龐利蘋 徐雅琴

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,哈爾濱 150030)

植物甾醇是天然無毒的活性物質(zhì),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(jié)晶法、絡(luò)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(xué)法和物理法,著重介紹了物理法中利用溶劑結(jié)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(zhì),廣泛地運用于醫(yī)藥、食品、化妝品、光學(xué)產(chǎn)品、飼料、化工、紡織等各個領(lǐng)域[1]。目前植物甾醇在醫(yī)藥方面應(yīng)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(diào)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)品,并提高其純度和回收率,是當(dāng)前甾醇分離精制研究熱點[6]。

1 植物甾醇的分離提純工藝

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(chǎn)、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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)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(xué)性質(zhì)的變化等來分離除去非甾醇類物質(zhì)。目前生產(chǎn)和研究的分離與提純方法主要有:溶劑結(jié)晶法、絡(luò)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]。

1.1 溶劑結(jié)晶法

溶劑結(jié)晶法是利用物質(zhì)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(jīng)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]。

1.2 絡(luò)合法

絡(luò)合法是利用甾醇和其他物質(zhì)絡(luò)合生成絡(luò)合物,并依據(jù)絡(luò)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(luò)合反應(yīng)、分離絡(luò)合物和絡(luò)合物分解制得甾醇粗品。獲得甾醇精制品還需要經(jīng)過脫色、結(jié)晶等步驟。此方法經(jīng)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(chǎn)成本大。

1.3 干式皂化法

干式皂化法是利用脫臭餾出物中的可皂化物質(zhì)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(jīng)溶劑萃取,濃縮得到粗甾醇,再經(jīng)過洗滌去雜、脫水得到精制植物甾醇[14]。干式皂化法生產(chǎn)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(chǎn)品的純度和回收率較低。

1.4 分子蒸餾法

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(yīng),然后經(jīng)丙酮等有機溶劑提取得粗甾醇,最后經(jīng)脫色、重結(jié)晶得到精制植物甾醇。分子蒸餾技術(shù)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(jié)合應(yīng)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(chǎn)品的純度和回收率低。

1.5 超臨界 CO2萃取法

超臨界 CO2萃取是一種全新的化工分離技術(shù),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(zhì)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(chǎn)品純度好,回收率高,能耗低。因此,利用超臨界 CO2萃取技術(shù)提取植物甾醇對工業(yè)化生產(chǎn)研究具有較高的經(jīng)濟價值,缺點是設(shè)備投資和維護費用較大[20-21]。

1.6 吸附法

1.6.1 柱色譜法

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(shè)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。

1.6.2 高壓流體吸附法

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。

1.7 酶法

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(zhuǎn)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(xué)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(yù)處理,具有反應(yīng)條件溫和、醇用量少、產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)化率低、酶的價格高及使用壽命短等缺點[22]。

2 植物甾醇單體分離工藝

由于甾醇單體結(jié)構(gòu)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(chǎn),可以為甾體藥物的生產(chǎn)提供較為廉價的原料[23]。

目前,國內(nèi)外對植物甾醇單體的分離方法主要有化學(xué)法和物理法。

2.1 化學(xué)法

其原理是通過化學(xué)反應(yīng)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(yīng)生成相應(yīng)衍生物,增大物理性質(zhì)差異,然后重結(jié)晶分離利用甾醇環(huán)和支鏈上雙鍵發(fā)生鹵素加成反應(yīng),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(jié)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(yīng),然后將酯化產(chǎn)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(chǎn)物分別用鋅粉還原脫溴、堿性水解,最后在丙酮中重結(jié)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(chǎn)中存在反應(yīng)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(jié)果。

2.2 物理法

其原理是利用某些甾醇物理性質(zhì)的不同來達到分離的結(jié)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(jié)晶分離等。

目前應(yīng)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(jié)晶法等[25-28]。其中溶劑結(jié)晶法是國內(nèi)外關(guān)于混合甾醇單體分離研究的最常用方法。

溶劑結(jié)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(jié)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(guān)鍵。結(jié)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(chǎn)品純度高等優(yōu)點,適合工業(yè)化生產(chǎn),國內(nèi)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(jié)晶法提純β-谷甾醇和豆甾醇,并對豆甾醇的結(jié)晶條件 (料液比、結(jié)晶溫度和養(yǎng)晶時間)進行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明:經(jīng)過 4次結(jié)晶操作,β-谷甾醇的純度可達到 90%;豆甾醇結(jié)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(jié)晶溫度 25℃、養(yǎng)晶 5 h的條件下,經(jīng) 5次結(jié)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(chǔ)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(jié)晶法提純β-谷甾醇,經(jīng)過3次結(jié)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(jīng)過 5次重結(jié)晶,結(jié)晶產(chǎn)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(jié)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(dāng)?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(jié)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(jié)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(jié)晶法工藝比較簡單,非常適合工業(yè)化生產(chǎn)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(guān)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(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)做好理論基礎(chǔ)研究,應(yīng)該是溶劑結(jié)晶法的發(fā)展方向[33]。

甾醇單體經(jīng)濟價值的不斷提高促進了各種分離的技術(shù)不斷發(fā)展,開發(fā)出簡單有效的生產(chǎn)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(xué)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(jīng)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(jīng)再生處理后,可重復(fù)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(chǎn)業(yè)化,且投資成本低,并且金屬螯合樹脂經(jīng)再生處理后重復(fù)使用率高。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)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(shù)工藝會被發(fā)明和應(yīng)用。完善溶劑結(jié)晶法的參數(shù)以及應(yīng)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(jié)合,以研究出經(jīng)濟簡單的分離方法來實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),從而充分發(fā)揮植物甾醇的應(yīng)用價值。

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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(xué)技術(shù)研究(11521028)

2009-03-25

龐利蘋,女,1985年出生,碩士,應(yīng)用化學(xué)

徐雅琴,女,1964年出生,教授,天然產(chǎn)物研究與開發(fā)