（食品科学专业论文）柚皮中部分有效成分的提取及二氢查尔酮的合成.pdf

摘要 摘要 柚子，又名文旦，为芸香科植物常绿果树柚树的成熟果实，在我国资源丰 富，广泛分布于福建、广东、广西、江西等地。其果皮含有多种活性成分，包 括生物类黄酮( 柚皮苷、新橙皮苷等) 、精油、果胶、维生素、多糖及矿物质 等。目前，柚皮的综合利用方法还只停留在实验阶段，尚未形成规模化生产。 如何做好包括柚皮在内的柑橘属果皮渣的综合利用，提高其经济附加值，是当 前水果加工面临的重要课题。 鉴于柚皮的重要性与代表性，本文就其部分有效成分进行了提取工艺条件 的探讨优化，并对其发展前景进行了展望，以期为我国柚子资源的开发利用提 供一些参考思路。 论文的具体内容如下： 1 在调研了大量文献的基础上，系统地综述了柚皮中部分有效成分的性质、 应用以及研究现状，并在此基础上提出了本论文的选题意义和主要工作内容。 2 依次从柚皮中连续提取出精油、果胶、生物类总黄酮等物质，着重讨论了 其提取工艺条件的优化，并对其相关质量指标进行了测定。 3 总黄酮经大孔吸附树脂分离得到柚皮苷和新橙皮苷，然后经开环氢化反应 分别合成了柚皮苷二氢查尔酮和新橙皮苷二氢查尔酮，并通过熔点、红外、质 谱、核磁等对得到的产品进行了结构表征。 关键词：柚皮；精油；果胶；柚皮苷；新橙皮苷；二氢查尔酮 a b s t r a c t a b s t r a c t g r a p e f r u i t ，a l s on a m e da sw e n d a n ，i sam a t u r ef r u i to fp o m e l ot r e e sw h i c hi sa n e v e r g r e e nf r u i tt r e eo fr u t a c e a ep l a n t ，i ti sr i c hi nm a n yp l a c e si no u rc o u n t r y , s u c ha s f u ji a n ，g u a n g d o n g ，g u a n g x ia n dj i a n g x i i t s p e e lc o n t a i n sav a r i e t yo fa c t i v e i n g r e d i e n t s ，i n c l u d i n gb i o f l a v o n o i d ( n a r i n g i n ，n e o h e s p e r i d i n ，e t c ) ，e s s e n t i a lo i l s ，p e c t i n ， v i t a m i n s ，p o l y s a c c h a r i d e sa n dm i n e r a l s p r e s e n t l y ，t h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f n a r i n g i ns t a y si nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g eo n l ya n dh a sn o tb e e ni n d u s t r i a l i z e di na l a r g e - s c a l e t h u s ，h o wt oc a r r yo u tt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fc i t r u sp e e ls l a g ， i n c l u d i n gn a r i n g i n ，f u l l yf o rm a x i m u me c o n o m i cp r o f i t si sa ni m p o r t a n ts u b j e c to f f r u i tp r o c e s s i n gn o ww ea r ef a c e d o w n i n gt ot h ei m p o r t a n c ea n dr e p r e s e n t a t i v e n e s so fp o m e l op e e l ，w ec h o s e p o m e l op e e la sm a t e r i a l ，o p t i m i z e dt h ee x t r a c t i o nc o n d i t i o no fi t se f f e c t i v e i n g r e d i e n t si n t h i sp a p e ra n dp r o s p e c t e di t sb r i g h tf u t u r e i no r d e rt op r o v i d es o m e r e f e r e n c ei d e af o rt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fp o m e l op