Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эфирные масла хвойных растений России

ВАК РФ 03.00.32, Биологические ресурсы

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Колесникова, Римма Дмитриевна

Введение.

Глава 1. Современное состояние вопросов исследования эфирных масел хвойных растений.

1.1. Различные направления исследований природных, смесей.

1. 2. Газохроматографические методы исследования сложных смесей органических веществ растительного происхождения

1.3. Биогенез терпеноидов в природных объектах

1.4. Эфирные масла хвойных деревьев

1.5. Методика отбора растительного сырья.

1.6. Способы извлечения эфирных масел.

Ь 7. Физико-химические характеристики эфирных масел хвойных.

1.8. Состав компонентов эфирных масел и методы его исследования.

1.9. Возможность использования данных о составе эфирных масел в хемосистематике.

1.10. Лесоводственно-биологическое значение эфирных масел.

1.11. Перспективы рационального использования эфирных масел.

Глава 2. Программа работ, объекты и методика исследований.

2.1. Цель исследований и основные задачи.

2.2. Характеристика объектов исследований.

2.3. Методика работы.

Глава 3. Выбор оптимальных параметров хроматографического

разделения эфирных масел хвойных растений.

3.1. Выбор сорбентов.

3.2. Выбор оптимальной скорости газа-носителя.

3.3. Выбор температ>ры.

3.4. Расчет некоторых термодинамических характеристик эфирных масел хвойных растений.

3.5. Разработка методик анализа монот^шеповых, сесквитерпековых, кислородсодержащих и других соединении эфирных масел хвойных растений.

3.6 Разделение монотерпеноидов эфирного масла лиственницы жидкостной хроматографией.

Глава 4. Исследования химического состава и содержания эфирных масел хвойных растений семейств Pinaceae Lindl., Cupressaceae Rich ex BartL, Taxodlaceae F.W. Î4eî*er.

4.1. Извлечение и ректификация эфирного масла.

4.2. Препаративная хроматография эфирных масел хвойных.

4.2.1. Разделение эфирного масла лиственниц.

4.2.2. Разделение эфирного масла сосны Сосновского.

4.2.3. Разделение эфирного масла пихты бслокорой.

4.3. Идентификация компонентов, входящих в эфирные масла хвойных растений.

4.4. Изучение химического состава эфирных масел хвойных растений.

4.4.1. Эфирные масла лиственниц.

4.4.2. Эфирные масла сосен.

4.4.3. Эфирные масла пихт.

4.4.4. Эфирные масла представителей других семейств и родов.

Глава 5. Биологические особенности эфирных масел хвойных растений, изменчивость состава и содержания.

5.1. Содержание эфирного масла в отдельных частях и тканях растении лисхвеньицы. ¿-»^

5.2. Изменчивость состава эфирных масел лиственниц.

5.2.1. Распределение монотерпеновых углеводородов в различных частях деревьев лиственницы сибирской.

5.2.2. Влияние классов роста на состав эфирных масел.

5.2.3. Химический состав компонентов эфирных мясел как видовой признак растений рода Larix Hill.

5.2.4. Годичная динамика эфирного масла и содержания в нем монотерпеновых углеводородов у некоторых видов лиственницы.

5.2.5. Состав и годичная динамика кислородсодержащих, сесквитерпеновых углеводородов и других соединений эфирного масла лиственницы.

5.3. Изменчивость состава эфирных масел сосен.

5.3.1. Распределение монотерпеновых углеводородов в эфирных маслах различных частей растений.

5.3.2. Возрастная изменчивость выхода и состава эфирных масел сосны.

5.3.3. Сезонная изменчивость выхода и состава эфирных масел сосны.

5.3.4. Слточная динамика выхода и содержания компонентов эфирного масла из хвои сосны обыкновенной

5.3.5. Состав эфирных масел и скипидаров индивидуальных деревьев сосны обыкновенной.

5.3.6. Состав эфирных масел из хвои у географических экотипов.

