CN101434639B - 一种制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法。以植物甾醇、脂肪酸或/和脂肪酸酯、抗氧化剂为原料，将原料混合均匀后，真空加热熔化或者微波辐射加热熔化在上述混合物熔化后，加入催化剂，催化剂的加入量为反应物总重量的0.2％～8％，进一步充分混合均匀后，在温度为30～150℃、常压或真空度10～100Pa的真空加热条件下酯化反应3-20h，或者进行微波辐射加热酯化反应5～30分钟，微波辐射加热强度为20W/mL～200W/mL，酯化反应后的产物经过分离纯化，干燥处理，即得甾醇脂肪酸酯产品。不仅可显著缩短处理和反应时间，简化分离纯化步骤，提高生产效率，节省能耗，而且产品生物活性高，安全性强。

Description

一种制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法

技术领域

本发明涉及一种制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法。

背景技术

植物甾醇来源广泛，自然界中已发现40多种，其中β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇占了绝大多数。甾醇可起到预防心血管疾病的作用，是国际营养学会推荐的未来十大功能性营养成分之一。但游离甾醇在水和油中的溶解度小限制了它的应用，而更为突出的是甾醇也难以溶解于人体消化器官中的胶束相，从而无法在人体中发挥其生理活性，另一方面甾醇的熔点较高，在10℃以下的低温条件下易形成结晶，从而使添加甾醇的食品中难以保持原有结构。将甾醇酯化为甾醇脂肪酸酯则是改善上述特性的有效途径。

甾醇脂肪酸酯一般是将植物甾醇经酯化处理而得。所用植物甾醇可以是β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇，或是相应甾烷醇，或是混合物。酯化后植物甾醇脂肪酸酯的溶解度发生了显著改变，如植物甾烷醇脂肪酸酯在食用油和脂肪中溶解度高达35-40％，而游离甾醇在食用油和脂肪中的溶解度在21℃时的最大值仅为2％(w/w)。与植物甾醇相比，植物甾醇脂肪酸酯的吸收利用率提高了约5倍，并且具有更优的亲脂性和更佳的降胆固醇效果，是一种新型功能性食品基料。

目前植物甾醇脂肪酸酯的合成方法，主要有化学法和酶法两种。化学法合成植物甾醇脂肪酸酯有直接酯化法、酰氯酯化法、酸酐酯化法、醇酯交换法等合成方法。但是在现有专利技术中，许多研究将甾醇酯仅仅作为化工产品来合成，为了追求高酯化率，往往采用了苛刻的反应条件和繁琐的纯化步骤，并添加了不利于产品安全性的催化剂或者有机溶剂。

近年来以制备可食用甾醇脂肪酸酯为目的合成工艺主要有以下一些专利：

US6989456公开了以大豆油、菜籽油和橄榄油以及植物甾醇为原料，以脂肪酶为催化剂，合成可作为膳食性甾醇脂肪酸酯产品，但是合成过程较为复杂，需要反复酶解和分子蒸馏，以提高酯化率，脱除有色物质、未反应完全的原料(如甾醇和脂肪酸等)，工艺耗能较高，高温加热时间更是长达20h左右。而且工艺中用到有机溶剂正己烷，也不利于食品安全。

US6635774公开了以单一脂肪酸和甾醇为原料生产可应用于食品或者医药工业的甾醇脂肪酸酯，其目的是能研究产品的构效关系，为了得到绿色无污染的高酯化率产品，该专利工艺中没有添加任何催化剂和有机溶剂，而是采用高温真空加热，最高温度达到245℃，时间也长达11个小时左右，在此条件下，易产生脂肪酸氧化副产物(如反式脂肪酸和共轭二烯等)，并降低产品氧化稳定性。

US6828451公开了以甾醇、甾烷醇、4-甲基甾醇及其氢化物、三萜醇类及其氢化物与脂肪酸甲酯为原料，以固体镧系元素氧化物为催化剂，以制备可应用于化妆品、护肤品和特定食品(功能食品和医药产品等)的甾醇脂肪酸酯原料，整个反应在常压充氮环境下进行，温度高达200-250℃，反应时间7个小时，也容易使脂肪酸产生异构化，产生副产物。

