（应用化学专业论文）豆甾醇、β谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究.pdf

计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 摘要 植物甾醇是甾族化合物中的一类仲醇，广泛存在于各种植物油中。天然植物 甾醇种类繁多，主要包括豆甾醇、伊谷甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇四种4 无甲基甾 醇。 本文分别以豆甾醇、伊谷甾醇与马来酸酐的酯化反应为研究体系，探讨了反应 条件对豆甾醇酯化反应过程的影响，分别研究了豆甾醇、口一谷甾醇与马来酸酐酯化 反应的动力学，测定了酯化产物在不同溶剂中的溶解度随温度变化的曲线，并通 过重结晶分离豆甾醇马来酸酯和口谷甾醇马来酸酯的混合物。论文的具体研究内 容如下： ( 1 ) 豆甾醇、伊谷甾醇与马来酸酐的酯化反应产物的表征 豆甾醇、伊谷甾醇与马来酸酐的酯化反应以甲苯为溶剂，对甲苯磺酸为催化剂， 反应产物经元素、红外、核磁进行了表征。结果表明，在实验条件下豆甾醇、伊 谷甾醇与马来酸酐反应的产物分别为豆甾醇马来酸单酯和争谷甾醇马来酸单酯。 ( 2 ) 豆甾醇、声谷甾醇与马来酸酐的酯化反应过程研究 研究了体系温度、甾醇与马来酸酐的摩尔比及催化剂用量对豆甾醇与马来酸 酐酯化反应过程的影响，实验结果表明相同反应时间下，反应酯化率随着体系温 度的升高而增加，随着甾醇与马来酸酐的摩尔比的增大而增加，随着催化剂的用 量的增大而增加。 研究了豆甾醇、伊谷甾醇与马来酸酐反应生成豆甾醇马来酸单酯和伊谷甾醇马 来酸单酯的动力学，结果表明，反应对甾醇和酸酐分别为一级，总反应符合二级 反应动力学规律。可以得到动力学方程分别为： r = k g o ，其中七= 1 2 1 x 1 0 7e x p ( - 6 0 3 0 0 r t ) ( d m 3 m o l q m i n 4 ) ，= 后白岛，其中t = 6 2 6 x 1 0 ee x p ( - 5 7 0 0 0 r t ) ( d a n 3 m o - 1 - m i n 以) 其反应活化能屁大小分别为6 0 3k j m o l 。和5 7 01 0 - m o l 。 2 扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 豆甾醇马来酸单酯、伊谷甾醇马来酸单酯的溶解特性研究 采用动态法测定了豆甾醇马来酸单酯、声一谷甾醇马来酸单酯在溶剂丙酮、乙酸 乙酯中的溶解度随温度变化的曲线。实验结果表明，豆甾醇马来酸单酯和口谷甾 醇马来酸单酯在溶剂丙酮和乙酸乙酯中的溶解度都随着温度的升高而增大。在相 同温度下，两种酯在乙酸乙酯中的溶解度均大于其在丙酮中的溶解度，且伊谷甾 醇马来酸单酯的溶解度大于豆甾醇马来酸单酯。模型l o g ( 1 x ) = a t + b 可以较好 地模拟豆甾醇马来酸单酯和口一谷甾醇马来酸单酯在丙酮和乙酸乙酯溶剂中的溶解 度与温度的关系。 ( 4 ) 豆甾醇马来酸单酯、口谷甾醇马来酸单酯的分离过程研究 以丙酮、乙酸乙酯和环己酮为溶剂重结晶分离豆甾醇马来酸单酯和伊谷甾醇 马来酸单酯，实验结果表明，以乙酸乙酯和环己酮为溶剂在经过四次重结晶后， 豆甾醇马来酸单酯的纯度可以达到8 0 。以环己酮为溶剂在经过了四次重结晶后， 口谷甾醇马来酸单酯的纯度可以达到8 0 。丙酮对于这两者的分离提纯没有明显的 效果。 关键词：甾醇，酯化，分离，马来酸酐 计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 3 a bs t r a c t p h y t o s t e r o li sak i n do fs e c o n d a r ya l c o h o li ns t e r o i d sc o m p o u n d s ，w h i c ha r ew i d e l y p r e s e n ti nf o o d so fp l a n to r i g i n ，e s p e c i a l l yo i l s t h em o s tc o n m l o np h y t o s t e r o l si n n a t u r ea r et h e4 - d e s m e t h y l s t e r o l s ，n a m e l ys t i g r n a s t e r o l ，f l - s i t o s t e r o l ，c a m p e r s t e r o la n d b r a s s i c a s t e r 0 1 t h ee s t e r i f i c a t i o np r o c e s so fs t i g m a s t e r o lo r8 - s i t o s t e r o lw i t hm a l e i ca n h y d r i d ew a s s t u d i e da n de s t e r i f i e dp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h ek i n e t i c so fe s t e r i f i c a t i o no f s t i g m a s t e r o