亚临界水反应从畜禽粪便中提取植物多酚的新方法

摘要

植物多酚，包括香兰素，常被用作药物和香草香精的中间原料。在农业上，一般用香草植物生产香兰素，工业上用处理过的木浆中的木质素生产香兰素。我们最近开发了一种利用草食动物的粪便作为木质素的天然资源，利用亚临界水生产植物多酚的方法。亚临界水的使用方法优于超临界水，因为后者发生完全分解。成功生产了香兰素、原儿茶酸、香草酸、丁香酸等产品。我们的方法更简单、更有效，不仅因为它需要更短的处理时间，而且因为它向大气中释放的二氧化碳更少。

1.介绍

Livestock excrement in Japan alone has been attained up to 40 000 tons per year, which recently has been one of the national major excrement management problems. Almost all farms are located close to residential areas in Japan, which enhances the hazard of water and soil pollution by the bad smell and by the onset of the potential infectious diseases. Therefore, we have to develop the method of disposing the excrement efficiently and safely. In order to regulate the pollution, the Japanese government passed the law, “Law concerning the appropriate treatment and promotion of utilization of livestock manure” (universally applied on November 1st, 2004) [1]。法律要求规范管理方法。需要用混凝土地板或其他不透水的材料建造有遮盖和有围墙的建筑物来处理固体排泄物。对于液体排泄物和泥浆的处理，需要建造混凝土或不透水材料制成的储罐。根据法律规定，牲畜粪便不应堆放在露天，这通常会导致长时间的堆肥。

目前已开发与超临界水反应堆，以治疗在公司宫崎生物质回收（宫崎，日本），静冈大学（日本静冈县）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的家畜排泄物的电力站的另一种方法2-4，前者用鸡粪，后者用牛粪。然而，在这种情况下，牲畜粪便作为一种自然资源分解成二氧化碳气体()及水(）。

已知的是，在家畜排泄物中含有的木质素的不消化膳食纤维的量大。木质素是一种生物聚合物，其中hydroxyphenylpropane单元，如反式p-香豆醇、针叶醇和锡萘醇以螺旋结构与醚和碳-碳键连接[五-10]。Nakahara报导利用超临界水从木浆中提取植物多酚[11]。Adschiri和他的同事还报道了通过溶剂热反应提取植物多酚的方法[12-15]。含香兰素的植物多酚是一种非常有用的医药、食品香精中间体。香兰素通常是从香草植物中提取的。2004年和2005年，日本每年进口香兰素分别为260吨和340吨[16]。还有Freudenberg [17报道了木质素碱硝基苯法合成香兰素的方法。

我们在这里报告香兰素的提取使得资源了畜禽粪便的转化为有用的植物多酚对各种行业的目的。

2。材料和方法

草食性动物，包括牛，山羊和马（宫崎大学）和肉食动物，老虎（上野动物园，东京，日本）的粪便，在我们的研究中使用。One-gram excrement and 4 mLwere taken into the reactor, a stainless tube (SUS316) with the capacity of 5 mL. Then the reactor was heated up to the temperatures (and pressures) ofC，C (0.6 MPa),C (1.5 MPa),(3.9 MPa)在批处理系统中，每批的温度为C (8.3 MPa)。经过60分钟的处理后，反应堆被冷却。

我们用高效液相色谱在水溶液中分析产品。采用600E系统控制器、996光电二极管阵列检测器和10190 HTR-B温度控制(Waters Co.， MA, USA)。反相柱(Shimadzu垫片包装CLC-ODS; mm; column length, 150 mm; Kyoto, Japan) was used at the temperature ofC. An aqueous solution of 2902.95 mL，31。五 mL methanol, and 5.55 mL propan-2-ol, 60 mL acetic acid, 8.17 g sodium acetate was used as a mobile phase. The flow rate of the mobile phase was 0.7 mL/min and the UV detector showed the absorbance at 280 nm. We conducted the quantitative analyses of the plant polyphenol concentration using the HPLC of the samples with the area of each peak. We also used a liquid chromatography/mass spectrometer system (LC/MS) to reconfirm each peak obtained in HPLC analysis. The column (Tosoh TSK-GEL ODS-80;= 4.6毫米;column length 150 mm; Tokyo, Japan) was applied for LC/MS. The temperature of column wasC和其他条件与HPLC研究中描述的相同，只是用乙酸铵代替乙酸钠作为挥发性盐作为流动相。

