（应用化学专业论文）植物甾醇酯微波加热合成的研究.pdf

摘要 论文题目：植物甾醇酯微波加热合成的研究 学科专业：应用化学 研究生：陈舒签名： 指导教师：姚秉华教授签名： 摘要 植物甾醇是一类非常重要的甾体化合物，包括卢一谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇和菜籽甾 醇，主要来源于脱臭馏出物中。能抑制人体对胆固醇的吸收，是一种降低血清胆固醇的功 能活性成分。但游离植物甾醇在水和油脂中的溶解性低，使其应用范围受到限制，研究表 明，植物甾醇酯具有比游离植物甾醇更好的脂溶性和更高效的降胆固醇效果，可以作为功 能性食品添加剂。植物f 甾醇酯的传统制备方法均采用常规加热，此类方法反应时间长，对 设备腐蚀性强，副反应多，产物难分离。为了更有效地利用植物甾醇，本论文采用微波加 热方式制备植物甾醇酯，同传统酯化方法相比，微波加热具有均匀快速、能量利用率高等 特点，大大缩短了反应时间，减少对环境的污染，且反应条件温和，产率高。因此，本文 对微波加热条件下植物甾醇酯的合成工艺及分析方法等方面进行了系统的研究，主要研究 结果如下： 1 植物甾醇酯的微波合成工艺研究： ( 1 ) 植物甾醇与乙酸酐的反应 以吡啶为催化剂，采用植物甾醇与乙酸酐直接酯化的方法合成甾醇乙酸酯( p s a l 。探 讨了微波辐射温度、反应时间、反应物的摩尔比对反应结果的影响。实验结果表明：反应 温度8 5 。c 时，原料配l l ( 摩尔比) 为n g f i 醇) ：”( 乙酸酐) ：n ( p l t 啶) = l ：1 2 ：1 0 ，反应时间为5 r a i n 的反应条件下，甾醇转化率可达9 6 5 。 ( 2 ) 植物甾醇与过量乙酸的反应 以植物甾醇与过量乙酸的酯化反应为研究体系，讨论了微波作为加热方式及醇酸用量 对植物甾醇转化率的影响。最佳合成条件：反应时间5 m i n ，微波加热温度9 5 ，甾醇与 乙酸用量l l ( g ：m l ) 为3 ：3 0 ，转化率为9 3 2 。 ( 3 ) 植物甾醇硬脂酸酯的微波加热合成 采用植物甾醇与硬脂酸直接酯化的方法合成了甾醇硬脂酸酯( p s s ) 。通过正交实验法， 西安理工大学硕士学位论文 筛选出酯化反应最优工艺条件为：胛( 甾醇) ：n ( 硬脂酸) = 1 ：1 2 ( m o l ：m 0 1 ) ，反应温度13 5 ( 2 ， 反应时间1 0 m i n ，甾醇转化率可以达到9 0 6 。 f 4 ) 微波加热植物甾醇与烟酸的合成反应 在微波加热条件下，研究了植物甾醇烟酸酯酯化过程中酰氯化温度、反应时间和醇 酸用量对反应转化率的影响。实验结果表明，酰氯化反应温度5 0 、n ( 甾醇) ：n ( 烟 酸) = 1 ：1 4 ( m o l ：m 0 1 ) 及反应时间1 0 m i n 为最佳合成条件，转化率为9 2 2 。 2 植物甾醇及其酯化物的分析方法研究 使用紫外可见分光光度计( u v ) 、红外光谱仪( i r ) 和高效液相色谱仪( h p l c ) 对植物甾醇 及制得各种甾醇酯进行定性、定量分析。结果表明：植物甾醇及甾醇酯在相同实验条件下 具有不同的最大吸收波长；在各自的红外谱图中也有较为明显的特征吸收峰；植物甾醇及 其酯化物的高效液相色谱在实验条件下均出峰且达到基线分离，响应时间分别为：植物甾 醇2 0 2 5 m i m 植物甾醇乙酸酯1 0 1 5 m i n 植物甾醇硬脂酸酯1 3 1 8 m i n ；植物甾醇烟酸 酯1 2 1 7 m i n 。 关键词：微波加热合成法；植物甾醇；植物甾醇酯；酯化反应 a b s t r c t t i t l e ：t h es t u d yo ns y n t h e s i so fp h y t o s t e r o l se s t e rb y m l c r o w a v eh e a t l n g m a j o r ：a p p l i e dc h e m i s t r y n a m e ：s h uc h e n s i g n a t u r e ：匕么盈 s u p e r v i s o r = p f b i n g h u ay a os i g n a t u r e ： a b s t r a c t p h y t o s t e r o l si so n ek i n do fi m p o r t a n ts t e r o l s ，i n c l u d i n gb r a s s i e a s t e r o l 、c a m p e s t e r o l 、 s t i g m a s t e r o l 、每s i t o s t c r 0 1 i tc a nb em a i n l yo b t a i n e , df x o md e o d o r i z e rd i s t i l l a t e p h y t o s t e r o l s i n h i b i t e dt h ea b s o r p t i o no fc h o l e s t e r o li nt h eh u m a