e e li no u rc o u n t r y c o n c r e t ec o n t e n t so ft h i sp a p e rw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fa ne x t e n s i v el i t e r a t u r e ，w es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e dt h e n a t u r eo fe f f e c t i v ei n g r e d i e n t si np o m e l op e e l ，a p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c hs t a t u s ，a n d p r e s e n t e dt h es i g n i f i c a n c eo ft o p i cs e l e c t i o na n dm a i nw o r kw eh a v et od o 2 e s s e n t i a lo i l s ，p e c t i na n db i o f l a v o n o i d sw e r ee x t r a c t e do r d e r l yf r o mp o m e l o p e e li nt h i sp a p e r , w ep u ta ne m p h a s i so nd i s c u s s i n gt h eo p t i m i z a t i o no fe x t r a c t i o n c o n d i t i o n ，a n dm e a s u r e di t sr e l e v a n tq u a l i t yi n d e x e s 3 n a r i n g i na n dn e o h e s p e r i d i nw e r es e p a r a t e df r o mb i o f l a v o n o i d s 、i t h m a c r o p o r o u sa d s o r p t i o nr e s i ns e p a r a t i o nc o l u m n ，t h e nn a r i n g i nd i h y d r o c h a l c o n ea n d n e o h e s p e r i d i nd i h y d r o c h a l c o n ew e r es y n t h e s i z e dr e s p e c t i v e l yb yr i n g - o p e n i n g r e a c t i o na n d h y d r o g e n a t i o n t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e l t i n gp o i n t ，i r ， m sa n d 】h n m r k e yw o r d ：p o m e l op e e l ；e s s e n t i a lo i l ；p e c t i n ；n a r i n g i n ；n e o h e s p e r i d i n ； d i h y d r o c h a l c o n e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特，l , j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：欧予口振宁签字日期：俐口髟年，胡嘲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：砍f 口振宇 导师签名( 手写) ： 签字日期：d g 年胗月讶日签字日期：州年f2 - 月矿日 第l 章前言 第1 章前言 柚子( c i t r u sg r a n d i s ) ，俗称团圆果，又名抛、朱栾、雷柚、气柑、文旦等， 是芸香科( r u t a c e a e ) 植物常绿果树一柚树的成熟果实，有沙田柚、蜜柚、胡柚、 葡萄柚、文旦柚、枰山柚等数个品种，其中文旦柚、坪山柚、沙田柚、暹罗柚 并称世界四大名柚。我国栽培柚子树的历史悠久，远在公元前的周秦时代就有 种植，现在我国的广东、广西、福建、湖南、浙江、江西等地均有栽培【l j 。除了 我国，在东南亚许多国家和地区也有栽培，美国、古巴、南非、巴西、阿根廷 以及日本也是柚子的主要产地。因此，柚子可算是国际上大众化的果品之一。 柚子营养丰富，含有蛋白质、碳水化合物、纤维素、多种维生素、矿物质 等人体必需的营养元素，其中维生素c 含量尤其丰富。柚子果肉汁甜味美，具 有较高的营养价值和药用价值。 