактивных веществ на 10-13 %. Уменьшение толщины лепестка приводит к сокращению диффузионного пути и к увеличению удельной поверхности сырья, что в свою очередь, интенсифицирует процесс экстракции. Исследования показали, что при измельчении ДЗ пихты и последующем

лепестковании удельная поверхность сырья увеличивается в 1,4 раза. Разрушение клеточной структуры в процессе измельчения сырья является важным фактором, существенно влияющим на эффективность экстракции.

Исследована динамика выхода экстрактивных веществ при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода. При проведении экспериментов продолжительность экстракции изменялась от 1 до 6 ч. Установлено, что при увеличении продолжительности экстракции с 2 до 5 ч выход углекислотного экстракта возрастает с 5,6 до 7,8 % (к а.с.с.), а содержание летучих компонентов в

нем - с 2,7 до 3,4 % (к а.с.с.).

Модель динамики выхода экстрактивных веществ при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода в исследуемых экстракторах:

У(х) = Ушахх

- ¿с| хехр ¡ = 1

- к х т

а;2

+ Е,

1<Ч

¡=1

К

(4)

где п - число размерных групп экстрагируемого сырья; 1 = 1,п - номер размерной (фракционной) группы; Ушах - содержание экстрагируемого вещества в сырье; У^т) - количество извлеченного экстракцией вещества из сырья 1-й фракционной группы при продолжительности экстракции т; К| = Ш;2 - коэффициент массоотдачи для характерного размера сырья к - коэффициент массоотдачи при с! = 1; с, - доля 1-й фракционной группы в составе экстрагируемого сырья; б - случайная составляющая (ошибка модели); Б = 4'к/л2 - коэффициент диффузии.

Результаты расчетов выходы летучих компонентов при С02-экстракции коры пихты представлены на рисунке 2.

Получены адекватные (при 5 %-м уровне значимости) математические модели выхода летучих компонентов, сесквитерпеновых и монотер-пеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений. Определен 95 %-й доверительный интервал содержания летучих компонентов при С02-экстракции коры пихты и коэффициента диффузии: Ушах е [4,4; 5,2] % а.с.с;

Продолжительность экстракции т, ч

® фскм. -?КЧ«Л'С1' -'«ах» ¡.Я

Рисунок 2 - Экспериментальные данные и результаты расчетов по модели (1) динамики выхода летучих компонентов при С02-экстракции коры пихты

О е [0,46; 0,58]-10" м2/с.

Вычислены коэффициенты диффузии отдельных компонентов монотерпеновых, сесквитерпеновых углеводородов и кислородсодержащих соединений С02-экстра1сгов коры пихты, представленных в таблице 1.

Исследование состава летучих компонентов СОгэкстракгов коры пихты показало, что при увеличении продолжительности экстракции изменяется доля отдельных компонентов в составе монотерпеновых, сесквитерпеновых углеводородов и

кислородсодержащих соединений по отношению к их сумме (таблица 1). Полученные результаты позволяют определять условия экстрагирования сырья для получения экстрактов заданного компонентного состава.

Таблица 1 - Доля отдельных компонентов в составе монотерпеновых, сесквитерпеновых углеводородов и кислородсодержащих соединений в СОг-экстрактах коры пихты

В процентах

Компоненты Продолжительность экстракции, ч

1 5

Монотерпеновые углеводороды Трициклен 0,7 0,8

а-пинен 44,5 33,7

Камфен 8,6 7,0

(3-пинен 15,6 20,0

Р-мирцен 1,0 1,2

3-карен 7.8 10,6

Лимонен + р-фелландрен 21,8 26,7

Сесквитерпеновые углеводороды Терпинилацетат 2,6 2,2

Лонгифолен 6,4 3,6

Кариофиллен 20,7 22,9

е-муролен 11,4 12,6

Р-гумулен 9,4 10,1

у-муролен 4,8 4,3

р-бизаболен 12,1 8,8

а-муролен 2,1 2,1

Кадинен 4,9 4,4

Кислородсодержащие соединения п-цимол 2,8 3,5

Фенхол 11.2 8,7

Р-терпинеол 8,9 10,1

Камфара 20,1 . 15,9

у-терпинеол 4,4 3,7

Изоборнеол 3,6 3,6

Борнеол 9,2 8,2

Борнилацетат 39,8 46,3

Проведенные экспериментальные исследования и результаты математического моделирования показали высокую чувствительность выхода летучих компонентов и их составляющих (монотерпеновых, сесквитерпеновых углеводородов и кислородсодержащих соединений) при С02-экстракции коры пихты к изменению фракционного состава сырья.

Проведена оценка: степени извлечения экстрактивных веществ из открытых клеток и пор при СОг-экстракции коры пихты (32 % - для летучих компонентов, из них 30 % - для монотерпеновых, 10 % - для сесквитерпеновых углеводородов, 38 % - для кислородсодержащих соединений); постоянной времени извлечения компонентов из труднодоступных частей коры пихты (2,5 ч - для летучих

компонентов; 1,8 ч - для монотерпеновых; 5,0 ч - для сесквитерпеновых углеводородов; 2,1 ч - для кислородсодержащих соединений).

Исследовано влияние 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 исходной коры пихты, так и из твердых остатков после экстракции жидким диоксидом углерода. Определены удельные поверхности исходной коры пихты, а также ее твердых послеэкстракционных остатков. Установлено, что удельная поверхность исходной коры пихты значительно меньше, чем у твердых остатков после экстракции жидким диоксидом углерода. Так, у коры пихты размером 1 мм удельная поверхность после С02-экстракции в 2,2 раза больше, чем у исходной коры пихты. С увеличением размера коры (от 1 до 3 мм) удельная поверхность возрастает, особенно после С02-экстракции. Для коры пихты размером 2 мм удельная поверхность составляет 349,3 м2/кг, а после С02-экстракции - 751,9 м2/кг.

На начальной стадии взаимодействия пористых материалов с водой или водно-этанольными растворами происходит заполнение системы пор (пропитка). Оценка времени приближения к равновесию, тпр, с, за которое степень завершенности процесса пропитки достигает 0,98, определяется выражением

где а - поверхностное натяжение, Н/м; ц - вязкость жидкости, Пас; г -эффективный радиус пор образца, м; Ь - линейный размер пористого образца, м.

Установлено, что продолжительность пропитки коры размером (1-3)10" 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 у (при значении критерия Био В1 = со) определяется уравнением

» 8 -£>-(2л + 1)2-л-2 (6)

«=0(2« + 1) -л |_ 4-Ь1 где О - коэффициент диффузии, м2/с; у - степень извлечения; т - продолжительность экстракции, с.

При

т>Т„ = 8-Ь2 (7)

9-тс2 -Э

динамика процесса экстрагирования определяется первым членом ряда

, 8 ^

-О-

_. . . Х>тт. (В)

4 1}

Продолжительность экстракции тэк, при которой обеспечивается заданная степень извлечения у3 (у3 > 8/л2 = 81 %),

4-*'',„|_5_|. (9)

Продолжительность экстракции при 98 %-й степени извлечения определяется выражением

тэкю 1,5-

(10)

Проведенные исследования процесса экстракции коры растительного сырья и анализ литературных источников показал, что О да (10'ш-10"9) м2/с. При толщине слоя сырья 3-10" м и Б = Ю'10 м2/с тт = 0,5 ч, а продолжительность экстракции, обеспечивающая степень извлечения 90 %, 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 °С. Показана адекватность модели экспериментальным данным при 5 %-м уровне значимости. Статистические характеристики моделей приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Статистические характеристики модели (6) процесса экстракции коры пихты водой при температуре 22 °С •

Показатель Ушах, % к а.с.с. Б, м2/с Бо, % к а.с.с. Я2

Значение 2,45 0,181-Ю"9 0,03 0,987

Примечание: Ушах — максимальный выход экстрактивных веществ; О — диффузии; Бо - стандартная ошибка модели; Я2 - коэффициент детерминации коэффициент

5 :.о

| 3 1,5

к к | * 1,0

5 0,5

э 0,0

На рисунке 3 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 Ьта„ обеспечивающая заданную степень извлечения уэ при фиксированной продолжительности экстракции т„ оценивается выражением:

Прозачал|тельность экстракшш. ч

♦ факт о расчет -расчет (1*= 1.8 мм)

--расчет (1 = 0.9 им)---расчет (1 = 3.0 мм)

Рисунок 3 - Динамика извлечения экстрактивных веществ при экстракции коры пихты водой при температуре 22 "С

= 2 • Л„,

(П)

Для обеспечения 95 %-й 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 и коэффициентов диффузии от концентрации этилового спирта (С = 0 + 1) при экстракции коры пихты при температуре 22 °С (коэффициент детерминации модели Я2 = 0,967 ч- 0,995):

Утах(С) = 3,67 + 11,70-С2 + 37,54-С3 •

■42,68'С ,

Б(С) = (0.187 + 2,044-С2 - 1,786-С3)-10"9,

(12) (13)

графики соответствующих зависимостей представлены на рисунке 4.