nb o d y ，i sa l la c t i v ei n g r e d i e n tt od e p r e s s s e r u l nc h o l e s t e r 0 1 b u tt h el o w e rs o l u b i l i t yi nw a t e ra n do i l sr e s t r i c t e di t sa p p l i c a t i o n s ，s o m e r e s e a r c hi n d i c a t e d t h a t ，p h y t o s t e r o l e s t e r sh a v eb e t t e r s o l u b i l i t y a n dm o r ee f f i c i e n t c h o l e s t e r o l l o w e r i n ge f f e c tt h a np h y t o s t e r o l s ，i tc a nb eu s e d 船f u n c t i o n a l i t yf o o da d d i t i v e t h e t r a d i t i o n a lp r e p a r a t i o n so f p h y t o s t e r o le s t e r sa l w a y su s e dt h ec o n v e n t i o n a lh e a t i n gs o u r c e s s u c h r e a c t i o n sn e e dl o n gt i m e ，a n dh a dm o r ec a u s t i c i t yt oe q u i p m e n t s ，b e s i d e st h ec o m p l i c a t e d r e a c t i o n s ，t h ep r o d u c t sw e r ed i f f i c u l tt os e p a r a t e t om a k em o r ee f f e c t i v eu s e o f p h y t o s t e r o l s ， u s e dm i c r o w a v ea sh e a t i n gs o u r c e sf o rp h y t o s t e r o l se s t e r i f i c a t i o n ，m i c r o w a v eh e a t i n gh a d u n i f o r ms p e e d ，h i g h l yu t i l i z a t i o n ，i tg r e a t l ys h o r t e nt h ee s t e r i f i c a t i o nt i m e ，r e d u c e d e n v k o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a l s oh a dm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n sa n d h i g hy i e l d s t h e r e b y ， a n dt h e a n a l y t i cm e t h o d sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 1 em a i nr e s u l t sa r es h o w na s f o l l o w s ： 1 t h es t u d i e so nt h ee s t e r i f i c a t i o np r o c e s so f p h y t o s t e r o l sb ym i c r o w a v eh e 撕n g ( 1 ) t h er e a c t i o nb e t w e e np h y t o s t e r o l sa n da c e t i ca n h y d r i d e p h y t o s t e r o la c e t a t e s ( p s mw e r es y n t h e s i z e db yd i r e c te s t e r i f i c a t i o no fp h y t o s t e r o la n d a c e t a t ea c i di nt h ep r e s e n c eo fc a t a l y s t p y r i d i n e t h ee f f e c t so fm i c r o w a v er a d i a t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n dt h ea m o r n to fp h y t o s t e m l a c e t i ca n h y d r i d em o l er a t i ow e r e d i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t e at h a t ：w h e nt h ee s t e r i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ew a s8 5 。