CN101497633B - 一种同时制备异甜菊醇和槐糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明用酸水解来源丰富的甜菊糖苷同时获得异甜菊醇和槐糖二种高附加值产物。异甜菊醇产品是具有降糖调脂等功能的药物，槐糖是木霉等菌株产纤维素酶的最有效诱导物，二种产物分别有着广阔的应用前景。本发明的特点为经过控制适当的条件，采用一步水解法同时制备槐糖和异甜菊醇两种具有重要工业应用价值和药用价值的高附加值产物。

Description

一种同时制备异甜菊醇和槐糖的方法

技术领域

本发明涉及用甜菊糖及其衍生物通过酸水解在常压或加压条件下同时制备异甜菊醇和槐糖两种高附加值产物的方法。

背景技术

1.甜菊糖苷的概况

甜菊糖苷，又称甜菊糖、甜菊甙，是从菊科甜叶菊(stevia rebaudiana bertoni)中提取的新型天然甜味剂。甜叶菊属菊科甜菊属多年生草本植物，原产于南美巴拉圭东北部与巴西接壤的阿曼拜山脉。野生的甜叶菊早在400多年前就被当地的居民用做茶中的增甜剂，直至1887年，才引起人们的关注。1905年由植物学家Bertoni命名为Stevia Rebaudiana，1955年开始人工苗圃栽培试验。1964年巴拉圭从事大田移植驯化获得成功。甜叶菊叶中含有甜味的双萜配糖体-甜菊糖苷，由此甜叶菊开始受到许多国家和地区的重视。

甜菊糖苷为白色、无嗅的粉末，甜度约为蔗糖的200-300倍，甜度在口中不易消失。甜菊糖熔点为198-202℃，耐高温，在空气中会迅速吸湿，水中溶解度约为0.12g/100ml，微溶于乙醇，对酸、碱稳定，在pH4-10的范围的溶液内加热到120℃也不会发生变化。近年来，天然甜味剂甜菊糖苷因其高甜度、低热值等特点，成为优良的新型甜味剂之一。

对甜菊糖苷的毒理试验最早始于20年代日本的Hokkaido大学，后有许多专家进行了研究。甜菊糖苷经急性毒理试验、亚急性毒理试验、致突变试验等证明是一种安全的甜味剂(小鼠经口LD50≥15g/kg)，2004年7月6日世界联合卫生组织正式通过允许甜菊糖苷在世界范围内通用的决议，这为甜菊糖苷的安全性提出了有利的证明。因此，甜菊糖苷是一种安全的天然甜味剂(张文芝.美国FDA公开表示甜菊糖可安全使用.山东农业，2003，5：45-45)。

甜菊糖苷以其丰富的资源和高甜度引起了全世界的注意，各国都积极进行研究和开发，日本、新加坡、马来西亚、韩国、以色列及美国都有大量的甜叶菊种植，日本于1971年首先引种甜叶菊获得成功，于1976年实现了工业化生产并一直应用至今。在日本，甜菊糖苷年销售总额位居非营养型甜味剂的首位，用在饮料和糕点方面的销售额也在持续增长；美国及欧洲一些国家对甜菊糖苷的使用量也在不断增加中，应用前景良好(王仲礼，日本高倍甜度甜味剂的市场动向，江苏调味副食品，2004，1(21)：26-28)。

我国对于甜叶菊的栽培利用研究始于70年代末，1976年开始由南京中山植物园、中国农业科学院等科研单位先后从日本引进甜叶菊试种成功。80年代初向全国各地推广种植。80年代，南京中山植物园发表了从甜叶菊中提取含30％甜菊糖苷的技术报告。1982年成都化学制药厂开发了甜菊糖苷生产技术，1984年甜菊糖苷在我国被批准可以作为食品添加剂使用。1996年我国甜菊糖产销量突破千吨大关，1997年产销量达到1400吨左右，其中80％左右出口。目前在江苏、福建、山东、新疆、河南、安徽等地都有大量种植，总面积达100万亩以上，我国现已成为世界上最大的甜菊糖生产国和出口国(倪军明，李军平.甜菊糖工业发展现状与前景.广州食品工业科技，2004，3(20)：156-158)。