1 1 柚皮的研究开发现状 柚皮约占整个柚子质量的3 0 以上，除含有水分、维生素、矿物质这些人体 必需的营养素外，还含有多种对人体健康有益的非营养性生理活性成分，如生 物类黄酮化合物、果胶、类柠檬苦素、香精油、天然色素、膳食纤维脯【硪，这些 成分都高于柚子果实。中医认为，柚皮具有止咳、化痰、理气、抗炎、止痒等 功效；现代医学研究表明，柚皮提取物具有抗氧化、抗微生物、抗癌、抑酶、 抗衰老、降血糖、降血压、预防动脉粥样硬化等活性。近年来，柚子皮作为洗 浴用品越来越受到人们的青睐，其特有的优雅香气能让人产生新鲜清爽感觉， 可以起到植物芳香疗法的作用。 目前，我国柚子鲜果产量已达2 0 多万吨，占世界柚产量的8 0 以上，2 0 0 6 年，我国柚子出口量约为8 万吨 3 1 。各地正大力发展优良柚子品种，随着产量的 不断增加，柚子深加工势在必行。 柚子在新鲜食用或加工生产罐头、果汁后，约产生3 0 左右的果皮，有效利 用柚子果皮的有效成分，既可减少因果皮堆积而造成的环境污染，又可使废弃 的天然资源得到充分利用，而且可以大大提高柚子的经济附加值，具有良好的 第l 章前言 经济效益和社会效益 8 0 i 6 0 0 曲4 0 钆 h2 0 # 冒i 雷圜豳豳，圄，。一 福建广东广西四j i 浙江湖南重庆江两蝴北贵州 省份 图i12 0 0 6 年我国柚子主产区产量 图1 2 近年来我国柚子产量变化 图1 3 柚子果树 充分利用现有资源，生产出高附加值的产品，是柚子产区和柚果加工企业 急待解决的问题。目前柚皮的深加工方式主要是提取香精油、黄酮类化合物、 2 第1 章前言 果胶和色素等，但其开发利用价值还远不止如此。江西省是中国柑橘类水果的 主产区之一，产量位居全国前茅。发展我省柑橘类水果深加工及综合利用，对 巩固和持续发展我省的柑橘产业，特别是对地区的经济和社会发展具有重大意 义。 1 2 柚皮中有效成分的利用现状 柚皮中含有多种有效成分，主要有生物类黄酮( 柚皮苷、新橙皮苷等) 、 果胶、柚皮精油、天然色素等，它们是食品、饮料、糖果的调香剂及医药、化 妆品的重要原料。柚皮苷、新橙皮苷等生物类黄酮在降血脂、镇静、抗氧化、 抗肿瘤、抗真菌、抗动脉粥样硬化等方面具有较强的生物活性【4 刮，而且还是合 成二氢查尔酮类甜味剂的原料；果胶有作为胶凝剂、稳定剂、乳化剂、药物辅 料等多种用途，在食品、医药等多个行业具有非常广泛的应用【_ 刀；柚皮精油是饮 料、啤酒、糖果、糕点的矫味剂、赋香剂，在花露水、香水、牙膏、香皂等日 用品香精中也有广泛的用途。 目前，我国的柚皮加工利用存在着以下几个主要问题：一是加工企业规模 小，生产能力低，大量的柚皮资源得不到利用。一般年生产能力只能加工产品 5 0 t 左右，仅需干柚皮6 - 7 t ；二是产品单一，没有形成系列化产品；三是产品包 装缺乏多样化。产生这些问题的原因是资金投入不足，企业缺乏科技创新，新 产品开发难于实现。 1 2 1 柚皮中精油的研究现状 柑桔类果实中的香精油9 5 以上贮存在果皮中，柚子也一样，体现果实特征 香气的物质绝大部分在果皮精油中。柚子的内外果皮中均含有香精油( 为黄色 至黄绿色液体，具有柚子的果香) ，其具有化痰、止咳、消炎、下气、消食、 抗氧化、抗菌等作用，可作为食品、饮料、化妆品等的添加剂，具有重要的生 理、药理价值。 柚皮精油是世界上应用最为广泛的香精香料之一，它一般作为柚子加工的 副产品，在加工中通过提取或蒸馏回收得到。柚皮精油的主要成分d 柠檬烯 ( d h m o r l e n e ) 能在常压下被蒸馏出而不分解。精油的香气浓淡主要取决于其 3 第1 章前言 含氧化合物的多少，萜烯的香气弱，故常使用浓缩精油( 即除掉部分萜烯的精 油) ，它是食品香精、化妆品香精和香水料的优质原料。 在国外，随着柑橘类水果加工副产品地位的不断上升，巴西、美国一些较 小的加工厂逐渐意识到加工果汁无法与美国佛罗里达州和巴西的那些大规模工 厂在浓缩果汁的价格和质量上相竞争，于是把目光放在副产品上，包括香精油、 黄酮、果胶、饲料等。甜橙和葡萄柚中的0 【蒎烯是电子工业中电路板的良好的 有机无污染清洗剂，为此，美国葡萄柚香精油价格大幅上升。据调查，目前全 世界每年柑橘类香油精的需求量约为1 6 0 0 0 t ，其中6 0 - - - 7 0 供食品工业使用， 其余则用于化妆品、芳香清洁剂。研究还发现柑橘类精油非常适合家庭、宾馆、 集体宿舍等各种场所作为衣蛾的驱虫剂，因其本身价格低廉且不易受到污染环 境，故有着很好的开发前景。 1 2 1 1 柚皮中精油的主要成分及应用 柚皮精油成分因品种、产地等的不同而有所差异，其主要成分是萜烯类化 合物以及醇类、醛类、酯类、酚类、酮类、醚类等含有官能团的含氧化合物， 含量最高的成分为d 柠檬烯( 又名苎烯) 【8 9 】。d 柠檬烯是生产香料工业香气物 质香芹酮、松油醇的主要原料【1 0 1 ，也是常用中药化橘红的主要成分，可祛痰镇咳， 是治疗老年慢性咳喘及虚寒性痰喘的佳品。目前市场上的药品柠檬烯胶囊是由 柠檬烯与淀粉制成的胶囊剂，具有理气开胃、消炎、止痛、利胆、溶石等作用， 主要治疗胆囊炎、胆石症、胆管炎、胆道手术后综合症、消化不良等肝胆疾病。 但是d 柠檬烯极易被氧化，又容易因聚合而产生不偷快的类似松脂的味道。在 酸性条件下，发生水合一脱水作用，即使在没有氧气的条件下也会产生类似松 脂味。