植物甾醇提纯及单体分离工艺的研究进展

庞利苹 徐雅琴

(东北农业大学理学院,哈尔滨 150030)

植物甾醇提纯及单体分离工艺的研究进展

庞利苹 徐雅琴

(东北农业大学理学院,哈尔滨 150030)

植物甾醇是天然无毒的活性物质,由于其具有多种生物活性功能而引起人们越来越多的重视。工业上特别是医药行业对高纯度的植物甾醇及其单体的需求越来越大,因此植物甾醇的提纯工艺和各种单体尤其是豆甾醇和β-谷甾醇的分离工艺是研究的重点。综述了植物甾醇提纯的工艺,包括溶剂结晶法、络合法、皂化法、分子蒸馏法、超临界CO2萃取法、吸附法(柱吸附法、高压流体吸附法)、酶法等;概述了以植物甾醇为原料分离甾醇单体的工艺,主要有化学法和物理法,着重介绍了物理法中利用溶剂结晶法富集豆甾醇或β -谷甾醇的研究概况。

植物甾醇 提纯 单体分离

植物甾醇是一类具有较强的生理活性和表面活性的物质,广泛地运用于医药、食品、化妆品、光学产品、饲料、化工、纺织等各个领域[1]。目前植物甾醇在医药方面应用最为广泛,能有效地降低胆固醇[2-3]、抑制肿瘤[4]、防治前列腺疾病[5]、调节免疫系统、具有抗氧化作用等。植物甾醇在医药工业上的应用对其纯度提出更高要求,人们对植物甾醇单体进行了广泛深入的研究。随着研究的不断深入,各种植物甾醇单体特殊的作用也逐步被人们认识, β-谷甾醇是一种抗炎和退热作用显著、应用安全的天然药物,豆甾醇也具有抗炎作用。如何将混合植物甾醇分离成单一甾醇产品,并提高其纯度和回收率,是当前甾醇分离精制研究热点[6]。

1 植物甾醇的分离提纯工艺

植物甾醇单体分离的原料是精制混合甾醇,混合植物甾醇主要来源于木浆浮油和植物油炼下脚料,特别是脱臭馏出物 (又名 DD油)[7]。在植物油精炼过程中,几乎半数的植物甾醇进入脱臭馏出物中[8]。我国是油料生产、制油和油脂消费大国,油脂精炼能力每年达 600万吨,按精炼能力与植物甾醇含量估算每年产生的脱臭馏出物中含有的植物甾醇总量约 2 000～3 000吨,为实现工业化生产提供了充足的原料[9]。因而现阶段我国主要从植物油精炼脱臭工序的副产品——脱臭馏出物中提取混合植物甾醇。从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、豆甾醇为主,占 60%以上[10]。

虽然从脱臭馏出物中提取混合植物甾醇的方法各异,但其原理一般是基于原料组成的化学性质、物理性质方面的差异进行分离与提纯。如利用皂化、中和、酶解、溶解度、蒸汽压、吸附力的差异以及不同温度、真空条件、表面活性剂存在下物理、化学性质的变化等来分离除去非甾醇类物质。目前生产和研究的分离与提纯方法主要有:溶剂结晶法、络合法、皂化法、分子蒸馏法、超临界 CO2萃取法、吸附法(柱吸附法、高压流体吸附法)、酶法等[11]。

1.1 溶剂结晶法

溶剂结晶法是利用物质在有机溶剂中溶解度差异的原理来提取植物甾醇的,是试验研究植物甾醇分离提纯的主要方法,脱臭馏出物经皂化或酯化处理后,用大量的有机溶剂多次萃取分离得到甾醇[12]。此方法可用于直接分离,操作较为简单,但该法操作步骤多,溶剂用量大,回收困难,甾醇的回收率低,因此目前还难以工业化[10]。

1.2 络合法

络合法是利用甾醇和其他物质络合生成络合物,并依据络合物的溶解度差异来提取植物甾醇。该工艺是将脱臭馏出物进行皂化、酸分解、萃取、络合反应、分离络合物和络合物分解制得甾醇粗品。获得甾醇精制品还需要经过脱色、结晶等步骤。此方法经试验证明得到的甾醇纯度较高,回收率也较高[13],缺点是溶剂回收困难,生产成本大。

1.3 干式皂化法

干式皂化法是利用脱臭馏出物中的可皂化物质在碱性条件下的皂化性来提取甾醇的。主要流程是将脱臭馏出物用熟石灰或生石灰在 60～90℃条件下皂化,然后用机器粉碎膏状物,再经溶剂萃取,浓缩得到粗甾醇,再经过洗涤去杂、脱水得到精制植物甾醇[14]。干式皂化法生产工艺安全无毒,节省了有机溶剂的用量,缺点是原料的利用效率、产品的纯度和回收率较低。

