автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Терпеноиды и фенольные соединения биомассы березы повислой
- доктора химических наук
- Ведерников, Дмитрий Николаевич
- город
- Санкт-Петербург
- год
- 2013
- специальность ВАК РФ
- 05.21.03
Автореферат диссертации по теме "Терпеноиды и фенольные соединения биомассы березы повислой"
ВЕДЕРНИКОВ ДМИТРИИ НИКОЛАЕВИЧ
ТЕРПЕНОИДЫ И ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БИОМАССЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ
05.21.03 -Технология и оборудование химической
переработки биомассы дерева; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
3 О МАЙ 20ТЗ
005060627
005060627
ВЕДЕРНИКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
ТЕРПЕНОИДЫ И ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БИОМАССЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ
05.21.03 -Технология и оборудование химической
переработки биомассы дерева; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С. М. Кирова».
Научный консультант: доктор химических наук, профессор
Рощин Виктор Иванович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Тришин Юрий Георгиевич
доктор химических наук, профессор Базарнова Наталья Григорьевна
доктор химических наук, профессор Зенкевич Игорь Георгиевич
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»
Защита состоится «25» июня 2013 г. в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.231.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт- Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», по адресу: 198095 Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4, зал заседаний Ученого совета (А-231).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять на имя ученого секретаря. E-mail: scienceys@mail.ru
Автореферат разослан « /р » ¿.¿/^С)_2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.231.01
лтн ^ , ^ s> /МахотинаЛ.Г./
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.
Важнейшим направлением рационального природопользования и ресурсосбережения в отраслях лесного комплекса, а также роста прибыли предприятий, перерабатывающих древесное сырье, является, в частности, увеличение степени и глубины переработки биомассы дерева. Оценка фигомассы леса показала, что березовые леса в России занимают более 12% площади лесных насаждений, причем около половины берез представлены видом Betula pendula Roth. На целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятиях при производстве фанеры в результате окорки березовой древесины скапливается большое количество коры, которая не имеет промышленного применения и в лучшем случае идет на сжигание в качестве топлива. Доля коры в фитомассе березы составляет 10-14%. Существует проблема использования 'тонкомерной древесины и кроны дерева с почками и листьями - отхода лесозаготовительной промышленности. Доля ветвей в фитомассе березы - 13-17%.
Для использования некондиционного сырья имеются предпосылки. В медицине используются березовые почки, листья, обладающие фитонцидными свойствами. Отвар почек березы используется в качестве мочегонного и желчегонного средства, в виде примочек при порезах и нарывах. Спиртовая настойка помогает при пролежнях, грануляциях, эрозии кожи, гнойных выделениях. Настой и отвар листьев березы применяют как мочегонное, желчегонное, седативное и противовоспалительное средство. Спиртовая настойка березовых почек березы бородавчатой обладает антибактериальной активностью в отношении золотистого стафилококка. Антиокислительную и противоопухолевую активности проявляют спиртовые экстракты коры березы. Но точные составы используемых препаратов, действующие вещества для многих лекарственных средств неизвестны.
Наиболее изучен химический состав стволовой древесины, так как береза все в больших масштабах используется для производства целлюлозы по сульфатному способу, и большая часть экстрактивных веществ попадает в щелок. Имеются разрозненные сведения о соединениях почек и листьев, и они не позволяют оценить полный качественный состав компонентов и их количественное содержание. Аналогичное положение дел с определением состава экстрактов из бересты, в известных работах основное внимание исследователей обращено на бетулин и сопутствующие ему соединения, кристаллизующиеся совместно. Практически отсутствуют данные о липофильных соединениях луба, молодых тканей коры и древесной части побегов. В медицине используются почки и листья, но в
литературе указывается присутствие только отдельных групп соединений. Полный состав экстрактивных вещества почек, листьев остается неизученным. В литературе нет сведений о качественной и количественной оценке экстрактов отходов лесозаготовки, имеющих практическое значение для получения биологически активных веществ (БАВ). Требуется более глубокое, детальное исследование как отдельных частей кроны (почки, листья, побеги) и коры, так и экстрактов из суммарного сырья. Так как при использовании кроны дерева в качестве сырья, листья и почки могут не отделяться от побегов и войдут основной частью в древесную зелень, то необходимо исследовать состав экстрактивных веществ такого сырья, который отличается от состава коры и древесины стволовой части из-за большего количества молодых тканей.
Изучение состава экстрактивных веществ составляющих частей кроны и ствола
дерева является важным и актуальным как с точки зрения понимания процессов, происходящих в разных тканях и органах живого организма растения, так и для практического рационального использования экстрактивных веществ. Большинство целлюлозно-бумажных и других предприятий являются пользователями арендуемых лесов. Плата за лесные ресурсы, заготовку, логистику имеет тенденцию более быстрого роста, чем цена за единицу выпущенной продукции из древесины. Для повышения экономической эффективности перед предприятиями встает проблема более полного использования всей биомассы дерева, в том числе и отходов заготовки древесины. Постоянно растущая стоимость биологически активных веществ позволит повысить эффективность использования биомассы дерева и улучшить социальные условия для населения, занятого на небольших предприятиях с низкой долей капиталовложений, расположенных в местах заготовки древесины.
Исследования проводились в соответствии с заданиями Министерства образования и науки на проведение научных исследований по тематическому плану НИР: Ks 01200117897 «Теоретические основы экологически безопасных процессов химической и биохимической переработки и модифицирования древесного сырья. Физико-химические основы переработки древесного сырья лиственных пород для получения целевых продуктов и материалов» в 2001-2005гг.; № 01200955737 «Разработка научных основ безотходной конверсии биомассы дерева с получением продуктов и модифицированных материалов» в 2006-2010 гт; в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. «Органический синтез на основе растительного сырья. Металлокомплексный катализ в зелёной химии». Соглашение № 14.В37.21.0794 от 03.09.2012.
Цель работы. Изучить химический состав экстрактивных веществ, предложить возможные направления химической переработки биомассы кроны и коры березы -отходов лесозаготовок и деревообработки и использования получаемых продуктов; выявить особенности метаболизма, в первую очередь изопреноидов, в разных частях дерева.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- выделить и установить химическое строение индивидуальных соединений углеводородных и эфирных экстрактов коры, почек, листьев, отдельных частей побегов березы;
- изучить динамику изменений в составе соединений в разных частях биомассы в процессе вегетации;
- определить биологическую активность групп соединений;
- используя методы статической биохимии установить основные направления метаболизма (биосинтеза) соединений экстрактивных веществ в разных частях дерева вида Betula pendula. Roth, и выявить их специфичность;
Научная новизна. Выполнено систематическое исследование состава экстрактивных веществ частей кроны: корка, флоэма и древесина побегов, почки и листья, и отдельных частей коры березы повислой, извлекаемых петролейным и диэтиловым эфиром. Установлено строение 34 неизвестных ранее и впервые обнаруженных в березе природных соединений: производных кариофиллена, гумулена, тритерпеновых секо-кислот, производных ситостерина, дикарбоновых ненасыщенных кислот. Определены различия в ацильной составляющей сложных эфиров в различных частях кроны дерева. Выявлено наличие в виде В. pendula
хеморас, различающихся составом вторичных метаболитов - терпеноидов почек. Определены особенности биосинтеза терпеноидов в различных частях коры и кроны березы. В бересте синтезируются трзггерпеноиды лупанового и олеанового типов, сесквитерпены сесквипинанового и сесквикамфанового типов, в почках и листьях -сесквитерпены кариофилланового и гумуланового типов. В неблагоприятных условиях в почках синтезируются тритерпеноиды даммаранового, олеанового, лупанового и тараксастанового типов, которые представлены, в основном, секо-кислотами. Две основные кислоты даммаранового и тараксастанового типов в березах, произрастающих в нормальных условиях, представлены в следовых количествах. Показана вирулицидная активность углеводородного экстракта березовых почек по отношению к вирусам гриппа и респираторному вирусу, бактерицидная активность спиртового экстракта по отношению к патогенным' микроорганизмам. Установлены таксиметрические показатели экстрактов березовых почек. Синтезированы четвертичные аммониевые фосфаты полипренолов, установлены их таксиметрические показатели, противовирусная и
интерофероногенная активности.
Практическая значимость. Знание состава компонентов экстрактивных веществ элементов кроны и коры березы повислой позволило создать научную базу для экстракционных технологий на предприятиях ЦБК и предприятиях по производству фанеры. Способ отделения бересты и ее экстракции реализован на опытно-промышленной установке лесохимического предприятия. Разработан способ синтеза бетулоновой кислоты окислением бетулина пиридиндихроматным комплексом в диметилформамиде в присутствии уксусного ангидрида. Показана возможность разделения тритерпеновых и жирных кислот. Предложен способ получения экстрактов почек с использованием различных растворителей с получением концентратов сесквитерпеноидов и флавоноидов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на: III Всероссийском совещании "Лесохимия и органический синтез" (Сыктывкар, 1998 г.); Международной конференции по природным продуктам и физиологически активным субстанциям (Новосибирск, 1998); 6-ом Европейском симпозиуме по лигнину, целлюлозе и варочным процессам (Бордо, 2000); Всероссийской конференции "Химия и технология растительных веществ" (Сыктывкар, 2000); II Всероссийской конференции "Химия и технология растительных веществ" (Казань, 2002); 7-ом Европейском симпозиуме по лигнину, целлюлозе и варочным процессам (Турку, 2002), III Всероссийской конференции "Химия и технология растительных веществ" (Саратов, 2004); IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины» (Санкт-Петербург, 2004); IV Всероссийской научной конференции "Химия и технология растительных веществ" (Сыктывкар, 2006); V Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар-Уфа, 2008); Пленарном совещании и конференции «Леса как возобновляемый источник жизненных ценностей для изменяющегося мира (Санкт-Петербург-Москва, 2009); Международной конференции «Возобновляемые источники растений и древесины: химия, технология, медицина» (Санкт-Петербург, 2011); VII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2011).
Публикации. Результаты работы приведены в 29 публикациях, в том числе в 18 статьях, опубликованных в журналах рекомендованных ВАК РФ, двух патентах Российской федерации.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов исследований (4 главы), методической части, выводов и списка литературы. Работа изложена на 440 страницах, содержит 108 таблиц и 51 рисунок. В Приложении к диссертации приведены спектры неизвестных ранее природных соединений и соединений впервые выделенных из разных частей березы повислой. Список использованной литературы включает 352 ссылки.
В литературном обзоре приведены данные по анатомическому строению изучаемых частей кроны и коры березы, сведения о составе экстрактивных веществ корки, луба, древесины ствола, побегов, почек и листьев различных видов берез, направлениях использования природных соединений, выявленной их биологической активности.
В третьей главе представлены результаты изучения химического состава экстрактивных веществ, выделенных экстракцией петролейным (ПЭ) и диэтиловым эфиром (ДЭ) из разных частей кроны: почек, листьев, корки, флоэмы и древесины побегов. В третьей главе обсуждены результаты исследований экстрактивных веществ коры стволовой части березы повислой: отдельно луба и бересты. В четвертой главе приведены результаты изучения биологической активности групп веществ, выделенных из разных частей биомассы березы, и рассмотрены перспективы получения на основе природных соединений новых биологически активных продуктов; в пятой главе на основе полученных результатов по составу отдельных групп веществ и индивидуальных соединений предложены возможные направления переработки сырьевых источников биомассы березы - отходов
деревообрабатывающей и лесозаготовительной промышленности.
В экспериментальной части приведены методики анализа исходного сырья, химических, спектральных и хроматографических методов исследований экстрактивных веществ и установления строения выделенных соединений, методы синтеза и физико-химические характеристики выделенных соединений.
Положения, выносимые на защиту:
1. Схемы анализа, групповой и индивидуальный составы эфирных (петролейный и диэтиловый эфир) экстрактов частей кроны березы повислой (почки, листья, корка, флоэма, древесина побегов), коры ствола (береста, луб).
2. Строение 19 соединений, ранее не найденных в природных объектах и 15 соединений ранее не идентифицированных в березах.
3. Направления биотрансформации фарнезилпирофосфата и фенолов в различных частях биомассы березы.
4. Анализ специфичности почек березы в биосинтезе, накоплении и расходовании компонентов экстрактивных веществ.
5. Данные по биологическим свойствам отдельных групп веществ биомассы, а также синтезируемых соединений.
