专利名称：叶黄素的转化方法
技术领域：
本发明涉及胡萝卜醇，特别是叶黄素转化为玉米黄质的方法。
众所周知，胡萝卜醇叶黄素和玉米黄质属于类胡萝卜素的一大类物质并且做为天然色料在自然界分布很广。它们主要存在于高等植物、藻类、鱼类、壳类和细菌中。叶黄素和玉米黄质通常以酯化物的形式在同样的原料中存在，但是叶黄素和玉米黄质的比例随原料的不同有很大的变化。因为当它们同时在植物如甜瓜和金盏花[万寿菊(T)、孔雀草和其它万寿菊类]以及在藻类中存在时，通常叶黄素的含量要远比玉米黄质为大。应当提出的一个例外是在玉米中玉米黄质的量比叶黄素的量要大，前者在玉米粒中甚至是类胡萝卜素的主要代表。此外，叶黄素和玉米黄素的立体异构现象取决于来源。在植物原料中(3R，3＇R，6＇R)-叶黄素或(3R，3＇R)-玉米黄质是主要的，但在动物来源中，如在鱼和壳类，叶黄素是以(3R，3＇R，6＇R)-，(3R，3＇R，6＇S)-和(3R，3＇S，6＇S)-的形式而玉米黄质则是以(3R，3＇S)-和(3S，3＇S)-的形式而存在。
做为类胡萝卜素，叶黄素和玉米黄质相应地特别用做色料，如用于蛋黄、家禽的外皮(如，皮肤、腿和喙)和皮下脂肪、肌肉、以及鱼和壳类的外皮(皮肤、鳞和壳)中，也可用于食物中。在很多用途中优选地采用玉米黄质，因为在剂量相当时，它比叶黄素能给出更浓的金黄色。
当采用含两种类胡萝卜醇的植物性原料如万寿菊或其任选已预先皂化的萃取物做为所需要的玉米黄质的原料时，那就明显地更为经济和方便。如果可能的话，首先把叶黄素化学转化成玉米黄质，然后用萃取的方法把后者从混合物中分出来，而不是不预先转化就萃取。用化学方法把纯的或接近纯的叶黄素转化成玉米黄质也有重要的经济意义。
众所周知，把叶黄素转化成玉米黄质可以在强碱条件下进行，从科学文献中已知各种适当的转化方法。早在1946年Karrer和Jucker在一个真空弹管的乙醇-苯混合物中与乙醇钠在100-110℃下加热30小时实现了天然叶黄素(叫做胡萝卜醇)的异构化而得到了玉米黄质[见瑞士化学记录30，266-267(1947)]。但是，玉米黄质的收率很低。这样，首次未怀疑下式的叶黄素(未给出详细的结构)
是有目的地化学转化成下式的玉米黄质，
此时，在ε-环的孤立双键[(I)，右部)]转移至与分子其余的双键共轭的位置[(II)，右部β环]。以后[1959，见生物化学，生物物理档案材料。88，59-63(1960)]，Karg/和Quacken-bush完成了相似的碱-催化转化δ-胡萝卜素(δ，φ-胡萝卜素)成为γ-胡萝卜素(β，φ-胡萝卜素)。但是，Buchecker等人未能满意地重复Karrer和Jueker以前的工作[化学26，3号134-136(1972)]。Andrews在斯堪的纳维亚化学记录B28，1号，137-138(1974)中报告了叶黄素异构化成玉米黄质的方法，这是在一个封闭管中，氮气存在下，在118℃下加热叶黄素和甲醇钾在甲醇的二甲基亚砜中的溶液20分钟，给出的收率只有10-15％。在接着的一篇文章中(出处同上，139-140页)Andrewes，Borch及Liaaen-Jensen提到异构化是(3R，3＇R，6＇R)-叶黄素转化成(3R，3＇S)-玉米黄质。Andrewes方法的不利之处不只是玉米黄质的收率不好，而且对其进行再处理结果还发现不只是玉米黄质还有叶黄素也产生了很多(Z)-异构体，因而反应是非选择性的。此外，在一个密闭的反应容器中进行异构化是一种不易控制的反应。甚至于在一个开口系统中-氩气保护下-结果当按以前那样用甲醇钾做碱之后，也会发生一种无法控制的(E)→(Z)异构化。
