JP2009057268A - 表面処理シリカゲル吸着剤及びアントシアニンの精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
工業的大量精製が可能なオープンカラム方式に適し、吸着性と脱離性とがともに優れた吸着剤を提供する。アントシアニンを精製する場合には、公知吸着剤の３倍以上の吸着能力を有し、一方脱離に要する溶離剤の必要量は１／２程度の少量で十分であること。
【解決手段】 吸着剤が、その平均粒径が２００μｍ〜１，０００μｍ、好ましくは４００μｍ〜８００μｍの範囲であり、平均細孔径が５０Å〜６００Åの範囲であることを特徴とする脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲルであること。
アントシアニンの精製において、前記の表面処理シリカゲルを使用することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、選択吸着によって精製するに適した表面処理シリカゲル及び該シリカゲルを使用することを特徴とするアントシアニンの精製方法に関する。詳しくは、工業的に大量に精製することが可能な特定の平均粒径、平均細孔径を有する表面処理されたシリカゲル 及び該シリカゲルを使用することを特徴とするアントシアニンの精製方法に関する。

表面処理は、脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物とシリカゲル表面のシラノール基を反応させることにより行う。

微細孔を有する表面処理シリカゲル自体は公知であり、分析用あるいは分取精製用に使用されている。具体的には、液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）分析あるいは分取クロマト用に使われている。飽和脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲルも使用されている。

しかしながら、工業的に大量に精製しようとすると、これら公知の表面処理シリカゲルは二つの大きな欠点がある。欠点の一つは高圧を要することである。ＨＰＬＣ分析用の表面処理シリカゲルでは、粒径が５μｍ〜５０μｍの範囲で非常に細かいので、一般的には、概略５０Ｋｇ／ｃｍ^２前後の高圧が必要である。

これよりも大きい粒径（５０μｍ〜１５０μｍ）の表面処理シリカゲルも知られており、シクロデキストリンの精製に適していると報告されている。例えば、（非特許文献１）「吸着樹脂ハンドブック」（（株）エヌ・ティーエス）（１９９３年、６４７〜６５２）、及び（非特許文献２）日本農芸化学大会講演要旨集（１９８８）１０１ページに「シリカゲルＯＤＳ」として記載されている。

しかし、比較的大きい粒径（５０μｍ〜１５０μｍ）の表面処理シリカゲルでも、５Ｋｇ／ｃｍ^２程度の高圧が必要であり、設備投資が高額となり又設備の運転も熟練を要する。

従って、常圧（１Ｋｇ／ｃｍ^２）で使える微細孔を有する表面処理シリカゲルが待望されているが、現在の所、専門メーカーの２社（富士シリシア化学（株）、（株）ワイエムシイ）のカタログでは、最大の粒径は１５０μｍまでしか記載されていない。

公知の微細孔を有する表面処理シリカゲルの第二の欠点は、価格が猛烈に高いことである。常圧条件化のオープンカラムによる精製用として使用可能な吸着剤としては、樹脂系合成吸着剤が既に工業的に実用化されている。前記の公知表面処理シリカゲルの価格は、樹脂系合成吸着剤の価格の２０倍以上である。従って、公知の表面処理シリカゲルは、工業的精製のためには到底使用できない。

一方、常圧のオープンカラムに適合する樹脂系合成吸着剤が、既に実用化されている。例えば、
ＸＡＤ−７：ローム＆ハース社 アクリル系吸着樹脂 平均粒径６００μｍ、平均細孔径４５０Å（４５ｎｍ）
ＨＰ−２０：三菱化学社 スチレン系吸着樹脂平均粒径４５０μｍ、平均細孔径５００Å（５０ｎｍ）
ＳＰ−８２５：三菱化学社 スチレン系吸着樹脂平均粒径４５０μｍ、平均細孔径１１０Å（１１ｎｍ）
などが知られているが、目的物１重量部に対しこれら吸着樹脂は１００重量部〜２００重量部と大量に必要である。従って吸着能力の大幅アップが待望されている状況にある。