1.4 分子蒸馏法

分子蒸馏的原理是在极高真空度下,依据混合物中分子运动自由程的差别,使物体在远低于其沸点的温度下分离[15-16]。分子蒸馏特别适用于实验室精制,也可用于工厂同时提取和分离甾醇、维生素E。其流程是先将脱臭馏出物酯化,然后洗涤,减压脱除低碳醇,通过蒸馏回收易挥发组分脂肪酸酯,将残液进行分子蒸馏,回收维生素 E,其残渣进行皂化反应,然后经丙酮等有机溶剂提取得粗甾醇,最后经脱色、重结晶得到精制植物甾醇。分子蒸馏技术对于超临界萃取物的纯化是很有效的辅助方法[17],能将两种现代方法结合应用于植物甾醇的分离精制将会有很广泛的发展前景。缺点是流程长、操作步骤多、产品的纯度和回收率低。

1.5 超临界 CO2萃取法

超临界 CO2萃取是一种全新的化工分离技术,是通过改变压力和温度以改变超临界 CO2流体的密度,从而使溶质在其中的溶解度发生改变而分离[18]。该法可直接将植物甾醇从油脂精炼脱臭馏出物中提取出来,回收率可达 41%[19]。其优点是无需有机溶剂、流程简单、无毒、污染小、安全性高,同时产品纯度好,回收率高,能耗低。因此,利用超临界 CO2萃取技术提取植物甾醇对工业化生产研究具有较高的经济价值,缺点是设备投资和维护费用较大[20-21]。

1.6 吸附法

1.6.1 柱色谱法

吸附色谱是常用的分离纯化植物甾醇的色谱方法。在柱层析中利用甾醇在洗脱液与吸附剂之间分配差异,达到分离目的。柱色谱仪器设备简单、重现性好,是一种分离甾醇的有效方法,可作为高纯度β-谷甾醇和菜油甾醇标准品的制备分离方法[11]。但是存在洗脱时间过长,溶剂耗费量大的缺点。

1.6.2 高压流体吸附法

高压液体、亚临界气体或超临界气体 (5～40 MPa,30～60℃)与原料形成的高压流体混合物通过吸附,使无脂甾醇选择性的被留在吸附剂上,然后通过另一种高压流体或有机溶剂对植物甾醇进行脱附,其中常用的吸附剂为氢氧化钙、氧化钙、碳酸钙、碳酸镁或氢氧化镁[11]。此法得到的甾醇纯度很高。

1.7 酶法

酶法提取植物甾醇的原理是采用一种固定化非特异性脂肪酶对脱臭馏出物的酯化过程进行催化,使脂肪酸甲酯的转化率提高,因而通过回收易挥发的脂肪酸甲酯可以提高植物甾醇的纯度和回收率。酶法克服了溶剂浸出、化学处理及分子蒸馏提取维生素 E和甾醇回收率低的缺点,可以回收得到原料中 90%以上的甾醇和维生素 E。其原料无需任何预处理,具有反应条件温和、醇用量少、产品易于收集纯化及无污染排放等特点,在节约能源和环境保护方面具有重要的社会意义和经济意义,被认为是提取甾醇和维生素 E的一个新的发展方向。但目前酶法也存在低碳醇转化率低、酶的价格高及使用寿命短等缺点[22]。

2 植物甾醇单体分离工艺

由于甾醇单体结构极其相似,因而从植物甾醇中分离β-谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇等,得到纯度较高的单体甾醇是一件困难而又繁琐的工作。但实现单组分高纯度植物甾醇的规模化生产,可以为甾体药物的生产提供较为廉价的原料[23]。

目前,国内外对植物甾醇单体的分离方法主要有化学法和物理法。

2.1 化学法

其原理是通过化学反应来制备植物甾醇的衍生物,从而增加各种植物甾醇的物性差异,然后利用物理方法分离单体。比如利用有机酸与甾醇羟基发生酯化反应生成相应衍生物,增大物理性质差异,然后重结晶分离利用甾醇环和支链上双键发生卤素加成反应,使生成衍生物物理参数差异变大,再选择合适有机溶剂萃取、重结晶分离[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异,首先将混合植物甾醇用乙酸酐进行酯化反应,然后将酯化产物用过量溴进行溴化,选用合适的溶剂分离出四溴化物和二溴化物。分离后的产物分别用锌粉还原脱溴、碱性水解,最后在丙酮中重结晶得到纯的豆甾醇和β-谷甾醇。这种工艺在大规模的工业化生产中存在反应步骤多、成本高、操作困难、环境污染大、溶剂回收率低等缺点,因而不能达到令人满意的分离结果。