最近出现了另一相关文献，即PCT专利公开WO96/02594。它叙述了一种在受控的温度和压力条件下在强碱性溶液中叶黄素异构化成玉米黄质的方法。所用的碱是碱金属氢氧化物、氢氧化钙、碳酸钠、氢氧化铵或有机碱，特别是乙胺、乙醇胺或吗啉。只用水作为溶剂。据说用这种方法玉米黄质的收率由4.5％(在提出物中)提高到15.8％至24.0％；但是没有谈到异构反应产生了多少分解产物。同样地，这种收率也不适于工业生产。
本发明的目的是提高玉米黄质的含量或者是由含两种胡萝卜醇叶黄素和玉米黄质(每种也可以是酯化物)的天然产物或甚至由纯的或几乎纯的叶黄素制备尽可能高收率的玉米黄质。现已令人惊异地发现，这一目的可以通过具体选择反应条件，尤其是溶剂和碱的选择来实现。玉米黄质的收率的提高是这种选择起着决定性的作用。
本发明提供了一种用碱-催化异构化使天然的叶黄或其酯转化成玉米黄质的方法。该方法包括把预处理或未预处理过的天然含叶黄素的产物或纯叶黄素在碱金属氢氧化物水溶液与二甲基亚砜或与一种饱和烷烃和/或芳烃的有机溶剂的混合物中加热超过约50℃。当采用烃类有机溶剂进行本方法时，要加入相转移催化剂。
在天然的含叶黄素的产物中，优选采用一种来源于植物的含叶黄素的原料，该原料通常可以化学预处理过，如经过皂化，或不预处理。这种原料可以是一种浓缩物或萃取液，可以是一种研细的粉末或一种液体或一种树脂状物(“含油树脂”)。金盏花(万寿菊等)的黄色或橙色花的粉末或萃取物中不仅(主要)含叶黄素，还含玉米黄质，因而特别优选用于此目的。根据Quackenbush等人[分析化学工作者协会杂志(J.AOAC)，55(3)，617-621(1972)]，在这类原料中叶黄素玉米黄质的比例约为72-88∶16-4。其中胡萝卜醇主要以棕榈酸酯、肉豆蔻酸酯和硬脂酸醌的形式存在[W.Gau等人，色谱法杂志262，277-284(1983)]。优选地把叶黄素转化成游离的形式，因而在原料用于本发明方法之前通常可以预先把这些酯类皂化成游离的叶黄素。用于这种目的的皂化和酶催化水解是已知的技术(例如，见美国专利3,535,138和3,783,099)。万寿菊属的粉末(花)及其皂化以及未皂化的萃取物很久以来便可在市场上购得，因而可用做本发明方法的原料。这类原料的例子有墨西哥公司ALCOSA和IOSA的已皂化的万寿菊属萃取物。ALCOSA公司的该产品“皂化的万寿菊浆(pasta saponificada amarillo)”是一种棕色的膏状物，其总胡萝卜醇的含量为2.7％，由约92.5％的叶黄素和约6.6％玉米黄质组成。而IOSA的产品“HI-GOLD 20”是一种绿黄色的粉末，含约0.96％的总胡萝卜醇(约65.5％叶黄素和约27.2％玉米黄质)(该百分量是面积的百分量)，这些结果是在分析了一定批次的生产批量而得到的，各批量之间会有变化，并用于以下的分析结果中。其它的原料有“FLORA GLO”[Kemin Ind.，衣阿华，美国约739g/kg总胡萝卜醇，其中约681g/kg由(全部-E-)-叶黄素组成，约58g/kg由(全部E)-玉米黄质组成]，“ORO GLO Layerdry”(己酯化，即未皂化的；也是Kemin Ind的产品；约19.4g/kg总胡萝卜醇约17.6g/kg叶黄素和约1.8g/kg玉米黄质)，“HI-GOLD 20 Lutexan”(IOSA；约16.3g/kg总胡萝卜醇约11.0g/kg叶黄素和约5.3g/kg玉米黄质)以及“XANTOPINAPLUS”(己酯化的，Bioquimex S.A.