lo rf l s i t o s t e r o lw i t hm a l e i ca n h y d r i d ei nt h ep r e s e n e eo f p - t o l u e n e s u l p h o n i e a c i da sac a t a l y s ta n dt o l u e n ea sas o l v e n th a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h es o l u b i l i t i e so ft h e e s t e r i f i e dp r o d u c t s ，s t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ea n dp - s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei nv a r i o u s s o l v e n t sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h es o l u b i l i t i e so fs t i g m a s t e r y l m o n o m a l e a t ea n d 卢- s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei nc e r t a i ns o l v e n t s ，t h ee s t e r i f i e dp r o d u c t s w e r ep u r i f i e dw i t hr e c r y s t a l l i z a t i o n t h ew o r k sw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o wp a r t s ： 1 t h ec h a r a c t e r i z a t i o no fe s t e r i f l e dp r o d u c t so fs t i g m a s t e r o lo rp - s i t o s t e r o lw i t h m a l e i ca n h y d r i d e t h ee s t r i f i c a t i o no fs t i g m a s t e r o lo rb s i t o s t e r o lw i t hm a l e i ca n h y d r i d ew e r ec a r r i e d o u ti nt h ep r e s e n c eo f p - t o l u e n e s u l p h o n i ca c i da sac a t a l y s ta n dt o l u e n ea sas o l v e n t t h e e s t e r i f i e dp r o d u c t sw e r ec h a r t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n d n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee s t e r i f i e d p r o d u c t so fs t i g m a s t e r o la n db s i t o s t e r o lw i t hm a l e i ca n h y d r i d ew e r es t i g m a s t e r y l m o n o m a l e a t ea n d b - s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t e 2 t h ee s t e r i f i c a t i o np r o c e s s e sa n dk i n e t i c so fs t i g m a s t e r o lo rp - s i t o s t e r o lw i t h m a l e i ca n h y d r i d e t h ee f f e c t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n so ns t i g n a a s t e r o le s t e r i f i c a t i o np r o c e s s ，s u c ha s t e m p e r a t u r e s ，r e a c t a n tr a t i o so fs t e r o lt om a l e i ca v a y d r i d ea n dt h ea m o u n to fc a t a l y s t u s i n gw e r ei n v e s t i g a t e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a ts t i g m a s t e r o lc o n v e r s i o n 珂i n c r e a s e da t t