CN103012230A - 三孢布拉霉菌中类胡萝卜素的高效提取新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以微生物生物质为原料，制备天然类胡萝卜素晶体，特别是番茄红素和β-胡萝卜素的方法。该方法包括以下步骤：在三孢布拉霉菌菌丝体中加入提取溶剂进行细胞破壁，过滤，收集滤液；将滤液真空浓缩，回收溶剂得油树脂；油树脂中加入洗涤溶剂进行洗涤，过滤得粗晶体；粗晶体干燥除去残留溶剂后得高含量类胡萝卜素晶体。本发明的方法所用溶剂种类少、用量小，提取纯化工艺简单，收率高，适合于工业化生产，得到的类胡萝卜素晶体产品含量高、质量好，可广泛应用于功能食品、医药等领域。

Description

三孢布拉霉菌中类胡萝卜素的高效提取新工艺

技术领域

本发明涉及生化工程领域，更具体涉及一种以微生物生物质为原料的类胡萝卜素的提取与纯化工艺。

背景技术

类胡萝卜素是广泛地存在于植物、动物、微生物及藻类中的一类含盖了由黄到暗红的多烯类物质，具有很多功能，如能够抗氧化、防癌症、预防夜盲症、着色力强等。类胡萝卜素作为食品添加剂和营养增补剂，已经得到FDA、欧洲共同体、WHO等国际组织的认可。近年来更是被广泛地应用于医药、食品、保健品及化妆品等领域中。

番茄红素和β-胡萝卜素是类胡萝卜素中非常重要的两种，它们具有很强的抗氧化能力和着色功能。植物是获取番茄红素和β-胡萝卜素的重要来源之一，如番茄、胡萝卜，但植物中的类胡萝卜素含量非常低，难于满足日益增长的市场需求。微生物具有生长繁殖快、营养需求少、生长条件不苛刻等优点，所以，利用微生物来生产天然的类胡萝卜素，比用体积大、质量重、生长周期长的水果、蔬菜等，更能节约成本、提高效率。三孢布拉霉菌是目前研究最广泛的生产番茄红素和β-胡萝卜素重要菌株。

由微生物中提取类胡萝卜素通常首先获得粗提物，一般为油树脂，而后再进行粗提物的分离纯化，以获得高含量的晶体。高含量的晶体可以很容易的制成各种制剂类型的产品，如微胶囊、油溶液产品、水可分散产品、乳剂产品等。

专利WO2011/145113A2将酸化醇预处理后的菌丝体采用溶剂萃取，萃取液经一定浓缩后低温结晶，晶体过滤后干燥，母液则进一步浓缩成油树脂，该法所得番茄红素晶体或β-胡萝卜素晶体含量可达99%以上，但破壁率较低，提取后的菌丝体残渣中仍剩余10%以上的类胡萝卜素，且提取溶剂用量大。

专利WO2002/0025548A1、CN1472183A、CN101417917A公布了一种从菌丝体中制备含量大于90%的β-胡萝卜素晶体的方法。该方法采用溶剂萃取，萃取液经水洗后，浓缩结晶获得粗晶体，再经多次不同溶剂的洗涤得到高含量的晶体。该法纯化工艺繁琐，损失大，通过实例看，收率仅有30%～40%。专利CN1472183A、CN101417917A、CN10187 0668A也采用低温结晶方法，虽然晶体纯度可达95%以上，但收率都较低。

专利US5858700、CN1363554A采用皂化方法，碱处理类胡萝卜素油树脂以获得晶体。皂化方法需较剧烈的反应条件和长时间的高温，在这一过程中会造成类胡萝卜素的大量损失，所得晶体还需进一步的洗涤纯化等，工艺步骤繁琐。