，墨西哥；约351g/kg总胡萝卜醇约330g/kg叶黄素和约21g/kg玉米黄质)。如果需要，为了浓缩这些胡萝卜醇市场买到的原料，在应用以前可以处理，如萃取，然后色谱分离，并可以任选地结晶。有代表性的浓缩方法包括用丙酮萃取原料，在硅胶上色谱分离，用己烷/乙酸乙酯混合物，然后用纯乙酸乙酯做洗提剂，浓缩所得到的级分，例如从二氯甲烷和甲醇的混合物中将所得固体进行结晶。用这种方法能够得到的结晶成分，例如，从100g“皂化万寿菊浆”(ALCOSA；含约2.7％总胡萝卜醇)约得到2.4g结晶物，其含约93％(全部-E)-(3R，3＇R，6＇R)-叶黄素和约7％(全部-E)-(3R，3＇R)-玉米黄质。这种产物是一种预处理过的天然含叶黄素的产物的例子。
按照本发明的方法可以用饱和烷烃和/或芳烃的(有机)溶剂来代替二甲基亚砜。可以是一种液态烷烃或一种芳烃，或两种或更多的这些烃类的混合物，如几种液态烷烃的混合物、几种芳烃的混合物或一种或多种烷烃与一种或多种芳烃的混合物。液态烷烃特别是至少5个碳原子、优选5-10个碳原子的直链或支链烷烃，如戊烷、己烷或庚烷。石油醚，优选高沸点石油醚是特别适用的烷烃混合物，苯和甲苯是特别适用的芳烃。
已知二甲基亚砜是溶于水的，因此可以容易地和碱金属氢氧化物形成水-有机溶液。相反地，烷烃和芳烃是(几乎)不溶于水，所以当用这类溶剂时就必需用一种相转移催化剂。
碱金属氢氧化物中合适的有氢氧化钠或氢氧化钾，优选后者，它们在水溶液中的合适浓度至少为3摩尔(M)。甚至可以采用饱和浓度的水溶液。该碱金属氢氧化物的浓度优选地在约7M至约14M范围以内。
氯化三辛基甲基铵(Aliquat(季铵氯化物)336)、硫酸氢四(正-丁基)铵、各种氯化烷基苄基二甲基铵(苯扎氯铵)、溴化苄基三(正-丁基)铵、和碘化三(正-丁基)甲基铵是本发明采用的相转移催化剂。氯化三辛基甲基铵是优选采用的相转移催化剂。
关于用量比例，通常每mol(计算的)胡萝卜醇约用10至约450mol碱(碱金属氢氧化物)以及-如果需要-约0.5至约5mol相转移催化剂，优选约200至约250mol碱，相应地约0.5至约1.5mol相转移催化剂。二甲基亚砜∶碱金属水溶液的体积比通常为约约4∶1至约1∶2，优选约2.5∶1至约1∶1。当采用饱和烷烃和/或芳烃的有机溶剂时，相应的有机溶剂∶碱金属水溶液的体积比通常约8∶1至约1∶2，优选约4∶1至约1∶1。因此，考虑到这些适当的比例和其它因素，特别是考虑到在经或未经预处理的天然含叶黄素产物中胡萝卜醇的数量和组成或叶黄素本身的量(原料)，通常每10g含胡萝卜醇的原料用约50至300ml溶剂-碱金属氢氧化物溶液混合物，优选为每10g约60至80ml。
考虑在温度过高和/或反应时间过长时，生成不希望的副产物以及所要求的玉米黄质易分解，本发明的转化反应要尽可能地在不超过120℃下进行，即该转化反应合宜地在约50℃至约120℃温度范围内进行，优选地在约80℃至约100℃范围内进行。
反应时间特别取决于反应温度、碱金属氢氧化物水溶液的用量和浓度、以及所用的有机溶剂的数量和性质。通常，时间约5至约65小时。但是，该转化时间优选不超过约24小时。
在上述基本反应条件下，不仅在提出物中存在的叶黄素以好的收率转化成所需的玉米黄质，而且可能存在的叶黄素和/或玉米黄质，如上述的棕榈酸酯、肉豆蔻酸酯和硬脂酸酯也大部分转化成单一的玉米黄质。