h es a n l er e a t i o nt i m ew i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，r e a c t a n tr a t i oo fs t e r ot om a l e i c a n h y d r i d ea n dt h ea m o u n to fc a t a l y s tu s i n g t h ek i n e t i c so fm o n o e s t e r i f i c a t i o no fs t i g m a s t e r o lo rp - s i t o s t e r o lw i t hm a l e i c a n h y d r i d ei nt h ep r e s e n c eo fp - t o l u e n e s u l p h o n i ca c i da sac a t a l y s ta n dt o l u e n e a sa 4 扬卅i 大学硕士学位论文 s o l v e n th a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e a c t i o n sa p p e a rt ob ef i r s to r d e rw i t hr e s p e c tt o s t e r o la n df i r s to r d e rt om a l e i ca n h y d r i d e r e s p e c t i v e l y t h ef i n a lk i n e t i ce q u a t i o n sa r ea s f o l l o w s ： ，= k o 句， i n w h i c h = 1 2 1 x 1 0 7e x p ( - 6 0 3 0 0 r t ) ( d m 3 m o l t m i n 。1 ) ，= kc a c b ，i n w h i c h k = 6 2 6 x 1 0 6e x p ( - 5 7 0 0 0 r t ) ( d m 3 m o l l m i n l ) t h ev a l u eo fa c t i v a t i o ne n e r g yf o rs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ea n db s i t o s t e r y l m o n o m a l e a t ef o r m a t i o ni s6 0 3a n d5 7 0k j m o l l ，r e s p e c t i v e l y 3 s o l u b i l i t i e so fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ea n d 口s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei n v a r i o u ss o l v e n t s s o l u b i l i t i e so fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ea n d8 一s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ea tv a r i o u s t e m p e r a t u r e si na c e t o n e ，e t h y la c e t a t ew e r es t u d i e d t h es o l u b i l i t i e so f t h e s es t e r y le s t e r s a r er e p r e s e n t e db ye q u a t i o n l o g ( 1 x ) = a t + b f o re a c hs o l v e n t t h ec o n c l u s i o n sc a n b ed r a w nf r o mt h em e a s u r e ds o l u b i l i t yd a t a ：t h es o l u b i l i t yo fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t e a n d9 一s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei n c r e a s e si n e t h y l a c e t a t ea n da c e t o n ew i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e s t h es o l u b i l i t yo fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ei ne t h y la c e t a t ei sh i g h e rt h a n t h a ti na c e t o n ea tc o n s t a n tt e m p e r a