一种微波辐射法从坚果壳中提取D-阿洛糖的方法

摘要

一种微波辐射法从坚果壳中提取D‑阿洛糖的方法，包括对坚果壳进行粉碎的步骤、对粉碎后的坚果壳进行微波辐射的步骤、对微波辐射后的产物进行固液分离的步骤、对固液分离后所得液体进行旋蒸分离的步骤、对旋蒸分离后所得粘稠固相进行极性溶剂洗涤的步骤、以及对极性溶剂洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶的步骤。该方法以植物废弃物——坚果壳为原料，采用绿色反应工艺，可快速、高效地从坚果壳中提取出一种稀有糖——D‑阿洛糖，来大大降低D‑阿洛糖的生产成本，提高坚果壳的附加价值和资源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及D-阿洛糖的制备技术领域，具体的说是一种微波辐射法从坚果壳中提取D-阿洛糖的方法。

背景技术

D-阿洛糖（D-Allose）是一种稀有糖，其是D-葡萄糖的C-3位差向异构体、顺式己醛糖，它是甜味的白色晶体，分子式为C

D-allose在膳食、保健、医药等领域中发挥着非常重要的功能。其生理功能主要包括：（1）抑制致癌作用及抑制各种癌细胞系的增殖，这也是D-阿洛糖的众多生理功能中最引人注目功能。（2）可以对癌症放、化疗具有协同增效作用，Hoshikawa H.课题组报道了D-阿洛糖对头颈癌细胞 HSC-3 的放射增敏作用，发现合并 D-阿洛糖和放射治疗比两者单独使用的效果要好很多。（3）抑制高钠诱导型高血压。（4）抗氧化性及相关作用，Ishihara 等科学家研究发现 D-阿洛糖的活性氧自由基清除能力和在线粒体活性氧自由基产生过程中所起的作用很显著。（5）D-阿洛糖的抗氧化性使其在存在氧化应激的急性局部缺血/再灌注损伤器官移植手术等相关临床应用中起到相应的抗炎保护作用。（6）免疫抑制、冷冻保护等其他功能。（7）日本香川大学和日本松古化学临床试验发现D-阿洛糖通过抑制葡糖糖的摄取来控制饭后血糖的升高，能抑制脂肪的吸收，具有抗肥胖的作用。（8）Harada 等人发现D-阿洛糖可以加强甲硝唑对寄生虫毛滴虫的效果，从而减少甲硝唑用量，避免毛滴虫对药物产生抗性。（9）Tanaka 等人报道D-阿洛糖与内吞作用以及树突细胞激励T细胞相关,可能起到免疫抑制作用。除此之外，D-Allose还具有热量低、机体不能代谢或者代谢很少、抗龋齿、降血糖、改善肠道菌群等优点。其甜味刺激和果糖类似，其口感、甜度和蔗糖较为类似，是一种非常难得的优秀的低能量甜味剂。同时还具有保护胰腺β岛细胞，改善胰岛素敏感度和葡萄糖耐受性，减少腹部脂肪积累，清除活性氧自由基等作用，是一种很有前途的具有保健功能的功能性甜味剂。

由于D-Allose在天然植物中含量极低，直接从天然植物中提取成本很高，它仅仅存在于一些天然植物的提取物及细菌代谢物中。目前人工化学合成主要有：1、以D-葡萄糖为原料的直接合成法，经氧化还原反应，改变C-3位羟基的构型：该途径需经过羟基保护反应，然后氧化还原反应改变糖的羟基构型（先氧化，再用NaBH

采用生物合成法合成D-allose商品来源的主要渠道。以廉价的D-果糖为原料，在D-塔格糖3-差向异构酶家族成员的作用下，C3位发生差向异构化，获得D-阿洛酮糖。后者在酮醛糖异构酶的作用下，转化为对应的D-allose。

这种生物酶催化合成方法虽然很好，但生物酶本身价格十分昂贵，也造成D-allose的价格居高不下。2019年3月份由阿拉丁试剂公司提供D-allose价格，0.1g包装的试剂级D-allose高达300元。

