全合成虾青素的工业生产

1、文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持1可行性研究报全合成虾青素的工业生产新技术的研究二O二年二月一、立项的背景和意义 类胡萝卜素是具有多个共轭双键的萜烯基团类化合物，迄今发 现了600600多种类胡萝卜素。虾青素就是一种重要的类胡萝卜素，它广 泛存在于生物界，特别是鱼、虾、蟹等水生生物之中。虾青素早在 2020 世纪3030年代已从虾蟹壳中分离出来，直到2020世纪8080年代中期才对其生 物学功能进行广泛研究。 由于虾青素重要的生理功能及经济价值， 近 年来受到国内外的广泛研究。虾青素属于类胡萝卜素， 主要用于高档水产养殖业， 合成难度较大，但市场潜力也相当广

2、阔。研究表明，虾青素在促进抗体的产生、 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持2增强宿主的免疫功能，用硫代巴比妥酸法检测各受试类胡萝卜素、a生育酚等的抗氧化性，结果表明虾青素抗脂氧化的能力比 怜胡萝卜素 高1010倍，比维生素E E高100100咅。虾青素对鱼类的生长繁殖有很重要的作 用，虾青素可作为激素促进鱼卵受精，减少胚胎的死亡率，促进个体 生长，增加成熟速度和生殖力。 在欧美国家鲑鱼和鲟鱼的养殖发展很 快，红鮭鱼的虾青素含量通常为5-20mg/kg5-20mg/kg鲜重，而其虾青素的喂养 浓度为40-40-150mg/kg150mg/kg饵料，以此来计算，每

3、年虾青素的产量需求既可 达数十万吨，总价值达数亿美元。目前，我国的水产养殖发展很快， 添加虾青素，生产高档水产品，前景十分广阔。由于虾青素的生理功能强大， 应用也广泛， 近年来国内外对虾青 素的需求量也越来越大，目前虾青素在国际上主要由 BASFBASF DSDS所垄 断。美国，加拿大，欧盟等国的许多生物技术公司致力于开发生产这 类产品，但还远远不能满足市场需求，故价格较高。研发该产品对于 增强国内类胡萝卜素色素类的国际竞争力， 增加出口创汇， 必将得到 巨大的经济效益和社会效益，有着十分重要的意义。二、国内外研究现状和发展趋势(一)虾青素的国外研究现状：1 1、化学合成法生产虾青素。据文献报

4、道，虾青素的化学合成有 以下几条路线：(1 1)帝斯曼公司米用的合成工艺路线： C C9+C+C6T G5, G G5+2G+2G0T C C40 路线图如下：文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持3(2(2)巴斯夫公司采用的合成工艺路线：C C9+C+C66, G5+2C+2C0T C C4o与帝斯曼公司采用的合成工艺路线大同小异，主要不同在C C15合成单元部分，其路线图如下：(3 3) 2C2C10+C+C20T虾青素路线在LewisLewis酸催化下C Cio烯醇醚与C C20双缩醛缩合反应得到 C C40骨 架，再经碱处理得到虾青素，路线图如下：(4(4)以角黄

5、素为原料的路线2 2、生物提取和微生物发酵生产：从生物体内提取的虾青素大多为反式结构，使用安全并具有环境友好性，有广阔的发展前景，当前 虾青素的生物来源主要是： 从水产品加工工业的废弃物中提取以及用 微生物发酵生产。LDASiMe3CI3环氧Me3SiOOSiMe 3水解OH文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持4(1)(1)从水产加工废弃物中提取虾青素。当前国外蟹虾加工工业每 年有 10001000万吨的甲壳纲水产品废弃物， 用聚合剂提取系统可从中提取 虾青.虾青素酯和虾红素，其产率可达153rag153rag / g g废弃物。应当指出， 废弃物中的石灰质会影

6、响虾青素的产量， 因此在提取时应尽量将其除 去。近年来，挪威等国采用青贮技术处理水产废弃物，使回收率提高 了1818 ，且纯度大大提高。实践证明，在青贮过程中加入无机酸或 有机酸，会破坏虾青素与蛋白质或骨骼部分的结合， 从而增加虾青素 的释放量。从水产加工废弃物中提取虾青素的主要生产工艺如下：首先，在生产虾青素时，将贮存于双层乙烯袋中，在一 7070C保存 的废弃物，粉碎成膏状物：按重量比 1 1：l l 加人大豆油，搅拌均匀后， 用铅或铂把容器围起来避光，缓缓加热到9090C停止，利用低温离心技 术，收集油溶液，使之分层，虾青素存在于上层色素液中，用分液装 置分离，提纯，即得虾青素，此法生产