t u r e s ow a st h e8 一s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t e t h e s o l u b i l i t yo f 伊s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei sh i 【g h e rt h a nt h a to fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t e i i la uo ft w ok i n d so fs o l v e n t sa tc o n s t a n tt e m p e r a t u r e t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac o u l db e r e g r e s s e d b ye q u a t i o nl o g ( 1 x ) = a t + b 4 p u r i f i c a t i o na n ds e p a r a t i o no fs t i g m a s t e r y lm o u o m a l e a t ea n d , o - s i t o s t e r y l m o n o m a l e a t e t h es o l v e n t sa c e t o n e ，e t h y la c e t a t ea n dc y c l o h e x a n o n ew e r eu s e df o rs e p a r a t i o nt h e m i x t u r es t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ea n d 凸s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t es e p a r a t i o n 1 1 l er e s u l t s s h o wt h a ta f t e rf o u rs t a g e sc r y s t a l l i z a t i o ni ne t h y la c e t a t ea n dc y c l o h e x a n o n e ，t h e c o n t e n to fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t ei su pt o8 0 a sc y c l o h e x a n o n eas o l v e n t ，t h e c o n t e n to f 口s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t ei su pt o8 0 a f t e rf o u rs t a g e sc r y s t a l l i z a t i o n n e a c e t o n ei sn o tag o o dk i n d o fs o l v e n ti ns e p a r a t i o nm i x t u r eo fs t i g m a s t e r y lm o n o m a l e a t e a n df l - s i t o s t e r y lm o n o m a l e a t e k e yw o r d s ：s t e r o l ，e s t e r i f i e a t i o n ，s e p a r a t i o n ，m a l e i ca n h y d r i d e 计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 5 1 引言 1 1 植物甾醇种类、结构和性质 植物甾醇是一类以环戊烷全氢菲为骨架的醇类化合物，是甾族化合物中的一 类仲醇，在自然界中以游离态和结合态形式存在，其中以结合态存在的有甾醇糖 苷、甾醇脂肪酸酯等”刃。天然植物甾醇种类繁多，主要包括豆甾醇( s t i g m a s t e r 0 1 ) 、 口一谷甾醇( f l - s i t o s t e r 0 1 ) 、菜油甾醇( c a m p e s t e r 0 1 ) 和菜籽甾醇( b r a s s i c a s t e r 0 1 ) 四 种4 无甲基甾醇，另外还有燕麦甾醇、菠菜甾醇、麦角甾醇等3 1 。 豆甾醇、伊谷甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇这四种甾醇均属于4 无甲基甾醇，仅 在侧链上存在微小差异【4 ，5 1 ，结构如图1 1 所示： b h h d 图1 1 四种植物甾醇的分子结构 a 伊谷甾醇b 豆甾醇c 菜籽甾醇d 菜油甾醇 f i g 1 1m o l e c u l a rs t r u c t u r e s o f f o u r k i n d s o f p h y t o s t e r o l s a f l - s i t o s t e r o l b s t i g m a s t e r o l c b r a s s i c a s t c r o l d c a m p e s t e r o l 植物甾醇通常为片状或粉末状白色固体，经溶剂结晶处理的甾醇为白色鳞片 6 扬州大学硕士学位论文 状或针状晶体，其中由乙醇中结晶形成针状或鳞片状，由二氯甲烷中结晶形成针 刺状或长棱晶。