因此，高质量的香精油必须除去d 柠檬烯等物质。 d 柠檬烯虽然在柚皮精油的含量上占据绝对地位，但是对香气贡献不大， 它只是起到“香气载体的作用。真正对香气起重要作用的却是相对含量较少 的醇、醛、酯、酚、酮、醚等含氧化合物。如氧化沉香醇( l i n a l o o lo x i d e ) 、沉 香醇( l i n a l 0 0 1 ) 在香料工业中是一种重要的香料原料，被广泛应用于化妆品香 料和水果类食品香料；又如诺卡酮( n o o t k a t o n e ) ，它是由伏令夏橙烯转化而成 的，在柚果高产优质栽培研究和香气成分鉴定中已经被证明，明显影响成品柚 质量的高低，可以作为成品柚的最主要特征香气物质，而且诺卡酮也被认为是 唯一能将柚子区别于其它柑桔属植物的挥发油成分；芳樟醇也是一个很有用的 4 第1 章前言 中间体，由它可以合成橙花醇、香叶醇、柠檬醛、紫罗兰酮、维生素a 。在临床 上，芳樟醇还有一定的镇静以及降血压作用。 c h 3 铲蒎烯 柠檬醛 o 图1 4 精油中常见的几种成分 柚皮精油种类繁多，每种精油所含芳香物质有所差别，特别是一些典型成 分的不同导致不同的香味。如加地蒙地亚橘精油的典型香气成分包括d 一柠檬烯、 反氧化芳樟醇、芳樟醇、i f , 萜品油醇等物质。柚皮精油的芳香物质在种类上的 差异并不明显，但是在含量配比上差异很大，故其均具有柚子的气味，又各有 其不同的特殊香气。 1 2 1 2 柚皮中精油的制备工艺 目前提取精油的方法主要有传统的水蒸气蒸馏法、压榨法、冷磨法、溶剂4 浸提法以及近年发展较快的超临界二氧化碳萃取法等。这些提取工艺的特点比 较如下： ( 1 ) 蒸馏法：此法是将柚皮切碎，加水浸泡后装入冷凝器中煮沸，使精油 与水蒸汽一起蒸出，再采用盐析法，使精油自水中析出。该法是应用最广泛的 一种方法，设备简单，容易操作，成本低，并且一次处理量较大，较为可取。 但是该法的提取时间较长，精油得率低。 ( 2 ) 压榨法：此法是用新鲜柚皮进行压榨处理，收集榨取物，然后去除水 分后即得到精油。该法为传统方法，应用面不如蒸馏法广。由于其生产过程在 室温下进行，所以能保持精油原来的香气和品味，但其提取时间更长，精油得 率较蒸馏法低。 ( 3 ) 冷磨法：该法得到的精油品质最佳，但需注意所选用的溶剂必须有较 好的选择性和较低的粘度，选择性好能使有效成分有相对大的溶解度，粘度低 能使之有更大的扩散速度。 ( 4 ) 溶剂浸提法：此法是将柚皮切碎后，用能较好的溶解植物芳香油的有 5 犬义麓 第l 章前言 机溶剂( 如石油醚、乙醚) 浸泡，水浴加热提取。该法精油质量较高，精油收 率比压榨法高，投资不大，是目前主要的提取方法之一。 ( 5 ) 超临界c 0 2 萃取法：此法是将柚皮干燥后粉碎，过筛，放入c 0 2 超临界 装置中，在一定的温度、压力、c 0 2 流量及时间的作用下萃取。该法可得到质量 好的精油，收率也较高，但设备投资大，操作繁杂，对原料的水分、粉碎程度 等有一定的工艺要求，所以应用比不上传统方法。 1 2 2 柚皮中果胶的研究现状 果胶物质( p e c t i n ) 广泛存在于植物中，尤其以果蔬中含量居多，主要分布 于细胞壁之间的中胶层。不同的果蔬含果胶物质的量不同，尤其是在未成熟的 水果和果皮中，果胶多数以原果胶存在，天然果胶类物质以原果胶、果胶、果 胶酸的形态广泛存在于柚皮中，是构成细胞壁主要组成成分。原果胶是不溶于 水的物质，但可在酸的作用下，加水分解转变成水溶性果胶。果胶的提取即是 一个不溶性果胶转化为可溶性果胶和可溶性果胶向液相转移的过程【1 1 1 。 果胶是一种高分子聚合物，其基本结构是主链以d d 吡喃醛酸与l ，4 糖苷 键连接，侧链则是在l 鼠李糖残基的0 4 上以a 1 ，2 一糖苷键连接d 1 ，2 糖苷键的 半乳糖，分子式为c 1 4 n + 1 4 h 2 0 n + 2 2 0 1 2 n + 1 3 ( n = 3 0 - - - , 3 0 0 ) 1 2 , 1 3 】。依据酯化度( d e ) 的不同可以将果胶分为高酯果胶( d e 5 0 ，h i g hm e t h o x y lp e c t i n ) 和低酯果 胶( d e 5 0 时，可形成凝胶，且胶凝强度高；而低酯果胶只有c a 2 + 的存在，才能形 成胶冻【1 引。 作稳定剂：酸乳制品中的蛋白质在酸性条件下易发生沉降，而高酯果胶 可与酪蛋白生成稳定的果胶酪蛋白溶和物，有效稳定酸乳制品，并改善其风味。 低酯果胶则能防止果肉在酸乳中的漂浮和不均匀分布，与其它胶类配用还可防 止乳清析出。 在食品工业上的其它应用：果胶用于蜜饯、焙烤食品的制作，可改善口 感、质构和风味；果胶还可用于果香棉花糖、无糖糖果等各类风味糖果的生产。 果胶亦可防止冰淇淋、雪糕中风味物质和食用色素的溢出，加入果胶和维生素 c 还可改善和提高速溶饮料粉的品味。 ( 2 ) 在医药工业上的应用 在医药工业中，果胶可用作药物制剂的辅料，单独或与其他赋形剂合用配 7 第1 章前言 制软膏、栓剂、微球或者微胶囊等缓冲制剂以及口服液、糖浆等其他制剂。此 外，果胶还是杀灭革兰氏阴性细菌的特效药。