И ВЕРШКИ, И КОРЕШКИ

Ученые Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики Уральского отделения РАН (Архангельск) разрабатывают новые подходы к комплексной переработке возобновляемого растительного сырья, комбинируя химические и физические методы воздействия. По оценкам сотрудников лаборатории химии растительных биополимеров (Институт экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН), наиболее перспективным является внедрение процессов, проводимых в сверхкритических (сверхкритические флюидные технологии) и субкритических (взрывной автогидролиз) условиях.

Сверхкритические технологии удовлетворяют основным принципам «зеленой химии» и позволяют проводить модификацию древесной матрицы, направленно изменяя капиллярно-пористую структуру растительного сырья (древесная матрица — многофазная самоорганизующаяся система содержащихся в древесине биополимеров (полисахариды, лигнин и др.).

Исследуя влияние суб- и сверхкритического воздействия на древесину можжевельника обыкновенного, химики ФИЦКИА УрО РАН применили «последовательную разборку» древесной матрицы. Ступенчатая обработка — направленное изменение структуры и свойств древесной матрицы с помощью термохимической активации, когда объект помещается в замкнутую систему (автоклав) в условиях высокой температуры и давления в присутствии химических реагентов.

— Если сверхкритическая экстракция древесной зелени можжевельника проводится давно, что позволяет извлекать биологически активные вещества для фармакологии и парфюмерной отрасли, то древесина можжевельника такими способами еще не обрабатывалась, — поясняет научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров Института экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН Анна Красикова.

На первом этапе измельченная древесина экстрагировалась этанолом в аппарате Сокслета при температуре 80 градусов Цельсия. На этой стадии удалялись экстрактивные вещества (смола). Полученный лигноуглеводный комплекс затем был подвергнут термохимической активации в более жестких условиях (температура 120 градусов Цельсия, давление 25 МПа) в присутствии бинарного растворителя (сверхкритический углекислый газ и сорастворитель). Термохимическая активация позволила трансформировать структуру исходной древесной матрицы за счет изменения плотности образующих ее сеток полимеров ввиду их частичного разрушения.

Анализ извлеченных веществ методом газовой хроматографии—масс-спектрометрии показал любопытный результат: проведение СК-экстракции позволило увеличить количество извлекаемых компонентов. Если в спиртовом экстракте, полученном традиционным методом в аппарате Сокслета, было обнаружено 36 компонентов, то в СК-экстракте древесины можжевельника содержалось 47 компонентов. На первом этапе «разборки» древесной матрицы со степенью достоверности выше 80 % было идентифицировано 23 соединения, на втором — 33.

Сверхкритическая экстракция позволила выделить компоненты, которые не удается извлечь из древесины можжевельника с помощью традиционных технологий. Это, например, сескви- и дитерпены кадален (1,3 %) и цембрен (0,4 %), сесквитерпеновые спирты α-муролол (6,9 %) и спатчуленол (1,5 %). Также был выделен тритерпеновый спирт β-ситостерол (0,8 %). Это вещество представляет интерес для фармакологии, поскольку обладает регенерирующим и антиоксидантным действием. После двухступенчатой обработки в экстрактах преобладал сквален — углеводород тритерпенового ряда природного происхождения, принадлежащий к группе каротиноидов. Сквален используется для повышения иммунитета, снижения холестерина, в диагностике и лечении онкологических и вирусных заболеваний.

По оценкам ученых, полученные древесные компоненты перспективны для создания противовоспалительных и противоопухолевых средств, а также ароматизаторов и отдушек.

Любопытными оказались и результаты проведенных морфологических исследований клеточных стенок. Известно, что в древесине можжевельника обыкновенного отсутствуют смоляные ходы. В ходе эксперимента было выявлено наличие в полостях клеток шарообразных смолоподобных образований, которые являются местами скопления экстрактивных веществ.

— До применения сверхкритических технологий мы не знали, где именно в древесине можжевельника содержится смола. С помощью сканирующего электронного микроскопа были сделаны микроснимки до и после обработки древесины, которые показали, что в необработанной древесине имеются участки клеточных стенок, покрытые каплями или плотным слоем смолы, — отмечает Анна Красикова.

Полученные результаты были опубликованы в международных научных журналах (Planta, Phytochemical analysis) и получили положительную оценку зарубежных специалистов.

Древесина можжевельника имеет высокую плотность. Растение широко распространено в России (можжевельник обыкновенный растет в лесной и лесостепной зонах европейской части РФ, Западной и частично Восточной Сибири), что делает его перспективным с точки зрения глубокой переработки и получения ценных продуктов.