Современные направления переработки древесной зелени хвойных растений

Россия располагает неисчерпаемой сырьевой базой для развития лесоперерабатывающей промышленности. Комплексное использование лесных ресурсов предусматривает использование всей биомассы дерева, переработку древесных отходов, образующихся в процессе заготовки древесины и переработки ее на лесозаготовительных предприятиях. Это позволит увеличить выпуск продукции с 1 га лесной площади и 1 м³ заготовленной древесины.

На долю стволовой части приходится около 70% общей массы дерева, коры - от 9 до 24, сучьев - 8, пней и корней - 13%. На лесосеках при сплошных рубках остается отходов от общей массы не менее 20%, при рубках ухода от 80 до 1 00%, на нижних складах - 12-14%. Кроме того, на деревообрабатывающих предприятиях древесные отходы составляют от 30 до 50%. Из этого количества отходов около 100 млн. м³ являются экономически доступными, но до сих пор не применяются. Использование древесной зелени, оставляемой только на лесосеках, позволит получать дополнительно пищевой протеин, каротин, витамин С, натуральный клеточный сок и многих других продуктов, необходимых для народного хозяйства.

В последние годы в пищевой, парфюмерно-косметической промышленности, бытовой химии и сельском хозяйстве резко возрос спрос на натуральные биологически активные добавки. Большое значение в решении этого вопроса может иметь использование древесной зелени, богатой биологически активными веществами.

Появление промышленных способов переработки биомассы хвойных связаны с развитием лесохимических производств. В России этот период относится к 30-м годам нынешнего столетия. В это время были начаты исследования химического состава древесной зелени хвойных. Первые обширные исследования, проводимые под руководством отечественных ученых Ф.М. Солодкого, Г.В. Пигулевского, Б.Н. Рутовского, А.П. Пентегова, привели к созданию производства хвойной, хлорофилло-каротиновой пасты и хвойного эфирного масла. Вслед за этим в Латвийской ССР под руководством А.Я. Калниньша и Я.Т. Аболиньша в Кулдигском леспромхозе была сооружена первая промышленная установка по сушке древесной зелени.

Современные способы переработки древесной зелени хвойных основаны на выделении из хвойного сырья биологически активных веществ органическим растворителем в виде суммы экстрактивных веществ. В качестве последнего чаще всего используется бензин. Полученная масса экстрактивных после удаления из них эфирных хвойных масел и воска подвергается омылению щелочью. Этот способ заложен в основе производства хлорофилло-каротиновой пасты и хлорофиллина натрия. Бензин долгое время был единственным, используемым экстрактом для выделения биологически активных веществ из хвойного сырья. Липиды, входящие в состав полученных продуктов, в процессе обработки щелочью омыляются. При этом из состава экстрактов практически полностью исчезают фосфо- и гликолипиды, ацилглицеролы, эфиры стеринов и другие сложные и простые эфиры, обладающие биологической активностью. Кроме того, высокие температуры экстракции также отрицательно влияют на их состав.

Современный уровень развития техники и технологии создал предпосылки для совершенствования промышленных способов переработки хвойного сырья. В настоящее время прослеживаются две тенденции в этом процессе:

• расширение набора экстрагентов, используемых для выделения экстрактивных веществ, и одновременно разработка и применение новых типов аппаратов, позволяющих интенсифицировать сам процесс экстрагирования;
• выделение отдельных групп или классов соединений из общей массы экстрактивных веществ с использованием современных физико-химических методов.

Следует отметить, что основные исследования, связанные с совершенствованием технологии экстрактивных веществ хвойного сырья, проводились до настоящего времени по первому направлению. Так Ф.Т. Медников и Э.Г. Уус с сотрудниками предложили переработку древесной зелени с использованием трихлорэтилена.

Интересно применение в качестве экстрагента водно-спиртовых растворов. Диэлектрическая постоянная этих смесей может быть изменена в больших пределах, и это позволяет экстрагировать широкий круг веществ. Как известно, экстрагент оказывает влияние не только на экстрагирование какой-либо группы веществ, но и на общее число извлеченных компонентов из растительного сырья. При исследовании влияния концентрации спирта на выход экстрактивных веществ установлено, что с понижением концентрации спирта их выход увеличивается.

Сибирскими исследователями было предложено использовать для водно-спиртовой экстракции древесной зелени хвойных изопропиловый спирт. При этом было установлено, что наибольшее количество экстрактивных веществ извлекается разбавленным изопропанолом (55-60%). Выход жирорастворимых веществ с повышением концентрации спирта от 60 до 100% увеличивается в 2 раза, а водорастворимых, напротив, уменьшается в 1,5 раза. Ученые Санкт-Петербургской лесотехнической академии рекомендуют применять для экстракции 100%-й изопропиловый спирт.