5.3.7. Роль эфирных масел в устойчивости деревьев к болезням и вредителям.

5.4. Изменчивость состава эфирных масел родов и семейств Pinaceae Lindl., Taxodiaceae F. W. Neger.

Cupressaceae Rieh, ex Bart!.

5.5. О "биогенетической лестнице" монотерпеноидов рода Larix Hill и рода Pinus L.

Глава 6. Хемотаксономические особенности эфирных масел.

Разработка методов ранней диагностики видов растений семейства Pinaceae Lindl по изменчивости состава эфирных масел.

6.1. Способ хемотаксономической диагностики вида лиственницы.

6.2. Изучение состава эфирных масел сосен как химического признака видов.

6.3, Возможность использования данных о химическом составе эфирных масел в систематике видов пихт.

6.4. Возможность использования данных о химическом составе эфирных масел в диагностировании представителей родов Pseudotsuga Сап\, Sequoia End!. Cryplomeria Don, Chamaecyparis Spach, Platycladus Spach (Bioia (D. Don) Endl.), Juniperus L. (Sabina Mili.).

Глава 7. Рациональное использование эфирных масел хвойных и сопутствующих им продуктов флорентинных вод).

7.1. Продуктивность различных видов лиственницы по компонентам эфирных масел.

7.2. Продуктивность различных видов сосны и пихты по компонентам эфирных масел.

7.3. Использование хвойных эфирных масел и флорентинкой воды для профилактики и лечения заболеваний.

7.4. Другие направления рационального использования хвойных эфирных масел.

Глава 8. Внедрение результатов исследований.

8.1. Краткая характеристика товарной продукции.

8.2. Использование результатов работы в научно-исследовательских институтах

8.3. Внедрение научных разработок я производство.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эфирные масла хвойных растений России"

В настоящее время одним из путей комплексного рационального возобновляемого природопользования является переработка отходов хвойных пород для получения эфирных масел (ЭМ) и целого ряда других продуктов. ЭМ - это уникальная группа природных биологически активных веществ, продуцируемых растениями и частично выделяемых ими в окружающую среду. Большой научно-практический интерес представляет изучение ЭМ древесной зелени растущих деревьев. ЭМ обладают высокими бактерицидными свойствами, играют важную роль в очищении воздуха от болезнетворных микроорганизмов, в охране здоровья человека (Миргородская, 1995). Некоторые масла, такие как розовое, лавандовое, мятное (Танасиенко, 1985) издавна используются человеком, другие из-за слабой их изученности остаются пока в резерве, к ним можно отнести ЭМ хвойных растений. Резервы же весьма внушительные, если учесть, что ЭМ вырабатываются тысячами видов растений и ежегодно выделяются ими в атмосферу нашей платены в количествах от 175 млн. т до 1012 т, при окислении 175 млн. т ЭМ под действием атмосферных факторов высвобождается энергия, равная 1,7 х 1018 калорий. Это несколько больше суммарной энергии грозовых разрядов - 1,5 х 1018 калорий в год (Степанов,

