Study of extracting process of biologically active substances from pine bark

Full Text

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) является одной из ключевых лесообразующих пород в Российской Федерации и занимает значительное место в экосистемах и экономике многих регионов, включая Республику Татарстан [1]. Республика Татарстан расположена в зоне смешанных лесов, где хвойные насаждения, представленные в основном сосной обыкновенной (Pinus sylvestris L.), занимают около 22 % общей лесоплощади. Основные массивы сосновых боров сосредоточены в Предкамье (Приволжский, Сабинский, Балтасинский районы) и Западном Предкамье. Они имеют важное почвозащитное и водоохранное значение, особенно вдоль берегов крупных рек, таких как Волга и Кама [2–4]. Сосна в Татарстане произрастает в различных типах леса – от сухих лишайниковых боров до влажных сложных боров, что определяет некоторые вариации в скорости роста и качестве древесины [5].

Лесопромышленный комплекс Татарстана занимает один из значимых секторов экономики. Ключевые предприятия, в частности АО «Татлесспром» и входящие в его структуру лесхозы, осуществляют заготовку и переработку древесины. Традиционная переработка сосны включает в себя следующие производственные процессы [6]:

• выпуск обрезных и необрезных досок, бруса, используемых в строительстве и мебельном производстве;
• производство ДСП, ДВП и OSB-плиты из древесной стружки и опилок.

Кроме того, в производственной цепочке получают низкосортную древесину и отходы, часть которых направляется на целлюлозные заводы, а часть отходов и коры используется как топливо.

Переработка сосны в Татарстане сталкивается с проблемой использования биомассы. Кора, снимаемая при окорке древесины, используется в основном как низкокалорийное топливо, компост или мульча [7]. Ее потенциал в качестве источника химических веществ реализуется крайне слабо [8]. Содержание коры в дереве сосны изменяется в зависимости от возраста дерева, условий произрастания и части ствола, в среднем составляя 12…15 % общей массы стволовой древесины. Образование большого количества коры на лесопромышленных предприятиях создает существенные экологические проблемы, связанные с ее медленным разложением и риском возгорания [9]. При ежегодном объеме заготовок древесины в Татарстане в несколько миллионов кубометров образуются тысячи тонн коры, которые могут стать сырьем для биохимической переработки [10]. Кора сосны представляет собой уникальный комплекс биологически активных веществ (БАВ) и технически ценных веществ, среди которых особый интерес представляют пектиновые вещества, хвойный воск и антоцианидиновые пигменты. Извлечение данных компонентов из коры позволило бы не только решить проблему утилизации отходов, но и создать новые высокомаржинальные продукты с широкой областью применения в пищевой, фармацевтической, косметической, химической и сельскохозяйственной промышленности [11–17].

Одним из наиболее важных компонентов являются пектины. Это сложные гетерополисахариды, основу которых составляет полигалактуроновая кислота. В коре сосны пектиновые вещества входят в состав клеточных стенок преимущественно в форме нерастворимого протопектина. Содержание пектиновых веществ в коре сосны может достигать 10…20 % массы абсолютно сухой коры. Их особенность заключается в высоком содержании нейтральных сахаров — галактозы и арабинозы, а также во взаимосвязи с фенольными соединениями, что придает пектинам выраженные антиоксидантные свойства. В пищевой промышленности пектины используются как гелеобразователи, загустители и стабилизаторы (для желе, джемов, молочных продуктов), в фармацевтике — для производства энтеросорбентов, способных связывать тяжелые металлы и радионуклиды, а также в системах контролируемой доставки лекарств, в косметологии — для гелей и кремов как увлажняющие и структурообразующие компоненты, в сельском хозяйстве — в качестве стимуляторов роста овощей и при обработке семян перед посевом [12, 18–20].

