本發(fā)明涉及生物醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種植物甾醇酯及其低溫制備方法。
背景技術(shù)：
植物甾醇，又稱植物固醇，屬甾類化合物，是以環(huán)戊烷多氫菲為骨架(又稱甾核)的一類天然活性物質(zhì)，廣泛存在于各種植物油、堅(jiān)果和植物種子中，也存在于其它植物性食物和蔬菜水果中，種類繁多，主要包括β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇，其中β-谷甾醇含量最高，大約占總甾醇的50～90％，是油脂不皂化物的主要成分。
植物甾醇是國際營養(yǎng)學(xué)會推薦的未來十大功能性營養(yǎng)成分之一。作為一種天然植物性食品添加劑，在人體小腸中，植物甾醇能夠抑制膽固醇的吸收，從而可以有效降低血液中總膽固醇濃度和低密度脂蛋白膽固醇的含量，但是并不降低對人體有益的高密度脂蛋白膽固醇的含量，并且沒有任何副作用，被美國食品及藥物管理局(FDA)認(rèn)可為“降低血脂、預(yù)防動脈硬化”的天然保健食品新原料，是預(yù)防心腦血管疾病“生命的鑰匙”。但植物甾醇在水中幾乎不溶，在油中的溶解度也很小，一般情況下在40℃其溶解度小于2％，而當(dāng)添加量大于2％時，其只能以片劑或膠囊形式攝入，因此作為食品添加劑形式應(yīng)用時就比較困難，或者效果不佳。
植物甾醇酯是植物甾醇通過其C-3位羥基與脂肪酸或脂肪酸甲酯等化合形成的植物甾醇衍生物，具有和植物甾醇相同的生理活性功能。植物甾醇酯比植物甾醇油溶性更好，熔點(diǎn)更低，能夠解決植物甾醇在食品應(yīng)用中的限制問題，提高了生物利用率，而且可改變其加工使用性能，是一種理想的新型功能性食品基料。
目前，對植物甾醇酯的合成方法已進(jìn)行了諸多研究，主要有化學(xué)催化合成法(化學(xué)法)和生物催化合成法(酶法)：
US0015347公開了一種利用菜油甲酯與植物甾醇制備植物甾醇酯的方法，反應(yīng)過程以甲醇鈉為催化劑，甲醇鈉的強(qiáng)腐蝕性和制備過程中的副產(chǎn)物甲醇，使其不能用于食品添加劑；
US0068425公開了一種富含油酸的植物甾醇酯的制造方法，但其在制造過程中應(yīng)用到污染較大的二氯亞砜做催化劑，而且其操作條件苛刻，難于工業(yè)化生產(chǎn)；
EP195311描述了脂肪酶催化脂肪酸、植物甾醇直接酯化合成甾醇酯的方法，其反應(yīng)體系為含水的有機(jī)溶劑。直接酯化法優(yōu)點(diǎn)是可得到單一脂肪酸甾醇酯，方便地調(diào)整產(chǎn)品熔點(diǎn)等特性，并可實(shí)現(xiàn)功能性多不飽和脂肪酸與甾醇的協(xié)同增效作用；
US0020098536公開了以大豆油脫臭物為原料，脂肪酶催化植物甾醇、甘油三酯轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)生成混合脂肪酸甾醇酯的方法。該法可原位生產(chǎn)(脫臭物無需分離即可直接作為反應(yīng)原料，不需要純的甾醇、脂肪酸做原料)，成本低?？傮w來講，生物催化劑專一性強(qiáng)，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物特性好，環(huán)境友好。但催化活性不高，容易失活，成本較高，尚不能滿足工業(yè)化需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種植物甾醇酯低溫制備方法，以克服化學(xué)催化合成法(化學(xué)法)反應(yīng)溫度過高對植物甾醇的影響，同時克服生物催化合成法(酶法)制備時的單一性問題。本發(fā)明工藝既有化學(xué)催化合成法(化學(xué)法)的高效反應(yīng)時間，又有生物催化合成法(酶法)制備的溫和反應(yīng)條件，減少能源消耗，利于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還在于提供上述方法制得的植物甾醇酯，以克服化學(xué)催化合成法(化學(xué)法)反應(yīng)溫度過高對植物甾醇的影響，同時克服生物催化合成法(酶法)制備時的單一性問題。本發(fā)明制備得到的植物甾醇酯純度達(dá)95％以上。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
一種植物甾醇酯的低溫制備方法，包括如下步驟：
(1)酯化反應(yīng)：以植物甾醇和脂肪酸為原料，加入溶劑溶解植物甾醇和脂肪酸，再加入催化劑進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)過程中溶劑蒸發(fā)冷凝后除水回流；
(2)酸堿中和：在所述步驟(1)酯化反應(yīng)結(jié)束后加入中和劑中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體物，真空蒸干溶劑即得植物甾醇酯；
所述步驟(1)中，所述植物甾醇包含β-谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇、菜籽甾醇中的一種或多種，并且其中植物總甾醇含量90％以上；
所述步驟(1)中，所述溶劑為符合以下條件的有機(jī)溶劑：A.易溶植物甾醇和脂肪酸，并且不與植物甾醇或脂肪酸發(fā)生反應(yīng)；B.與水能形成共沸并且所述溶劑與水的共沸混合物的沸點(diǎn)為30～65℃；C.冷凝成液體后與水分層形成互不相溶的兩相；D.不與產(chǎn)物植物甾醇酯形成共沸且不會影響催化劑活性。