1972). - ----------------------

Ресурсы древесной зелени хвойных в России составляют 25 млн. т. Экономически доступные ресурсы технической зелени равны 10 млн. т хвойных пород (Боханова, 1973). Запас древесины хвойных Дальнего Востока составляет 17559 млн. м3 (Шейнгауз, 1989). Расчет экономического потенциала ресурсов древесной зелени предложен А.Закировым (1984). Например, при эксплуатации лиственничных лесов ежегодно образуется около 1,5 млн. м3 лесосечных отходов, из которых можно получить до 30 тыс. т ЭМ (Латыш, 1979). Использованию древесной зелени посвящена монография Р.И. Томчука, Г.Н.Томчук (1966). По данным Р.А.Степеня, С.П.Чуркина (1982) в приенисейских хвойных фитоценозах летучие 8 терпеноиды поднимаются на высоту до 100 метров и их "запасы" в воздухе оцениваются в 10 % от суммы ЭМ в фитомассе древесных насаждений. Интерес к ЭМ вызывается не только стремлением их утилизировать, но и тем, что состав и свойства выражают устойчивость к морозам и засухе, грибным заболеваниям, вредным насекомым и т.д. Они в значительной степени определяют характер взаимоотношений между совместно произрастающими растениями. Проблема ЭМ стала особенно актуальна. Ей посвящаются совещания, конференции, международные конгрессы, ряд монографий: Г.Дюпон (1931); Е.Гильдемейстер, Ф.Гофман (1949); М.И.Горяев (1952); М.И.Горяев, М.Плива (1962); П.Г.Горовой (1966); М.И.Горяев, Л.А.Игнатова (1969); Ы.Т.М1гоу (1961); Г.В.Пигулевский (1949); $Лиуопеп (1966); И.И.Супрунов, П.Г.Горовой, Ю.А.Панков (1972); Р.А.Степень, С.П.Чуркин (1982); Ф.С.Танасиенко (1985); В.В.Николаевский и др. (1987); А.И.Чернодубов, Р.И.Дерюжкин (1990) и др.

ЭМ в жидком виде содержат часть летучих фракций. В ряде областей применение их весьма важно. Прежде всего, это оптимизация воздуха закрытых помещений в местах массового скопления или длительного пребывания людей. В закрытых помещениях резко снижается биологическая активность воздуха. ЭМ являются одним из регуляторов физико-химических свойств воздушной среды, снабжая воздух активным кислородом. Они создают неповторимый аромат и свежесть воздуха, что положительно влияет на эмоциональное состояние человека. Очень важно то обстоятельство, что ЭМ являются поставщиками необходимых для человека веществ - витаминоподобных, гормоноподобных, а также веществ, идущих на построение биологических комплексов; ЭМ нередко называют "атмосферными витаминами" (Степень, 1992). ЭМ широко используются в санаторно-курортной практике. Изучение влияния ЭМ на здоровье человека позволяет научно обосновать размещение и выращивание зеленых насаждений в санаториях, курортах, городах, дендропарках и лесопарках. В целом, ЭМ обладают чрезвычайно разносторонней активностью: антимикробной, противовоспалительной, 9 противовирусной. противогнилостной. Они оказывают различное действие: адаптогенное. антиастматическое, антидепрессивное, антисептическое, антилейкодермическое, дезинфицирующее, болеутоляющее, ранозаживляющее, противолучевое, противоопухолевое. Хвойные масла, однако, были слабо изучены, данные были малочисленны и разрозненны, поэтому автор работы стремился внести посильный вклад в изучение ЭМ хвойных растений, произрастающих и интродуцированных на территории России и в отдельных случаях за ее пределами (Прибалтика, Крым, Кавказ и др.).

Целью работы являлось изучение закономерностей содержания и состава ЭМ древесной зелени хвойных растений сем. Ртасеае, произрастающих в естественных условиях, а также интродуцированных на территории России и на основе полученных данных определение продуктивности хвойных насаждений по биологически активным веществам (эфирным маслам) для их рационального использования в практике.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить ряд задач: разработать методы аналитического и препаративного разделения такой исключительно сложной природной смеси, которой являются ЭМ хвойных растений; выделить из состава ЭМ группы веществ, а также индивидуальные компоненты и провести их идентификацию; изучить изменение содержания и состава в различных частях древесной зелени с растущих деревьев^ЭМв древесных отходах; исследовать биологические особенности ЭМ (сезонную, суточную, возрастную динамику содержания и состава ЭМ) для выяснения участия их в процессах жизнедеятельности растения; изучить различия содержания и состава в зависимости от видов растений для определения роли компонентов ЭМ в химической систематике растений и, наконец, на основе полученных данных рекомендовать наиболее перспективные и рациональные пути использования ЭМ для практических целей.

10

Организация исследований. Работа выполнялась в Воронежском лесотехническом институте (ВЛТИ) в 1970-1984 гг. и Дальневосточном научно-исследовательском институте лесного хозяйства в 1985-1997 гг. Отбор проб древесного сырья проводился совместно с аспирантами и студентами ВЛТИ и сотрудниками ДальНИИЛХ.

