制备低粘度高流动性类胡萝卜素油悬浮液的方法及其应用 【技术领域】
本发明涉及生物化工领域，具体地说，涉及通过一系列物理过程精制类胡萝卜素特别是天然来源的类胡萝卜素，从而达到提高其油悬浮液流动性的目的。
技术背景
类胡萝卜素在自然界中广泛存在，1831年，Wachenroder从胡萝卜根中首次结晶分离出碳水化合物类的色素，并以“胡萝卜素”命名；之后，Berzelius从秋天的叶片中分离提取出黄色的极性色素，并命名为“叶黄素”；随着生物物理技术的发展，人们通过色谱方法分离出一系列的天然色素，并命名为“类胡萝卜素”。它们具有共同的化学结构特征，分子中心都是多烯键的聚异戊二烯长链，通过末端的环化、氧的加入或键的旋转及异构化等方式产生出许多衍生物。目前，己知的类胡萝卜素成员大概有600多种。
类胡萝卜素(Carotenoids)属于类萜化合物，是胡萝卜素(Carotene)和叶黄素(Xanthophylls)两大类色素的总称。分子中不含有氧原子的碳氢族类胡萝卜素称为胡萝卜素族；分子中含有氧功能团(如羟基、环氧基、甲氧基、酮基、羟基等)的衍生物及其酯类则称为叶黄素族。
自然界存在的类胡萝卜素有数百种之多，但比较常见且数量相对较大的主要有六种，它们分别是beta‑胡萝卜素、虾青素、斑蝥黄素、叶黄素、玉米黄质和番茄红素等。随着生物技术和合成技术的发展，这六大类胡萝卜素中许多种类又存在着多种来源，如beta‑胡萝卜素可以是全合成，又可通过发酵法或养殖盐藻得到，还可从天然物如棕榈油中提取；番茄红素可以是天然来源如从番茄中提取或发酵得到，也可是全合成的；在这些类胡萝卜素中叶黄素是个例外，由于结构上的不对称性，目前只有通过从植物中提取，而不会高成本地合成。
这六种类胡萝卜素在分子结构上都较为相似，是一类碳氢化合物及其氧化衍生物，它们由8个类异戊二烯单位组成，只是在两个末端六元环上存在细微的差别。类胡萝卜素分子结构中存在的多个共轭双键发色基团不仅赋予了其在紫外‑可见光区有着独特的吸收区(蓝光区)，因而其结晶或溶液在可见光下具有十分绚丽的红、橙或黄色，因浓度的不同，显示出的颜色有一定的变化。类胡萝卜素长期被认为是一类色素，自然界中秋天的落叶和各种斑谰色彩的动物给人类以无与伦比的美感。同时这些共轭双键还使得类胡萝卜素成为良好的自由基猝灭剂，具有很强的抗氧化活性，能有效地阻断细胞内的链式自由基反应，从而具有多种独特而又重要的生理功能。
类胡萝卜素中最广泛而要重要的是beta‑胡萝卜素，它是良好的维生素A原根据体内维生素A量的多少，beta‑胡萝卜素可自动分解而补充维生素A的不足。叶黄素和玉米黄质是同分异构体，其唯一的区别在于其中一个六元环端链上一个双键的位置不同，它们是唯一存在于人类眼视网膜上的一种类胡萝卜素，它们选择性地沉积在黄斑区和整个视网膜，以黄斑的中心凹周围密度为最高，视网膜周边部分逐渐减少。这些黄斑色素能有效地防止视网膜上面氧化反应的发生，对视网膜有重要的保护作用。番茄红素对前列腺疾病的预防和治疗有很好的作用。虾青素也有重要的抗肿瘤和预防癌症的作用等。这就是为什么许多流行病学研究证实，经常和有规律地消费含类胡萝卜素的水果和蔬菜可减少慢性疾病，包括心血管疾病的危险，同时具有预防癌症的有益效果。
因此，营养学家极力推荐添加、预防性地摄取抗氧化剂维生素和类胡萝卜素，食物和药物市场因而为消费者提供大量此类“细胞保护剂”。目前市场上出现了各种各样的添加单一或多种类胡萝卜素的健康食品，但人们补充类胡萝卜素更有效的方式是通过膳食补充剂的形式摄入，如各种片剂、硬胶囊、软胶囊等，往往一粒片剂或胶囊就能满足个人当天全部的类胡萝卜素需求量。针对这些摄入方式的要求，市场上也出现了多种类胡萝卜素剂型，如适于直接压片或套硬胶囊的富含beta‑胡萝卜素的微粒
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富含叶黄素的微粒
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富含玉米黄质的微粒
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富含番茄红素的