添加反溶剂促结晶的方法是菌丝体中类胡萝卜素提取常用的一种方法。专利WO01/12832A1(CN1370241A)、WO03/056028A1(CN1617934A)US2005106657A1、AU2011253728A1、US2004067550A1将干燥菌丝体破壁后进行溶剂萃取，萃取液浓缩后添加反溶剂结晶，最终获得95%以上含量的类胡萝卜素晶体。CN1528906A也采用在萃取液中添加反溶剂促结晶的方法获得番茄红素晶体，并包含多次重结晶步骤。专利US2010/01451 16A1先用混合食品级溶剂提取菌丝体中的类胡萝卜素，然后再用亲脂性混合溶剂通过液－液萃取提取溶剂中的类胡萝卜素，而后在类胡萝卜素萃取液中添加反溶剂结晶。添加反溶剂促结晶的工艺复杂，形成的大量混合溶剂不利于溶剂回收再利用，收率也较低。

专利CN1760282A以菌丝体为原料，采用超临界CO₂流体萃取得到大于3%的番茄红素油树脂，然后溶于乙酸乙酯中，通过添加反溶剂低温结晶得到含量大于60%的结晶番茄红素制品，该工艺所需设备昂贵，形成大量混合溶剂，且获得的产品纯度低。

专利US20020055135A1、WO98/50574A1、WO03/038064A2、US2003139480A1、CN1396911A(WO01/55100)以三孢布拉霉菌发酵液为原料，将破壁后的菌体通过离心获得油状结晶类胡萝卜素悬浮液，此油状结晶类胡萝卜素悬浮液经去脂、碱性醇洗、酸性水洗及反复的醇洗得到含量大于90%的晶体，且晶格中基本不含溶剂。该方法步骤繁琐冗长，消耗大量溶剂，收率低，在β-胡萝卜素菌丝体的提取中，晶体收率仅有35%。

专利CN101838667A将预处理后的发酵产物进行三次循环提取，而后又经浓缩、结晶后又经三步脱溶获得番茄红素油树脂，步骤冗长，提取率低。

CN102126911A所述一种高效生产番茄红素晶体的工业化方法中，番茄红素油树脂经多次与烷烃类溶剂混合、溶解、离心得到含量大于90%的晶体，在这一过程中烷烃类溶剂溶解了大量番茄红素，使晶体收率降低，并最终得到含量约5%副产品油树脂。

以发酵产物为原料制备高纯度类胡萝卜素晶体目前主要存在工艺复杂、溶剂用量大、收率低、晶体纯度和质量难以保证等问题，无论从效率方面还是成本方面都不利于工业化生产。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种高效的、低成本的、更适合于工业化生产的高含量类胡萝卜素晶体的制备方法。

本发明所述类胡萝卜素晶体的制备方法包括如下步骤：

①在三孢布拉霉菌菌丝体中加入溶剂A进行细胞破壁，过滤，收集滤液；

②将步骤①的滤液真空浓缩，回收溶剂得油树脂；

③在步骤②的油树脂中加入溶剂B进行洗涤，过滤得粗晶体；

④粗晶体干燥除去残留溶剂后得高含量类胡萝卜素晶体；

其中所述溶剂A为乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷中的一种；所述溶剂B为乙酸乙酯、乙醇、甲醇中的一种。

本发明所述的三孢布拉霉菌菌丝体是三孢布拉霉菌（Blakeslea trispora)发酵产物经干燥后获得的生物质，所述三孢布拉霉菌是一种产β-胡萝卜素的高产菌,该菌具有独特的代谢过程,番茄红素是其代谢途径中的一个中间产物,通过添加阻断剂来抑制β-胡萝卜素生物合成途径中番茄红素环化酶的活性,从而积累番茄红素。

本发明优选的技术方案中，所述的三孢布拉霉菌菌丝体为干番茄红素菌丝体，所述干番茄红素菌丝体为在三孢布拉霉菌培养过程中添加阻断剂抑制β-胡萝卜素生物合成途径中番茄红素环化酶的活性，从而积累番茄红素，高产番茄红素的三孢布拉霉菌发酵产物经干燥后获得的生物质，富含番茄红素。在此技术方案中获得的晶体产品，其番茄红素为80%以上，其它类胡萝卜素含量小于3%。