6. Предложения по направлениям использования экстрактов различных частей биомассы березы и их основных компонентов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Объект исследований - части кроны дерева березы повислой (древесная зелень): листья, почки, корка, луб ювенильной коры, древесина побегов; части коры ствола: луб и береста. Древесная зелень березы в настоящее время не используется. До начала наших работ были известны отрывочные сведения по составу экстрактивных
веществ (ЭВ) из различных частей кроны и коры дерева: листьев, почек, луба, бересты. Состав ЭВ побегов и их отдельных частей не исследовался. Состав ЭВ луба ствола изучался после предварительного щелочного гидролиза экстракта. Не изучались составы экстрактов, полученных отдельно экстракцией ПЭ или ДЭ. Не были отмечены различия в составе ЭВ и их изменения в почках березы одного вида. Из литературных данных было известно, что ЭВ из разных частей дерева, растворимые в углеводородных растворителях и диэтиловом эфире состоят из терпеноидов, ациклических соединений нормального строения, фенольных соединений. Первая группа представлена три-, сесквитерпеноидами, и полипренолами. Среди них идентифицированы представители различных классов: спиртов, углеводородов, альдегидов, кетонов, кислот и соединения с несколькими кислородсодержащими функциональными группами. Вторая группа представлена алифатическими углеводородами, спиртами, альдегидами, сложными эфирами, кислотами, соединениями с несколькими кислородсодержащими функциональными группами. Третья группа представлена агликонами флавоноидов, фенолокислотами.
Методологически работу по изучению ЭВ построили следующим образом. На первом этапе объекты характеризовали по содержанию структурных компонентов (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы) и ЭВ, растворимых в различных растворителях элюатропного ряда. На втором этапе определены групповые составы экстрактов, полученных последовательной экстракцией петролейным и диэтиловым эфиром. Для характеристики ЭВ растворимых в ПЭ и ДЭ, использовали общепринятую кислотно-щелочную схему. Выделенные вещества, растворимые в ПЭ и ДЭ разделили на «кислоты» и нейтральные вещества. В кислотах определили группы «сильных» и -«слабых кислот» (табл.2). Для характеристики нейтральных соединений их разделили на неомыляемые вещества и связанные кислоты (табл.2). «Слабые кислоты», состоящие в основном из высших жирных кислот (ВЖК), идентифицировали методом хромато-масс-спектрометрии (ГЖХ-МС). Состав соединений группы «сильных кислот» листьев, тритерпеновых кислот и нейтральных веществ (НВ) устанавливали после препаративной хроматографии на силикагеле с выделением индивидуальных соединений. Фракции, содержащие сложные эфиры омыляли раствором спиртовой щелочи, кислотную составляющую (ВЖК) идентифицировали методом ГЖХ-МС. Спирты разделяли методом колоночной хроматографии. Строение выделенных соединений, в некоторых случаях их производных, устанавливали методами ИК, ЯМР спектроскопии, в том числе двумерных техник, масс-спекгрометрии. Для идентификации известных соединений примеияли метод сравнения полученных масс-спектров и масс-спектров, приведенных в соответствующих банках данных, а также газохроматографических индексов удерживания (I).
Параллельно интересующие нас соединения или отдельные группы веществ отдавали на анализ в медицинские центры, где проводили медико-токсикологические и специфические исследования. Исходя из структурных особенностей соединений, определяли возможные направления их использования в качестве биологически активных продуктов. Изучали динамику накопления и расходования отдельных групп веществ. На последнем этапе исследований разрабатывали возможные варианты переработки ЭВ.
Для изучения химического состава ЭВ отобрали образцы почек, веток, листьев, бересты, луба березы повислой с 7-! О разных деревьев (средняя проба). Характеристика исходных образцов отдельных частей биомассы березы повислой приведена в таблице 1.
Побеги и луб коры содержат наименьшее количество ЭВ, извлекаемых неполярными растворителями, наибольшее - в почках. Почки содержат наибольшее количество ЭВ (этанол). Полярные растворители (этанол, горячая вода) извлекают примерно равные количества ЭВ из одной и той же части биомассы, за исключением почек и бересты. В бересте - высокое содержание веществ, извлекаемых этанолом, но значительно меньше веществ растворимых в горячей воде. Обработкой разных частей биомассы дерева 1%-ным водным раствором щелочи, перед определением целлюлозы и лигнина, определено высокое содержание веществ, извлекаемых этим реагентом - от 25% (луб) до 52% (листья). В лубе определено в два раза больше лигнина, чем в других частях дерева. Для изучения химического состава экстрактивные вещества извлекали из измельченных различных частей дерева сначала ПЭ, а затем ДЭ. Это позволило наиболее полно извлечь искомые вещества из элементов дерева и наметить возможные подходы к разработке технологий, основанных на использовании малополярных экстрагентов.
В ПЭ экстракте высокая доля нейтральных веществ НВ (выше 80%) (таблица 2) во всех частях биомассы, за исключением древесины побегов. НВ корки побегов и бересты практически полностью состоят из неомыляемых веществ. А в НВ из листьев группа неомыляемых веществ меньше, чем группа «связанных» кислот. В остальных частях биомассы березы доля неомыляемыхвеществ выше, чем «связанных» кислот и составляет 55-70%. Вещества, извлекаемые ДЭ, напротив, содержат больше кислот, чем НВ, за исключением бересты.
Состав нейтральных веществ экстрактов из разных частей биомассы березы, извлекаемых ПЭ. НВ разделяли на колонке с силикагелем 100-200 меш (Merck). В качестве элюента использовали ПЭ с добавкой ДЭ, ацетона, далее ацетон с добавкой этанола. Контроль за ходом хроматографического разделения осуществляли методом ТСХ. Идентификацию функциональных групп проводили методом ИК спектроскопии. Исследуемые части биомассы березы отличаются по составу классов и групп природных НВ (таблица 3). Одинаковые группы и классы природных соединений в разных частях биомассы дерева различаются по количественному содержанию, иногда значительно.
Углеводороды. Углеводороды из элементов березы состоят из алканов и терпенов. Состав алканов отличается. Во всех частях биомассы березы основными алканами являются генейкозан, трикозан, пентакозан и гегггакозан, но в древесине, флоэме побегов присутствуют в значительном количестве алканы с четным числом атомов углерода. В флоэме также значительно больше длшшоцепочечных алканов (С28-С34), а в древесине - короткоцепочечных (С12-С20). В древесине побегов также идентифицированы непредельные углеводороды - гептадецен и октадецен.
Терпены березы состоят из сеекви-, три-, тетра- и политерпенов. В корке побегов и лубе ствола идентифицированы сквален (23% от ненасыщенных углеводородов корки и 100% ненасыщенных углеводородов луба стзола). В листьях, корке и флоэме побегов присутствуют тетратерпены - каротины, входящие в состав фотосинтетического аппарата. В корке побегов и бересте в основном протекает процесс 1,6-циклизации фарнезилпирофосфата с образованием сесквитерпенов сесквипинанового и сесквикамфанового типов, а в почках и листьях 1,11-циклизация с образовшшем кариофиллена и гумулена, в то время как 1,6 -циклизация полностью исключена.
Таблица 1. Характеристика исходных образцов отдельных частей биомассы березы повислой
Группы соединений Содержание, % от массы сухого сырья
Почки Листья Побеги Береста Луб
Экстрактивные вещества, экстрагируемые: петролейным эЛипом ГП.Э1* 28.8 6.6 0.9 7.1 1.3
диэтиловым эфиром (ДЭ)* 41.1 8.0 1.8 19.6 3.0
этанолом* 52.0 29.2 12.4 29.1 15.8
горячей водой* 19.6 _29.!__ 12.4 0.9 19.3
Вещества, растворимые в 1%-ном растворе №ОН** 31.1 46.4 22.3 34.5 25.5
Суберин** 33.1 1.4
Целлюлоза*** 7.3 9.4 28.6 7.3 23.4
Пентозаны** 3.0 6.5 20.4 3.1 21.8
Лигнин*** 9.4 9.0 7.8 7.1 18.1
Минеральные вещества 2.0 2.7 1.6 0.3 1.5
Общий азот 1.4 3.2 0.9 0.5 0.4
* Группа определялась в исходном сырье ** Группа определялась после экстракции этанолом
*** Компонент определялся после экстракции этанолом и 1% водным раствором щелочи
Группы веществ Части биомассы кроны Кора
Почки Листья Побеги Берес- Луб
Древе- Флоэма Кор-. та
сина ка
Вещества, растворимые 28.8 6.6 0.7 0.9 3.6 7.1 1.3
в ПЭ, % к массе сухого
сырья
Нейтральные вещества 80 91 55 85 83 93 88
(IIB), из них: Неомыляемые вещества 85 41 68 69 98 98 45
«связанные» кислоты 11 45 30 28 2 2 44
«Сильные кислоты» - 1 2 1 1 - <1
«Слабые кислоты» 20 8 42 14 15 2 11
Сумма «кислот» 20 9 44 5 16 2 12
Вещества, растворимые 12.3 1.5 0.6 0.5 2.0 22.8 1.7
в ДЭ, % к массе сухого
сырья
Нейтральные вещества 36 26 48 30 20 83 27
«Сильные кислоты» 5 15 18 20 5 3 17
«Слабые кислоты» 59 59 33 44 70 14 56
Сумма «кислот» 65 74 51 64 75 17 73
Ацетаты сесквитерпеноидов. Ацетаты идентифицированы в почках, листьях, корке побегов и лубе ствола. 14-Ацетокси p-кариофиллен ((1R, 98)-14-ацетокси-4,11,11-триметил-8-метиленбицикло [7,2,0] ундец-4-ен), 6-ацетоксикариофиллен ((Ш,6Я,95)-б-ацетокси-4,] 1,11-триметил-8-метиленбицикло [7,2,0] ундец-4-ен), 6-ацетокси а-гумулен ((6К)-ацетокси-( 1Е,4Е,8Е)-4,8,11,11-тстраметилциклоундека-1,4,8-триен) (1=1789) являются главными представителями данной фракции, впервые обнаружены в березе, а последний компонент и соответствующий спирт (1=1657, [а]п +69.8), также выделенный из почек и листьев, являются соединениями впервые выделенными из природных источников.
Оксираны сесквитерпеноидов. В бересте сесквикамфен - а-сантален и сесквипинен - а-транс-бергамотен подвергаются эпоксидированию с образованием оксиранов в алифатической части молекулы. Кариофиллен в почках, листьях эпоксидируется с образованием оксида Р-кариофиллена. Основными сесквитерпенами корки побегов и ствола являются а-саотален, a-транс- и Р-транс-бергамотены (31, 11 и 4% здесь и далее от ненасыщенных углеводородов корки побегов), основными сесквитерпенами почек и листьев являются Р-кариофиллен и а-гумулен (80 и 20% в почках, 42 и 19% в листьях). Сесквитерпены отсутствуют в древесине и флоэме веток и лубе ствола.
Сложные эфиры. Различия в составе компонентов этой фракции наблюдаются, прежде всего, в спиртовых составляющих. Состав фракции исследовали после омыления. В продуктах гидролиза преобладают докозановая кислота и докозанол-1. Аналогичная фракция листьев на 40% состоит из подобных алифатических соединений, являющихся, по-видимому, компонентами эпикутикулярных восков. В спиртовой составляющей сложных эфиров флоэмы побегов идентифицирован докозанол и тетракозанол. В древесине побегов также присутствуют сложные эфиры алифатических спиртов. Среди кислотной составляющей преобладали пальмитиновая и олеиновая кислоты. Спиртовая составляющая представлена метиловым, этиловым, пропиловым, 2-метилпропиловым и амиловым спиртами. Листья, древесина побегов, флоэма побегов, луб ствола имеют в своем составе сложные эфиры, состоящие из остатков жирных кислот и остатков спиртов: стеринов, тритерпеноидов и бетулапренолов. В состав спиртовой составляющей сложных эфиров листьев входят: бетулапренолы (основная группа), фитол, 24-метиленциклоартанол, (3-ситостерин, цитрастадиенол; сложных эфиров флоэмы побегов - Р-ситостерин, бетулапренолы, фитол, стигмастанои, лупеол, преобладает (5-ситостерин; а луба ствола - бетулапренолы, лупеол, 24- метиленциклоартанол, стигмастанол, основной компонент - p-ситостерин. Кроме этого, из сложных эфиров бересты был выделен известный формиат лупеола и впервые в семействе березовых идентифицирован пальмитаг лупеола.
Карбонильные соединения. В составе листьев и корки побегов впервые в семействе березовых идентифицировали алифатические альдегиды: докозональ, тетракозаналь, гексакозаналь и октакозаналь, которые также относят к компонентам эпикутикулярных восков. Из экстрактов почек, листьев и корки побегов
выделен нор-сесквитерпеноид - (18,48^)-4,8,8-триметил-2-метилен-бицикло[5.2.0]-нонан-4-аль (биркеналь), а из бересты и корки тритерпеновый кетон - лупенон и бетулоновьтй альдегид.
