Поиски путей рационального использования хвои привели к детальному изучению ее химического состава.
Необходимо отметить два периода в изучении химического состава хвои. Первый характеризуется в основном изучением химического состава лигноцеллюлозного комплекса, так называемых структурных элементов и групп веществ, препятствующих их выделению (водорастворимые дубильные вещества и смолы). Хвою при этом рассматривают только как сырье для получения волокна, или лесной шерсти.
Второй период отличается детальным исследованием биохимического состава хвои, рассматриваемой как сырье, богатое витаминами, ферментами, микроэлементами, фитонцидами, липоидами, белками и др. Появилось и новое направление в использовании хвои — получение биологически активных продуктов лекарственного, пищевого и кормового назначения.
Состав хвои, особенно содержание в ней пигментов, фитонцидов, витаминов и других физиологически активных веществ, зависит от многих факторов: видовых особенностей растения, его возраста, условий окружающей среды, времени суток, времени года, количества выпадающих осадков, рельефа местности, типа почвы, колебаний температуры, освещенности и др.
Большую работу по определению химического состава хвои проводили в Ленинградской лесотехнической академии им. С. М. Кирова под руководством Н. И. Никитина. В подробном обзоре литературы по химическому составу хвои химические вещества объединены в группы, которых касались данные исследования: зола, углеводы, глюкозиды и спирты, лигноподобные и дубильные вещества, кислоты, витамины и энзимы, целлюлоза и сосновая шерсть, воск, эфирные масла и смолы. Как показали экспериментальные исследования, состав хвои изучен недостаточно, имеются только данные по содержанию отдельных групп веществ без указания их колебаний от различных факторов и без детального состава фракций.
Химический состав хвои сосны и ели, по данным И. М. Орловой. Для анализов хвою высушивали в вакууме и измельчали. Для удаления смолистых веществ хвою экстрагировали эфиром и затем уже подвергали дальнейшим исследованиям. В зимней хвое ели было определено 10% дубильных веществ; это количество почти вдвое превышает их содержание в хвое сосны. Ориентировочное исследование дубильных веществ пока зало, что значительная часть их обладает редуцирующей способностью. Элементарный состав как всей хвои в целом, так и ее водорастворимой части оказался одинаковым.
Для характеристики лигнинов еловой хвои, выделенных различными методами, был определен их элементарный состав, а также содержание метаксильных групп. Лигнин хвои ели имеет значительно меньше метоксильных групп (не более 6%), чем древесина ели (13…16%). Содержание углерода в лигнине хвои также меньше, чем в древесине. Это объясняется присутствием углеводов и других растворимых в воде веществ.
В еловой воде было найдено около 13% чистой целлюлозы, определенной по методу Кизеля. Количество ее, по Кюршнеру, безусловно, несколько преувеличено за счет неполного удаления посторонних веществ, например, кутикулы и др.
Как свидетельствуют результаты анализов, химические составы зеленой хвои сосны и ели в основном сходны. Хвоя богата зольными элементами, водорастворимыми и спирторастворимыми компонентами, пектиновыми веществами и протеином.
Клеточные стенки сосны бедны целлюлозой, пентозами, а содержащийся в них лигнин имеет очень низкую степень метилирования. Гемицеллюлоза, входящая в состав клеточных стенок хвои, содержит маннозы в два-три раза меньше, чем древесина. Следовательно, по химическому составу хвоя ближе к лубу, чем к древесине. Особенно большой интерес с точки зрения путей использования технической зелени представляют водо- и эфирорастворимые компоненты, включающие ряд важнейших физиологически активных веществ. Присутствие последних связано с ролью зелени, являющейся основной лабораторией по синтезу необходимых для поддержания жизни веществ в разных частях растений.
Среди физиологически важных веществ зеленой хвои наибольшее значение имеют витамины. Например, содержание витамина С в хвое в 25 раз больше, чем в картофеле. Однако большое влияние на содержание этого витамина оказывает время года, освещенность и возраст хвои. У ели наибольшее содержание витамина С отмечено в хвое верхней части кроны, наиболее освещенной солнцем. Максимум содержания витамина С наблюдается зимой и ранней весной. Эти факторы необходимо учитывать при заготовке зеленых лесных древесных кормов.
В хвое обнаружено также значительное содержание жирорастворимых витаминов, среди которых особое место занимают α-, β- и γ-каротины, причем их количество близко к содержанию каротина в моркови.
Важное значение имеет и витамин Е, в состав которого входит главным образом α-токофенол, отличающийся наибольшей физиологической активностью.