本发明优选的技术方案中，所述的三孢布拉霉菌菌丝体为β-胡萝卜素菌丝体，所述β-胡萝卜素菌丝体为三孢布拉霉菌在培养过程中未添加阻断剂，从而高产β-胡萝卜素的三孢布拉霉菌发酵产物经干燥后获得的生物质，富含β-胡萝卜素。在此技术方案中获得的晶体产品，其β-胡萝卜素含量为80%以上，其它类胡萝卜素含量小于3%。

以上所述的技术方案中，步骤①所述的细胞破壁温度优选为10-50℃，细胞破壁时间优选为0.5-6小时，细胞破壁次数优选为1-3次。

以上所述的技术方案中，步骤①所述的三孢布拉霉菌菌丝体与溶剂A的质量体积比(g:ml)优选为1：1-10。

以上所述的技术方案中，步骤②所述真空浓缩温度优选为40-50℃，真空浓缩时间优选为0.5-6小时。

以上所述的技术方案中，步骤③所述油树脂与溶剂B的质量体积比(g:ml)优选为1:1-10。

以上所述的技术方案中，步骤③所述洗涤温度优选为10-50℃，洗涤时间优选为5-90分钟，洗涤次数为1-5次。

以上所述的技术方案中，步骤④所述粗晶体干燥温度优选为20-50℃，干燥至粗晶体中有机溶剂B的挥发份小于0.5%。所述挥发份是指在晶体中残留的有机溶剂的质量百分比。

以上所述的技术方案中，步骤①所述细胞破壁采用剪切、高压均质、研磨中的一种。

本发明的整个步骤均在50℃以下的温度条件下进行，有效防止在高温中番茄红素或β-胡萝卜素发生降解或异构化，最大程度上保证了产品的稳定性。

三孢布拉霉菌菌丝体含有丰富的类胡萝卜素，但类胡萝卜素大多存在于菌体内部，用常用溶剂提取方法，不易提取，提取率很低，本发明采用在有机溶剂中进行细胞破壁的方法，提高菌丝体中类胡萝卜素的溶出率，达到了提高提取效率的技术效果；另一方面，本发明在细胞破壁时使用对目标类胡萝卜素溶解度大并且渗透力强的溶剂，达到了细胞破壁的同时对目标类胡萝卜素进行提取的技术效果，在提高提取效率的同时，简化了提取工艺，有益于工业化生产。

本发明的类胡萝卜素晶体制备方法中，将菌丝体提取液真空浓缩得到的油树脂，采用有机溶剂洗涤后得到高含量的类胡萝卜素晶体。目前对油树脂的纯化方法常用重结晶或皂化方法。重结晶通常得到的晶体纯度较高，但这种方法采用的溶剂量大，需反复结晶，步骤复杂，收率很低；皂化方法需要较苛刻的皂化条件，如高温，而类胡萝卜素对高温不稳定，造成收率也较低，而且皂化后还需洗涤才能获得晶体。本发明采用的油树脂用有机溶剂洗涤的方法，操作简单，使用有机溶剂量少，而且保证晶体的高纯度，用本发明方法得到的晶体中总类胡萝卜素含量高达80%以上。

本发明的有益效果是：

（1）在有机溶剂中进行破壁，破壁的同时进行提取，破壁效果好，提取率高，简化生产工艺，有利于工业化生产。

（2）所用溶剂种类少、用量小。

（3）用本发明的制备方法，获得含量大于80%的番茄红素或β-胡萝卜素晶体，其中其它类胡萝卜素的含量低于3%。

（4）本发明的制备方法，相对于现有技术工艺简单、流程短、损失少、成本低，易于实现工业化生产。

（5）实验结果表明，本发明的制备方法中步骤③中油树脂用洗涤溶剂洗涤后得到的洗涤溶液，浓缩后可以得到含有1%以上的类胡萝卜素的产品，类胡萝卜素含量较高，可以作为本发明的副产品，应用于饲料，这是现有技术未能达到的有益效果。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用材料、试剂等均可从生物或化学公司购买。

本发明所用有机溶剂均为分析纯。

本发明所述三孢布拉霉菌(Blakeslea trispora)隶属于毛霉目(Mucorales),笄霉科(Choanephoraceae),布拉霉菌属(Blakeslea)，购于乌克兰的Vitan公司。