Таблица 3. Состав гр п ухш и классов НВ
Группы веществ Содержание, % от нейтральных веществ
Почки Листья Побеги Луб Береста
Древесина Флоэма Корка
Углеводороды: насыщенные ненасыщенные 1.5 0.5 11.7 0.2 2.3 0.1 9.0 1.5 1.4 14.3 1.5 1.9 Следы 2.1
Сложные эфиры: Сложные эфиры ВЖК и стеролов или терпеноидов ВЖК и глицерина (триацилглицериды) Диацилглицериды Моноацилглицериды Ацетаты сесквитерпеноидов Диацетаты сесквитерпеновых диолов Сложные эфиры кумаровой кислоты и сесквитерпеновых спиртов 12.0 1.5 25.3 Следы 2.3 4.3 2.3 29.9 20.4 6.0 1.7 2.2 33.0 1.8 6.2 11.9 16.1 7.8 22.4 6.2 0.3 0.4 17.0 47.0 9.6 3.6 0.7
Карбонильные соединения 4.0 1.6 1.0 2.3 14.2 - 3.7
Оксираны сесквитерпенов 5.9 0.7 - - 0.1 - 0.4
Алифатические спирты - 4.2 - - 0.8 - -
Сесквитерпеновые спирты 14.1 3.5 - 0.4 - 1.0
Фитол, стершш, тритерпеновые соединения 1.9 1.7 19.5 23.1 21.1 7.9 12.2
Оксираны сесквитерпеновых спиртов 1.6 0.3 - - 0.2 - -
Кето- и альдегидоспирты ~ ' 2.6 1.1 4.4 1.5
Флавоноиды 9.6 5.2 - - 0.1 - -
Диолы 12.8 3.0 16.7 6.5 40.0 9.4 78.4
Триол 1.0 Следы - Следы 2.6 -
В древесине и флоэме побегов содержится 6,10,14-триметилпентадеканон -2.
Триацилглицериды, диацилглицериды, моноацилглицериды. Производные глицерина и жирных кислот: триацилглицериды, диацилглицериды, моноацилглицериды присутсвовали в листьях, лубе веток и ствола, древесине веток. В почках были идентифицированы только триацилглицериды. Присутствие с преобладанием линоленовой кислоты в жирнокислотной составляющей глицеридов листьев отличает эту фракцию от фракций других рассматриваемых частей кроны и луба. Фракции глицеридов отсутствовали в корке и бересте.
Ацетаты сссквитерпеновых диолов. Данная фракция содержала: 5р,6а-диацетокси кариофилла - 3,8(15)-диен (1) (М925)-35%, 5р,6а-диацетокси
кариофилла - 4(14),8(15)-диен (2) (1=1965) -60%. Диацетаты и диол, соответствующий (2) (1=1802, [а]п20+27.8°), также выделенный из почек и листьев, впервые выделены и охарактеризованы. Если в почках присутствуют в основном кариофиллен- диолы, то в листьях в значительном количестве
синтезируются их диацетаты.
■Зсосн,
Алифатические спирты. Алифатические спирты: докозанол, тетракозанол, гексакозанол, октакозанол обнаружены в листьях, а в корке веток - докозанол и тетракозанол. Спирт с 22 атомами углерода преобладает и в листьях, и в корке. Таким образом, в листьях березы присутствуют все компоненты эпикутикулярных восков: алканы, сложные эфиры высших жирных кислот и алифатических спиртов, альдегиды и спирты.
Стерины, фитол, токоферол, тритерпеновые соединения. Хроматография фракции позволила выделить индивидуальные соединения. Токоферол и фитол присутствуют только в частях биомассы с фотосинтетической функцией. В покровный комплекс побегов входит хлорофиллоносная колленхима. Среди стеринов только Р-ситостерин идентифицирован во всех частях биомассы березы. Стигмастанол и цитростадиенол в некоторых элементах отсутствовали (таблица 4). Тритерпеноид - лупеол биосинтезируется в коре стволовой части дерева и в побегах, ранее его выделяли из стволовой части дерева и сульфатного мыла от варки березы.
Сесквитерпеновые спирты. Почки, листья, корка побегов и береста содержат сесквитерпеновые спирты (таблица 5). Основным спиртом в почках и листьях s сн2он является 6-гидрокси-р-кариофиллен. Кроме соединений
кариофилланового и гумуланового типов фракция содержала неизвестное ранее бициклическое соединение, один из циклов которого имеет не 9, как в кариофиллене, а 8 углеродных атомов Предлагаем дать соединению (3) название - Т-бетуленол (5-гидрокси-(6РН)- (5->6)-абео- кариофилла-4(14), 8(15)-диен, (3) 1=1666). В ЯМР |3С-спектре соединения (3) наблюдается сигнал
углерода первичной спиртовой группы при 65.71 м.д.,
сигналы соответствующих водородов в ЯМР 'Н- спектре проявляются в виде двух дублетов дублетов при 3.52 и 3.48 м.д. интенсивностью 1Н каждый. Характер расщепления протонов указывает, что в молекуле имеется фрагмент -СН-СН2ОН. Для определения последовательностей атомов.углерода были сняты двумерные
спектры с (3) использованием программ HXCORR и 'Н-'Н (3) COSY.
Были выявлены фрагменты -СН-СН-СН2-СН2-, -СН(СН2ОН)-СН2-. Для установления пространственной структуры соединения был снят спектр NOESY.
Предшественником Т-бетуленола может быть оксид Р-кариофиллена, в котором может произойти раскрытие эпоксидного кольца с последующим разрывом 4-5 углерод-углеродной связи и образованием 4-6 углеродной связи.
Таблица 4. Состав фракции тритерпеновых спиртов и стеринов, % от массы фракции_
Соединение Почки Листья Побеги Луб Береста
Древесина Флоэма Корка
Цитростадиенол - 1 - - - 12 -
Лупеол - - 10 28 78 41 82
Р-Амирин - - - - 2 - 4
Р-Ситостерин 100 31 68 64 8 43 11
Стигмастанол - - 21 7 - 2 следы
а-Токоферол - 3 - - 9 - -
Фитол - 64 - - 3 - -
Соединение Почки Листья Корка побегов Береста
14-Гидрокси-р-кариофиллен 7 11 29 10
6-Гидроксикариофиллен 60 59 70 90
6-Гидрокси-а-гумулен 11 6 - ' _
а-Бетуленол 4 - - _
Т-Бетуленол (3) 6 8 - -
выделенных из растений соединений, обнаружена только в почках и листьях. Из продуктов щелочного гидролиза фракции были выделены кумаровая кислота и сесквитерпеновые спирты (таблица 6). Кумаровая кислота является биогенетическим предшествешшком многих классов фенольных природных соединений и обнаружена в почках и листьях в свободном виде.
Соединение Почки Листья
Кумарат 6-гидроксикариофиллена (1=3082) 17 42
Кумарат14-гидрокси-р-кариофиллена (1=3137) 23 11
Кумарат 14-гидрокси-а-гумулена (1=3153) 21 6
Кумарат Т-бетуленола (1=3122) 34 35
Неидентифицированные кумараты 5 6
Оксираны сесквшерпеиовых соединений. Из почек и листьев выделены кроме оксида р- кариофиллеяа оксираны функциональных производных кариофиллена и гумулена: (4К,58)-эпокси-14-ацетокси-Р-кариофилл-8(15)-ен, (48,5К)-эпокси-14-ацетокси-Р-кариофилл-8(15)-ен, (411,58)-зпокси-14-гидрокси-Р-кариофилл-8(15)-ен, (48,55)-эпокси-14-гид{:окси-Р-кариофилл-8(15)-ен, (48,5.?)-эгюкси-(6Я)-гидрокси-
кариофилл-8(15)-ен, (1Е,9Е,48,58)-эпокси-(611)-гидрокси-4,8,11,11-тетраметил-
циклоундекадиен. В составе корки побегов идентифицированы оксираны 14-гидрокси-р-кариофилл-8( 15)-ена. Эпокси-14-ацетокси-Р-кариофилл-8( 15)-ены
содержатся и в лубе ствола. Ранее из листьев березы выделяли только оксираны 14-гидрокси-р-кариофиллена.
Кетоспирты и альдегидоспирты. Из луба веток и луба ствола впервые из березы выделили производное р-ситостерина - Зр-гидроксистигмаст-5-ен-7-он. Тритерпеновые пентациклические соединения идентифицировали только в корке побегов (таблица 7). Идентифицированные тритерпеноиды относятся к лупановому и олеановому типам. Образование карбонильной группы при 3 углеродном атоме должно происходить в результате окисления спиртовой группы, так как циклизация оксида сквалена при биосинтезе тритерпеновых соединений приводит к образованию гидроксилыюй группы.
Таблица 7. Состав кето- и альдегидоспиртов побегов и коры ствола, % от фракции
Соединение Древесина побегов Флоэма побегов и луб ствола Корка побегов Береста
28-Гидроксиолеан-З-он (1=3561) - - 55 -
28-Гидроксилупан-З-он (бетулон) -- - 38 10
20-Гидроксилупан-З-он - - 5 -
Бетулиновый альдегид - - 1 90
3 р-Гидроксистигмаст-5-ен-7-он 100 100 - -
Флавоноиды. Эта обширная группа соединений, содержащаяся прежде всего в почках и листьях, представлена в эфирных экстрактах агликопами различных типов флавоноидов: флаванонов, флавонов, флавонолов, флаванонов с различным количеством гидроксильных и метоксильных групп (таблица 8). Наличие значительного количества метоксильных групп позволяет некоторым флавоноидам растворяться не только в диэтиловом, но и в петролейном эфире. Наибольшее содержание среди флавоноидов в петролейном экстракте имеет 5-гидрокси-4',7-диметоксифлаванон (7,4'-диметиловый эфир нарингенина).
Диолы. Почки, листья, корка веток содержат дальнейшие продукты биогидроксилирования кариофиллена - кариофиллендиолы (таблица 9). О том, что это продукты ферментативных превращений, а не автоокисления свидетельствует тот факт, что ранее были идентифицированы ацетаты соответствующих диолов в листьях. Сообщений о выделении кариофиллендиолов из природных источников не обнаружено. Кариофиллендиолы могли образоваться из оксирана 6-гидроксикариофиллена, после раскрытия эпоксидного кольца. Кроме производных кариофиллена с двумя гидроксильными группами из фракции почек впервые из природных источников выделено производное гумулена - 6а,9 р-дигидроксигумулен (4).
Таблица 8.Состав флавоноидов ПЭ в частях биомассы березы, % от массы фракции
Флавоноид
Флаваноны: 5-гидрокси-4' ,7-диметоксифлаванон 5,4'-дигидрокси-7-метоксифлаванои 5,7-дигидрокси-4'-метоксифлаванон
Флавоны: 5-гидроксй-7,4'-диметоксифлавон 5,7-дигидрокси-4'-метоксифлавон
Флавонолы:3,5-дигидрокси-4',7-диметоксифлавои
5,7-дигидрокси-3,4' -диметоксифлавои
Почки
60
10
Листья
13
19
27
38
Древесина побегов
100
Корка побегов
100
В спектре ЯМР Н (4) (1=1822) кроме сигналов, характерных для производных гумулена наблюдаются сигналы протонов экзометиленовой группы: 5.15 и 4.96 м.д. и сигналы протонов у атомов углерода вторичных спиртовых групп в области 3.8 и 4.4 м.д. Отнесение сигналов было сделано на основании анализа данных спектров двумерной спектроскопии (эксперименты COSY, COLOC). Взаиморасположение атомов водорода молекулы (1Е,611,98)-4,11,11-триметил-8-метилен-6,9-дигидрокси-циклоундека-1,4-диена устанавливалось на основании NOESY - эксперимента.
Соединение Почки Лист ья Древесина Флоэма Корка Береста Луб
Лупан-Зр, 20-диол - - 5 58 10 11 52
Олеанол - - - - 7 следы -
Бетулин 18 - 90 19 75 88 42
5р,6а- Дигидроксикариофилла-3, 8(15)-диен 32 32 Следы
5р,6а- Дигидроксикариофилла-4(14), 8(15)-диен 42 68
6а,9Р-Дигидроксигумулен (4) 8 - * - - - ~
7а-Гидрокснситостерол - . - 3 14 - - Следы
7р-Гидроксиситостерол - - 1 8 - - Следы
Рододендрон - - - - Следы - Следы
(11)-п-(3-Гидроксибутил)-фенол (рододендрол) 8 8 1 5
Бетулин не содержится только в листьях березы. Кроме тритерпенового спирта -бетулина, в ветках содержится лупан-Зр, 20-диол и тритерпеноид другого типа -олеанол. Впервые выделены из березы 7а- и 7Р-гидроксиситостеролы.
