豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解特性 毕业论文.doc

1 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解特性 目 录 摘要1 abstract1 1 绪论2 1.1 植物甾醇的结构与来源2 1.2 植物甾醇的生理功能与应用3 1.3 单一植物甾醇的分离精制的研究进展4 1.4 本文的研究内容和意义5 2 实验部分6 2.1 实验药品6 2.2 实验仪器6 2.3 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度的测定6 2.4 豆甾醇摩尔溶解度的计算7 3 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度及关联8 3.1 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度8 3.2 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度的关联8 4 结论14 5 参考文献15 6 致谢16 2 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解特性 摘要 本文采用动态法测定了豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度，并采用 apelbalt 模型对豆甾醇溶解度与温度的关系进行拟合。实验结果表明:在实验温度范围内，当二 元溶剂中的甲苯体积分数相同时，豆甾醇的溶解度随着温度的升高而增加；在温度相 同时，随着甲苯-乙醇二元溶剂中的甲苯体积分数的增加，豆甾醇的溶解度呈先增加后 减小的趋势。当甲苯-乙醇二元溶剂中的甲苯体积分数为 0.8 时，豆甾醇的溶解度最大。 采用 apelbalt 模型对豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度进行拟合，标准偏差 小，精度高。 关键词：豆甾醇；甲苯-乙醇；溶解度 the solubility of stigmasterol in binary solutions abstract the solubility of stigmasterol in toluene-ethanol solution was measured by dynamic method. the relation between the experimental solubility as mole fraction and temperature was correlated by apelbalt for the researched system. the results show that at the range of experimental temperature, the solubility of stigmasterol increase with the increasing temperature. at the same temperature, the solubility of stigmasterol in the binary solution increase at first and then decrease with the increasing content of toluene. when the volume fraction of toluene is 0.8, the solubility of stigmasterol is maxium in the binary solution. the calculated solubility of stigmasterol in the binary solution by apelbalt euqation show in a good agreement with the experimental data by a much smaller sd . keywords: stigmasterol, toluene-ethanol, solubility 3 1 绪论 1.1 植物甾醇的结构与来源 植物甾醇是以环戊烷全氢菲(又称甾核)为骨架的一类甾体化合物1。不同植物甾醇 的结构如图1所示。植物甾醇的化学性质主要表现在具有活性的羟基和双键上，随着 c17位上侧链r的长短，及r所含双键数目的多少和位置的差异，该分子结构代表了不同 种类的植物甾醇。