7、条件要求苛刻，生产成本高， 产量较低，产品纯度不高， 因此，目前仅有少数国家应用这种技术生 产虾青索。(2)(2)利用藻类生产虾青素。在许多能产虾青素的藻类中，雨生红球藻(Haemato(Haemato COCCUCOCCUSPluvialis)Pluvialis) 是很重要的虾青素产生菌。曾被 认为是一种很有虾青素商业生产前景的微藻。该藻类既能进行自养， 也能够进行异养生活在培养过程中， 若氮源缺乏， 则在藻体内积累虾 青素。目前，国外优良的雨生红球藻体中虾青素含量高达 0 0S2 2-2-2 ， 一般约占类胡萝卜素总量的9090%以上。另外，ChlorocccumChlorocccum.

8、SP.SP.具 有耐高温，极端pHpH直，较快的生长速率和易在户外培养等优点，被认 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持5为是一种极具潜力的用于虾青素大规模生产的藻类， 但藻类的自养周 期长，由于需要光明，生产场所在一定程度上受到限制，并且藻类破 壁释放虾青素困难。因此进行大规模生产也比较困难。(3)(3)利用细菌生产虾青素。 已知有2 2株能产生虾青素的细菌： 乳酸 分支杆菌 (Mycobacterinm(Mycobacterinm ， lcticola)lcticola) ，只在烃类培养基上产生虾青 素，而在营养琼脂上不产虾青素；另一菌株短杆菌 103(Be

9、v103(BevhactedI1rII)hactedI1rII) 在石油里生长发酵终了时生物量为 3g3gL L， 色素量仅有0 0. 03mg/g03mg/g。考虑到烃类发酵的不利之处和其较低的产量 以及发夫酵母的可用性，未来上述 2 2种细菌在生物技术上的应用看来 是不可能的。 利用发夫酵母生产虾青素。19761976年, AndrewesAndrewes和PhaffPhaff等人在 发夫酵母中发现了青素， 这引起了人们的极大的关注。 之后许多生物 技术公司在对发夫酵母的研究上作了相当的努力， 并取得了一定的进 展。发夫酵母中发现虾青素不久， 人们开始研究其应用的可行性及其 对生物体色素形

10、成的影响， 在其后 2020余年的研究中， 人们的研究精力 主要放在了如下3 3个方面： 菌种的改良； 发酵工艺的优化； 细胞内虾青素的提取。 总体来说， 单从发酵培养基的优化来提高虾青 素的含量，直到目前还未有突破性进展。除了虾青素的低产量，另一 个影响发夫酵母商业应用的不利因素就是发夫酵母所需的培养基成 本相对偏高。目前， 由于生物来源的虾青素含量还不够高， 且这种方式的生产 条件要求苛刻，生产成本高，产量低，市场占有量小。目前 9090以上 的虾青素都是通过化学合成法得到， 而且主要由巴斯夫和帝斯曼公司 生产。文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持6（二）虾

11、青素的国内研究现状： 国内也在开展虾青素的研制，但主要集中在发酵或提取的路线， 且多数仍然处在实验室的水平和规模。三、项目研究开发内容和技术关键及主要创新点 通过对现有的虾青素的工艺路线、 技术难度等的综合分析后决定 采用化学合成法研究工业化合成虾青素的路线和工艺。以角黄素为原料合成虾青素的路线由于角黄素的价格高， 中间体 不稳定，使虾青素的成本大幅提高，其质量也不容易控制。2C2C10+C+C20f f CmCm合成虾青素路线特征是在 LewisLewis酸催化下C10C10烯醇醚与C20C20双 缩醛缩合反应得到C40C40骨架。该路线创新性强，但 C20C20双缩醛的制 备工艺复杂，并且

