氧基类胡萝卜素的制备方法

专利名称：氧基类胡萝卜素的制备方法
氧基类胡萝卜素的制备方法
背景技术：
虾青素天然存在于不同的海藻、细菌、真菌和一些动物中，经常与蛋白质形成某些类型的复合物；还在例如年生侧金盏花(Adonis annua L.)的植物以及还在例如红鹤、鹌鹑的一些鸟类和其他物种中发现了虾青素。另外，虾青素可以以游离形式或作为单酯或二酯的衍生物被发现。通常在其天然来源发现的这种类胡萝卜素的量及其有限，出于这个原因已经采用其他另外的天然来源用于商业目的，所述天然来源例如磷虾、加壳类动物副产物、基因工程的万寿菊以及其他。另外，由法夫酵母(Phaffia rhodozyma)和雨生红球藻(haematococcus pluvialis seaweed)的发酵粉提取物分离的虾青素的使用也在增加。微藻类的绿球藻 (Chlorococcum sp.)似乎是虾青素以及其他类胡萝卜素例如角黄素和金盏花黄素有希望的来源。这种类胡萝卜素一般用于一些无法从头合成该类胡萝卜素的鲑鱼的色素沉着，由此给其赋予市场偏爱的粉红色。还发现了其在甲壳类动物色素沉着中的应用，虽然在这些动物中其免疫刺激剂和抗氧化剂的活性认识的最多；当它们集中培养时，这能够显著影响它们的健康并由此导致更高的存活率。其他氧化类胡萝卜素，如角黄素、海胆酮以及金盏花黄素，实际上用于相同的目的。已经证明虾青素显示出优于大多数类胡萝卜素(J. Agric. Food Chem. 48，1150)的抗氧化剂活性，因此当前还将其成功的用于人类消费。在试验动物和临床研究所证明的其各种生物活性中均涉及虾青素强效的抗氧化剂特性。虾青素在人类健康和营养领域具有重要的潜在和有前景的应用。虾青素最显著的活性包括其抗氧化特性和抗炎特性，其对癌症、 糖尿病、免疫系统和眼部健康的作用，促进人类健康，包括食用虾青素对血压、中风和血管性痴呆的抗高血压和神经保护潜能以及作用(J Nat Prod.，69，443)。几十年来虾青素是由诸如DSM(Roche)和BASF的公司使用长时间和昂贵的过程合成以异构体(3R，3' R)、(3R，3' S)和(3S，3' S)的外消旋混合物的形式获得，导致这种类胡萝卜素变得非常昂贵。合成虾青素与生物体产生的虾青素是相同的分子，其分别由异构体(3S，3S' )、(3R，3R')和(3R，3R)的 1 2 1 混合物组成。然而，在1967年宣布由虾红素获得虾青素(Chem Comm. 49)，并且除使用甲硅烷基化试剂由鸡油菌素合成虾青素(J. Org. Chem. 43，1599)外通过氧化玉米黄素二甲基醚 (J. Org. Chem.，32. 180)也获得了虾青素二甲基醚。更近时候出版的消息也是关于在单一步骤中使用例如溴酸钠或过氧化氢的氧化剂由玉米黄素获得虾青素取得了相对成功，虽然产量非常小(US6, 372，946，US 6，376，717，MX PA03009685)，所报道的产量在 20%和 30%之间。后来报道了作为食品着色剂的虾青素的合成(ES 2223270)，通过控制反应产生类胡萝卜素芳基酯或氧基甲基醚。所得化合物在含水介质中被铬VI、锰的盐或络合物以及这些的混合物氧化。类似的过程较早被Torres-Cardona报道，使用酯化的玉米黄素产生酯化的虾青素(US7^1749)，主要使用玉米黄素二乙酸酯作为原料。因此，如今发现的由另一种类胡萝卜素合成虾青素的实例非常有限，如上所述。在以玉米黄素作为底物的情况下，主要由于其羟基对几乎任何氧化剂敏感导致高度降解的合成过程，由此产量非常低。因此本文描述的方法包括另外的步骤，其由以下组成首先保护玉米黄素的羟基，然后在所提及的技术下进行同时脱保护和氧化的步骤，产生高产量的虾青素，包括使用催化剂和相转移剂来改善氧化步骤。如果省略保护基团的步骤，则会得到海胆酮、金盏花黄素以及其他类胡萝卜素。