现在已经确认的植物甾醇都属于4-无甲基甾醇，它们具有相同的手 性结构。它们在结构上惟一不同之处是侧链但是正是这些侧链的微小差异导致了它们 生理功能的不同。 r ho 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 r= 17 17 1717 图 1 不同植物甾醇的结构图 植物甾醇通常为片状或粉末状白色固体，经溶剂结晶处理的甾醇为白色鳞片状或 针状结晶，其中在乙醇中结晶形成针状或鳞片状，由二氯甲烷中结晶形成针刺状或长 棱晶。植物甾醇中碳原子数一般为27-31，分子量386-456。常温下植物甾醇为白色粉末， 无臭无味，熔点可达到130-140，相对密度略大于水，不溶于水、碱和酸，可溶于乙 醚、苯、氯仿、乙酸乙酯、二硫化碳和石油醚等有机溶剂。甾醇的相对密度略大于水， 不溶于水，可溶于多种有机溶剂。 精炼植物油脱胶产生的脱臭馏出物2是制取植物甾醇的良好来源，特别是大豆油、 菜籽油、花生油、玉米油、葵花子油等的脱臭物中的甾醇含量一般在 10-30，其中 约 40%是植物甾醇，主要有豆甾醇、-谷甾醇、菜油甾醇。它是国内目前的植物甾醇 产品的主要来源，而得到的大多是各种植物甾醇的混合物。根据植物甾醇来源3的不同， 组成的不同，国外大多数都将植物甾醇又进一步的分离成谷甾醇和豆甾醇两部分。另 4 外，造纸工业副产品木浆油也是制取植物甾醇的原料，其脱臭馏出物和木浆油中含有 植物甾醇主要是由 -谷甾醇组成（50%-60%） ，并混有较少菜油甾醇、豆甾醇和菜籽甾 醇。 1.2 植物甾醇的生理功能与应用 植物甾醇不能由人体自行合成，只能从饮食中摄取。它能保持生物体内环境稳定， 控制糖原和物质的代谢，调节应激反应等，是不同胆甾醇而具有许多有益生理功能的 天然化合物。基于植物甾醇对人体的诸多功能及其特有的性质，植物甾醇被广泛应用 于医学、食品、化妆品、饲料等行业中5-6。 （1）医药工业 植物甾醇可作为调节高胆甾醇症、减轻动脉粥样硬化及防治前列腺疾病的药物。 植物甾醇有类似于氢化可的松的消炎作用和阿司匹林的解热镇痛作用，可作为消炎镇 痛药。另外，临床应用已证明谷甾醇对治疗宫颈癌和皮肤癌都有明显的疗效，对晚期 的癌症病人，可结合其他药物综合治疗，效果比较明显7。 （2）食品工业8 植物甾醇和植物甾烷醇作为食品添加剂中的降胆固醇成分正日益受到人们的重视。 在食品营养添加剂和麦淇淋的配方中，植物甾醇经常以天然营养因子出现以治疗高胆 固醇。 植物甾醇具有良好的抗氧化和抗腐蚀作用，可作为食品添加剂使用。它常作为天 然营养因子出现在食品营养强化剂和麦淇淋配方中以治疗高胆甾醇症。2000年9月，美 国食品与药物管理局已经批准添加植物甾醇的食品可采用“health claim”的标签9。然 而作为食品成分，植物甾醇在国外已经得到了迅速发展，各种类似的产品已经进入了 消费市场，我国在这方面起步较晚。 （3）化妆品工业 植物甾醇具有调节和控制反相膜流动性的功能，因此常被用作头发和皮肤调节剂、 皮肤再生细胞促进剂和头发生长促进剂，也可作为皮脂腺调节剂、抗炎剂、抗老化因 子、伤口愈合剂和非离子乳化剂，多晶的类固醇衍生物在塑料工业中可用于生产医药 和化妆品工业的透明膜。 植物甾醇及其衍生物在皮肤清洁剂和护肤剂中也可被用作乳化剂，并能改善皮肤 触感。在浴用化妆品中与阳离子或阴离子表面活性剂合用，能起到稳定泡沫的作用。 低乙氧基化物可以起到去除油脂的作用。植物甾醇亲和性弱，在头发香波中起到调节 5 剂的作用，在洗发剂和护发剂中，可使头发变强劲、不易断裂，此外还有减少对头皮 的静电作用。 （4）饲料工业 植物甾醇可以和核糖蛋白及植物激素结合生成一种新型的动物生长激素10。该激 素可增强原植物激素对环境温度及在动物体内分解的稳定性，促进动物蛋白质的合成， 有利于动物健康和生长。研究表明，含植物甾醇的饲料可以降低禽蛋等动物产品的胆 甾醇含量。此外，植物甾醇还可用作动物的肝功能改善剂。除以上用途外，植物甾醇 在造纸行业可用于纸张的精压加工；在印刷行业可作为油墨颜料的分散剂；在纺织工 业可作为柔软剂；在农业中可以作为大规模合成农业除草剂和杀虫剂的原料等。 -谷甾醇和植物生长激素与能在水中形成分子层膜的脂质制成的核糖核蛋白，作 为动物生长剂添加到饲料中可通过注射由动物皮下吸收，或通过表面喷雾由皮肤吸收， 或作为养殖池水添加剂，适用于蚕、鱼、虾、鸟和家畜，从而达到促进动物生长，提 高产量，降低成本良好经济效益的目的。 1.3 单一植物甾醇的分离精制的研究进展 由于甾醇单体结构极其相似，因而从单一植物甾醇中分离-谷甾醇、豆甾醇，得 到纯度较高的单体甾醇是一件困难而又繁琐的工作。但实现单组分高纯度植物甾醇的 规模化生产，可以为甾体药物的生产提供较为廉价的原料11。