植物甾醇分子中碳原子数一般为2 7 3 1 ，分子量为3 8 6 4 5 6 ，植物 甾醇的熔点较高，都在1 0 0 以上，最高达到2 1 5 。植物甾醇的比重略大于水， 不溶于水，可溶于多种有机溶剂。 1 2 植物甾醇的来源和用途 精炼植物油脱胶产生的油脚和脱臭馏出物( d d 油) 为制取植物甾醇的主要来 源，在玉米油、花生油、菜籽油、大豆油、葵花籽油、棉籽油等脱臭馏出物中一 般含有1 0 3 0 的不皂化物，其中4 0 为植物甾醇【“引。4 0 的植物甾醇中4 无甲 基甾醇所占比例为大于8 5 ，其中谷甾醇含量占5 0 以上，其次是菜油甾醇、豆甾 醇、燕麦甾醇和豆甾烯醇。而植物甾醇因其植物的种类、产地不同，在含量和组 成上会有不同。i t o h 等人 9 1 研究了十几种植物油的脱臭馏出物中植物甾醇的含量。 ( 分别来自玉米、米糠、大麦胚芽、椰子果、棕榈、棕榈核、花生、大豆、向日 葵、红花、橄榄( 法国) 、蓖麻油、木棉、棉籽、亚麻籽、油菜籽、芝麻和咖啡种 子油以及可可油。) 表1 1 为常见植物油中各种甾醇的含量。 表1 1 不同精炼植物油中植物甾醇组成百分比( ) 州 一遮1 1p e r c e n t a g eo f s t e r o l s i nv a i l o i l sv e g e t a b l eo i l s 一 油脂来源 菜籽甾醇菜油甾醇豆甾醇口- 谷甾醇未知物 订痕量( t r a c em o u n t s ) ，小于o ，5 ；表示存在 计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 7 造纸工业副产品木浆油( 妥尔油) 是回收植物甾醇的第二大来源1 0 1 ，其脱臭 馏出物中含有的植物甾醇主要含伊谷甾醇( 5 0 6 0 ) ，并同时含有少量的菜油甾醇、 豆甾醇和菜籽甾醇【l “。 许多植物1 2 删，特别是中草药植物中也普遍含有植物甾醇，如北沙参”】、山 海棠【1 6 1 、板蓝根 1 7 1 、天冬【1 8 】等。 植物甾醇本身无毒性，且具有许多重要的生理特性【1 9 之 r l ，在医药卫生【2 8 2 e l 、 食品保健、美容方面具有很大用途，在新型蚕业养殖和鱼虾禽蛋等副食品生产中 也有特殊功能。 在医药卫生方面，植物甾醇中，伊谷甾醇和豆甾醇、菠菜甾醇、环木菠萝甾醇、 2 4 亚甲基环木菠萝烷醇都具有显著的抗炎、退热和抗溃疡作用，并有很好的安全 性和稳定性。其中含声一谷甾醇或豆甾醇的药物在抗炎方面应用广泛【3 0 1 ，伊谷甾醇有 类似于氢化可的松和羟基保泰松等的抗炎作用( 且无可的松之类的副作用) ，具有类 似阿斯匹林的退热作用。如种用于治疗“牙周脓肿、牙龈出血、牙龈炎、牙周 炎诸症”的“牙周宁”就是含卢谷甾醇的药物【3 0 】。 近年来，植物甾醇的抗癌作用也引起了人们极大的关注 3 1 - 3 3 】。流行病学研究 表明，膳食中的植物甾醇摄入量与结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌、胃癌和 肺癌等癌症的发生呈负相判3 4 1 。 纽约膳食机构【3 4 】对西方妇女卵巢癌的发病率与伊谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇 摄入量的相关性进行了研究，结果表明膳食中伊谷甾醇( 4 7 8 8 6 l m g d a y ) 、菜油甾 醇( 2 6 3 2 m g d a y ) 和豆甾醇( 2 3 r a g d a y ) 的摄人与卵巢癌的发生都呈现负相关性； e d u a r d od es t e f a n i 【3 5 1 等人针对乌拉圭人群进行了关于伊谷甾醇、菜油甾醇、豆甾 醇和总植物甾醇的摄入量与胃癌发生相关性的研究，结果表明总植物甾醇与乌拉 圭人群的胃癌发生呈负相关性。l i n g 蚓等人就膳食中植物甾醇摄人量与乳腺癌发 生的相关性的流行病学的研究表明，食用高植物性和低动物脂肪性食物( 植物甾醇， 8 1 2i s m o l l ) 的日本人群的乳腺癌发病率较食用低植物性和高动物脂肪性食物( 植 物甾醇，2 “岬o l l ) 的西方人群( 美国和北欧) 的乳腺癌发病率低。 8 扬州大学硕士学位论文 国外从大豆油等植物油的脱臭馏出物中大量生产豆甾醇、口一谷甾醇，用于甾体 药物工业。我国的甾体药物工业有着相当规模，原料薯蓣皂素年用量为6 0 0 1 0 0 0 吨【2 们。然而薯蓣属野生植物，随着甾体药物发展、资源日益减少，供不应求。伊 谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇是重要的甾体药物和维生素d 3 的生产原料。经微生物 降解脱c 1 7 位侧链可得到雄甾1 ，4 二烯3 ，1 7 二酮( 简称a d d ) 和雄甾一4 烯一3 ，1 7 一 二酮( 简称4 a d ) ，由此通过几步合成，可制得当今药物市场上几乎所有的甾体 药物。国外多将植物甾醇分离成伊谷甾醇和豆甾醇两部分，一谷甾醇( 含菜油甾醇) 用于发酵法生产4 a d 和a d d ，豆甾醇通过化学法从c 一2 2 双键处切断，再进行结 构修饰，可制造出多种甾体皮质激素药物。