(11)-п-(3-гидроксибутил)-фенол (рододендрол) является обычным компонентом для коры березы. Предполагается, что рододендрол появляется в коре растения в результате реакции на стресс-засуху.
Триол. В спектрах ЯМР'н и l3C (DEPT) соединения с тремя гидроксильными группами наблюдались сигналы протонов у атомов углерода вторичных спиртовых групп и углерода с третичным гидроксилом. Молекулярная масса - 254, отсутствие сигналов углерода в спектре ЯМР С в области слабого поля, в которой проявляются сигналы углеродов двойных. связей, предполагает наличие в молекуле сесквитерпенового триола 3-х циклов. Для определения структуры были определены последовательности взаимодействующих протонов с использованием эксперимента COSY двумерной спектроскопии. Отнесение сигналов углеродов и протонов было сделано с использованием эксперимента 'Н- l3C-HETCOR, а пространственная структура установлена с использованием экспериментов NOES Y и COLOC. и Рн „„ Идентифицированное соединение — 5р,6а,8р-тригидроксикариолан (5)
I .QH лл
(ТШ=177-178°С; 1=1990; [a]D20 - 53°). Это соединение в количестве \7 0.07% от массы сух. почек определено также и в водном экстракте при I экстракции горячей водой. Соединение может образоваться в
\—он результате внутримолекулярной атаки карбкатиона, образующегося из
'Í_i.. J5 оксирана 6-гидроксикариофиллена, экзометиленовой группы с
Ё12 (5) последующим гидроксилированием.
Состав «кислот» петролсйного экстракта. В составе «сильных кислот» ПЭ из различных частей биомассы берез идентифицированы производные бензойной кислоты, дикарбоновые и короткоцепочечные жирные кислоты. В составе «сильных кислот» из экстракта почек идентифицированы в следовых количествах только п-гидроксибензойная и кумаровая кислоты (таблица 10).
Наибольшее количество и разнообразие кислот наблюдается в листьях. Среди компонентов кислот из экстрактов корки ветвей и бересты идентифицирован рододендрол. Кроме указанных соединений в корке ветвей идентифицированы двухосновные кислоты С,6 (16.1); С17(16.9); С18(4.3); С„ (2.7); С20(11.1); С2, (3.0); С22(12.9%).
В листьях березы впервые идентифицированы жасминовая и (32)-додецен-1,12-диовая кислоты. Жасминовая кислота - известный фитогормон, который биосинтезируется из линоленовой кислоты, но в березе определен впервые. Высшие жирные и тритерпеновые кислоты относятся к «слабым кислотам». Состав жирных кислот различается (таблица 11). Линоленовая кислота присутствует в почках, в листьях определена в большом количестве. В других частях биомассы березы отсутствует.
Тритерпеновые пентациклические кислоты - компоненты корки побегов и бересты ствола. Кислоты олеананового типа преобладают в корке побегов, а в бересте больше кислот лупанового типа. Атрариковая кислота (метиловый эфир 2,4-дигидрокси-3,6-диметилбензойной кислоты) выделена из наружной части коры и побегов. Структура соединения позволила предположить поликетидный путь биосинтеза, характерный для лишайников. Предположили, что заселяющие побеги и ствол лишайники могут внести свой вклад в состав экстрактивных веществ березы. В наибольшем количестве на березах Ленинградской области произрастет лишайник вида Hypogymnia physodes. Обнаруженное в березе соединение оказалось одним из основных компонентов экстракта (ДЭ) этого лишайника.
Таблица 10. Состав «сильных кислот» ПЭ экстракта, % от массы фракции
Кислота Листья Ветки Луб Береста
Древесина Флоэма Корка
Бензойная 0.6 - - - -
Октановая 0.1 - - - 10.1 -
Фенилуксусная 2.2 - - - - -
Салициловая 0.7 - - - - -
Нонановая 0.2 - - - 15.2 8.8
(32)-Октен-1,8-диовая 0.1 - - - - -
Декановая - - 14.2 - 7.6 7.4
4-Метоксибензойная 31.9 5.1 7.8 0.4 - -
З-Гидроксибензойная 1.0 - - - - -
Октан-1,8-диовая <1 - - 1.1 17.7 -
4-Метил-м-анисовая 0.4 - - - - -
4-Гидроксибензойная 10.7 1.0 1.9 0.1 - -
9-Гидроксинонановая - - - 1.9 - -
Ванилиновая 6.7 - - 1.2 - 21.8
Додекановая - 5.1 28.7 - 2.5 -
Нонан-1,9-диовая 1.3 89.9 50.2 0.8 32.9 51.6
Рододендрол - - - 1.0 - 3.1
(32)-Деден-1,10-диовая 1.1 - - - - -
Декан-1,10-диовая 1.6 - - 0.9 7.6 -
Жасминовая 0.7 - - - - -
цис-п-Кумаровая 2.0 - - 1.1 - -
транс-п-Кумаровая 32.4 - - 23.8 - -
Феруловая 4.1 - - 1.2 - -
(32)-Додецен-1,12-диовая 0.7 - - - - -
Тритерпеповые кислоты почек. Наличие секокислот в экстрактах из почек оказалось неожиданным. В литературе не найдено сообщений об их выделении из почек. Кислоты: 3,4-секо-даммара-4(28), 20(21),24-триен-3-овая (6) и 3,4-секо-тараксаста-4(23),20(30)-диен-3-овая (7), как показали исследования экстрактов из почек берез вида Betula pendula Roth, разных мест произрастания, иногда являются одними из основных компонентов углеводородных и эфирных экстрактов.
Пространственное строение метилового эфира 3,4-секо-4(23),20(30)-тараксастадиен-3-овой (тараксастеновой) кислоты (7) (1=3207, [a]D +68.1°) устанавлено методом рентгеноструктурного анализа.
В ЛМР'Н спектре метилового эфира 3,4-секо-даммара-4(28), 20(21),24-триен-3-овой (даммареновой) кислоты (6) (1=3206; [а]в20+ 101°) наблюдаются сигналы 6 метальных групп, характерный сигнал от протона при ненасыщенном атоме углерода С-24 боковой цепи, связанным с СН2 - группой (дд 5.13 м.д), и соответствующие сигналы метальных групп 1.60; 1.68 м.д. изопропилиденовой группы боковой цепи тетрациклических тритерпеноидов. Сигналы протонов (синглеты при 4.73 м.д., 4.70 м.д. на 1 Н каждый) и сигналы протонов при 4.84 м.д. и 4.64 м.д. на 1Н каждый относятся к двум экзометиленовым группам. Углерод сложноэфирной группы проявляется в ЯМРПС спектре в виде синглета с центром 174.54 м.д., а сигнал метила сложного эфира - при 51.55 м. д. Наличие в соединении сигналов 3 метальных групп (синглеты на ЗН с центрами 0.84; 0.87; 1.00 м.д.), 3 метальных групп у атома углерода двойной связи (ЗН, синглеты, 1.60, 1.68 и 1.72 м.д.); двух экзометиленов и карбоксильной группы предполагает трансформацию скелета тритерпеноида, например из-за разрыва кольца А, окислением Сз с образованием карбоксильной группы и превращением одной из метальных групп при С4 в экзометиленовую группу. Вторая экзометиленовая группа находится в боковой цепи молекулы секо-кислоты (С20-С21). Отсутствие в спектре ЯМР1ЭС сигналов атомов углерода
двойной связи в циклической части молекулы и молекулярная масса соединения позволяют предположить, что выделенная кислота имеет структуру даммарана. Предполагаемое строение кислоты подтвердили методами двумерной спектроскопии. Даммарановый тип тритерпеноидов характерен для рода Betula. Однако, данных о выделении секо-кислоты с экзометиленовой группой в боковой цепи в литературе не найдено. Вероятно, соединение 3,4-секо-даммара-4(28),20(21),24-триен-З-овая
кислота, впервые выделена из природного источника. Соединению предлагаем
дать тривиальное название - даммареновая кислота (6). Также не найдено данных о выделении 3,4-секо-тараксаста-4(24),20(30)-диен-3-овой кислоты. Предлагаем выделенному соединению дать тривиальное название - тараксастеновая кислота (7). Вероятнее всего тритерпеновые секо-кислоты образуются из тритерпеноидов с гидроксилом при 3 атоме углерода. Тритерпеноиды с гидроксильной группой являются первоначальными продуктами биопревращений сквалена. Для образования 3,4-секо-тараксаста-4(24),20(30)-диен-.3-овой кислоты интермедиат олеананового типа перегруппировывается в тараксастановый. Далее гидроксильная группа превращается последовательно в карбоксильную с раскрытием кольца А.
Более разнообразный набор карбонильных тритерпеновых соединений и секо-кислот наблюдали в почках берез данного вида, произрастающих в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.
Таблица 11. «Слабые кислоты»,% фракций экстракта, выделенного ПЭ (п) и ДЭ(д).
Соединение Почки Листья Побеги Луб Береста
Древесина Флоэма Корка
Экстракты П д П д п д п д п д п д п д
Рододендрон - - - - - - 25 1
Рододендрол - - - 35 2 1
Атрариковая - - - - 2.5 - - 0.1 -
Миристиновая - - 1 1 - 3 0.4 - 1.0 - <0.1 <0.1
Пентадекановая кислота - - 0.6 - 2 0.4 - 0.8 - <0.1 -
7,10 -Гексадекадиеновая - 0.1 - - - - - -
7,10,13- Гексадекатоиеновая - 1.7 - - - - - -
11-Гексадеценовая - 0.8 - - - ■ - 0.4 - -
7-Гексадецсновая - 0.9 - - - 0.5 - 0.5 - -
9-Гексадеценовая - 1.4 - - - 0.1 - 0.5 - -
Пальмитиновая 3 - 21 27 50 49 66 32 8 1 40 33 1 1
Линолевая 5 - 9 7 0.6 б <0.1 - 5 2 3 4 0.3 1
Линоленовая 6 45 21 - - - - -
Олеиновая - - 1 10 0.7 - 5 1 8 6 0.1 1
11 -Октадеценовая (С 18) - - 1.1 - 0.1 - 0.2 - 1.6 - 0.1
Стеариновая 1 - 2 3 15 - 12 5 3 - 9 6 0.1 1
Гексадекандиовая - - 17 - - - - -
Нонадекановая - - 1.4 - 1.5 - <0.1 - 2.5 - 0.4
Арахисовая 6 3 5 9 8 7 1 2 - 9 4 0.1
Генейкозановая - - 2 0.2 - 0.8 - 4 - 0.1
Бегеновая 14 - 4 4 7 6 2 7 9 6 0.6
Трикозановая - - 1 1 0.2 - 12 2 0.1 -
Лигноцериновая 11 - 2 1 1 - 1.5 - 0.3 - 0.1 -
Церотиновая 11 - 1 1 - - 1 - 0.3 - <0.1 -
Монтановая ■ 14 0.5 1 - - 1 - - -
3,4-секо-Даммара-4(28), 20(21 ),24-триен-3-овая (6) 25 0.5 -
3,4-секо-Тараксаста-4(23), 20(30)-диен-3-овая (7) 6 - 0.9 - -
З-Ацетоксиолеаиоловая кислота - 0.2 - 0.3 8 4 3 1 31 1
З-Ацетоксибетулиновая кислота - - - - 6 0.3 0.3 3 1
Олеаноновая - - - - 0.4 - - 2
Бетулоновая - - - - 0.2 - И
Олсаноловая - - - 44 - 3
Бетулиновая - - - - 11 - - 18
Березы имели как «классический» состав соединений: сесквитерпеноиды, флавоноиды, так и «необычный» - тритсрпеновые соединения. Различия иллюстрируют рисунки, на которых представлены хроматограммы экстрактов, полученных настаиванием почек в ацетоне. Экстракты метилировали диазометаном и анализировали методом ГЖХ-МС. Данный метод позволяет зафиксировать присутствие в экстракте большей части соединений почек, растворимых в петролейном эфире: сесквитерпеновые соединения (времена удерживания 3-11 мин), алканы (15 и 18 мин), жирные (линолевая и линоленовая кислоты 12-13 мин ), тритерпеновые кислоты (28.5-38 мин ) в виде метиловых эфиров, метоксилированные флавоноиды (22 и 26 мин), тритерпеноиды (27-33 мин ). Различия в составе могут происходить из-за видовых различий, места произрастания, возраста деревьев, сроков отбора проб, наличия болезней. Место произрастания и видовые различия исключаются, так как почки отбирались от рядом растущих деревьев с установленной видовой принадлежностью. Срок отбора проб в течение сезона не влиял на изменения в составе соединений. Хроматограмма экстрактивных веществ почек собранных с октября по май с 5 берез не изменялась.