Полученное по формуле (13) значение коэффициента диффузии Б = 0,187-10"9 м2/с для экстракции коры пихты водой совпадает с полученным значением по серии независимых экспериментов (таблица 2).

При концентрациях от 0 до 15 % Ушах = (3,85 ± 0,15) % к а.с.с. и О = (0,21 ± 0,02)-Ю-9 м2/с практически не изменяются. С увеличением концентрации этанола скорость экстракции увеличивается, так как наряду с водорастворимыми веществами начинают извлекаться липидные компоненты, при этом Ушах и В достигают максимума (13,9 % к а.с.с. и 0,58-10"9 м2/с) при концентрации (75 ± 5) %. Это объясняется тем, что 70 %-й этиловый спирт извлекает как жиро- так и водорастворимые компоненты. При дальнейшем увеличении концентрации спирта до 96 % Ушах и О снижается до 11,4% к а.с.с. и 0,49-10"9 м2/с, так как более концентрированный спирт экстрагирует в основном липидные компоненты.

Исследования полученных водных и водно-этанольных экстрактов из исходной коры пихты, и из твердых остатков после С02-экстракции показали, что с увеличением концентрации спирта общее количество экстрагируемых веществ увеличивается. При температуре 22 °С, продолжительности экстракции 5 ч и использовании растворителей с концентрацией от 20 до 70 % этилового спирта, происходит увеличение содержания экстрактивных веществ в экстрактах из коры пихты с 3,5 до

Концентрация этилового спирта. С .моль. л. -<— Ушах -е- Б

Рисунок 4 - Зависимость выхода экстрактивных вегцеств (Утох) и коэффициентов диффузии (И)от концентрации этилового спирта (С) при экстракции коры пихты водными растворами этанола при температуре 22 °С

12,5 % к а.с.с. Повышение температуры экстрагента до температуры его кипения приводит к общему увеличению выхода экстрактивных веществ из коры пихты.

На растворимость и скорость диффузии веществ в экстрагенте оказывают влияние такие физические свойства растворителей, как вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость водных смесей этанола рассчитывалась 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 5. На рисунке 6 представлены результаты расчетов зависимостей энтропийного фактора 1п(А) и кажущейся энтальпии активации АН от концентрации этанола в водно-спиртовой смеси.

л

II2

о

-V,]

---УЗ

Рисунок 5 - Зависимость вязкости Рисунок 6 - Зависимость энтропийного

водно-этанольных растворов от фактора 1п(А) и энтальпии активации АН от

температуры концентрации этанола в водно-этанольной смеси

Величина энтальпии активации вязкого течения является мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия макромолекул в растворах (для воды 15,0, 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 °С, уменьшается с 65,9 мН/м (водные

экстракты) до 24,3 мН/м (экстракты, полученные 96 %-м этанолом). При экстракции твердых остатков коры пихты после экстракции жидким диоксидом углерода поверхностное натяжение экстрактов уменьшается с 65,1 до 24,6 мН/м. 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.

Исследование продуктов экстракции. 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 С02-экстрактов составляет 2-5 % от а.с.с. Количество нейтральных липидов в углекислотном экстракте из ДЗ и коры пихты составляло 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 С02-экстрактов из ДЗ и коры пихты.

В СОг-экстракгах 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 С02-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 С02-экстракге из ДЗ пихты достигают 50 % и более, а из коры пихты - около 40 %. Приятный аромат С02-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 С02-экстрактах из ДЗ и коры пихты преобладают монотерпеновые углеводороды: 54,4 и 51,7 % соответственно (от суммы терпеноидов). В С02-экстрактах из отходов окорки содержится больше кислородсодержащих соединений (43,8 %, от суммы терпеноидов). Среди монотерпеновых углеводородов в С02-экстрактах преобладают а-пинен (от 7,2 до 13,7 % от суммы терпеноидов), р-пинен (от 2,4 до 11,2 %) и р-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 полиненасыщенные жирные кислоты (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 СОг-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 а-линоленовой 14,8, 17,1, 5,6 и 4,8 % кислотами соответственно (от суммы кислот). Наибольшее количество олеиновой кислоты содержится в С02-экстрактах из коры пихты, линолевой - в С02-экстрактах из отходов окорки, а-линоленовой - в С02-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 С02-экстрактах преобладает пальмитиновая кислота 9,6, 9,7, 11,9 и 6,6 % соответственно (от суммы кислот). Значительные количества лигноцериновой кислоты содержатся в С02-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 С02-экстрактах из ДЗ пихты содержится в 1,3 раза больше стеариновой кислоты, чем в С02-экстрактах из коры пихты и отходов окорки. Остальные кислоты содержатся в экстрактах в сравнительно небольших количествах.

Ингибирующей активностью обладают многие природные вещества, переходящие в С02-экстракт (токоферолы). Токоферолы (витамин Е) предотвращают окисление ненасыщенных жирных кислот в липидах, влияют на биосинтез ферментов. В С02-экстрактах из ДЗ пихты их содержится до 25,3 мг%, а из коры пихты - до 13,8 мг%.

В углекислотных экстрактах из коры пихты, хранившихся в течение 5 и более лет при температуре плюс 5 °С, содержание жирных кислот практически не изменилось.

При экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода получается углекислотный экстракт, который методом декантации делится на липидную и водную части. Из водной части извлекается мальтол. Полученное вещество идентифицировано с достоверным «чистым» мальтолом физико-химическими методами анализа. Результаты, полученные химическими методами, методами определения физических констант, а также данные структурного анализа и идентификации методами ИКС, ЯМР, УФ и ГЖХ с большой достоверностью позволили предположить, что выделенное из водной части углекислотного экстракта коры пихты соединение является мальтолом (3-окси-2-метил-7-пироном).

Содержание мальтола составляет: в исходной коре пихты - 0,58-0,62 % к а;с.е.; в полученной водной части углекислотного экстракта - 0,15-0,19 % к а.с.с.

Экстракция водой остатков древесной зелени и коры пихты после С02-экстракции показала, что выход экстрактивных веществ из ДЗ пихты в 2,7 раза больше, чем из коры пихты. В водном экстракте содержатся танниды, витамин С, органические кислоты.

Экстрагирование твердых остатков 96 %-м этиловым спиртом показало, что значительная часть компонентов ДЗ и коры пихты извлекается этиловым спиртом (19,7 и 16,4 %, соответственно, к а.с.с.). Спиртовые экстракты, полученные из твердых остатков ДЗ и коры пихты после С02-экстракции, мало отличаются от спиртовых экстрактов из исходного сырья. При экстракции этиловым спиртом исходной ДЗ и ее твёрдого остатка после пихтоваренной установки выход экстрактивных веществ выше, чем при экстракции жидким диоксидом углерода в 7 и в 14,3 раза соответственно. В спиртовых экстрактах определялся групповой состав липидов. В состав липидов входят нейтральные, фосфолипиды и гликолипиды. В спиртовых экстрактах из исходного сырья и в экстрактах из твердых остатков после С02-экстракции преобладают гликолипиды (40-41 % из коры пихты и 49-59 % из ДЗ пихты). Нейтральные липиды преобладают в спиртовых экстрактах из твёрдого остатка ДЗ после пихтоваренной установки и из твёрдого остатка ДЗ после пихтоваренной установки и экстракции жидким диоксидом углерода (41 %).