山茱萸是一种落叶灌木或小乔木，属于山茱萸属植物山茱萸科的树种，山茱萸果实期是8月至10月。山茱萸作为我国非常重要的中药材，每年产量在数万吨左右，山茱萸籽即是山茱萸去除果肉后的废弃物。山茱萸籽的质量是山茱萸果肉的4-5倍，全中国每年生产山茱萸后剩余的山茱萸籽质量超过了2万吨，因此对山茱萸籽的资源化研究是非常有必要的。目前已知的对山茱萸籽的资源化研究主要有提取山茱萸籽油、制备山茱萸籽活性炭以及烤胶、从山茱萸籽中提取多酚类物质等。如何对山茱萸籽进行进一步的研究和加工，从该植物废弃物中提取出高附加值的化合物，将具有极强的经济效益和社会价值。

发明内容

本发明的技术目的为：采用绿色反应工艺，从植物废弃物——坚果壳中快速、高效的提取出一种稀有糖——D-阿洛糖，来大大降低D-阿洛糖的生产成本，提高坚果壳的附加价值和资源利用率。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种微波辐射法从坚果壳中提取D-阿洛糖的方法，包括对坚果壳进行粉碎的步骤、对粉碎后的坚果壳进行微波辐射的步骤、对微波辐射后的产物进行固液分离的步骤、对固液分离后所得液体进行旋蒸分离的步骤、对旋蒸分离后所得粘稠固相进行极性溶剂洗涤的步骤、以及对极性溶剂洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶的步骤；

在微波辐射步骤中，粉碎后的坚果壳中均匀掺杂有其质量1-10%的吸波材料，且微波辐射的功率为500-1000W、辐射时间为5-20min；

在旋蒸分离步骤中，控制真空度为300-670mmHg、温度为120-150℃，旋蒸分离的终点为直至无馏分流出；

在极性溶剂洗涤步骤中，所选用极性溶剂的极性范围为6.6-4.3。

进一步的，所述的坚果壳为山茱萸籽、核桃壳、杏仁壳、松子壳、榛子壳和花生壳中的任意一种。

进一步的，所述坚果壳粉碎后的粒径小于10cm。

进一步的，在水溶解重结晶步骤后，还设置有对结晶物进行柱层析提纯的步骤。

进一步的，在柱层析提纯步骤中，所选用的提纯柱为硅胶柱，淋洗液为乙醚。

进一步的，所述的吸波材料为质量配比为（0.3:1）-（2:1）的磁性金属氧化物与碳基材料的复配物，且吸波材料在粉碎后的坚果壳中的掺杂量为粉碎后的坚果壳质量的1.5-5%。

进一步的，所述的磁性金属氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁和氧化钴中的至少一种。

本发明的有益效果：

1、本发明的D-阿洛糖提取工艺，与现有技术中的化学合成和生物合成法相比，具有原料来源丰富，价格低廉，工艺过程简单，可操作性强，全程无污染等优点。提取工艺采用微波照射固相反应的方式来进行D-阿洛糖的快速、高效提取，工艺步骤本身操作简单，安全性高，无需高温高压或低温低压等苛刻的操作条件，也无需溶剂介入反应，又无气体排放造成环境污染，环保性强，且大大降低了D-阿洛糖的生产成本，有望大幅度降低D-allose的商品价格，使这种具有抗癌、抗肿瘤、消炎、抗氧化、抗高血压、冷冻保护以及免疫抑制等有非凡活性的稀有糖进入平常百姓家中。

2、本发明的D-阿洛糖提取工艺，采用的原材料为储量丰富，来源稳定，附加值较低的植物废弃物。这些植物废弃物自身存在硬度大、难降解，既不能做饲料，又不能燃烧提供热源，利用价值极低的缺陷，利用本发明的工艺提取D-阿洛糖后，可大大提高这些植物废弃物的附加价值和资源利用率。经济效益显著，应用前景广阔。