JUa,
£JL
jECJÄI-
Хроматограмма экстрактивных веществ почек с «классическим» составом
Хроматограмма экстрактивных веществ почек с «необычным» составом
Хроматограмма экстрактивных веществ, имеющих «смешанный» состав
Состав соединений почек этих берез не изменился и при наблюдении за ними в течение трех лет (отбор почек в апреле месяце). В Ленинградской обл. (пос. Песочное) и в Санкт-Петербурге (парк СПбГЛТУ) были выявлены березы по морфологическим признакам относящимся к В. pendula, но листья которых по площади в 1.5 раза меньше, чем у других изученных берез. Состав экстрактивных веществ почек таких берез отличался наличием секо- отличался наличием секо-
кислот. При наблюдении за составом экстрактивных веществ почек в течение трех лет определено, что содержание секвитерпе-ноидов снижалось, а секо-кислог увеличивалось (хроматограмма «смешанного))
состава, пики с временами удерживания 29.19 и 29.28 мин). В конце наблюдений секо-кислоты - основные компоненты экстракта из почек этих хеморас берез. Таким образом, выявлено, что в некоторых случаях, возможно при болезнях деревьев, происходит изменение состава экстрактивных веществ почек.
Состав экстрактивных веществ почек берез с «необычным» составом.
Таблица 12. Состав петролейного экстракта почек «необычного» состава
Соединение Содержание, % от массы экстракта Индекс удерживания (I) метиловых эфиров
Алканы (трикозан С23-11%, пентакозан С25-72%, гептакозан С27-17%) 3 2300, 2500, 2700
Даммарадиенон 4 3438
Линолевая кислота Линоленовая кислот 0.5 0.5 2107 2113
Даммареновая кислота (6) 54 3206
Тараксастеновая кислота (7) 12 3207
З-Оксо-олеан-18-ен - 28-овая (мороновая) кислота 2 3553
19-Оксо-3,4-секо-олеан-13р,18а-4(24)-ен- 3-овая кислота (8) 3 3464
Диптеракарпол 1 3550
28-Ацетокси-3,4-секо-олеан-4(24), 13(18)-диен-3-овая кислота (9) 2 3556
(208)-Гидрокси -3,4-секо-даммара-4(28),24-диен-3-овая (даммареноликовая) кислота 3 3436
(1911)-Гидрокси-3,4-секо-тараксаста-4(24)-ен-3-овая кислота (10) 4 3516
Неидентифицированные соединения 10
Петролейный экстракт почек (23% от массы а.с.почек) метилировали диазометаном и разделили на колонке с силикагелем (таблица 12). Выделенные тритерпеноиды почек относятся к кетонам и секо-кислотам даммаранового, лупанового, олеананового и тараксастанового типов и продуктам их гидроксилирования и ацетшшрования.
Состав экстрактивных веществ, извлекаемых ДЭ из различных частей кроны и коры
Экстрактивные вещества, извлеченные из проэкстрагированного ПЭ сырья, разделили на нейтральные вещества (НВ), «слабые» и «сильные кислоты» (таблица 2). НВ фракционировали на колонке с силикагелем на ряд фракций. Результаты разделения приведены в таблице 13.
В ДЭ листьев присутствовали каротиноиды
В составе сложных эфиров фракции 2 луба и древесины веток идентифицирован метиловый эфир ацетата бетулиновой кислоты. Кислота, входящая в состав корки, выполняющей защитную функцию, во внутренних слоях веток находится в виде производного с замещенной гидроксильной и карбоксильной группами.
ДЭ древесины содержит гомологический ряд первичных алифатических спиртов с одной двойной связью и 20,21, 22,23 и 24 атомами углерода в цепи молекул.
Тритерпеновые спирты и стерины отсутствуют в экстрактах из листьев и почек, полученных после экстракции ПЭ. Основной компонент бересты, корки и луба веток - лупеол (таблица 14). Состав сесквитерпеновых спиртов (фракция 6) близок составу фракции ПЭ.
Состав спиртовой составляющей кумаратов сесквитерпеновых спиртов (фракция 7) аналогичен составу кумаратов, извлеченных петролейным эфиром. Производное ситостерина - зр-гидроксистигмаст-5-ен-7-он содержится только в древесине и флоэме побегов и лубе коры (таблица 15). В корке ветвей
идентифицированы 3-оксо-производные лупана и олеана.
В состав сесквитерпеновых оксиранов и кариофиллендиолов почек входят: (48,58)-эпокси-(6К)-гидрокси-(3-кариофилл-8(15)-ен (8% от фракции ДЭ экстракта), (4Я,5 8)-эпокси-14-гидрокси-(3-кариофилл-8( 15)-ен (5%), (48,58)-эпокси-14-гидрокси-Р-кариофилл-8(15)-ен (3%), 5р,6а-дигидроксикариофилла -3, 8(15)-диен (33%), в листьях - 34% от фракции, 5р,6а- дигидроксикариофилла-4(14), 8(15)-диен (43%), в листьях -56% от фракции. В других частях кроны и коры сесквитерпеноиды отсутствуют. Ранее из растений выделяли только оксираны 14-
гидроксикариофиллена.
Тритерпеновый диол - бетулин содержится не только в корке, но и во флоэме и в
древесине побегов (таблица 16).
Производные р-ситостерина, 7а- и 7р-гидроксиситостеролы (38 и -5") в соотношении 3:1, выделены из фракции 12 экстракта древесины веток и луба коры. В составе соединений фракции 12 из НВ почек идентифицирован рододендрол Состав мокоацилглицеридов (фракция 13) листьев, луба и древесины веток был аналогичен составу моноацилглицеридов, извлеченных ПЭ. Большая часть хлорофилла из листьев березы извлекается
ДЭ - растворителем, более полярным, чем петролейный эфир.
23 Таблица 13. Результаты разделения нейтральных веществ. % от массы НВ
Фракция Класс и группы соединений Почки Листья Побеги Береста Луб
Древесина Фло эма Корка
1 Карошноиды - 1 - - - - -
2 Сложные эфиры - - 8 33 - - -
3 Алифатические спирты - - 14 - - - -
4 Тритерпеновые спирты, стерины - - 14 11 33 4 12
5 Диметиловый эфир нарингенина 20 7 - - - - -
6 Сесквитерпеновые спирты 20 - - - - - -
7 Кумараты сескв итерпеноидов 10 1 - - - - -
8 Диметиловый эфир апигенина 10 - - - - -
9 Гидроксикетоны - - 2 2 9.4 - 2
10 Сесквитерпеновые оксираны и кариофиллен-диолы 39 7
11 Тритерпеновые диолы 1 - 7 16 56 96 12
12 Гидроксистерины и рододендрол 4 " 1
13 Сложные эфиры -моноацилглицерид ы 4 76 33 73
14 Произв. хлорофилла 1 72
Соединение Побеги Береста Луб
Древесина Флоэма Корка
Р-Ситостерин 21 - 4 - 63
Стигмастанол 5 - - - 9
[З-Амирин - - 3 - -
Лупеол 74 100 93 100 10
Неидентифици-рованный компонент 19
Таблица 15. Состав тритерпеновых оксоспиргов, % от массы фракции 9
Соединение Побеги Луб
Древесина Флоэма Корка
28-Гидроксиолеан-З-он - - 49
28-Гидроксилупан-З-он - - 51
ЗР-Гидроксистигмасгг-5-ен-7-он 100 100 - 100
Таблица 16.Состав пентациклических тритерпеиоидов,% от массы фракции 11
Соединение Древесина Флоэма Корка Береста Луб
Олеанол - 4 7 - -
3 Р,20-Лупандиол - 12 6 - 51
Бетулин 100 84 87 94 49
Состав «сильных кислот» ДЭ экстракта. Фракция, извлекаемая из ДЭ водным раствором МаНСОз, состоит из ароматических кислот, алифатических двухосновных кислот, тритерпеновых кислот, жирных Св-Сп кислот и их
оксопроизводных, фенолов.
Группа «сильных» кислот почек состоит только из фенольных соединений: 4-винилфенола (34%, здесь и далее в % от массы «сильных кислот»), 4-винил-2-метоксифенола (6%), ванилина, 4-гидрокси и 4-метоксибензойных кислот, 4-гидроксибензолуксусной кислоты (по1%), транс- и цис- п-кумаровых кислот (5 и 1%). Идентифицированы также флавоноиды: сакуренетин (6%), диметиловый эфир апигенина и ¡шллоин (по 1%). Транс-кумаровая кислота (1%) определена в корке веток, а ванилин и ванилиновая кислота (по 1%) в бересте. В листьях присутствует 4-метоксибензойная кислота (1,5%). Фенольные соединения, идентифицированные в группе «сильных» кислот, являются, часто встречаемыми среди природных соединений. Винилфенолы находят в растениях значительно реже и считают, что они образуются из коричных кислот с помощью фермента - циннамат декарбоксилазы. Только из листьев выделена фракция зеленых пигментов (15%), состоящая, в основном, из двух соединений -феофорбида «а» и его гидроперекиси, в соотношении 1-1 (по данным масс-спекгрометрии высокого разрешения). В корке побегов идентифицирован ацетат олеаноловой кислоты (10%). В различных частях побегов и коры ствола группа «сильных» кислот состоит из короткоцепочных алифатических кислот (С8-С12), двухосновных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Последняя группа кислот, состоящая из (32)-децен-1,10-диовой (0,1%) и додецен-1,12-диовой (1%) кислот выделена только из листьев. Состав жирных и
двvxocнoвныx кислот приведен в таблице 19.
Состав «слабых кислот» ДЭ экстракта Из ДЭ экстракта разных частей кроны и коры березы водный раствор 1% №ОН извлекает жирные и тритерпеновые кислоты, фенольные соединения (таблица 11). Состав жирных кислот в разных частях дерева различен и близок составу кислот ПЭ соответствующих частей дерева. Среди жирных кислот листьев значительную долю составляют ненасыщенные кислоты. Среди ненасыщенных кислот с 16 атомами углерода идентифицированы 7,10,13-гексадекатриеновая, И-гексадеценовая, 7- гексадеценовая, 9-гексадеценовая кислоты в соотношении 1:1:1:2. Во фракции присутствуют производные хлорофилла (7 /о).
Таблица 17. Состав «сильных» кислот, % от фракции
Соединение Побеги Береста Луб
Древесина Флоэма Корка
Октановая - 5 - - 1
Нонановая - - - - 1
4-Оксононановая 7 - - - 5
Ванилин - - - 1 -
9-Оксононановая кислота 24 - - - 1
Ванилиновая кислота - - 1 -
Декановая - - - - 6
Додекановая кислота - 1 - - -
Октандиовая - - - - 8
Нонандиовая 79 55 47 73 58
Декандиовая - - - - 17
транс-п-Кумаровая - - 3 - -
Гексадекандиовая - 13 - - -
Гептадекандиовая - И - - -
Октадекандиовая 1 1 19 - -
3 - Ацетоксиолеаноловая кислота - - 31 - -
Состав ДЭ экстракта почек отличается от состава других исследуемых частей дерева и почти полностью представлен флавоноидами (таблица 18). Впервые из представителей семейства березовых выделен флавананол - 7-метокси-3,5,4'-
Флаваноны 1-К1=Н Флавоны III-
Флаванолы И-Я'ЮН Флавонолы IV-1^=011 и 3-метоксифлавоны У-ОСН3
Таблица18.Состав флавоноидов группы «слабых кислот» ДЭ экстракта почек
Соединение
1-7-метиларомадендрин (II)
2(1)
й.
ОН
Н
Я*
Н
Н
Я3
ОСИ,
ОН
г
Н
н
я5
он
он
Содержание,
%
3 (IV)
осн.
