新橙皮苷二氫查耳酮的合成工藝及應(yīng)用進(jìn)展

王 剛，蔡 才，王亞珍，王紅波，謝新春，萬偉雄，黃冬云，胡思前*

（1. 江漢大學(xué) a. 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院；b. 生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430056；2. 武漢市華甜生物科技有限公司，湖北 鄂州 436070）

新橙皮苷二氫查耳酮（NHDC）是一種查耳酮的衍生物，合成原料主要是柚皮苷和橙皮苷。柚皮苷和橙皮苷廣泛存在于柑橘類果實(shí)的皮、肉和種子中，通常果皮中含量較多［1］；其合成工藝也較為簡(jiǎn)單，分為化學(xué)法與生物法，均操作簡(jiǎn)易，合成周期短。研究發(fā)現(xiàn)其甜度是蔗糖的1 500 ～1 800 倍［2］，其性質(zhì)穩(wěn)定、無毒無害、高效低熱，具有良好的調(diào)味功能，是一種新型的甜味劑，能夠讓食品增香增甜，且能在食品中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，可滿足作為食品添加劑的要求，因此在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景；另外NHDC 還具備良好的生理活性，具備抗氧化性和清除自由基的能力，能夠降膽固醇和血糖［3］。

1 NHDC 前驅(qū)體的提取及合成

NHDC 是通過橙皮苷的異構(gòu)體新橙皮苷在堿性條件下開環(huán)得到新橙皮苷查耳酮，再催化加氫得到［4］。新橙皮苷在天然植物中含量較低，因此通常將柚皮苷、橙皮苷轉(zhuǎn)化為新橙皮苷再用于NHDC 的制備。NHDC 合成的完整流程是先提取橙皮苷、柚皮苷，再通過各種方式轉(zhuǎn)化為新橙皮苷，最后采用堿液開環(huán)、催化加氫得到。

1.1 橙皮苷和柚皮苷的提取

橙皮苷與柚皮苷的提取方法較為成熟，手段多種多樣。當(dāng)前成熟的提取方法有堿提酸沉法、醇溶劑提取法、超聲提取法、微波提取法及酶法等。相關(guān)原理及參數(shù)如表1 所示。

表1 橙皮苷與柚皮苷提取法Tab.1 Extraction of hesperidin and naringin

1.2 新橙皮苷合成及提取

1.2.1 柚皮苷化學(xué)法合成新橙皮苷 柚皮苷化學(xué)法合成新橙皮苷是通過催化劑催化羥醛縮合反應(yīng)，用于該反應(yīng)的催化劑種類有很多，例如堿醇催化劑、四氫吡咯、脯氨酸等，加之我國每年柚子產(chǎn)量巨大，柚皮來源豐富、價(jià)格穩(wěn)定，從柚皮中提取柚皮苷合成新橙皮苷的路線不論從經(jīng)濟(jì)上還是資源利用上都是很有利的。柚皮苷化學(xué)法合成新橙皮苷反應(yīng)方程式如圖1 所示，催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)如表2 所示。

1.2.2 橙皮苷生物轉(zhuǎn)化法合成新橙皮苷 橙皮苷與新橙皮苷是同分異構(gòu)體，兩者區(qū)別在于橙皮苷上橙皮素連的基團(tuán)是鼠李糖基β- 1，6- 葡萄糖苷，而新橙皮苷上橙皮素所連基團(tuán)為鼠李糖基β- 1，2- 葡萄糖苷［22］。由于兩者是同分異構(gòu)體，因此如何將橙皮苷高效地轉(zhuǎn)化為新橙皮苷成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。生物轉(zhuǎn)化法是將橙皮苷水解，通過生物酶的作用將其轉(zhuǎn)化為新橙皮苷，或是通過生物酶將橙皮苷的鼠李糖去除，再使用轉(zhuǎn)移酶將橙皮苷轉(zhuǎn)化為新橙皮苷?；谶@一思路，國內(nèi)外研究人員將眾多生物酶應(yīng)用于兩者的轉(zhuǎn)化，并取得了良好的效果。1993 年，Castillo 等［23］將橙皮素通過葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶與鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶分兩步合成為新橙皮苷，并表明柑橘的枳殼中含有新橙皮苷的成分，給新橙皮苷的生物合成法提供了新的思路。2005 年以色列Frydman 課題組［24］聯(lián)合美國佐治亞大學(xué)利用7- O- 葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶與鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶的共同作用，將由橙皮苷通過高溫稀酸溶液水解得到的陳皮素轉(zhuǎn)化為新橙皮苷，同時(shí)另一水解產(chǎn)物陳皮素- 7- O- 葡萄糖苷在鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下得到新橙皮苷。反應(yīng)方程如圖2 所示。