目前，国内外对植物甾 醇单体的分离方法主要有化学法和物理法。 （1）化学法 化学法的原理是通过化学反应来制备植物甾醇的衍生物，从而增加了各种植物甾 醇的物性差异，然后再利用物理方法分离出单体。比如利用有机酸与甾醇羟基发生酯 化反应生成相应衍生物，增大物理性质差异，然后重结晶分离是利用甾醇环和支链上 双键发生卤素加成反应，使生成衍生物物理参数差异变大,再选择合适的有机溶剂萃取、 重结晶分离12。通常利用豆甾醇乙酯的四溴化物和-谷甾醇乙酯的二溴化物溶解度的 差异，首先将混合植物甾醇用乙酸酐进行酯化反应，然后将酯化产物用过量溴进行溴 化，选用合适的溶剂分离出四溴化物和二溴化物。分离后的产物分别用锌粉还原脱溴、 碱性水解，最后在丙酮中重结晶得到纯的豆甾醇和-谷甾醇。这种工艺在大规模的工 业化生产中存在反应步骤多、成本高、操作困难、环境污染大、溶剂回收率低等缺点， 因而不能达到令人满意的分离结果。 （2）物理法 6 物理法的原理是利用甾醇物理性质的不同从而达到分离的结果，依据的物性不同, 所采取的方法也不同,如利用个别甾醇蒸汽压力不同，真空蒸馏分段富集;在层析柱中利 用个别甾醇在洗脱液与吸附剂之间分配差异，达到分离目的；利用个别甾醇在有机溶 剂中溶解度的差异，进行重结晶分离等。 万建春等13测定-谷甾醇和豆甾醇在环己酮中的溶解度，利用-谷甾醇和豆甾醇在 环己酮中的溶解度随温度变化的差异，分别用重结晶法提纯-谷甾醇和豆甾醇，并对 豆甾醇的结晶条件(料液比、结晶温度和养晶时间)进行优化。试验结果表明，经过4次 结晶操作，-谷甾醇的纯度可达到90%；豆甾醇结晶过程中采用料液比(混合植物甾醇 与环己酮比，g/ml)1:3.3、结晶温度25、养晶5h的条件下，经5次结晶豆甾醇的纯度 达到96%。 吴英艳等14测定了甾醇单体在不同溶剂中的溶解度数据，在此基础上，利用菜油 甾醇、豆甾醇和-谷甾醇在环己酮中的溶解度随温度变化的差异，用重结晶法提纯-谷 甾醇，经过3次结晶操作， -谷甾醇的纯度达到86.58%；利用菜油甾醇、豆甾醇在正戊 醇和环己酮中溶解度的差异，经过5次重结晶,结晶产品中豆甾醇的纯度分别达到96.1% 和93.9%。 1.4 本文的研究内容和意义 本文研究了豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解特性，主要的研究内容如下： （1）测定豆甾醇在不同甲苯含量的甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度。 （2）采用 apelbalt 模型拟合溶解度与温度的关系，为二元溶剂结晶分离精制豆甾 醇提供理论数据。 7 2 实验部分 2.1 实验药品 豆甾醇（纯度95%，西安蓝天生物工程有限责任公司） ，乙醇（ar，国药集团化 学试剂有限公司） ，甲苯（ar，国药集团化学试剂有限公司） 。 2.2 实验仪器 温度计，移液管，球形冷凝管，玻璃夹套结晶器（自制） ，磁力加热搅拌器（常州 国华电器有限公司） ，t33a 电子天平（上海天平仪器厂） ，dcw3510 型低温恒温槽 （上海比朗仪器有限公司） 。 2.3 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度的测定 豆甾醇在溶剂中的溶解特性，是采用溶剂结晶法分离提纯混合物的热力学基础。 目前测量溶解度的方法很多，归纳起来大体上可以分成动态法和静态法两种15,16。静 态法是指在恒定的温度、压力和溶质过量的条件下，搅拌较长一段时间使体系趋于溶 解平衡，静置一段时间后，通过分析清液中的溶质浓度或测定未溶固体的量等方法来 确定研究体系在设定条件下的溶解度。动态法通常是通过缓慢改变体系的温度或组成 等条件，测定发生相变时物性的变化来确定溶解度。比较常用的动态法包括目测法、 热量法、激光法等。 动态法测量溶解度相对于静态法来说具有测定效率较高、样品耗量少且不需要建 立专门的分析平衡组成的方法等优点，因此，本文采用动态法测定了豆甾醇在甲苯-乙 醇二元溶剂中的溶解度，实验装置如图 2 所示。该装置是由玻璃夹套结晶器、控温系 统和搅拌系统组成。夹套结晶器与控温系统一起保证设定温度的恒定，搅拌系统为电 磁搅拌，转速可调，以保证固液两相之间尽快达到平衡。 8 进水 出水 1 2 3 4 5 6 7 出水 进水 图 2 溶解度测定的实验装置 1,6-温度计；2-球形冷凝管；3-夹套结晶器；4-磁力搅拌子；5-磁力搅拌器；7-恒温器 设定恒温水浴的温度为实验温度，向结晶器夹套内通入循环水，再称取一定量的 豆甾醇加入结晶器中，然后用移液管按照二元溶剂的配比移取一定量溶剂加入体系中。 