Все хроматографические исследования химического состава ЭМ и научные обобщения выполнены лично автором.

Р. Д. Колесникова принимала также непосредственное участие во внедрении результатов исследований.

Защищаемые положения.

1. Данные о качественном и количественном составе и содержании ЭМ семейства Pinaceae Lindl.

2. Хроматографические методы разделения ЭМ.

3. Изменчивость биологически активных компонентов и содержания ЭМ, подтверждающая активное участие этих природных групп химических веществ в процессах метаболизма хвойных растений.

4. Способы хемотаксономической диагностики вида растений.

5. Продуктивность хвойных растений семейства Pinaceae и рекомендации их посадки в зелёных зонах городов, дендропарках, санаторно-курортных местностях с учётом биологически активных компонентов ЭМ, продуцируемых этими растениями.

Научная новизна. Работа является развитием двух направлений -химической систематики хвойных растений и рационального неистощительного использования природных смесей биологически активных веществ семейства Pinaceae для улучшения среды обитания и здоровья человека.

Впервые проведены комплексные целенаправленные исследования содержания и состава ЭМ у 52 ботанических видов и 6-ти разновидностей 3-х семейств: Pinaceae, Taxodiaceae, Cupressaceae, произрастающих и интродуцированных на территории России и в ряде мест прежнего СССР (Прибалтика, Крым, Кавказ).

11

Разработан способ выделения углеводородов (A.c. № 205813).

Разработан препаративный хроматограф (A.c. № 199494).

Разработан способ хемотаксономической диагностики вида лиственницы (A.c. № 457922).

Разработан способ получения хвойного эфирного масла (A.c. 1723109).

Впервые изучен новый биологически активный продукт - пихтовая вода, зарегистрированный как вещество, обладающее противовоспалительным, биостимулирующим и общеукрепляющим действием (Патент № 1805966).

Установлены зависимости между строением биологически активных веществ ЭМ и их хроматографическими характеристиками.

Выявлена закономерность изменчивости содержания и состава ЭМ в отдельных органах и тканях растения. Устновлена изменчивость .этих факторов в период вегетации.

Впервые установлено, что каждый ботанический вид хвойного растения имеет определенный количественный состав ЭМ. Соотношение содержания доминирующих компонентов (а - пинена и А3 - карена, а также борнилацетата и суммы кадиненов) может служить дополнительным химическим признаком вида хвойного растения. Предложены рациональные направления использования хвойных ЭМ для улучшения среды обитания и здоровья человека.

Практическое значение и реализация результатов исследования.

Разработанные хроматографические методы разделения эфирных масел использованы в Центральном научно-исследовательском институте лесной генетики и селекции (Акты внедрения прилагаются).

Данные о качественном и количественном составе биологически активных компонентов ЭМ несут обширную информацию о продуктивности 52 ботанических видов и 6-ти разновидностей 3-х семейств.

Данные о содержании индивидуальных компонентов необходимы для хемосистематики растений.

Результаты исследований содержания и состава ЭМ являются основой для оценки санитарно-гигиенической роли основных лесообразующих хвойных пород: лиственницы, ели, пихты, сосны. Изменчивость компонентов ЭМ характеризует биохимические процессы, протекающие в растении и в определённой степени влияющие на окружающую среду. Эти данные позволяют рекомендовать конкретные виды хвойных растений для озеленения городов, санаторно-курортных местностей, а также для создания плантаций и для селекционно-семеноводческих целей.

Сведения, полученные при изучении суточных, сезонных, возрастных изменений необходимы для практических рекомендаций по срокам отбора древесной зелени для получения ЭМ.

