CN101153017B - 高含量食用级玉米黄质的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用叶黄素通过化学转位制备食用级玉米黄质的方法。本发明所要解决的技术问题是现有方法得到的产品收率相当低，需纯化处理过程，不适于工业化生产。本发明的技术方案为：a、将叶黄素晶体或其脂肪酸酯与食用级乙二醇或丙二醇混合，在60-90℃温度下进行充分溶解；b、向a步得到的混合液中滴加有机强碱，在惰性环境中发生转位反应；c、用去离子水和乙醇的混合溶液稀释b步得到的反应液，并用常规分离方法分离所得到的结晶；d、真空干燥c步得到的结晶，即得玉米黄质晶体。本发明用乙二醇或丙二醇在适当的温度下充分溶解原料后再在惰性环境下进行转位反应，产品收率可达60％以上，非常适合工业化生产，不需再经过纯化处理。
Description
技术领域
本发明属生物化学领域，具体地说是一种利用天然提取的叶黄素通过化学转位制备高含量食用级玉米黄质的方法。
背景技术
众所周知，类胡萝卜素是一类非常重要的物质，其往往是由五个碳原子的分子即异戊二烯偶合而成的，分子结构中具有多重不饱和键，这些共轭双键的存在赋予了类胡萝卜素相关的颜色和一些重要的生理功能。而根据分子结构中有无氧的存在，又可将类胡萝卜素分为两大类，分别是胡萝卜素类和叶黄素类，前者包括α-，β-，γ-胡萝卜素，番茄红素等，后者包括叶黄素、玉米黄质、虾青素及斑蝥黄质等。这些类胡萝卜素在生物化学上和商业上都相当重要，并都具有相对应的重要的生理功能。其中的叶黄素和玉米黄质在近年来日益引起了人们的重视，有关这方面的研究和产品开发不断取得了新的进展。
叶黄素和玉米黄质的结构式分别如下，它们是同分异构体，玉米黄质和叶黄素唯一的差别在于一个(而不是两个)端环上双键的位置，前者两个端环上双键的位置是对称的，而后者是不对称的，也就是说，叶黄素和玉米黄质每一个分子的整个直链部份都是共轭结构，具有交替的双键和单键，在玉米黄质分子中，共轭结构延续至两个端环上的第一个键，但叶黄素的共轭程度更低，因为它的端环之一上的双键未形成形成完全共轭结构的正确排列，正是这一分子结构上的差异，造成了叶黄素和玉米黄质在功能性质上有一定的差别。
叶黄素(分子式：C40H56O2 分子量：568.85)
玉米黄质(分子式：C40H56O2分子量：568.85)
作为一种天然色素，叶黄素和玉米黄质在自然界中分布很广，它们主要存在于高等植物、藻类、鱼类、壳类和细菌中，并且在生物体内它们往往以酯化物形式存在，在这些物质中，万寿菊花是一种良好的叶黄素和玉米黄质的来源，100g万寿菊鲜花中往往存在2g左右的叶黄素类物质，其中主要的是叶黄素，占90％以上，其余为玉米黄质和少量的其它类胡萝卜素。和万寿菊花中一样，在其它种高等植物及藻类来源中，相对于玉米黄质，叶黄素占的比例较大，只是在玉米中，玉米黄质的量要比叶黄素的量大。另外，从分子结构中也可看出，叶黄素和玉米黄质中存在立体异构现象，来源不同，其立体异构构成也不一样，比如在植物原料中(3R，3’R，6’R)-叶黄素或(3R，3’R)-玉米黄质是主要的，但在动物来源中，如在鱼类和壳类，叶黄素是以(3R，3’R，6’R)-，(3R，3’R，6’S)-，和(3R，3’S，6’S)-的形式，而玉米黄质则是以(3R，3’S)-和(3S，3’S)-的形式存在的。
作为一种类胡萝卜素，叶黄素和玉米黄质最初和现在仍作为一种色素使用，如用于蛋黄、家禽的外皮(如皮肤、腿和喙)和皮下脂肪、肌肉以及鱼和壳类的外皮(皮肤、鳞和壳)中，最近也开始将叶黄素和玉米黄质作为一种功能性食品着色剂添加到食物中着色。但如前所述，由于玉米黄质比叶黄素分子结构中多一个共轭双键，在相同剂量时，它比叶黄素能呈现出更浓的金黄色，颜色也更为持久，因此在许多情况下优选使用玉米黄质。
此外，叶黄素和玉米黄质是唯一存在于人体视网膜中的两种类胡萝卜素，它们对于治疗和预防老年性黄色斑变性(ARMD)疾病非常重要，可有效保护眼睛免遭AMRD和因此带来的失明。由于玉米黄质是充分共轭的，因而它多少能比叶黄素提供更好的保护作用以抗光能引起的损伤，事实上，80年代中后期的一些研究也证明了在人眼视黄斑正中心的小区内主要是玉米黄质，同心地离开凹部而向黄斑的外周边靠近，则玉米黄质的量逐渐减少，而叶黄素的量随之渐增，在黄斑外围，叶黄素是主要的黄色色素。
