CN104177467B

CN104177467B - 一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法

Info

Publication number: CN104177467B
Application number: CN201410387486.9A
Authority: CN
Inventors: 潘秋月; 郁听; 张斌
Original assignee: HANGZHOU YUHANG BOOST OILS AND FATS Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU YUHANG BOOST OILS AND FATS Co Ltd
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: CN104177467A

Abstract

本发明公开了一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法，将植物甾醇、脂肪酸与催化剂混合，经酯化反应得到植物甾醇酯粗品；所述的催化剂以Cu(NO₃)₂为活性组分，纳米羟基磷灰石为载体；再将得到的植物甾醇酯粗品过滤后，与结晶溶剂按摩尔比为1:1～10混合，经吸附脱色，‑18～15℃下冷却结晶18～30h，得到所述的植物甾醇酯；所述的结晶溶剂为辛酸、辛酸甲酯、乙酸乙酯或辛酸甘油三酯。本发明在分离纯化过程中，选择食品级的辛酸、辛酸甲酯、乙酸乙酯、辛酸甘油三酯作为结晶溶剂，安全性高、结晶产物的纯度高、无需使用有机溶剂且结晶溶剂可多次重复利用，为植物甾醇酯的工业化生产提供了一条简单、快速、安全、环保的新方法。

Description

一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法

技术领域

本发明涉及有机合成的技术领域，特别涉及一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法。

背景技术

近几年，以冠状动脉心脏病为代表的老龄化疾病的发生率大幅增加，推动了人们对于植物甾醇的认知和研究。人体内总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平升高会显著增加患冠心病的几率。植物甾醇是天然存在于食品中的微量成分，因能降低人体内总胆固醇和LDL-C的含量，同时不影响高密度胆固醇(HDL-C)水平而逐渐被人们熟知和重视。

但是植物甾醇在水和油脂中的溶解度都很差，并且常温下为结晶形式，因此在食品工业中的应用有限而且生理活性不高。植物甾醇酯是植物甾醇的酯化衍生物，其特点是熔点低，油溶性好、生物利用率更高。

目前已有利用化学法合成植物甾醇酯的催化剂有甲醇钠、硫酸氢钠和金属氧化物，这些催化剂通常会腐蚀设备。公开号为CN101985460A的中国专利文献中公开了采用SO₄ ^2-/SiO₂-TiO₂、SnCl₄/OMS-2、Zr(SO₄)₂/AC等固体超强酸来催化甾醇和脂肪酸反应合成甾醇酯的方法，该发明中提到添加5％的SnCl₄/OMS-2催化8gβ-谷甾醇和20g混合脂肪酸在100℃水浴反应时间72h可实现90％的酯化率，此实施例中催化剂虽可通过过滤与产物分离，但是催化剂用量偏大，且以SnCl₄为活性组分存在严重的重金属残留问题，反应时间过长还会导致甾醇氧化物等副反应物的产生。酶法合成虽然反应条件温和、副产物少，但一般存在反应条件要求高、成本大的问题；如公开号为CN101845473A的专利文献中报道了在正己烷、正庚烷、丙酮、异辛烷或环己烷一种或几种等有机溶剂体系下利用脂肪酶(包括游离和固定脂肪酶)催化合成混合植物甾醇酯的方法，尤其是40℃下利用酶活为10000U/g的固定化脂肪酶(来源于假丝酵母)催化混合植物甾醇和DHA的实例中，最终分离纯化得到纯度为92％的产物，可见该方法条件温和、产物纯度高，但是催化剂添加量为10％，反应体系为混合有机溶剂(正己烷：环己烷：异辛烷＝6:2:1,v/v)，反应时间长达96h，这些高成本、高毒性、高能耗问题在工业化生产中都是不期望的。