更に、細孔のあるシリカを母体とし表面をスチレンポリマーで被覆した吸着剤がアントシアニンの精製を目的として（特許文献１）特公昭５５−４７０６０「アントシアニンの精製方法」（ローヌ・プーラン・アンデュストリ）で提案されている。しかし、この樹脂は、精製前後でのアントシアニンの回収率は、６８％〜７９％であり極めて低い。現在汎用の合成吸着樹脂ＸＡＤ−７の回収率は９０％以上のレベルにある。

アントシアニンは、様々な植物から抽出・精製され、医薬品あるいは健康食品として、大量に製造・販売されている。用途としては、例えば、眼精疲労の緩和であり、その効果は現在では広く認知されている。例えば、（非特許文献３）高宮和彦「色から見た食品のサイエンス」（株）サイエンスフォーラム（２００４）に記載されている。従って、アントシアニンの精製方法を大幅に改善することの経済的・社会的意義は極めて大きいといえる。

アントシアニンを工業的に精製する目的で脂肪族炭化水素基を含むシラン化合物で表面処理したシリカゲルを使用すること自体従来知られておらず、本発明にして初めて、従来の水準をはるかに超える新規表面処理シリカゲル吸着剤を提供するものである。

特公昭５５−４７０６０「アントシアニンの精製方法」 特開２００５−１１７９１０「カシス抽出物の製法」 「吸着樹脂ハンドブック」（（株）エヌ・ティーエス）（１９９３年）、ｐ．６４７〜ｐ．６５２ 日本農芸化学大会講演要旨集（１９８８）、ｐ．１０１ 高宮和彦「色から見た食品のサイエンス」（株）サイエンスフォーラム（２００４） 植物色素研究会編「植物色素研究法」（大阪公立大学共同出版会）（２００４年）

公知の吸着剤は、吸着能力の大きい吸着剤は、脱離性が小さく、一方脱離性の良好な（従って目的物質の取得が容易）吸着剤は吸着能力が小さい傾向があった。言い換えれば、吸着性と脱離性とが両立する吸着剤は知られていなかった。特に工業的大量精製が可能なオープンカラム方式に適した吸着性と脱離性がともに優れた吸着剤は知られていない。

本発明は、吸着性が、公知の吸着剤をはるかにしのぎ、かつまた同時に脱離性にも優れた吸着剤を提供せんとするものであり、またアントシアニンの優れた精製方法を提供するものである。
具体的には、吸着能力が 汎用の合成吸着樹脂よりはるかに大きく、（例えば３倍以上）、なおかつ脱離用の溶離剤の使用量が少なくて済む（例えば１／２以下）吸着剤を提供しようとするものである。

精製前後の回収率は、従来技術レベルの同等以上（９０％以上）が必要であり、経済的な精製方法であるオープンカラム方式が適用できることも必要条件である。そのため、粒径の大きさは適切でなければならない。

驚くべきことに、本発明にて初めて吸着性と脱離性とが高いレベルで両立し、かつまた工業的に大量に精製することが可能となることが判明した。それは、特定の平均粒径、特定の平均細孔径を有し、脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲルにより可能となる。

特定の範囲とは、平均粒径が、２００μｍ〜１，０００μｍの範囲であり、平均細孔径が、５０Å（５ｎｍ）〜６００Å（６０ｎｍ）の範囲である。

オープンカラムを目詰まりさせにくくするためには、平均粒径の５０％以下の小さい粒子が全体の５重量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、２重量％以下である。

表面処理するためのシラン化合物の脂肪族炭化水素残基としては、Ｃ_１〜Ｃ_２２の飽和炭化水素残基から選ぶことが出来る。工業的に大量に適切な価格で入手可能なのは、Ｃ_１（メチル基）、Ｃ_８（オクチル基）あるいはＣ_１８（オクダデシル基）が代表的である。

なかでもアントシアニン精製には、Ｃ_１８（オクダデシル基）が好ましい。

表面処理のための脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物は、少なくとも１個以上の脂肪族炭化水素残基を含む必要がある。