所述步驟(1)中，所述酯化反應(yīng)在所述共沸混合物的沸點(diǎn)下進(jìn)行，并且所述溶劑在所述溶劑與水共沸時蒸發(fā)。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述植物甾醇采用商業(yè)可購買的植物甾醇商品，并且商品中植物總甾醇含量在90％以上。
更優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述原料植物甾醇采用中糧天科生物工程(天津)有限公司生產(chǎn)的商品，其中植物總甾醇含量有90％和95％兩種規(guī)格。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述脂肪酸為C14～C20的飽和脂肪酸或不飽和脂肪酸中的一種或多種。
更優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述脂肪酸為大豆脂肪酸、亞油酸、菜油脂肪酸中的一種或多種。
最優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述脂肪酸為益海嘉里投資有限公司生產(chǎn)的大豆脂肪酸、亞油酸、菜油脂肪酸的一種或多種。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，植物甾醇和脂肪酸的投料量摩爾比為1:1～1.2。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述溶劑為二氯甲烷、石油醚、己烷、戊烷中的任意一種。所述石油醚沸程選擇為30～60℃。
更優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述溶劑為二氯甲烷或石油醚。所述石油醚沸程選擇為30～60℃。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，溶劑投料量為植物甾醇的3～8倍(v/m)。
上述技術(shù)方案中，“溶劑投料量為植物甾醇的1倍(v/m)”是指1g植物甾醇投入1ml溶劑。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述催化劑為對甲苯磺酸或濃硫酸。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，催化劑投料量為植物甾醇的0.1～5％(m/m)。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述酯化反應(yīng)溫度為30～65℃，反應(yīng)時間為6～15h。
優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述中和劑為氧化鈣或碳酸鈣。
由于酯化反應(yīng)的活化能較高，同時也有微量的熱效應(yīng)，因此需要適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖鸵欢ǖ臏囟葋硖岣叻磻?yīng)速度，縮短達(dá)到平衡的時間，以提高酯化反應(yīng)速度。酯化反應(yīng)催化劑大體可分為以下幾類，一是一般酸型催化劑，二是固體酸催化劑，三是均相雜多酸催化劑，四是超強(qiáng)酸催化劑。目前對各類催化劑的催化機(jī)理還不完全清楚，部分催化劑的使用還不能完全工業(yè)化，所有這些問題都有待于人們的進(jìn)一步探索和研究。提高酯化反應(yīng)效率的另一種技術(shù)方案就是升高反應(yīng)體系的溫度，但反應(yīng)體系溫度升高后又會促使副反應(yīng)產(chǎn)生，如醇的脫水、酯的水解等，所以溫度過高對酯化反應(yīng)不利。
從化學(xué)平衡的原理可知，酯化反應(yīng)體系中產(chǎn)物水和酯的濃度增加對酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率有不利的影響，所以及時把產(chǎn)物水和酯從反應(yīng)體系中轉(zhuǎn)移，是提高酯化反應(yīng)效率的另一種手段。為了及時的連續(xù)的不斷脫除反應(yīng)生成的水，目前已經(jīng)有分子篩吸附、膜分離吸水、負(fù)壓共沸等技術(shù)，但這些技術(shù)措施均均在一些缺陷。分子篩吸附法方便易行，效果明顯，在實(shí)驗(yàn)室研究中常常采用，但由于吸附飽和后的分子篩的再生需要專用的設(shè)備和工藝，投資成本很高，因而無法應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中。膜分離吸水法理論上可行，但由于存在膜的堵塞、老化及使用壽命等方面的問題，因而實(shí)現(xiàn)起來尚有困難。采用叔戊醇、叔丁醇之類不影響催化劑活性，又可與生成的水形成共沸混合物的有機(jī)溶劑做反應(yīng)媒介兼帶水劑，以負(fù)壓共沸蒸餾的方式將水帶走，是一種不錯的選擇，但遺憾的是，所形成的共沸混合物冷凝后不分層，因而無法實(shí)現(xiàn)水的連續(xù)分離和溶劑的連續(xù)循環(huán)回用，蒸出的含水溶劑必須經(jīng)過專門的干燥處理才能回用。含水溶劑的干燥處理成本大大限制了此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。