目前，甾醇酯的合成过程中主要存在以上的问题，而针对合成产物中甾醇酯的回收、纯化方面也存在不少问题。目前的研究多采用有机溶剂萃取然后旋转蒸发有机相的方法，常用的有机溶剂包括正己烷、乙醇和丙酮等毒性较强的溶剂。如公开号为CN102350091A的中国专利文献中将无水乙醇和正己烷混合作为复合萃取剂分离纯化甾醇酯，其中无水乙醇体积比例占主萃取剂的体积百分数为30～70％，主萃取剂添加量10～20mL/g粗产物，该方法先将反应剩余脂肪酸和甾醇酯溶于非极性有机相中，然后再添加0.5mol/L NaHCO₃溶液中和多余的脂肪酸以形成脂肪酸盐进入极性溶剂相中，最后旋转蒸发有机相以得到纯甾醇酯。该方法虽然化学稳定性好、萃取效率高(>99％)，但是在脱酸步骤中加入弱碱一定程度上会引起甾醇酯的水解，再从萃取溶剂组成来看，无水乙醇和正己烷并不能完全分层，因此在实际操作中很有可能在正己烷相中残留有无水乙醇相中的脂肪酸盐，另外，毒性溶剂的使用也带来了潜在的食品安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法，合成过程中采用特定的负载型催化剂，催化高效、易于产物分离且重复利用率高；分离纯化过程中，选择特定的结晶溶剂及结晶条件，安全性高、结晶产物的纯度高、无需使用有机溶剂且结晶溶剂可多次重复利用，为植物甾醇酯的工业化生产提供了一条简单、快速、安全、环保的新方法。

本发明公开了一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法，步骤如下：

(1)将植物甾醇、脂肪酸与催化剂混合，经酯化反应后得到植物甾醇酯粗品；

所述的催化剂以Cu(NO₃)₂为活性组分，纳米羟基磷灰石为载体；

(2)将步骤(1)得到的植物甾醇酯粗品过滤后，与结晶溶剂按摩尔比为1:1～10混合，经吸附脱色，然后在-18～15℃下冷却结晶18～30h，得到所述的植物甾醇酯；

所述的结晶溶剂为辛酸、辛酸甲酯、乙酸乙酯或辛酸甘油三酯。

步骤(1)所述的植物甾醇为β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇中的至少一种；

所述的脂肪酸为棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、α-亚麻酸、二十碳烯酸中的至少一种。

进一步优选，所述的植物甾醇为β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇和菜籽甾醇组成的混合植物甾醇；

所述的脂肪酸为棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、α-亚麻酸和二十碳烯酸组成的混合脂肪酸；

所述的植物甾醇与脂肪酸的摩尔比为1:1.6～2；

所述的催化剂的质量为植物甾醇与脂肪酸总质量的0.8～1.2％；

所述的酯化反应温度为160～180℃，时间为5～7h，反应在真空条件下进行。

经发明人研究发现，提高反应温度、增加催化剂用量、延长反应时间、增大酸醇摩尔比都会提高产物酯化率，综合考虑生产成本、反应效率以及随反应温度和时间增加引起的副产物问题。进一步优选，所述酯化反应的温度为170～180℃、时间为6～7h、植物甾醇与脂肪酸的摩尔比为1.8、催化剂的质量为植物甾醇与脂肪酸总质量的1.2％。最优选，酯化反应的温度为170℃、时间为7h、植物甾醇与脂肪酸的摩尔比为1.8、催化剂的质量为植物甾醇与脂肪酸总质量的1.2％。

本发明中采用的负载型催化剂Cu(NO₃)₂-NHAP(纳米羟基磷灰石)，活性组分中的Cu²⁺作为路易斯酸位点在NHAP上高度分布，与脂肪酸中的C＝O键相互作用产生C⁺离子，然后再与甾醇通过亲核撞击起到催化效果。

作为优选，所述的载体为经过扩孔处理的NHAP；进一步优选，所述的负载型催化剂中活性组分的质量分数为5％。

所述催化剂的制备方法为：将Cu(NO₃)₂与扩孔处理后的NHAP等体积多次浸渍后，再经120℃真空干燥和600℃高温煅烧制得。

通过对所述催化剂催化活性的测试可知，所述催化剂可以循环使用，用于至少3个批量反应后才表现为反应酯化率低于80％。所述催化剂使用后经无水乙醇冲洗并105℃真空干燥处理后即可重复使用。