圖1 柚皮苷化學(xué)法合成新橙皮苷反應(yīng)方程Fig. 1 Reaction equation of chemical synthesis of neohesperidin from naringin

表2 3 種柚皮苷化學(xué)法合成新橙皮苷的催化劑Tab.2 Three catalysts for synthesis of neohesperidin from naringin with chemical methods

圖2 橙皮苷生物轉(zhuǎn)化法合成新橙皮苷Fig.2 Synthesis of neohesperidin from hesperidin with biotransformation method

2009 年朱思明等［25］發(fā)現(xiàn)了一種新的生物轉(zhuǎn)化法，將橙皮苷與金屬溶液反應(yīng)得到橙皮苷金屬配合物，加入固定化橙皮苷酶得到橙皮苷酶解產(chǎn)物，再加入固定化鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶1，2- RhaT得到新橙皮苷鹽，最后除去金屬離子得到新橙皮苷。反應(yīng)方程如圖3 所示。

圖3 新生物轉(zhuǎn)化法合成新橙皮苷Fig.3 Synthesis of neohesperidin with a new biotransformation method

1.2.3 植物萃取法 萃取法是提取天然物質(zhì)的常用方法，是利用所要提取的天然成分在某些溶劑中分散程度較大的原理，輔以微波、超聲、機(jī)械、超臨界等方法［26］使所要提取的天然成分溶解在萃取劑中，然后在萃取劑中進(jìn)行分離純化，最終得到所需成分。植物萃取法的原料是一些新橙皮苷含量較為豐富的蕓香科和茜草科等植物的花、果實(shí)、果皮和種子，其中枳實(shí)與枳殼中新橙皮苷含量較高，因此一般將枳實(shí)與枳殼作為主要原料。天然植物中新橙皮苷的產(chǎn)量較低，因此并沒有工業(yè)價(jià)值，僅供理論研究。賈長(zhǎng)英等［27］采用索氏提取法，以95% 的乙醇為提取劑，對(duì)甜橙皮中新橙皮苷進(jìn)行提取，確定了適宜工藝條件∶料液比為1∶10（g/mL），提取溫度為90 ℃，提取時(shí)間為4 h，濃縮液的pH 在4 ～5 之間，收率在0.65% ～0.68% 之間。劉學(xué)仁等［28］采用微波法對(duì)枳殼中的新橙皮苷進(jìn)行提取，采用正交試驗(yàn)確定適宜工藝條件為：80% 乙醇、微波功率400 W、溫度40 ℃，提取時(shí)間10 min。

2 NHDC 的合成

新橙皮苷在堿性條件下開環(huán)得到新橙皮苷查耳酮，再加氫即可得到NHDC。當(dāng)前常規(guī)的方法是選用催化劑進(jìn)行催化加氫，使用較為成熟的催化劑有鈀碳、骨架鎳、硼氫化鈉和硼氫化鉀；非常規(guī)方法即不采用催化劑對(duì)新橙皮苷查耳酮進(jìn)行加氫，目前有電解加氫法較為理想。

2.1 常規(guī)加氫法

常規(guī)加氫法要求工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單、環(huán)保綠色，否則不利于工業(yè)化，易造成污染，并將導(dǎo)致成本過高，產(chǎn)品純度不夠。常規(guī)加氫法基本流程如圖4 所示。

