СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИГИДРОКВЕРЦЕТИНА ИЗ ОТХОДОВ ЛЕСОЗАГОТОВКИ И ЛЕСОПЕРЕРАБОТКИ ЛИСТВЕННИЦЫ
METHOD OF PRODUCING DIHYDROQUERCETIN FROM WASTE WOOD AND LARCH WOOD PROCESSING WASTES

Изобретение относится к биотехнологической промышленности, а именно к производству биопрепаратов медицинского, пищевого, косметологического, технического назначения из отходов лесозаготовок и лесопереработок, активным веществом которых является дигидрокверцетин (ДКВ), обладающий высокой антиоксидантной активностью.
ДКВ относится к классу восстановленных флавоноидов и является представителем группы флаванон-3-олов. По химической структуре ДКВ - полифенол (фиг.1). Его антирадикальная активность проявляется уже при концентрациях 3,3÷0,3 мкмоль/л при полном отсутствии мутагенной активности для человека. Препарат ДКВ - важнейший Р-витамин антиоксидантного действия, который обеспечивает жизнедеятельность человека, отвечая, в частности, за сопротивляемость живых организмов к различным патологиям и вирусным заболеваниям. ДКВ используется в качестве капилляроукрепляющего, капилляропротекторного, гемореологического средства. В фармакологии рекомендован для комплексного лечения авитаминоза, ишемической болезни сердца, атеросклероза, оказывает положительное влияние на функциональное состояние печени, способствует восстановлению дренажной функции бронхов и биомеханики дыхания, улучшает работу сердца. Входит в состав фитоконцентратов, предназначенных для профилактики и для лечения сахарного диабета, заболеваний печени и желчного пузыря, желудочно-кишечного тракта, предстательной железы, почек и мочевого пузыря, а также сердечно-сосудистых заболеваний. Имеет широкий спектр действия: регулирует метаболические процессы и может применяться в комплексной терапии различных заболеваний, оказывает положительное влияние на функциональное состояние практически всех внутренних органов человека. Используется для профилактики и лечения опухолевых (в том числе онкологических) заболеваний, при поражении СПИДом, аутоиммунных заболеваниях, хронических воспалительных процессах вирусной и бактерииальной природы и при приобретенных патологиях.
По оценкам специалистов системное профилактическое введение ДКВ в продукты питания (пищу, напитки) в пределах минимальных доз 1÷10 мкг/кг веса тела/сутки в течение года позволяет продлить жизнь человека на 20-25 лет. Ввиду исключительно важных свойств ДКВ рекомендовано вводить его в рацион питания населения тех регионов или профессиональных групп, которые подвергаются высоким дозам электромагнитного излучения, радиации, вирусного воздействия или физическим перегрузкам с целью повышения в десятки и сотни раз физиологической устойчивости по предельным нагрузкам и срокам.
В пищевой промышленности ДКВ применяется в качестве природного консерванта для продления сроков хранения и повышения защитной антиокислительной, антиплесневой, противодрожжевой активности (фиг.2). Например, использование ДКВ в производстве растительного масла, морепродуктов, рыбных и кондитерских изделиях продлевает срок их годности минимум в 2-3 раза, придавая при этом продуктам ярко выраженные оздоровительные свойства. ДКВ используется в винодельческой промышленности для искусственного старения коньяков и вин, для улучшения вкусовых качеств и качества спиртных напитков, предотвращения возникновения похмельного синдрома, повышения защитной, антиокислительной, антиплесневой, противодрожжевой активности.
Использование ДКВ при производстве косметических и парфюмерных изделий в различных кремах, мазях, аэрозолей повышает уровень защиты свойства кожи от воздействия излучения, радиации, микробов, вирусов. Благодаря возможности ДКВ влиять на синтез коллагена (эластина), сокращается количество морщин и кожа долго сохраняет свежесть, упругость, молодость. Наличие ДКВ в составе зубных паст, эликсиров, глазных капель, духов, одеколонов при их использовании способствует нормализации общеобменных процессов через кожу, слизистые оболочки, в лимфатической и кровеносной системах и оказывает на организм человека омолаживающий эффект. ДКВ введенный в состав косметических и парфюмерных изделий особенно необходим в экологически загрязненных районах.