Хвойный воск представляет собой сложную смесь липофильных соединений, включающую в себя эфиры высших жирных кислот и высших спиртов, свободные жирные кислоты (олеиновую, линолевую, пальмитиновую), спирты и стерины. Это ключевой компонент суберина — биополимера, обеспечивающего барьерные функции коры. Содержание воска в коре составляет 5…10 %. В его составе идентифицируют смоляные кислоты (например, абиетиновую). Хвойный воск нашел широкое применение в лакокрасочной промышленности — при производстве олиф, алкидных смол и защитных покрытий, в химической промышленности — для получения пластификаторов, поверхностно-активных веществ и смазочных материалов, в косметике — для губных помад, кремов и мазей как загуститель и влагосберегающий агент [21, 22].

Важным компонентом сосной коры является антоцианидиновый краситель, представляющий собой пигмент из класса флавоноидов, придающий растениям красную, фиолетовую или синюю окраску. В коре сосны они находятся преимущественно в виде бесцветных предшественников — конденсированных танинов, которые при кислотном гидролизе расщепляются с образованием окрашенных антоцианидинов. В сельском хозяйстве хвойный воск добавляют в рационы поросят, телят и цыплят для увеличения привесов, и лучшего использования питательных веществ. Содержание антоцианидинов в коре сосны весьма велико и может достигать 15 % массы коры. Эти соединения являются мощными природными антиоксидантами, превосходящими по активности витамины C и E. В пищевой промышленности антоцианидины используются как натуральные красители и антиоксиданты для напитков, кондитерских изделий и йогуртов, в косметике — для антивозрастных кремов и лосьонов в целях защиты кожи от окислительного стресса, в текстильной промышленности — для экологичного окрашивания таких натуральных тканей, как шелк, шерсть, в медицине предполагается использование их противовоспалительных, кардиопротекторных и противоопухолевых свойств [23].

По имеющимся данным, в настоящее время увеличилась потребность в БАВ на пищевом и косметическом рынках. Мировой рынок пектина оценивается в 1,5 млрд дол. США в 2024 г. и продолжает расти со среднегодовым темпом роста около 6–7 %. Мировой объем рынка натуральных восков пользуется повышенным спросом как альтернатива синтетическим и нефтехимическим аналогам и оценивается свыше 2 млрд дол., натуральных красителей — оцениваются примерно в 2,5 млрд дол. со среднегодовым темпом роста около 8 % [24, 25].

Для извлечения целевых компонентов из коры сосны применяются следующие методы экстракции:

• традиционный (кислотная, щелочная, ферментативная);
• ультразвуковой;
• СВЧ-экстракция;
• сверхкритическим диоксидом углерода;
• комбинированный, включающий в себя извлечение липофильных, полярных компонентов и пектиновых веществ [26–28].

Ныне разработаны разнообразные способы процессов экстракции. Выявлены зависимости выхода БАВ от концентрации и вида экстрагента, температуры процесса, продолжительности экстракции, гидромодуля и т. д., поэтому выявление рациональных технологических параметров, влияющих на экстрагирование БАВ из коры сосны приобрело актуальность. Процесс извлечения БАВ из коры сосны, произрастающей в Республике Татарстан, исследуется в КНИТУ на кафедре переработки древесных материалов.

Цель работы

Цель работы — определение рациональных режимных параметров процесса экстракции БАВ из сосны, произрастающих в Республике Татарстан.

Материалы и методы

Для проведения процесса экстракции БАВ из коры сосны в Республике Татарстан были собраны образцы коры за период июль — август 2025 года (рис. 1). Образцы хранили в герметичной емкости не более 10 сут.

 

Рис. 1. Исследуемое вторичное сырье — кора сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)

Fig. 1. The bark of the Scots pine (Pinus sylvestris L.) as the studied secondary raw material

 

Согласно плану экспериментов, были проведены лабораторные исследования по определению выхода целевых компонентов — пектина, хвойного воска, антоцианидинового красителя — в зависимости от следующих параметров:

• вида и концентрации применяемого растворителя;
• соотношения сырье / экстрагент (гидромодуля);
• степени измельчения сырьевых частиц.