转化完成后，混合物的处理可以简单方便地把该混合物冷却至室温或约0℃，可以加入一种醇，优选甲醇或乙醇，过滤掉主要含浓缩的玉米黄质的固体物。此外，常用的精制技术，如萃取，柱色谱法和再结晶也可以采用。当用相转移催化剂时后面三种处理特别需要。用二氯甲烷和甲醇的混合物可以顺利地进行再结晶。
本发明用以下的实例说明。
实施例1原料的预处理300g“皂化万寿菊浆”[ALCOSA公司，23.9g/kg(全部-E)-叶黄素和3.1g/kg(全部-E)玉米黄质]悬浮在1.5升丙酮中，悬浮液在室温下搅拌30分钟。然后加入200g Dicalite(助滤剂；Dicalite Europe Nord S.A.)混合物再搅拌5分钟。得到的悬浮液经过一层Dicalite过滤，Dicalite层悬浮在780ml丙酮中，新的悬浮液在室温下搅拌30分钟。通过Dicalite层过滤后，滤饼每次用50ml丙酮洗共洗六次。合并的滤液在减压和35℃下浓缩，得到143g暗红色膏状物。
上述膏状物在1kg硅胶(筛目70-230)上进行色谱分离，用4升己烷/乙酚乙酯(2∶1)，然后用1.3升乙酸乙酯。乙酸乙酯的级分在减压和35℃下浓缩，给出20.6g红色，半结晶状油。此油在二氯乙烷/甲醇混合物中结晶，结晶物在高真空和37℃下干燥6小时。这样得到了6.37g(全部-E)-叶黄素和(全部-E)-玉米黄质(93∶6面积分数)的混合物。它是一种暗红色晶体。
实施例2叶黄素转化成玉米黄质一般步骤溶剂二甲基亚砜或液态烷烃或烷烃混合物加入装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的圆底烧瓶内所含的胡萝卜醇的物料中[例如按实例1得到的叶黄素和玉米黄质的混合物，购自市场已皂化的，玉米黄质富集的万寿菊属萃取物“oleoresina amarillo saponificada”(ALCOSA)或“HI GOLD 20”(IOSA)，或类似的市场购得的美国Kenciu公司，衣阿华柔未皂化万寿菊属萃取物]。当使用液态烷烃或烷烃混合物时，要加入相转移催化剂。然后加入碱金属氢氧化物的水溶液并加热。为了观察反应的历程，可以定期地取出反应混合物的样品(溶液或悬浮液)，用二氯乙烷稀释，此二氯乙烷溶液用饱和氯化铵水溶液然后用水洗至中性，在无水硫酸钠上干燥，然后用高压液体色谱分析。
当反应完成后(叶黄素不再进一步转化成玉米黄质)，此均相或非均相溶液在搅拌下冷却至室温或0℃，在该搅拌和冷却同时任选地加入一种醇，如甲醇或正丙醇。生成的悬浮液通过纸或玻璃纤维过滤，固体用所选择的醇洗涤数次，在高真空和约37℃下至少干燥1小时，如果需要，则在二氯乙烷/甲醇或二氯乙烷/己烷中再结晶。应用原料“Oleoresina amarillo saponificada”时的步骤和结果该原料含23.9g/kg叶黄素和3.1g/kg玉米黄质。在萃取、色谱分离和再结晶后得到了一种由93.1％叶黄素、6.6％玉米黄质和0.5％其它物料组成的混合物。按上述步骤进行的转化结果汇集于下面表1中。
表1
表1(续
补充的附注由于用己烷、庚烷或石油醚做有机溶剂，除(h)和(h＇)以外，所有的实验都向反应混合物中加入了100mg Aliquat336(Fluka Chemi AG，Buchs，瑞士)做为相转移催化剂；在实验(h)和(h＇)中则加了300mg Aliquat336。
