龐利蘋 徐雅琴
(東北農業(yè)大學理學院,哈爾濱 150030)
植物甾醇提純及單體分離工藝的研究進展
龐利蘋 徐雅琴
(東北農業(yè)大學理學院,哈爾濱 150030)
植物甾醇是天然無毒的活性物質,由于其具有多種生物活性功能而引起人們越來越多的重視。工業(yè)上特別是醫(yī)藥行業(yè)對高純度的植物甾醇及其單體的需求越來越大,因此植物甾醇的提純工藝和各種單體尤其是豆甾醇和β-谷甾醇的分離工藝是研究的重點。綜述了植物甾醇提純的工藝,包括溶劑結晶法、絡合法、皂化法、分子蒸餾法、超臨界CO2萃取法、吸附法(柱吸附法、高壓流體吸附法)、酶法等;概述了以植物甾醇為原料分離甾醇單體的工藝,主要有化學法和物理法,著重介紹了物理法中利用溶劑結晶法富集豆甾醇或β -谷甾醇的研究概況。
植物甾醇 提純 單體分離
植物甾醇是一類具有較強的生理活性和表面活性的物質,廣泛地運用于醫(yī)藥、食品、化妝品、光學產品、飼料、化工、紡織等各個領域[1]。目前植物甾醇在醫(yī)藥方面應用最為廣泛,能有效地降低膽固醇[2-3]、抑制腫瘤[4]、防治前列腺疾病[5]、調節(jié)免疫系統(tǒng)、具有抗氧化作用等。植物甾醇在醫(yī)藥工業(yè)上的應用對其純度提出更高要求,人們對植物甾醇單體進行了廣泛深入的研究。隨著研究的不斷深入,各種植物甾醇單體特殊的作用也逐步被人們認識, β-谷甾醇是一種抗炎和退熱作用顯著、應用安全的天然藥物,豆甾醇也具有抗炎作用。如何將混合植物甾醇分離成單一甾醇產品,并提高其純度和回收率,是當前甾醇分離精制研究熱點[6]。
植物甾醇單體分離的原料是精制混合甾醇,混合植物甾醇主要來源于木漿浮油和植物油煉下腳料,特別是脫臭餾出物 (又名 DD油)[7]。在植物油精煉過程中,幾乎半數(shù)的植物甾醇進入脫臭餾出物中[8]。我國是油料生產、制油和油脂消費大國,油脂精煉能力每年達 600萬噸,按精煉能力與植物甾醇含量估算每年產生的脫臭餾出物中含有的植物甾醇總量約 2 000~3 000噸,為實現(xiàn)工業(yè)化生產提供了充足的原料[9]。因而現(xiàn)階段我國主要從植物油精煉脫臭工序的副產品——脫臭餾出物中提取混合植物甾醇。從中提取得到的混合植物甾醇中主要含有β -谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇及菜籽甾醇等。其中以β-谷甾醇、豆甾醇為主,占 60%以上[10]。
雖然從脫臭餾出物中提取混合植物甾醇的方法各異,但其原理一般是基于原料組成的化學性質、物理性質方面的差異進行分離與提純。如利用皂化、中和、酶解、溶解度、蒸汽壓、吸附力的差異以及不同溫度、真空條件、表面活性劑存在下物理、化學性質的變化等來分離除去非甾醇類物質。目前生產和研究的分離與提純方法主要有:溶劑結晶法、絡合法、皂化法、分子蒸餾法、超臨界 CO2萃取法、吸附法(柱吸附法、高壓流體吸附法)、酶法等[11]。
溶劑結晶法是利用物質在有機溶劑中溶解度差異的原理來提取植物甾醇的,是試驗研究植物甾醇分離提純的主要方法,脫臭餾出物經皂化或酯化處理后,用大量的有機溶劑多次萃取分離得到甾醇[12]。此方法可用于直接分離,操作較為簡單,但該法操作步驟多,溶劑用量大,回收困難,甾醇的回收率低,因此目前還難以工業(yè)化[10]。
絡合法是利用甾醇和其他物質絡合生成絡合物,并依據(jù)絡合物的溶解度差異來提取植物甾醇。該工藝是將脫臭餾出物進行皂化、酸分解、萃取、絡合反應、分離絡合物和絡合物分解制得甾醇粗品。獲得甾醇精制品還需要經過脫色、結晶等步驟。此方法經試驗證明得到的甾醇純度較高,回收率也較高[13],缺點是溶劑回收困難,生產成本大。
干式皂化法是利用脫臭餾出物中的可皂化物質在堿性條件下的皂化性來提取甾醇的。主要流程是將脫臭餾出物用熟石灰或生石灰在 60~90℃條件下皂化,然后用機器粉碎膏狀物,再經溶劑萃取,濃縮得到粗甾醇,再經過洗滌去雜、脫水得到精制植物甾醇[14]。干式皂化法生產工藝安全無毒,節(jié)省了有機溶劑的用量,缺點是原料的利用效率、產品的純度和回收率較低。
分子蒸餾的原理是在極高真空度下,依據(jù)混合物中分子運動自由程的差別,使物體在遠低于其沸點的溫度下分離[15-16]。分子蒸餾特別適用于實驗室精制,也可用于工廠同時提取和分離甾醇、維生素E。其流程是先將脫臭餾出物酯化,然后洗滌,減壓脫除低碳醇,通過蒸餾回收易揮發(fā)組分脂肪酸酯,將殘液進行分子蒸餾,回收維生素 E,其殘渣進行皂化反應,然后經丙酮等有機溶劑提取得粗甾醇,最后經脫色、重結晶得到精制植物甾醇。分子蒸餾技術對于超臨界萃取物的純化是很有效的輔助方法[17],能將兩種現(xiàn)代方法結合應用于植物甾醇的分離精制將會有很廣泛的發(fā)展前景。缺點是流程長、操作步驟多、產品的純度和回收率低。