2.甜菊糖苷成分

1931年法国药学家B.ridel和L.avieille二人对甜叶菊提取物用无水乙醇分离得到溶于无水乙醇的结晶体甜菊糖苷，1970年巴拉圭的医学家在第七次国际糖尿病学会议上报告了甜菊苷(Stevioside)可作为无热量的甜昧剂，目前从甜菊糖苷中分离出了10余种成分，其中甜菊苷(Stevioside，简称SS)是含量最多的第一大成份，约占总糖苷量的50-60％(结构式见式1，分子中含一分子的槐糖，槐糖量占分子总质量的42.5％，槐糖结构式见式4)、莱鲍迪苷A(Rebaudioside A，简称RA)是第二大成份，约占总糖苷量的20-30％(结构式见式2，其中亦含一分子的槐糖，槐糖量占分子总质量的35.4％)，此外还有莱鲍迪苷C、莱鲍迪苷B、莱鲍迪苷D、莱鲍迪苷E、斯替维伯苷、杜尔可苷A等，甜菊苷元部分是四环双萜化合物(张扬，陈天红，孙君坦等.甜叶菊糖的组分分离与味质改性研究进展.化学通报，1998，6：11-16)。

  式1                                            式2

3.甜菊糖苷及其水解产物异甜菊醇和槐糖

甜菊糖苷经适宜条件的水解可得到异甜菊醇(结构式见式3)，异甜菊醇是一种四环双萜类化合物，分子中含有羧基和羰基，分子量318。

式3

近年来，大量的研究表明异甜菊醇对抗高血压、降血糖、保护心肌方面有重要作用，国外申请了以异甜菊醇作为降血糖药物的专利(Hermansen K，Gregersen S，Jeppesen PB.Patent number：2001-DK75，2001056959，WO.)，Jeppesen PB，Nordentoft I.等研究表明异甜菊醇及其衍生物可作为一种新胰岛素增敏剂用于II型糖尿病的治疗(Jeppesen PB，Nordentoft I.Isosteviol as novel oral anti-diabetic agent for treatment of type 2 diabetes and the metabolicsyndrome-a in vivo study on diabetic KKAy-mice.Diabetologia，2007；50，Suppl 1：95)。异甜菊醇及其衍生物还可用作DNA合成酶抑制剂、抗癌剂(Akihisa toshihiro，Mizushina yoshiyuki，Ukiya motohiko.JP2003-401039)，异甜菊醇及其衍生物还可以作为抗心肌缺血复灌损伤的药物(许德义，孙晔等，中国专利，CN2007.101006995A)，因此，异甜菊醇是一种有潜力大量应用的产品。

甜菊糖苷经酸水解能得到异甜菊醇，但现有文献所报道的得率只为理论值的47.6％(Avent，A.G.；Hanson，J.R.；de Oliveira，B.H.Phytochemistry.1990，29，2712-2713)，且甜菊糖苷中的槐糖基团在这样的水解条件下将被分解，且水解条件剧烈时，生成的异甜菊醇本身也将被分解，而水解不足时只能生成甜菊糖苷的衍生物而得不到高产率的异甜菊醇，且混合物的后续分离困难。

在注重可持发展的今天，纤维素酶(cellulase)生产及相关生物质利用是解决世界能源危机、粮食短缺、环境污染等问题的重要途径之一。槐糖是目前所知的微生物产纤维素酶的最佳诱导物，能将木霉发酵纤维素酶的周期从1-2周缩短为2-3天(朱雨生等.木霉纤维素酶的诱导形成及其调节I.植物生理与分子生物学学报，1980.6(1)：1-9；朱雨生等.木霉纤维素酶的诱导形成及其调节II.槐糖对木霉EA3-867洗涤菌丝体纤维素酶形成的诱导作用及降解物阻遏现象.植物生理与分子生物学学报，1978.4(1)：1-18.)。Sternberg，D.和Mandels，G.R.用槐糖对里氏木霉QM6a的CMC酶诱导进行了研究(Trichoderma reesei QM6a)结果表明在1.5～2h时槐糖开始起诱导作用(Sternberg，D.，Mandels，G.R..Induction of Cellulolytic Enzymes inTrichoderma reesei by Sophorose.Journal of bacteriology.1979，139，761-769.)。可见槐糖对于纤维素酶的诱导效果十分明显。

槐糖(式4)是一种稀有双糖，主要来自槐树(国槐Sophorajaponica Linn.)所产槐角(槐糖含量＜0.5％)或葡萄糖厂的结晶母液(只含微量)等，在试剂级葡萄糖中含量仅为0.0058％(Mandels et al.，1962)，因此原料来源有限，制备与分离成本昂贵，无法适应大规模生产的需要。

式4

而在甜菊糖苷中，槐糖基占整个分子的质量非常可观(以甜菊糖苷中含量最高的甜菊苷SS计)，有大量生产的潜力。且甜菊叶中含甜菊糖量一般占干叶重的8.15％左右，甜菊产量高(每亩产干叶400-500公斤)、抗逆性强、病虫害少、适应性广。因此甜菊糖苷将是槐糖和异甜菊醇生产的理想来源(王客友.开发甜叶菊，脱贫致富快.农家科技，2007.11：21-21)，如果能用甜菊糖苷同时生产槐糖和异甜菊醇，与其他原料相比，将有巨大的原料优势与成本优势，同时充分利用了资源。