果胶静脉注射f 通常使用果胶钠 盐) ，能加速血液凝结，起到止血作用，果胶硫酸盐则能延长血液凝结时间，用 作肝磷脂的代用品。除此之外，果胶还具有抗腹泻等多种药理及生理功能【1 9 ，2 0 1 。 ( 3 ) 在其他工业中的应用 果胶可作水油乳浊液的乳化稳定剂，天然果胶制成的薄膜可被生物降解并 易于回收利用，在某些体外医疗中得到应用。由于果胶具有成膜特性，因而可 作造纸和纺织的施胶剂，也可制备超速离心膜和电渗析膜等。 总之，随着我国食品、化妆、医药等工业的发展，果胶的应用必将越来越 广泛。 1 2 2 2 柚皮中果胶的制备工艺 ( 1 ) 果胶的提取方法 沸水抽提法：这是最早也是操作最简单的方法，原料置于水中煮沸，使 果胶溶出，再将果胶提取液离心分离，过滤出不溶性残渣，得到果胶澄清液。 这种方法仅能提取植物组织中的水溶性果胶，得率低，生产周期长，成品中含 多种混杂物，所以在工业生产上一般不用此方法。 传统酸提取法：该法是工业生产果胶的主要方法，其原理是利用热的酸 性水溶液将植物细胞中原果胶质转化成水溶性果胶并提取出来。目前酸提取法 朝着混合酸提取法的方向发展。该法的缺点是果胶分子在提取过程中会局部水 解，反应条件也复杂，过滤时速度较慢，生产周期长，效率低。 离子交换提取法：离子交换法是利用溶液中各种带电粒子与离子交换剂 之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。由于果皮中m 9 2 + 、c a 2 + 等离子 通过离子键与果胶结合，对果胶有封闭作用，影响果胶向水溶性果胶的转化【2 l 】， 所以传统的酸法提取得率较低，用离子交换法提取果胶可以克服这些缺点，具 有产率高，质量好的特点。 草酸铵提取法：此法是采用草酸铵溶液代替盐酸提取果胶，使非水溶性 果胶酸钙变成可溶性铵盐，c a ：+ 以草酸钙沉淀的形式除去，也可以用螯合剂六 偏磷酸钠，使非水溶性果胶的溶解性增加，取得良好的提取效果。 微波辅助提取法：该法是用微波加热与样品相接触的溶剂，将所需化合 物从样品基体中分离进入溶剂中的一个过程。它具有的高频特性、热特性以及 8 第1 章前言 非热特性，使其具有加热速度快、加热均匀、易于控制、节能环保的优点。 ( 2 ) 果胶的脱色方法 果胶的色泽对果胶的质量有较大的影响，这也是目前国产果胶质量与进口 果胶质量的主要差距之一 2 2 1 。目前脱色方法主要有活性炭脱色、双氧水脱色、 亚硫酸脱色及树脂脱色等几种。 活性炭脱色：采用活性炭脱色，由于活性炭颗粒细小，易造成过滤困难 而使得果胶中混入杂质，影响果胶质量。 双氧水脱色：双氧水具有较好的脱色效果，但由于双氧水脱色是基于氧 化机理，是否会导致果胶质量下降仍是一个值得研究的问题。 亚硫酸脱色：该法能较好地脱色，但是其脱色效果也是基于氧化机理， 因此是否会影响果胶质量值得进一步的探讨。 树脂脱色法：利用大孔吸附树脂脱色基本不影响果胶的品质，并能达到 理想的脱色效果，且树脂还可回收利用，减少了生产过程中对环境的污染。 ( 3 ) 果胶的分离工艺 经过脱色后的浓缩液还需迸一步沉淀得成品，沉淀方法主要有乙醇沉淀法、 盐析法和超滤法。 乙醇沉淀法：乙醇沉淀法是最早实现工业化生产的方法，国内外多采用 这种方法。其基本原理是利用果胶不溶于乙醇的特点，当溶液中乙醇浓度达到 5 0 以上，果胶就会沉淀。此法工艺简单，得到的果胶色泽好、灰分少，但该法 乙醇的用量大，不易回收，能耗大，因此生产成本高，不利于规模化生产。 盐析法：该法的原理是盐溶液中的盐离子带有与果胶中游离的羧基相反 的电荷，两种相反电荷的电中和作用产生沉淀。现在一般采用的是铝盐沉淀法、 铁盐沉淀法、钙盐沉淀法和混合盐析法。用盐析法沉淀果胶，产率高，乙醇耗 量少，成本低，但是产品色泽较深，增加了脱色的难度。 超滤：超滤属于膜分离的一种，是利用天然或人工合成的高分子膜的选 择性，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行 分离、分级、提纯和浓缩的一种方法。该法具有设备简单、可在室温或低温下 操作、无相变、处理效率高、节能等优点。 1 2 3 柚皮中生物类黄酮的研究现状 9 第1 章前言 1 2 3 1 柚皮中生物类黄酮的生物活性 黄酮类化合物( f l a v o n o i d s ) ，亦称类黄酮，泛指两个苯环通过中央三个碳 相互连接而形成的一系列化合物。它们以苷类形式和游离的形式广泛存在于植 物中，可分为黄酮及黄酮醇类、二氢黄酮类及二氢黄酮醇类、黄烷醇类、异黄 酮及二氢异黄酮、双黄酮、查尔酮、花色苷等【2 3 1 。柚皮中黄酮类化合物含量约 为1 - - - 6 ，主要是二氢黄酮类化合物，如柚皮苷、新橙皮苷、柚皮芸香苷等 黄烷酮，其中柚皮苷约占8 0 以上。n o g a t ay 运用h p l c 法对柑橘果实组织进 行黄酮类化合物的测定，并以此进行遗传关系的探讨【2 4 1 。 羚。治 h o ho 新橙皮苷 h 3 图1 6 柚皮中儿种主要的生物类黄酮 由于两个苯环之间完全没有共轭，所以在2 8 2 n m 有强烈的紫外吸收峰，使柚 皮苷等生物类黄酮显示出多种生物学活性和药理作用，其生理活性也受到广泛 关注【2 5 。