Параметры процесса экстракции имели следующие значения: температура процесса извлечения БАВ — 40…80 °С; время экстракции — 10…100 мин. Были использованы растворители: n-гексан; бензин марок «Калоша» и АИ-95; уайт-спирит; сольвент; этиловый спирт с содержанием водного раствора 4%-й соляной кислоты; 0,5%-й, 1%-й, 1,5%-й и 2%-й водный раствор щавелевокислого аммония. При извлечении БАВ гидромодуль составлял 1:4, 1:6, 1:8, 1:10, 1:15, 1:20. В качестве осадителя пектина применяли изопропиловый спирт.

Для определения рациональных параметров процесса экстракции из хвои сосны была разработана установка (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема лабораторной установки для комплексного исследования процесса извлечения биологически активных веществ из хвои и коры сосны обыкновенной

Fig. 2. Diagram of a laboratory setup for a comprehensive study of the process of extracting biologically active substances from the needles and bark of Scots pine

 

Установка состоит из экстрактора 1, круглодонной колбы (500 мл) 2, проточного холодильника 3, приемника флорентийской склянки 4, аппарата Сокслета с круглодонной колбой (500 мл) 5, резервуара 6, обратного холодильника 7, термостата 8. Регулирование температуры в термостате осуществляется с помощью термопары 10 и терморегулятора (ОВЕН ТРМ 1-Н.У.Р.) 9. Для осуществления нагрева жидкости и ее поддержания в термостате использовали ТЭН 11. Отгонку воздуха из установки проводили вакуумным насосом 12. Взвешивание проб экстракта осуществляли на весах (CBL-2200H) 13. Осаждение БАВ проводили в емкостях 14–16, сбор регенерированных экстрагентов — в емкостях 17–19. Выпаривание растворителей происходило в колбонагревателях 20–22. В противоточном холодильнике 23 осуществлялась конденсация растворителей.

Исследование выполняли следующим образом (методика извлечения эфирных масел и результаты их исследований более подробно представлены в работе [29]). В круглодонную колбу 5 помещали исследуемый неполярный органический растворитель. Колба нагревалась, пары растворителя поднимались по пароотводной трубке в обратный холодильник 7, где конденсировались. Чистый растворитель каплями стекал в экстракционный резервуар 6, в котором находилось сырье, помещенное в бумажный картридж. По мере заполнения резервуара происходили контакт горячего растворителя с сырьем и экстракция компонентов. Когда уровень жидкости достигал верхнего изгиба сифонной трубки, срабатывал сифон, и обогащенный экстрагент самотеком переливался обратно в колбу 5. В колбе растворитель испарялся, а нелетучие экстрагированные вещества оставались в ней. Этот цикл повторялся автоматически несколько раз, обеспечивая полное извлечение целевых соединений при минимальном расходе растворителя. После завершения процесса экстракт из колбы 5 отгонялся в емкость для осаждения 16, нагревался с помощью колбонагревателя 22 и упаривался до сиропообразного состояния. После полного выпаривания исследуемого неполярного органического растворителя в колбе 16 оставался сырой воск, представляющий собой смесь восков, смоляных кислот и пигментов. Дополнительная очистка проводилась методом перекристаллизации из горячего этанола, где воск кристаллизовался при охлаждении, а примеси оставались в растворе.

Обезжиренное после экстракции хвойного воска сырье оставляли в экстракционном резервуаре 6 и обрабатывали горячим паром для удаления исследуемого неполярного органического растворителя. Для экстракции антоцианидиновых красителей из очищенного сырья от экстрагента использовали тот же метод, что и для извлечения хвойного воска, только в качестве экстрагента применяли этиловый спирт с содержанием водного раствора 4%-й соляной кислоты. Экстракцию проводили при умеренном нагреве в термостате 8 в течение 1–2 ч. Экстракт из колбы 5 перегоняли в емкость 15 для выпаривания экстрагента. Для осуществления нагрева использовали колбонагреватель 21. Сбор сконденсировавшегося водного раствора 4%-й соляной кислоты осуществляли в емкости 18. После выпаривания растворителя экстракт представлял собой концентрированный водный раствор красителя. Далее сиропообразную массу лиофилизировали с использованием вакуумного насоса 12 для получения порошкообразного продукта.