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等；也有一些适于套软胶囊的类胡萝卜素的油悬浮液，但对这些类胡萝卜素特别是天然来源，包括发酵法来源和植物或藻类提取来源天然类胡萝卜素的油悬浮液往往存在着以下问题：要么这些油悬浮液流动性好但其中有效成分的含量较低；要么油悬浮液中类胡萝卜素含量较高，但是它们的粘度很高，流动性较差。差的流动性会在制剂生产过程中带来很大的麻烦，一方面可能会造成在软胶囊中填充不均匀，另一方面为了降低其粘度，要求对油悬浮液加热，这势必增加新的操作步骤，更重要的是加热过程可能使类胡萝卜素有一定的化学或热降解，从而有不希望的损失。
造成油悬浮液流动性低的原因主要是因为在天然类胡萝卜素的提纯过程中一些脂溶性纤维和磷脂较难以去除，这些少量甚至微量的脂溶性纤维和磷脂杂质会使类胡萝卜素油悬浮液的粘度成十几倍甚至几百倍地增加，降低产品的流动性。然而，迄今为止，尚未有披露减少或去除天然类胡萝卜素中存在的少量脂溶性纤维和磷脂的方法。
本发明力图在制备类胡萝卜素油悬浮液之前减少或去除类胡萝卜素晶体中存在的少量的脂溶性纤维和磷脂，以便降低类胡萝卜素油悬浮液的粘度，增强其流动性，更进一步地，可以提高油悬浮液中类胡萝卜素的含量。
【发明内容】
本发明涉及一种制备低粘度高流动性的类胡萝卜素油悬浮液的方法。通过在类胡萝卜素晶体的制备过程中尽量地去除残留的脂溶性纤维素和磷脂类，从而极大地降低了这些类胡萝卜素油悬浮液的粘度，低粘度高流动性的油悬浮液不仅有利于在制备软胶囊时易于操作且填充均匀，而且可以提高油悬浮液中类胡萝卜素等有效成分的含量，降低运输及其它生产费用。
根据本发明的一方面，制备低粘度高流动性的类胡萝卜素油悬浮液的方法包括如下步骤：
(1)将类胡萝卜素晶体与四氢呋喃混合，搅拌升温至回流温度50～70℃溶解，过滤去除脂溶性纤维素，将母液中四氢呋喃浓缩至干，得到浓缩物；
(2)将浓缩物与酮类溶剂混合，升温至回流温度60～80℃溶解，过滤去除不溶性磷脂，将母液中酮类溶剂浓缩至干，加入无水乙醇在室温下搅拌结晶、过滤，通过真空干燥得到类胡萝卜素晶体；
(3)将类胡萝卜素晶体充分研磨后与植物油混合、或类胡萝卜素晶体与植物油混合研磨后再补充植物油，得到低粘度高流动性类胡萝卜素油悬浮液。
对于类胡萝卜素晶体，特别是天然来源(包括从植物中提取和发酵法生产)的类胡萝卜素晶体，不经过特殊的处理，其中往往存在着少量的脂溶性纤维素和磷脂，这些微量杂质的存在对类胡萝卜素油浮液的粘度会造成很大的影响，所以在制备油悬浮液前尽可能地去除多余的脂溶性纤维素和磷脂对提高其流动性是十分必须的，关键是要求找到一种适于工业化生产的方法。本发明针对纤维素和磷脂的特性，比较方便地针对性地去除这些杂质，从而提高类胡萝卜素的含量，更重要的是在制备相应的类胡萝卜素油悬浮液时能降低油悬浮液的粘度，提高其流动性。
具体地说，就是在制备油悬浮液前通过一系列方便的物理过程去除类胡萝卜素中大部分脂溶性纤维性和磷脂类等杂质，提高类胡萝卜素晶体的含量。这些类胡萝卜素晶体是经过提纯重结晶处理的，其中有效成分含量在90％左右。
首先，考虑到类胡萝卜素，特别是天然类胡萝卜素一般是用正己烷、正丁烷等直链烷烃，二氯甲烷、氯仿、或乙酸乙酯、乙酸异丁酯等酯类提取的，这些溶剂往往是非极性或极性较弱，但在溶解萃取过程中往往会将少量的脂溶性纤维素也被提取出来，所以在后续过程中尽量用极性较强的有机溶剂去除这些脂溶性纤维素。
在本发明中，选择对类胡萝卜素溶解性很好而对纤维素溶解性差的强极性有机溶剂四氢呋喃来去除类胡萝卜素晶体中的脂溶性纤维素。
其次，根据磷脂的理化性质中其不溶于丙酮或丁酮而类胡萝卜素在丙酮或丁酮中可溶的特点，将类胡萝卜素溶解于丙酮或丁酮中，通过过滤去除类胡萝卜素晶体中存在的少量的磷脂。
最后，将去除脂溶性纤维和磷脂的类胡萝卜素晶体通过一定的微粉碎措施变成微粉，将此微粉与植物油混合就可得到高含量、流动性好的类胡萝卜素油悬浮液，方便随后的在食品或药物生产上的添加。
根据本发明，步骤(1)中四氢呋喃的体积用量(ml)与类胡萝卜素晶体的最初投料重量(g)的比例为5～25∶1。；类胡萝卜素晶体与四氢呋喃混合，搅拌升温至回流温度50～70℃溶解，该溶解时间为0.5～2.0hr。