Увеличение содержания нейтральных липидов, по сравнению с экстрактом из исходной ДЗ, в 3,0, 3,7 и 4,1 раза соответственно наблюдается в спиртовом экстракте из твёрдого остатка после пихтоваренной установки, после С02-экстракции, после пихтоваренной установки и С02-экстракции.

В спиртовых экстрактах из ДЗ и коры пихты, а также из их остатков определяли содержание жирных кислот (таблица 3).

Благоприятный химический состав спиртовых экстрактов позволяет рекомендовать их не только предприятиям бытовой химии, парфюмерно-косметической промышленности, но и для медицины.

Таблица 3 - Состав и содержание жирных кислот в спиртовых экстрактах из ДЗ и

коры пихты

В процентах к сумме кислот

Кислота Формула (код) кислоты С():0 Сырье

исходное остаток после COi-экстракции остаток после С02-иН20-экстракций остаток после Н20-экстракции

Ненасыщенные, из них: К 53,4 50,5 47,1 55,8

Дз 56,7 52,9 49,1 59,6

Олеиновая 18:19 К 26,8 24,5 24,4 29,0

Дз 10,3 14,1 11,7 12,7

Линолевая 18:26 К 10,5 10,2 9,7 11,2

Дз 15,9 15,0 13,0 17,1

а-Линоленовая 18:3 к 1,9 1.9 1,7 2,0

Дз 11,9 8.9 9,9 12,8

Насыщенные, из них: К 45,2 47,8 52,0 43,2

Дз 43,0 46,0 51,0 37,9

Пальмитиновая 16:0 К 11,8 11,5 11,8 8,3

Дз 9,8 10,6 5,9 9,3

Стеариновая 18:0 К 4,0 6,6 4,1 3,7

Дз 7,4 7,0 1,6 4,5

Арахиновая 20:0 К 4,2 4.8 5,4 5,3

Дз 1,7 1,8 2,1 1,7

Бегеновая 22:0 К 2,1 4,7 6,3 5,3

Дз 3,3 3,0 4,3 3,3

Лигноцериновая 24:0 К 4,0 3,6 4,9 5,0

Дз 2,7 2,9 5,2 2,9

Примечание: С02- экстракция жидким диоксидом углерода; Н20- водная экстракция; К - экстракты из коры; Дз - экстракты из ДЗ пихты

Использование послеэкстракционных остатков. Одним из возможных способов утилизации древесных отходов является использование их в Качестве субстратов для получения биопрепаратов защиты растений. Проведена оценка способности утилизации отходов лесоперерабатывающей, гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности штаммами грибов и бактерий. В настоящем исследовании были использованы штаммы грибов рода Trichoderma коллекции культур Центра биотехнологии и микологии СибГТУ: Trichoderma asperellum (Samuels) штамм МГ 97/6 (ВКПМ F-878) и Trichoderma harzianum (Rifai) штамм М 99/5 (ВКПМ F-888), обладающие высокой антагонистической активностью к фитопатогенам рода Fusarium и рекомендованные как продуценты для получения биопрепаратов триходерминов, а также штамм 19/97-М Streptomyces lateritius (ВКПМ Ас-1637), рекомендованный для стимулирования роста и защиты сеянцев хвойных от возбудителей болезней, вызываемых грибами родов Fusarium и Alternaria.

Для выращивания грибов использовали следующие субстраты: ДЗ и кору пихты как исходные, так и твердые остатки после экстракции жидким диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом, а также отходы окорки. Установлено, что изучаемые штаммы грибов рода Trichoderma способны расти на всех исследуемых субстратах, однако, их продуктивность на разных субстратах варьировала. Самый высокий выход

спор отмечен у штаммов М 99/5 Tr. harzianum и МГ 97/6 Tr. asperellum при культивировании на исходной коре пихты (3,57-108 г"1 и 3,09-Ю8 КОЕ г"1 соответственно). Анализ продуктивности спорообразования при культивировании на послеэкстракционных остатках показал, что наибольшее количество спор образуется при росте штаммов М 99/5 Tr. harzianum и МГ 97/6 Tr. asperellum на твердом остатке коры пихты после СО2- и спиртовой экстракции: 4,70-108 г"1 и 4,48-108 КОЕ г'1 соответственно, а также твердом остатке коры пихты после С02-экстракции, где выход спор составил 4,29-Ю8 г"1 и 3,57-108 КОЕ ^'соответственно.

Оценка жизнеспособности спор, полученных путем твердофазной ферментации штаммов М 99/5 и МГ 97/6 на коре пихты, показала, что споры на данном растительном субстрате могут сохранять свою жизнеспособность в течение 12 месяцев на 32 и 41 % соответственно, что соответствует регламенту биопрепаратов триходерминов. На основании полученных данных кору пихты можно рекомендовать для получения биопрепаратов защиты растений.

Опытные партии биопрепаратов, полученные путем твердофазной ферментации штамма МГ 97/6 Tr. asperellum на коре пихты и на коре пихты после С02-экстракции, были испытаны на посевах Picea obovata L. Результаты исследований показали, что выход здоровых сеянцев Picea obovata L. в сравнении с контролем увеличился: при внесении чистого спорового биопрепарата триходермин-с в 1,6 раза и составил (71±3) штук на 1 м погонный; триходермина, полученного на коре пихты - в 4 раза, что составило (158±5) штук на 1 м погонный; триходермина, полученного на коре пихты после С02-экстракции - в 3,4 раза, (149±4) штук на 1 м погонный. Вероятнее всего это связано с тем, что растительные субстраты являются источником дополнительных питательных веществ для грибов, что, в свою очередь, стимулирует развитие штаммов рода Trichoderma в ризосфере сеянцев Picea obovata L. и препятствует развитию фитопатогенных микроорганизмов, являющихся мишенью грибов-антагонистов. Кроме того, внесение биопрепаратов повышает выход лесопосадочного материала, а также оказывает положительное влияние на показатели биологической активности почвы.

В качестве субстратов для культивирования штамма 19/97 М Streptomyces lateritius использовали кору пихты после С02-экстракции, а ДЗ пихты - после спиртовой экстракции. Данные численности штамма на 30-е сутки культивирования (1,12-Ю10 КОЕ-г и 2,19-10" КОЕ-г на коре и ДЗ пихты соответственно) доказывают, что кору пихты после С02-экстракции и ДЗ пихты после спиртовой экстракции можно использовать в качестве субстратов для твердофазной ферментации с целью получения биопрепарата. Использование метаболитов штамма увеличивает всхожесть семян хвойных пород, по сравнению с контролем, на 35 %.

Кору пихты и послеэкстракционные остатки использовали в качестве субстратов для твердофазного культивирования с получением белка пищевого и кормового назначения. В качестве продуцента целлюлитических и окислительных ферментов был использован гриб Pleurotus ostreatus (Fr. Kumm), который относится к группе сапрофитных дереворазрушающих базидиомицетов. Грибы рода Pleurotus эффективно разрушают лигноцеллюлозный комплекс. Полученный после биодеструкции остаток коры пихты характеризуется повышенным содержанием

белка (12,5 %). В послеэкстракционном остатке после биодеструкции содержание лигнина уменьшается на 8,1 %.

Компостирование коры и отходов окорки проводили биопрепаратом «Байкал-ЭМ». Установлен состав микрофлоры после биодеструкции растительных субстратов этим препаратом. Доминирующее положение в составе микрофлоры всех ферментируемых субстратов занимают бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Lactobacillus и Azotobacter. Общая численность бактерий на мясо-пептонном агаре (аммонификаторов) составляла на коре пихты исходной 0,8-10 КОЕ г', после экстракции жидким диоксидом углерода 7,3-1010 КОЕ г1. Микробиологический анализ посевов на сусло-агаре показал, что в биодеструкции субстратов также участвуют дрожжевые грибы родов Rhodotorula, Cryptococcus и мицелиальные грибы рода Aspergillus, Pénicillium, Мисог. На крахмало-аммиачном агаре актиномицеты не были выявлены. Биодеструкция препаратом «Байкал - ЭМ» коры и отходов окорки хвойных позволяет получать компосты, которые можно использовать для биоремедиации почв.