12、收率底，应用工业化有待进一步研究。以WittingWitting反应为特征的C C5+2G+2Gf GoGo路线具有工艺简单，成本较 低，而且是已工业化路线的优点。这条路线的关键是G15G15单兀的合成， 特别是G15G15双羟基化合物的制备工艺路线。我们的工作是对现有的帝 斯曼和巴斯夫公司的工艺路线进行突破性改进和创新， 从而形成具有 我国自己知识产权并具有国际领先水平的虾青素生产技术。 在参考大 量文献的基础上，我们设计了以下路线：1 1、主环G9G9的合成：以氧代异佛尔酮为起始原料，双键在碱性条 件下环氧化，碱性水解，氢化还原，羟基和羰基的双保护，得到重要中间体C9C9合成单元。2 2、

13、C6C6合成单元的合成：丙酮和甲醛水溶液在微碱性条件下发生羟醛反应得到羟基丁酮，草酸脱水得到丁烯酮，同乙炔加成，硫酸重 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持7排得到重要的中间体六碳醇，此化合物是合成维生素 A A 的重要中间 体，将其羟基保护后得到此路线合成虾青素的C6C6合成单元。3 3、C15C15合成单元的合成：C6C6合成单元的炔基用二异丙氨基锂处理后与C9C9合成单元的羰基加成，在酸催化下水解脱保护和叔醇脱水， 再选择性炔键还原成双键，与三苯基膦溴化氢反应得到C15C15三苯基盐。4 4、2,7-2,7- 二甲基-2,4,6-2,4,6- 辛三烯-1,

14、8-1,8- 二醛的合成：（1 1）乙醛二乙 基乙缩醛（简称乙缩醛）与乙基（ 1-1- 丙烯基）醚（简称丙烯基乙醚） 在催化剂的作用下在-10-10C）C温度下加成反应得到1,1,3-1,1,3-三乙氧基 -2-2- 甲基- -丁烷；其中，所述催化剂为三氯化铁或三氯化铝；其中，乙 醛二乙基乙缩醛是根据霍夫曼 - -拉罗奇有限公司的专利 ZL.6ZL.6 制备而 得；（2 2）1,1,3-1,1,3- 三乙氧基-2-2-甲基- -丁烷在异喹啉和对甲苯磺酸催化作 用下在180-200180-200C温度下裂解合成得到 1-1-甲氧基-2-2- -甲基-1,3-1,3- - 丁二 烯；而在霍夫曼-

15、-拉罗奇有限公司的专利发明（ZL.6ZL.6）中采用硅酸铝 小球催化剂，在高温下实现裂解合成 1-1- 甲氧基 -2-2- 甲基 -1,3-1,3- 丁二烯， 其转化率只有 41%41%，选择性为 90%90%；（3 3） 1-1-甲氧基-2-2-甲基-1,3-1,3- 丁二 烯溶在无水乙醇溶剂中与相转移催化剂十六烷基三甲基溴化铵和氯化试剂三氯异氰尿酸在-50-50C温度下合成生成4,4-4,4-二乙氧基-3-3- -甲基 -1-1- 氯丁烯；和（ 4 4） 4,4-4,4- 二乙氧基 -3-3- 甲基-1-1- 氯丁烯与三苯基膦在60656065C温度下成盐合成得到膦盐；和（5 5）膦盐在双

16、氧水作用下在0505C温度下缩合，并用碳酸钠溶液维持体系pH=8pH=8-10-10生成1,1,8,8-1,1,8,8- 四甲基 - -2,7-2,7- 二甲基-2,4,6-2,4,6- 辛三烯；再在酸性条件下水解合成 2,7-2,7- 二甲基-2,4,6-2,4,6- 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持8辛三烯-1,8-1,8- 二醛。5 5、虾青素的合成：与C15C15三苯基盐在碱存在下发生 WittigWittig反应 得到C40C40化合物虾青素。通过对现有的虾青素的工艺路线、 技术难度等的综合分析后决定采用化学合成法研究工业化合成虾青素的路线和工艺。

17、（一）项目研究内容包括以下几个方面：1 1 、研究主环 C C9 的合成工艺；2 2、研究合成C C6单元的工业化；3 3、研究高含量 C C15 膦盐制备；4 4、优化全合成虾青素的工业化生产工艺。（二）本项目的技术关键主要包括：1 1、提出了一条全新的十碳双醛的合成方法2 2、研究高纯度虾青素的工艺；3 3、研究各工艺过程的分析检测方法；4 4、研究九步反应每步的质量控制以及虾青素的质量控制标准等。（三）主要创新点及技术路线：1 1 、以氧代异佛尔酮为起始原料，双键在碱性条件下环氧化，碱性水解，氢化还原，羟基和羰基的双保护，得到中间体G G合成单元。2 2、丙酮和甲醛水溶液在微碱性条件下发