开启磁力搅拌保证有部分豆甾醇没有溶解，然后调节超级恒温水浴的温度，观察豆甾 醇在溶剂中的溶解情况，记录下豆甾醇完全溶解时的温度。根据已知的豆甾醇质量和 溶剂的体积，即能计算出某温度时在一定配比溶剂中豆甾醇的摩尔溶解度。再称取一 定量的豆甾醇溶解于刚才所得的溶液中，继续观察豆甾醇的溶解情况，记录下豆甾醇 完全溶解时的温度。如此反复，便能测出实验温度范围内豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂 体系中的溶解度，重复进行三次同样的测定，以验证其准确性。 2.4 豆甾醇摩尔溶解度的计算 通过动态法测定一定温度下豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解的质量，再根据公 式（2-1）计算出豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的摩尔溶解度，公式如下： （2-1） 2 22 1 11 + = s ss s ss i i i i i m v m v m m m m x 式中，mi为溶解温度下豆甾醇溶解的质量，g；mi为豆甾醇的相对分子质量；s1 和 s2为溶解温度下二元溶剂中的两种纯溶剂的密度，gml-1；vs1和 vs2为两种纯溶剂 的体积，ml；ms1和 ms2为两种纯溶剂的相对分子质量。 9 3 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度及关联 3.1 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度 采用动态法测定豆甾醇在不同甲苯含量的甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度，结果见 表 1，其中 v 表示二元溶剂中的甲苯体积分数；x 表示溶质在对应温度下以摩尔分数表 示的溶解度；t 为溶解温度，以绝对温度 k 表示。 从表 1 可以看出，在实验温度范围内，在组成相同的甲苯-乙醇二元溶剂中，豆甾 醇溶解度随着温度的升高而增加；随着二元溶剂中的甲苯体积分数的增加，豆甾醇在 甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度呈先增加后减小的趋势。在甲苯体积分数为 0.8 时，豆 甾醇在二元溶剂中的溶解度最大。 二元溶剂中常用的溶解度-温度经验关系是 apelblat 理想溶液模型，其公式如下： （3-1）tcbtaxln+/=ln 式中，x 为豆甾醇的摩尔溶解度；t 为溶解温度，k；a、b、c 为拟合方程的参数。 该理想溶液模型是依据热力学平衡推出的普适模型，是在假设溶质分子和溶剂分子相 互之间作用力的前提下由 clausius-clapeyron 方程推导的。 本文采用该模型对豆甾醇在甲苯-甲醇二元溶剂中的溶解度-温度关系进行拟合。标 准偏差 sd 的定义如下所示： （3-2） 2/12exp 1 )/()(s mnxxd i cal i n i 式中 n 为实验所测得的点数，m 为拟合方程中待定参数的个数，xical为通过式（3- 2）计算的摩尔溶解度，xiexp 为实验得到摩尔溶解度值。 3.2 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度的关联 采用 apelbalt 模型对豆甾醇在不同甲苯含量甲苯-甲醇二元溶剂中的溶解度-温度关 系进行关联，再根据公式（3-2）计算得到不同温度时豆甾醇在甲苯-乙醇中溶解度的标 准偏差，结果见图 2-图 8 及表 2。 表 1 豆甾醇在不同甲苯含量的甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度 v=0v=0.2v=0.4v=0.6v=0.8v=0.9v=1 t/k103xt/k103xt/k103xt/k103xt/k103xt/k103xt/k103x 2820.372861.532805.092789.3527912.9728111.612883.47 2880.612882.302836.0328211.2928516.7428714.092945.27 2930.842973.862886.9928813.9129220.7529116.623039.54 2990.963065.472907.9429216.2629724.9329619.4730811.83 3051.563147.592959.7429618.9930129.4130022.7031116.04 