アントシアニンを工業的に精製する目的で脂肪族炭化水素基を含むシラン化合物で表面処理したシリカゲルを使用すること自体知られていなかったが、意外にも本発明にて初めて吸着性と脱離性とが高いレベルで両立していることを見出したものである。オープンカラムが工業的に有利であるが、そのためには吸着剤が、前述した特定の平均粒径範囲、特定の平均細孔径、平均粒径の５０％以下の小さい粒子が全体の５重量％以下の表面処理シリカゲルが好ましい。

工業的大量精製が可能なオープンカラム方式に適し、吸着性と脱離性とがともに優れた吸着剤を提供する。

アントシアニンを精製する場合には、吸着能力は、公知の合成吸着剤の３倍以上であり、一方脱離に要する溶離剤の必要量は１／２程度で十分である。

更に、脱離液の量が１／２程度に激減するので、その後の濃縮処理に要する時間も半減し、その合理化効果は顕著である。アントシアニンの場合、時間半減によりアントシアニンの熱劣化が抑えられる効果もある。

表面処理シリカゲルは、公知の製法によって得られる。すなわち、シリカゲル表面のシラノール基と脂肪族炭化水素のクロロシランを塩基（例えばピリジン）の存在下に反応させ、脂肪族炭化水素シリル化シリカゲルを得ることが出来る。

本発明のポイントは平均粒径と平均細孔径にあるので、原料のシリカゲルの選択は重要であり、平均粒径が２００μｍ〜１，０００μｍ、平均細孔径が５０Å（５ｎｍ）〜６００Å（６０ｎｍ）の範囲である。平均粒径が２００μｍより小さいとオーブンカラムでは圧力損失のため常圧での通液が困難となり、一方１，０００μｍより大きい平均粒径では精製が不十分（分離性が不十分）となる。なお、より好ましい平均粒径の範囲は４００μｍ〜８００μｍである。

また、オープンカラムでの目詰まりを回避するためには、平均粒径の５０％以下の小さい粒子が原料シリカゲル全体の５重量％以下とすることが好ましい。

脂肪族炭化水素のクロロシランとしては、トリメチルクロロシラン、ｎ−ブチルトリクロロシラン、オクチルトリクロロシラン、オクタデシルトリクロロシラン、エイコシルトリクロロシラン、オクタデシルメチルジクロロシラン、オクタデシルジメチルクロロシランなどがある。複数の脂肪族炭化水素基が混合していてもよい。例えば、オクタデシルトリクロロシランと反応後、残存の未反応シラノール基にトリメチルクロロシランを追加反応させることも出来る。

精製するための原料のアントシアニン水溶液は、ビルベリー、ブルーベリー、ブラックカーラント、赤キャベツ、ブドウ果皮、赤シソ、クランベリーなどの植物の抽出液から得られる。

本発明の表面処理シリカゲルの機能は、抽出液からアントシアニンを選択的に吸着させることにより、糖類、ペクチン類、塩類などを除くことにある。精製方法自体は、公知の方法が適用出来る。例えば、（特許文献２）特開２００５−１１７９１０には「アントシアニン抽出液の調製〜オープンカラムによるアントシアニンの精製〜アントシアニンエキス粉末を得る」が記載されている。

目的物を吸着させた後は脱離工程であるが、溶離剤としては、公知のエタノール、エタノール〜水混合系、メタノール単独あるいは水との混合系、プロパノール単独または水混合系、アセトニトリル単独または水混合系などが挙げられる。これらの３成分以上の混合系でもよい。

目的物が健康食品などの食品用の場合には、食品衛生法の規制があるので、エタノール、エタノール〜水混合系がよい。

以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）

吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）の調製：
シリカゲル：大江化学（株）製 Ｃ−Ｔｙｐｅ Ｓｉｌｉｃａ ｇｅｌ
平均粒径 ３５０μｍ、細孔径１０２Å（１０ｎｍ）
粒径 ２００μｍ以下の小さい粒子の割合は１．４％
トリメチルクロロシラン：信越化学（株）製