在实验(a)中温度是加热浴的温度；在所有其它实验中都给出了反应混合物的实际温度。(直接应用)原料“oleoresina amarillo saponificada”的步骤和结果该原料有如上的组成，并且未经过萃取、色谱分离和结晶，而是立即应用。按照上述步骤进行的转化结果(未加入相转移催化剂)汇集在下面的表2中
表3(续)
1在450nm的高压液体色谱的面积百分数。
2没有测定是那一种无水叶黄素和其它类胡萝卜素组成了这个级分。
3高压液体色谱的定量分析结果4当DMSO-FLORAGLO悬浮液的温度达到80℃以后时才加碱。
5当DMSO-FLORAGLO悬浮液的温度达到90℃以后时才加碱。
6把等分的该反应溶液加到甲醇中，然后搅拌悬浮液，0.5和1小时后过滤并进行高压液体色谱分析取得了每种情况下的较高值。较低值的测定则按所叙述的步骤进行。应用原料XANTOPINAPLUS时的步骤和结果该原料的组成为90.9％叶黄素和5.3玉米黄素并己酯化；其余由叶黄素酯的(Z)-异构体和少量无水叶黄素酯类所组成。XANTOPINAPLUS的胡萝卜醇的含量为35.1％。按上述步骤进行的转化结果(未加入相转移催化剂)汇集于以下的表4中
权利要求
1.一种用碱-催化异构化把自然界存在的叶黄素及其酯转化成玉米黄质的方法，该方法包括在高于约50℃下加热在碱金属氢氧化物水溶液与二甲基亚砜或与饱和烷烃和/或芳烃有机溶剂的混合物中的已经或未经预处理过的含叶黄素的天然产物或纯叶黄素，当采用烃类为有机溶剂时，该方法在相转移催化剂存在下进行。
2.权利要求1的方法，其中来源于植物的含叶黄素的原料是已经或未经化学预处理过的，即皂化，该原料用做天然含叶黄素的产物。
3.权利要求2的方法，其中一种金盏花的黄色或橙色花的粉末或萃取物用做天然含叶黄素的产物。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中戊烷、己烷、庚烷、石油醚、苯或甲苯，或两种或更多的这类溶剂用做烃类有机溶剂。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中氢氧化钠或氢氧化钾，优选氢氧化钾，用做碱金属氢氧化物。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中碱金属的水溶液的浓度至少是3M。
7.权利要求6的方法，其中碱金属氢氧化物水溶液的浓度为约7M至约14M。
8.权利要求1-7中任一项的方法，其中的相转移催化剂是氯化三辛基甲基铵。
9.权利要求1至8中任一项的方法，其中该转化反应是在温度约50℃至约120℃范围内进行的。
10.权利要求9的方法，其中该转化反应是在温度约80℃至约100℃的范围内进行的。
全文摘要
一种用碱－催化异构化把自然界存在的叶黄素或其酯转化成玉米黄质的方法。该方法包括在高于约50℃下加热在碱金属氢氧化物水溶液与二甲基亚砜或与饱和烷烃和/或芳烃有机溶剂的混合物中的已经或未经预处理过的含叶黄素的天然产物或纯叶黄素,当采用烃类为有机溶剂时,该方法在相转移催化剂存在下进行。玉米黄质具有许多用途。特别用于做色料。
文档编号C09B61/00GK1178787SQ97117598
公开日1998年4月15日 申请日期1997年9月4日 优先权日1996年10月4日
发明者库尔特·伯哈德, 艾尔弗雷德·吉格 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司