圖4 常規(guī)加氫法流程Fig.4 Conventional hydrogenation process

吳厚玖等［29］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)骨架鎳與鈀碳均適用于新橙皮苷的催化加氫，鈀碳催化效果略好于骨架鎳，所得的NHDC 的純度與得率均高于骨架鎳催化；但骨架鎳價(jià)格相比于鈀碳低得多，骨架鎳的循環(huán)使用性能高于鈀碳。雷佳等［30］在常溫條件下采用鈀碳對(duì)新橙皮苷進(jìn)行催化加氫，適宜工藝條件為新橙皮苷與鈀碳比例為4∶1（m/m），催化劑在第一次使用時(shí)效果最好，最大產(chǎn)率接近99% ，同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率隨鈀碳使用次數(shù)逐減，但在循環(huán)1 ～5 次的條件下，產(chǎn)率始終高于80% 。肖樂擴(kuò)等［31］在常溫條件下采用骨架鎳對(duì)新橙皮苷堿性催化加氫，經(jīng)對(duì)工藝條件的優(yōu)化得出結(jié)論，在25 ℃、新橙皮苷與NaOH 比例為10∶3（m/m）、新橙皮苷與催化劑比例為10∶1（m/m）、壓力為0.1 MPa、攪拌速度為150 r/min、反應(yīng)10 h 的條件下產(chǎn)率可達(dá)90% ，純度高達(dá)99% 。值得注意的是此法采用在低壓下進(jìn)行反應(yīng)，這使得催化效果遠(yuǎn)好于常壓下的效果。在專利［32］中將催化劑改為硼氫化鈉或硼氫化鉀，采用乙醇溶解，催化劑的用量為新橙皮苷的0.5 ～1 倍摩爾量，反應(yīng)溫度在40 ～60 ℃之間，收率在87% ～90% 之間。此法不需堿液開環(huán)，直接一步得到NHDC，工藝較為簡(jiǎn)單，不需高壓，對(duì)設(shè)備要求更低，同時(shí)增加了工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全性，催化劑價(jià)格也較傳統(tǒng)貴金屬催化劑低廉。在專利［33］中采用柚皮苷一步法制備NHDC，此法將柚皮苷用熱的堿液溶解，并在加熱條件下與過量異香蘭素進(jìn)行反應(yīng)得到新橙皮苷查耳酮，再用二氯甲烷除去過量的異香蘭素，或是不做處理直接催化加氫后再除去過量異香蘭素與催化劑，最后進(jìn)行冰鹽酸?。恹}酸），低溫靜置得到NHDC 粗品，進(jìn)行純化后得到精品。此法將工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得反應(yīng)時(shí)間大大縮短，NHDC 的收率高，純度高，較為適合工業(yè)化。

2.2 非常規(guī)加氫法

電解加氫法，此法采用電解水的方法產(chǎn)生氫氣，利用產(chǎn)生的氫氣的高活性直接進(jìn)行加氫反應(yīng)，不需要催化劑，反應(yīng)條件溫和，環(huán)保無污染。在專利［34］中以新橙皮苷為原料，用堿液將新橙皮苷開環(huán)，將新橙皮苷查耳酮加入到隔離式電解槽的陰極室中進(jìn)行電解加氫，然后將陰極的溶液濃縮蒸干，將固體用水溶解后調(diào)節(jié)呈酸性，在低溫下靜置析出NHDC 粗品，重結(jié)晶后得到精品。其流程如圖5 所示。

圖5 非常規(guī)加氫法流程Fig.5 Unconventional hydrogenation process

3 NHDC 的檢測(cè)

NHDC 的檢測(cè)方法眾多，不同樣品中NHDC 的檢測(cè)方法也存在差異，目前采用相對(duì)較多的是高效液相色譜法（HPLC）和高效液相色譜- 串聯(lián)質(zhì)譜法（HPLC- MS/MS），除此之外還有毛細(xì)管區(qū)帶電泳法［35］、電化學(xué)傳感法等［36］。徐國波等［37］用HPLC 法檢測(cè)NHDC 含量，將傳統(tǒng)乙腈流動(dòng)相改為甲醇，降低了毒性，縮短了NHDC 的保留時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。廖政邦等［38］采用HPLC- MS/MS 對(duì)大鼠血樣中的NHDC 進(jìn)行檢測(cè)，此法所需儀器昂貴，但精密度高、準(zhǔn)確性好、專屬性強(qiáng)、簡(jiǎn)單快捷，適用于高精度分析。

4 NHDC 的應(yīng)用

NHDC 與傳統(tǒng)的甜味劑相比，其性質(zhì)更加穩(wěn)定，因此NHDC 的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。低熱、無毒、穩(wěn)定的特性使得NHDC 十分契合當(dāng)下食品工業(yè)的需求，在食品工業(yè)領(lǐng)域有很大的潛力。NHDC 具有屏蔽苦澀味道的功能，可作為飼料添加劑，能夠加快幼畜的進(jìn)食，使得其產(chǎn)肉上市時(shí)間大大縮短；NHDC 有很高的生理活性，因此具有很高的藥用價(jià)值，在醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠預(yù)防和治療多種疾病，同時(shí)還可以屏蔽部分藥物的苦澀味道，改善藥物的口感。