2 引。柚皮苷的生理活性主要表现在：抗氧化作用：柚皮苷的抗氧化效 果主要是通过消除过氧化物、清除羟自由基、抗脂质过氧化活性来实现。抗 癌：对杂环胺类物质、1 甲基1 ，2 ，3 ，4 四氢1 3 咔啉3 羧酸等致突变性具有抑 制作用；通过抑制参与致癌物活化作用的细胞色素p 4 5 0 异构体的活性来发挥抗 癌作用，能抑制亚硝胺、黄曲霉毒素及其它致癌物的致癌作用；对乳腺癌、肺 1 0 第1 章前言 癌等肿瘤有一定预防作用。降血脂，降胆固醇。抑菌作用，能抑制金黄色 葡萄球菌、沙门氏菌、志贺氏菌、埃希氏大肠杆菌及某些真菌的生长。对胃 溃疡有防治作用。支持性治疗非典型性肺炎【2 9 】。 大鼠皮下注射l o o m g k g 柚皮苷有明显的抗炎作用，2 0 0 m g l 的柚皮苷对水疱 性口炎病毒有很强的抑制作用。柚皮苷还可降低血液的粘滞度、减少血栓的形 成，并且有镇痛、镇静及较强的增加实验动物胆汁分泌的作用。另外，柚皮苷 还有脱敏和抗过敏、活血解痉、改善局部微循环和营养供给的性能，对促进药 物排泄、解除链霉素对第8 对脑神经的损害、缓解链霉素的毒副作用有独特疗效。 1 2 - 3 2 柚皮中生物类黄酮的制备工艺 ( 1 ) 生物类黄酮的提取 水提法：此法仅限于提取黄酮苷类物质，在提取过程中要考虑加水量、 浸泡时间、煎煮时间及煎煮次数等因素。此工艺成本低、安全，适合工业化大 生产，但是用水提取时，提取液中杂质较多( 如无机盐、蛋白质、糖等) ，给进 一步分离带来许多困难，现在已经很少使用此法。 碱性水或碱性稀醇提取法：黄酮类化合物大多具有酚羟基，因此可以用 碱性水或碱性稀醇浸出，再经酸化后得出黄酮类化合物。主要用的碱性溶液是 稀氢氧化钠和石灰水( 氢氧化钙水溶液) ，氢氧化钠水溶液的浸出能力高，但杂 质较多不利于纯化。石灰水可以使一些鞣质或水溶性杂质沉淀生成钙盐沉淀， 有利于浸液纯化，但是浸出效果不如氢氧化钠水溶液效果好。 有机溶剂萃取法：这是国内外使用最广泛的方法。有机溶剂主要用乙醇、 甲醇、乙酸乙酯、乙醚等。本法主要用于提取脂溶性基团占优势的黄酮类物质， 对设备要求简单，产品得率高，但成本较高，杂质含量也较高。在有机溶剂提 取法中最常使用的溶剂是乙醇，即醇提法。在提取过程中，乙醇的浓度对总黄 酮的提取有较大影响，一般认为乙醇的浓度增高有利于总黄酮的提取。但并不 绝对，提取效率还跟黄酮类物质的结构有关。 大孔树脂吸附法：吸附树脂是近十年来发展起来的一类有机高分子聚合 物吸附剂，它具有物理化学稳定性高、吸附选择性独特、不受无机物存在的影 响、再生简便、解吸条件温和、使用周期长、节省费用等诸多优点，避免了使 用有机溶剂提取分离而造成的有机溶剂回收难、损耗大、成本高、易燃易爆、 对环境污染严重等缺点，广泛用于黄酮类物质的提取。 第1 章前言 超声波法：随着现代科学技术的发展，超声波技术已在许多行业广泛应 用，如用于医学诊断、治疗、工业的钻孔、清洗测量等方面。在提取天然产物 有效成分方面，超声波技术的应用也越来越受到重视。 微波法：近年来，微波因能促进反应的高效性和强选择性，操作简便， 副产物少，产率高，产物易提纯，已经被广泛应用于生化蛋白质水解和有机合 成、酯化等反应。科研人员已将微波应用于天然产物的浸提过程，有效地提高 了效率。目前微波提取黄酮的研究还处于起步阶段，国内报道很少，提取剂也 多采用水。 天然黄酮类物质的提取很多情况下，不是采用一种方法，而是多种方法交 叉使用。总之，黄酮类化合物提取的方法很多，每种方法都有其优缺点，要根 据提取物的性质、提取成本、工艺设备等条件来选择最合适的提取工艺，提高 黄酮类物质的提取率，增加原料的利用率，降低成本。 ( 2 ) 生物类黄酮化合物的分离纯化 黄酮类化合物的分离方法主要有柱层析法、h p l c 法、薄层层析法和纸层 析法等。 柱层析法：此方法根据所用材料不同又可分类，常用的主要有以下几种： 聚酰胺柱层析法：聚酰胺对各种黄酮苷类有较好的分离效果，其层析容量 较大，适合于制备性分离，洗脱剂常用水甲醇，也有用水乙醇和甲醇氯仿。 大孔树脂柱层析法：大孔树脂具有物化稳定性高( 耐酸、耐碱) 、吸附容量 大、选择性好、再生简便、解吸条件温和、使用周期长、易于构成闭路循环、 节省费用等优点，在类黄酮分离纯化应用中日趋普遍。 硅胶柱层析法：此法的应用范围最广，不仅可以分离黄酮苷，也可以分离 各种黄酮苷元。 ( 虿) h p l c 法：目前，关于h p l c 法分离黄酮苷类化合物的报道较多。使用 制备型高效液相色谱进行分离纯化，可制备量大，简便易行，在天然植物药化 学对照品的制备纯化中已成为重要的手段。 薄层层析法：薄层层析法分为离心薄层层析法和制备性薄层层析，离心 薄层层析法有分离速度快，处理样品量大等优点，可以代替制备性薄层层析， 有时甚至能代替柱层析。 超滤技术：超滤技术是指常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结 构和半透膜分离介质，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质通过，高分 1 2 第l 章前言 子物质和微粒子被滤膜阻留，从而达到分离、纯化、浓缩的新型膜分离技术。 