m o l a r r a t i oo f p h y t o s t e r o l st oa n h y d r i d ea c i da n dc a t a l y s tp y r i d i n ew a sa b o v e1 ：1 0 ：1 2 ，r e a c t i o nt i m e w a s5m i n ，t h ey i e l do f e s t e r i f i c a t i o nw a s9 6 5 ( 2 ) t h er e a c t i o nb e t w e e np h y t o s t e r o l sa n de x c e s sa c e t i ca c i ds o l u t i o n d i s c u s s e dt h ee f f e c t so f m i c r o w a v eh e a t i n ga n d d o s a g eo fp h y t o s t e r o l sw i t l la c e t i ca c i dt o 3 西安理工大学项士学位论文 t h ei n v e r tr a t i od u r i n gt h ee s t e r i f i c a t i o np r o c e s s , t h eb e s te s t e r i f i c a t i o nc o n d i t i o nw e r e ： e s t e d f i c a t i o n t i m e5 m i l l ，t e m p e r a t u r e w a s 8 5 c ，t h e d o s a g e o f p h y t o s t e r o l s w i t h a c e t i c a c i d w a s 3 9 ：3 0 m l t h ei n v e r tr a t i ow a sa b o u t9 3 2 ( 3 ) t h er e a c t i o nb e t w e e np h y t o s t e r o l sa n ds t e a r i ca c i d p h y t o s t e r o l ss t e a r i e 口s s ) w e r es y n t h e s i z e db yd i r e c te s t e r i f i c a t i o no fp h y t o s t e r o l sa n d s t e a r i ea c i d t h r o u g hf a c t o r i a ld e s i g n ，t h eo p t i m a ls y n t h e t i cc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e da s f o l l o w s ：m o l a rr a t i oo f p h y t o s t e r o l st 0s t e a r i ca c i dw a sa b o v e1 ：1 2 ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s 1 3 5 ca n dr e a c t i o n t i m e w a sl o m i n t h e y i e l d o f e s t e r i f i c a t i o n w a s8 9 7 ( 4 ) t h er e a c t i o nb e t w e e np h y t _ o s t e r o l sa n dn i c o t i n i ca c i d u n d e r t h e m i e r o w a v e h e a t i n g ，d i s c u s s e d t h e p h y t o s t e r o l n i c o t i n a t e e s t e r i f i c a t i o n ，t h e e f f e c t s o fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，m i c r o w a v er a d i a t i o nt i m ea n da m o u n to fp h y t o s t e r o l s n i c o t i n i ea c i d m o l er a t i o t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o nw e l e 嬲f o l l o w s ：a c y l a t i o