Способ получения высокочистых фитостеринов
METHOD FOR PRODUCING PHYTOSTEROLS OF HIGH PURITY

Изобретение относится к лесохимической, пищевой, фармацевтической и другим отраслям промышленности и касается способа получения высокочистых фитостеринов из концентратов нейтральных веществ таллового масла.
Основным направлением использования фитостеринов является изготовление на их основе пищевых добавок и применение в качестве сырья для синтеза гормональных средств. К фитостерину, используемому в указанных областях, предъявляются жесткие требования, в частности, отсутствие альфа-ситостерина, бетулина, оксиситостерола и др. сопутствующих компонентов трансформируемых стеринов. Из доступного растительного сырья наиболее богаты стеринами продукты сульфатцеллюлозного производства, в частности, концентрат нейтральных веществ таллового масла.
Существуют различные способы удаления нежелательных примесей из концентратов нейтральных веществ таллового масла.
Из патента США № 4279827 (патентообладатель KAUKAS AD OY, Финляндия) известен способ удаления альфа-ситостерина из смеси нейтральных веществ, полученных экстракцией таллового масла лиственных пород деревьев. Известный способ позволяет очищать смеси нейтральных веществ с содержанием альфа-ситостерина до 5 масс. % методом кристаллизации из сложной смеси растворителей: 30-90 % гексана, 5-20 % ксилола, 2-10 % этилацетата, до 2 % воды, до 2 % уксусной кислоты, до 2 % метанола и до 5 % ацетона. Известный способ позволяет получить продукт с выходом около 50-60 %, содержащий около 0,5 % альфа-ситостерина.
Однако, известный способ не позволяет получить продукт пригодный для пищевой промышленности из-за высокого содержания альфа-ситостерина и других примесей нестерольного характера.
Из патента США № 4420427 (патентообладатель KAUKAS AD OY, Финляндия), известен способ очистки фитостеринов с содержанием альфа-ситостерина от 5 до 25 %, а также содержащем от 10 до 13 % бета-ситостерина и кампестерина, до 5 % сквалена и до 20 % бетулопринола методом кристаллизации. Кристаллизацию проводят из обводненного метилэтилкетона (содержание воды до 5 масс. %). Известный способ позволяет разделить исходную смесь на две фракции. Первая обогащена альфа-ситостерином, скваленом и бетулопринолом, вторая – содержит в основном бета-ситостерин и кампестерин. Однако во второй фракции остается высокое содержание альфа-ситостерина от 2 до 5 масс. %, что не позволяет использовать полученный продукт в пищевой промышленности.
В международной заявке № WO0064922 (заявители STEROL TECHNOLOGIES LTD (Финляндия);  HAMUNEN ANTTI (Финляндия)) описан способ кристаллизации стеролов, заключающийся в растворении концентрата в смеси метилэтилкетона, низкомолекулярного спирта С1-С6 и воды, охлаждении полученной смеси до температуры 0-40 °С, предпочтительно – 20-25 °С. Соотношение между компонентами в растворителе выбирается в диапазоне метилэтилкетон – 50-75 %; низкомолекулярный спирт С1-С6 –  15-40 %; вода – 5-15 %, предпочтительно – 70:20:10, в качестве спирта используется метанол. После отделения кристаллов их промывают чистой порцией указанного смесевого растворителя. Указанным способом можно получить чистые стеролы с чистотой от 79 до 97,8 % и содержанием альфа-ситостерина от 0,1 до 0,4 %.
Однако высокое содержание альфа-ситостерина не позволяет использовать получаемый продукт в пищевой промышленности.