现有报道中，用与RA分离的高纯度甜菊苷(SS＞98％)单一成份可水解出一定量的槐糖，其得率为理论值的25％(Kusakabe，I.，Kusama，S.，Murakami，K.Agricultural and biologicalchemistry，1987，51，2255-2256.)，原料中的其他成份没有得到利用，且这种方法对原料的纯度要求很高(SS纯度＞98％)。因此前期对SS与RA的分离成本很高，甜菊糖苷中只利用了原料中的SS进行水解，而SS中又只利用了槐糖的1/4，因此需要进一步的改进。

本发明提出通过控制水解条件(酸种类、酸浓度、甜菊糖浓度、时间、温度)，实现了在一个反应器中水解同时得到槐糖和异甜菊醇的方法，且原料可以是低成本的几种甜菊糖苷的混合物也可以是单体纯品(如SS或RA)，混合甜菊糖苷的价格远低于纯品SS或RA的价格，加上回收水解中的第三种产物葡萄糖，使甜菊糖苷物料得到了100％的最大限度利用。

如在本发明的一种水解条件下，水解时间100min，比传统方法中为得到槐糖水解的时间3小时(Kusakabe，I.，1987)短二分之一，而槐糖产率更高，减少了槐糖在长时间的分解，而槐糖得率比传统方法提高了52.8％.

异甜菊醇目前试剂价格为2500元/g，槐糖试剂价格为1500元/100mg，两者都未检索到规模化的工业产品，本发明的实施将有利于大幅度地降低这两者昂贵的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过酸水解甜菊糖苷同时制备异甜菊醇和槐糖方法。

本发明所依据反应式如下：

本发明所采用的技术方案是：甜菊糖苷在酸作用下水解1min～24h，然后用常规分离纯化方法得到异甜菊醇利槐糖；其中甜菊糖苷浓度为0.1～10％(W/W)，酸浓度为0.01～15N。

甜菊醇和槐糖是在同一个酸水解过程中产生，水解用酸为无机酸或有机酸，无机酸如盐酸、硫酸、氢氟酸、氢溴酸或磺酸、固体酸等，有机酸如醋酸、柠檬酸、苹果酸或草酸等，酸浓度范围最好为0.05～5N，如用盐酸时，浓度可为0.1N。

本发明方法中所述的甜菊糖苷是含槐糖基团的甜菊醇的糖苷衍生物的混合物或单体。所说的含槐糖基团的甜菊醇的糖苷衍生物，可以是甜菊苷、莱鲍迪甙A、莱鲍迪甙B、莱鲍迪甙C、莱鲍迪甙D、莱鲍迪甙E、莱鲍迪甙F、甜菊双甙及其甜菊苷类的其他糖苷衍生物等。

本发明方法中的水解时间优选20min～100min。水解温度优选5～150℃，最好是100～120℃。

本发明方法中的水解是在常压或0.1～2MPa的压力下进行；水解压力最好为0.1～0.3MPa。

所述的酸水解产生的异甜菊醇和槐糖要分别经过常规的萃取或层析技术分离得到纯化产物。

现有技术采用长时间或浓酸高温水解的方式，使槐糖在水解过程中分解为葡萄糖，异甜菊醇进一步分解为小分子产物，降低了产品收率，其中各条件的影响如下。

酸种类：强酸有利于水解的快速进行，但易造成产物的进一步分解。

酸浓度：提高酸浓度有利于水解的快速进行，但易造成产物的分解，增加不必要的副产物量。

温度：提高水解温度有利于加快水解反应，但产物易分解，副产物多，产率降低。

压力：提高水解压力有利于加快水解反应进行，但产物易分解，副产物增多，产率降低。

水解时间：时间过长易造成产物分解，副产物增多。

适宜的水解条件是综合考虑酸种类、酸浓度、水解温度、水解压力、水解时间。

本发明将以往单纯得到异甜菊醇或槐糖的过程合二为一，采用加压或高温水解提高反应速度，缩短生产周期，同时生产两种高附加值的异甜菊醇和槐糖产品和葡萄糖副产品，大大提高了原料利用率和过程的经济效益，减少了废弃物的排放量。得到的异甜菊醇产物是极具开发前景的用于高血压、高血脂、糖尿病等代谢综合症的药物，得到的槐糖是强力诱导纤维素酶的高效诱导剂，有利于降低纤维素酶的生产成本。