nh a l i d et e m p e r a t u r ew a s 5 0 ，m o l a rr a t i oo f p h y t o s t e r o l st on i c o t i n i ca c i dw 船a b o u t1 ：1 4 ，e s t e r i f i c a t i o nt i m ew a s l o m i n ，u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ey i e l do f e s t e r i f i c a t i o nw a s9 2 2 2 s t u d yo na n a l y t i cm e t h o d so f p h y t o s t e r o l sa n dp h y t o s t e r o le s t e r s t h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v eo fp h y t o s t e r o l sa n dp h y m s t e r o le s t e r sw e r ea n a l y z e db y u v 、r 、i - i p l c t h er e s u l t s i n d i c a t e d t h a t ：u n d e r t h e s a m e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i 0 1 1 5 t h e m a x i m l l m a b s o r p t i o nw a v e l e n g t ho fp h y t o s t e r o l sa n dp h y t o s t e r o le s t e r sw e r ed i f f e r e n t ；i nt h e i ri n f r a r e d s p e c t r o g r a ma l s oh a d t h eo b v i o u sc h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a k s ；p h y t o s t e m l sa n d p h y t o s t e r o l e s t e l $ c o u l db es e p a r a t e di nd i f f e n tt i m e s ，t h er e s p o n s et i m e sw e r ep h y t o s t e r o l s 2 0 - 0 2 5 m i n ， p h y t o s t e r o l sa c e t a t e l 0 1 5 r a i n ，p h y t o s t e r o l ss t e a r i c l 3 1 8 r a i n ，p h y t o s t e r o l sn i c o t i n a t e l 2 1 7 m i r a k e y w o r d s ：m i c r o w a v e h e a t i n g 母删h e s i s ：p h y t o s t e r o l s ；p h y t o s t e r o l 鹤晒s e s t e r i f i c a f i o n 4 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特另4 加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：幽：! 疆辩口霉月毒口目 、l， 学位论文使用授权声明 本人 醢。! 蟹在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 n 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：衅导师签名：彳翟华即少年一月正口日 1 绪论 1 绪论 1 1 植物甾醇简介 植物甾醇是一种类似于环状醇结构的物质，广泛分布于自然界，它代表了植物代谢 的一个终产物。天然植物甾醇种类繁多，主要包括伊谷甾醇、豆甾酵、菜籽甾醇和菜油 甾醇四种无甲基甾醇，另外还有燕麦甾醇、菠菜甾醇、麦角甾醇、环木菠萝烯醇等“1 。近 年来，随着生命科学、油脂科学与工程技术的迅猛发展，植物甾醇在医药、食品、化工、 饲料、植物基因工程等领域被高度重视与关注。 1 1 1 甾醇来源及提取技术 天然甾醇广泛分布在自然界中，其种类繁多，由于c 1 位上所连的甲基数日的不同以 及c - 1 7 位上侧链的长短、双键数目的多少和位置等的差异，形成不同种类的甾醇，在自 然界中以游离态和结合态的形式存在，现已鉴别出来近1 6 0 种“1 早年根据来源的不同， 把甾醇分为植物甾醇、动物甾醇、菌类甾醇三类。植物甾醇主要包括谷甾醇、豆甾醇和菜 油甾醇等，存在于植物的种子中。动物甾醇以胆甾醇( 胆固醇) 为主，存在于动物的组织和 细胞之中。