超臨界 CO2萃取是一種全新的化工分離技術,是通過改變壓力和溫度以改變超臨界 CO2流體的密度,從而使溶質在其中的溶解度發(fā)生改變而分離[18]。該法可直接將植物甾醇從油脂精煉脫臭餾出物中提取出來,回收率可達 41%[19]。其優(yōu)點是無需有機溶劑、流程簡單、無毒、污染小、安全性高,同時產品純度好,回收率高,能耗低。因此,利用超臨界 CO2萃取技術提取植物甾醇對工業(yè)化生產研究具有較高的經濟價值,缺點是設備投資和維護費用較大[20-21]。
吸附色譜是常用的分離純化植物甾醇的色譜方法。在柱層析中利用甾醇在洗脫液與吸附劑之間分配差異,達到分離目的。柱色譜儀器設備簡單、重現(xiàn)性好,是一種分離甾醇的有效方法,可作為高純度β-谷甾醇和菜油甾醇標準品的制備分離方法[11]。但是存在洗脫時間過長,溶劑耗費量大的缺點。
高壓液體、亞臨界氣體或超臨界氣體 (5~40 MPa,30~60℃)與原料形成的高壓流體混合物通過吸附,使無脂甾醇選擇性的被留在吸附劑上,然后通過另一種高壓流體或有機溶劑對植物甾醇進行脫附,其中常用的吸附劑為氫氧化鈣、氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鎂或氫氧化鎂[11]。此法得到的甾醇純度很高。
酶法提取植物甾醇的原理是采用一種固定化非特異性脂肪酶對脫臭餾出物的酯化過程進行催化,使脂肪酸甲酯的轉化率提高,因而通過回收易揮發(fā)的脂肪酸甲酯可以提高植物甾醇的純度和回收率。酶法克服了溶劑浸出、化學處理及分子蒸餾提取維生素 E和甾醇回收率低的缺點,可以回收得到原料中 90%以上的甾醇和維生素 E。其原料無需任何預處理,具有反應條件溫和、醇用量少、產品易于收集純化及無污染排放等特點,在節(jié)約能源和環(huán)境保護方面具有重要的社會意義和經濟意義,被認為是提取甾醇和維生素 E的一個新的發(fā)展方向。但目前酶法也存在低碳醇轉化率低、酶的價格高及使用壽命短等缺點[22]。
由于甾醇單體結構極其相似,因而從植物甾醇中分離β-谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇等,得到純度較高的單體甾醇是一件困難而又繁瑣的工作。但實現(xiàn)單組分高純度植物甾醇的規(guī)?;a,可以為甾體藥物的生產提供較為廉價的原料[23]。
目前,國內外對植物甾醇單體的分離方法主要有化學法和物理法。
其原理是通過化學反應來制備植物甾醇的衍生物,從而增加各種植物甾醇的物性差異,然后利用物理方法分離單體。比如利用有機酸與甾醇羥基發(fā)生酯化反應生成相應衍生物,增大物理性質差異,然后重結晶分離利用甾醇環(huán)和支鏈上雙鍵發(fā)生鹵素加成反應,使生成衍生物物理參數(shù)差異變大,再選擇合適有機溶劑萃取、重結晶分離[24]。通常利用豆甾醇乙酯的四溴化物和β-谷甾醇乙酯的二溴化物溶解度的差異,首先將混合植物甾醇用乙酸酐進行酯化反應,然后將酯化產物用過量溴進行溴化,選用合適的溶劑分離出四溴化物和二溴化物。分離后的產物分別用鋅粉還原脫溴、堿性水解,最后在丙酮中重結晶得到純的豆甾醇和β-谷甾醇。這種工藝在大規(guī)模的工業(yè)化生產中存在反應步驟多、成本高、操作困難、環(huán)境污染大、溶劑回收率低等缺點,因而不能達到令人滿意的分離結果。
其原理是利用某些甾醇物理性質的不同來達到分離的結果,依據(jù)的物性不同,所采用的方法也不同,如利用個別甾醇蒸汽壓力不同,真空蒸餾分段富集;在層析柱中利用個別甾醇在洗脫液與吸附劑之間分配差異,達到分離目的;利用個別甾醇在有機溶劑中溶解度的差異,進行重結晶分離等。
目前應用的物理法有分子蒸餾法、高效液相色譜法、沸石吸附法和溶劑結晶法等[25-28]。其中溶劑結晶法是國內外關于混合甾醇單體分離研究的最常用方法。
溶劑結晶法原理是利用植物甾醇類化合物在溶劑 (單一或混合系統(tǒng))中溶解度差異,進行多級分步結晶;由于植物甾醇單體之間的溶解性差異較小,因而選擇合適的溶劑和操作條件是實現(xiàn)有效分離的關鍵。結晶法分離混合植物甾醇具有操作簡便、工藝流程短、溶劑容易回收、產品純度高等優(yōu)點,適合工業(yè)化生產,國內外對此進行了大量的研究[29]。
萬建春等[25]測定β-谷甾醇和豆甾醇在環(huán)己酮中的溶解度,利用β-谷甾醇和豆甾醇在環(huán)己酮中的溶解度隨溫度變化的差異,分別用重結晶法提純β-谷甾醇和豆甾醇,并對豆甾醇的結晶條件 (料液比、結晶溫度和養(yǎng)晶時間)進行優(yōu)化。試驗結果表明:經過 4次結晶操作,β-谷甾醇的純度可達到 90%;豆甾醇結晶過程中采用料液比 (混合植物甾醇與環(huán)己酮比,g/mL)為 1∶3.3、結晶溫度 25℃、養(yǎng)晶 5 h的條件下,經 5次結晶豆甾醇的純度達到 96%。