Проведенные исследования по получению пектиновых веществ из коры пихты показали, что использование предварительной экстракции коры жидким диоксидом углерода увеличивает выход пектиновых веществ в 1,5 - 2,0 раза, по сравнению с исходной корой. Полученные пектины являются низкоэтерифицированными (46 - 48 %), поэтому их можно использовать для производства продуктов профилактического и лечебного назначения, с высоким содержанием пектина и низким содержанием сахара в студне (например, при производстве мармелада и желейных конфет). Они используются при профилактике и предотвращении интоксикации организма человека, занятого в высокотоксичных производствах, производствах, связанных с повышенной радиацией, при контактах с солями тяжелых металлов.

Одним из направлений утилизации коры и мелких древесных отходов является производство топливных и технологических брикетов, которые могут быть использованы в качестве сырья при химической и энергохимической переработке древесины. Брикетирование сыпучих отходов увеличивает их теплотворную способность. Брикеты из коры и мелких древесных отходов пихты получали без связующего; прочность и плотность топливных брикетов увеличивается с повышением давления прессования. Для обеспечения достаточной плотности и прочности топливных брикетов при давлении 10 МПа необходимо повышение температуры прессования до 120 °С и предварительный прогрев древесных частиц и коры до температуры 100 °С. При этом оптимальная влажность древесных частиц 8-12 %. С уменьшением размеров частиц плотность и прочность брикетов увеличиваются. Теплота сгорания топливных брикетов равна 17100 кДж/кг.

В пятой главе представлена схема комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской с получением углекислотных (рисунок 7), водных и спиртовых (рисунок 8) экстрактов, эфирного масла, пектиновых веществ, хвойной пасты, хвойно-соляных брикетов, мальтола, кормового продукта, биопрепарата защиты растений (триходермина), компостов и топливных брикетов. Загрузка сырья в экстрактор 1 для

экстракции жидким диоксидом углерода осуществляется через люк в верхней крышке экстрактора с помощью специального приспособления в виде кассеты. После герметизации экстрактор заполняется жидким С02 из сборника 2 до рабочего уровня. Экстрагирование ведется путем непрерывного прохождения растворителя через слой сырья. При этом в верхнюю часть экстрактора 1 непрерывно подается жидкий С02 из сборника 2, а через нижний штуцер мисцелла стекает в испаритель 4. Температура в испарителе должна быть не более 45 °С. Газообразный С02 из испарителя направляется на конденсацию в конденсатор 3. По истечении времени экстракции подача растворителя в экстрактор прекращается, давление снижается до атмосферного. Экстракт из испарителя 4 самотеком поступает в сборник 5, а затем на фильтрацию (фильтруют через капроновую ткань), разделение и расфасовку. Углекислотные экстракты разделяют на водную и липидную части. С02-экстракт расфасовывают в тару. Водная часть С02-экстракта используется для выделения мальтола.

Процесс экстракции осуществляется при следующих технологических параметрах: давление 5,8-6,0 МПа, температура 18-22 °С, продолжительность экстракции 4-6 ч, жидкостный модуль 5.

Кассета с отработанным сырьем выгружается в тележку 11 и направляется в экстрактор 13 для экстракции водой или водно-этанольными смесями. Растворитель из сборника 15 насосом 16 через подогреватель 14 подается в экстрактор 13. В подогревателе теплоносителем является пар. По окончании экстракции спиртовый экстракт самотеком через холодильник 17 поступает в отстойник 18, где происходит высаживание воска. Затем экстракт фильтруется в сборник 20 и насосом 21 подается в перегонный куб 22. Полный оборот отстойника составляет 24 ч. Периодически острым паром производится регенерация отстойника от отложившегося на стенках воскообразного продукта, который подается в сборник воска-сырца 19. В перегонном кубе 22 происходит отгонка растворителя, пары которого поступают в конденсатор 23, а затем в систему рекуперации. Упаренный спиртовый экстракт из перегонного куба 22 поступает в промежуточную емкость 24, а затем в омылитель 28. Здесь экстракт разбавляется водой и омыляется 40 %-м раствором едкого натра. Омыление протекает при перемешивании и нагревании. Для дозирования воды и щелочи используются сборники 25 и 26, а раствор щелочи приготавливается в мернике-дозаторе 27. Розлив хвойной пасты осуществляется в горячем виде в тару. В фасовочном отделении предусмотрены разливочный стол, весы, закаточные машины. Кассета с остатком выгружается и направляется на дальнейшую переработку.

В вакуумную систему

Сырье из

поз. 11

Вода

Из баллонов

Вода

Вода 4 з Вода

. В экстрактор поз. 1

Из экстрактора поз. 1

10

11

ъ—а

г

На фасовку

-{х>-

Для выделения мальтола

1- экстракторы; 2-сборник жидкого диоксида углерода; 3-холодилышк-конденсатор; 4-испаритель; 5-сборник экстракта; 6-флорентина; 7,8,9-сборники; 10-измельчитель сырья; 11-тележка; 12-насосы

Рисунок 7 - Технологическая схема получения углекислотных экстрактов

13-экстрактор; 14-подогреватель; 15-сборник экстрагента; . 16,21 -насосы; 17,23-холодильники; 18,19,20,25,26-сборники; 22-перегонный куб; 24-промежуточная емкость; 27-мерник-дозатор; 28-омылитель; 29-сборник хвойной пасты

Рисунок 8 - Технологическая схема получения спиртовых экстрактов, хвойного воска

и хвойной пасты

Срок окупаемости с получением биопрепаратов из ДЗ или коры пихты сибирской составляет 1,5 года, рентабельность 40 %.

С использованием всех полученных С02-экстрактов разработаны и защищены авторскими свидетельствами биокосметические препараты.

Данная технология использована для переработки как ДЗ и коры хвойных, так и недревесного сырья: травы (черемши), семян (орехов), а также продуктов пчеловодства (пчелиного воска и прополиса) и грибов (лиственничной губки) и защищена 7 патентами и 2 заявками на изобретения РФ.

На углекислотные, водные и спиртовые экстракты из ДЗ и коры пихты, а также из лиственничной губки разработаны технические условия. Разработан технологический регламент на получение углекислотного экстракта из ДЗ и коры пихты сибирской.

В шестой главе приведены продукты комплексной переработки ДЗ и коры пихты, их состав, соответствие нормативным документам и направления их использования.

Углекислотные и водно-спиртовые экстракты из ДЗ и коры пихты исследовались на токсичность на кафедре фармакологии Красноярского государственного медицинского университета. Экстракты испытывали на токсичность на однородных группах (мыши, крысы) по 5-10 особей в группе. Работа выполнена на 300 животных: 150 крысах и 150 мышах обоего пола. Определены дозы летальные, которые в обследуемых группах животных (мыши, крысы) определялись низкими показателями и зависели от биодоступности препарата. На основании проведенных исследований установлено, что углекислотный и водно-спиртовый экстракты пихты относятся к классу малотоксичных соединений.

Лечебный эффект и токсичность углекислотного экстракта из пихты были оценены в дерматологической клинике Сибирского государственного медицинского университета (СГМУ) г. Томска на больных дерматозами: псориазом, нейродермитом, экземой. Положительный терапевтический эффект зарегистрирован у 20 (100 %) пролеченных больных.

Выводы

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана комплексная технология переработки древесной зелени и коры пихты сибирской и отходов окорки с использованием экологически безопасных экстрагентов (жидкий диоксид углерода, вода и этанол) с получением продуктов, обладающих биологической активностью (углекислотные, водные и спиртовые экстракты), и утилизацией твердых послеэкстракционных остатков.

2. Полученные результаты анализа корреляционных связей между содержанием компонентов ДЗ пихты, среднемесячной температурой и величиной эффективного излучения в годовом цикле позволяют прогнозировать химический состав исходного сырья, что важно при определении условий получения продуктов заданного качества.

Получены адекватные эксперименту: модели изменения содержания каротина (R2 = 0,96), витамина С (R2 = 0,98) и хлорофилла (R2 = 0,97) в древесной зелени пихты при хранении; модели возрастного (R2 = 0,99), сезонного (R2 = 0,94) и суточного (R2 = 0,92) цикла изменения содержания эфирного масла в ДЗ пихты.