根据本发明，步骤(2)中酮类溶剂的体积用量(ml)与类胡萝卜素晶体的最初投料重量(g)的比例为20～80∶1，所述酮类溶剂为丙酮或丁酮；浓缩物与酮类溶剂混合，升温至回流温度60～80℃溶解，该溶解时间为0.5～2.0hr。将母液中酮类溶剂浓缩至干，加入无水乙醇的体积用量(ml)为类胡萝卜素晶体的最初投料重量(g)的比例为0.1～5∶1。
根据本发明，步骤(3)中所述植物油为葵花籽油、菜籽油、玉米油、花生油、大豆油、芝麻油、棉籽油、红花油、油茶籽油、和橄榄油中的一种或多种；类胡萝卜素晶体的研磨方式为超微粉碎、球磨粉碎、或气流粉碎。
根据本发明，所得到所述类胡萝卜素油悬浮液中类胡萝卜素含量在10.0～45.0wt.％时，所述类胡萝卜素油悬浮液在5～25℃时就具有良好的流动性能，同时在应用时不需额外的加热步骤。
根据本发明，所述类胡萝卜素晶体为beta‑胡萝卜素晶体、虾青素晶体、斑蝥黄素晶体、叶黄素晶体、玉米黄质晶体、或番茄红素晶体。所述类胡萝卜素晶体或从全化学合成得到，或从植物原料中提取得到，或通过发酵法制备得到。步骤(1)中所述类胡萝卜素晶体的UV含量为50.0％～100.0wt.％，磷含量为0.1％～4.5wt.％，灼烧残渣为0.01％～3.0wt.％。步骤(2)中所述类胡萝卜素晶体的UV含量为56.1～99.8wt.％，磷含量为0.01～1.0wt.％，灼烧残渣为0.01～1.0wt.％。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种所述低粘度高流动性类胡萝卜素油悬浮液在制备食品、膳食补充剂及药品中的应用。
下面具体地描述本发明方法的具体制备过程为：将类胡萝卜素与5～25倍四氢呋喃混合后搅拌升温至回流温度(50～70℃左右)，保温0.5～2.0hr，过滤，能除去少量脂溶性纤维，将母液中四氢呋喃浓缩至干。在浓缩物中重新投入20～80倍量的酮类溶剂如丙酮、丁酮中，升温至回流温度溶解，保温0.5～2.0hr，过滤去除大部分磷脂，将母液中有机溶剂浓缩至干，加入投料量0.1～5倍量的无水乙醇，室温下搅拌结晶，过滤，最后通过真空干燥即可得类胡萝卜素晶体，晶体中类胡萝卜素含量比处理前能提高2～8个百分点。
将得到的高含量的类胡萝卜素晶体通过适当的方式如超微粉碎、球磨、气流粉碎进行粉碎，再与适量的油混合均匀，就可得到所需含量的油悬浮液，相同含量时，油悬浮液的粘度比未处理晶体对应的油悬浮液的粘度小得多，前者的流动性较好，这样在灌装软胶囊时就具有良好的可操作性，不需要额外的加热溶解过程，避免了可能的由于温度升高造成的含量下降，且单个胶囊之间有效成分的含量均一。
【具体实施方式】
以下将结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
实施例1
取从万寿菊花中提取得到的500g叶黄素晶体(UV含量：85.4wt.％，磷含量：2.56wt.％，灼烧残渣：1.7wt.％)，加入四氢呋喃5000ml，升温至65℃，搅拌溶解0.5hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为7.53g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入10.0L丙酮，再升温至60℃下回流0.5hr，过滤得磷脂膏状物约14.3g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇200ml后过滤得精制过的叶黄素晶体，晶体烘干后重量为416g。晶体中叶黄素UV含量为91.3wt.％，磷含量为0.05wt.％，灼烧残渣0.03wt.％。
称取精制后的叶黄素晶体250g与350g葵花籽油在球磨机中研磨，再补葵花籽油40g，得叶黄素的油悬浮液，其中叶黄素含量为35.7wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在5℃时可以自由流动。
实施例2