3、本发明制备的D-阿洛糖纯度较高，品质稳定，提取过程中资源消耗量小，为稀有糖的生产和提取提供了一条完全新颖的制备工艺思路，也为绿色交叉学科-微波化学的发展和应用，提供理论依据和技术支持。

附图说明

图1为本发明的实验装置示意图；

图2为本发明实施例1中锥形瓶内收集到液体的气相色谱图；

图3为本发明实施例1中旋蒸分离后剩余粘稠固相的气相色谱图；

图4为本发明实施例1中旋蒸分离后剩余粘稠固相滞留时间在8.6-9.4的气相色谱图；

图5为本发明实施例1中旋蒸分离后剩余粘稠固相滞留时间在8.6-9.4，所对应荷质比m/z在0-170范围内的质谱图；

图6为本发明实施例1中旋蒸分离后剩余粘稠固相滞留时间在8.6-9.4，所对应荷质比m/z在170-450范围内的质谱图；

图7为本发明实施例1中旋蒸分离后剩余粘稠固相采用气质联用仪检测所推断出的分子式；

附图标记：1、微波反应器；2、冷凝管；3、烧瓶；4、锥形瓶；5、洗气瓶。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所列举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述的实验过程若未加指明均是在常温常压条件下进行；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

一种微波辐射法从坚果壳中提取D-阿洛糖的方法，该提取方法采用实验室制备的方式，反应装置如附图1所示，具体包括以下步骤：

对坚果壳进行粉碎，使其小于10cm，之后，按照质量比为（1-10）：100的比例，分别称取吸波材料和粉碎的坚果壳，充分混匀后，置于微波反应器1中的圆底烧瓶3中，设置微波反应器1的功率为500-1000W，开启微波反应器1进行微波辐射反应5-20min。反应过程中，蒸发的液体组分经由冷凝管2的冷凝作用，进入锥形瓶4内，反应结束后，收集实验装置示意图图1中锥形瓶4内的液体，该液体为油分，对该油分进行真空度为300-670mmHg、温度为120-150℃的旋蒸分离，分离出部分水分和低沸点油分，直至无馏分流出；然后，对旋蒸分离后所得粘稠固相进行极性范围为6.6-4.3的极性溶剂洗涤多次，之后，对极性溶剂洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶，收集得到的重结晶固体，干燥后称重，即可计算D-阿洛糖的收率。

需要说明的是，当提取工艺对成品D-阿洛糖的纯度要求较高时，还可以通过对重结晶后的固体进行柱层析的方式来进行产物提纯，该操作中所选用的提纯柱为硅胶柱，淋洗液为乙醚。

本申请的提取工艺是基于现有技术中，无论是采用化学合成法或是采用生物合成法生产D-allose，都面临着原料价格高，收率低，催化剂昂贵的缺陷，造成D-allose的价格居高不下，限制了这种具有良好生物活性稀有糖的应用和发展。本研究以植物废弃物——坚果壳，尤其是山茱萸籽为原料，采用微波辐射固相反应，使山茱萸籽在微波照射下微观结构发生变化，产生大量的液体产物，微波照射后的山茱萸籽通过压榨分离，可以得到重量百分比在35%-45%的液体产物。经测定，该液体产物中含有15%左右的D-allose。

本申请的提取工艺采用植物废弃物为原料，利用绿色反应工艺，采用微波辐射使植物废弃物微观结构发生改变，产生大量的液体产物。得到的液体产物经过分离提纯，得到D-allose产品。

提取工艺中，采用的是在吸波材料作用下将辐射的微波进一步高密度聚集，使微波能量瞬间高强度高密度富集，达到有机物中化学键的断裂和新化学键的生成。使微波照射能够辅助坚果壳中的大分子化合物产生裂解，将原料植物废弃物分子结构中化学键打断，产生新物质，得到的分解产物中含有大量的D-allose。微波辐射产物经过固液分离，液体蒸发除去易挥发组分，得到的粘稠液再用甲醇、乙醇等有机溶剂洗涤除去酚类、醛类有机物，剩余的不溶性固体用蒸馏水重结晶就得到D-allose粗品，后者经过柱层析法进一步提纯可得到D-allose纯品。测试熔点、旋光度和元素分析等数据，以分析出产品的纯度。