菌类甾醇有麦角甾醇等，存在于霉菌和蘑菇之中。近代分析表明，胆甾醇在植 物的根、茎、叶、花和种子中也普遍存在，在某些油的总甾醇构成中占g 7 - 1 0 ，在结合 脂蛋白中高达2 4 0 - 3 6 。同样，谷甾醇在人和动物以及微生物、菌类的脂质中也广泛存在。 提取植物甾醇原料主要有油脂碱炼皂脚、脱臭馏出物、脂肪酸及酯蒸馏残留物“1 。脱 臭馏出物中，植物甾醇以游离形式和脂肪酸酯化形式存在，含量见表l 1 。 表1 - 1 主要油脂脱臭馏出物中甾醇含量 t a b 1 - 1c o n t e n to f s t e r o l si nd i f f e r e n td e o d o r i z e dm a t e r i a l s 馏出物来源大豆油菜籽油 米糠油花生油棕榈油葵花籽油橄榄油 甾醇含量 9 1 22 4 94 9 - 1 9 25 92 o0 8 1 20 6 从脱臭馏出物中提取甾醇通常分两步进行。先从原料中提取甾醇为主的不皂化物( 粗 甾醇) ，然后从不皂化物中精制甾醇“1 。工业提取甾醇通常使用溶剂结晶法、络合法，而 分子蒸馏分离法、吸附法、酶法等通常在实验室提取甾醇中使用较为广泛，现就对以上几 种方法作简单介绍“1 。 a 溶剂结晶法 该法可用于甾酵直接分离，所用溶剂有；甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮和乙酸乙酯等。 其工艺流程见图1 - 1 。 此工艺缺陷在于所用溶剂比较多，回收困难，而且甾醇的收率也不高，工业化生产比 较困难。若使用单一溶剂，产品纯度通常不高，需进一步精制，甾醇收率也偏低。但其处 理方法及其中一些工序在探索新工艺时仍值得参考和借鉴，用于实验室做甾醇的定性、定 量认识也较为适宜。 西安理工大学硕士学位论文 脱臭馏出物一皂化一乙醚萃取一乙醚抽取物 去肥皂l 干燥一丙酮萃取一无水硫酸钠干燥并过滤 l去乙醚不溶薪 甾醇粗制品一乙醇重结晶一甾醇精制品 图l - 1 溶剂结晶法提取甾醇流程图 f i 9 1 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f s o l v e n tc r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d b 络合法 。 日本、美国等采用此法工业化生产植物甾酵，我国少量米糠甾醇的工业化生产也采用 此法。工艺流程见图1 - 2 。 脱臭馏出物一皂化一酸分解一萃取 j 分解一络合物一 分离 一络合反应 l i 甾酵粗制品一脱色一重结晶一甾醇精制品 图1 2 络合法工艺流程 f i g l - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f c o m p l e xm e t h o d 络合法所用的络合形成剂主要包括：有机酸、卤酸、尿素和卤素碱土金属盐。有机酸 中有草酸、琥珀酸、苹果酸等。卤酸有盐酸、氢溴酸。卤盐有氯化锌、氯化钙、溴化钙、 氯化镁、溴化镁、氯化亚铁等。络合反应溶剂有石油醚及异辛烷，反应温度各不相同。此 法可以考虑在不严重影响收率的情况下，用水相皂化代替醇相皂化，以减轻溶剂回收的麻 烦，从而降低生产成本。实验证明，络合法产品纯度高，收率也较高。实验室可采用卤盐 络合法从粗甾醇中制得呈白色结晶状的植物甾酵，总甾醇含量在9 5 以上。 c 分子燕溜法 脱臭馏出物一酯化一蒸除低碳醇一蒸馏 硫酸。低碳酵 脂肪酸酯l + 丙酮提取一皂化一残渣一分子蒸馏一残渣 j 甾醇租制品一脱色一重结晶一甾醇精制品 图1 - 3 分子蒸馏法工艺流程 f i g l - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o nm e t h o d 1 绪论 该法特别适用于实验室分离，也可用于工厂同时提取和分离维生素e 和甾醇。工艺 流程如图1 3 所示。 此工艺中，分子蒸馏在1 3 3 p a 到o 1 3 p a 下可以反复进行，以便更好地分离出维生素 e 和脂肪酸酯类，便于甾醇的萃取。 d 干式皂化法 此工艺用熟石灰或生石灰在6 0 9 0 c 皂化后直接用机器粉碎膏状物，避免了一些麻烦 的干燥操作程序。此外，采用乙醇作为抽提剂进行低温浸出，一方面可以节省大量乙醇， 另一方面保证生产工艺安全无毒。 脱臭馏出物一干式皂化一粉碎膏状物一蒸馏去钙皂一i + 甾醇精制品一脱水一洗涤一甾醇粗制品一浓缩 图1 - 4 干式皂化法工艺流程 f i g l - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f d r ys a p o n i f i c a t i o nm e t h o d e 酶法 加拿大s u r e s hr a m a m u r t h i 和a l a nr m ec u r d y 采用丹麦哥本哈根n o v oi n d u s t r ia s 生产的一种固定化非特异性脂肪酶对脱臭馏出物的酯化过程进行催化，使脂肪酸甲酯的转 化率达到9 6 5 ，从而提高了维生素e 和甾醇的收率。其处理方法如图1 5 所示。 