如前所述，叶黄素和玉米黄质是一种重要的着色剂和具有独特生理活性的成分，但由于动物体自身不能合成类胡萝卜素，所以它们必须消化来自植物源的叶黄素和玉米黄质。叶黄素在植物来源中相对丰富，已实现大规模地从植物中提取，而作为与叶黄素有相同甚至更优功效的玉米黄质从植物中提取显然是不现实的，这样，就有必要通过其它途径获得高含量的，适于人类食用的玉米黄质。
现有技术中，玉米黄质的制备基本上可分为三类：发酵法、全化学合成法和叶黄素转位法。发酵法使用到的微生物主要是黄杆菌属细胞，发酵法生产玉米黄质的缺陷是大多数微生物发酵单位较低，有时发酵产物中含有大量的不需要的或可能有害的S-S构型和内消旋异构体，而且，发酵产物要经过较为繁琐的后续提取过程；全化学合成法存在的严重缺点在于它们通常需要很多反应步骤，最终产品收率低，而且化学合成时一般生成较多不需要的玉米黄质的S-S和S-R立体异构体，还有各种转化或降解产物；与上述两种方法相比较而言，通过叶黄素转位方法生产玉米黄质不失为一种有前景的方法，因为此工艺中只涉及到一种反应，控制好反应条件的情况下，产品收率较高，且产品中只有一种玉米黄质的R-R异构体，生理活性较高。
授权公告号为CN1082507C的中国专利公开了一种由叶黄素为原料通过化学转位生产玉米黄质的方法，其主要是以二甲基亚砜或与饱和烷烃和/或芳烃有机溶剂的混合物作溶剂，以碱金属氢氧化物作催化剂转位叶黄素生产玉米黄质，但在此工艺中，碱的用量相当大，达到叶黄素原料的250-500倍(mol比)，在此高浓度强碱，高温下(80-100℃)长时间(反应时间达几十小时)作用下，会造成叶黄素和生成的玉米黄质相当大部份被降解或被碳化，这样，虽然最终产品经CH2Cl2/CH3OH精制结晶后其中的玉米黄质占总类胡萝卜素的比例可达90％左右，但产品的收率相当低(重复试验显示，依此方法得到的产品收率不足30％)，不适于工业化生产；当用相转移催化剂时，为保证产品纯度，特别需要萃取、柱色谱法或再结晶纯化处理过程。而且，反应过程使用到了正己烷、正庚烷、二氯甲烷、甲醇等有机溶剂，使用这些有毒的溶剂生产食用级或药用级玉米黄质显然是不合适的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种产品收率高，产物不需要经过重结晶、柱分离纯化处理，适于工业化生产的食用级玉米黄质的制备方法。
为此，本发明采用如下的技术方案：高含量食用级玉米黄质的制备方法，其步骤如下：a、将叶黄素晶体或其脂肪酸酯与食用级乙二醇或丙二醇混合，在60-90℃温度下进行充分溶解；b、向a步得到的混合液中滴加有机强碱溶液后，在惰性环境中发生转位反应；c、用去离子水和乙醇的混合溶液稀释b步得到的反应液，并用常规分离方法分离所得到的结晶；d、真空干燥c步得到的结晶，即得玉米黄质晶体。本发明为一种利用天然提取的叶黄素脂肪酸酯或叶黄素晶体为原料，在食用级乙二醇或丙二醇醇类溶剂中，用有机强碱作催化剂，通过转位反应生产玉米黄质的方法。乙二醇或丙二醇对叶黄素脂肪酸酯或叶黄素晶体的溶解性好，明显优于乙醇，且在60-90℃温度下进行溶解，使原料得到充分溶解，非常有利于本发明的转位反应。通过此方法得到的产品中总类胡萝卜素含量在80％以上，产品收率高，可达60％，玉米黄质占总类胡萝卜素含量高达90％左右，不需要进行重结晶、柱分离纯化处理，简化工艺，且主要为生物活性较高的R-R构型，叶黄素占总类胡萝卜素的比例在5-15％之间，产品中未检测到有毒有害的有机溶剂残留，适于作为食品添加剂量或药物使用。为了保护原料叶黄素和生成的玉米黄质不被氧化，在反应过程中要创造一种惰性环境，即向反应体系中充入氮气保护。本发明所需的反应时间短，一般为3-15小时。在分离晶体过程中，可不断地用水和乙醇淋洗，直至晶体呈现出较亮丽的桔黄色或桔红色，经真空干燥后即可得玉米黄质晶体，分别用紫外可见光分光光度法测定产品中总类胡萝卜素含量，用高效液相色谱测定玉米黄质和叶黄素占总类胡萝卜素中的比例。
作为本发明的进一步技术方案，转位反应温度为60-120℃，本发明的转化反应尽可能在不超过120℃下进行，尽量避免副产物的生成及玉米黄质的分解，本发明优选为80-95℃。反应温度过高，会加速反应物和产物氧化，使最终产物的收率偏低；反应温度过低，则反应不易完全，反应时间延长，对产品收率的提高也不利。