3.结果与讨论

今天，有生产香草的两种方法。的常规方法是直接从香草植物提取它。香草植物，原产于墨西哥，但人们在马达加斯加是第一个生产用于商业用途。调味来自心皮和香草植物的豆。香草制作成香料的过程是一个非常漫长和复杂的方法。因此，他们不能产生香草量大。另一种方法是获得由木浆的木质素香草设置在业。Adschiri和同事不仅在提取超临界水的木质素，并成功地生产植物多酚，但他们也发现了许多其他实体超过了香草醛。然而，要花费大量的时间和精力来完善植物多酚。

为了把废弃物转化为有用的产品，我们已经发明了香兰素生产与牲畜排泄物中的木质素的简单方法。

我们在这里显示在图图1（b）该产品在该溶液中，闻起来像咖啡和可可粉的HPLC图谱，从牛排泄物在获得C的反应。按照标准化合物的HPLC图谱(图)图1（a）在10分钟时在32分钟55分钟儿茶酸的峰值，香草酸，丁香酸，并在56分钟香兰素：），我们可以识别下列峰。我们可以在相同的保留时间与标准化合物的发现对LC峰1至4。每种物质的确认我们已经进行了进一步研究的液相色谱/质谱仪。数字2显示从图中所示的LC峰1到4得到的质谱图1（b）。

（一种）

（b）中

（一种）
（b）中

图1

的HPLC（a）所述的标准试剂和（b）的UV色谱牛排泄物在处理C.色谱图由反相色谱柱(Tosoh tssk - gel ODS-80;= 4.6毫米;柱长150毫米)。柱的温度为C.流速0.7 mL/min。紫外检测器显示吸光度为280nm。

(a) LC峰1

(b) LC峰2

(c) LC峰3

(d) LC峰4

(a) LC峰1
(b) LC峰2
(c) LC峰3
(d) LC峰4

图2

m / z ^- 牛的HPLC峰的质谱排泄物在处理C.质量扫描在负离子检测模式电喷雾电离后进行。质荷的理论比（）去质子化离子（[M-H])，原儿茶酸为153.02，香草酸为167.03，丁香酸为197.04，香兰素为151.04。

我们可以找出质荷比的单主峰（m / z）与图儿茶酸图2（a）。它也显示在图图2（c）和图2（d）用丁香酸和香兰素。另一方面，我们可以确定的两个主要峰m / z，将其在图中所示图2（b）;一个是香草酸和其他遗体该未识别的。

我们进行了实验以不同的亚临界水的反应温度为产品产率的依赖性的目的。数字3给出了各植物多酚的定量分析结果。我们想要的植物多酚没有在条件下被发现C，这表明温度对产品产量的依赖性存在。原儿茶酸的制备方法为C.香草酸是从粪便中分离大多在C及其产量下降在C.丁香酸在取值范围内CC.虽然我们确定在香兰素猫在一定的反应温度下，生成的香兰素较多，但没有发现香草醛在C处的收C为最大。香草酸和香草醛的总量达到50几乎恒定 μ1克的粪便之间的温度范围内C认为香草酸是在亚临界水条件下通过氧化还原反应生成香兰素的。需要进一步研究来澄清这一点。