脱臭馏出 物一酶催化酯化一脱溶一真空蒸馏 甾 醇一分 离 一 甾醇和维 图卜5 酶法工艺流程 生素e f i 9 1 。5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f e n z y m em e t h o d 该研究的目的就是为了克服溶剂浸出、化学处理及分子蒸馏提取维生素e 和甾醇收 率低的缺点，可以回收得到原料中9 0 以上的甾醇和维生素e ，而且酶处理条件温和，原 料也无需任何预处理。可以认为是提取甾醇和维生素e 的一个新的发展方向。 从脱臭馏出物中提取甾醇方法各异，但其原理一般是基于原料组成化学性质、物理性 质及生化反应方面差异，如利用皂化、中和、酶解、溶解度、蒸汽压、吸附力差异及不同 温度、真空条件、表面活性剂存在下物理、化学性质变化等以分离除去非甾醇类物质，从 而达到提取甾醇的目的。 1 1 2 甾醇的结构与性质 植物甾醇( p h y t o s t e r o lo r p l a n ts t e r 0 1 ) 是植物中的一种活性成分，在结构上与动物性甾醇 如胆甾醇相似t 6 1 广泛存在于各种植物油、坚果和植物种子中，也存在于其它植物性食 物如蔬菜水果中，包括b 一谷甾醇( 1 3 一s i t o s t e r 0 1 ) 、菜油甾醇( c a m p e s t e r 0 1 ) 、豆甾醇( s t i g m a s t e r 0 1 ) 、 西安理工大学硕士学位论文 菜籽甾醇( b r a s s i c a s t e r 0 1 ) 等。图1 - 6 列出了几种常见的甾醇和甾醇酯的结构式。 ( a ) s t i g m a s t e r o l ( ”s i t o s t e m l ( c ) s t e r o lf a t t ya c i de s t e r ( s e ) ( s i t o 咖 m l 嘲m ) 图1 _ 6 几种常见的甾醇和甾醇酯的结构式 f i g 1 - 6b a s i cs l a u c t u r e so f s e v e r a lc o m m o np h y t o s t c r o l sa n dp h y t o s t e r o le s t e r s 甾醇分子的基本骨架( 主体甾核称为环戊烷多氢菲核) 由三个六元环和一个五元环组 成。c - 3 位上连有一个羟基，c - 1 7 位连有由8 - - 1 0 个碳原子构成的侧链，多数甾醇c 5 位 为双键。甾醇这种结构特点决定了它的多方面的生理活性及其广泛用途。c 3 位羟基是甾 醇的重要活性基团，通过它甾醇在自然界形成多种多样的衍生物，如甾醇脂肪酸酯、甾醇 阿魏酸酯( 谷维素) 、甾醇葡萄糖苷等。 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晶 体。其中在乙醇溶剂中结晶形成针状或菱片状，在二氯乙烷溶剂中形成针刺或长棱晶。甾 醇分子的碳原子个数一般为2 7 2 9 ，分子量约为3 8 6 - - 4 5 6 。熔点大都在1 0 0 以上，最高 4 1 绪论 达2 1 5 ( 2 。甾醇的相对密度略大于水，不溶于水，可溶于多种有机溶剂。植物甾醇的理化 性质主要表现为疏水性，但因其结构上带有羟基基团，因而又具有亲水性，在同一个物质 结构中同时具有亲水基团和亲油基团意味着该物质具有乳化性。植物甾醇的乳化性可通过 对羟基基团进行化学改性而得到改善 7 1 。 1 2 本论文研究目的与意义 我国是油料生产、制油和油脂消费大国，油脂脱臭馏出物、米糠油下脚、碱炼皂脚、 脂肪酸蒸馏残留物等油脂工业副产物中蕴藏着极为丰富的植物甾醇资源，为实现植物甾醇 的工业化生产提供了充足的原料。植物甾醇通过抑制胆固醇在小肠内吸收，可有效降低血 浆胆固醇浓度。但游离的植物甾醇在水和油脂中的低溶解性限制了它的实际使用范围。植 物甾醇的c - 3 位羟基是重要的活性基团，可与羧酸酯化形成甾醇酯，改善其酯溶性，拓宽 应用范围。研究表明，植物甾醇酯具有比游离植物甾醇更好的脂溶性和更高效的降胆甾醇 的效果，是一种理想的降低血清胆固醇、预防和治疗冠状动脉粥样硬化类的心脏病的功能 性食品基料1 。植物甾醇酯的合成制备与应用开发也就越来越受到重视，我国目前对植物 甾醇的提取和精制技术研究较多，对植物甾醇酯的合成方法和工艺研究报道却很少，植物 甾醇酯的应用开发研究还处于刚刚开始起步和探索阶段“。 由于不同化学结构的各种羧酸与植物甾醇进行酯化反应的难易程度有较大的差别，在 研究中采用了不同的合成方法和工艺路线，对其进行了归纳和总结。探讨了各类植物甾醇 酯合成方法的原理、主要工艺条件、应用范围和特点，对植物甾醇酯的基础研究和应用开 发研究具有重要意义。同时，在研究中采用微波方式加热取代传统加热1 1 1 1 9 借助微波的 电磁场，加速物质溶解扩散，加快反应进程1 1 2 1 提高植物甾醇酯化率；根据植物甾醇酯 在不同有机溶剂中的溶解度对其进行重结晶精制，用旋转蒸发仪回收重结晶溶剂，提高了 产品的纯度，解决了目前存在的甾醇酯纯度较低的问题，为植物甾醇酯在食品方面的开发 提供参考。 