用于获得用作本文所述方法原料的玉米黄素的一些主要天然来源(Mjilata等) 是黄玉米、橙色甜椒、橘子汁、蜜露、芒果、转基因万寿菊和鸡蛋蛋黄。在凤凰木(Delonix regia,Gul Mohr)花的花药中玉米黄素占总类胡萝卜素的大约90%。玉米黄素还是冷压黑莓(cold-pressed marionberry)、波森莓、红覆盆子和蓝莓种子油中的主要类胡萝卜素。还在杏、桃、罗马甜瓜和各种粉红葡萄柚(红宝石无籽)的萃取物中鉴别到玉米黄素。辣椒黄素和玉米黄素之间在立体化学上的联系和这两种色素在辣椒属(Capsicum sp.)中的同时存在提示二者之间紧密的生源关系。在红色、橙色和黄色品种的辣椒 (Capsicum annuum)中，玉米黄素分别占总色素含量的大约6. 5%,7. 3%和15. 9%。在玉米中，角质胚乳中发现最多的是叶黄素。估计总叶黄素的含量为llmg/kg至 30mg/kg。薄叶西方雪果(枸杞子(Lycium Chinese))，一种在中药中用于改善视力的小果含有的玉米黄素二棕榈酸酯的浓度可接近lg/kg湿重。在微生物叶黄素来源中，据报道黄杆菌(FlavcAacterium sp.)基本上产生玉米黄素作为其唯一的类胡萝卜素。由黄杆菌形成的色素由95%至99%的玉米黄素组成。黄杆菌产生的玉米黄素与玉米(Zea mays.)产生的玉米黄素相同。草生欧文菌(Erwinia herbicola)，一种非光合作用的细菌，呈现黄色是因为极性类胡萝卜素的积累，主要是玉米黄素的单和二葡萄糖苷。绿藻Neospongiococcum excentricum显示产生多达0. 65%的叶黄素(干基质量)。一种由杜氏盐藻(Dimaliella salina)产生的过量生产玉米黄素的突变株zeal可被考虑用于商业开发。玉米黄素是集包藻(Synechocystis sp. )PCC6714外膜的天然成分。据报道微藻类的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)产生生物活性类胡萝卜素玉米黄素。蓝绿色藻类的螺旋藻(Spirulina)也具有作为其类胡萝卜素之一的玉米黄素。kaxanthinibacter enoshimensis是产生玉米黄素的黄杆菌科家族的海洋细菌，由日本江之岛的海水分离。Mesoflavibacter zeaxanthinifaciens是另一种新的产生玉米黄素的黄杆菌科家族的海洋细菌。红色藻类珊瑚藻(Corallina officinalis), C. elongate 和Jania sp.的类胡萝卜素据报道主要由胡萝卜素、玉米黄素、岩藻黄素、9_顺式-岩藻黄素、岩藻黄醇、9-顺式-岩藻黄醇和2差向异构玉米黄质组成。共生的蓝绿藻 Cyanophoraparadoxa禾口灰胞藻(Glaucocystis nostochinearum)仅合成 β-古月萝卜素禾口玉米黄素。据报道蓝藻细菌的巢状倒囊蓝细菌(Anacystis nidulans)的类囊体具有玉米黄素作为其主要的类胡萝卜素之一。巴夫杜氏藻(Dunaliella parva)、星丝藻(Erythrotrichia carnea)、巴氏杜氏藻(Dunaliella bardawil)、原绿藻(Prochloron sp.)禾口Pleurochloris commutata是玉米黄素的其他微生物来源中的一些。另外，还有合成制备的玉米黄素。其主要是由反式-玉米黄素和微量的顺式-玉米黄素、12 ‘ -apo-zeaxanthinal、娃藻黄素禾口 parasiIoxanthin 组成。由合成方法制备玉米黄素具有几项缺点它们通常需要很多的反应步骤，每个步骤的产量都小于100%，以至于多步骤方法最终的玉米黄素的终产量往往相对较少。