3. Получены адекватные математические модели зависимости выхода летучих компонентов, сесквитерпеновых и монотерпеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений от размера сырья и продолжительности экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода.

Установлено, что в углекислотных экстрактах из древесной зелени и коры пихты содержится от 9,7 до 56,5 % летучих компонентов. В углекислотных экстрактах преобладают полиненасыщенные жирные кислоты, обладающие высокой биологической активностью, на долю которых приходится от 64,8 до 74,4 %. Среди ненасыщенных жирных кислот превалируют олеиновая (от 12,8 до 35,2 %) и

линолевая (от 16,3 до 25,8 %). В спиртовых экстрактах на долю ненасыщенных жирных кислот приходится от 53,4 до 56,5 %, Среди ненасыщенных жирных кислот преобладают олеиновая от 10,3 до 26,8 % и линолевая от 10,9 до 15,9 %.

4. Определены коэффициенты диффузии: летучих компонентов (0,47^-0,60)10"9 м2/с, монотерпеновых (0,79 ч- 0,95)10"9 и сесквитерпеновых (0,06 -ь 0,08)10"9 м2/с, углеводородов, кислородсодержащих соединений (0,65 + 0,97)10"9 м2/с при экстракции жидким диоксидом углерода. Определена зависимость коэффициента диффузии и максимального выхода пихтового масла из древесной зелени пихты от температуры отгонки насыщенным водяным паром.

Получены зависимости выхода экстрактивных веществ и коэффициента диффузии от концентрации этилового спирта. Установлено, что при концентрации этанола (70 -г- 80) % выход экстрактивных веществ (13,9 % к а.с.с.) и коэффициент диффузии (0,58-10'9 м2/с) достигают максимума. Исследовано влияние концентрации этанола на физико-химические характеристики получаемых экстрактов (вязкость, поверхностное натяжение). Установлено влияние предварительной экстракции коры хвойных жидким диоксидом углерода на химический состав получаемых экстрактов.

5. Установлено, что при использовании последовательной экстракции сырья жидким диоксидом углерода, водой и этиловым спиртом выход экстрактивных веществ увеличивается (до (38±5) % для ДЗ и (21±5) % - для коры пихты).

6. Разработан способ выделения из водной части углекислотного экстракта коры пихты душистого вещества - малыша. Исследования выделенного соединения методами ГЖХ, ИК-, УФ-, ЯМР- спектроскопии, определение'физических констант, а также данные структурного анализа и идентификации показали, что выделенное соединение является мальтолом (З-окси-2-метил-у-пироном).

7. Установлено, что при использовании древесной зелени и коры пихты, а также отходов окорки в качестве субстратов для роста штаммов грибов рода Trichoderma максимальная продуктивность достигается у штаммов МГ 97/6 Trichoderma asperellum и М 99/5 Trichoderma harzianum при твердофазной ферментации на твердом остатке коры пихты после С02- и спиртовой экстракций и составляет от 4,48-108 до 4,70-108 КОЕ г"1. Экспериментально доказана возможность сохранения жизнеспособных пропагул в течение 12 месяцев на 32-41 % при хранении в лабораторных условиях на растительных остатках.

Испытания на посевах Picea obovata L. опытных партий биопрепаратов, полученных путем твердофазной ферментации штамма МГ 97/6 Trichoderma asperellum на коре пихты и на коре пихты после С02-экстракцйи, показали, что выход здоровых сеянцев Picea obovata L. в сравнении с контролем увеличился: при внесении чистого спорового биопрепарата триходермин-с в 1,6 раза; триходермина, полученного на коре пихты - в 4 раза; триходермина, полученного на коре пихты после С02-экстракции - в 3,4 раза.

Методом твердофазной ферментации на древесной зелени и коре пихты получен новый биопрепарат латерин на основе продуцента 19/97-М Streptomyces lateritius, с титром 2Д9-1011 и 1,12-Ю10 КОЕ г"' соответственно.

8. Предложена схема комплексной переработки древесной зелени и коры пихты с получением углекислотных, водных и спиртовых экстрактов, эфирного масла, пектиновых веществ, хвойной пасты, хвойно-соляных брикетов, мальтола, кормового продукта, биопрепарата защиты растений (триходермина), компостов и топливных брикетов. Технико-экономические показатели, подтверждают эффективность производства. Результаты исследований запатентованы и внедрены. Рентабельность производства с получением биопрепаратов из ДЗ или коры пихты составляет 40 %. Срок окупаемости с получением биопрепаратов из ДЗ или коры пихты сибирской составляет 1,5 года.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Входящие в перечень ВАК

1. Величко, H.A. Кормовые добавки из пихтовой коры / H.A. Величко, В.М. Ушанова // Лесная промышленность. - 1994. - № 5-6. - С. 20, автора - 0,03 п.л.

2. Ушанова. В.М. Исследование влияния полярности растворителя на состав экстрактивных веществ и послеэкстракционных остатков коры Abies sibirica / В.М. Ушанова, С.М. Репях // Химия природных соединений. - 1996. - № 1. - С. 42 - 45, автора - 0,19 п.л.

3. Ушанова. В.М. Комплексная переработка коры Abies sibirica Ledeb. / В.М. Ушанова, С.М. Репях, P.A. Степень // Растительные ресурсы. - 1997, - № 2. - С. 79 -86, автора - 0,38 п.л.

4. Ушанова, В.М. Исследование экстрактов коры пихты / В.М. Ушанова, В.М. Воронин, С.М. Репях //Лесной журнал. - 1997. - № 6. - С. 88 - 92, автора - 0,19 п.л.

5. Ушанова. В.М. Переработка древесных отходов хвойных деревьев / В.М. Ушанова, P.A. Степень, С.М. Репях // Химия растительного сырья. - 1998. - № 2. - С. 17 -23, автора - 0,31 п.л.

6. Ушанова. В.М. Влияние степени измельчения сырья на процесс экстракции / В.М. Ушанова, C.B. Ушанов, С.М. Репях // Лесной журнал. - 1998. - № 1. - С. 101 -105, автора - 0,19 п.л.

7. Ушанова. В.М. Выделение мальтола из коры пихты сибирской углекислотным методом / В.М. Ушанова, A.B. Зиганшин, С.М. Репях // Химия природных соединений,- 1998,-№ 1.-С. 131 - 132, автора-0,06 п.л. '

8. Репях, С.М. Закономерности изменения состава древесной зелени хвойных от диаметра побегов / С.М. Репях, В.М. Ушанова. B.C. Ушанов, C.B. Ушанов // Химия растительного сырья. - 2000. - № 1. - С. 37 - 42, автора - 0,16 п.л.

9. Рубчевская, Л.П. Биологически активные вещества углекислотных и пропан-бутановых экстрактов древесной зелени / Л.П. Рубчевская, В.М. Ушанова. Л.Н. Журавлева // Российский химический журнал. Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. Химические продукты из растительной биомассы. -2004. - T. XLVIII, № 3. - С. 80 - 83, автора - 0,09 п.л.

10. Ушанова. В.М. Влияние вида экстрагента на количественный и качественный состав экстрактов, получаемых из коры хвойных / В.М. Ушанова, Л.И. Ченцова, В.К. Горчаковский // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2006. -Т. 49. - Вып.6. - С.82 - 87, автора - 0,25 п.л.

11. Ушанова. В.М. Альтернативные пути использования коры хвойных в различных технологиях / В.М. Ушанова, H.A. Заика, Т.И. • Громовых // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - Вып. 5. - С. 72 - 77, автора - 0,25 п.л.

12. Ушанова. В.М. Математическая модель изменения содержания каротина в древесной зелени пихты сибирской при хранении / В.М. Ушанова, C.B. Ушанов // Вестник Крас ГАУ. - 2007. - Вып. 5. - С. 28 - 33, автора - 0,25 п.л.

13. Садыкова, B.C. Биологическая активность сибирских штаммов Trichoderma как фактор отбора для создания биопрепаратов защиты растений нового поколения / B.C. Садыкова, Т.И. Громовых, А.Н. Лихачев, A.B. Кураков, В.М. Ушанова // Биотехнология.- 2007.-№ 6.-С. 12-17, автора-0,13 п.л.