本发明所采用的反应体系无需外加溶剂，无需氮气保护，通过真空泵将酯化反应产生的水蒸气及时抽出，帮助反应正向进行，本反应的酯化率高达95％以上，酯化反应程度通过酸值变化间接监测，其中酸值(AcidValue,AV)变化＝(AV_初-AV_末)·n_{混合脂肪酸}/(AV_初·n_植物甾醇)。

步骤(2)中粗品的结晶纯化过程是利用植物甾醇酯粗品在所述几种结晶溶剂中的溶解度随温度变化大，从而可以在不添加弱碱的情况下与脂肪酸和甾醇分离，在一定温度下将后两者溶解于上清液中以得到高纯度植物甾醇酯。

结晶分离好坏以结晶物沉淀分离效果、回收率和产物纯度为评判指标。其中结晶物沉淀分离效果包括结晶物与清液是否清晰分层、中间相的结晶物干扰是否明显，回收率＝100％·{m_甾醇酯-[ρ_溶剂(V_总-V_结晶)-m_溶剂]}/m_甾醇酯，产物纯度是对结晶物进行GC分析所得。

作为优选，步骤(2)所述的结晶溶剂为辛酸、辛酸甲酯或乙酸乙酯。优选的三种结晶溶剂都具有凝固点低、安全的优点；同时，甾醇酯在这三种结晶溶剂中的溶解度随温度波动变化大，而干扰产物纯度的脂肪酸和甾醇变化小。

经发明人研究发现，当所述的结晶溶剂为辛酸时，作为优选，植物甾醇酯粗品与辛酸的摩尔比为1:3～4，冷却结晶温度为10～15℃，时间为18～24h。

进一步优选，所述的植物甾醇酯粗品与辛酸的摩尔比为1:4，冷却结晶温度为10℃，时间为18h。此时，上清液和结晶物分层清晰，无中间相干扰，而且甾醇酯的回收率高达98％，产物纯度为98.4％。

当所述的结晶溶剂为辛酸甲酯，作为优选，植物甾醇酯粗品与辛酸甲酯的摩尔比为1:1～2，冷却结晶温度为-18～-10℃，时间为24～30h。

进一步优选，所述的植物甾醇酯粗品与辛酸甲酯的摩尔比为1:1，冷却结晶温度为-18℃，时间为24h。此时，上清液和结晶物分层较清晰，中间相部分干扰并伴有少量悬浮晶体于上清液表面，经高速冷冻离心后回收率高达95％，产物纯度为96.2％。

当所述的结晶溶剂为乙酸乙酯，植物甾醇酯粗品与乙酸乙酯的摩尔比为1:9～10，冷却结晶温度为-18～-10℃，时间为20～30h。

进一步优选，所述的植物甾醇酯粗品与乙酸乙酯的摩尔比为1:10，冷却结晶温度为-18℃，时间为20h。此时，上清液和结晶物分层较清晰，中间相干扰较小，经高速冷冻离心后回收率高达105％，产物纯度为90.3％。

若是辛酸甘油三酯作为结晶溶剂，低温条件下(＜20℃)甾醇酯在其中出现了三相状态，而且回收率非常低(＜70％)，因此不考虑其作为结晶溶剂。

步骤(2)中，通过活性炭柱对粗产物进行脱色，作为优选，所述活性炭柱的填充物为105℃活化2h后的颗粒活性炭即粗产物脱色剂。

本发明相对于现有技术，有益效果为：

1.本发明采用的负载型多相催化剂Cu(NO₃)₂-NHAP，制备简单、污染小、成本低、催化活性高且可以重复利用，适合于工业化规模生产。

2.本发明采用的反应体系无溶剂，而且干燥装置和抽真空装置去除反应生成水的效果显著，因此无需添加其他试剂除水，安全、绿色，且产物酯化率高。

3.本发明采用食品级的辛酸、辛酸甲酯、乙酸乙酯作为结晶溶剂，安全性高，而且植物甾醇酯在这类溶剂中的溶解度随温度变化大，因此只需冷却结晶即可实现产物分离，而且溶剂本身凝固点低，易跟产物分离，而且结晶溶剂可多次重复利用，该方法无需外加有毒溶剂、过程操作简单、回收率高且产物纯度高。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明内容，当然本发明保护内容不局限于以下实施例。