干番茄红素菌丝体：高产番茄红素的三孢布拉霉菌发酵产物经干燥后获得的生物质，购于乌克兰的Vitan公司。

干β-胡萝卜素菌丝体：高产β-胡萝卜素的三孢布拉霉菌发酵产物经干燥后获得的生物质，购于乌克兰的Vitan公司。

本发明用干番茄红素菌丝体为原料时，菌丝体或晶体中总类胡萝卜素的含量测定方法参照GB 28316-2012中所记载的方法；用干β-胡萝卜素菌丝体为原料时，菌丝体或晶体中总类胡萝卜素的含量测定方法参照GB 28310-2012中所记载的方法。

菌丝体或晶体中总类胡萝卜素的组成为用HPLC法测定，测定方法参照GB28316-2012中所记载的方法。

所述提取率是指菌丝体中总类胡萝卜素的提取率，用如下公式来计算：

所述晶体收率是指获得晶体中的总类胡萝卜素所占原料总类胡萝卜素的质量百分比，用如下公式来计算：

实施例1

①取40g干番茄红素菌丝体，其中总类胡萝卜素含量为5.1%，经HPLC检测其中番茄红素与β-胡萝卜素分别占80%、20%，菌丝体中加入200ml乙酸乙酯，在25℃用球磨机研磨30min，进行细胞破壁的同时提取菌丝体中类胡萝卜素，过滤，收集滤液；

②步骤①的滤渣中再加入200ml乙酸乙酯，在25℃球磨机研磨30min，过滤，收集滤液；滤渣中再加入200ml乙酸乙酯，在25℃球磨机研磨30min，过滤，收集滤液；

③合并步骤①和②中得到的滤液，在50℃下经真空浓缩得总类胡萝卜素含量为5.12%的油树脂39.4g；提取率为98.9%；

④步骤③的油树脂中加入400ml乙醇，在50℃下搅拌洗涤30min，过滤除去溶液，于40℃干燥2h，得总类胡萝卜素含量为90.6%的类胡萝卜素晶体,晶体质量为1.88g；晶体经HPLC检测总类胡萝卜素，其中不含β-胡萝卜素，番茄红素含量为100%，晶体收率为83.5%。

所得晶体中番茄红素含量为90.6%，获得的晶体分散性好，显微镜下观察晶体呈规则的针状，杂质少，无油圈，吸光值A₄₇₆/A₅₀₈符合USP标准。

实施例2

①取40g干番茄红素菌丝体，其中总类胡萝卜素含量为5.3%，经HPLC检测其中番茄红素与β-胡萝卜素分别占79%、21%，菌丝体中加入400ml二氯甲烷，在25℃下高压均质30min，进行细胞破壁的同时提取菌丝体中类胡萝卜素，过滤，收集滤液；

②步骤①的滤渣中再加入200ml二氯甲烷，在室温下高压均质30min，过滤，

收集滤液；滤渣中再加入100ml二氯甲烷，在25℃下高压均质30min，过滤，收集滤液；

③合并步骤①和②中得到的滤液，在50℃下经真空浓缩得总类胡萝卜素含量为6.79%的油树脂28.6g，提取率为91.6%；

④步骤③的油树脂中加入400ml乙醇，在50℃下搅拌洗涤30min，过滤除去溶液，于40℃干燥2h，得总类胡萝卜素含量为97.5%的类胡萝卜素晶体，晶体质量为1.69g；晶体经HPLC检测总类胡萝卜素，其中β-胡萝卜素含量为2.5%，番茄红素含量为97.5%，晶体收率为77.7%。

所得晶体中番茄红素含量为95%，获得的晶体分散性好，显微镜下观察晶体呈规则的针状，杂质少，无油圈，吸光值A₄₇₆/A₅₀₈符合USP标准。

实施例3

①取40g干β-胡萝卜素菌丝体，其中总类胡萝卜素含量为6.5%，经HPLC检测其中β-胡萝卜素与番茄红素分别占98%、2%，菌丝体中加入400ml正己烷，在25℃下剪切30min，进行细胞破壁的同时提取菌丝体中类胡萝卜素，过滤，收集滤液；