ОСНз
он
н
ОСН-,
4 (IV)
ОН
н
ОСН,
ОСНз
5 (III)
Н
Н
ОН
Н
он
ОСНз
11
6 (III)
н
Н
осн,
НН
ОН
7(111)
Н
Н
ОН
Н
ОН
и
8 (III)
н
ОСНз
н
н
он
11
9 (III)
Н
он
он
н
ОСНз
10 (III)
н
ОСНз
он
н
ОСНз
11
"(V)
ОСНз
н
он
осн,
он
12 (V)
ОСНз
ОСНз
ОН
Н
ОН
13 (V)
ОСНз
н
он
ОСНз
ОН
14 (V)
ОСНз
Н
он
н
он
16
15 (IV)
он
н
он
ОСНз
ОН
16
16 (IV)
ОН
Н
ОН
н
он
Различие в способности щелочей различных концентраций извлекать из эфирных экстрактов жирные и тритерпеновые кислоты позволяет отдельно извлекать из корки «сильные», жирные и тритерпеновые кислоты, обладающие (по литературным данным) повышенной биологической активностью.
В результате хроматографического разделения и установления строения выделенных соединений методами ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии в экстрактивных веществах биомассы березы обнаружены следующие ранее необнаруженные в природных источниках соединения: 6-ацетокси-а-гумулен и 6-гидрокси-а-гумулен в почках, листьях и корке побегов, 5,6-диацетоксикариофилла -3,8(15)-диен, 5,6-диацетоксикариофилла - 4(14),8(15)-диен в листьях и почках, 5,6-дигидроксикариофилла - 4(14),8(15)-диен в почках и листьях, 6,9-дигидрокси-гумулен в почках, Т-бетуленол в листьях и почках, кумараты 6-гидроксикариофиллена, 14-гидрокси-р-кариофиллена, 14-гидрокси-ес-гумулена, Т-бетуленола в листьях и почках, (4К,58) и (48,511)-эпокси-14-ацетокси-р-кариофилл-8(15)-ены, -эпокси-14-ацетокси-Р-кариофилл-8(15)-ен, (48,58)- эпокси- (6К)-гидроксикариофилл-8(15)-ена, (48,58)-эпокси-(6К)-гидрокси-4,8,11,11-тетраметил-1,8-циклоундекадиен в почках и листьях, 5р,6а,8р-тригидрокси-кариолан в почках, листьях, корке побегов, (Зг)-додецен-1,12-диовая кислота в листьях, даммареновая и тараксастеновая кислоты, 3,4-секо-олеан-4(24)-ен-19-оксо-3-овая, 28-ацетокси-3,4-секо-олеан-4(24),13(18)-диен-3-овая, (19ВД-гидрокси-3,4-секо-тараксаста-4(24)-ен-3-овая кислоты в почках.
Впервые в березе обнаружены: 28-гидроксиолеан-З-он в корке побегов, пальмитат лупеола в бересте, оксираны сапталена и бергамотена, алифатические альдегиды в листьях и корке побегов, 7-метиларомадендрин в почках, ЗР-
гидроксистигмаст-5-ен-7-он, 7а-гидроксиситостерол и 7р-гидроксиситостерол в древесине и лубе, дамареноликовая кислота в почках, мороиовая кислота в почках, даммарадиенон и диптеракарпол в почках, жасминовая кислота в листьях.
В составе эфирных экстрактов почек преобладают сесквитерпеноиды кариофилланового и гумуланового рядов, флавоноиды, в листьях - жирные кислоты и их сложные эфиры, в основном с глицерином. Листья также содержат компоненты почек. В экстрактах флоэмы и древесины побегов - жирные кислоты и их производные, стерины; в составе бересты - тритерпеноиды, а также присутствуют сесквитерпеноиды 1,6-циклизации фарнезилпирофосфата. В корке побегов обнаруживаются как вещества почек: сесквитерпеноиды, флавоноиды, так и листьев: хлорофилл, каротин, витамин Е, так и бересты - сесквитерпеноиды сесквипинанового и сесквикамфанового типов, но преобладают тритерпеноиды, содержание бетулина среди которых значительно меньше, чем в бересте. Состав тритерпеноидов в корке побегов более разнообразный, чем в бересте.
Динамика накопления и расходования фенольных соединений. Динамика накопления и расходования соединений является не только одним из показателей интенсивности физиологических процессов в исследуемом растительном материале, но и служит ориентиром для определения путей комплексного использования растительного сырья при промышленной химической переработке. Для изучения динамики накопления и расходования фенольных компонентов использовали почки сразу после опадания листьев (ноябрь), в период покоя (январь), перед началом роста (февраль) и перед раскрытием (апрель). Количество спиртового экстракта с момента опадания листьев до момента раскрытия почек постепенно увеличивается с 30.25 до 37.90 % от массы сухого сырья. При разделении веществ спиртового экстракта на группы соединений наибольшее количество экстрактивных веществ переходит в диэтиловый эфир 71-78% и воду 9-13%, а в этилацетат и бутанол 6-8%. Доминирующими компонентами являются флавоноиды. Они составляют от 30 % до 46 % этанолыюго экстракта почек. Флаваноны и флавонолы имеют одинаковую тенденцию накопления и расходования с максимумами осенью и весной и минимумом зимой, в то время как флавоны - с максимумом осенью и минимумом -весной. Сесквигерпеновые соединения и флавоноиды являются основными компонентами эфирных экстрактов из пазушных почек, собранных в июле.
Биологическая активность и направления использования экстрактивных веществ. Определено, что спиртовый экстракт березовых почек обладает
сильным фунгистатическим и фунгицидным действием по отношению к дрожжеподобным грибам, нитчатому грибу Trichophyton rubrum и штамму Cryptococcus neoformans, бактерицидной активностью в отношении Staphylococcus aureus. Экстракт почек, полученный экстракцией ПЭ, показывает вирулицидную активность по отношению к вирусам гриппа А и В, вирусу парагриппа 3 типа, респираторно-синцитальному вирусу. На основании установленного состава спиртового экстракта и его биологической активности предложили вариант переработки березовых почек, основанный на последовательной экстракции почек сначала петролейным эфиром, затем спиртом с получением двух продуктов -"березового масла" и спиртовой настойки. "Березовое масло" может быть использовано как добавка в косметические изделия и для профилактики гриппа А и В, а спиртовая настойка - в качестве гепатопротектора и при лечении заболеваний, где используются аигиоксидантные и сосудоукрепляющие свойства флавоноидов, а также в качестве бактерицидного и фунгицидного средства. По токсикометрическим
показателям оба экстракта относятся ;■: IV классу опасности - вещества малоопасные по ГОСТ 12.1.007.
Наиболее интересными на данный момент соединениями экстрактивных веществ исследуемых частей биомассы березы, с точки зрения высокого содержания и биологической активности, являются: 1) углеводородный и спиртовый экстракты березовых почек; 2) полипренолы луба ствола; 3) бетулин, лупеол и тритерпеновые кислоты бересты; 4) тритерпеновые кислоты коры веток. Имеется значительное количество научных работ, в которых сообщается о значительной биологической активности в отношении целого ряда заболеваний, в том числе онкологических, которую проявляют олеаноловая, бетулиновая кислоты, лупеол, бетулин. Бетулин может быть легко выделен из бересты экстракцией углеводородным растворителем на существующем в лесохимических производствах оборудовании, например по предлагаемому нами способу (Патент РФ №2184120). Сделать такой вывод
' позволят результаты опытно-промышленных выработок в цехе Лисинского учебно-опытного лесхоза с использованием коры Ижорского фанерного и Светогорского ЦБ комбинатов. Бетулин может быть превращен в бетулиновую кислоту в результате реакции окисления, например по предлагаемому нами способу (Патент РФ № 2190622).
Бетулапренолы могут быть превращены в четвертично-аммониевые фосфаты в результате реакции с триэтиламином в присутствии фосфорного ангидрида. Продукт реакции показывает противовирусные свойства по отношении к вирусам гриппа, проявляя интерфероногенную активность.
ВЫВОДЫ
1. Впервые проведено детальное исследование группового химического состава и состава растворимых в петролейном эфире и диэтиловом эфире экстрактивных веществ разных частей кроны (корки, флоэмы, древесины) и коры березы повислой Betula pendula Roth. Разработаны схемы анализа исходного сырья и получаемых экстрактов. Изучен состав индивидуальных соединений, установлено строение 19 соединений, ранее не найденных в природных объектах и 15 соединений ранее не идентифицированных в березах.
2. Установлено, что алифатические соединения, в основном, высшие жирные кислоты (С14-С28) представлены во всех частях биомассы березы (в меньшей степени в бересте) в свободном виде и в качестве кислотной составляющей сложных эфиров. Части побегов и коры ствола содержат С8-Сю и С16-С22 двухосновные кислоты -предшественники суберина. Листья отличаются от других частей биомассы березы наличием ненасыщенных С16 и Си- кислот, ненасыщенных С8, Сю, Си-двухосновных кислот.
3. Показано, что в исследуемых частях кроны и коры образуются терпеноиды и фенольные соединения, растворимые в неполярных органических растворителях. Терпеноиды представлены: сесквитерпеноидами, тритерпеноидами и группой стеринов. Сесквитерпеноиды - продукты только 1-11 и 1-6 циклизации фарнезилпирофосфата, а циклизация 2,3-оксида сквалена приводит к образованию пента- и тетрациклических тритерпеноидов. В почках, листьях и корке, флоэме побегов и лубе ствола осуществляется 1-11 циклизация фарнезилпирофосфата с получением макро- и бициклических сесквитерпеноидов двух типов - гумуланового и кариофилланового. Исходные углеводороды, особенно кариофиллен, претерпевает вторичные изменения с получением кислородсодержащих соединений с новыми
углеродными скелетами (биркеналь, кариолан и нового типа Т-бетуленол). В бересте коры ствола циклизация фарнезилпирофосфата осуществляется по 1-6 атомам углерода с дальнейшим образованием из бизаболен-карбкатиона ди- и трициклических сесквитерпеноидов сесквипинанового и сесквикамфанового типов.
4. Определено, что тритерпеноиды и стерины присутствуют во всех исследуемых частях биомассы березы и образуют ЗР-гидрокси соединения из 2,3-оксида сквалена. В листьях, лубе ствола и веток и древесины основным направлением циклизации является образование тетрациклического тритерпеноида - циклоартенола, последовательный метаболизм которого приводит к фитостеринам. Во всех других частях биомассы основным направлением циклизации является биосинтез пентациклических тритерпеноидов лупанового (основное направление в разных частях коры побегов и бересте) и в меньшей степени олеанового и тараксастанового типов, тетрациклических тритерпеноидов даммаранового типа. Тритерпеноиды даммаранового и тараксастанового типов образуются в почках и листьях. Луб и древесина побегов, луб коры ствола отличается наличием кето- и гидрокси-производных Р-ситостерина.
5. Выявлено, что фенольные соединения незначительно представлены в покровных тканях ствола и ветвей. В корке ветвей и в бересте идентифицированы: ванилин, ванилиновая и кумаровая кислоты, рододендрол и рододендрон. Почки березы отличаются, напротив, высоким содержанием фенольных соединений. Установлено строение 16 флавоноидов, относящихся к 4 классам. Впервые из природных источников выделены кумараты сесквитерпеновых спиртов.
6. Установлено, что наибольший выход экстрактивных веществ, переходящих в этанол, наблюдается в период перед раскрытием почек. Содержание компонентов этанольного экстракта - флавоноидов, колеблется в зависимости от времени сбора. Качественный состав соединений в группе сесквитерпеноидов почек не меняется на протяжении всего времени их существования.
7. По результатам исследований динамики расходования и накопления соединений ЭВ в процессе вегетации и покоя почек (в течение 3 лет) березы повислой определено, что у берез, пораженных патогенами, содержание сесквитерпеноидов снижается, а биосинтез тритерпеноидов увеличивается. Основным компонентами ЭВ таких почек являются тритерпеновые секо-кислоты.
8. Изучена биологическая активность ряда индивидуальных соединений и отдельных групп веществ. Установлено, что углеводородный экстракт почек березы обладает вирулицидной активностью по отношении к вирусам гриппа и респираторному вирусу, а спиртовый экстракт ПБ - фунгицидным и бактерицидным действием по отношению к патогенным микроорганизмам. Экстракты относятся к IV классу опасности по ГОСТ 12.1.007. Различие в биологической активности компонентов почек предусматривает разделение экстрактов с помощью растворителей различной полярности на сесквитёрпеноиды и флавоноиды. Синтезированные четвертичные аммониевые фосфаты полипренолов обладают интерфероногенной активностью и вирулицидным действием по отношению к вирусам гриппа А и В.
9. Определены направления использования основных компонентов групп веществ и экстрактов различных частей березы. Разработаны способы экстракции бетулина. Предложен способ получения бетулиновой кислоты из бегтулина и синтез четвертичных аммониевых фосфатов полипренолов. Создана теоретическая база для дальнейшего совершенствования и развития лесобнохимического направления переработки отходов деревообработки и заготовки березы.