实施例1～21

步骤一、负载型催化剂的制备

称取2g NHAP(纳米羟基磷灰石)载体于100mL反应釜中，加入60mL去离子水，在120℃、压力为1.2MPa、N₂保护条件下，载体水蒸气扩孔处理2h。然后将其放入110℃真空烘箱内干燥6h去除水分，并在600℃马弗炉里焙烧4h以提高机械强度，冷却至室温后抽真空30min，以去除多孔材料内部气体和水分，便于活性组分进入载体孔道。

先测定载体的饱和吸水率，称取2g经扩孔处理的NHAP加入水的体积为V₁，室温浸渍一段时间后用吸管吸取过量水V₂，此时每2g载体的饱和吸水率为(V₁-V₂)/2，催化剂添加量按质量分数为5％的有效活性组分元素Cu来推算(即5％＝m_Cu/(m_NHAP+m_Cu)，其中m_NHAP＝2g)，由此计算出m_Cu＝0.1053g，再由Cu(NO₃)₂·3H₂O中Cu的质量分数推算出m_{Cu(NO3)2·3H2O}＝0.398g(即M_Cu/M_{Cu(NO3)2·3H2O}＝64/242＝0.2053/m_{Cu(NO3)2·3H2O})。按上述质量称取Cu(NO₃)₂·3H₂O并加入3.72mL蒸馏水溶解配成Cu(NO₃)₂溶液，在不断搅拌下将该溶液加到经预处理的2g NHAP中，剧烈搅拌后间歇超声辅助浸渍2次，每次1h，浸渍处理总时间24h，然后将其放入电热真空干燥箱120℃，12h，形成多孔状蜂窝固体后再于600℃下焙烧3h。

步骤二、植物甾醇酯的合成

首先将混合植物甾醇在60℃烘箱内干燥过夜，混合脂肪酸通过3A分子筛脱水。在三口烧瓶内加入10g混合植物甾醇，混合植物甾醇的摩尔质量按平均摩尔质量400g/mol计，混合脂肪酸的摩尔质量按平均180g/mol计，再按指定的酸醇摩尔比计算加入混合脂肪酸的质量，在抽真空状态下油浴加热至反应混合物溶解，加入一定量Cu(NO₃)₂-NHAP，升温至设定值并磁力搅拌反应一段时间，得到植物甾醇酯的粗品，以酸值变化间接监测反应进程，终产物采用GC测定酯化率。该反应过程中的原料种类、用量、反应条件及酯化率列于下表1中。表1中混合植物甾醇的主要组成为57％的β-谷甾醇、20％的菜油甾醇、18％的豆甾醇和3％的菜籽甾醇；混合脂肪酸主要组成为棕榈酸16％、硬脂酸3％、油酸52％、亚油酸23％、α-亚麻酸0.4％、二十碳烯酸0.7％。

表1

从实施例1和2比较、3和4比较、5和6比较、7和8比较分别可以看出提高反应温度、增加催化剂用量、延长反应时间、增大酸醇摩尔比都会提高产物酯化率，这当然是我们所期望的，但是实际生产中还需考虑到成本和效率以及随反应温度和时间增加引起的副产物问题。综合考虑，最适酯化反应条件参数可参考如下：反应温度170℃、反应时间7h、酸醇摩尔比1.8、催化剂用量1.2％。

步骤三、植物甾醇酯的结晶纯化

将颗粒活性炭即粗产物脱色剂预先在105℃活化2h后，填充于有机玻璃柱中作为固定相，实施例4制备所得植物甾醇酯经趁热抽滤步骤去除催化剂，过滤得到植物甾醇酯与指定各结晶溶剂以摩尔比以1:1～10混合，在60℃水浴溶解混匀后倒入活性炭柱中，加压迅速热过滤脱色，产物由棕色变为浅黄色。