US6,413,571 B1公开了以共轭亚油酸甲酯和甾醇为原料，以甲醇钠为催化剂，在真空加热条件下制备可运用于食品和医药产品中的甾醇酯，所采用的条件较为温和，但是甲醇钠对设备腐蚀性强，对生产不利。

因此，现有以制备可食用甾醇脂肪酸酯为目的的专利技术中仍然存在高温长时加热、催化剂安全性低、使用有机溶剂等缺点，且没有对最后所得产品的氧化稳定性和反应副产物进行监控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足而提供一种制备甾醇脂肪酸酯的工艺方法，它不仅可显著缩短处理和反应时间，简化分离纯化步骤，提高生产效率，节省能耗，而且产品生物活性高，安全性强。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

以植物甾醇、脂肪酸或/和脂肪酸酯、抗氧化剂为原料，植物甾醇与脂肪酸或/和脂肪酸酯的摩尔比为1.5～1.2∶1，抗氧化剂占原料总重量的0.01～0.1％，

将原料混合均匀后，真空加热熔化0.5～2h，加热温度为70～150℃，真空度10～500Pa，或者微波辐射加热熔化2～10min，微波辐射加热强度为10W/mL～150W/mL，

在上述混合物熔化后，加入催化剂，催化剂的加入量为反应物总重量的0.2％～8％，进一步充分混合均匀后，在温度为30～150℃、常压或真空度10～100Pa的真空加热条件下酯化反应3-20h，或者进行微波辐射加热酯化反应5～30分钟，微波辐射加热强度为20W/mL～200W/mL，

酯化反应后的产物经过分离纯化，干燥处理，即得甾醇脂肪酸酯产品。

按上述方案，所述的脂肪酸为油酸、亚油酸、共轭亚油酸、α-亚麻酸、γ-亚麻酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸中的一种或几种；脂肪酸酯为上述脂肪酸的甲酯或乙酯等短链酯类。

按上述方案，所述的植物甾醇包括豆甾醇、谷甾醇、菜籽甾醇等的单一或混合甾醇，或为经过富集的甾醇含量高的精制植物甾醇。

按上述方案，所述的真空加热熔化的真空度为50～500Pa，真空加热熔化的时间为0.5～1.5h；所述的微波辐射加热强度为10W/mL～80W/mL，可优选微波辐射加热熔化。微波辐射加热在非真空常压条件下进行。

按上述方案，所述的抗氧化剂可选用天然抗氧化剂茶多酚、竹叶黄酮、葡萄籽提取物、迷迭香等以及合成抗氧化剂如丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、特丁基对苯二酚(TBHQ)等的一种或几种，添加量为反应物总重量的0.03～0.1％。

按上述方案，所述的催化剂包括脂肪酶类催化剂或化学催化剂。

所述的脂肪酶类催化剂包括固定化酶和非固定化酶，包括有Lipase AY、Lipase AK、Lipase DF、Novozyme 435的一种或几种，优选固定化酶；采用酶类催化剂时可在常压或者真空加热条件下进行，优选在真空加热条件下进行酯化反应，温度为30～90℃，优选50～80℃，，真空度为30-80Pa，常压下反应则可采用氮气保护并借助水浴摇床加速反应，反应时间10～18h。

所述的化学催化剂为食品中允许添加的化学试剂，包括硫酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、无水亚硫酸氢钠、柠檬酸、氢氧化钠、氢氧化钙、氯化钾中的一种或几种；采用化学催化剂时可采用真空加热，真空加热条件为温度90～150℃，真空度10～100Pa，加热时间3～10h；微波辐射反应条件为在30W/mL～150W/mL的加热强度下加热10～25min。