В технических отраслях промышленности ДКВ может быть использован при производстве:
- моторных и реактивных топлив и масел, органических красок и лаков, воднодисперсных технических продуктов и для увеличения сроков хранения;
- фильтров микробной и бактериальной очистки воздуха;
- для повышения сохранности изделий антикварной и музейной ценностей, книг, ценных бумаг, кожи, мехов и тканей;
- в качестве ингибитора биокоррозии металлических конструкций, включая нефтепроводы, а также как ингибитор биодеструкции полимерных материалов и конструкций.
Вместе с тем, широкому внедрению ДКВ препятствует его высокая рыночная стоимость вследствие ограниченности сырьевой базы (виноград, эвкалипт, японская сакура, лепестки розы и др.), в первую очередь, сложность, энерго- и ресурсозатратность, экологическая небезупречность технологий его выделения из растительного сырья. Поэтому количество ДКВ на российском и мировом рынке лимитировано, потребности рынка удовлетворяются не более чем на 5÷10% и цена достаточно высока - держится на уровне 350÷1000 $US/кг в зависимости от степени очистки ДКВ.
Альтернативой сырья для производства ДКВ являются корни и комлевая часть даурской и сибирской лиственницы, произрастающей в Сибири и на Дальнем Востоке, древесина которой содержит до 2,5% флавоноидов, представленных в основном ДКВ, кверцетином, дигидрокемпферолом и нарингенином (древесина лиственницы, произрастающей в экстремальных климатических условиях Северо-Востока России - до 5,0%), при этом на долю ДКВ приходится 70÷90% от общей суммы флавоноидов [Тюкавкина НА., Лаптева К.И., Медведева С.А. Фенольные экстрактивные вещества рода Larix (обзор) // Химия древесины. 1973. Вып.13. С.3-17].
Известен способ получения ДКВ из древесины лиственницы в промышленных масштабах путем отгонки с перегретым водяным паром очень плохо растворимых в воде флавоноидов, включая ДКВ, из лиственничных опилок [Патент РФ №2158598. Способ получения дигидрокверцетина / В.А.Бабкин, Л.А.Остроухова, Д.В.Бабкин, Ю.А.Малков // Б.И. 2000 г. №31]. Известен также «взрывной» автогидролизный способ выделения ДКВ из лиственничных опилок в присутствии сернистокислого натрия (температуры ≈220°С, давление ≈3,4 МПа) с последующим его выделением из низкотемпературного предгидролизата лиственницы полиамидным сорбентом [Б.Н.Кузнецов, В.Н.Левданский, С.А.Кузнецова и др. Получение кверцетина из древесины лиственницы сибирской в условиях «взрывного» автогидролиза в присутствии сернистокислого натрия // Химия растительного сырья, 2003, №4, С.37-41]. Недостатками этих способов получения ДКВ являются:
их очень высокая энергозатратность (обусловленная, в том числе, необходимостью получения больших количеств перегретого водяного пара);
при термической обработке древесины перегретым водяным паром образуются токсичные соединения типа фурфурола, от которых затем необходимо очень тщательно избавляться, способ экологически небезопасен;
эффективность выделения ДКВ из сырья составляет не более 50%.
Наиболее близким аналогом к изобретению (прототипом) является способ, основанный на совмещении процессов дистилляции и жидкостной экстракции, он позволяет отделить ДКВ от сопутствующих смолистых веществ с одновременной регенерацией органического растворителя [Патент РФ №2249026. Способ переработки отходов лиственницы с выделением природных веществ в нативном виде / Уминский А.А., Абрамов Я.К., Кудряшов В.К., Лунин Н.П., Уминская К.А., Мадякин В.Ф., Смолин Б.И. // Б.И. 2005 г. №31]. Лиственничную крошку заливают спиртом, смесь неоднократно прокачивают по системе, в которой она подвергается кавитационным процессам с использованием вакуумно-волновых методов. Это позволяет выделить из крошки до 70% ДКВ. Далее экстракт направляется на выпаривание спирта в вакууме при низких температурах. В ректификационной колонне происходит разделение масел, смол и флавоноидов. Все эти фракции выводятся отдельно. Полученный порошок - ДКВ-сырец - растворяют в водно-спиртовой смеси с добавлением эфира. ДКВ избирательно переходит в эфирную фазу, из которой он затем извлекается и подвергается неоднократной перекристаллизации с деионизированной водой. Недостатками этого способа получения ДКВ являются:
их высокая энергозатратность, связанная с процессами дистилляции и жидкостной экстракции;
экологическая небезопасность, обусловленная применением в технологическом процессе органических растворителей (этанола, эфира) и тем, что при дистилляционной обработке древесины органическими растворителями также образуются токсичные соединения типа фурфурола, конденсированных таннинов и проантоцианидинов, абиетиновой и дегидроабиетиновой кислот, от которых затем необходимо очень тщательно избавляться;
эффективность выделения ДКВ из сырья составляет не более 70%.