Жиры и смолы, имеющиеся в хвое сосны и ели, содержат свободную оксипальмитиновую кислоту и сложные эфиры пальмитиновой, оксипальмитиновой, стеариновой кислот, а также спирты: цетиловый, цериловый и меризиловый. Среди этих компонентов найдены также абиетиновая и олеиновая кислоты, различные терпены и терпеновые спирты, а также фитостерин. К растворимым в органических растворителях веществам относятся также хлорофилл, каротин и ксантофилл.
В водорастворимой части кроме витамина С, сахарозы, глюкозы и фруктозы, пектиновых веществ и дубильных веществ присутствуют глюкозиды, пицеин и кониферин.
Рассматривать техническую зелень как сырье для производства различных продуктов без изучения содержания в ней минеральных веществ, входящих в ее состав и играющих исключительно важную роль в жизни живого организма, невозможно.
Для жизни растений необходимы металлы (калий, кальций, магний, железо) и металлоиды (сера, фосфор, азот и др.), содержащиеся в них в значительных количествах, а также микроэлементы, содержащиеся в малых количествах, но необходимые для нормальной жизнедеятельности.
Для правильного понимания физиологии древесной растительности и определения ценности отдельных частей дерева как сырья важно знать качество и количество содержащихся в ней микроэлементов. Необходимо предвидеть возможности изменения их содержания в зависимости от различных факторов.
Состав зольных веществ хвои сосны, по данным В. И. Шаркова следующий: всего золы 2,8; кальция 0,5; фосфора 0,15; магния 0,1% сухого вещества хвои; железа 156 мг/кг, марганца 318, меди 7, цинка 30, кобальта 0,09 сухого вещества хвои.
Высокое содержание в хвое физиологически активных веществ, а также ряда кормовых компонентов, например, протеина, определяет ее большую ценность как сырья для получения различных фармацевтических препаратов и кормовых продуктов.
Исчерпывающий состав экстрактивных веществ древесной зелени ели и сосны приведен в работе Пенсара. Цель проводимой работы — выяснение состава эфирного масла, технической зелени и веществ, экстрагируемых из нее бензином. Объектом исследований служила зелень сосны и ели. Вещества, экстрагируемые бензином, делили на такие фракции: растворимая в воде, фенолы; свободные кислоты, кислоты, освобожденные при омылении нейтральных; и так называемые неомыляемые вещества. Три последние фракции подвергали детальному анализу методами газовой хроматографии и масс-спектроскопии. Распределение веществ, растворимых в бензине по группам (% сухого вещества), приведено ниже:
Состав фракции «неомыляемые вещества» в вытяжке из соснового сырья (% сухого исходного сырья) следующий: сесквитерпен — 0,03, карофиллен — 0,03, кадиен — 0,03, сесквитерпен (М-204) — 0,10, альдегид, или кетон (М-290), — 0,63, пимараль — 0,04, изопимараль — 0,03, стеариновый спирт — 0,14, дегидроабиекталь — 0,02, фитол — 0,04, аракидиловый спирт — 0,65, бехениловый спирт — 0,14, лигноцериновый спирт — 0,05, нонакозаниловый спирт — 0,07, кампестерин — 0,04, β-ситостерин — 0,75.
Для более полной химической характеристики хвои как сырья для получения биологически активных и кормовых концентратов необходимо остановиться на ее азотсодержащей фракции.
В системе полноценного кормления особенно важно обеспечить животных протеином. Проблема получения белка, дефицит которого ощутим в мировом масштабе, привлекает к себе серьезное внимание ученых и специалистов всех стран. Огромный резерв пополнения белкового дефицита — протеин, содержащийся в зелени древесных хвойных и лиственных пород.
В протеины растений входят, кроме белков, все незаменимые аминокислоты, а также амиды, пептиды и прочие азотистые вещества. Их содержание колеблется в пределах 15…25% содержания общего азота. Кормовая ценность протеина в отдельных органах растений неодинакова. Протеины семян, плодов, листьев, стеблей различают по составу, свойствам и биологической ценности. В семенах и плодах преобладают запасные протеины, откладываемые растением для питания зародыша. Это твердые, малоактивные вещества, сравнительно устойчивые к различным физико-химическим воздействиям. В листьях и стеблях находятся в полужидком и коллоидном состоянии физиологически весьма активные протеины протоплазмы и ядер клеток.
В последнее десятилетие развернулись исследования по получению белка из растительных материалов. Оказалось, что выделение белков из растительных материалов экономически выгодно.