14. Громовых, Т.И. Перспективы получения биопрепарата для защиты сеянцев хвойных путем твердофазного культивирования штамма 19/97М STREPTOMYCES LATERITIUS SVESCHNIKOVA / Т.И. Громовых, И.И. Гайдашева, В.М. Ушанова. B.C. Садыкова, Г.А. Сизых // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - T. XXIV. - № 4 -5. - С. 482 - 486, автора - 0,06 п.л.

15. Ушанова. В.М. Влияние состава водно-спиртовых растворов и обработки сжиженным С02 на эффективность экстракции коры хвойных / В.М. Ушанова, Л.И. Ченцова // Изв. ВУЗов. Лесной журнал. - 2008. - № 1. - С. 132 -137, автора - 0,25 п.л.

16. Ушанова В.М. Изучение влияния функциональных групп пектинов из коры хвойных пород деревьев на их студнеобразующие свойства /В.М. Ушанова, Н.Г. Батура, З.К. Воробьева // Хвойные бореальной зоны. - 2008. - T. XXV. - № 3 - 4. - С. 362 - 364, автора - 0,06 п.л.

17. Ушанова. В.М. Исследование процесса экстрагирования коры пихты сибирской сжиженным диоксидом углерода / В.М. Ушанова, C.B. Ушанов // Вестник КрасГАУ. - 2009. - № 12. - С. 39 - 44, автора - 0,25 п.л.

18. Ушанова. В.М. Влияние физических свойств растворителя на процесс экстракции коры хвойных пород / В.М. Ушанова, C.B. Ушанов, Л.И. Ченцова // Вестник КрасГАУ. - 2009. -№ 12. - С. 210 - 214, автора - 0,22 п.л. .

19. Садыкова, B.C. Биотехнологические аспекты отбора штаммов TRICHODERMA для создания препаратов защиты и стимуляции роста растений / B.C. Садыкова, П.Н. Бондарь, В.М. Ушанова // Иммунопатология, аллергология, инфекгология. Международный научно-практический рецензируемый журнал. -2010. -№ 1. - С. 126, автора - 0,02 п.л.

Монографии

1. Ушанова. В.М. Углекислотные экстракты как источники биологически активных веществ: Монография / В.М. Ушанова, С.М. Репях. - Красноярск: СибГТУ, 2007. - 159 е., автора - 8,13 п.л.

2. Ушанова В.М. Состав и переработка древесной зелени и коры пихты сибирской: Монография / В.М. Ушанова, C.B. Ушанов, С.М. Репях. - Красноярск: СибГТУ, 2008. - 257 е., автора - 11,25 п.л.

3. Ушанова В.М. Экстрагирование древесной зелени и коры пихты сибирской сжиженным диоксидом углерода и водно-спиртовыми растворами: Монография / В.М. Ушанова, С.В. Ушанов. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - 191 е., автора - 8,75 п.л.

Патенты и заявки

1. Заявка № 93055672 Способ получения кормовой добавки / H.A. Величко, В.М. Ушанова. С.М. Репях. Заявлено 14.12.93. Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента 24.03.94. Опубл. 10.04.97

2. Пат. 2041646 Российская Федерация, МПК6 А 23 К 1/00. Способ получения продуктов из хвойной древесной зелени / Репях С.М., Воронин В.М., Ушанова В.М.; заявитель и патентообладатель Красноярская гос. технологич. академия. -№ 92015557/15; заявл. 30.12.92; опубл. 20.08.95, Бюл. № 23. - 5 с.

3. Пат. 2067977 Российская Федерация, МПК6 С 07 D 309/40. Способ переработки коры хвойных деревьев / Ушанова В.М.. Зиганшин A.B., Репях С.М.; заявитель и патентообладатель Красноярская гос. технологич. академия. -№ 93045134/13; заявл. 17.09.93; опубл. 20.10.96, Бюл. № 29. - 3 с.

4. Пат. 2152793 Российская Федерация, МПК7 А 61 К 35/78. Способ получения биологически активного продукта / Ушанова В.М., Лебедева О.И., Рубчевская Л.П., Репях С.М.; заявитель и патентообладатель СибГТУ. - № 98113878/13; заявл. 14.07.1998; опубл. 20.07.2000, Бюл. № 20. - 3 с.

5. Пат. 2174011 Российская Федерация, МПК7 А 61 К 35/78, С 07 С 37/80. Способ получения полифенолов / Рубчевская Л.П., Лебедева О.И., Ушанова В.М.. Лис Е.В., Репях С.М.; заявитель и патентообладатель СибГТУ. - № 99115296/04; заявл. 12.07.1999; опубл. 27.09.2001, Бюл. № 27. - 3 с.

6. Пат. 2228116 Российская Федерация, МПК7 А 23 L l/3'O, А 61 К 35/78, С 11 В 1/10. Способ получения биологически активных продуктов из древесной зелени пихты сибирской / Ушанова В.М.. Шныткина М.И., Терентьев В.И., Репях С.М.; заявитель и патентообладатель СибГТУ. -№ 2001120288/13; заявл. 19.07.2001; опубл. 10.05.2004, Бюл. № 13. - 3 с.

7. Заявка № 2001132521/13 Российская Федерация, МПК7 С 11 В 1/16. 1/10, 9/02, А 23 К 1/14. Комплексная переработка древесной зелени пихты сибирской / Ушанова В.М., Шныткина М.И., Терентьев В.И., Репях С.М.; Заявлено 30.11.2001. Зарег. 28.04.2003.

8. Пат. 2238307 Российская Федерация, МПК7 С 11 В 1/10, А 23 К 1/14. Способ получения биологически активных продуктов из отходов окорки / Ушанова В.М., Шныткина М.И., Репях С.М.; заявитель и патентообладатель СибГТУ. -№ 2003100277/13; заявл. 04.01.2003; опубл. 20.10.2004, Бюл. № 29. - 4 с.

9. Пат. 2252017 Российская Федерация, МПК7 А 61 К 7/48, 7/00, 35/78. Косметическое средство и способ его получения / Ушанова В.М., Лебедева О.И., Мулява В.Е.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «СибГТУ». -№ 2004118887/15; заявл. 22.06.2004; опубл. 20.05.2005, Бюл. № 14. - 8 с.

Прочие публикации

1. Ушанова. В.М. Биологически активные вещества углекислотных экстрактов / В.М. Ушанова, М.Н. Лобадина, С.М. Репях // Переработка растительного сырья и утилизация отходов, 1996. - Вып. 2. - С. 216 - 220, автора - 0,19 п.л.

2. Ушанова. В.М. Изменение состава минеральных компонентов древесной зелени и коры хвойных в процессе их переработки / В.М. Ушанова [и др.] // Вестник СибГТУ. - 1999. - № 1. - С. 47 -57, автора - 0,25 п.л.

3. Лебедева, О.И. Воскообразные вещества Abies sibirica L. / О.И. Лебедева, В.М. Ушанова // Вестник СибГТУ. - Красноярск. - 2000. - № 2. - С. 154 - 156, автора

- 0,08 п.л,

4. Репях, С.М. С02-экстракты из коры пихты сибирской / С.М. Репях, В.М. Ушанова // Каталитические преобразования натуральных органических полимеров. Сб. тр. междунар. симпозиума. - Красноярск, 2000. - С. 224 - 225, автора

- 0,06 п.л.

5. Береспок, A.B. Исследование влияния вида гидролизующего агента на выход протопектина / A.B. Береспок, В.М. Ушанова // Лесной и химический комплексы — проблемы и решения (экологические аспекты): Сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. -Красноярск, 2004. - Т. 3. - С. 72-75, автора-0,09 п.л.

6. Ушанова. В.М. Влияние технологических параметров на выход и качественный состав водно-спиртовых экстрактов из коры хв.ойных / В.М. Ушанова, Л.И. Ченцова, В.К. Горчаковский // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы: Сб. тр. всерос. науч.- практич. конф. - Красноярск, 2004. -Т. З.-С. 134- 139, автора -0,19 п.л.

7. Терентьев, В.И. Исследование выхода пихтового масла в зависимости от сезона и объема закладки пихтовой лапки в пихтоваренную установку сибирского типа / В.И. Терентьев, В.М. Ушанова, C.B. Ушанов // Лесоэксплуатация. -Красноярск, 2004. - Вып. 5. - С. 132 - 142, автора - 0,38 п.л.