Патент Финляндии № 20070137 (патентообладатель RAVINTORAISIO OY и HAMUNEN ANTTI, Финляндия) описывает способ перекристаллизации дистиллятной фракции нейтральных веществ таллового масла, полученный из таллового пека хвойных и лиственных пород деревьев (в том числе березы), содержащей около 20 % фитостеролов. Перекристаллизацию проводят из смесевого растворителя, содержащего 65-75 % метилэтилкетона, 5-20 % метанола и 5-15 % воды. Известный способ позволяет получить продукт с высоким содержанием стеролов более 94 % со степенью извлечения около 75 %. К недостаткам указанного способа можно отнести высокое содержание серосодержащих соединений, остающихся в кристаллическом продукте – от 100 до 300 мг/кг, что не позволяет использовать продукт, полученный известным способом, в пищевой промышленности.
Из патента Канады № 2673801 (патентообладатель Cognis, Германия) известен способ получения стеролов из растительного сырья (включая талловый пек), содержащего свободные и этерифицированные стеролы. Процесс проводится в несколько стадий: омыление щелочью в обводненном спирте при температуре ~85 °С; экстракция из омыленного таллового пека 1,2-дихлорэтаном концентрата стеролов, содержащего 70-80 % стеролов и жирные спирты, удаление жирных спиртов фракционной дистилляцией до содержания жирных спиртов в кубовой части не более 7 %; и кристаллизация кубовой части из смеси растворителей, состоящей из углеводородов С1-С10 60-99,9 масс.%, предпочтительнее от 80 до 98 масс.%; одноатомного спирта С1-С10 от 0,1 до 20 масс. % и воды 0,1 до 20 масс. %, предпочтительнее от 0,1 до 10 масс.%. В указанной смеси в качестве углеводорода рекомендовано использовать гексан или гептан, или их смесь, а в качестве спирта – метанол. В результате на стадии кристаллизации с выходом более 70% получается продукт со степенью чистоты 98 % и выше. Авторы успешно отделяют алифатические спирты, содержащиеся в исходном сырье (т. е. решают посталенную задачу) и получают фитостерины требуемого качества. Но в описании патента не указано: содержится ли альфа-ситостерин, бетулин и оксиситостеролы в исходном сырье, т. е. нет убедительных доказательств, что при помощи предложенного способа можно удалить нежелательные примеси и получить фитостерин требуемого качества. Более того авторы допускают наличие в конечном продукте содержания «других стеринов» до 5 %.
Также известен способ, описанный в патенте РФ № 2139293 и научной статье [А.Н. Трофимов, В.А. Чупрова Технология получения бета-ситостерина из талловых продуктов// Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 129–132], заключающийся в перекристаллизации концентрата нейтральных веществ, выделенного из сульфатного мыла экстракцией, в обводненных растворителях: изопропиловый спирт, этанол, этил- и метилацетат, которые позволяют получить продукт с содержанием суммы основных стеринов от 84 до 98 %, содержанием примесей нестеринового характера (в основном высших жирных спиртов) от 1 до 15 %, альфа-ситостерина от «отсутствие» до 1,5 %. Выход продукта колеблется от 30 до 82 %, при том чистота продукта и его выход обратно-пропорциональны, и продукт с чистотой 96 % и выше можно получить лишь с выходом 30 – 60 %, что соответствует степени извлечения 25-30 %. Однако известный способ обладает низкой селективностью практически всех вышеперечисленных растворителей в отношении очистки ситостерина от алифатических спиртов, требует дополнительной стадии очистки от бетулина, имеет длительное время созревания кристаллов ситостерина – до 10-12 часов.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является способ получения высокочистых фитостеринов, описанный в патенте США № 6465665 (патентообладатель Thomas Francis Harting, Чили). Известный способ основан на растворении концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из хвойных пород деревьев и содержащего 60-70 % стеринов, в смесевом растворителе, состоящим из не менее 30 % предельного углеводорода (гексан, гептан, циклогексан, циклогептан или их смесь), одноатомного спирта (метанол, этанол, пропанол или их смеси) до 30 % и воды до 30 %. Известный способ позволяет с высокой степенью извлечения более 94 % (и выходом около 59 %) получить продукт с содержание основных стеринов не менее 95 %. При этом выходы и степень извлечения указаны для циклического процесса, состоящего из кристаллизации, отделения маточного раствора, с последующим укреплением (концентрированием) маточника по стеринам с помощью дистилляции и повторной кристаллизацией. Однако, известный способ применим только для очистки таллового масла, полученного при переработке хвойных пород деревьев. В описании к патенту отсутствует упоминания об удалении примеси альфа-ситостерина, так как эта примесь практически не встречается в хвойной древесине. Дополнительная проверка показала, что известный способ не позволяет удалять нежелательную примесь - альфа-ситостерин из таллового пека, полученного при переработке хвойных и лиственных (смешанных) пород деревьев.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения высокочистых фитостеринов требуемого качества, пригодных для применения в пищевой промышленности.