②步骤①的滤渣中再加入120ml正己烷，在25℃下剪切10min，过滤，收集滤液；滤渣中再加入40ml正己烷，在25℃下剪切10min，过滤，收集滤液；

③合并步骤①和②中得到的滤液，在50℃下经真空浓缩得总类胡萝卜素含量为5.67%的油树脂44.9g，提取率为97.9%；

④步骤③的油树脂中加入300ml乙醇，在50℃下搅拌洗涤10min，过滤除去溶液，于40℃干燥2h，得总类胡萝卜素含量为87.5%的类胡萝卜素晶体，晶体质量为2.62g；晶体经HPLC检测总类胡萝卜素，其中β-胡萝卜素含量为100%，不含番茄红素，晶体收率为88.2%。

所得晶体中β-胡萝卜素含量为87.5%，获得的晶体分散性好，有金属光泽，显微镜下观察晶体呈规则的正方体，杂质少，无油圈，吸光值A₄₅₅/A₃₄₀、A₄₅₅/A₄₈₃符合USP标准。

实施例4

①取60kg干β-胡萝卜素菌丝体，其中总类胡萝卜素含量为6.5%，经HPLC检测其中β-胡萝卜素与番茄红素分别占98%、2%，菌丝体中加入600L正己烷，在25℃下剪切1h，进行细胞破壁的同时提取菌丝体中类胡萝卜素，过滤，收集滤液；

②步骤①的滤渣中再加入300L正己烷，在25℃下剪切1h，过滤，收集滤液；滤渣中再加入60L正己烷，在25℃下剪切1h，过滤，收集滤液；

③合并步骤①和②中得到的滤液，在50℃下经真空浓缩得总类胡萝卜素含量为12.0%的油树脂31.5kg，提取率为96.9%；

④步骤③的油树脂中加入31.5L乙酸乙酯，在50℃下搅拌洗涤0.5h，过滤除去溶液，在40℃干燥4h，得总类胡萝卜素含量为81.5%的类胡萝卜素晶体3.85kg；晶体经HPLC检测总类胡萝卜素，其中β-胡萝卜素含量为99.0%，番茄红素含量为1.0%，晶体收率为80.5%。

所得晶体中β-胡萝卜素含量为80.7%，获得的晶体分散性好，有金属光泽，显微镜下观察晶体呈规则的正方体，杂质少，无油圈，吸光值A₄₅₅/A₃₄₀、A₄₅₅/A₄₈₃符合USP标准。

Claims (9)

1.一种天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

①在三孢布拉霉菌菌丝体中加入溶剂A进行细胞破壁，过滤，收集滤液；

②将步骤①的滤液真空浓缩，回收溶剂得油树脂；

③在步骤②的油树脂中加入溶剂B进行洗涤，过滤得粗晶体；

④粗晶体干燥除去残留溶剂后得高含量类胡萝卜素晶体；

其中所述溶剂A为乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷中的一种；所述溶剂B为乙酸乙酯、乙醇、甲醇中的一种。

2.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于所述三孢布拉霉菌菌丝体为干番茄红素菌丝体或干β-胡萝卜素菌丝体。

3.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤①所述的三孢布拉霉菌菌丝体与溶剂A的质量体积比(g:ml)为1：1-10。

4.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤①所述的细胞破壁温度为10-50℃，细胞破壁时间为0.5-6小时，细胞破壁次数为1-3次。

5.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤②所述的真空浓缩温度为40-50℃，真空浓缩时间为0.5-6小时。

6.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤③所述的油树脂与溶剂B的质量体积比(g:ml)为1:1-10。

7.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤③所述洗涤温度10-50℃，洗涤时间为5-90分钟，洗涤次数为1-5次。

8.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于步骤④所述的粗晶体干燥温度为20-50℃，干燥至粗晶体中有机溶剂B的挥发份小于0.5%。

9.根据权利要求1所述的天然类胡萝卜素晶体的制备方法，其特征在于细胞破壁采用剪切、高压均质、研磨中的一种。