该技术有很多优点，但也存在膜的污染和劣化、膜分离工艺及其产品的规范化 和标准化等待解决的问题。 1 3 二氢查尔酮的研究现状 二氢查尔酮类( d i h v r d r o c h a l c o n e ) 甜味剂是目前引人注目的甜味剂之一，包 括新橙皮苷二氢查尔酮( n e o h e s p e r i d i nd i h y d r o c h a l c o n e ，简称n h d c ) 、柚皮苷 二氢查尔酮( n a r i n g i nd i h y d r o c h a l c o n e ) 以及橙皮素二氢查耳酮4 1 3d 葡萄糖 苷( h d g ) ，其结构式如图1 7 所示。它们都是经从天然柑橘类植物中提取得到的 黄烷酮经开环氢化合成的黄酮类衍生物。其特点在于甜度大( 新橙皮苷二氢查 尔酮为蔗糖甜度的1 5 0 0 1 8 0 0 倍，柚皮苷二氢查尔酮为蔗糖甜度的1 0 0 0 倍左 右) ，口感清爽，余味持久，并具有极佳屏蔽苦味的功效【3 0 1 。 新橙皮营二氢查尔酮 硝 o h h 3 h 翟v l | iq 孓洲 w 晶3 柚皮桑二氢查尔酮一4 。_ b - d - 葡稀首 图1 7 几种主要的二氢查尔酮化合物 早在1 9 6 3 年，h o r o w i t z 等人就发现新橙皮苷二氢查尔酮具有强烈的甜味。由 于n h d c 的糖苷基在体内发生水解，而糖苷基几乎不参与代谢，所以n h d c 热能 值比较低( 小于8 3 6 j g ) ，可以作为低能量食品甜昧剂。目前人们已对它进行过 毒理试验，并在已有毒理试验的基础上确立了它的食品甜味剂地位。 二氢查尔酮类甜味剂甜度相当大，主要甜味特点是：甜味来得慢，后味持 续时间长，甜味清爽且愉快，能有效降低人体对饮料或医药品中可能带有的苦 味的敏感程度，而且在水中可溶、稳定。因此它可用来作为各种类型的食品添 加剂，同时也具有良好的药理作用，尤其对肥胖症患者和糖尿病人来说显得更 为重要；同时也因为该类产品甜度相当大，所以在食品中的用量很小，一般只 1 3 第1 章前言 占1 或更少( 通常只有0 5 ) 。二氢查尔酮可以直接添加到食品中，也可以先 将其与稀释剂结合后再添加到食品中，这样可以大大减少二氢查尔酮的用量。 稀释剂可以是液体也可以是固体，如水、甘油、山梨( 糖) 醇、淀粉、盐、糖、柠 檬酸。 表1 2 二氢杏尔酮与蔗糖的甜度对比 注：奉表足在水溶液中测定的数据，括u 内数字足蔗糖与二氢查耳酮等甜度时的浓度t s k ，即- 二氢查尔酮的 相对甜度【3 0 1 。 常温下，柚皮苷二氢查尔酮在蒸馏水中的溶解度为1 6 x 1 0 。3 m o l l ( 0 9 4 9 l ) ， 而橙皮素二氢查耳酮4 d d 葡萄糖苷常温下在水中的溶解度为7 2 x l o 。4 m o l l ( 0 3 9 c ) ，新橙皮苷二氢查尔酮为8 1 1 0 4 m o l l ( 0 5 9 l ) ，8 0 时上升到6 5 3 l 。 1 3 1 二氢查尔酮的应用 二氢查尔酮类甜味剂( 尤其是n h d c ) 在安全性得到确认后，在食品中的使 用己得到了广泛的认可。n h d c 不仅甜度高于糖精、甜蜜素或阿斯巴甜等常用甜 味剂，而且口感更好。更可贵的是，n h d c 具有良好的屏蔽苦味作用，可用于苦 味药片中，以矫正药物的强烈苦味。它对人体安全，至今未见其毒副作用的相 关报道。 作为甜味剂，n h d c 得到广泛应用。它用于多种食物和饮料中，如比利时用 于无糖口香糖与柠檬茶；西班牙用于软饮料；瑞士用于各种无糖低能量的食品 和原料；在日本，它作为调味剂使用；作为增效剂，n h d c 应用也很广泛。它有 独特的增强口感的作用，只需要添d i ：1 4 - 5 m g l 的n h d c 就表现出很好的风味增 效作用。当单独作为一种人工甜味剂使用的话，其添加浓度为1 5 - - - - 2 0 m g l 。它 还可以作为乳制品的乳化剂，例如用在酸奶和冰淇淋中。另外，n h d c 还可以用 1 4 第1 章前言 在酒精和非酒精饮料、开胃菜、西红柿酱和蛋黄酱等调味品、牙膏、漱口水等 商品中。 n h d c 在饲料中也有广阔的应用f j 景，它除产生持久的新鲜甜味效应外，还 能有效减轻或去除红霉素、磺胺嘧啶和四环素等饲料添加剂的苦味。与别的甜 味剂复配使用时，尤其是与糖精复配时，能产生优良的协同作用。 1 3 2 二氢查尔酮的合成工艺 几乎所有的二氢查尔酮都是由相应的查尔酮催化还原而来，而查尔酮则是 由黄烷酮在碱性条件下发生开环反应而得。 二氢查尔酮化合物一般可由黄烷酮加以制备，制备工艺分两步进行：在 浓碱中将黄烷酮转化为相应的查尔酮，即用酸碱催化法使查尔酮开环。将生 成的查尔酮在氢气作用下还原为二氢查尔酮。该反应过程与合成路线分别如图 1 8 、1 9 所示。 ( i ) h 2 ；p d c ；k o h ( 2 l h c l o 查尔酮 o 二氢查尔酮 图1 8 黄烷酮向二氢查尔酮的转化 图1 9 二氢查尔酮的合成路线 1 5 第1 章前言 1 3 2 1 新橙皮苷二氢查尔酮的合成 新橙皮苷与柚皮苷均属于黄烷酮，它们结构的不同仅在于黄烷酮骨架环上 的取代基。