В ходе проведенных исследований поставленная задача была решена путем создания способа получения высокочистых фитостеринов, заключающегося в растворении концентрата нейтральных веществ таллового масла в смесевом растворителе, состоящим из предельного углеводорода, одноатомного алифатического спирта и воды, охлаждении полученного раствора и выдерживании при определенной температуре для созревания кристаллов, отделения кристаллов чистых стеринов от маточного раствора, промывки и сушки кристаллов, при этом концентрат нейтральных веществ таллового масла получен из хвойных или смешанных пород древесины, а смесевой растворитель состоит из неполярного предельного углеводорода, одноатомного алифатического спирта и воды при следующем содержании компонентов:
неполярный предельный углеводород – от 10 до 27 масс. %;
одноатомный алифатический спирт – от 60 до 80 масс. %;
вода – остальное.
Предпочтительно, что в качестве неполярного предельного углеводорода используют гексан или гептан, в качестве одноатомного алифатического спирта используют изопропиловый спирт или изобутиловый спирт.
Предпочтительно, что концентрат нейтральных веществ таллового масла может содержать до 2 масс. % альфа-ситостерина, до 2 масс. % бетулина, до 3 масс. % жирных спиртов и до 15 % других нестерольных примесей.
Предпочтительно, что концентрат нейтральных веществ таллового масла может содержать основных стеринов, а именно, кампастерина, кампестанола, бета-ситостерина, стигмастерина, стигмастанола, в сумме от 60 до 75 масс.% и прочих стеринов до 3,5 масс. %.
Предпочтительно, что соотношение между концентратом нейтральных веществ таллового масла и смесевым растворителем составляет от 1:2 до 1:10.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, обусловлен его новыми свойствами, обнаруженными при проведении исследований.
В ходе проведения экспериментов проводились исследования в отношении количественного состава смесевого растворителя, который мог бы одновременно удалить из нейтральных веществ таллового масла высшие жирные спирты, смолы и тяжелые нейтральные вещества, такие как метилбетулат и бетулопринол, и получить высокочистый фитостерин.
Согласно международным требованиям высокочистый фитостерин, пригодный для использования в пищевой промышленности, должен быть с содержанием суммы основных стеринов (кампастерин, кампестанол, бета-ситостерин, стигмастерин, стигмастанол) не менее 96 масс. %, с содержанием прочих стеринов (брассикастерол, дельта-5-авеностерол, дельта-7-2,5-stigmastadienol, дельта-7-campesterol, клеростерол и пр.) не более 3 масс. %, в том числе альфа-ситостерина (название по номенклатуре ИЮПАК: (24Z)-4-метил стигмаста-7,24(28)-диен-3-ол) – не более 0,1 масс. %, бетулина и оксистерола – ниже предела обнаружения (не более 0,01 масс. %), и содержанием прочих нестерольных примесей – не более 1 масс. %, в частности, серосодержащих примесей – не более 50 мг/кг.
При проведении экспериментов в качестве концентрата нейтральных веществ таллового масла использовался концентрат, полученный из различных пород масла хвойных или смешанных пород деревьев, содержащий от 60 до 75 масс.% основных стеринов, до 3,5 масс. % прочих стеринов, в том числе до 2 масс. % альфа-ситостерина; до 2,5 масс. % бетулина; до 5 масс. % оксиситостеролов, а также до 20 % нестерольных примесей, в том числе до 3 % алифатических высших жирных спиртов, с содержанием от 20 до 24 атомов углерода, и до 15 % смол – продуктов конденсации моно- и дитерпеновых углеводородов с молекулярной массой 500-600 г/моль.