シリカゲル５０ｇをトルエン３５０ｍｌ中に懸濁させる。ついで約１１０℃にて緩く攪拌しながら 水分を共沸留去（約５０ｍｌ）させることにより除く。ついで、トリメチルクロロシラン（信越化学（株）製）５０ｍｌ及びピリジン６２．５ｍｌを加え、９４℃にて５時間還流させる。この操作により、シリカゲル表面のシラノール基（―Ｓｉ―ＯＨ）とトリメチルクロロシラン（Ｃｌ―Ｓｉ―（ＣＨ_３）_３）とがピリジンにより脱ＨＣｌし、表面官能基がシラノール基から―Ｓｉ―Ｏ―Ｓｉ―（ＣＨ_３）_３へと変る。ついで、過剰のトリメチルクロロシランを留去させる。冷却後、１００メッシュの篩いで大部分の溶媒を除き、ついで水洗により残存するピリジン塩酸塩を除いた。更にエタノールで洗浄したのち、再度水洗し、減圧乾燥した。
こうして、トリメチルシリルシリカゲル ５２ｇ（平均粒径３５０μｍ、細孔径１０２Å）を得る。

アントシアニン水溶液の調製は以下の通りである。
ビルベリー（Ｖａｃｃｉｎｉｕｍ ｍｙｒｔｉｌｌｕｓ Ｌ．）の果実から公知の方法（非特許文献４）植物色素研究会編「植物色素研究法」（大阪公立大学共同出版会）（２００４年）または（特許文献２）特開２００５−１１７９１０「カシス抽出物の製法」公開日平成１７年５月１２日に従って抽出及び固液分離操作を行い、微粒の懸濁不溶物を濾紙で除き、アントシアニン水溶液を得た。
この時のアントシアニンの濃度は１．３ｇ／Ｌで、ｐＨは２．０であった。

吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）によるアントシアニンの吸着〜脱離を示す。まず吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）２２ｇ（約５０ｍｌ）を、０．０５％クエン酸を含む８０体積％エタノールに懸濁させガラスカラム（内径２６ｍｍ）に充填した。充填長は９５ｍｍであった。
ついで、０．０５％クエン酸水１５０ｍｌ（ｐＨ３．４）を線速度０．５ｃｍ／分でゆっくり流下させカラム内吸着剤の細孔内を酸性水に置換した。

調製したアントシアニン水溶液１００ｍｌ（アントシアニン０．１３ｇ含有）を吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）５０ｍｌを含むカラムに線速度０．５ｃｍ／分で流下させアントシアニンを吸着させた。
アントシアニン吸着部は濃い紫色を呈するので目視ではっきり確認出来、吸着長は、１０ｍｍだった。

次に、カラムを０．０５％クエン酸水７５ｍｌ（ｐＨ３．４）にて水洗した。

ついで、アントシアニンを、溶離液として０．０５％クエン酸を含む８０体積％エタノールを７５ｍｌ用い、線速度０．５ｃｍ／分で溶離した。この操作だけで、すなわち押し出しを行わずとも、アントシアニンのほとんどカラム外に溶離できた。

次に押し出し水０．０５％クエン酸水７５ｍｌ（ｐＨ３．４）にてカラム内に残存する少量のアントシアニンを押し出し、先のカラムを通した溶離液と合わせた。

アントシアニンの回収率は、９８．９％だった。このことは、本発明の吸着剤では、吸着〜脱離操作にて目的物のアントシアニンの大部分が回収されていることを示している。

（比較例１）
吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）の代わりに、公知の樹脂系吸着剤ＸＡＤ−７を用いる以外は（実施例１）と全く同じ条件で吸着を行った。吸着長は５２ｍｍ だった。脱離性は、溶離液（０．０５％クエン酸を含む８０体積％エタノール）７５ｍｌだけでは不完全で、アントシアニン回収率は、９６．７％だった。

（実施例１）と（比較例１）とから、吸着長が、１０ｍｍ（本発明）と５２ｍｍ（比較例１）とで大きく異なり、本発明では、約１／５くらいの少ない吸着剤ですんでいる。回収率が同程度以上に高いことから、吸着しているアントシアニンも同程度以上である。