本发明所述的充分混合可以采用超声波、漩涡振荡器、均质机、胶体磨等方式的一种或多种。

本发明所述的微波加热可采用间歇或连续的加热方式进行。

按上述方案，所述的分离纯化是指采用加入反应原料总重量20％-100％的无水乙醇，4℃下静置24h，真空抽滤去除未反应完全的植物甾醇，脱除甾醇后的产品水洗去除化学催化剂，固定化酶催化剂直接离心或者过滤去除，非固定化酶加入硅藻土在40～70℃下搅拌加热30～60min后，分子筛过滤脱除，并进一步水洗产品。

按上述方案，所述的分离纯化还包括产品脱色处理，所述的产品脱色处理采用占产品重量0.1-10％的活性碳、白土或硅藻土按常规脱色方式进行，然后采用真空加热或者微波辐射方式进一步干燥即得最终产品。

本发明所得甾醇脂肪酸酯产品采用过氧化值和反式脂肪酸等指标来衡量样品氧化稳定性和反应副产物。要求最终所得产品的过氧化值低于10meq/kg，反式脂肪酸含量小于0.1％。

本发明甾醇脂肪酸酯的酯化率采用气相色谱配备高温毛细管柱子来进行直接测定，反式脂肪酸采用GC-MS来测定。

本发明的有益效果是：

1)采用微波辐射和真空加热方式，有利于原料的充分混合和酯化反应的进行，尤其是微波加热运用于整个合成工艺(前处理、酯化反应)，可快速升温和冷却，反应速率增加，使酯化反应时间由4小时以上缩短到30分钟以内，提高了效率，降低了能耗，具有操作方便、产率高和产品易纯化等特点。

2)本发明在酯化反应前即加入抗氧化剂，可抑制植物甾醇和脂肪酸在加热过程中分子结构和氧化稳定性的破坏，有利于反应原料保持天然结构和原有生物活性，从而为得到高生物活性产品提供了保障。

3)本发明的反应条件温和，采用的合成工艺中没有添加有机溶剂，催化剂为食品中允许添加的食品添加剂，使产品安全性得到了保障。

4)本发明选取富有较强生物活性的不饱和脂肪酸或者脂肪酸酯为合成原料，因此在产品分离纯化过程中，无需脱除多余的脂肪酸或者脂肪酸酯，而是将其与甾醇脂肪酸酯一起作为功能活性成分，既简化了整个工艺，节省了能耗，又增加了生物活性功能因子。

具体实施方式

实施例1

亚油酸甾醇酯的制备：称取亚油酸4g，按照亚油酸与植物甾醇摩尔比1.5∶1称取植物甾醇，再添加占总重量0.06％葡萄籽提取物，采用漩涡振荡混和均匀后，置于微波炉中，在80W/g的加热强度下加热2min，取出后立刻往混合物中加入其总重量2％的柠檬酸，用漩涡混合器剧烈振荡，在微波功率110w/g条件下间歇加热，单次加热时间为4min/次，每次间隔30秒，共加热8次。反应后，加入占总反应物质量50％的无水乙醇，搅拌后置于4℃冰箱中过夜，过滤去除未反应完全甾醇，然后60℃、真空条件下旋转蒸发去除无水乙醇，再加入占反应物总重量10％的白土，在60℃下加热搅拌过滤，脱色产品进一步水洗后在100W/g微波加热强度下加热5min干燥脱水，得甾醇亚油酸酯产品，酯化率为80.1％，产品过氧化值4.2meq/kg，反式脂肪酸含量小于0.1％。

实施例2

油酸甾醇酯的制备：称取油酸4g，按照油酸与植物甾醇摩尔比1.2∶1称取植物甾醇，再添加占反应物重量0.05％的茶多酚漩涡振荡混匀后，在90℃、50Pa真空条件下加热熔化1h，冷却至65℃添加占总反应物质量3％的Novozyme 435，采用漩涡振荡充分混合均匀后，在70℃、40Pa真空加热条件下反应12h；反应后，加入占总反应物质量50％的无水乙醇，搅拌后置于4℃冰箱中过夜，过滤去除未反应完全甾醇和脂肪酶，然后加入占反应物总重量10％的白土和活性碳，在60℃下加热搅拌过滤，脱色产品进一步水洗后在100W/g微波加热强度下加热5min干燥脱水，得甾醇脂肪酸酯产品，酯化率为70.1％，产品过氧化值3.9meq/kg，反式脂肪酸含量小于0.1％。