После проведения большой серии исследований неожиданно было обнаружено, что наибольший выход кристаллической фракции, свободной от нежелательных примесей, наблюдается при применении растворителя, состоящего из предельного неполярного углеводорода в количестве от 10 до 27 масс. %, предпочтительнее от 15 до 20 масс.%, оптимально 17 масс.%, из одноатомного алифатического спирта в количестве от 60 до 80 масс. %, предпочтительнее от 65 до 75 масс. %, оптимально 70 масс.% и воды остальное. При этом лучшие результаты были получены при использовании в качестве предельного неполярного углеводорода гексана или гептана, а в качестве одноатомного алифатического спирта - изопропилового или изобутилового спирта.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Исходное сырье – концентрат нейтральных веществ таллового масла, полученный из хвойных или смешанных пород древесины, растворяют в указанном смесевом растворителе при температуре кипения последнего (около 65-66 °С) или близкой к ней. Соотношение между концентратом нейтральных веществ и смесевым растворителем выбирается в диапазоне от 1:2 до 1:10, преимущественно в диапазоне от 1:3 до 1:5, предпочтительно 1:4. Затем раствор выдерживают при температуре растворения в течение от получаса до полутора для полного растворения исходного сырья.
Далее раствор концентрата нейтральных веществ в смесевом растворителе охлаждают до температуры от 35 до 47 °С, при этом начинается помутнение раствора и выпадение первых затравочных кристаллов. Температура, при которой начинается помутнение, будет зависеть от указанного выше соотношения концентрата нейтральных веществ и смесевого растворителя.
Дальнейшее охлаждение проводят до температуры от 10 до 25 °С, предпочтительнее 10 °С для полной кристаллизации фитостеринов. При этом, чем больше скорость охлаждения, тем получаемые кристаллы будут мельче. При выбранной температуре смесь выдерживают от двух до четырех часов. Режим кристаллизации предпочтителен статический (без перемешивания), поскольку при перемешивании быстро выпадают кристаллы, образуя плотную суспензию трудно перемешиваемую и почти не фильтруемую.
Кристаллизация проводится в одну стадию с промывкой получаемых кристаллов от маточного раствора свежей порцией смесевого растворителя или только охлажденным до температуры 5-10 °С предельным неполярным углеводородом.
Предложенный способ позволяет получить высокочистые фитостерины с выходом от 59 до 63 масс.% от массы взятого исходного сырья,при этом степень извлечения основных стеринов из исходного сырья варьируется от 75 до 82 % и зависит как от содержания их в исходном концентрате нейтральных веществ, так и, главным образом, от выбранных условий кристаллизации, соотношения концентрат - смесевой растворитель и температурного режима кристаллизации. Качество получаемого кристаллического продукта соответствует поставленной технической задаче. Во всех случаях содержание суммы основных стеринов (кампастерин, кампестанол, бета-ситостерин, стигмастерин, стигмастанол) не менее 96 масс. %, с содержанием прочих стеринов (брассикастерол, дельта-5-авеностерол, дельта-7-2,5-stigmastadienol, дельта-7-campesterol, клеростерол и пр.) не более 3 масс. %, в том числе альфа-ситостерина – не более 0,1 масс.%, бетулина – не более 0,1 масс.%, оксистерола – не более 0,1 масс.%, и содержанием прочих нестерольных примесей – не более 1 масс. %.
По сравнению с известными способами предложенный способ обладает следующими преимуществами:
• за одну ступень кристаллизации позволяет получить продукт с выходом – от 59 до 63 масс. % и степенью извлечения – от 75 до 82 масс.%;
• удаляет нежелательные примеси альфа-ситостерина до следовых количеств – не более 0,1 %, бетулина и оксиситостерина – ниже предела обнаружения;
• удаляет нестерольные примеси (высшие жирные спирты, тяжелые нейтральные вещества и смолы) до приемлемого содержания – не более 1% в сумме.