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:
1.Шабанова, Н.Ю. Сесквитерпены бересты Betula pendula Roth./ Н.Ю. Шабанова, Д.Н.Ведерников, В.И.Рощин //Растительные ресурсы. -2003.-Т.39.- Вып.З.- С.106-110.
2.Галашкина, Н.Г. Флавоноиды почек Betula pendula Roth. / Н.Г. Галашкина, Д.Н. Ведерников, В.И.Рощин // Растительные ресурсы. -2004.-Т.40,- Вып. 1.- С.62-68.
3.Ведерников, Д.Н. Групповой состав компонентов почек Betula pendula Roth. / Н.Г. Галашкина, H.JI. Карачкина, Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин Растительные ресурсы. - 2004.-Т.40-- Вып.2.- С.83-89.
4.Ведерников, Д.Н. Селективное метилирова1ше фенолокислот и фенолоальдегидов диазометаном / Д.Н. Ведерников // Химия растительного сырья. -2007.- №1 .-С.43-47.
5.Ведерников, Д.Н. Сложные эфиры почек Betula pendula (Betulaceae)! Д.Н. Ведерников,Н.Г.Галашкина,В.И.Рощин //Растительные ресурсы.-2007.-Т.43.- С.84-92.
6.Ведерников, Д.Н. Состав жирных и тритерпеновых кислот углеводородного экстракта из бересты Betula pendula Roth. / Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин // Растительные ресурсы. - 2008.- Т.44.- Вып.З,- С.75-82.
7.Ведерников, Д.Н. Секо-кислота тараксастанового ряда из вегетативных почек Betula pendula (Betulaceae)/ Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин //Растительные ресурсы. -2009-Т.45,- Вып.2.-С.58- 64.
8.Vedernikov, D.N. Extractive compounds of birch buds (Betula pendula Roth.): I. Composition of fatty acids, hydrocarbons, and esters./ D.N. Vedemikov, V. I. Roshchin // Russian Journal of Bioorganic Chemistry.- 2010.- V. 36.- No7.-P. 894-898.
9.Vedemikov, D.N. Extractive compounds of birch buds {Betula pendula Roth.): II. Carbonyl compounds and oxides. Esters / D.N. Vedemikov, V. I. Roshchin //Russian Journal of Bioorganic Chemistry.-2010.-V.36.-No7.-P. 899-908.
Ю.Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества почек березы повислой Betula pendula Roth. (Betulaceae). 3. Состав тритерпеновых кислот, флавоноидов, спиртов и эфиров/ Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин //Химия растительного сырья.- 2010.- №4.-С. 67-75.
11.Vedemikov, D.N. Humulene and. its derivatives from Betula pendula buds / D.N.Vedemikov, V. I. Roshchin // Chemistry of Natural Compounds.- 2010.-V. 46.- №6.-P. 886-891.
12.Ведерников, Д.Н. Особенности экстрактивных веществ почек березы Betula grandifolia Litv. дендрария СПбЛТА / Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин// Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. -2010.-Вып. 193.-С.250-261.
13.Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества веток березы повислой Betula pendula Roth 1 Групповой химический состав. Нейтральные экстрактивные вещества корки / Д.Н.Ведерников, Е.Е.Смирнова, Е.Ю.Смирнова, В.И.Рощин //Химия растительного сырья. - 2011.- №4.-С.121-129.
14.Ведерников, Д.Н. Исследование процесса гидролиза растительного сырья в регулирующем поле слабых тензоимпульсов / Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин, В.И. Зарембо, А.А. Колесников // Известия СПГТИ (технического университета).- 2010.-
Т.35.-№9.-С.15-17. _
15.Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества почек березы повислои Betula реШиШ Roth. (.Betulaceae). 4. Состав сесквитерпеновых диолов, триолов, флавонидов / Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин Химия растительного сырья. -2011.- №1.- С. 111-118.
1 б.Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества почек березы повислой Betula pendula Roth. (Betulaceae). 5. Состав тритерпеновых секо-кислот/ Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин// Химия растительного сырья.- 2011,-№3.-С. 95-102. 17.Ведерников, Д.Н. Изменение химического состава корки и луба
березы повислой Betula pendula Roth. (Betulaceae) по высоте дерева / Д.Н. Ведерников, Н.Ю. Шабанова, В.И. Рощин // Химия растительного сырья.- 2010.-№2,- С. 43-48.
18.Ведсрников Д.Н. Экстрактивные вещества листьев березы повислой Betula pendula Roth. (Betulaceae). 1. Групповой состав, состав летучих соединений и кислот эфирных экстрактов/ Д.Н. Ведерников, В.И. Рощин // Химия растительного сырья.- 2012,- №1,- С. 93-100.
19. Патент РФ 2184120 Способ получения бетулина/В.И. Рощин, Н.Ю. Шабанова, Д.Н. Ведерников . Опубл. 27.06.2002,- Бюл.изобр.-2002,- № 18 (И ч).
20. Патент РФ 2190622 Способ получения бетулиновой кислоты / В.И. Рощин, Н.Ю. Шабанова, Д.Н. Ведерников. Опубл. 10.10.2002,- Бюл. Изобр. -№ 28 (И ч).
21. Ведерников, Д.Н. Сесквитерпеновый альдегид и тритерпеповые кислоты из березовых почек Betula Pendula Roth. / Ю.В.Мигунова, Д.Н.Ведерников, В.И. Рощин // Сб. тезис, докл. Всероссийской конференции "Химия и технология растительных веществ".-Сыктывкар, 2000.- С.36.
22. Vedernikov, D.N. The main compounds of the Betula pendula Roth, outer bark hydrocarbon extract / N.Y. Shabanova, D.N. Vedernikov, V.l. Roshchin / Seventh European Workshop on Lignocellulosics and Pulp. - Turku/Abo., 2002. - P 528. (Ill)
23. Ведерников, Д.Н. Противовирусная ак тивность четвертичных аммониевых фосфатов полипренолов / Платонов В.Г., Ведерников Д.Н., Рощин В.И. II Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 35-летию со дня основания Научно-исследовательского института гриппа РАМН. Санкт-Петербург, 2002,- С.16.
24. Галашкина Н.Г. Динамика накопления и расходования флавонолов березы повислой в зависимости от времени сбора/ Галашкина Н.Г., Ведерников Д.Н., Рощин В.И. III Всероссийская конференция "Химия и технология растительных веществ" Сборник материалов.Саратов, 7-10 сентября 2004 г., с. 301-303.
25. Ведерников, Д.Н. Факторы, влияющие на взаимодействие полипренолов с фосфорным ангидридом / Ю.А.Павлова, Д.Н.Ведерников, В.И. Рощин // Тезисы докладов V Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ».- Сыктывкар-Уфа, 2008.- с.225.
26. Ведерников, Д.Н. Различия в химическом составе корки веток и бересты березы повислой/А.Р.Хоромская, Д.Н.Ведерников, В.И. Рощин // материалы IV Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья».- Барнаул, 2009. -С.275.
27. Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества корки веток березы повислой Betula pendula Roth. / Д.Н.Ведерников, А.Р.Хоромская, В.И. Рощин // Сборник материалов первого кластера конференций «Химия и полная переработка биомассы леса: Химия и полная переработка биомассы леса ChemWasteChem». - Санкт-Петербург (пос.Репино), 2010,-С.145-146. '
28.Vedernikov, D.N. Extractive compounds of Betula pendida Roth. Phloem /
D.N.Vedernikov, V.I.Roshchin// International Conference"Renewable wood and plant resources: chemistry, technology, pharmacology, medicine", St- Petersburg, 2011.-P.237.
29.Ведерников, Д.Н. Экстрактивные вещества листьев березы повислой Betula pendula Roth./ Д.Н.Ведерников, В.И. Рощин // Сборник материалов первого кластера конференций «Химия и полная переработка биомассы леса: Химия и полная переработка биомассы jrccaiChemWasieChem». - Санкг- Петербург (пос.Репино), 2010.-С.145-146.
ВЕДЕРНИКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ
Подписано в печать с оригинал-макета 08.04.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 2,0. Печ. л. 2,0. Тираж 110 экз. Заказ № 103. С 2 а.
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5.
Текст работы Ведерников, Дмитрий Николаевич, диссертация по теме Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
1 1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. С. М. КИРОВА»
V
На правах рукописи
05201351175
Ведерников Дмитрий Николаевич ТЕРПЕНОИДЫ И ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БИОМАССЫ БЕРЕЗЫ
ПОВИСЛОЙ
05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины.
* ) ( /
Диссертация На соискание ученой степени Доктора химических наук
Научный консультант:
доктор химических наук, профессор
Рощин Виктор Иванович < 5
/
Санкт-Петербург 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4
1. Литературный обзор
1.1 Общие сведения о березе повислой.......................................... 7
1.2 Строение, химический состав коры. Состав экстрактивных веществ
коры............................................................................... 8
1.3 Строение, химический состав побегов........................................ 30
1.4 Строение, химический состав вегетативных почек.......................... 37
1.5 Строение, химический состав листьев.......л................................. 46
1.6 Заключение..............................................................................53
1.7 Выделение и идентификация индивидуальных компонентов экстрактивных веществ............................................................ 55
2. Методическая часть.....................................................................58
2.1 Отбор образцов для исследования............................................. 58
2.2 Методики анализа состава исходных образцов частей березы......... 60
2.3 Хроматографические методы анализа....................................... 64
2.4 Получение производных выделенных соединений........................ 65
2.5 Инструментальные методы анализа..........).................................. 69
2.6 Физико-химические характеристики выделенных соединений.......... 73
3. Обсуждение результатов исследований...........................................123
3.1 Состав терпеноидов и фенольных соединений частей кроны дерева... 118
3.1.1 Структурные компоненты и экстрактивные вещества частей кроны дерева........................................................................... 118
3.1.2 Групповой состав экстрактивных веществ различных частей кроны. 129
3.1.3 Экстракты частей кроны, полученных экстрагированием ПЭ.......... 132
3.1.3.1 Состав нейтральных веществ ПЭ экстрактов кроны дерева....... 132
3.1.3.2 ОсобенноЬти сесквитерпеноидов почек других видов берез....... 245
3.1.3.3 «Свободные» кислоты ПЭ экстрактов частей кроны................ 251
3.1.4 Состав экстрактов разных частей кроны дерева, полученных
экстрагированием ДЭ после экстракцией ПЭ........................... 297
3.1.4.1 Состав нейтральных веществ............................................. 297
3.1.4.2 Состав «сильных» кислот ДЭ экстрактор.............................. 304
3.1.4.3 Состав «слабых» кислот ДЭ экстрактов................................ 308
3.2.1 Общая характеристика коры исследуемого дерева.....................322
3.2.2 Групповой состав экстрактивных веществ бересты и луба.......... 328
3.2.3 Состав веществ, извлекаемых из бересты и луба ПЭ.................. 330
3.2.3.1 Нейтральные вещества коры............................................................ 330
3.2.3.2 «Свободные» кислоты ПЭ из бересты и луба............................344
3.2.4 Состав экстрактов из бересты и луба, полученных экстракцией ДЭ..347
3.2.4.1 Нейтральные вещества.................................................... 347
3.2.4.2 Состав « свободных» кислот...............\.............................. 349
3.2.5 Суммарный состав экстрактов частей коры............................. 351
3.3 Заключение по химическому составу........................................ 355
4. Биологическая активность и направления использования
экстрактивных веществ березы.................................................... 360
4.1 Почки............................................................................... 360,
4.2 Полипренолы..................................................................... 380
4.3 Определение способа выделения бетулина................................. 391
4.4 Синтез бетулиновой кислоты................................................... 395
Ь V )
4.5 Олеаноловая кислота из корки побегов......).............................. 399
Выводы................................................................................... 400
Список использованных источников.............................................. 403
Приложение. Спектры ЯМР .................................................... 441
Приложение. Акт выработки..........................................................505
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим направлением рационального природопользования и у ресурсосбережения в отраслях лесного комплекса является увеличение степени \ использования биомассы дерева. Решение этой проблемы непосредственно 1 направлено на повышение эффективности комплексной переработки биомассы
^ ' i .К
дерева и снижение загрязнения природной среды производственными отходами.