1 3 发展现状及研究进展 1 3 1 植物甾醇酯化的合成方法 途径1 ： 植物甾醇酯+ h 2 j 坠植物甾烷醇酯 植物甾醇甾烷醇+ 脂肪酸酯化堕丝一脂肪酸植物甾醇酯甾烷醇酯 途径2 ： 植物甾醇甾烷醇+ 有机酸酯化里旦+ 有机酸甾醇酯甾烷醇酯 r | r 5 西安理工大学硕士学位论文 途径3 ： 植物甾醇甾烷醇+ 脂肪酸卤化物脂肪酸酸酐_ 堡塑箜塑。植物甾醇酯甾烷醇酯 途径4 。 植物甾i 葬f i t 烷醇+ 甘油三酸酯毽燕一t f i 4 勿甾i l i i ! t f t t 烷醇酯+ 甘油 在上述途径中有机酸可以是羟基酸或二元羧酸( 如酒石酸、琥珀酸( 酐) 、戊二酸、氢代 戊二酸、苹果酸、柠檬酸、乳酸、丁酸、乙酸、丁二酸、丙酸、异丙基豆蔻酸、抗坏血酸、 胆汁酸等) ；脂肪酸可以是c i r - 4 ：2 2 的饱和、单不饱和或多不饱和脂肪酸；催化剂可以是化 学催化剂或生物催化剂1 3 1 。 目前，国内外用于植物甾醇酯制备的方法主要有以下几种：化学合成法，酶催化合成 法，超临界酶催化合成法。其中化学合成法中又含有羧酸直接酯化法，酸酐酯化法，羧酸 酰氯酯化法以及醇酯交换法。 a 化学合成法 植物甾醇酯和植物甾烷醇酯的化学合成法主要是依据脂肪酸与植物甾醇和植物甾烷 醇的酯化或脂肪酸甲酯( 或三酰甘油酯) 与植物甾醇和植物甾烷醇的酯交换反应。近几年 来，植物甾醇酯甾烷醇酯的化学合成法受到各国学者的重视。众多的学者采用油脂、脂 肪酸或脂肪酸甲酯为原料，甾醇多采用单体甾醇甾烷醇或甾醇甾烷醇混合物作为醇类物 质，多以混合物来合成植物甾醇酯甾烷醇酯。研究中采用不同的原料不同的催化剂，在 不同的条件下进行“”。化学合成的各种方法见表1 2 。 表! - 2 植物甾醇酯的化学合成法 t a b 1 2c h e m i c a ls y n t h e s i sf o rp h y t o s t e r o le s t e 噶 原料反应条件 油脂或脂肪酸甾醇温度，压力p a催化剂 脂肪酸甾烷醇和甾醇l o o 七0 0常压 n a h s o 葵花籽油脂肪酸甾醇混合物 1 0 0 2 0 0 常压 n a h s 0 4 脂肪酸混合物甾醇脂肪酸酯 1 1 0 1 2 5 微压甲醇钠 硬脂酸、棕榈酸、d h a 、植物甾醇 l o m 五2 0 真空 z n 0 2 葵花籽油脂肪酸甲酯植物甾醇 l l o 1 2 5 真空甲醇钠 c a n o l a 脂肪酸、亚油酸、油酸甾醇和甾烷醇 1 5 m 之6 0 常压无催化剂 c a n o l a 油、玉米油、葵花籽油、 棉籽油、檄榄油和亚麻油脂肪 游离甾醇 1 2 m 七6 0 1 3 3 1 3 3 2 甲醇钠 乙醇钠 酸甘油酯 c l c 4 醇的 多不饱和脂肪酸( d 姒、e p )植物甾醇 8 0 1 4 01 3 3 ；6 5 0 烷氧基钠 ( 1 ) 羧酸直接酯化法 羧酸直接酯化法是由醇与羧酸在催化剂条件下直接化合生成酯。醇和酸酯化反应 的难易程度与醇的结构关系较大，一般影响规律为：伯醇 伸醇 叔醇。植物甾醇属于仲 6 1 绪论 醇，且由于甾醇分子的基本骨架由三个六元环和一个五元环组成，空间障碍较大，导致甾 醇与羧酸的酯化速度较慢，直接酯化比较困难。选用合适的酯化催化荆，提高反应温度， 延长反应时间，有助于酯化反应的进行。 羧酸直接酯化反应催化剂可选择无机酸、有机磺酸、酸式盐、强酸性离子交换树脂等。 经过实验对比研究，综合考虑催化剂的腐蚀性、催化效果、价格、酯化反应后催化剂容易 除去等因素，酸式盐催化剂( 硫酸氢钾等) 和有机磺酸催化剂( 对甲苯磺酸等) 效果较好。 有机磺酸催化剂比浓硫酸等无机酸的腐蚀性小一些，催化效率较高，但副反应多，易使产 品的色泽变深。酸式盐催化剂易溶于水，在反应后容易除去，所得产品的色泽较浅，但反 应时间较长。 由于酯化与水解是可逆的化学平衡，为使酯化进行完全，可以采用两种方法：其一是 原料配比中，使便宜原料过量以提高平衡时酯的转化率；其二是通过不断蒸发去除反应生 成的酯和水。由于植物甾醇酯的挥发度很低，可在反应体系中加入一定量的甲苯或二甲苯， 既作为反应溶剂又作为带水剂，利用油水分离器不断带出酯化反应所生成的水，以促使反 应向正方向进行。原料配比( 甾醇与脂肪酸的摩尔比) 可控制在1 ：1 2 - 1 6 ，脂肪酸稍过 量以使甾醇反应完全。也可采用不加带水剂，以过量脂肪酸充当反应溶剂。在一定的真空 度下去除反应生成的水，但该反应体系的工艺条件控制难度较大。 随着脂肪酸碳链的加长，与植物甾醇直接酯化的难度逐渐增大。如在进行植物甾醇与 棕榈酸的酯化反应时，以硫酸氢钾作催化剂，二甲苯作为带水剂，反应必须在高温条件 ( 1 3 0 1 4 0 c ) 下进行。在反应起初3 4 h 内，酯化率增长较快，继续延长时间，酯化率 增长缓慢，欲使反应酯化率达到9 0 以上，反应时间需8 - l o h 。该方法由于所用原料均容 易获得，适合于大部分脂肪酸植物甾醇酯的合成。对于芳香族羧酸，直接酯化比脂肪族羧 酸困难得多，不宜采用该方法。该方法的缺点是反应温度较高，反应时间长，可能引起副 反应发生，降低产物产率。 ( 2 ) 酸酐酯化法 羧酸酐是比羧酸更强的酰化剂，适用于空间阻碍较大、较难反应的植物甾醇的直接酯 化。酯化反应中没有水生成，生成的羧酸不会使酯发生水解，反应较易进行完全。