Пектиновые вещества получали из дважды обессмоленного сырья путем экстракции водным раствором щавелевокислого аммония, используя описанный выше метод. После завершения процесса извлечения экстракт отгоняли в колбу 14, нагревали с помощью колбонагревателя 20 и упаривали до сиропообразного состояния; туда же добавляли изопропиловый спирт в соотношении 1:5. В течение 2 ч пектиновые вещества выпадали в осадок. После отстаивания проводили отгонку жидкости под вакуумом, а оставшийся осадок высушивали в колбе 14. После полного удаления растворителя образовывался пектин в виде порошка кремового цвета.

На всех этапах (отбор проб сырья, взвешивание экстрактов, взвешивание сухих остатков) использовали аналитические весы (CBL-2200H) 13 с точностью ±0,01 г, что позволяло рассчитать выходы продуктов, построить кинетические кривые экстракции и определить влажность веществ.

Определение влияния гидромодуля на выход биологически активных веществ проводилось на установке (рис. 3).

 

Рис 3. Принципиальная схема лабораторной установки для исследования влияния гидромодуля на процесс извлечения биологически активных веществ из коры сосны: 1 — круглодонная колба (1000 мл); 2 — обратный холодильник; 3 — пробоотборник; 4 — весы CBL-2200H; 5 — колбонагреватель

Fig. 3. Schematic diagram of a laboratory unit for studying the water duty effect on the extraction of biologically active substances from pine bark and needles: 1 — round-bottomed flask (1000 ml); 2 — backflow condenser; 3 — air sampling tube; 4 — CBL-2200H scale; 5 — heating enclosure

 

Для определения эффективного гидромодуля была проведена серия экспериментов при различных значениях соотношения кора / экстрагент. В колбу 1 загружали порцию измельченного сырья массой 20 ± 1 г, туда же заливали экстрагент. Объем экстрагента изменяли в диапазоне 80…400 г, значение гидромодуля — 1:4…1:20. На колбу 1 установили обратный холодильник 2. Собранную конструкцию поместили на колбонагреватель 5 и начали нагрев. Пары экстрагента поступали в обратный холодильник 2 и конденсировались обратно в колбу 1. Каждые 10 мин проводили отбор проб через пробоотборник 3. Пробы высушивали и взвешивали на весах CBL-2200H 4. Пробы отбирали до тех пор, пока разница между результатами двух взвешиваний была не более 0,1 % массы.

Для обеспечения надежности результатов каждого исследования, эксперименты проводились трижды и рассчитывались среднеарифметические значения определяемых параметров.

Исследование проведено с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров «Наноматериалы и нанотехнологии» (ЦКП НМиНТ).

Результаты и обсуждение

Как следует из полученных данных (рис. 4) наибольший выход хвойного воска наблюдается при использовании растворителя n-гексан — 4,87 % общей массы коры, что объясняется высокой растворяющей способностью экстрагента по отношению к неполярным соединениям, которые составляют основную часть хвойного воска. Сравнительно близкие результаты продемонстрировали бензин марок АИ-95, «Калоша» и сольвент, что подтверждает аналогичные физико-химические свойства данных растворителей.

 

Рис. 4. Зависимость концентрации хвойного воска в экстрактах от вида экстрагента

Fig. 4. Dependence of coniferous wax concentration in extracts on the type of extractant

 

Использование уайт-спирита дало низкий выход — концентрация воска не превысила 4 %, что можно связать с различиями в составе экстрагента — наличие содержания ароматических углеводородов, снижающих селективность растворения восковых веществ.

Таким образом, оптимальным экстрагентом для извлечения хвойного воска является n-гексан, обеспечивающий максимальный выход целевого продукта при минимальных потерях и без необходимости в дополнительных этапах очистки.

Анализ полученных результатов показывает (рис. 5), что увеличение объема экстрагента относительно массы коры способствует росту выхода хвойного воска. При повышении гидромодуля от 1:4 до 1:10 наблюдается значительный рост выхода хвойного воска — с 3,3 до 4,87 % общей массы коры. При дальнейшем увеличении гидромодуля до 1:20 прирост становится минимальным — до 4,92 % общей массы коры.