3091.9232110.0329911.7429921.7030633.7630426.3931318.12 3142.5532712.8530414.3330325.5331038.9031130.82 3213.6231017.4930830.7531344.1331335.05 31420.9431336.5431750.0031740.07 31924.6531738.2432456.5932446.11 11 280290300310320330 -8.0 -7.5 -7.0 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0 lnx t/k 图 3 豆甾醇在乙醇中的溶解度与温度的关系 280290300310320330 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0 -4.5 -4.0 lnx t/k 图 4 豆甾醇在 v 为 0.2 的甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的关系 12 280290300310320 -5.2 -4.8 -4.4 -4.0 -3.6 lnx t/k 图 5 豆甾醇在 v 为 0.4 的甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的关系 280290300310320 -4.8 -4.4 -4.0 -3.6 -3.2 lnx t/k 图 6 豆甾醇在 v 为 0.6 的甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的关系 13 280290300310320330 -4.4 -4.0 -3.6 -3.2 -2.8 lnx t/k 图 7 豆甾醇在 v 为 0.8 的甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的关系 280290300310320330 -4.4 -4.0 -3.6 -3.2 lnx t/k 图 8 豆甾醇在 v 为 0.9 的甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的关系 14 290300310 -5.6 -5.2 -4.8 -4.4 -4.0 lnx t/k 图 9 豆甾醇在甲苯中的溶解度与温度的关系 表 2 豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度-温度拟合结果 v10-3a10-4b10-3c104sd 0-5.741.692.031.21 0.2-25.980.3270.473.40 0.4-2.741.52-2.972.01 0.6-5.231.266.566.69 0.8-4.861.236.0310.54 0.9-3.881.262.898.00 11.872.6525.524.85 由图 2-图 8 和表 2 可以看出，采用 apelbalt 模型对豆甾醇在不同甲苯含量的甲苯- 乙醇二元溶剂中的溶解度回归拟合得到的标准偏差 sd 较小，说明采用该模型关联豆甾 醇在甲苯-乙醇二元溶剂中溶解度与温度的精度较高。 4 结论 15 （1）在实验温度范围内，在甲苯-乙醇二元溶剂中，豆甾醇的溶解度是随着温度 的升高而增加。 （2）在相同温度下，豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度随着溶剂中甲苯含 量的增加均呈现先增加后减小的趋势，当甲苯体积分数为 0.8 时，豆甾醇在二元溶剂中 的溶解度最大。 （3）采用 apelbalt 模型分别拟合豆甾醇在甲苯-乙醇二元溶剂中的溶解度-温度的 关系，拟合后的标准偏差 sd 较小，说明采用该模型关联豆甾醇和二元溶剂中溶解度与 温度关系的精度较高。 5 参考文献 16 1 r j anderson, m g moore. a study of the phytosterols of corn oil, cottonseed oil and linseed oilj. journal of the american chemical society, 1923, 45(8): 1944-1953 2 寇明钰, 阚健全, 赵国华, 陈道宗. 植物甾醇来源、提取、分析技术及其食品开发j. 粮食与油 脂, 2004, (8): 9-13 3 杨振强, 谢文磊, 李海涛, 郭威. 植物甾醇的开发与应用研究进展j. 粮油加工与食品机械, 2006, (1): 53-56 4 傅国秀. 我