8. Заика, H.A. Скрининг сибирских штаммов грибов рода Trichoderma для получения биопрепаратов защиты сеянцев и злаков от болезней / H.A. Заика, Т.И. Громовых, В.М. Ушанова // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы: Сб. тр. всерос. науч.- практич. конф. - Красноярск, 2004. - Т. 3. - С. 112 -

116, автора - 0,06 п.л.

9. Береспок, A.B. Влияние предварительной подготовки коры хвойных на ее морфологическое строение / A.B. Береспок, В.М. Ушанова / Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы: Сб. тр. всерос. науч.- практич. конф. - Красноярск, 2004. - Т. 2. - С. 203 - 206, автора - 0,09 п.л.

10. Ушанова, В.М. Диффузионная кинетика экстракции коры хвойных водой и водно-спиртовыми растворами / В.М. Ушанова, Л.И. Ченцова // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.- практич. конф. -Красноярск, 2005. - Т. 3. - С. 231 - 236, автора - 0,25 п.л.

11. Ушанова. В.М. Скорость извлечения летучих веществ из коры пихты сибирской сжиженным диоксидом углерода / В.М. Ушанова, Л.И. Ченцова // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.- практич. конф. -Красноярск, 2007. - Т. 1. - С. 299 - 303, автора - 0,19 п.л.

12. Бондарь, П.Н. Оценка возможности использования сибирских штаммов TRICHODERMA для создания биопрепаратов защиты растений / П.Н. Бондарь, B.C. Садыкова, В.М. Ушанова // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: Сб. ст. всерос. науч.- практич. конф. - Красноярск, 2007. - Т. 2. - С. 7 - 11, автора - 0,09 п.л.

13. Бондарь, П.Н. Биотехнологические аспекты отбора активных штаммов TRICHODERMA для создания препаратов для защиты растений / П.Н. Бондарь, B.C. Садыкова, В.М. Ушанова. А.Г. Савицкая // Современные средства, методы и технологии защиты растений: Сб. тр. междунар. науч.- практич. конф. - Новосибирск, 2008. - С. 30 - 34, автора - 0,09 п.л.

14. Ushanova. V.M. Products complex waste processing of abies sibirica /Int. conferens "Renewable Wood and Plant Resources: Chemiastry, Technology, Pharmacology, Medicine". - S-Petersburg, 2011. - p. 234 - 235, автора - 0,06 п.л.

Благодарности

Автор благодарит за поддержку, ценные советы и постоянное внимание к работе научного консультанта Степана Михайловича Репяха, доктора химических наук, профессора.

Подписано в печать 04.09.2012. Формат 60x84 1/16. Изд. Кг 5.21. Тираж 100 экз. Уч.- изд. л. 2,13. Заказ N2 1364 Редакционно-издателъский центр СибГТУ 660049, Красноярск, пр. Мира, 82 Телефон (391) 227-69-90, факс (391) 211-97-25

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

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

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

0 5 2 0.1 2 5 2 5 3 0

На правах рукописи

УШАНОВА Валентина Михайловна

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Доктор химических наук, профессор

Репях Степан Михайлович

Красноярск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................................................................................6

Глава 1 Состояние исследований состава и переработки древесной

зелени и коры пихты сибирской..........................................................................................................14

1.1 Ареал пихты сибирской......................................................................................................14

1.2 Условия развития пихты сибирской..........................................................................16

1.3 Оценка запасов коры и древесной зелени пихты сибирской............20

1.4 Механический состав древесной зелени пихты................................................22

1.5 Химический состав древесной зелени пихты....................................................23

1.5.1 Углеводы......................................................................................................................................................24

1.5.2 Пектиновые вещества....................................................................................................28

1.5.3 Витамины..............................................................................................................................28

1.5.4 Пигменты................................................................................................................................................30

1.5.5 Белки и аминокислоты..................................................................................................32

1.5.6 Эфирные масла..................................................................................................................33

1.5.7 Органические кислоты................................................................................................40

1.5.8 Фенольные соединения..................................................................................................41

1.5.9 Липиды....................................................................................................................................43

1.5.10 Минеральные компоненты........................................................................................46

1.6 Анатомическое строение коры............................................................................................48

1.7 Химический состав коры....................................................................................................50

1.8 Влияние способа хранения древесной зелени и коры хвойных пород на выход биологически активных веществ............................................................56

1.9 Переработка древесной зелени....................................................................................62

1.10 Использование коры............................................................................................................66

1.11 Выбор растворителя и его влияние на получаемые экстракты....................................................................................................................................................................69

1.12 Биодеструкция растительных субстратов с получением продуктов для народного хозяйства....................................................................................................76

Выводы по главе 1..............................................................................................................................85

Глава 2 Объекты и методы проведения исследований..........................................87

2.1 Обоснование выбора объекта исследования........................... 87

2.2 Методы отбора и подготовки сырья.................................... 88

2.3 Исследование состава древесной зелени и коры пихты сибирской................................................................................. 91

2.4 Обоснование выбора экстрагента и схемы переработки отходов древесной зелени и коры пихты сибирской....................................... 93

2.5 Исследование химического состава экстрактов........................ 97

2.6 Методы исследования на токсичность углекислотного и водно-спиртового экстрактов, полученных из древесной зелени пихты............. 101

2.7 Получение кормовой добавки методом биоконверсии............... 102

2.8 Получение биопрепаратов защиты растений.......................... 103

2.9 Методы статистической обработки экспериментальных данных

и результатов математического моделирования....................................... 106

Выводы по главе 2............................................................... 107

Глава 3 Исследование влияния эколого-биологических факторов, условий заготовки и хранения сырья на его состав.............................. 108

3.1 Исследование сезонных изменений химического состава древесной зелени пихты............................................................... 108

3.2 Факторный анализ связей между содержанием компонентов древесной зелени пихты сибирской, среднемесячной температурой и величиной эффективного излучения в годовом цикле........................... 109

3.3 Исследование возрастного, сезонного и суточного цикла изменения содержания эфирного масла в древесной зелени пихты......... 114

3.4 Влияние хранения древесной зелени пихты сибирской на содержание в ней каротина, витамина С, хлорофилла........................... 115

3.5 Исследование состава исходного сырья............................. 121

3.6 Исследование выхода пихтового масла в зависимости от сезона

и объема закладки древесной зелени в пихтоваренную установку........... 128

Выводы по главе 3 .............................................................. 131

Глава 4 Разработка комплексной технологии переработки

древесной зелени и коры пихты...................................................... 134

4.1 Теоретические основы массопереноса в системах с твердой

фазой........................................................................................................................................................................................................134

4.2 Исследование процесса экстракции растительного сырья..............137

4.3 Исследование динамики выхода экстрактивных веществ при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода........................................................149

4.3.1 Динамика выхода летучих компонентов................................................152

4.3.2 Динамика выхода монотерпеновых углеводородов..................................156

4.3.3 Динамика выхода кислородсодержащих соединений........................161

4.3.4 Динамика выхода сесквитерпеновых углеводородов........................167

4.4 Постоянные времени извлечения экстрактивных веществ из коры пихты при экстракции жидким диоксидом углерода........................................176

4.5 Исследование процесса экстрагирования древесной зелени и коры пихты водой и водно-спиртовыми растворами................................................................179

4.6 Исследование продуктов экстракции..................................................................................201

4.6.1 Углекислотные экстракты........................................................................................203

4.6.2 Выделение и исследование мальтола............................................................218

4.6.3 Водные экстракты..........................................................................................................226

4.6.4 Спиртовые экстракты................................................................................................228

4.7 Использование послеэкстракционных остатков........................................237

4.7.1 Биоконверсия твердых остатков для получения биопрепаратов защиты растений............................................................................................................239

4.7.1.1 Получение биопрепаратов на основе штаммов МГ 97/6 Trichoderma asperellum и М 99/5 Trichoderma harzianum................................................239

4.7.1.2 Получение биопрепарата на основе штамма 19/97-М Streptomyces lateritius....................................................................................................................................252

4.7.2 Биоконверсия твердых остатков грибами Pleurotus ostreatus

для получения кормовой добавки........................................................................................................256