吳英艷等[30]測定了甾醇單體在不同溶劑中的溶解度數(shù)據(jù),在此基礎上,利用菜油甾醇、豆甾醇和β-谷甾醇在環(huán)己酮中的溶解度隨溫度變化的差異,用重結晶法提純β-谷甾醇,經過3次結晶操作,β-谷甾醇的純度達到 86.58%;利用菜油甾醇、豆甾醇在正戊醇和環(huán)己酮中溶解度的差異,經過 5次重結晶,結晶產品中豆甾醇的純度分別達到 96.1%和93.9%。
研究發(fā)現(xiàn)利用溶劑結晶法分離混合植物甾醇時,溶劑系統(tǒng)中少量水的存在可適當?shù)靥岣叨圭薮歼x擇性,得到純度較高的豆甾醇和谷甾醇,同時還可以大大提高甾醇的回收率[31]。彭鶯等[32]研究了溶劑含水量對提純豆甾醇的影響,采用多級逆流結晶法提純豆甾醇,在溶劑系統(tǒng)中控制少量的水可以有選擇的降低豆甾醇的溶解度,即降低殘渣中豆甾醇的溶解損失,從而顯著提高豆甾醇收率。結果顯示二氯乙烷與正庚烷共沸系統(tǒng)含水 7%時,豆甾醇的選擇性最好。
溶劑結晶法工藝比較簡單,非常適合工業(yè)化生產植物甾醇的單體,但是選擇合適的參數(shù)條件對成本控制非常關鍵。通過嘗試不同的溶劑以及合適的料液比、溫度以及時間的比較,確定工業(yè)化放大前的理論數(shù)據(jù),為產品的工業(yè)化生產做好理論基礎研究,應該是溶劑結晶法的發(fā)展方向[33]。
甾醇單體經濟價值的不斷提高促進了各種分離的技術不斷發(fā)展,開發(fā)出簡單有效的生產工藝是甾醇單體研究的主要方向。目前一些發(fā)明專利采用其他的物理方法來分離單體,也達到較好的分離效果。比如南京工業(yè)大學發(fā)明一種“從混合植物甾醇中分離提取β-谷甾醇的方法”并申請了專利[34],該發(fā)明公開了一種從混合植物甾醇中分離提取β-谷甾醇的方法,將混合植物甾醇溶于有機溶劑中,經金屬螯合樹脂吸附,使混合物中各組分有選擇性的吸附在金屬螯合樹脂上,選擇合適洗脫劑洗脫β-谷甾醇,實現(xiàn)混合植物甾醇中β-谷甾醇的分離,金屬螯合樹脂經再生處理后,可重復使用。該發(fā)明所涉及的金屬螯合樹脂吸附容量大、選擇吸附特異性能強,使用該發(fā)明方法分離混合植物甾醇中β-谷甾醇,其分離純度能達 80%以上,回收率達到 50%以上。該發(fā)明方法簡單,易于產業(yè)化,且投資成本低,并且金屬螯合樹脂經再生處理后重復使用率高。
隨著科學的不斷向前發(fā)展和植物甾醇研究開發(fā)的不斷深入,越來越多先進的技術工藝會被發(fā)明和應用。完善溶劑結晶法的參數(shù)以及應用其他的分離純化方法如色譜法將是未來努力的方向。上述幾種分離提純方法和單體分離的方法可相互結合,以研究出經濟簡單的分離方法來實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產,從而充分發(fā)揮植物甾醇的應用價值。
[1]吳時敏,吳謀成.植物甾醇的研究進展與趨向Ⅱ-植物甾醇的應用基礎和開發(fā)研究 [J].中國油脂,2002,27(3): 60-63
[2]David K,Shirley C Chen.Phytosterols-health benefits and potential concerns:a review[J].Nutrition Reasearch,2005, 25:413-428
[3]VolgerO L,Mensink R P,Plat J,et al.Dietary vegetable oil and wood derived plant stanol esters reduce atheroscl erotic lesi on size and severity in apo E33-Leiden transgenic mice [J].Atherosclerosis,2001,157:375-381.
[4]Awad A B,W illiams H,Fink C S.Phytosterols reduce in vitro metastatic ability of MDA-MB-231 human breast cancer cells[J].Nutrition and Cancer,2001,40(2):157-164
[5]Coeman C I,Hebert J H,Reddy P,et al.The effect of phytos2 terols on qualityof life in the treatmentof benign prostatic hy2 perplasia[J].Pharmacother,2002,22(11):1426-1432