Предложенный способ можно проиллюстрировать следующими примерами.
ПРИМЕР 1.
100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из хвойных пород древесины, содержащего 71,8 масс.% основных стеринов, 4,6 масс.% прочих стеринов, 0,7 масс.% альфа-ситостерина, 1,5 масс.% бетулина, 2,6 масс.% оксистеролов, а также 7,3 масс.% нестерольных примесей, в том числе 0,7 масс.% алифатических спиртов, растворяли в 300 г смесевого растворителя, состоящего из 50,1 г гексана, 212,4 г изопропанола и 37,5 г воды, при температуре 66 °С до полного растворения. Полученный прозрачный раствор медленно охлаждали до температуры окружающей среды для зарождения кристаллов, затем температуру понижали до 10 °С и вели кристаллизацию при этой температуре в течении 4 часов. Выпавшие кристаллы ситостерина отделяли фильтрованием, промывали охлажденным гексаном дважды, затем сушили и плавили при температуре 170-175 °С в инертной среде для отделения остатков растворителя. Получено 61г стеринов с массовой долей основных стеринов 96,0 %; 2,5 % прочих стеринов; 0,1% альфа-ситостерина; оксиситостеролов и бетулина – ниже предела обнаружения методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (<0,01 масс%); 0,8 % прочих нестерольных примесей.
Выход высокочистых фитостеринов составил 61% от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 82 %.
ПРИМЕР 2.
100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из смешанных пород древесины, содержащего 75,4 масс.% основных стеринов, 3,8 масс.% прочих стеринов, 1,0 масс.% aльфа-ситостерина, 1,7 масс.% бетулина, 3,0 масс.% оксиситостеролов, а также 7,3 масс.% нестерольных примесей, в том числе 1,1 масс.% алифатических спиртов, растворяли при температуре 58 °С в течение 1 ч в 500 г смесевого растворителя, состоящего из 80 г гексана, 350 г изопропанола и 70 г воды,  при соотношение концентрат / растворитель 1:5. Полученный прозрачный раствор медленно охлаждали до температуры 47 °С для зарождения кристаллов, затем температуру понижали до 10 °С и вели кристаллизацию при этой температуре в течении 4 часов без перемешивания. Выпавшие кристаллы ситостерина отделяли фильтрованием, промывали охлажденным гексаном, затем сушили и плавили при температуре 170-175 °С в инертной среде для отделения остатков растворителя. Получили 59 г стеринов с массовой долей основных стеринов 96,0 %; 2,7% прочих стеринов; 0,1% альфа-ситостерина; бетулин, оксиситостеролы и алифатические спирты – ниже предела обнаружения методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (<0,01 масс. %); прочих нестерольных примесей – 1,1 %.
Выход высокочистых фитостеринов составил 59 % от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 76 %.
ПРИМЕР 3.
100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из хвойных пород древесины, содержащего 65,4 масс.% основных стеринов, 2,7 масс.% прочих стеринов, 0,9 масс.% aльфа-ситостерина, 0,4 масс.% бетулина, 6,0 масс.% оксиситостеролов, а также 19,3 масс.% нестерольных примесей, в том числе менее 0,1 масс.% алифатических спиртов, но содержащего 14,5 % тяжелых нейтральных веществ и смол, растворяли в 400 г смесевого растворителя, состоящего из 64 г гексана, 280 г изопропанола и 56 г воды,  соотношение концентрат / растворитель 1:4. Растворение проводили при температуре 62 °С в течение 1ч (до полного растворения). Полученный прозрачный раствор медленно охлаждали до температуры 35 °С для зарождения кристаллов, затем температуру понижали до 10 °С и вели кристаллизацию при этой температуре в течении 4 часов без перемешивания. Выпавшие кристаллы ситостерина отделяли фильтрованием, промывали охлажденным гексаном дважды, затем сушили и плавили при температуре 170-175 °С в инертной среде для отделения остатков растворителя. Получено 56 г стеринов с массовой долей основных стеринов 96,0 %; 2,3 % прочих стеринов; альфа-ситостерина; бетулина, оксиситостеролов и алифатических спиртов – ниже предела обнаружения методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (<0,01 масс.%); 0,9 % прочих нестерольных примесей.