（A）原儿茶酸

(b)香草酸

(c) Synringic酸

（d）香兰素

（A）原儿茶酸
(b)香草酸
(c) Synringic酸
（d）香兰素

图3

从牛提取的多酚的定量HPLC分析排泄物在150，200，250和C.（A）儿茶酸，（b）中的香草酸，（C）丁香酸，和（d）香草醛。The circles show the yield of plant polyphenol per 1 g of excrement. A reversed-phase column (Shimadzu Shim-Pack CLC-ODS;= 6.0毫米;column length, 150 mm) was used at the temperature ofC. An aqueous solution of 2902.95 mL，31。五 mL methanol, and 5.55 mL propan-2-ol, 60 mL acetic acid, 8.17 g sodium acetate was used as a mobile phase. UV absorbance was detected at 280 nm.

我们继续与其他动物的进一步实验，以确定生产香草酸和香草醛。我们分析了产品与HPLC治疗后。数字4以牛、羊、马、虎的粪便为原料，在条件下进行高效液相色谱分析C.我们发现香草酸和香草醛约35和55分钟，分别从排泄物牛，山羊的产物获得，和马的峰：草食动物。但是，我们找不到老虎的粪便的产品有：肉食动物。草食性动物采取含木质素含量高的植物。在消化器官中的微生物消化的植物纤维。大多数包含在植物纤维中的木质素的，但是，不能被微生物等消化酶消化。木质素是难以消化的草食性动物，包括我们分析这三只动物[18-24]。在肉食动物的情况，相反，他们采取的主要肉瓤，在他们的消化器官的消化酶水解成氨基酸。因此，我们的理由是，草食性动物的排泄物是优越的木质素源。我们的实验结果与从不同量的木质素在草食和肉食动物之间的排泄物中观察到的假设一致。

的（a）牛

(b)痛风

（三）马

(d)老虎

的（a）牛
(b)痛风
（三）马
(d)老虎

图4

(a)牛、(b)羊、(c)马、(d)经处理的老虎粪便的紫外色谱图C.我们使用HPLC系统与反相柱（岛津垫片包CLC-ODS;= 6.0毫米;柱长，150 mm)在温度下C.流动相为相同LC / MS的;乙酸铵代替乙酸钠。紫外检测器显示吸光度为280nm。

虽然我们在这里表明，有价值的产品可以从动物排泄物中提取，它们可以作为其他资源。生物量是从植物和动物衍生的可回收有机资源：家畜排泄物，木片，和谷壳等。将畜禽粪便已经实现高达每年50万吨日本。油荒在不久的将来的问题是普遍预期。我们可以通过使用丰富的排泄物作为碳资源避免它。此外，适宜性，作为食品，在我们的方法得到的排泄物产品目前正在对动物进行测试。

现在越来越明显的是，使用化石燃料导致的巨大大量的全球变暖。它的更多的消费导致的浓度越高在大气中。从生物质中给出的碳，但是，最初是由来自大气的植物光合作用固定。我们的系统不会在粪便中的全部碳释放到大气中但有助于保持碳原子的植物多酚的该分子中。此外，农业不仅为我们提供食物，而且还支持生物质资源。如果我们考虑到石油的短缺在未来几年内，我们需要寻找其他途径来获得目前从石油中提取的材料，而不是传统的工业制造方法。回收利用是解决这个问题的途径之一。生物质用于工业材料的使用将是用于该目的的另一种方式[25，26]。我们的生产多酚将提供替代方法的方式;实际上，我们已经成功地生产了一种从通过亚临界水反应的家畜排泄物中获得的多酚苯酚 - 塑料（未示出数据）。

多酚的一些化合物难以合成，我们能够开发出更有效和更大比例提取系统导致。在这个意义上的农业也将在社会的可持续发展，在不久的将来发挥显著重要的作用，暗示途径，如果我们能利用这种方法开发多酚的批量生产系统。

致谢

这项工作部分得到东丽研究中心的支持。作者感谢AKICO公司的Aizawa先生和Harada先生所提供的实验仪器。他们也感谢K. Itou先生为手稿所做的准备。

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