取由发酵法生产得到的300g天然番茄红素晶体(UV含量：50.0wt.％，磷含量：3.17wt.％，灼烧残渣：3.0wt.％)，加入四氢呋喃4500ml，升温至50℃，搅拌溶解2.0hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为6.47g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入12.0L丙酮，再升温至60℃下回流0.5hr，过滤得磷脂膏状物约12.4g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇30ml后过滤得精制过的天然番茄红素晶体，晶体烘干后重量为253.0g。晶体中番茄红素UV含量为56.1wt.％，磷含量为0.5wt.％，灼烧残渣0.02wt.％。
称取精制后的天然番茄红素晶体210g经气流粉碎后与968g玉米油混合搅拌约1.0hr得番茄红素的油悬浮液，其中番茄红素含量为10.0wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在10℃时可以自由流动。
实施例3
取从棕榈油中提纯得到的450g天然beta‑胡萝卜素晶体(UV含量：86.7wt.％，磷含量：4.5wt.％，灼烧残渣：1.6wt.％)，加入四氢呋喃2250ml，升温至70℃，保压搅拌溶解0.5hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为8.24g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入9.0L丁酮，再升温至80℃下回流2.0hr，过滤得磷脂膏状物约24.6g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇180ml后过滤得精制过的天然番茄红素晶体，晶体烘干后重量为401.0g。晶体中beta‑胡萝卜素UV含量为91.5wt.％，磷含量为1.0wt.％，灼烧残渣0.5wt.％。
称取精制后的beta‑胡萝卜素晶体210g与300g花生油在球磨机中混合研磨约1.5hr后补充120g花生油搅拌均匀即得beta‑胡萝卜素的油悬浮液，其中beta‑胡萝卜素含量为30.5wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在25℃时可以自由流动。
实施例4
取100g玉米黄质晶体(以天然的叶黄素为原料，通过转位得到)(UV含量：90.5wt.％，磷含量：1.54wt.％，灼烧残渣：2.7wt.％)，加入四氢呋喃1500ml，升温至60℃，搅拌溶解1.0hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为3.12g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入8.0L丙酮，再升温至60℃下回流1.5hr，过滤得磷脂膏状物约2.41g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇500ml后过滤得精制过的玉米黄质晶体，晶体烘干后重量为87.0g。晶体中玉米黄质UV含量为95.8wt.％，磷含量为0.01wt.％，灼烧残渣1.0wt.％。
称取精制后的玉米黄质晶体75g与150g菜籽油在球磨机中混合研磨约1.5hr后补充55g花生油搅拌均匀即得玉米黄质的油悬浮液，其中玉米黄质含量为25.7wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在5℃时可以自由流动。
实施例5
取由发酵法生产得到的400g虾青素晶体(UV含量：96.4wt.％，磷含量：1.87wt.％，灼烧残渣：1.8wt.％)，加入四氢呋喃10L，升温至50℃，搅拌溶解0.5hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为8.51g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入15.0L丁酮，再升温至80℃下回流1.0hr，过滤得磷脂膏状物约10.2g，将母液浓缩至于，加入无水乙醇100ml后过滤得精制过的天然虾青素晶体，晶体烘干后重量为359.0g。晶体中虾青素UV含量为99.2wt.％，磷含量为0.01wt.％，灼烧残渣0.08wt.％。