如采用 植物甾醇与乙酸酐直接酯化合成甾醇乙酸酯的反应方程式为： 监 c h 3 c o o 植物酷醇与酸酐的直接酯化较易进行，采用吡啶作为催化剂，反应温度一般控制在 8 0 - - - 9 0 c ，反应时间为3 4 h 。在酯化反应系统中，加入干苯作为反应溶剂，甾醇在苯中的 溶解性较好。也可采用过量羧酸酐既作反应物又作反应溶剂，植物甾醇与酸酐的摩尔比为 7 迥彳。 岭 叩 + 西安理工大学硕士学位论文 l ：8 1 0 左右。羧酸酐过量可提高反应速率，缩短反应时间。具体采用哪一种反应体系要 考虑甾醇在羧酸酐中的溶解性、羧酸酐的价格和羧酸酐在反应后是否容易处理掉而不会残 留在酯产品中等因素。该方法具有反应条件温和、反应完全、收率高等特点。但酸酐成本 高于羧酸需要专用的设备和在特殊条件下生产，从经济价值上考虑，仅有较易制备工业上 已大量生产的乙酸酐、丙酸酐等少数几种酸酐适用于该方法。 ( 3 ) 羧酸酰氯酯化法 酰氯的反应活性比相应的羧酸和酸酐强，因此，酰氯的酯化反应极易进行，可以用来 制备某些羧酸或酸酐难以生成的酯。用酰氯酯化时，由于氯原子的吸电性明显地增加了中 心原子的正电荷，对醇来说就很容易发生亲核进攻。反应方程式为： 叮湖h + s o 吡监9 毗i + s 0 2 + h c i + r c o c l 酰氯的制备一般是由氯化亚砜、三氯氧磷、五氯氧磷与羧酸反应而得。其中最常用的 是氯化亚砜，反应温度一般为4 0 7 0 c ，产物除酰氯外，其它均为气体( s 0 2 和h c i ) ，在 反应过程中很容易除掉。氯化亚砜沸点低，可用简单蒸馏的方法除去过量氯化亚砜，即得 酰氯产品。 用酰氯酯化时，由于放出h c l ，会使反应物料酸性增加。加入吡啶等有机碱，一方面 作为缚酸剂，另一方面也起到了催化作用。用酰氯与植物甾醇进行酯化时，可加入一定量 的干苯作为反应溶剂。 该方法适合于实验室的合成。甾醇与羧酸直接酯化是一个可逆的平衡反应，反应不易 进行完全；用羧酸先制成酰氯，再与甾醇反应成酯，虽然经过二步，结果往往比直接酯化 好。对于不宣采用羧酸直接酯化法来合成植物甾醇酯的长碳链脂肪酸、支链脂肪酸、芳香 族羧酸和其它存在空间阻碍的羧酸，酰氯酯化法是一个普遍适用的方法。 ( 4 ) 醇酯交换法 酯交换法是指在反应过程中原料酯与另一种参加反应的反应剂问发生烷氧基或烷基 的交换，从而生成瓶的酯的反应。酯交换中最常用的醇解，即以植物甾醇和脂肪酸甲酯为 原料，反应生成植物甾醇酯和甲醇。 8 1 绪论 酯交换法宜采用碱性催化剂，尤其是烷氧基碱金属化合物，甲醇钠、乙醇钠是最常用 的催化剂。反应可在7 肛1 0 0 的温度下进行。由于酯交换反应处于可逆平衡中，除非将 产物中某组分从反应体系中除去，反应就不会进行完全。为促使反应向正方向进行，可 采用把生成的低沸点甲醇从反应体系中移除的方法。 美国专利( 5 5 0 2 0 4 5 ) 介绍了一种酯交换方法：以过量的脂肪酸甲酯油作为反应物之一 同时充当溶剂，植物甾醇与甲酯油混合，9 0 - 1 2 0 1 2 、6 6 6 6 - 1 9 9 9 s p a 真空度下在反应容器 中加热1 h ；之后加入乙醇钠，反应2 h ；最后混合物中加入水或稀酸使催化剂失活；经相 分离后，油相于真空下干燥；真空蒸馏除去过量的脂肪酸甲酯，即可得所需的植物甾醇酯 产品。该方法采用脂肪酸甲酯或乙酯为原料，作为一种价格不贵的重要化工中间体原料， 脂肪酸甲酯产品往往是由多种脂肪酸甲酯组成的混合物，但高纯度的各种单体脂肪酸甲酯 产品的价格要高得多。故从生产成本考虑，该方法比较适合于混合的脂肪酸植物甾醇酯的 合成制备。 b 其他合成方法 ( 1 ) 酶催化合成法 酶具有在温和条件下高效和专一的催化性能，传统酶学研究的是酶在水介质中的催化 反应。近年来，非水相中的酶催化反应已经在理论上和应用上取得了很大的进展，为酶催 化反应提供了新的发展机遇和应用前景。脂肪酶( l i p a s e e c 3 1 1 3 ) 作为生物催化剂目前已 实现商品化，脂肪酶在非水相中具有较高的热稳定性和催化酯化反应活性，能催化酯化、 酯交换和内酯化等合成反应的进行。在非水相中脂肪酶固定化方法相对比较简单，有利于 产物的分离和酶的回收与再利用。脂肪酶一催化酯化和酯交换反应广泛用于油脂和其它脂 质生物有机合成和生物改性。但这些反应很少用以制各甾酵、甾烷醇的长链或短链酰基酯。 国内迄今为止尚未见酶催化合成植物甾醇酯的实验研究报道，国外近年来开展了一些有益 的探索工作“”。 胆固醇脂酶和脂酶具有伊位甘油酯活性，合成甾醇脂肪酸酯的活性及酯交换活性。 生成的长链脂肪酸甾醇酯具有持水性，被广泛用作化妆品和洗涤剂的配料，胆甾醇酯也是 非常重要的细胞脂质。已知多不饱和脂肪酸( p u f a ) 可作为药物具有各种生理功能。因此， 形成的p u f a 甾醇酯应具有这两种特性。v u j is h i m a d a “”等采用酶催化法合成p u f a 甾醇 酯已获成功。应用p s e u d o m o n a sa c r u g i n o s a 脂肪酶作生物催化剂，采用亚麻酸、二十碳五 烯酸( e p a ) 和二十二碳六烯酸( d h a ) 为