以甾醇替代薯蓣已是我国甾体药物工 业的必然之路。甾醇就是一种重要的甾体药源，开发对植物油脂精炼下脚料的甾 醇的利用，使其成为当今一种价廉的、具有工业应用价值的甾体药物的原料，符 合当今绿色、可持续发展的指导思想。 在食品工业中，植物甾醇及其制品作为一种安全性高、降血脂效果明显的功 能性食品添加剂正日益受到人们的重视 3 7 - 5 2 】。h e p b u m 等人经过一系列【”弗1 研究表 明，植物甾醇对降低血浆胆固醇的活性物质对动脉硬化造成的结构损伤有良好的 控制作用，从而降低冠心病的发病率和死亡率。在食品营养强化剂和麦淇淋的配 方中【“4 9 1 ，植物甾醇经常以天然营养因子出现用于高胆固醇症的预防和治疗。在 草本植物药物研究领域1 5 0 , 5 h ，其可作为食品营养强化剂。为了满足不同的药方的 要求，可以不皂化物的油的形式来使用。当摄入这种天然植物成分后，人体血清 中低密度脂蛋白胆固醇水平显著下降，降低冠心病和动脉粥样硬化的患病率。此 外，植物甾醇具有良好的抗氧化、抗腐败作用，可用作食品添加剂。 在膳食中，油脂和谷物制品是植物甾醇最重要来源。在西方的膳食结构中【5 0 j ， 人们平均每天摄人2 5 0 m g 植物甾醇，这和胆固醇每天3 0 0 m g 摄入量很不平衡，植物 甾醇摄入量在1 4 6 4 0 5 m g 范围内，并随着食物性质的不同而改变。食用植物性食物 的人，每天最高摄入量可达1 9 。食用海洋贝类食品，如蚌、牡蛎和扇贝，摄入的 菜籽甾醇，燕麦甾醇，脱氢胆甾醇和菜油甾醇与植物性食物相似。植物甾烷醇的 摄入量很少，每天只有2 5 r a g ，主要来源于谷物、小麦、燕麦和大米制品。一般认 计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 9 为，植物油及其加工产品是植物甾醇最丰富的自然来源，其次是谷物、谷物副产 品和坚果，少量来自水果和蔬菜。 在化妆品行业中，植物甾醇、氢化植物甾醇、甾醇脂肪酸酯以及甾醇与环氧 乙烷、环氧乙烯、环氧丙烯的加成物都有广泛应用5 2 1 ，尤其是植物甾醇及其乙氧 基化物应用更为普遍，在化妆品中起着乳化剂、调稠剂、增溶剂、分散剂、软化 剂和护发剂等作用。植物甾醇及其衍生物在皮肤清洁剂和护肤剂中被用作乳化剂 5 3 , 5 4 ，并能改善皮肤触感。在浴用化妆品中与阳离子或阴离子表面活性剂合用， 能起到稳定泡沫的作用。低乙氧基化物能起到去除油脂的作用。植物甾醇亲和性 弱，在头发香波中起到调节剂作用，在洗发剂和护发剂中，可使头发变强劲、不 易短裂，此外还有减少对头皮的静电作用。由于植物甾醇的医药特性，用其制成 雀斑霜，起到医疗和美容的双重功效。由于甾醇的皮肤渗透和软化特性，还用于 治疗鸡眼等皮肤角质化病变的化妆品。 伊谷甾醇和植物生长激素及能在水中形成分子层膜的脂质制成的核糖蛋白，用 作动物生长剂添加到饲料中，可通过注射由动物皮下吸收，或作为养殖池水添加 剂，或经过表面喷雾由皮肤吸收，适用于蚕、鱼、虾、鸟、家禽和家畜，可以达 到促进动物生长、提高产量、降低成本的良好经济效益。作为一种新型功能性饲 料添加剂，植物甾醇可应用于降低禽蛋和禽肉中胆固醇的含量，具有增进动物蛋白 质合成、促进动物生长和健康的功能，还可作为畜禽饲养的肝功能改善剂。植物 甾醇在饲料工业中具有广阔的应用前景【5 5 】。 随着植物甾醇在各方面应用的不断深入，其开发应用已经引起了各国科学家 的重视，因此植物甾醇的分离精制必将成为甾醇开发应用至关重要的一个环节。 1 3 植物甾醇的提取及分离研究现状 1 3 1 混合植物甾醇的提取 混合植物甾醇主要来源于植物油精炼下脚料，特别是脱臭馏出物( 又名d d 油) ， 油脂脱胶、脱酸、脱色、脱臭等植物油精炼过程中，几乎半数植物甾醇进入脱臭 馏出物等副产物中，于是从其中提取混合植物甾醇是我国混合植物甾醇的主要来 1 0扬州大学硕七学位论文 源。脱臭馏出物因植物油的品种不同，其混合植物甾醇中所含的甾醇种类和含量 也不同 5 6 , 5 7 】。另外，造纸工业的木浆浮油，其脱臭馏出物中也含有丰富的甾醇的 资源。 虽然从脱臭馏出物中提取甾醇的方法各异，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。目前主要的分离与提纯方法有 以下几种： ( 1 ) 溶剂结晶法 5 b ，5 9 】 该工艺是实验研究植物甾醇分离提纯的主要方法，该法操作步骤多，溶剂用 量大、回收困难，甾醇的收率低，因此目前还难以工业化，但其处理方法及其中 的一些工序仍具有非常重要的参考和指导价值。 木浆浮油是硫酸盐法制浆过程中副产物，其不皂化物中含有植物甾醇，含量 为浮油1 5 3 o ，比一般植物油都高。金琦等删首次用乙酸乙酯从落叶松硫酸盐 皂中萃取不皂化物，再用乙酸乙酯将其溶解，室温结晶，经两次结晶可得到纯度 为9 6 9 植物甾醇晶体，其中伊谷甾醇6 4 6 ，菜油甾醇2 5 1 。该研究所用萃取 和结晶溶剂都是乙酸乙酯，简化工艺，减少溶剂种类，且易将其回收，能源消耗 低，产品纯度高。国外学者对于从硫酸盐皂中提取植物甾醇进行大量研究，分别 用甲醇、乙醇等极性溶剂和乙醚、汽油、苯等非极性溶剂萃取硫酸盐皂，分离出 植物甾醇。h o l i i l b o m 6 1 】用丙酮或2 丁酮和己烷或庚烷作溶剂，从硫酸盐皂中，萃 取不皂化物。