称取精制后的虾青素晶体300g经超微粉碎后与620g玉米油与葵花籽的混合油(2∶1)搅拌约1.0hr得虾青素的油悬浮液，其中虾青素含量为32.6wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在10℃时可以自由流动。
实施例6
取550g全化学合成的斑蝥黄素晶体(UV含量：100.0wt.％，磷含量：0.1wt.％，灼烧残渣：0.01wt.％，加入四氢呋喃13.75L，升温至50℃，搅拌溶解1.0hr后，过滤，滤饼为黑褐色粘稠状物质，烘干后重量为2.51g。
将上述母液中的四氢呋喃浓缩至干，加入20.0L丁酮，再升温至80℃下回流1.0hr，过滤得磷脂膏状物约4.2g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇300ml后过滤得精制过的斑蝥黄素晶体，晶体烘干后重量为539.0g。晶体中斑蝥黄UV含量为99.8wt.％，磷含量为0.06wt.％，灼烧残渣0.01wt.％。
称取精制后的斑蝥黄素晶体200g经超微粉碎后与244g红花油与芝麻油的混合油(1∶1)搅拌约1.0hr得斑蝥黄素的油悬浮液，其中斑蝥黄素含量为45.0wt.％，此油悬浮液具有良好的流动性能，在15℃时可以自由流动。
实施例7(比较实施例1)
取150g实施例4中的玉米黄质晶体与410g菜籽油在球磨机中混合研磨约1.5hr后混合物在25℃时根本没有流动性，此时混合物中玉米黄质含量为24.2wt.％。继续补充菜籽油，直至再补足384.0g，混合物在25℃才开始具有良好的流动性能，此油悬浮液中玉米黄质的含量为14.3wt.％。
实施例8(比较实施例2)
取100g实施例4中玉米黄质晶体未经四氢呋喃处理而直接加入8.0L丙酮，升温至60℃下回流1.5hr，过滤得磷脂膏状物约3.27g，将母液浓缩至干，加入无水乙醇50ml后过滤得精制过的玉米黄质晶体，晶体烘干后重量为91.0g。晶体中玉米黄质紫外含量为93.6wt.％，磷含量为0.01wt.％，灼烧残渣1.8wt.％。
称取精制后的玉米黄质晶体75g与150g菜籽油在球磨机中混合研磨约1.5hr后补充55g花生油搅拌均匀即得玉米黄质的油悬浮液，其中玉米黄质含量为25.7wt.％，此油悬浮液加热到40℃时仍无流动性，在搅拌情况下继续补加菜籽油114g时油悬浮液在25℃才开始有流动性，此油悬浮液中玉米黄质的含量为17.8wt.％。
由上述实施例1～6和采用现有技术的实施例7和8可以得到表1的对比结果：
表1类胡萝卜素油悬浮液的流动性能
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从采用现有技术1的实施例7(比较实施例1)与采用本发明的实施例4的对比可以看出，通过本发明揭示的方法对玉米黄质晶体进行前处理后，在保证良好流动性的前提下，本发明的油悬浮液含量可以由14.3wt.％(现有技术)提高到25.7wt.％(本发明)时，现有技术在25℃时才有流动性，而本发明在5℃时就有比较好的流动性能。
从采用现有技术2的实施例8(比较实施例2)与采用本发明的实施例4的对比可以看出，通过本专利揭示的方法对玉米黄质晶体进行前处理后，在保证良好流动性的前提下，其油悬浮液含量可以由17.8wt.％(现有技术)提高到25.7wt.％(本发明)时，现有技术在25℃时才有流动性，而本发明在5℃时就有比较好的流动性能。
本发明通过上面的实施例进行举例说明，但是，应当理解，本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。在这里包含这些特殊实例和实施方案的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。