18、生羟醛反应得到羟基丁 酮，草酸脱水得到丁烯酮，同乙炔加成得到重要的中间体六碳醇。3 3、C C6合成单元的炔基用二异丙氨基锂处理后与 G G合成单元的羰 基加成，在酸催化下水解脱保护和叔醇脱水， 再选择性炔键还原成双 键，与三苯基膦溴化氢反应得到 C C15 三苯基盐。4 4、 全新的 2,7-2,7- 二甲基-2,4,6-2,4,6- 辛三烯 -1,8-1,8- 二醛（十碳双醛） 的合成。文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持95 5、与Ci5Ci5三苯基盐在碱存在下发生 WittigWittig反应得到GoGo化合物虾 青素。四、预期目标 （主要技术经济指标、

19、 应用或产业化前景） 由于我们已经进行了大量的前期研究工作并已经取得了突破性 的进展，因此，再通过 2 2年左右的技术攻关，争取达到以下主要技术 经济指标：技术指标 由于我们已经进行了大量的前期研究工作并已经取得了突破性 的进展，因此，再通过 2 2年左右的技术攻关，争取达到以下主要技术 指标：1 1、从得到的重要中间体出发，探索出合理的路线及条件，力求 路线简便，收率高，三废少。共计九步反应，优化每步合成收率，总 收率从文献报道的 35%35%提高到 5o%5o%。2 2、研究各步反应物质的检测方法和控制指标，全面确定中间产 物和最终产物的化学结构。3 3、产品质量标准、稳定性等各项研究，质

20、量达到欧盟认证。4 4、研究确定中试放大工艺路线并实现产业化。经济指标：虾青素的开发成功，将形成年产虾青素原料 1515 吨，虾青素 1o1o微粒100100吨，可以年增产值1 1亿元；年增税金10001000万元；年增利润20002000万元。应用及产业化前景：虾青素在国际市场上需求量很大， 本产品的开发成功，不但可以 大量出口创汇，还可以满足国内日益增长的市场需求。目前，由于生物来源的虾青素含量还不够高， 且这种方式的生产 文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持10条件要求苛刻，生产成本高，产量低，市场占有量小。目前 9090%以上 的虾青素都是通过化学合成法得到，而

21、且主要由巴斯夫和帝斯曼公司 生产。国内也在开展虾青素的研制，但主要集中在发酵或提取的路线， 且多数仍然处在实验室的水平和规模。由于虾青素的全合成工作非常 难，国际上除了巴斯夫和帝斯曼公司实现工业化生产外，还未见有其他企业工业化的报道。由于虾青素在饲料行业的需求非常大， 所以，国内有关虾青素的 开发研究非常迅速。它的尽早研究开发成功，必将具有很大竞争力， 产生巨大的经济效益和社会效益。五、研究方案和技术路线、组织方式与课题分解起始原料分离纯化工艺的研究分析检测的研究结构鉴定的研究*关键中间体结构鉴定的研究化学合成研究分析检测的研究虾青素结构鉴定的研究化学合成研究分析检测的研究质量、质量标准和质量

22、控制的研究虾青素成品本项目由项目承担单位负责研究开发，由我省大型制药企业负责 有关的中试放大以及产业化。六、计划进度安排文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持1120122012年1 1月20122012年1212月1.1. 打通并完善实验室工艺路线；2.2. 建立反应过程中的中间体控制指标和检测方法；3.3. 全面研究虾青素及其中间体的结构确证及质量控制和质量标准等工作。20132013年1 1月20132013年1111月1.1.优化工艺的各项参数，提高产品质量，降低产品成本；2.2.研究工艺的实验室放大实验、破坏实验，为生产做准备。3.3. 设计并组织生产实施。20