一般以新橙皮苷为原料生产新橙皮苷二氢查尔酮。工业上，制备新 橙皮苷的途径主要有两条：一是以柑橘类植物为原料，用有机溶剂对其进行提 取，再经分离纯化，从而得到高纯度的新橙皮苷；二是通过柚皮苷转化得到。 因为柚皮苷在价格上比新橙皮苷要便宜，所以后一种方法在实际生产中的应用 也较广泛。 ( 1 ) 以新橙皮苷为起始原料合成新橙皮苷二氢查尔酮 3 1 】 以新橙皮苷为起始原料，新橙皮苷二氢查尔酮的合成一般分两步进行：首 先是在碱性条件下对新橙皮苷进行开环，得到新橙皮苷查尔酮；然后以骨架镍 或者钯碳为催化剂进行氢化，得到目标产物一新橙皮苷二氢查耳酮。合成路线 如图1 1 0 所示： h 垫墨堕堕 p c h 其中r 表示鼠李糖基： 新橙皮苷 开环 碱液 新橙皮苷二氢查尔酮 o ho 新橙皮苷查尔酮 o c h 3 o c h 3 u h ( ) h 图1 1 0 新橙皮苷二氢查尔酮的合成路线 吴厚玖和mc a l v a r a n o 等研究了新橙皮苷的氢化反应和氢气消耗动态以及氢 气压力、催化剂对反应的影响。其研究表明新橙皮苷的耗氢量为4 8 8 c m 3 g ，随 着氢气压力的增高，产品纯度有所提高，但是得率变化无规律【3 2 】。 ( 2 ) 以柚皮苷为起始原料合成新橙皮苷二氢查尔酮 以柚皮苷为起始原料合成新橙皮苷二氢查尔酮相对于以新橙皮苷为起始原 1 6 第1 章前言 料合成新橙皮苷二氢查尔酮，不同之处在于它必须先将柚皮苷转化为新橙皮苷。 虽然多了个转化的过程，但是由于柚皮营在柑橘类植物中的含量要比新橙皮苷 高，故来源更加广泛，因此以柚皮苷为起始原料合成新橙皮苷二氢查尔酮在工 业上也是一条可行的路线。 在柚皮苷向新橙皮苷的转化过程中，首先将柚皮苷降解成根皮乙酰苯4 b 一 新橙皮苷，再与异香草醛缩合生成新橙皮苷 3 3 j 。在此过程中，根皮乙酰苯4 - 3 新橙皮苷是个关键的中间产物。该转化过程如图1 1 l 所示。 o r o h o 柚皮苷 墨童至竺 k o h o r o ho 新橙皮营 o h c c h 3 i i 。 o h o 根皮乙酰苯一4 一b 一新橙皮苷 o h o c h 3 其中r 代表鼠李糖基 图1 1 1 柚皮苷向新橙皮苷的转化 r o b e r t s o n 及其合作者报道了一种以柚皮苷为原料，大批量生产新橙皮苷二 氢查尔酮的详尽实用的方法【3 4 1 ，他们的方法分三步进行操作。第步是制备根 皮乙酰苯4 - 3 新橙皮苷：在碱性条件下反应，然后调p h 得产物；第二步是制备 新橙皮苷：将第一步产物与异香草醛发生羟醛缩合反应生成新橙皮苷；第三步 是制备新橙皮苷二氢查尔酮：在高压反应釜中，以骨架镍为催化剂，将新橙皮 苷催化氢化，再用浓盐酸调p h ，低温放置即有大量晶体析出，得新橙皮苷二氢 查尔酮。r o b e r t s o n 用核磁共振分析了产品，充分证明了该种方法是行之有效的。 吴厚玖和mc a l v a r a n o 等比较了在1 m p a 和3 m p a 两种氢压下，钯碳和骨架镍 对柚皮苷加氢的催化效果，研究表明钯碳优于骨架镍，所得产品的得率和纯度 1 7 第1 章前言 均较高，但是骨架镍具有价格上的优势，而且可以再生使用，催化效果也不错， 因此，这两种催化剂均可以用于黄烷酮的氢化【3 2 1 。 1 3 2 2 柚皮苷二氢查尔酮的合成 柚皮苷二氢查尔酮的合成与新橙皮苷二氢查尔酮方法类似，它是以柚皮苷 为起始原料，经开环、氢化得到柚皮苷二氢查尔酬35 1 。合成路线如图1 1 2 所示。 o r o ho 加氢还原 p d c 其中r 代表鼠李糖 h 卜 碱液 o ho o ho o h o h 图1 1 2 柚皮苷二氢查尔酮的合成路线 美国专利4 ，0 8 7 ，5 8 8 3 6 】报道了一种合成柚皮苷二氢查尔酮的具体方法，具体 步骤为将5 9 柚皮苷溶解于2 5 m l1 0 的氢氧化钠中，室温常压下加氢，催化剂为 5 0 0 m g 的钯碳。反应后得到的无色溶液用水稀释，去除催化剂，然后将得到的无 催化剂的液体通过a m b r l i t e2 0 0 柱去除溶液中的碱，蒸干得白色柚皮苷二氢查尔 酮晶体，熔点为1 6 9 一- 1 7 0 。 1 4 本论文的选题意义及主要内容 综上所述，柚皮中精油、果胶、类黄酮化合物及二氢查尔酮甜味剂具有广 泛的生物活性，在食品、药品等行业显示了诱人的应用前景。目前柚皮在多数 情况下作为垃圾被丢弃j 若能对其所含有效成分进行有效利用，不但能增加柚 子的经济附加值，而且还能减少环境污染，具有良好的社会效益和经济效益。 本论文对柚皮中的精油、果胶、生物类黄酮进行了连续提取，并合成了两种二 氢查尔酮类甜味剂。目的在于为柚皮中有效成分的工业化生产及其应用提供一 1 8 第1 章前言 些参考思路。 fi，_精油 nl 水蒸气蒸馏ll l 田俄l 幽 一1 | l 油硅i 微波辅助酸提醇沉 l 一一l 、一l ”。1 5i 、甲 超声波辅助 有机溶剂提取 | 柚皮昔二氢查尔酮