l a m m i n k a r i 和k o s k e n n i s k a 蚓用丙酮和乙醇作结晶溶剂，从不皂化物 中得到高纯度植物甾醇。 国内有许多从妥尔油中提取植物甾醇的研究，并已经取得了很好的成果。如 宁夏新技术应用研究所获得自治区科技成果奖的项目“妥尔油中提取伊谷甾醇” 【6 3 】，声谷甾醇的总收率为o 5 ，成本为5 0 0 元瓜g ，副产物经处理后可做胶磷捕 收剂和石油破乳剂等，原料总利用率在9 0 ，预计年处理1 0 0 吨。此外，福建省 化工研究所是国内较早以妥尔油沥青为原料，分离与提纯谷甾醇的删，他们采用 酸碱中和、皂化、萃取、结晶、过滤与干燥等工艺过程，从妥尔油沥青中分离与 提纯伊谷甾醇。技术关键在于萃取液的选择与粗甾醇结晶的条件，提纯所得产品 计明洁：豆甾醇、伊谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 1 l 其总甾醇的含量大于9 5 ，其中伊谷甾醇达9 4 。 ( 2 ) 络合法【5 5 9 1 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。日本、美国等就采用此法工业化生产植物甾醇，针对 谷维素生产老工艺中提取谷甾醇的困难、繁复，我国少量米糠甾醇的工业化生产 亦是采用此法。该工艺的缺点在于溶剂回收困难，生产成本高。 ( 3 ) 干式皂化法【5 8 ，5 9 1 该工艺是将脱臭馏出物用熟石灰或生石灰在6 0 * ( 2 9 0 。c 皂化，然后用机器粉碎 膏状物，经溶剂萃取、浓缩得到粗甾醇，再经过洗涤去杂、脱水得到精甾醇。该 法原料的利用效率、产品的纯度和收率低，改善其工艺条件以提高收率和纯度的 研究工作仍在进行之中。 ( 4 ) 分子蒸馏法【6 5 】 该法为目前主要的工业生产方法，工艺流程是首先将脱臭馏出物酯化，然后 进行洗涤，减压脱除低碳醇。通过蒸馏回收易挥发组分脂肪酸酯，残液进行分子 蒸馏回收维生素e 。 ( 5 ) 酶法6 刀 该法的优点在于处理条件温和，原料亦不需任何预处理。可以认为是提取甾 醇一个新的发展方向。w e b e r 等 6 7 1 发展了从脱臭馏出物中直接酶法制备植物甾醇酯 的工艺，采用固定化脂肪酶催化脱臭馏出物中甾醇与脂肪酸或三酰甘油发生原位 的酯化或酯交换，再经脱酸、柱层析分离和溶剂分提，得到纯度大于9 0 的甾醇酯。 从高效、经济和环境保护三个角度出发，充分发挥酶法催化的优势。 ( 6 ) 超临界萃取法【6 8 1 超临界萃取法是利用甾醇与其它杂质组分在超临界流体( c 0 2 ) 中的溶解度不 同，从而使甾醇得到提纯的方法。该方法可以得到高纯度的植物甾醇，但设备的 投资大，推广应用困难。 1 2 扬州大学硕士学位论文 ( 7 ) 柱色谱法 6 9 】 柱色谱法是利用体系中各组分在不同的固定相上的吸附保留性质不同而得到 分离。柱色谱法的关键在于选择合适的柱填料及流动相。v a nd a m 6 9 】等采用柱色 谱分离方法从大规模的含甾醇的原料中进行商业化生产提取甾醇。原料为动物或 植物油脂的皂化物和重酯化物，色谱柱填充物为硅酸铝、硅酸镁或硅胶。色谱分 离法分离效率较高，但操作繁锁，工业化较困难。 1 3 2 单一植物甾醇的分离提纯 前面所述是以脱臭馏出物为原料，提取植物甾醇的混合物的方法。但是由于 各种植物甾醇的单体在分子结构上存在差异，其化学性质和各方面的功能必然存 在不耐7 0 川。于是，以混合植物甾醇为原料，进一步分离制得各单一甾醇，是目 前甾醇研究工作的热点【7 2 埘】 高瑜莹等【7 2 】以正丁醇为溶剂，从大豆混合植物甾醇中富集豆甾醇，料液比1 ：4 ， 置于2 0 3 0 恒温水浴，结晶1 2 小时后恒温过滤或离心，经过和5 级结晶，得 豆甾醇纯度可达到8 5 。滤液中谷甾醇相对富集，用正己烷一次结晶后，谷甾醇 含量达5 1 3 。 武汉凯迪精细化工有限公司王先宝等7 3 1 从混合植物甾醇中提取豆甾醇，主要工 序包括溶解、降温养晶、保温抽滤，其溶剂采用正庚烷与二氯乙烷混合溶剂，溶 解温度为7 09 c - 7 5 。c ，水温降至2 0 c - 2 5 c 恒温养晶1 2 - 2 4 小时。每次结束后，提 取物进行下一次重结晶，重复2 , - 6 次，重复次数决定豆甾醇含量。 t a c k e t t 等报道 7 4 】，使用的混合溶剂为水、c 1 到c 6 醇( 如甲醇) 和非极性溶剂( 如 庚烷) 等，从脱臭馏出物中得到浓缩的豆甾醇产品。 s t e r n 等【巧】先用非极性溶剂( 石油醚) 从纯度为9 7 混合植物甾醇( 豆甾醇2 5 ) 中精制豆甾醇，将豆甾醇富集到9 0 ，再用极性溶剂( 丙酮) 结晶得到高纯度豆 甾醇。其工艺是将原料溶于甲苯，制得浓度为2 5 溶液，冷却至2 5 c ，恒温l 小 时，结晶，重复6 次，得纯度9 2 豆甾醇。当豆甾醇浓度大于9 0 时，将其在无 计明洁：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 1 3 水条件下溶解于丙酮中，料液比为1 ：2 0 ，缓慢冷却，结晶，可将纯度提高到9 8 。 k o s k e n n i s k a 等【7 6 报道了从混合甾醇中分离纯伊谷甾醇，其混有总量为 1 2 - - 2 4 口谷甾醇和菜油甾醇，通过用热的丙酮或异丙醇溶解混合物形成氢键， 然后向溶液中加水冷却到1 0 。c 以使口- 谷甾醇结晶为水合物，可得到纯度为 9 1 5 , - 0 3 9 伊谷甾醇，其中含有2 - 4 水，只需加热到8 0 1 0 0 便可除去。 