 

Рис. 5. Зависимость концентрации хвойного воска в экстрактах от гидромодуля

Fig. 5. Dependence of the coniferous wax concentration in extracts on the water duty

 

Из рис. 6 видно, что с ростом температуры скорость извлечение хвойного воска существенно увеличивается, что обусловлено возрастанием коэффициентов диффузии и растворимости целевых веществ. При температуре 30 °C выход хвойного воска минимален и увеличивается крайне медленно, что указывает на низкую эффективность процесса при комнатных условиях. Наоборот, при температуре 60…70 °C экстракция протекает значительно быстрее: в первые 40…60 мин достигается максимальная концентрация воска.

 

Рис. 6. Кинетическая зависимость концентрации хвойного воска от продолжительности и температуры процесса, °С: 1 — 30; 2 — 40; 3 — 50; 4 — 60; 5 — 70

Fig. 6. Kinetic dependence of the coniferous wax concentration on the duration and temperature of the process °С: 1 — 30; 2 — 40; 3 — 50; 4 — 60; 5 — 70

 

На начальной стадии процесса наблюдается быстрый рост выхода хвойного воска, что связанно с извлечением легкодоступных соединений из поверхностных слоев коры. Затем процесс замедляется по мере исчерпания доступных резервов и необходимости диффузии из более глубоких тканей.

Повышение температуры свыше 70 °C может привести к разрушению отдельных термолабильных компонентов, поэтому оптимальный температурный диапазон экстракции ограничивается диапазоном 60…70 °C.

После извлечения хвойного воска из коры сосны из обессмоленной коры был извлечен антоцианидиновый краситель (рис. 7).

 

Рис. 7. Зависимость концентрации антоцианидинового красителя в экстрактах от гидромодуля

Fig. 7. Dependence of the concentration of anthocyanidin dye in extracts on the water duty

 

Характер зависимости, представленной на рис. 7 аналогичен процессу выделения хвойного воска (см. рис. 4). Максимальный выход красителя из сосновой коры составил не более 0,6 %, что объясняется небольшим содержанием антоцианидинов и более плотной структурой клеточных стенок, препятствующей их высвобождению. Оптимальный гидромодуль — 1:10, обеспечивает высокий выход при рациональном расходовании экстрагента.

Как видно из рис. 8, нагревание оказывает ключевое влияние на скорость выхода и полноту извлечения веществ. При температуре 40 °C (минимальной) процесс протекает медленно, и даже спустя 100 мин. достигаются сравнительно низкие значения выхода — около 0,5 %. При повышении температуры до 60…80 °C наблюдается резкое ускорение экстракции, максимальная концентрация красителя достигается на интервале 40…50 мин. Однако антоцианидины нестабильны и подвержены быстрому разрушению при нагревании более чем до 65…70 °C [30]. Оптимальной температурой экстракции является 60 °C при продолжительности 70 мин. Дальнейшее повышение температуры активизирует окислительные ферменты, вызывающие разрушение антоцианов.

 

Рис. 8. Зависимость концентрации антоцианидинового красителя из коры сосны от температуры и продолжительности нагревания, °С: 1 — 40; 2 — 50; 3 — 60; 4 — 70; 5 — 80

Fig. 8. Dependence of the anthocyanidin dye concentration from pine bark on temperature and heating duration, °С: 1 — 40; 2 — 50; 3 — 60; 4 — 70; 5 — 80

 

Как следует из рис. 9, наиболее низкий выход наблюдается при использовании чистой воды, при этом концентрация пектина в экстрагенте составляет лишь 1 %. Существенное увеличение выхода достигается при применении водных растворов щавелевокислого аммония, причем повышение его концентрации от 0,5 до 2 % приводит к росту выхода пектина в несколько раз — до 5,4 %.