附图说明

图1：异甜菊醇的高效液相色谱(HPLC)分析图

图2：异甜菊醇红外光谱(IR)图

图3：1％(W/W)混合甜菊糖溶液液中SS与RA的HPLC图

图4：槐糖的薄层层析示意(TLC)图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，举例是为说明本发明的过程而非仅限于实施例。

实施例1：

配制甜菊糖苷混合物(SS70％，RA20％，RC及其它甜菊糖苷成分10％，总甜菊糖苷成分大于90％)水溶液浓度10％(W/W)，加浓盐酸使其浓度为0.1N，常压下，温度110℃，水解100min，经常规分离纯化得异甜菊醇纯品，异甜菊醇的HPLC和红外光谱分别见图1、图2；水解液经常规分离纯化等步骤得到槐糖产品，槐糖的薄层层析(TLC)见图4，葡萄糖另行分离利用。

实施例2：

配制甜菊糖芏混合物水溶液使其浓度为0.1％(W/W)，加浓盐酸使其浓度为0.01N，混匀，150℃加热水解60秒(s)，经常规分离纯化得异甜菊醇纯品；滤液经经常规分离纯化得到槐糖。

实施例3：

配制甜菊糖苷混合物水溶液使其浓度为4％(W/W)，加40％的氢溴酸使其浓度为0.05N，混匀，5℃下震荡24h过滤，滤渣经水洗、干燥、结晶得异甜菊醇纯品；滤液经除杂、结晶纯化得到槐糖组分。

实施例4：

配制甜菊糖苷混合物水溶液使其浓度为5％(W/W)，加浓硫酸使其浓度为15N，混匀，0.1Mpa压力下，加热2h，冷却后过滤或离心，滤渣或沉淀经水洗并干燥即得异甜菊醇粗品，经结晶纯化得到纯品；水解滤液经吸附、洗脱、结晶纯化等步骤得到槐糖纯品。

实施例5：

配制甜菊糖苷混合物水溶液使其浓度为1％(W/W)，溶液的HPLC图见图3，加浓硫酸使其浓度为5N，混匀，2Mpa压力下，100℃加热水解加热20min，冷却后过滤或离心，滤渣或沉淀经水洗并干燥即得异甜菊醇粗品，经结晶纯化得到纯品；水解滤液经吸附、洗脱、结晶纯化得到槐糖纯品。

实施例6：

与实施例1相似，所不同的是用SS纯度为100％的原料。水解温度120℃，水解压力0.3Mpa。

实施例7：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为固体酸。

实施例8：

与实施例1相似，所不同的是用RA纯度为100％的甜菊糖苷原料。

实施例9：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为醋酸。

实施例10：

与实施例1相似，所不同的是用RC纯度为100％的甜菊糖苷原料。

实施例11：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为柠檬酸。

实施例12：

与实施例1相似，所不同的是用混合物中RE含量为100％的原料。

实施例13：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为草酸。

实施例14：

与实施例1相似，所不同的是用甜菊双糖苷纯度为50％的原料。

实施例15：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为氢氟酸。

实施例16：

与实施例1相似，所不同的是用RD纯度为40％的甜菊糖苷原料。

实施例17：

与实施例1相似，所不同的是用单体甜菊双糖苷100％原料。

实施例18：

与实施例1相似，所不同的是用的酸为苹果酸。

实施例19：

与实施例1相似，所不同的是用的原料为甜菊叶。

Claims (7)

1.一种酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，酸水解甜菊糖苷同时得到异甜菊醇和槐糖；水解体系中甜菊糖苷质量百分浓度为0.1～10％(W/W)，酸浓度为0.01～15N；在5～150℃下，反应1min～24h后用过滤、萃取及吸附层析方法，分离纯化得到异甜菊醇和槐糖；其中所述的甜菊糖苷是含槐糖基团的甜菊醇的糖苷衍生物的混合物或单体。

2.按照权利要求1所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，水解用酸为无机酸或有机酸，酸浓度为0.05～5N。

3.按照权利要求2所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，其中所说的无机酸是盐酸、硫酸、氢氟酸或氢溴酸，其中所说的有机酸是醋酸、柠檬酸、苹果酸或草酸。

4.按照权利要求1所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，水解时间为20min～100min。

5.按照权利要求4所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，水解温度为100～120℃。

6.按照权利要求1所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，水解是在0.1～2MPa的压力下进行。

7.按照权利要求6所述的酸水解甜菊糖苷制备异甜菊醇和槐糖的方法，其特征在于，水解压力为0.1～0.3MPa。

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