众所周知，坚果壳类植物废弃物硬度大、难降解，既不能做饲料，又不能燃烧提供热源，几乎没有太大的利用价值，来源十分的充足，价格十分的低廉。即使我们能从坚果壳中提取出1%的稀有糖D-allose，按照目前的D-allose价格，相当于从1吨坚果壳废弃物中提取出10公斤的黄金，经济效益十分显著，工业化前景十分看好。

本发明的目的就在于提供一种在吸波材料作用下用微波辐射植物坚果壳制备稀有糖D-阿洛糖的方法。具有反应设备简单，产率高，速度快，易操作，仅仅通过简单化学分离手段得到较高产率稀有糖D-阿洛糖等优点。

本发明的提取工艺中，作为资源化零排放循环利用的绿色化工过程，微波照射后完成固液分离后的固体可用于制备活性炭，极性溶剂洗涤后产生的洗涤液中含有大量的糠醛、糠醇、苯酚衍生物等高附加值的基础有机化工原料。可用于进行多种基础有机化工原料的制备。该工艺的成功一方面能大幅度地降低D-allose的成本，使这种具有抗癌、抗肿瘤、消炎、抗氧化、抗高血压、冷冻保护以及免疫抑制等有非凡活性的稀有糖进入平常百姓家中。另一方面将提供一条采用微波辐射反应提取稀有糖的创新思路，为绿色交叉学科-微波化学的发展和应用，提供理论依据和技术支持。

实施例1

本实施例从山茱萸籽中提取D-阿洛糖，其中，山茱萸籽原料来源于河南的伏牛山地区，是山茱萸的植物废弃物，具体的提取工艺为：

将山茱萸籽粉碎成粒径不大于5cm的颗粒，之后，按照质量比为1：0.02的比例，准确称取粉碎后的山茱萸籽颗粒100g和吸波材料2.0g，此处选用的吸波材料为质量配比为0.5:1的三氧化二铁和石墨的复配物，充分混匀后，置于微波反应器中的圆底烧瓶内，设置微波反应器的功率为800W，开启微波反应器进行微波辐射反应10min。反应结束后，收集锥形瓶内的液体。对该液体进行真空度500mmHg、温度130℃的旋蒸分离，分离出部分水分和低沸点油分，直至无馏分流出；然后，对旋蒸分离后所得粘稠固相，使用乙醇溶液进行浸泡式洗涤3次，之后，对洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶，收集得到的重结晶固体，干燥后称重8.9g，计算D-阿洛糖的收率为8.9%。

在上述操作中的微波辐射反应后，对锥形瓶内收集到的液体进行气质检测，使用赛默飞世尔科技生产的型号为Trace ISQ气相色谱质谱联用仪（GC-MS）进行检测，结果如附图2所示。

由附图2的数据分析可知，锥形瓶内的液体产物中易挥发组分（滞留时间5.55以下）的含量约占液体产物总量的60%，这些有机物可以通过减压旋转蒸发而收集到液相中。难挥发的组分则形成粘稠固相留在瓶底，用乙醇等极性溶剂洗涤过滤，将能溶解于极性溶剂的有机物洗涤分离出去。剩余的不溶物滤饼用蒸馏水溶解重结晶，就能够得到较高纯度的D-allose产品。将得到的固体D-allose测试熔点和旋光度，基本上就能够判断D-allose的纯度了。如果D-allose的纯度不够，再采用过柱子（柱层析）的方法进一步提纯。即：从附图2中可以看出未处理的裂解原液峰个数较多，从而所含化合物较为复杂，从检测报告中得到D-阿洛糖含量为15.7%，需要对原油分进一步处理。