Техническим эффектом предлагаемого изобретения является, во-первых, резкое снижение энергетических затрат при выделении ДКВ из лиственничных опилок, т.к. в предлагаемом способе не используется перегретый водяной пар и процессы, связанные с дистилляцией и жидкостной экстракцией. Во-вторых, экологическая чистота предлагаемого способа, так как в нем нет ни высокотемпературных, ни автогидролизных, ни дистилляционных стадий обработки лиственничных опилок, не используются органические растворители, т.е. не происходит образование токсичных продуктов типа фурфурола. Собственно производство ДКВ по предлагаемому способу не имеет вредных отходов и выбросов в атмосферу.
Эффект изобретения достигается тем, что после измельчения отходы лиственничной лесозаготовки и лесопереработки (лиственничные опилки) подвергают твердофазной предэкстракционной механохимической обработке в шаровой мельнице в присутствии сухого гидроксида натрия в соотношении 19:1 по массе, заключающейся в инициации механическим воздействием химических реакций замещения атомов водорода фенольных групп ДКВ на катионы натрия непосредственно в твердой фазе. Благодаря этому ДКВ переходит в водорастворимую фенолятную форму. Затем полученную смесь заливают водой с последующим выдерживанием и отделением жидкой фазы, из которой осаждают ДКВ из водного экстракта подкислением соляной кислотой до pH 1,5-2,0, после чего отделяют и сушат осадок целевого продукта.
Сущность изобретения состоит в том, что энергоемкие, экологически «грязные» и недостаточно эффективные стадии дистилляции и жидкостной экстракции («взрывного» автогидролизного выделения) ДКВ из лиственничных опилок заменяются энергомалозатратной (не надо нагревать большие объемы воды, переводя ее в перегретый пар), экологически чистой (не происходит образование токсичных продуктов типа фурфурола, не используются органические растворители) механохимической реакцией перевода водонерастворимого ДКВ в водорастворимую пентафенолятную форму. При этом существенно возрастает и показатель ресурсосбережения (эффективности) технологии, т.к. степень извлекаемости ДКВ из сырья достигает 90-95%.
Способ включает три энергомалозатратные и экологически чистые стадии: предэкстракционный твердофазный механохимический процесс перевода ДКВ в водорастворимую форму; обработку получаемого порошка водой, приводящую к растворению пентофенолятной формы ДКВ; осаждение ДКВ из раствора, отделенного от твердого остатка опилок подкислением соляной кислотой до pH 1,5-2,0.
Изобретение может быть реализовано следующим образом. Отходы лесозаготовки и лесопереработки лиственницы измельчают. Лиственничные опилки подвергают твердофазной механохимической обработке, а именно помещают их в шаровую мельницу вместе с сухим гидроксидом натрия в соотношении 19:1 по массе и проводят механохимическую реакцию при скорости вращения не менее 1500 об/мин в течение 2 мин (таблица). Полученную смесь заливают водой, выдерживают при перемешивании 15 часов, жидкую фазу отделяют от нерастворенных частиц фильтрацией. Полученный прозрачный экстракт подкисляют соляной кислотой до pH 1,5-2,0, при этом водорастворимая пентофенолятная форма ДКВ, образовавшаяся при механохимической обработке в присутствии сухого гидроксида натрия, вновь переходит в водонерастворимую, пентафенольную форму, ДКВ осаждается. Осадок отделяют от супернатанта центрифугированием и высушивают. Содержание ДКВ в полученном препарате составляет ≈70÷75%, в нем полностью отсутствуют токсичные примеси.
Предлагаемая простая, экологически чистая, энерго- и ресурсосберегающая и поэтому экономически очень рентабельная технология позволяет получать из отходов лесозаготовок и лесопереработки лиственницы до 45 г ДКВ/1 кг сырья (извлекаемость ДКВ из сырья 90-95%), препарат не содержит токсичных примесей, чистота по ДКВ составляет до 70-75%, себестоимость препарата - около 100-150 $US/кг. При таких характеристиках препарат ДКВ может быть использован не только в лечебно-профилактических, но и в пищевых, косметологических и технических целях.