Данные о содержании и составе ЭМ необходимы при решении ряда вопросов использования древесных отходов. Эти сведения использованы при разработке нормативно-технических документов, разрешающих промышленное производство ЭМ (Технические условия на "Масло пихтовое дальневосточное", "Масло эфирное натуральное елово-пихтовое", "Масло эфирное натуральное лиственничное", "Масло эфирное натуральное кедровостланиковое" и др.). Осуществлен способ получения хвойных эфирных масел с повышенным содержанием кумаринов.

По разработанным нормативным документам было организовано промышленное производство хвойных ЭМ в Хабаровском и Приморском краях, Амурской и Сахалинской областях. В Дальневосточном регионе пихтовое и елово-пихтовое масла вырабатывали свыше 60 лесхозов, леспромхозов и других организаций. Наряду с пихтовым маслом вырабатывалась и пихтовая вода, зарегистрированная в Роспатенте как вещество, обладающее противовоспалительным, биостимулирующим и общеукрепляющим действием. Пихтовое масло и пихтовая вода были использованы в совхозе декоративных культур, а также в ряде животноводческих совхозов Хабаровского края. Получены положительные результаты (акты испытаний и внедрения - прил. 9).

Информация о качественном и количественном составе биологически активных компонентов ЭМ послужила необходимой научной основой для проведения доклинических и клинических испытаний ЭМ и воды в Хабаровском

13 государственном медицинском, Красноярском государственном медицинском институтах, Хабаровском краевом Центре психического здоровья, Хабаровском краевом онкодиспансере, Хабаровских клиниках, во Владивостокском институте медицинской климатологии и восстановительного лечения (акты испытаний и внедрения прилагаются).

Совместно с Ю.Г.Тагильцевым выполнялись исследования по разработке и внедрению технических условий на ЭМ из древесной зелени хвойных растений, произрастающих на Дальнем Востоке, а также по разработке способов получения хвойных эфирных масел.

Материалы о химическом составее ЭМ использованы при разработке и осуществлении Международной программы по Модельным лесам и, в частности, Модельного леса "Гассинский" на территории Хабаровского края.

Выражаю глубокую благодарность д.х.н., проф. А.А.Жуховицкому, д.х.н., проф. К.И.Сакодынскому, д.б.н., проф. А.А.Яценко-Хмелевскому, д.б.н., проф. Е.Г.Боброву, академику, д.б.н., проф. П.Г.Горовому, д.т.н., проф. Ю.И.Холькину, за научные консультации и внимание, проявленное к этой работе, ее одобрение, а также к.с.-х.н., с.н.с. Ю.Г.Тагильцеву за помощь и поддержку в проведении работы.

Благодарю врачей В.А.Цюпко и к.м.н. В.И.Михайлова за активное проведение испытаний хвойных эфирных масел и пихтовой воды в медицинской практике.

14

Глзвз 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ХВОЙНЫХ РАСТЕНИЙ

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Колесникова, Римма Дмитриевна, Хабаровск

1. Кедр ливанский Колесникова, Чернодубов, Дерюжкин, 1980

2. Ель аянская Колесникова, 1985; Тагильцев и др., 1996

3. Химический состав ЭМ лиственницы, сосны, ели и пихты изучен недостаточно, а эфирные масла представителей других родов семейства Ртасеае практически не изучены.

4. Почти полностью отсутствуют данные о составе высококипящей части масла хвойных растений.

5. В литературе мало данных по исследованию связи химического состава ЭМ хвойных с вопросами хемосистематики и лесоводственно-биологическими факторами.

6. Разработать хроматографические методы аналитического и препаративного разделения ЭМ.

7. Выделить и идентифицировать биологически активные компоненты ЭМ.

8. Изучить изменения содержания и состава в различных частях растущих деревьев и в древесных отходах для практического использования.

9. Изучить сезонную, суточную , возрастную динамику содержания и состава ЭМ для выяснения участия их в процессах жизнедеятельности растений.

10. Изучить видовую изменчивость содержания и состава для определения роли компонентов ЭМ в химической систематике растений.

11. Рекомендовать на основе полученных научных данных наиболее перспективные и рациональные пути использования ЭМ для практических целей.