4.7.3 Получение компостов из коры хвойных и отходов окорки путем микробиологической конверсии........................................................................................266

4.7.4 Получение топливных брикетов........................................................................274

4.8 Получение пектиновых веществ из коры пихты..........................................279

Выводы по главе 4................................................................................................................................286

Глава 5 Технология комплексной переработки сырья......................................291

5.1 Схема комплексной переработки древесной зелени и коры пихты....................................................................................... 292

5.2 Технико-экономические показатели комплексной переработки древесной зелени и коры пихты...................................................................... 301

Выводы по главе 5................................................................ 305

Глава 6 Продукты комплексной переработки древесной зелени и коры пихты и направления их использования................................. 306

6.1 Продукты комплексной переработки древесной зелени и коры пихты и отходов окорки................................................................ 306

6.2 Исследование полученных экстрактов в парфюмерно-косметической промышленности.................................................... 315

6.3 Исследования углекислотных и водно-спиртовых экстрактов из пихты на токсичность................................................................................ 321

Выводы по главе 6............................................................... 324

Общие выводы................................................................... 325

Список литературы.............................................................. 328

ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального использования древесного сырья - одна из первостепенных задач лесного комплекса. Ее решение предусматривает утилизацию органической массы дерева, включая отходы лесозаготовок, лесопиления, ЦБК, которые могут служить сырьем для производства ценных веществ. Такими отходами являются древесная зелень (ДЗ) и кора пихты сибирской. В Красноярском крае запасы коры пихты составляют 129,7 млн. м3, ДЗ - 1170 млн. м3 [1 - 3]. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса образуется около 30 млн. м3 коры в виде отходов окорки. По химическому составу и другим свойствам отходы окорки практически не отличаются от древесной коры [4].

Утилизация коры и отходов хвойных - наиболее слабое звено в системе комплексного использования сырья предприятиями. В настоящее время кору главным образом используют в качестве топлива и удобрения для почвы. Это частично решает проблему утилизации отходов. Однако кора может служить сырьем для фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности [5].

Научное обоснование путей химической переработки биомассы пихты сибирской с расширением ассортимента получаемой продукции на базе комплексного и рационального использования является актуальной задачей.

Обработка растительного сырья сжиженными газами с целью извлечения отдельных компонентов в неизменном (нативном) виде относится к высокоэффективным технологическим процессам, способствующим комплексному использованию сырьевых ресурсов и материалов. Возможность регенерации растворителя делает этот способ дешевым и доступным для промышленности. Одним из направлений в этой области является использование для экстракции диоксида углерода. Присутствие небольшого количества диоксида углерода в готовых экстрактах оказывает консервирующее действие на лабильные вещества, препятствует прогор-канию жиров и позволяет сохранять экстракты в течение четырех-пяти лет. Использование таких экстрактов приводит к более мягкому и естественному воздей-

ствию на организм человека при проведении как лечебных, так и профилактических мероприятий.

Количество извлекаемых экстрактивных веществ можно увеличить, используя последовательную экстракцию сырья разными по полярности растворителями. Кроме диоксида углерода в качестве экстрагентов предлагается использовать воду и этиловый спирт с получением углекислотных, водных и спиртовых экстрактов.

Для решения этих задач необходима разработка и экспериментально-теоретическое обоснование процессов экстракции древесной зелени и коры пихты.

Организация производств по утилизации твердых послеэкстракционных остатков химическими и биологическими методами повышает эффективность использования ДЗ и коры пихты вовлечением в оборот древесных отходов и увеличения ассортимента экологически чистых продуктов растительного происхождения. Это снижает экологическую нагрузку предприятий лесной отрасли на окружающую среду.

Для этого необходимо разработать и экспериментально - теоретически обосновать направления химической переработки древесной зелени и коры пихты сибирской на базе технологий комплексного и рационального использования с извлечением биологически активных веществ и использованием полученных продуктов в качестве лекарственных препаратов, пищевых и кормовых добавок, а также биогумуса и биопрепаратов для защиты растений.

На различных этапах выполнения диссертационная работа была поддержана: грантами Красноярского краевого фонда науки: «Химия и технология переработки древесной зелени» (1994 г.), «Фундаментальные исследования в области химической технологии» (1994 - 1996 г.г.), «Исследование закономерностей изменения химического состава запасных липидов в древесных тканях хвойных в ходе онтогенеза» (1996 - 1997 г.г.), «Влияние эколого-биологических факторов на метаболизм мембранных липидов фотосинтетических тканей хвойных растений Сибири (на примере пихты сибирской)» (1997 - 2000 г.г.); грантом Красноярского краевого фонда науки «Научные проекты» на подготовку монографии (16 Б 54) (2008 г.); грантом Министерства образования и науки РФ (2004 г.). Работа по

исследованию выхода пихтового масла выполнена при поддержке гранта проекта «ФОРЕСТ» № СА-1Ш-5225-03-03 Винрокского международного института сельскохозяйственного развития «Винрок Интернешнл» (США, 2003 г.).

Область исследования - химия и технология переработки древесной зелени и коры пихты сибирской.

Цель исследования - экспериментально-теоретическое обоснование комплексной переработки древесной зелени и коры пихты сибирской с применением экологически чистых экстрагентов (жидкого диоксида углерода, воды и этилового спирта) с получением биологически активных продуктов и утилизацией твердых остатков.

Объект исследования - древесная зелень и кора пихты сибирской, биомасса дерева.

Предмет исследования - комплексная переработка биомассы пихты сибирской с получением биологически активных веществ.

Основные задачи исследований:

- разработать технологию комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской и отходов окорки с использованием в качестве экстрагентов жидкого диоксида углерода, воды и этилового спирта, с получением продуктов, обладающих биологической активностью, и утилизацией твердых послеэкстракционных остатков;

- исследовать влияние эколого-биологических факторов, условий заготовки и хранения на состав сырья;

- установить закономерности изменения химического состава ДЗ пихты сибирской в зависимости от среднемесячной температуры и величины эффективного излучения в годовом цикле;

- изучить динамику извлечения БАВ из ДЗ и коры пихты сибирской жидким диоксидом углерода и водно-этанольными смесями различной концентрации;

- разработать теоретические основы комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской с обоснованием влияния подготовки сырья и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ;

- разработать способы утилизации твердых послеэкстракционных остатков древесной зелени и коры пихты сибирской методом биоконверсии с получением кормового продукта и биопрепаратов защиты растений;

- исследовать продукты комплексной переработки древесной зелени и коры пихты сибирской и направления их использования;

- оценить экономическую эффективность предлагаемой технологии переработки ДЗ и коры пихты сибирской;

- разработать нормативную документацию и провести апробацию технологии и продукции.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы ресурсосберегающей комплексной переработки ДЗ и коры пихты сибирской, позволяющей в едином технологическом процессе получать продукты, обладающие биологической активностью. С использованием метода главных компонент показаны связи между химическим составом ДЗ пихты, среднемесячной температурой и величиной эффективного излучения в годовом цикле, что позволяет сделать выбор эффективного направления переработки сырья.

Установлено влияние размера сырья, вида экстрагента и продолжительности экстракции на выход и состав БАВ из ДЗ и коры пихты. По результатам научных исследований даны рекомендации по повышению эффективности процесса экстракции за счет изменения фракционного состава сырья.

Получены адекватные математические модели зависимости выхода летучих компонентов, сесквитерпеновых и монотерпеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений от размера сырья и продолжительности экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода. Определены коэффициенты диффузии летучих компонентов, монотерпеновых и сесквитерпеновых углеводородов, кислородсодержащих соединений при экстракции коры пихты жидким диоксидом углерода и этанолом. Установлены зависимости выхода экстрактивных веществ и коэффициента диффузии от концентрации этилового спирта.

Используя жидкий диоксид углерода, из коры пихты выделено и идентифицировано душистое вещество мальтол.

Методом твердофазной ферментации на ДЗ и коре пихты получен новый биопрепарат латерин на основе продуцента 19/97-М Streptomyces lateritius (ВКПМ Ас-163 7) и установлено влияние предварительной обработки ДЗ и коры пихты на биоконверсию.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации по повышению эффективности процесса экстрак