4.1 NHDC 在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

NHDC 作為一種新型的甜味劑，其最突出的功能就是增甜，有研究表明與傳統(tǒng)的甜味劑作用于T1R2 細(xì)胞外結(jié)構(gòu)區(qū)域不同，NHDC 是通過作用于T1R3 的跨膜區(qū)而產(chǎn)生甜味，同時(shí)能夠誘發(fā)T1R2- T1R3 的協(xié)同作用，因此NHDC 與傳統(tǒng)甜味劑復(fù)合使用時(shí)具有十分良好的協(xié)同效應(yīng)［39-40］。NHDC 作為一種高甜低熱的甜味劑，與傳統(tǒng)甜味劑復(fù)配使用時(shí)既可以起到增甜作用，又可以將食品飲料變得更加健康；NHDC 可以單獨(dú)使用，對(duì)無甜味的食品進(jìn)行風(fēng)味修飾，只需少量即可使食品的風(fēng)味更加綿長(zhǎng)純正；NHDC 可用為香料，與麥芽酚、乙酰麥芽酚等傳統(tǒng)香料具有很好的協(xié)同效應(yīng)，因此陸續(xù)被世界各國收錄于香料名錄中。Schrader 等［41］將NHDC 與穩(wěn)定劑、防腐劑混合制成液體香料用于食品增香。除此之外，由于NHDC 在低于甜味閾值時(shí)能夠優(yōu)先與苦味受體結(jié)合，因此還可用為矯味劑，用于掩蓋食物中的不良味道，改善口感。

4.2 NHDC 在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

NHDC 具有很強(qiáng)的生理活性，是一類很好的抗氧化物質(zhì)，在醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。Suhrez 等［42］發(fā)現(xiàn)NHDC 能夠降低胃酸與胃蛋白酶的分泌，將其與其他抗酸藥物配合使用可以大大提高藥物抗酸效果，NHDC 有望成為一種新型的胃藥。Sandipan 等［43］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)NHDC 能抑制BACE1 和類淀粉復(fù)雜蛋白質(zhì)的聚集，NHDC 與BACE1 的活性位點(diǎn)結(jié)合，從而誘導(dǎo)構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)封閉的復(fù)合物，500 nmol/L 的NHDC 能夠完全抑制BACE1 的活性，而NHDC 與Aβ25-35共同作用能夠幾乎完全抑制Aβ25-35纖維的形成，因此NHDC 在阿爾茨海默癥（AD）的治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。張碩等［44］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)NHDC 在體外可抑制HSC- T6 細(xì)胞膠原的合成，能夠有效預(yù)防小鼠肝纖維化，NHDC 在未來或可應(yīng)用于急性重型肝炎的預(yù)防或治療中；黃酮類化合物具有較強(qiáng)的抗氧化性，對(duì)自由基的清除效果良好，并能夠促進(jìn)皮膚代謝、抑制褐變作用［45］，被應(yīng)用于黃褐斑的治療與護(hù)膚品中。除此之外，還有研究人員發(fā)現(xiàn)NHDC 具有降低膽固醇、血糖和中性脂質(zhì)的作用，因此可用于心血管疾病和糖尿病的治療。

4.3 NHDC 在飼料領(lǐng)域的應(yīng)用

NHDC 在飼料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，2013 年NHDC 被我國列為飼料中的調(diào)味和誘食物質(zhì)之一。由于NHDC 具有特有的甜味，并有修飾風(fēng)味的效果，在與其他飼料添加劑復(fù)配使用時(shí)，能夠屏蔽其他飼料添加劑中不好的味道，使得飼料的口感純正，縮短豬仔斷奶日齡，促進(jìn)豬仔食欲，增加進(jìn)食。在仔豬飼料中添加NHDC 能夠顯著增加乳酸菌的盲腸菌群豐度，同時(shí)也增加了腸腔內(nèi)乳酸菌濃度，影響腸道的共生微生物群［46］。宗敏玲等［47］發(fā)現(xiàn)NHDC 與黃芪多糖、刺五加多糖、甘草多糖、苜蓿多糖、維生素等復(fù)配使用時(shí)，可以減少抗生素與促生長(zhǎng)激素的使用，縮短母豬產(chǎn)程，加快母豬產(chǎn)后恢復(fù)，同時(shí)也可以應(yīng)用于家禽飼料中，降低雞新城疫的發(fā)病率，提高家禽抵抗力。

5 結(jié)語

通過對(duì)NHDC 特性、合成和應(yīng)用的介紹，可以看出NHDC 前驅(qū)體的原料來源十分廣泛、綠色環(huán)保，且NHDC 前驅(qū)體的提取及合成方法成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，輔以微波、聲波等較為新型的提取手段時(shí)其提取效率大大提高。NHDC 的合成工藝較多，但多存在一定的弊端，目前研究人員正在積極開發(fā)綠色環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單的合成方法。NHDC 無毒低熱、清爽高甜，具有優(yōu)良的生理活性，用途廣泛，不僅可用于食品添加劑，在食品工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，還可以作為飼料添加劑用于飼料的改良，更可以用于醫(yī)藥領(lǐng)域，預(yù)防和治療各種疾病。隨著合成工藝的不斷改良和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開發(fā)，NHDC 的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，市場(chǎng)潛力良好。