所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，叶黄素晶体或其脂肪酸酯与食用级醇类的溶解温度优选为70-80℃，尽量避免发生回流现象。
所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，有机强碱为甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钠、二甲基亚砜钠或甲醇钾、乙醇钾，其使用量为原料量的1-15倍摩尔量，优选4-10倍摩尔量。有机碱的催化效果优于碱金属氢氧化物，其用量明显小于碱金属氢氧化物的用量，有机碱的浓度低，最低可为1.50mol/L。催化剂的量过大，会促使原料中叶黄素和产品中玉米黄质的碳化，降低收率；催化剂的量过少，不利于反应，会使反应时间延长。
所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，乙二醇或丙二醇的使用量为原料量的2-40倍体积数，优选5-20倍。
所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，所用的原料叶黄素脂肪酸酯或叶黄素晶体来源于万寿菊花中，前者由万寿菊油树脂精制而来，其中总类胡萝卜素酯含量在60％以上，后者是通过对万寿菊油树脂进行皂化处理后得到的晶体。原料中叶黄素比例的减少和玉米黄质比例的增加对本方法最终产品的质量是有利的。
本发明用乙二醇或丙二醇在适当的温度下充分溶解原料后再在惰性环境下进行转化反应，得到的产物玉米黄质晶体占总类胡萝卜素含量的90％左右，产品收率可达60％以上，非常适合工业化生产，不需再经过重结晶、柱分离等纯化过程，简化工艺；有机碱的浓度低，最低可为1.50mol/L，且碱的用量小；反应时间短，一般为3-15小时；产品中不存在人类食品中限制使用的有机溶剂残留，可作为食品添加剂或药物使用。
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受所列实施例的限制。
具体实施方式
实施例1
称取30g由万寿菊油树脂皂解得到的叶黄素晶体(其中总类胡萝卜素含量为88.5％，叶黄素和玉米黄质与占总类胡萝卜素比例分别为92％和7％，其余为少量的其它类胡萝卜素)，与540ml乙二醇混合，在80℃下搅拌溶解1.0hr。溶解完成后将混合液升温至90℃，向此混合液中滴加6.85mol/L的甲醇钠溶液40g，碱催化剂在45min内滴加完成，在此温度下反应，反应4.0hr后每隔0.5hr取样用高效液相色谱分析反应液中叶黄素和玉米黄质的比例，8.5hr后测得反应液中玉米黄质占总类胡萝卜素比例的89.7％。将反应液温度降至70℃，在搅拌情况下加入1000ml去离子水和600ml食用级乙醇组成的混合液稀释反应液。将稀释后的反应液用离心方法分离结晶，在离心过程中用水和乙醇混合液进行淋洗，直至洗出液接近无色。最后滤出物经真空干燥可得21.3g桔红色结晶。经紫外可见光分光度法分析此结晶中总类胡萝卜素含量为85.7％，总类胡萝卜素收率为68.8％，用高效液相色谱法分析其中玉米黄质占总类胡萝卜素91.2％，叶黄素占总类胡萝卜素的6.1％。
产品中不含有毒的有机溶剂，适合于以营养补充剂和食品添加剂的形式使用。此结晶的应用形式可为油悬液(与植物油混合乳化)、珠粒(通过喷雾冷凝得到的微胶囊)、干粉(通过喷雾干燥得到的微胶囊)等。
本实施例中的操作条件及产品性质列于表1中。
实施例2
称取40g由万寿菊油树脂精制而得的叶黄素脂肪酸酯(其中总类胡萝卜素脂肪酸酯含量为72.5％，叶黄素和玉米黄质在总类胡萝卜素中的比例分别为91.6％和6.8％，其余为少量的其它类胡萝卜素类)与470ml丙二醇充分混合后于70℃下溶解，溶解完成后升温至85℃，滴加110g 2.92mol/L的叔丁醇钠溶液，反应14.5hr后经高效液相色谱监测到其中玉米黄质占总类胡萝卜素比例达84.6％，降温至70℃加入由1000ml去离子水和600ml食用级乙醇组成的混合溶液稀释反应液，抽滤分离所得的结晶，在抽滤过程中，用水和乙醇组成的混合液进行淋洗，直至洗出液近乎无色，真空干燥滤出的不溶物得10.3g桔黄色结晶，经紫外可见光分光光度法分析结晶中总类胡萝卜素含量为81.3％，则总类胡萝卜素收率为54.0％，用HPLC分析产品中玉米黄质占总类胡萝卜素85.2％，叶黄素占总类胡萝卜素11.3％，且都为游离态。