つまり、本発明の吸着剤１（トリメチルシリルシリカゲル）は、公知の樹脂系吸着剤に比べ、５倍大きい吸着能力があることは明らかである。しかも、脱離に際しては、溶離剤が少なくてすむこともまた明らかである。
通常 吸着性と脱離性は相反するのが自然なのに、両立していることは驚くべきことである。

（実施例２）

吸着剤２（オクタデシルシリルシリカゲル）の調製
シリカゲル：大江化学（株）製Ｃ−Ｔｙｐｅ Ｓｉｌｉｃａ ｇｅｌ平均粒径７５０μｍ、細孔径１０２Å（１０ｎｍ）粒径５００μｍ以下の小さい粒子の割合１．７％
ｎ−オクタデシルトリクロロシラン：米国Ｇｅｌｅｓｔ社製
トリメチルクロロシラン：信越化学（株）製

シリカゲル２００ｇをトルエン２，５００ｍｌ中に懸濁させる。ついで約１１０℃にて緩く攪拌しながら水分を共沸留去（約２００ｍｌ）させ除く。ついで、ｎ−オクタデシルトリクロロシラン４０ｍｌ及びピリジン１３７ｍｌを加え、１１０℃ にて１０時間還流させる。この操作により、シリカゲル表面のシラノール基（―Ｓｉ―ＯＨ）とｎ−オクタデシルトリクロロシラン（Ｃｌ_３―Ｓｉ―Ｃ_１８Ｈ_３７）とがピリジンにより脱ＨＣｌし、表面官能基がシラノール基から―Ｓｉ―Ｏ―Ｓｉ―Ｃ_１８Ｈ_３７Ｃｌ_２へと変る。

次に、少量の未反応の残存シラノール基をエンドキャッピングする。すなわちトリメチルクロロシラン８５ｇを滴下する（１１０℃にて１０時間還流）。

冷却後、１００メッシュの篩いで大部分の溶媒を除き、ついで水洗により残存するピリジン塩酸塩を除いた。更に、エタノールで洗浄したのち再度水洗し、減圧乾燥した。こうしてオクタデシルシリルシリカゲル２４０ｇ（平均粒径７５０μｍ、細孔径１０２Å）を得た。

吸着剤２（オクタデシルシリルシリカゲル））によるアントシアニンの吸着〜脱離は以下の様にして行った。
吸着剤として前記にて調製したオクタデシルシリルシリカゲル５０ｍｌ＝２６．３ｇを使用する以外は、（実施例１）と全く同様に行った。

吸着長は、８ｍｍであり、吸着性が（実施例１）よりも更に優れている。また、溶離操作だけで、すなわち押し出しを行わずとも、アントシアニンがほとんどカラム外に溶離できた。（比較例１）では、押し出しなしでは溶離が完了しないことと比べ、溶離性も優れていることがわかる。
また、アントシアニンの回収率は９８．８％であり、実用上満足できるレベルだった。

（比較例２）
粒径の小さいシリカゲルを使用する以外は、（実施例２）の方法にならって（吸着剤３）を調製した。
シリカゲル：旭硝子エスアイテック（株）製 ＭＳＧ Ｄ１００−６０Ａ
平均粒径 １００μｍ、細孔径 ６０Å（６ｎｍ）
ｎ−オクタデシルトリクロロシラン：米国 Ｇｅｌｅｓｔ社 製
トリメチルクロロシラン：信越化学（株）製

シリカゲル２００ｇをトルエン２，５００ｍｌ中に懸濁させる。ついで約１１０℃にて緩く攪拌しながら 水分を共沸留去（約２００ｍｌ）させて除く。
ついで、ｎ−オクタデシルトリクロロシラン４０ｍｌ及びピリジン１３７ｍｌを加え、１１０℃にて１０時間還流させる。
この操作により、シリカゲル表面のシラノール基（―Ｓｉ―ＯＨ）とｎ−オクタデシルトリクロロシラン（Ｃｌ_３―Ｓｉ―Ｃ_１８Ｈ_３７）とがピリジンにより脱ＨＣｌし、表面官能基がシラノール基から―Ｓｉ―Ｏ―Ｓｉ―Ｃ_１８Ｈ_３７Ｃｌ_２へと変る。