另外， 化学合成往往会产生不需要的玉米黄素的S-S和S-R立体异构体，以及各种转化产物，例如氧化的玉米黄素和在直链部分或末端环上丢失一个或多个双键的玉米黄素分子。由黄体素(主要来源于万寿菊提取物)异构化获得的半合成玉米黄素是必须考虑的。在这些情况中作为一般原则，在强碱存在的情况下相对长时间的加热黄体素。但是这种异构化反应并不进行至完成。由于在强碱反应条件下水的消除，形成无水次级产物(Pure Appl. Chem.，74，1369)。天然来源的黄体素通常伴随有(3R，3' R)-玉米黄素并且总是具有(3R，3' R， 6' R)手性，并且由黄体素制备的玉米黄素必然具备(3R，3'幻手性，这是ε排列的主要缺点(US 6420614)，但是能够用作氧化步骤的底物。发明概述本发明描述了使用甲硅烷基醚作为玉米黄素的保护基团，例如-O-Si(CH3) 3、-O-Si (CH2-CH3)3^ -O-Si (异丙基)3、-O-Si (CH2CH3)2 (异丙基)、-O-Si (CH3)2(叔丁 基)、-0-Si(CH3)2 (正己基)等。保护基团可通过水解再次转化为羟基。为了避免所述羟基的过度氧化，这样的保护是必需的。随后将甲硅烷基衍生物置于脱保护和氧化过程中，如果使用催化剂和相转移剂，则可在单一步骤过程中通过所述脱保护和氧化过程产生高产量的虾青素。在优选的催化剂和相转移剂存在的情况下，一些优选的氧化系统是碘代苯甲酸、 过氧化镍、Jones试剂、Collins试剂、氯铬酸吡啶(PCC)、氯铬酸双吡啶、苄基-三甲基-氯铬酸铵、氟铬酸吡啶、重铬酸吡啶、氯铬酸三甲基甲硅烷基酯、铬酸、HOBr, HOCI, N-溴代琥珀酰亚胺；次氯酸盐，如叔丁基次氯酸盐、次氯酸钠或次氯酸钙、次氯酸四丁基铵；N-氯代琥珀酰亚胺、高氯酸盐、溴酸盐、氯酸盐、碘酸盐和高碘酸盐、二氧化锰、高锰酸钾、2，3-二氯代-5，6-二-氰基醌、对氯醌、氧化银、碳酸银、四乙酸铅、异丙醇铝、过苯甲酸和其卤化衍生物等。三甲基甲硅烷氧基(TMS-O)基团、三乙基_、叔丁基二苯基_、叔丁基二甲基甲硅烷氧基和商购的甲硅烷基化等同物的混合物优选用于保护玉米黄素中的羟基。在温度范围为-30°C至室温的非常温和的反应条件下并在例如碘盐和溴盐的卤化催化剂存在下进行该方法；二氧化硒、五氧化二钒和四氧化锇、硝酸高铈铵、硫酸高铈、四氧化钌、三氯化钌及其混合物也是适用的。本发明的基本目标是提供从玉米黄素获得70%或更高产量的虾青素的方法，因此使得提供与目前世界市场流通的产品相比更经济和具有相同质量的产品成为可能。由此制备的虾青素可用于水产业、家禽饲养和作为人类消费的营养制品；主要用于鲑鱼、甲壳类动物和其他水生物种的色素沉着。本发明的另一个目标是当使用异玉米黄素时提供获得诸如金盏花黄素、隐黄素和角黄素的氧化类胡萝卜素的方法。流程1显示当玉米黄素的羟基得到保护时其转化为虾青素是如何发生的。
权利要求
1.一种由玉米黄素制备虾青素的方法，其中使用玉米黄素的羟基的保护剂，之后加入氧化剂、催化剂和相转移剂，在单一步骤过程中同时发挥脱保护和氧化作用以获得虾青素。
2.根据权利要求1所述的方法，其中玉米黄素可以来自合成、天然或半合成来源。
3.根据权利要求1所述的方法，其中玉米黄素的羟基的保护基团是甲硅烷基醚。