В последнее время для извлечения экстрактивных веществ из растительного материала в качестве растворителя предложено применять сжиженные газы. Теория применения сжиженных газов как экстрагентов принадлежит советскому ученому Т.П. Жюзе. Большим достоинством сжиженных газов, как экстрагентов, являются невысокие температуры экстрагирования, что позволяет выделять экстрактивные вещества практически в нативном состоянии. Кроме того, использование сжиженных газов упрощает технологическую схему процесса экстракции за счет исключения стадии регенерации экстрагента. Среди сжиженных газов наибольшее применение нашла в настоящее сжиженная СО₂. Исследователями проведены работы по отработке режимов экстракции древесной зелени хвойных сжиженной СО₂. Было установлено, что наибольший выход СО₂-экстракта для древесной зелени пихты сибирской достигается при удельной поверхности сырья 1200 м²/кг, влажности сырья 15%, жидкостном модуле 9,5. Недостатком сжиженной СО₂ как экстрагента является невысокая степень извлечения экстрактивных веществ. Поэтому в настоящее время учеными рассматривается возможность использования жидкой СО₂ при комплексной переработке сырья. Так, предложено использование сжиженной СО₂ при переработке древесных отходов пихты (коры и древесной зелени) на первой ступени экстрагирования. При этом выход СО₂-экстракта из древесной зелени и коры составил 5 и 6,5% соответственно. Последующие ступени экстрагирования осуществляли водой и этиловым спиртом. Такой способ экстракции позволяет повысить выход суммарных экстрактивных веществ из древесной зелени с 5,0 до 33,1%, а из коры с 6,5 до 25,1%.

Особняком располагаются исследования, проведенные Т.Г. Зингель по экстракции биологически активных веществ из элементов древесной зелени хвойных органическими растворителями. Ею впервые рассмотрены возможности использования селективной экстракции отдельных групп липидов с помощью экстрагентов разной полярности. В результате этих исследований предложена новая технологическая схема выделения и переработки липидов из хвойного сырья и получения на их основе фосфолипидных концентратов.

Одновременно с работами, направленными на изучение использования в качестве экстрагентов растворителей различной полярности, в настоящее время ведутся исследования по интенсификации процесса экстрагирования. Разработаны новые типы аппаратов для выделения экстрактивных веществ из растительного сырья. Так было предложено использовать для экстракции древесной зелени винтовые аппараты непрерывного действия, в которых экстракция проводится по принципу противотока. Продолжительность экстракции в этом аппарате уменьшается до 2 часов, в то время как в периодических экстракторах она составляет при экстракции бензином 3-6 часов. Другими авторами предлагается экстрагирование древесной зелени в роторно-пульсационных аппаратах. При работе этого аппарата, помимо пульсационных движений, в экстрагируемой среде создаются большие градиенты скорости в зазоре между ротором и статором. Применение этого аппарата позволяет резко увеличить внутренний диффузионный перенос, в результате чего процесс экстрагирования интенсифицируется. Однако использование роторно-пульсационного аппарата для извлечения биологически активных веществ имеет ряд недостатков. При его работе происходит забивка щелей в роторе и статоре, поэтому при переработке древесной зелени требуется дополнительная сушка исходного сырья.

Другими отечественными исследователями показана возможность применения аппаратов для экстрагирования с применением ультразвука.

В последние годы проведены исследования по использованию для экстракции древесной зелени гидродинамического аппарата типа "струя-преграда", в котором совмещены процессы измельчения и экстракции. Анализ литературы показывает, что в настоящее время проводятся большие исследования по усовершенствованию технологических процессов переработки экстрактивных веществ биомассы хвойных. Однако до сих пор почти отсутствуют разработки по выделению из хвойного сырья отдельных классов соединений, групп или индивидуальных веществ. К одним из немногих ученых, проводящих исследования в этом направлении, относится научный коллектив Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Так, В.И. Рощиным совместно с сотрудниками предложена схема выделения нейтральных соединений из древесной зелени сосны обыкновенной. Ими же разработан способ выделения полипренолов из хвойного сырья. Интересны и разработки российских ученых по фракционированию эфирных хвойных масел.

Таким образом, научный потенциал России позволяет уже сегодня резко сократить количество древесных отходов в виде древесной зелени хвойных за счет их переработки по новым наукоемким технологиям.

Л.П. Рубачевская д.х.н., проф., С.М. Репях д.х.н., проф.,
Сибирский государственный технологический университет,
г. Красноярск
Доклад научно-практической конференции
"Инвестиционный потенциал лесопромышленного комплекса Красноярского края - СибГТУ, 2001"