本發(fā)明合成植物甾醇酯以低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑為反應(yīng)媒介，同時兼具帶水劑的作用，能與水形成共沸使得能在較低的溫度(30～65℃)下將水帶出反應(yīng)體系，使得平衡不斷的朝合成植物甾醇酯的方向進(jìn)行，在保證植物甾醇高轉(zhuǎn)化率的同時反應(yīng)條件又較為溫和，無需在反應(yīng)體系中通入氮?dú)獾缺Ｗo(hù)性氣體。本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)之一反應(yīng)溶劑的選擇基于以下考慮：易溶植物甾醇和脂肪酸，并不與其發(fā)生反應(yīng)，沸點(diǎn)低(植物甾醇在高于80℃時易氧化，因此選用的溶劑沸點(diǎn)要盡可能低，如本發(fā)明選用的二氯甲烷或沸程30～60℃的石油醚，與水能形成共沸，冷凝成液體后與水分層，形成互不相溶的兩相，同時不與產(chǎn)物植物甾醇酯形成共沸且不會影響催化劑活性。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)條件溫和，整個反應(yīng)均在低溫(30～65℃)下進(jìn)行，副反應(yīng)少，產(chǎn)品色澤好，同時溶劑與水在此溫度下形成共沸，隨著溶劑的蒸發(fā)，體系中的水隨之被帶走，保證了植物甾醇的高轉(zhuǎn)化率；
(2)工藝適用性廣，原料均為普通化工原料，易采購，工藝流程短，成本低，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；
(3)所用溶劑沸點(diǎn)低，易回收利用，能耗小，環(huán)境污染少；
(4)所用中和劑氧化鈣或碳酸鈣，其本身不溶于溶劑，能對催化劑和多余脂肪酸進(jìn)行中和，只要過濾掉中和反應(yīng)生成的不溶性固體物就能去除反應(yīng)體系中的催化劑和多余的脂肪酸，不會對產(chǎn)品造成影響。工藝過程短、操作簡便，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
以下實(shí)施例中采用的植物甾醇為中糧天科生物工程(天津)有限公司生產(chǎn)的商品，其中植物總甾醇含量有90％和95％兩種規(guī)格；脂肪酸為益海嘉里投資有限公司生產(chǎn)的商品。
實(shí)施例1
取原料植物甾醇100g(植物總甾醇含量95％)，大豆脂肪酸70g，加入溶劑二氯甲烷300ml，溶解原料植物甾醇，再加入催化劑對甲苯磺酸1g，酯化反應(yīng)溫度為42℃，反應(yīng)6h，反應(yīng)過程中于42℃蒸發(fā)溶劑，冷凝后除水回流。反應(yīng)結(jié)束后加入2g氧化鈣中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體，真空蒸干溶劑，得到植物甾醇酯163g，經(jīng)GC-MS測定植物甾醇酯純度達(dá)到97.3％。
實(shí)施例2
取原料植物甾醇100g(植物總甾醇含量90％)，大豆脂肪酸70g，加入溶劑石油醚800ml，溶解原料植物甾醇，再加入催化劑對甲苯磺酸1g，酯化反應(yīng)溫度為30℃，反應(yīng)10h，反應(yīng)過程中于30℃蒸發(fā)溶劑，冷凝后除水回流。反應(yīng)結(jié)束后加入2g氧化鈣中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體，真空蒸干溶劑，得到植物甾醇酯164g，經(jīng)GC-MS測定植物甾醇酯純度達(dá)到96.6％。
實(shí)施例3
取原料植物甾醇100g(植物總甾醇含量90％)，亞油酸70g，加入溶劑二氯甲烷500ml，溶解原料植物甾醇，再加入催化劑對甲苯磺酸0.1g，酯化反應(yīng)溫度為42℃，反應(yīng)15h，反應(yīng)過程中于42℃蒸發(fā)溶劑，冷凝后除水回流。反應(yīng)結(jié)束后加入2g氧化鈣中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體，真空蒸干溶劑，得到植物甾醇酯163g，經(jīng)GC-MS測定植物甾醇酯純度達(dá)到96.7％。
實(shí)施例4
取原料植物甾醇100g(植物總甾醇含量95％)，菜油脂肪酸70g，加入溶劑石油醚300ml，溶解原料植物甾醇，再加入催化劑濃硫酸1g，酯化反應(yīng)溫度為40℃，反應(yīng)8h，反應(yīng)過程中于40℃蒸發(fā)溶劑，冷凝后除水回流。反應(yīng)結(jié)束后加入2g碳酸鈣中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體，真空蒸干溶劑，得到植物甾醇酯161g，經(jīng)GC-MS測定植物甾醇酯純度達(dá)到98.1％。
實(shí)施例5
取原料植物甾醇100g(植物總甾醇含量95％)，大豆脂肪酸70g，加入溶劑二氯甲烷300ml，溶解原料植物甾醇，再加入催化劑對甲苯磺酸0.5g，酯化反應(yīng)溫度為42℃，反應(yīng)12h，反應(yīng)過程中于42℃蒸發(fā)溶劑，冷凝后除水回流。反應(yīng)結(jié)束后加入2g碳酸鈣中和催化劑及多余的脂肪酸，過濾去除不溶性固體，真空蒸干溶劑，得到植物甾醇酯165g，經(jīng)GC-MS測定植物甾醇酯純度達(dá)到97.7％。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。