在上述操作中的旋蒸分离进行浓缩后，使用赛默飞世尔科技生产的型号为TraceISQ气相色谱质谱联用仪（GC-MS）对所得粘稠固相进行检测，结果如附图3、4、5、6所示，图7为经过上述气相色谱检测和质谱检测后，气质联用仪推断出的化合物分子式，由该分子式可知：粘稠固相中含有的大量化合物正是我们的目标提取物——D-阿洛糖。从附图3中可以看出：浓缩后液体气象图谱峰数量明显减少，滞留时间在8-10min的区域峰面积明显增加，说明该区域中D-阿洛糖得到较高富集，由峰面积比值得到：该粘稠固相中D-阿洛糖的含量为86.3%。

实施例2

本实施例从山茱萸籽中提取D-阿洛糖，其中，山茱萸籽原料来源于河南的伏牛山地区，是山茱萸的植物废弃物，具体的提取工艺为：

将山茱萸籽粉碎成粒径不大于2cm的颗粒，之后，按照质量比为1：0.05的比例，准确称取粉碎后的山茱萸籽颗粒100g和吸波材料5.0g，此处选用的吸波材料为质量配比为1:1的四氧化三铁和活性炭的复配物，充分混匀后，置于微波反应器中的圆底烧瓶内，设置微波反应器的功率为700W，开启微波反应器进行微波辐射反应15min。反应结束后，收集锥形瓶内的液体。对该液体进行真空度600mmHg、温度120℃的旋蒸分离，分离出部分水分和低沸点油分，直至无馏分流出；然后，对旋蒸分离后所得粘稠固相，使用甲醇溶液进行浸泡式洗涤3次，之后，对洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶，收集得到的重结晶固体，干燥后称重9.2g，计算D-阿洛糖的收率为9.2%。使用WZZ-2S /2SS 型数字式自动旋光仪钠光谱 D 线(589 nm) 光源，长度为 10 cm 的旋光管测定固体产物的比旋光度为4.17。

实施例3

本实施例从核桃壳中提取D-阿洛糖，具体的提取工艺为：

将核桃壳粉碎成粒径不大于3cm的颗粒，之后，按照质量比为1：0.03的比例，准确称取粉碎后的核桃壳颗粒100g和吸波材料3.0g，此处选用的吸波材料为质量配比为0.3:1.2的氧化钴和石墨的复配物，充分混匀后，置于微波反应器中的圆底烧瓶内，设置微波反应器的功率为500W，开启微波反应器进行微波辐射反应20min。反应结束后，收集锥形瓶内的液体。对该液体进行真空度300mmHg、温度150℃的旋蒸分离，分离出部分水分和低沸点油分，直至无馏分流出；然后，对旋蒸分离后所得粘稠固相，使用乙醇溶液进行浸泡式洗涤3次，之后，对洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶，收集得到的重结晶固体，干燥后称重10.6g，计算D-阿洛糖的收率为10.6%。

使用WZZ-2S /2SS 型数字式自动旋光仪钠光谱 D 线( 589 nm) 光源，长度为 10cm 的旋光管测定固体产物的比旋光度为4.25。

实施例4

本实施例从花生壳中提取D-阿洛糖，具体的提取工艺为：

将花生壳粉碎成粒径不大于4cm的颗粒，之后，按照质量比为1：0.025的比例，准确称取粉碎后的核桃壳颗粒100g和吸波材料2.5g，此处选用的吸波材料为质量配比为1:2的四氧化三铁、三氧化二铁和活性炭的复配物，充分混匀后，置于微波反应器中的圆底烧瓶内，设置微波反应器的功率为1000W，开启微波反应器进行微波辐射反应6min。反应结束后，收集锥形瓶内的液体。对该液体进行真空度670mmHg、温度120℃的旋蒸分离，分离出部分水分和低沸点油分，直至无馏分流出；然后，对旋蒸分离后所得粘稠固相，使用丙酮溶液进行浸泡式洗涤3次，之后，对洗涤后所得不溶物进行水溶解重结晶，收集得到的重结晶固体，干燥后称重8.7g，计算D-阿洛糖的收率为8.7%。

使用WZZ-2S /2SS 型数字式自动旋光仪钠光谱 D 线( 589 nm) 光源，长度为 10cm 的旋光管测定固体产物的比旋光度为4.22。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。