[6]吳英艷,丁輝,徐世民.甾醇單體的分離精制研究[J].糧油加工,2007,(5):82-84
[7]裘愛泳,吳時敏.脫臭餾出物中植物甾醇的回收[J].中國油脂,1997,22(3):49-50
[8]郭玉寶.植物甾醇酯的制備及降血脂功能的研究[D].無錫:無錫輕工大學,2001
[9]姚專.植物甾醇的開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].糧食與食品工業(yè),2003,(8):22-24
[10]許文林,王雅瓊,魯萍.脫臭餾出物中植物甾醇的回收和精制[J].過程工程學報,2002,2(2):167-170
[11]曹瑩,谷克仁,孟冬,等.植物甾醇提取方法研究進展[J].糧油食品科技,2006,14(5):25-28
[12]萬建春,張維農.天然植物甾醇的分離純化[J].武漢工業(yè)學報,2006,25(4):12-17
[13]梁少華,馬傳國.米糠深加工技術的分析與評價 (Ⅱ) [J].中國油脂,2005,30(11)10-15
[14]彭鶯,劉福禎,高欣.天然植物甾醇的應用與提取工藝[J].化工進展,2002,21(1):49-53
[15]王發(fā)松,胡海燕,黃世亮,等.姜油的分子蒸餾純化與化學成分分析[J].中國醫(yī)藥工業(yè)雜志,2003,(3):125
[16]梁艷,張英,吳曉琴.植物甾醇的提取分離和分析檢測方法研究進展[J].中國糧油學報,2006,21(3):1-7
[17]高英,李衛(wèi)民,倪晨.分子蒸餾技術在分離蒼術油有效部位中的應用[J].廣州中醫(yī)藥大學學報,2004,21(6):476 -478
[18]Seied Mahdi Pour mortazavi,Modjtaba Ghadir,Seiedeh So2 mayyeh Hajimirsadegh.Supercritical fluid extraction of vola2 tile components from bunium persicum boiss.(black cumin) and mespilus germanical L.(medlar)seeds[J].Journal of Food Composition and Analysis,2005,18:439-446
[19]楊振強,謝文磊,李海濤,等.植物甾醇的開發(fā)與應用研究進展[J].糧油加工與食品機械,2006,(1):53-56
[20]Jerry W.King Nurhan T.Dunford.Phytoesterol-enriched triglyceride fractions from vegetable oil deodorizer distillates utilizing supercritical fluid fractionation technology[J].Sep2 aration Science and Technology,2002,37(2):451-462
[21]勵建榮,夏明.超臨界流體萃取技術研究進展[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2007,27(27):79-83
[22]黎金旭,陳小明,孟慶雄,等.酶法生產脂肪酸甲酯并提取植物甾醇[J].糧油加工,2007,(5):73-75
[23]許文林,黃一波,錢俊紅,等.豆甾醇和β-谷甾醇在環(huán)己酮和正戊醇中的溶解特性研究[J].高校化學工程學報, 2003,17(6):707-710
[24]王鑫,王興國,金青哲,等.植物甾醇單體分離工藝研究進展[J].糧食與油脂,2004,(8):14-15
[25]萬建春,姜波.結晶法分離純化大豆甾醇中β-谷甾醇和豆甾醇單體[J].食品科技,2008,(8):127-131
[26]Grandgirard A,Martinc L,Joffre C,et al.Gas chromato2 graphic separation and mass spectrometric identification of mixtures of oxyphytosterol and oxycholesterol derivatives ap2 plication to a phytosterol-enriched food[J].Journal of ChromatographyA,2004,1040:239-250