4.根据权利要求3所述的方法，其中保护基团是甲硅烷基衍生物，例如三乙基二苯基甲硅烷氧基、叔丁基二苯基甲硅烷氧基、叔丁基二甲基甲硅烷氧基、三甲基甲硅烷氧基或类似物或其混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中优选的氧化剂可以选自碘代苯甲酸、过氧化镍、 Jones试剂、Collins试剂、氯铬酸吡啶(PCC)、氯铬酸双吡啶、苄基-三甲基-氯铬酸铵、氟铬酸吡啶、重铬酸吡啶、氯铬酸三甲基甲硅烷基酯、铬酸、次卤酸、N-溴代琥珀酰亚胺；次氯酸盐，如叔丁基次氯酸盐、次氯酸钠或次氯酸钙、次氯酸四丁基铵；N-氯代琥珀酰亚胺、高氯酸盐、溴酸盐、氯酸盐、碘酸盐和高碘酸盐、二氧化锰、高锰酸钾、2，3-二氯代-5，6-二-氰基醌、对氯醌、氧化银、碳酸银、四乙酸铅、异丙醇铝、过苯甲酸和其卤化衍生物。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所使用的催化剂可以为诸如碘盐和溴盐的卤化催化剂、氯化铁、二氧化硒、五氧化二钒和四氧化锇、硝酸高铈铵、硫酸高铈、四氧化钌、三氯化钌或其混合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中相转移剂包括如十六烷基三甲基溴化铵和类似物的季铵盐、季膦盐、锍盐或其混合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中有机溶剂是吡唆，虽然可以使用诸如四氯化碳、二氯甲烷和氯仿的卤代烃。
9.根据权利要求1和8所述的方法，其中可使用诸如乙酸、水或乙腈的共溶剂，包括苯和其卤代衍生物或其混合物。
10.根据权利要求1、3和4所述的方法，其中甲硅烷基化试剂以每份玉米黄素10份的比例使用，优选以每份玉米黄素4份和6份之间的比例使用。
11.根据权利要求1和5所述的方法，其中氧化剂以每份含有玉米黄素的底物3份至5 份的比例使用，虽然优选地每份玉米黄素0. 5份至2份的氧化剂将被使用。
12.根据权利要求1所述的方法，其中保护玉米黄素的羟基的反应的温度设定在-30°C 和30°C之间，虽然所述反应可在-15°C和15°C之间进行，但是优选在0°C和10°C之间进行。
13.根据权利要求1和12所述的方法，其中反应时间设定在15分钟和M小时之间，虽然所述反应可以进行8小时和18小时之间的时间，但是优选进行2小时和5小时之间的时间。
14.根据权利要求1所述的方法，其中玉米黄素的脱保护和氧化的反应温度设定在-30°C和30°C之间，虽然所述反应可在-15°C和15°C之间进行，但是优选在0°C和10°C之间进行。
15.根据权利要求1和12、13和14所述的方法，其中脱保护和氧化的时间为15分钟和 24小时之间，虽然所述反应可以进行8小时和18小时之间的时间，但是优选进行2小时和 5小时之间的时间。
16.根据权利要求1所述的方法，其中在极性溶剂存在下使获得的虾青素处于热异构化过程。
17.根据权利要求1所述的方法，其中当使用异玉米黄素作为氧化底物时获得角黄素。
18.根据权利要求1和16所述的方法，其中异构化温度可以是在40°C和70°C之间。
19.根据权利要求1和16所述的方法，其中极性溶液可以是C2-C5醇或酮，优选丙酮。
20.根据权利要求1所述的方法，可以在大气条件或惰性气氛中进行。
21.根据权利要求1所述的方法，其中获得的虾青素可以用于鲑鱼、甲壳类动物和鸟类的色素沉着。
22.根据权利要求1所述的方法，其中获得的虾青素可以在鲑鱼、甲壳类动物和鸟类中用作抗氧化剂和免疫刺激剂。
23.根据权利要求1所述的方法，其中获得的虾青素可以用作人类消费的营养食品。
24.根据权利要求1所述的方法，其中获得的虾青素可以用于喂养宠物的配制品。
全文摘要
描述了一种由合成或天然来源的玉米黄素(3，3′-二羟基-β，β-胡萝卜素-3，3′-二醇)的甲硅烷基化衍生物制备虾青素(3，3′-二羟基-β，β-胡萝卜素-4，4′-二酮)的高产量方法。
文档编号C07C403/24GK102272098SQ200880131985
公开日2011年12月7日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者丹尼罗·威兹卡拉冈萨雷兹, 马里奥·大卫·托雷斯卡多纳 申请人:英诺瓦安迪纳公司