Анализ работ о белковом составе растений как с физико-химической, так и биохимической точек зрения весьма обширен, но к числу малоизученных объектов можно отнести зелень сосны и ели. Отдельные данные о химическом составе хвои несистематизированы, а в области азотсодержащих соединений — противоречивы. Так, количественное содержание протеина в хвое сосны и ели, по данным отдельных авторов, колеблется в пределах 7,0…16,9%. Довольно широкий разброс цифр в определении протеина можно объяснить использованием различных методик определения, каждая из которых имеет свои недостатки и преимущества.
Анализ литературных источников показал, что, несмотря на большое разнообразие имеющихся методов количественного определения белка, все они применимы лишь к какому-либо конкретному материалу. В настоящее время не существует специальных методик количественного определения белка в хвое.
Из основных методов определения белковых веществ нами выбран метод Къельдаля, во-первых, потому, что он признан наиболее точным, во-вторых, этим методом определяется содержание всех азотсодержащих соединений белкового и небелкового характера, а именно: белков, аминокислот, пептидов, полипептидов и прочих соединений, которые, благодаря их питательной ценности, также необходимо учитывать и использовать. Опробованы различные модификации метода Къельдаля при применении в качестве катализатора серно-кислой меди и перекиси водорода. На основании полученных данных установлено, что метод с применением перекиси водорода дает завышенные результаты и плохую сходимость анализов. Поэтому в качестве катализатора рекомендуется серно-кислая медь.
Проведены работы по определению содержания протеина в хвое сосны и ели в разное время года, необходимость этих исследований обусловлена заготовкой технической зелени для химической переработки в течение всего года. Для анализа использовали хвою двух-трехлетнего возраста. Содержание протеина в хвое в зависимости от времени года колеблется в следующих пределах: для сосны — 9,6…11,8%, для ели — 5,6…8,6%, т. е. сезонные колебания в содержании протеина составляют 25…50%. Наименьшее содержание протеина в хвое сосны и ели соответствует летнему периоду, так как происходит интенсивный рост молодых побегов, на построение новых тканей расходуется большое количество питательных веществ, в том числе и белковых. В осенне-зимний период процессы роста дерева замедляются, и в это время происходит накопление белковых веществ в тканях растения. Наибольшее количество протеина в хвое сосны и ели соответствует концу зимы — началу весны (11,8% в хвое сосны и 8,3% в хвое ели).
Содержание протеина в хвое зависит не только от времени года, но также и от возраста хвои. Так, однолетняя хвоя обогащается белковыми веществами в течение этого периода и в конце лета—начале осени содержит значительно больше белка, чем хвоя второго, третьего года в этот же период. Установлено, что однолетняя еловая хвоя содержит 10,6…12,5% протеина, а хвоя двух-, трехлетнего возраста на 30% меньше. Эти результаты подтверждают исследования французских ученых, которые считают, что сухое вещество хвои, луба и древесины обедняется белковым растворимым азотом только при старении органов.
В цехах промышленной переработки технической зелени используется не чистая хвоя, а неодревесневшие побеги толщиной до 6 мм. Содержание протеина в технической зелени по сравнению с содержанием его в чистой хвое снижается в среднем на 25%. Ценность белка как продукта питания определяют двумя основными методами: на основании изучения количества входящих в его состав аминокислот; определением количества отдельных фракций в белковом комплексе.
Белки способны растворяться в различных органических растворителях в неодинаковой степени. Такая способность связана со строением и составом белков, а также их состоянием в растительных клетках, поэтому мы считаем определение белковых фракций существенным показателем качества белков. С этой целью проведены исследования по установлению фракционного состава азотистых соединений хвои сосны и ели.
Из общего количества протеина хвои сосны и ели 30% составляют нерастворимые азотистые вещества, 60% протеина от общего количества приходится на альбумины, глобулины, проламины и глютамины, т. е. растворимые азотистые вещества, причем наибольшее их количество извлекается водой и щелочью, наименьшее — спиртом.
Проведенные исследования позволили установить количественную характеристику азотистых соединений хвои сосны и ели и наметить пути дальнейшего исследования качественной характеристики.
Предварительные данные по фракционному составу протеина хвои сосны и ели дали возможность проводить эксперименты по изысканию способов выделения витаминно-белковых концентратов и белковых кормовых продуктов из технической зелени.
Таким образом, можно сделать вывод, что химический состав хвои изучен недостаточно полно. Отсутствуют подробные сведения о составе смол, восков, водорастворимых и других веществ.
Дальнейшие исследования химического состава технической зелени и его изменения от действия различных факторов позволят дать окончательное заключение относительно ценности этого сырья и о технико-экономических аспектах получения биологически активных компонентов из него.