 

Рис. 9. Зависимость выхода пектиновых веществ в экстрактах от концентрации (0,5…2,5 %) экстрагента щавелевокислого аммония

Fig. 9. Dependence of the pectin substances yield in extracts on the concentration (0.5…2.5%) of the ammonium oxalate extractant

 

Данная закономерность объясняется способностью ионов аммония и щавелевой кислоты разрушать межмолекулярные связи и облегчать высвобождение пектиновых соединений из клеточных структур. В то же время чрезмерное увеличение концентрации экстрагента, более 1,5 %, не приводит к значительному повышению выхода пектиновых веществ, что свидетельствует о достижении предельной эффективности метода. К тому же с увеличением концентрации среда становится агрессивной, что приводит к деградации пектиновых веществ.

Из рис. 10 видно, что при увеличении гидромодуля от 1:4 до 1:10 наблюдается устойчивый рост выхода пектиновых веществ с 3,5 до 5,2 % общей массы коры. При дальнейшем увеличении гидромодуля до 1:20 процесс выходит на стадию насыщения и значения выхода практически не изменяются. При недостаточном объеме растворителя часть пектиновых соединений остается в структуре коры и не переходит в раствор. Оптимальное значение гидромодуля 1:10 позволяет обеспечить высокий выход пектина при рациональном расходе экстрагента.

 

Рис. 10. Зависимость выхода пектиновых веществ в экстрактах от гидромодуля

Fig. 10. Dependence of the pectin substances yield in extracts on the water duty

 

При температурах от 50 до 60 °C выход пектиновых веществ увеличивается медленно и не достигает больших значений через 100 мин. (рис. 11). Однако при температурах 80…90 °C наблюдается резкое ускорение кинетики, и уже к 50-й минуте выход пектина максимальный. При температуре 100 °C достигается наибольшая концентрация пектиновых веществ, однако это ведет к частичной деградации термочувствительных соединений.

 

Рис. 11. Кинетическая зависимость выхода пектиновых веществ из коры сосны от температуры и продолжительности нагревания, °С: 1 — 50; 2 — 60; 3 — 70; 4 — 80; 5 — 90; 6 — 100

Fig. 11. Kinetic dependence of the pectin substance yield in pine bark extracts at temperatures, °С: 1 — 50; 2 — 60; 3 — 70; 4 — 80; 5 — 90; 6 — 100

 

Полученные результаты подтверждают целесообразность проведения экстракции пектиновых веществ при температуре 90 °C в течение 60 мин. как оптимальной для достижения их максимального выхода при минимальном разрушении молекулярной структуры.

Выводы

Извлечение биологически активных веществ из коры сосны возможно при следующих рациональных параметрах процесса:

• для хвойного воска: оптимальный температурный диапазон 60…70 °C., продолжительность экстрагирования 45…55 мин., экстрагент — n-гексан, гидромодуль процесса 1:10;
• для антоцианидинового красителя: температура экстракции 80 °C; продолжительность экстрагирования 50 мин, экстрагент — этиловый спирт с водным раствором 4%-й соляной кислоты, гидромодуль 1:10;
• для пектиновых веществ: температура экстракции 90 °C, продолжительность экстрагирования 60 мин, экстрагент — 1%-й водный раствор щавелевокислого аммония, гидромодуль 1:10.

При указанных параметрах максимальное извлечение хвойного воска составило 0,9 %, антоцианидинового красителя — 0,6 %, пектиновых веществ — 0,52 % общей массы сырья.

 

Работа выполнена за счет гранта, предоставленного Академией наук Республики Татарстан образовательным организациям высшего образования, научным и иным организациям на поддержку планов развития кадрового потенциала в части стимулирования их научных и научно-педагогических работников к защите докторских диссертаций и выполнению научно-исследовательских работ. (Соглашение №10/2025-ПД-КНИТУ от 22.12.2025).

About the authors

Kirill V. Valeev

Kazan National Research Technological University (KNRTU)

Author for correspondence.
Email: kirval116@mail.ru

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

Russian Federation, 68, K. Marksa st., 420015, Kazan, Republic of Tatarstan

Rushan G. Safin

Kazan National Research Technological University (KNRTU)

Email: safin@kstu.ru

Dr. Sci. (Tech.), Professor

Russian Federation, 68, K. Marksa st., 420015, Kazan, Republic of Tatarstan

References

Supplementary files