[27]Zhang X,Cambrah A,Miesch M,et al.Separation of△-5 and△-7 phytosterols by adsorption chromatography and semi-preparative reversed phase high-performance liquid chromatography for quantitative analysis of phytosterols in food[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2006, 54:1193-1202
[28]Chuang YM,Ju Y H,W idjaja A.Separation of campesterol andβ-sitosterol from a sterol mixture[J].Separation Sci2 ence and Technology,2006,41(13):3027-3038
[29]許文林,黃一波,錢俊紅,等.結晶法分離精制混合植物甾醇中β-谷甾醇和豆甾醇[J].過程工程學報,2003,3 (1):73-77
[30]吳英艷,丁輝,徐世民.甾醇單體的分離精制研究[J].糧油加工,2007,(5):82-84
[31]彭鶯,劉福禎.水對植物甾醇在結晶分離中的影響[J].中國油脂,2002,27(4):50-51
[32]彭鶯,宋志德,劉福禎.溶劑含水量對提純豆甾醇的影響[J].廣州化工,2008,36(5):47,68
[33]肖勇.從混合植物甾醇中提取豆甾醇的研究進展[J].云南化工,2008,35(5):66-68
[34]應漢杰,陳琦,張磊,等.從混合植物甾醇中分離提取β-谷甾醇的方法:中國,200810156090.8[P].2009-02-18.
Advance on Purification of Phytosterol and Individual Separation Process
Pang Liping Xu Yaqin
(College of Science,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin 150030)
Phytosterols are non-toxic natural substances.They are paid increasing attention for their bioactive functions.There are growing demands for high purity phytosterols and theirmonomer in industries,especially in medi2 cine industry.Therefore,phytosterol researches are laid emphases on purification and separation.The process of ex2 traction and purification of phytosterols can be conducted by either one among the solvent crystallization method,the complexingmethod,the saponificationmethod,themolecular distillation method,the supercriticalCO2extraction meth2 od,the adsorption method(column adsorption and high pressure fluid adsorption),the enzyme extraction,etc.The separation of individual phytosterols from the mixture by adopting chemical and physicalmethods is presented in this paper,emphasizing the advance on isolation of stigmasterol orβ-sitosterol by dissolvent crystallization.
phytosterol,extraction and purification,individual separation
TQ645.9+8 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)03-0124-05
黑龍江省教育廳科學技術研究(11521028)
2009-03-25
龐利蘋,女,1985年出生,碩士,應用化學
徐雅琴,女,1964年出生,教授,天然產物研究與開發(fā)