产品中含有静谷甾醇低于l ，菜油甾醇6 5 左右。 从来源于木浆浮油不皂化物中分离出粗甾醇作为精制原料时，工业上曾在有 机溶剂中用强酸处理粗甾醇，其结晶产品中含伊谷甾醇在9 0 以上，菜油甾醇6 ， 毋谷甾醇低于2 。另外，也有用混合溶剂去除毋谷甾醇，如用芳香烃或脂肪烃加 酯类，另加少量乙醇、有机酸和水；或在甲苯、二甲苯中加入乙烷或庚烷、甲醇、 乙醇、丙酮或二氯甲烷和水，分离效果较好，但伊谷甾醇收率较低，只有5 5 左 右。h a r n u n e n 等【7 7 】用甲基乙基酮或二氯乙烯与水加热溶解，冷却到2 0 。c ，可得到 伊谷甾醇晶体，纯度也在9 0 以上。 盛漪等【7 踟将混合植物甾醇原料，溶解在有机溶剂当中，在常温常压或加压的 条件下，使用加氢催化剂进行催化氢化，将混合植物甾醇中的豆甾醇加氢生成口- 谷甾醇，最终得到液态高含量的伊谷甾醇制品，伊谷甾醇的含量范围为6 0 7 5 ， 并可以在得到浓度7 0 的伊谷甾醇的同时保持较高的甾醇收率，甾醇的损失一般 在1 0 以下。同时，该方法操作简便，安全；设备要求简单，生产成本低；清洁 卫生符合环保要求，可用于食品、化妆品、甾体药物工业等领域。 b e r e z i n 等人【删根据各单体甾醇分子尺寸的大小不同采用n a y 型分子筛从混合 植物甾醇中提纯菜油甾醇。由于菜油甾醇的分子半径小于伊谷甾醇、豆甾醇，菜油 甾醇更容易吸附在分子筛的空隙中。将混合甾醇，伊谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇溶 于惰性有机溶剂中，在有机溶剂中加入n a y 分子筛，经过0 5 0 小时的吸收，- 谷 甾醇与菜油甾醇的含量比由1 7 2 增加到4 6 0 。由于分子筛的选择吸收性，将吸附了 甾醇的分子筛解吸后，经过三次反复吸收和解吸后，可达到分离提纯菜油甾醇的 目的。 本课题组前人也溶剂结晶法分离单一植物甾醇方面取得了很多成果：许文林 1 4 扬州大学硕士学位论文 等【8 0 】利用豆甾醇和口一谷甾醇在溶剂正戊醇和环己酮中的溶解性差异以及两种甾醇 在环己酮中溶解度对温度的依赖性不同，研究了以正戊醇和环己酮为溶剂，用结 晶法从精制植物甾醇中分离豆甾醇和伊谷甾醇的工艺方法。研究结果表明，以环己 酮为溶剂，混合植物甾醇经过3 次分级结晶后，伊谷甾醇含量达n 8 7 ；以环己酮 或正戊醇为溶剂，通过5 次重结晶后，豆甾醇含量达到9 2 。该方法具有操作步骤 少、工艺过程简便、溶剂容易回收以及对环境的污染较小的优点。王雅琼等 8 l 】用 重结晶法分离混合植物甾醇中的豆甾醇，研究结果以甲苯( 9 0 ) 丙酮( 1 0 ) 为混合溶剂分离效果最佳，其工艺为：升温溶解一定量精制混合植物甾醇，在相 同温度水浴中自然冷却、结晶，待温度至室温，真空抽滤结晶物，滤饼在真空烘 箱中5 0 干燥，5 次重结晶后，豆甾醇含量大于7 0 ，总收率大于5 0 。 综上所述，国内外关于混合甾醇单体分离研究一般是采用溶剂结晶法。直接 利用甾醇在个别甾醇在溶剂中溶解度的差异进行多级分步结晶，虽结晶次数较多， 但工艺简单，易操作，且纯度也较高。通过植物甾醇的衍生化，如羟基的酯化、 双键的卤化，增加各单一植物甾醇在溶剂中的溶解度差异，从而为植物甾醇的分 离结晶提供新的思路。 1 4 植物甾醇的酯化 在植物甾醇开发利用过程中，合成甾醇的不同酯化产物，将其酯化产物广泛 运用在食品、医药、农业等领域的工作一直在进行【8 2 - 唧。由于植物甾醇的酯化产 物具有很好的应用价值，使得如何实现植物甾醇酯的合成成为一个重要问题。而 在溶剂结晶法中，通过酯化后分离的方法，其优点在于： ( 1 ) 醇类的酯化反应不仅是提高生物活性的有效方法之一，也有利于增大各单 体分子问在适当溶剂中的差异。 ( 2 ) 保护了活泼的c 3 羟基，增加甾醇的稳定性。 ( 3 ) 酯化过程本身就是可逆的，如果需要仍可以通过简单的水解反应得到原料 甾醇，从而避免了对原料本身的破坏的可能性，也为甾醇酯类的进一步利用提高 了更广泛的可能性。 计明沽：豆甾醇、俨谷甾醇的马来酸酯化及分离过程研究 1 5 植物甾醇酯的化学合成法是最早也是最为常规的合成方法，一直都受到各国 学者的重视【s o - 8 5 3 。植物甾醇酯的化学合成法主要有直接酯化法和酯交换法两种。 植物甾醇酯的直接酯化法是将植物甾醇和脂肪酸或酸酐反应，生成相应的植物甾 醇的酯化产物。也可以采用酯交换法，将植物甾醇与脂肪酸甲酯( 或三酰甘油酯) 反应，生成相应的植物甾醇酯化产物。 化学合成法中的溶剂多采用苯和甲苯，这是由于甾醇在芳烃类的有机溶剂中 的溶解度相对其他溶剂大，且不易引起副反应。或是直接以熔融态的脂肪酸为溶 剂，其优点在于反应产物易于处理，副反应少。 化学合成法中可采用不同的催化剂，由于催化效率各不相同，在加入的量存 在差别。直接酯化时多采用强酸进行催化，而在酯交换法合成中多用强碱进行催 化。国内外对植物甾醇酯化过程中采用的催化剂一直在进行研究改进，并获得了 一定成绩。已经从原先的采用酸碱催化剂，转为采用非均相催化剂，如固体碱催 化剂【嘲。非均相催化剂易于从反应体系分离，并可以反复使用，但就目前的结果 看来，还需要在催化效率上有所提高。将酶作为催化剂应用于甾醇酯化反应是近 年来的热点8 9 9 2 1 。由于酶催化剂的高度选择性，它对于不同种类的单一甾醇的催 化选择性比其他的催化剂明显，从而为