根据脱色前添加溶剂和样品摩尔比，规定结晶原料中植物甾醇酯的含量为3g以此推算每组结晶试验所取的原料总量(以辛酸为例，若辛酸和植物甾醇酯摩尔比为3:1，其中M_{植物甾醇酯}＝562g/mol，M_辛酸＝144.24g/mol则该组结晶原料总量m＝m_{植物甾醇酯}+m_辛酸＝3+144.24×3×3/562)，将结晶原料置于具塞玻璃离心刻度管中，于一定温度下静置结晶，每隔2h记录一次结晶物体积和总体积变化，待下层结晶物体积不再增加则停止结晶实验，同时评价甾醇酯在各溶剂中的结晶状态，高速冷冻离心后计算回收率并取下层结晶物进行GC分析。其中结晶物沉淀分离效果包括结晶物与清液是否清晰分层、中间相的结晶物干扰是否明显，回收率＝100％·{m_甾醇酯-[ρ_溶剂(V_总-V_结晶)-m_溶剂]}/m_甾醇酯，产物纯度是对结晶物进行GC分析所得。该纯化过程中的溶剂种类、用量、纯化条件及产品性能列于下表2中。

表2

从上述实施例中看出，在保证溶剂不凝固的前提下，植物甾醇酯的回收率随着各结晶温度的下降会升高，当结晶量达到最大值时，随着时间的延长回收率不再增加。实施例9和10说明以辛酸作为结晶溶剂时，10℃的结晶温度相比于15℃可以得到更高的回收率和产物纯度，实施例10和11则说明增加辛酸的摩尔量可使产物回收率和纯度分别提高到98％和98.4％，实施例12则证实当结晶量达到稳定时，再延长结晶时间，对产品回收率和纯度的影响可以忽略。同样的分析适用于辛酸甲酯和乙酸乙酯，只是在这两种溶剂中甾醇酯的结晶分离状态不如在辛酸中好，尤其是乙酸乙酯作为结晶溶剂时，结晶部分组织疏松、中间相有干扰，回收率>100％也正好说明有部分包含脂肪酸和甾醇的溶剂混入结晶部分，因此得到的产品纯度较低。以辛酸甘油三酯作为结晶溶剂时，甾醇酯的结晶分离状态最差，而且从回收率上来看也理想(<70％)。因此综合各溶剂对于甾醇酯的结晶状态、回收率和纯度考虑，优先选择以辛酸作为溶剂结晶，溶剂与样品摩尔比为3:1～4:1，结晶温度10℃，结晶时间18h，可高效回收得到高纯度植物甾醇酯(产物回收率和纯度均>95％)。

实施例22～25

采用与实施例4中完全相同的合成及分离方法，区别仅在于，反应结束后趁热真空过滤去除Cu(NO₃)₂-NHAP，分离得到的Cu(NO₃)₂-NHAP经无水乙醇清洗并105℃真空干燥后投入下个批次反应，以上步骤重复4次，每次反应后以产物酯化率作为衡量催化剂活性变化的指标，见表3：

表3

实施例22～25分别指按最适酯化反应条件反应一次、二次、三次和四次后的酯化率变化，可以看出在重复使用Cu(NO₃)₂-NHAP三次以后，催化剂活性才出现较大幅度下降，数据上表现为反应酯化率降到80％以下，因此该负载型催化剂可以至少重复使用三个批量反应。

Claims

1.一种植物甾醇酯的高效合成及分离方法，其特征在于，步骤如下：

(2)将步骤(1)得到的植物甾醇酯粗品过滤后，与结晶溶剂辛酸混合，植物甾醇酯粗品与辛酸的摩尔比为1:3～4，经吸附脱色，然后冷却结晶，冷却结晶温度为10～15℃，时间为18～24h，得到所述的植物甾醇酯。

2.根据权利要求1所述的植物甾醇酯的高效合成及分离方法，其特征在于，步骤(1)所述的植物甾醇为β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇中的至少一种；

3.根据权利要求2所述的植物甾醇酯的高效合成及分离方法，其特征在于，所述的植物甾醇为β-谷甾醇、菜油甾醇、豆甾醇和菜籽甾醇组成的混合植物甾醇；

所述的植物甾醇与脂肪酸的摩尔比为1:1.6～2；

所述的催化剂的质量为植物甾醇与脂肪酸总质量的0.8～1.2％；所述的酯化反应温度为160～180℃，时间为5～7h。

4.根据权利要求1所述的植物甾醇酯的高效合成及分离方法，其特征在于，所述的植物甾醇酯粗品与辛酸的摩尔比为1:4，冷却结晶温度为10℃，时间为18h。