23、132013年1212月总结，项目验收七、现有工作基础和条件课题负责人简介：课题负责人多年来从事类胡萝卜素等多个系列项目的研发，曾获国家技术发明二等奖，浙江省有突出贡献中青年专家、省“新世纪人 才151151”第一层次培养人才、市拔尖人才、学科带头人、市领军人才， 首届绍兴市企业创新之星， 其带领的研发团队从事一系列新药的研究 开发。近五年作为第一发明人已申请 2727项中国发明专利（其中 1010项 已授权），二十多篇论文在中外核心期刊发表。项目组成员有相当的理论研究和实践工作经验， 除承担单位的科 研人员外，还有企业的生产研究骨干，项目管理员，能够承担中试放 大研究工作，并且具有较好的团队

24、协作精神。项目单位简介： 1 1，项目承担单位是一所普通全日制综合性本科院校， 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持12化学化工学 院是本单位在化学系和应用化学研究所合并基础上建成的二级学院。 学院现设有化学（师范）、应用化学、药学和轻化工程 4 4 个本科专业， 本单位与本项目相关的一些研究仪器已具备， 已有核磁， GCGC、HPLCHPLC、 傅立叶红外光谱仪、 GC-MASSGC-MASS 等等，具备合成、分析产物的顺利进 行客观条件。2 2，合作单位一省内某大型制药企业的全资子公司，按照“高科技含量、高附加 值、高市场占有率，低污染、低消耗，优势原料药上

25、规模，特色制剂 创品牌”的发展战略。主要规划生产生物医药类产品，分为药物制剂 及原料药。生产具有自主知识产权的自主研发或从国外引进的抗肿 瘤、抗感染等创新药物。按国际规范生产生命营养类产品，建成全球 著名的生命营养类产品（维生素及类维生素）出口基地，是现代化高 科技大型生物医药企业。已建标准化生产车间 2020 个，占地 140140 亩。 为项目的实施创造了必要的条件。3 3，合作单位二项目合作单位系“全国医药大型综合性化学制药企业” ，是上市 公司的控股核心企业。 为国家重点支持的高新技术企业， 国家级创新 型企业，国家级博士后科研工作站，国家级企业技术中心，被商务部 授予重点培育和发展的

26、出口名牌企业。 企业综合经济指标列全国医药 行业二十强，是集科研、生产、销售为一体的高新技术企业。具有 5050 多年的专业制药经验，拥有一流的符合 GMPGMP 要求的化 学制药、微生物制药和制剂生产设施，兼产天然药物、食品添加剂和 饲料添加剂。已通过了中国 CCEMSCCEMS、英国UKASUKAS的IS014001IS014001认证 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持13（环境管理体系）。具有完善的质量保证体系，原料药生产设施已通 过欧盟、澳大利亚 TGATGA 和美国 FDAFDA 的 GMPGMP 检查，人类营养产品通 过 HACCPHACCP 和

27、 ISO220001ISO220001 认证，源于天然的产品通过了 IPIP 认证，动 物营养产品通过了 FAMI-QSFAMI-QS 的认证。系中国氟喹诺酮类、维生素类 和抗生素类药物的重要生产基地。自 20012001 年始，有 4 4 个项目获国家 科技进步二等奖及国家技术发明二等奖， 1 1 个国际合作奖， 6 6 个省科 技进步一等奖。至 20112011 年底 , , 累计申请发明专利 278278 项，授权发明 专利 8686项 ；其中申请国际发明专利 7272项，授权国际发明专利 1111项。下属的国家级企业技术中心， 技术力量雄厚， 具有独立承担重大 科研项目的开发能力。企业

28、每年的研发投入占销售收入的6%6%左右，增强了企业的产品开发能力。在科研设施方面，不惜重金，建立研发 平台，为科研、 生产创造优越条件。不仅配有一批国际先进的科研设 施而且在全厂形成计算机网络系统， 已接入国际互联网， 为国家数字 图书馆核心会员单位，可方便地查询 CACA 及各种信息、专利，从而为 技术创新创造条件。在国内各大中城市建立了完整的药品销售网络，在美国和欧洲 建有销售公司。同时，与国际相关大公司建立了长期紧密的合作关 系。为虾青素产品日后的销售打下了基础。4 4、产学研结合情况从事虾青素研究开发的科研小组， 通过该研究项目的实施，可以 培养承担与合作单位的研究生；4646名本科大学生；撰写学术论文2323 篇；以及申请3636件中国或国际发明专利。项目承担单位研制的虾青 素工业化生产新工艺具有创新性。虾青