Выход высокочистых фитостеринов составил 56 % от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 82 %.
ПРИМЕР 4.
К 100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из смешанных пород древесины, добавили 1000 г смеси растворителей, состоящую из 167 г гексана, 703 г изопропилового спирта и 130 г воды, соотношение концентрат/растворитель 1:10. Растворение проводили при 52-53 °С, при этом полное растворение достигалось за 15 мин. После чего раствор охлаждали до 35 °С для зарождения кристаллов, а процесс кристаллизации и фильтрации вели при 10 °С. Кристаллы промыли холодным гексаном. В результате было получено 59 г кристаллического продукта, содержащего 96,1 % основных стеринов, 2,4 % прочих стеринов, 0,1 % альфа-ситостерина, бетулин, оксиситостерол и жирные спирты – ниже предела обнаружения, нестерольные примеси – 0,9 масс. %.
Выход высокочистых фитостеринов составил 59 % от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 80 %.
ПРИМЕР 5.
100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из хвойных пород древесины, растворяли в 300 г смесевого растворителя, состоящего из 50 г гептана, 212,5 г изопропанола и 37,5 г воды, при температуре 75,7 °С до полного растворения. Полученный прозрачный раствор медленно охлаждали до температуры окружающей среды для зарождения кристаллов, затем температуру понижали до 10 °С и вели кристаллизацию при этой температуре в течение 4 часов. Выпавшие кристаллы ситостерина отделяли фильтрованием, промывали охлажденным гептаном дважды, затем сушили и плавили при температуре 170-175 °С в инертной среде для отделения остатков растворителя. Получено 59 г стеринов с массовой долей основных стеринов 95,0 %; 3,0 % прочих стеринов; 0,1 % альфа-ситостерина; бетулина и оксиситостеролов – ниже предела обнаружения методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (<0,01 масс. %); алифатических спиртов – ниже предела обнаружения; 0,8 % прочих нестерольных примесей.
Выход высокочистых фитостеринов составил 59 % от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 78 %.
ПРИМЕР 6.
100 г концентрата нейтральных веществ таллового масла, полученного из хвойных пород древесины, растворяли в 300 г смесевого растворителя, состоящего из 50 г гексана, 212,5 г изобутанола и 37,5 г воды, при температуре 74,4 °С до полного растворения. Полученный прозрачный раствор медленно охлаждали до температуры окружающей среды для зарождения кристаллов, затем температуру понижали до 10 °С и вели кристаллизацию при этой температуре в течение 4 часов. Выпавшие кристаллы ситостерина отделяли фильтрованием, промывали охлажденным гексаном дважды, затем сушили и плавили при температуре 170-175 °С в инертной среде для отделения остатков растворителя. Получено 59 г стеринов с массовой долей основных стеринов 95,5 %; 2,9 % прочих стеринов; 0,1 % альфа-ситостерина; бетулина – ниже предела обнаружения методом газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (<0,01 масс. %); оксиситостеролов – ниже предела обнаружения; алифатических спиртов – ниже предела обнаружения; 0,7 % прочих нестерольных примесей.
Выход высокочистых фитостеринов составил 59 % от концентрата нейтральных веществ, степень извлечения стеринов составляет 75 %.
Представленные примеры предназначены для иллюстрации и не ограничивают объем изобретения, который определяется объемом прилагаемой формулы изобретения.
Предложенный способ является эффективным и позволяет применять его для получения высокочистых фитостеринов, пригодных для использования в пищевой промышленности.