实施例3

α-亚麻酸甾醇酯的制备：称取α-亚麻酸4g，按照α-亚麻酸与植物甾醇摩尔比1.3∶1称取植物甾醇，再添加占总重量0.1％的竹叶黄酮和茶多酚混合物，采用均质机混和均匀后，置于微波炉中，在60W/g的加热强度下加热2min，取出后立刻往混合物中加入其总重量3％的硫酸氢钠，用漩涡混合器剧烈振荡，在100℃、10Pa真空加热条件下反应7h；后续步骤同实施例1，得甾醇α-亚麻酸酯产品，酯化率为98.1％，产品过氧化值6.6meq/kg，反式脂肪酸含量小于0.1％。

实施例4

α-亚麻酸甾醇酯的制备：称取α-亚麻酸乙酯4g，按照α-亚麻酸乙酯与植物甾醇摩尔比1.5∶1称取植物甾醇，再添加占总重量0.04％的TBHQ，采用均质机混和均匀后，在100℃、80Pa真空条件下加热熔化1h，取出后立刻往混合物中加入其总重量4％的硫酸氢钠，用漩涡混合器剧烈振荡，在130℃、10Pa真空加热条件下反应11h；后续步骤同实施例1，得甾醇α-亚麻酸酯产品，酯化率为77.3％，产品过氧化值4.6meq/kg，反式脂肪酸含量小于0.1％。

Claims (3)

1.一种制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法，其特征在于：

以植物甾醇、脂肪酸或/和脂肪酸酯、抗氧化剂为原料，植物甾醇与脂肪酸或/和脂肪酸酯的摩尔比为1.5～1.2∶1，抗氧化剂占原料总重量的0.01～0.1％，

将原料混合均匀后，真空加热熔化0.5～2h，加热温度为70～150℃，真空度10～500Pa，或者微波辐射加热熔化2～10min，微波辐射加热强度为10W/mL～150W/mL，

在上述混合物熔化后，加入催化剂，催化剂的加入量为反应物总重量的0.2％～8％，进一步充分混合均匀后，在温度为30～150℃、常压或真空度10～100Pa的真空加热条件下酯化反应3-20h，或者进行微波辐射加热酯化反应5～30分钟，微波辐射加热强度为20W/mL～200W/mL，

所述的催化剂为脂肪酶类催化剂或者化学催化剂；

酯化反应后的产物经过分离纯化，干燥处理，即得甾醇脂肪酸酯产品；

所述的脂肪酸为油酸、亚油酸、共轭亚油酸、α-亚麻酸、γ-亚麻酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸中的一种或几种；脂肪酸酯为上述脂肪酸的甲酯或乙酯；

所述的植物甾醇包括豆甾醇、谷甾醇、菜籽甾醇的单一或混合甾醇，或为经过富集的甾醇含量高的精制植物甾醇；

所述的抗氧化剂为天然抗氧化剂茶多酚、竹叶黄酮、葡萄籽提取物、迷迭香以及合成抗氧化剂丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、特丁基对苯二酚(TBHQ)的一种或几种；

所述的脂肪酶类催化剂为Novozyme 435；所述的化学催化剂包括硫酸氢钠、柠檬酸中的一种或两种。

2.按权利要求1所述的制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法，其特征在于所述的充分混合采用超声波、漩涡振荡器、均质机、胶体磨方式的一种或多种。

3.按权利要求1所述的制备甾醇脂肪酸酯的绿色工艺方法，其特征在于所述的分离纯化还包括产品脱色处理，所述的产品脱色处理采用占产品重量0.1-10％的活性炭、白土或硅藻土按常规脱色方式进行，然后采用真空加热或者微波辐射方式进一步干燥即得最终产品。