本实施例中操作条件及产品性质列于表1中。
实施例3-4
实施3-4的实施过程与实施例1-2相类似，其主要技术参数和产品部分性质分析结果列于表1中。表1：实施例1-4中主要技术参数及部分产品性质分析
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 原料种类 | 叶黄素晶体 | 叶黄素脂肪酸酯 | 叶黄素晶体 | 叶黄素脂肪酸酯 |
| 原料数量 | 30g | 40g | 30g | 40g |
| 溶剂种类 | 乙二醇 | 丙二醇 | 丙二醇 | 乙二醇+丙二醇(1∶1) |
| 溶剂数量 | 540ml | 470ml | 450ml | 400ml |
| 催化剂种类 | 6.85mol/L甲醇钠溶液 | 2.92mol/L叔丁醇钠溶液 | 1.96mol/L二甲基亚砜钠溶液 | 5.15mol/L乙醇钠溶液 |
| 催化剂数量 | 40g | 110g | 150g | 83g |
| 反应温度 | 90℃ | 85℃ | 80℃ | 90℃ |
| 反应时间 | 8.5hr | 14.5hr | 6.0hr | 12.0hr |
| 分离方法 | 离心 | 抽滤 | 抽滤 | 离心 |
| 产品数量 | 21.3g | 10.3g | 17.3g | 9.7g |
| 产品中总类胡萝卜素含量 | 85.7％ | 81.3％ | 88.4％ | 83.5％ |
| 玉米黄质占总类胡萝卜素比例 | 91.2％ | 85.2％ | 92.3％ | 91.8％ |
| 叶黄素占总类胡萝卜素比例 | 6.1％ | 11.3％ | 6.1％ | 7.0％ |
| 总类胡萝卜素收塞 | 68.8％ | 54.0％ | 57.6％ | 51.7％ |
Claims (9)
1.高含量食用级玉米黄质的制备方法，其步骤如下：a、将叶黄素晶体或其脂肪酸酯与食用级乙二醇或丙二醇混合，在60-90℃温度下进行充分溶解；b、向a步得到的混合液中滴加有机强碱溶液后，在惰性环境中发生转位反应；c、用去离子水和乙醇的混合溶液稀释；b步得到的反应液，并用常规分离方法分离所得到的结晶；d、真空干燥c步得到的结晶，即得玉米黄质晶体；所述的有机强碱为甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钠、甲醇钾或乙醇钾。
2.根据权利要求1所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于转位反应温度为60-120℃。
3.根据权利要求2所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于转位反应温度为80-95℃。
4.根据权利要求3所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于叶黄素晶体或其脂肪酸酯与食用级乙二醇或丙二醇的溶解温度为70-80℃。
5.根据权利要求4所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于所述有机强碱的使用量为原料量的1-15倍摩尔量。
6.根据权利要求5所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于所述的有机强碱使用量为原料量的4-10倍摩尔量。
7.根据权利要求6所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于乙二醇或丙二醇的使用量为原料量的2-40倍体积数。
8.根据权利要求7所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于乙二醇或丙二醇的使用量为原料量的5-20倍体积数。
9.根据权利要求8所述的高含量食用级玉米黄质的制备方法，其特征在于所用的原料叶黄素脂肪酸酯或叶黄素晶体来源于万寿菊花中，前者由万寿菊油树脂精制而来，其中总类胡萝卜素酯含量在60％以上，后者是通过对万寿菊油树脂进行皂化处理后得到的晶体。
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