2.2 物理法

其原理是利用某些甾醇物理性质的不同来达到分离的结果,依据的物性不同,所采用的方法也不同,如利用个别甾醇蒸汽压力不同,真空蒸馏分段富集;在层析柱中利用个别甾醇在洗脱液与吸附剂之间分配差异,达到分离目的;利用个别甾醇在有机溶剂中溶解度的差异,进行重结晶分离等。

目前应用的物理法有分子蒸馏法、高效液相色谱法、沸石吸附法和溶剂结晶法等[25-28]。其中溶剂结晶法是国内外关于混合甾醇单体分离研究的最常用方法。

溶剂结晶法原理是利用植物甾醇类化合物在溶剂 (单一或混合系统)中溶解度差异,进行多级分步结晶;由于植物甾醇单体之间的溶解性差异较小,因而选择合适的溶剂和操作条件是实现有效分离的关键。结晶法分离混合植物甾醇具有操作简便、工艺流程短、溶剂容易回收、产品纯度高等优点,适合工业化生产,国内外对此进行了大量的研究[29]。

万建春等[25]测定β-谷甾醇和豆甾醇在环己酮中的溶解度,利用β-谷甾醇和豆甾醇在环己酮中的溶解度随温度变化的差异,分别用重结晶法提纯β-谷甾醇和豆甾醇,并对豆甾醇的结晶条件 (料液比、结晶温度和养晶时间)进行优化。试验结果表明:经过 4次结晶操作,β-谷甾醇的纯度可达到 90%;豆甾醇结晶过程中采用料液比 (混合植物甾醇与环己酮比,g/mL)为 1∶3.3、结晶温度 25℃、养晶 5 h的条件下,经 5次结晶豆甾醇的纯度达到 96%。

吴英艳等[30]测定了甾醇单体在不同溶剂中的溶解度数据,在此基础上,利用菜油甾醇、豆甾醇和β-谷甾醇在环己酮中的溶解度随温度变化的差异,用重结晶法提纯β-谷甾醇,经过3次结晶操作,β-谷甾醇的纯度达到 86.58%;利用菜油甾醇、豆甾醇在正戊醇和环己酮中溶解度的差异,经过 5次重结晶,结晶产品中豆甾醇的纯度分别达到 96.1%和93.9%。

研究发现利用溶剂结晶法分离混合植物甾醇时,溶剂系统中少量水的存在可适当地提高豆甾醇选择性,得到纯度较高的豆甾醇和谷甾醇,同时还可以大大提高甾醇的回收率[31]。彭莺等[32]研究了溶剂含水量对提纯豆甾醇的影响,采用多级逆流结晶法提纯豆甾醇,在溶剂系统中控制少量的水可以有选择的降低豆甾醇的溶解度,即降低残渣中豆甾醇的溶解损失,从而显著提高豆甾醇收率。结果显示二氯乙烷与正庚烷共沸系统含水 7%时,豆甾醇的选择性最好。

溶剂结晶法工艺比较简单,非常适合工业化生产植物甾醇的单体,但是选择合适的参数条件对成本控制非常关键。通过尝试不同的溶剂以及合适的料液比、温度以及时间的比较,确定工业化放大前的理论数据,为产品的工业化生产做好理论基础研究,应该是溶剂结晶法的发展方向[33]。

甾醇单体经济价值的不断提高促进了各种分离的技术不断发展,开发出简单有效的生产工艺是甾醇单体研究的主要方向。目前一些发明专利采用其他的物理方法来分离单体,也达到较好的分离效果。比如南京工业大学发明一种“从混合植物甾醇中分离提取β-谷甾醇的方法”并申请了专利[34],该发明公开了一种从混合植物甾醇中分离提取β-谷甾醇的方法,将混合植物甾醇溶于有机溶剂中,经金属螯合树脂吸附,使混合物中各组分有选择性的吸附在金属螯合树脂上,选择合适洗脱剂洗脱β-谷甾醇,实现混合植物甾醇中β-谷甾醇的分离,金属螯合树脂经再生处理后,可重复使用。该发明所涉及的金属螯合树脂吸附容量大、选择吸附特异性能强,使用该发明方法分离混合植物甾醇中β-谷甾醇,其分离纯度能达 80%以上,回收率达到 50%以上。该发明方法简单,易于产业化,且投资成本低,并且金属螯合树脂经再生处理后重复使用率高。

3 结语

随着科学的不断向前发展和植物甾醇研究开发的不断深入,越来越多先进的技术工艺会被发明和应用。完善溶剂结晶法的参数以及应用其他的分离纯化方法如色谱法将是未来努力的方向。上述几种分离提纯方法和单体分离的方法可相互结合,以研究出经济简单的分离方法来实现工业化规模生产,从而充分发挥植物甾醇的应用价值。

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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 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)03-0124-05

黑龙江省教育厅科学技术研究(11521028)

2009-03-25

庞利苹,女,1985年出生,硕士,应用化学

徐雅琴,女,1964年出生,教授,天然产物研究与开发