次に、少量の未反応の残存シラノール基をエンドキャッピングする。すなわちトリメチルクロロシラン８５ｇを滴下する（１１０℃にて１０時間還流）。

冷却後、１００メッシュの篩いで大部分の溶媒を除き、ついで水洗により残存するピリジン塩酸塩を除いた。更に、エタノールで洗浄したのち、再度水洗し、減圧乾燥した。こうして、オクタデシルシリルシリカゲル２４０ｇを得た（平均粒径１００μｍ、細孔径６０Å）。

調製した粒径の小さい（平均粒径１００μｍ）オクタデシルシリルシリカゲル５０ｍｌをカラムに充填し、吸着〜脱離を行った。粒径が小さいため，オープンカラムでは、流速が全くとれず、２Ｋｇ／ｃｍ^２ の圧力をかけても、線速度０．３ｃｍ／分 程度であった。従ってオープンカラム方式では、この小さい粒径では実用性がない。

（実施例３）

（実施例２）で調製した吸着剤２、すなわちオクタデシルシリルシリカゲル５０ｍｌにアントシアニン水溶液を限度まで吸着させた。吸着限度は、８００ｍｌだった。

一方、公知吸着剤ＸＡＤ−７では、（比較例１）がほぼ限界、つまりアントシアニン水溶液の１００ｍｌが吸着限界。吸着長は５２ｍｍだが、吸着後の水洗浄により吸着先端が移動し、吸着長が８０ｍｍとなる。従って、本発明の（吸着剤２）（オクタデシルシリルシリカゲル）は、公知吸着剤ＸＡＤ−７の約８倍の吸着能力があるといえる。

更に、好ましいことがはっきりした。溶離液（０．０５％クエン酸を含む８０体積％エタノール）は、公知のＸＡＤ−７の場合、アントシアニン水溶液１００ｍｌにつき７５ｍｌ 使用するが、本実施例では、アントシアニン水溶液８００ｍｌに対し、溶離液は３００ｍｌで十分であった。
これは、本発明では、溶離液が１／２で十分であることを示し、経済効果は非常に大きい。

また、アントシアニンの回収率は、９６．９％であり、十分なレベルであった。

工業的製に利用が可能なオープンカラム方式に適し、吸着性と脱離性とがともに優れた吸着剤を提供し、精製工程のコストダウン効果は非常に大きい。
アントシアニンを精製する場合には、公知吸着剤の３倍以上の吸着能力を有し、一方脱離に要する溶離剤の必要量は１／２程度の少量で十分である。

Claims (6)

1. 平均粒径が２００μｍ〜１，０００μｍであり、平均細孔径が５０Å（５ｎｍ）〜６００Å（６０ｎｍ）の範囲であることを特徴とする脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲル。
2. 平均粒径が２００μｍ〜１，０００μｍであり、平均細孔径が５０Å（５ｎｍ）〜６００Å（６０ｎｍ）の範囲であり、平均粒径の５０％以下の小さい粒子が全体の５重量％以下であることを特徴とする脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲル。
3. 脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物がＣ_１〜Ｃ_２２の飽和炭化水素残基からなることを特徴とする上記（２）記載の表面処理されたシリカゲル。
4. 飽和炭化水素残基がオクタデシル基（Ｃ_１８）であることを特徴とする上記（３）記載の表面処理されたシリカゲル。
5. アントシアニンの水溶液を、オープンカラムに充填した吸着剤に通液しアントシアニンを吸着させた後、溶離剤で脱離することを含むアントシアニン水溶液の精製方法であって、該吸着剤が脂肪族炭化水素残基を含むシラン化合物で表面処理されたシリカゲルであることを特徴とする方法。
6. シリカゲルの平均粒径が２００μｍ〜１，０００μｍの範囲であり、平均細孔径が５０Å（５ｎｍ）〜６００Å（６０ｎｍ）の範囲であり、平均粒径の５０％以下の小さい粒子が全体の５重量％以下であることを特徴とする（請求項５）記載のアントシアニンの精製方法。