Оценка фитомассы леса по обобщенным моделям показала, что березовые 1 леса в России занимают 12.6% площади лесных угодий [1]. На целлюлозно- 1 бумажных и деревообрабатывающих предприятиях (фанерные комбинаты) в ■
I
результате окорки березовой древесины скапливается большое количество \
(
коры, которая не имеет промышленного применения и в лучшем случае идет на сжигание в качестве топлива. В лесу остается тонкомерная древесина и древесная зелень с почками и листьями. Доля коры в фитомассе составляет по
h j I -
различным оценкам: 11.5% [1], 13-15% [2],'12.5% [3]. На долю бересты приходится 16-20% от массы коры [3]. Доля ветвей в биомассе березы составляет по различным оценкам: 15% [1], 5-10% [2]. Доля листьев - 11%[1].
Для использования отходов имеются предпосылки. В официальной | медицине используются березовые почки, листья. Почки и листья березы обладают фитонцидными свойствами. Отвар почек березы используется в\ качестве мочегонного и желчегонного средства, как примочки при порезах и i нарывах[4]. Для лечения острых и хронических экзем делают горячую ванну из отвара почек березы [4]. Спиртовая настойка почек помогает при пролежнях грануляциях, эрозии кожи, гнойных выделенияк, экскориациях [5]. Спиртовая настойка почек березы бородавчатой обладает антибактериальной активностью в отношении золотистого стафилококка [6]. В отношении стафилококка, а также Escherichia coli, Shigella sonnei, Salmonella newport, Clebsiella pneuumoniae активно эфирное масло почек березы пушистой [7].
5 '
J
Настой и отвар листьев березы применяют как мочегонное, желчегонное, седативное и противовоспалительное средства. Настой молодых листьев березы используют при почечной колике, желтухе, как стимулирующее и противовоспалительное средство. Наружно ванны из настоя березовых листьев рекомендуются при суставном ревматизме и подагре [4]. Для лечения диуреза v
i
применяют как спиртовый настой, так и сухой экстракт листьев березы. Сухой > экстракт на 95% спирте проявляет выраженную активность в отношении ,
гельминтов и т^ихомонад [8]. Отвар листьев березы повислой проявляет
/
стресспротективные свойства, повышает резистентность слизистои желудка при ульцерогенезе, оказывает гепатозащитное действие при гепатитах, проявляет выраженную противоопухолевую активность при саркоме -180, карциноме легких Льюиса, канцерогенезе шейки матки и влагалища, нормализует толерантность периферических тканей к глюкозе [9].
Гексановый экстракт бересты относится к 4 классу малотоксичным веществ V
t
и проявляет выраженный капилляроукреплящий эффект [10] Этанольный * экстракт бересты относится к 4 классу малотоксичным веществ и способствует ,
ингибированию свободных радикалов [11]. Антиокислительную активность по
i
отношению к перекиси водорода и противоопухолевую активность в отношении Leukemia HL-60 проявляет метанольный экстракт коры березы Betula platyphylla var. japónica [12]. Экстракт бересты обладает гепатопротекторными свойствами [13], не обладая при этом иммунотоксичность и аллергенностью [14].
Использование экстрактов листьев и почек основано на немногочисленных V исследованиях химического состава, имеющих часто избирательный, как далее будет показано в литературном обзоре, характер, не дающий полную картину объекта. Требуемся более глубокое, детальное исследование экстрактивных веществ почек и листьев. Так как при использовании листья и почки не будут отделяться от веток и войдут основной частью в древесную зелень, которая согласно ГОСТ [15] состоит из листьев, почек и тонкомерной древесины, то
U
i i
необходимо исследовать состав экстрактивных веществ тонкомерной » древесины, которой может отличаться от состава коры и древесины стволовой >J-части. Тонкие ветки содержат большее количество молодых тканей и соответственно должны содержать больше экстрактивных веществ.
I
Целью диссертационной работы является: Изучить химический состав экстрактивных веществ, предложить возможные направления химической переработки биомассы кроны и коры березы -отходов лесозаготовок и деревообработки и использования получаемых^ продуктов; выявить особенности метаболизма, в первую очередь изопреноидов, > в разных частях дерева. Для достижения поставленной цели необходимо :
I
решить следующие основные задачи:
h ' } | Л
1) выделить и установить химическое строение индивидуальных соединении
углеводородных и эфирных экстрактов коры, почек, листьев, отдельных частей побегов березы; ,
2) изучить динамику изменений в составе соединений в разных частях !
t
биомассы в процессе вегетации; 1
3) определить биологическую активность групп соединений; 1
I
4) используя методы статической биохимии установить основные направления \ метаболизма (биосинтеза) соединений экстрактивных веществ в разных частях дерева вида Betula pendula. Roth, и выявить их специфичность. |
В первой части дйссертации представлены литературные данные по строению и 1 химическому составу коры, веток, листьев, почек березы. Вторая часть диссертации посвящена методам, которые применяли в экспериментальной работе, приведены схемы анализа химического состава и экстрактивных веществ коры березы. В экспериментальной части приведены результаты исследования качественного и количественного состава углеводородных
v
экстрактов и эфирных экстрактов веток, листьев, почек и коры березы; направления биосинтеза выделенных соединений, результаты изучения биологической активности и литературные данные по биологической активности выделенных соединений. }
1. Литературный обзор ^
I
I, ¡1
1.1 Общие сведения о березе повислой
Береза повислая и пушистая относятся к роду ВеШ1а, к семейству березовых
ь ) , -
(.ВеШ1асеае). Род -ВеШа представлен в северном полушарии 140 видами. На
территории бывшего Советского Союза произрастает 98 видов берез.
||
Максимум видов сосредоточен в Забайкалье и на Дальнем Востоке. На Северо- 1 Западе России основными промышленными видами являются - береза повислая и береза пушистая, а остальные виды берез имеют лишь небольшие ареалы произрастания [16]. \
Береза повислая или бородавчатая - дерево до 26 - 30 м высотой, до 80 см в „
1
диаметре, с прямым, высоко очищающимся от сучьев стволом и
широкоцилиндрической или яйцевидно-ажурной, часто с плакучими тонкими
^ ) 1 -ветвями кроной [-17]. Березу повислую отличают от березы пушистой (ВеШа
риЪезсет ЕЬгЬ.) различия формы листовой пластинки, а также наличие
глубоких трещин в нижней части коры ствола [18]. Эти два вида очень часто ,
растут вместе. Они распространены в лесной и лесостепной зонах европейской .
части России, на Кавказе, в Западной и Средней Сибири. Береза повислая часто I
образует с березой пушистой гибридные формы. У гибридов настолько \
смешаны признаки обоих видов, что отнести их к тому или иному виду
затруднительно. По площади произрастания береза занимает третье место в
России после лиственницы и сосны [16].
^ '1 г
Ь
) I
I
I
1.2 Строение, химический состав коры. Состав экстрактивных веществ
коры
Ствол состоит из древесины, камбия и коры. Под корой подразумевается
V :
наружный слой ствола, который отделяется камбием от древесины ствола. (|
у
В зависимости от анатомического строения и физиологической активности ткани коры можно разделить на две группы: внутренний слой (луб) и наружный (береста, корка). ' *
Внешняя кора (береста, корка)
Наружный слой коры, состоящий в основном из мертвых тканей, |
!
физиологически неактивен. Его роль заключается в защите древесины от внешних воздействий [19]. Береста давно используется для получения березового дегтя, который обладает дезинфицирующим свойством и
употребляется как наружное средство, особенно в мазях от чесотки (мазь 1
и
Вилькинсона), для лечения ран (входит в состав мази Вишневского) [20]. Основное содержание экстрактивных веществ бересты составляет бетулин, придающий кор^е белый цвет. Бетулин проявляет противовоспалительное, ' противоопухолевое действие, а также обладает антивирусными и желчегонными свойствами [21]. Из бетулина химическим путем можно получить бетулиновую кислоту, которая показала специфическую активность против меланомы (рак кожи) [22]. Это соединение найдено в коре и листьях многих растений, но ее выделение малорентабельно из-за низкого содержания
V
(менее 1%), тогда как содержание бетулина в бересте достигает 10 - 30% [23]. , Бетулин можно использовать в пищевой, косметической и фармацевтической промышленностях [24].
Краткие сведения об анатомическом строении бересты. '
Основная часть внешней коры (бересты) состоит из пробковой ткани, которая предохраняет древесину от внешних воздействий. Пробковая ткань содержит небольшие участки рыхлой ткани, называемые чечевичками, за счет которых осуществляется сообщение внутренних частей дерева с атмосферой.
1
А
В результате деления пробкового камбия в сторону корки откладываются пробковые клетки. Стенки клеток пробки тонкие и состоят из трех слоев. Лигнифицированный наружный слой клеточной оболочки придает ей ! гидрофобность и выполняет защитные и механические функции, внутренний I состоит в основном из целлюлозы. Серединный слой оболочки, пропитанный 1 суберином, обеспечивает непроницаемость для воды и воздуха и содержит^
I
также тритерпеноиды, в частности бетулин, наличие которого придает бересте 1 белый цвет [16].
Исследования шоказали, что береста состоит из ряда слоев, различных по ,
/
белизне. Наружные слои содержат примерно одинаковое содержание бетулина (38-42%) и только во внутреннем слое бересты его содержание падает (26%) [25].
Во внешнем слое коры, который выполняет защитную функцию, содержится значительное количество экстрактивных веществ - вторичных метаболитов. ^
I
Внутренняя кора (луб, флоэма). Физиологическая функция внутреннего слоя коры заключается в переносе продуктов ассимиляции. Он служит также 1
для хранения резервных питательных веществ. При делении клеток камбия, (
/
наряду с образованием клеток' древесины, появляются клетки луба, которые, дифференцируются для выполнения различных функций. В лубе присутствуют три типа клеток и соответствующих тканей: ситовидные элементы, образующие проводящие ткани; паренхимные клетки, составляющие запасающие ткани; склеренхимные клетки (лубяные волокна и склереиды) - механические ткани в соответствии с рисунком 1. Значительную долю луба, в отличие от древесины, ^ составляют живые клетки с протопластом, без ядра, выполняющие транспортную функцию питательных веществ вниз по стволу [26]. ь . )
\
Рисунок 1. фрагменты зоны проводящей флоэмы березы
/
вп-вертикальная паренхима; кс- ксилема; ст-ситовидная трубка; лп-лучевая
паренхима; ск-ситовидная клетка; кз-камбиальная зона [27].
4
Основная масса тканей луба (76%) [28] состоит из лубяной паренхимы,
выполняющей проводящие и запасающие функции (флоэмные радиальные и^ ;
1!
вертикальные лучи). На долю запасающих тканей приходится большая часть объема. Резервные питательные вещества могут храниться в виде крахмала или
жиров. Род ВеШ\а относится к растениям, имеющим в качестве резервных
/
питательных веществ жиры [29].
Внутренняя часть коры - луб отличается от бересты составом экстрактивных
веществ. Луб содержит больше веществ фенольной природы и может служить
/
сырьем для получения дубильных экстрактов [30, 31]. Резервные питательные !
I
вещества, которые накапливаются в лубе в виде жиров, представляют интерес как источник высших жирных кислот для косметологии. Отделение луба от^ , бересты технологически осуществимо [32,33], что делает возможным раздельную переработку частей коры с получением ряда ценных продуктов.
Химический состав коры березы
Химический состав коры обусловлен ее строением и выполняемыми функциями. Внутренняя и наружная части коры, имеющие различное^ |
) I
функциональное назначение и соответственно строение, существенно отличаются друг от друга и по составу [19]. Кора по химическому составу значительно отливается и от соответствующей древесины.
I
Первые работы по изучению химического состава коры березы относятся к началу 30-х годов прошлого века. В.И. Шарков и И.А.Белявский, разделив кору
I
березы на бересту и бурый слой (название авторов), показали, что наружный 1
I
слой содержит значительно больше экстрактивных веществ, а внутренний - I лигнина и пентозанов [25, 33]. Количество веществ, экстрагируемых из бересты этиловым спиртом (41.08%) и спиртовым раствором щелочи (39.64%), в 20 и 13^ | раз больше, чем из бурого слоя коры. Содержание лигнина во внутреннем слое составляет 16.2% (против 8.41% в бересте), а пентозанов - 16.8%, что в 6 ра
-
Похожие работы
- Флавоноиды и терпеноиды спиртового экстракта почек березы Betula pendula roth
- Процессы экстракции и совершенствование оборудования для получения эфирных масел и экстрактов из биомассы березы и смородины
- Терпеноиды бересты и луба березы Betula pendula Roth. Синтез бетулиновой кислоты
- Разработка и товароведная оценка сиропов и эфирных масел, полученных из растительного сырья
- Фенольные соединения кроны дерева сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.)