CN100425596C - 脱氧果糖嗪的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：采用葡糖胺或其盐作为反应原料，用硼酸类化合物或硼酸盐类化合物作催化剂，进行自缩合反应，采用纳滤膜分离技术，将反应副产品分离出去，将目标化合物脱氧果糖嗪截留，再将该截留料液浓缩并重结晶，即得到本发明目的产物脱氧果糖嗪。本发明与现有技术相比具有以下优点：工艺流程简单，操作方便，反应时间短，节约动力能耗，其脱氧果糖嗪工业化生产得率可达55%-60%。本发明具有反应均匀、温度低、无毒性、成本低、转化率高的特点，可应用于工业生产。

Description

脱氧果糖嗪的制备方法

技术领域

本发明涉及一种脱氧果糖嗪的制备方法

背景技术

脱氧果糖嗪的化学名称为2-(1’，2’，3’，4’-四羟基丁基)-5-(2’，3’，4’-三羟基丁基)吡嗪，属于多羟基烷基吡嗪类化合物，英文名称：deoxyfructosazine，简称DOF，有2，5和2，6两个异构体。

二者的物理性质见表1。

表1脱氧果糖嗪的基本性质

脱氧果糖嗪是棕色化反应的中间体，在卷烟燃烧时其热解产物如表2中所示。这些吡嗪类化合物都是重要的烟草致香物质。

表2脱氧果糖嗪的热解产物

国外对脱氧果糖嗪及其异构体的研究开始于20世纪初，70年代研究最多，包括烟草中脱氧果糖嗪的定性定量研究、棕色化反应中脱氧果糖嗪的分析鉴定研究、立体结构研究和加香加料作用研究等。根据日本烟草公司和美国雷诺公司的工作人员所给出的数据来看，2，5-脱氧果糖嗪在烤烟中的含量为0.029％，2，6-脱氧果糖嗪在烤烟中的含量为0.033％。

1973年，Tsuchida，H.等人以葡萄糖和氨水为反应原料在弱酸性条件下进行棕色化反应，产物经过层析柱分离得到了2，5-脱氧果糖嗪和其异构体2，6-脱氧果糖嗪，并用红外和核磁共振对二者的结构进行了鉴定。1975年Tsuchida，H.等人将未渗析类黑精的水解产物通过DEAE纤维素柱和DOWEX-50层析柱分离，得到了2，5-脱氧果糖嗪和2，6-脱氧果糖嗪，并对2，5-脱氧果糖嗪和2，6-脱氧果糖嗪的产率进行了测定。1976年Tsuchida，H.等人又用果糖和甲酸胺为反应原料经沸水浴得到了2，5-脱氧果糖嗪和2，6-脱氧果糖嗪，结果表明用果糖和甲酸胺反应得到产物较多的是2，5-脱氧果糖嗪，2，6-脱氧果糖嗪的产率则相对较低。用葡萄糖和甲酸胺反应得到的结果则与此相反。同年，Tsuchida，H.等人还对葡萄糖和氨水分别在弱酸和强碱条件下的反应产物进行了研究。结果显示在弱酸性的反应条件下，2，5-脱氧果糖嗪和2，6-脱氧果糖嗪的产率分别为0.58％和5％。而在碱性条件下，二者的产率则分别为0.68％和0.76％。同时Tsuchida，H.等人还对两种条件下的不同反应机理进行了讨论。

有资料显示，脱氧果糖嗪及其异构体早在70年代就被应用于国外烟草公司的卷烟产品中，如Philip Morris公司、Brown & Williamson公司等，并且在美国、欧洲和日本均有多项关于脱氧果糖嗪应用于烟用加香加料技术的专利。1978年，日本的河本正彦和土田広信申请了关于应用脱氧果糖嗪及其异构体改善卷烟香味的专利。该专利分别采用果糖和甲酸铵、葡萄糖和氨气、葡萄糖和甲酸铵、果糖和碳酸铵以及葡萄糖和氨水反应来制备脱氧果糖嗪及其多羟基烷基吡嗪类化合物，采用过层析柱的方法分离和提纯脱氧果糖嗪，并对得到的几种多羟基烷基吡嗪类化合物的熔点、旋光度、紫外吸收进行了测定。同时该专利还对这几种化合物在白肋烟、烟草薄片和膨胀烟丝组成的叶组配方上的应用进行了研究，结果发现添加脱氧果糖嗪可以改善该配方的香气、吃味，减小刺激。

综上所述，目前制备脱氧果糖嗪(DOF)的方法通常利用糖-胺反应，然后再将脱氧果糖嗪从糖-胺反应体系中分离出来，该反应原理见如下反应式：

实验步骤如下：

将葡萄糖或果糖和甲酸铵按合适的摩尔比加入圆底烧瓶中，加入适量蒸馏水，加热反应，反应原液用旋转蒸发仪浓缩至浆状，将此浓缩液转移到阳离子交换柱，用蒸馏水作为洗脱液进行洗脱，收集洗脱液的300mL-1000mL浓缩至浆状，用水和异丙醇(1∶3)重结晶3次，得到白色固体干燥后可得到2，6-脱氧果糖嗪或2，5-脱氧果糖嗪的白色粉末。

我们对不同反应原料，不同糖/胺比例，以及不同加热方式和加热时间进行了详细的比较试验。结果发现合成中糖胺发生Maillard反应和Amadori重排，副反应多，导致合成后的反应体系呈深红棕色，DOF的转化率低，进而造成分离的困难。

目前的两种分离方法，一种是阳离子交换柱分离，该方法洗脱慢，操作烦琐，耗时。专利CN 1603313A使用了膜分离法，先经过超滤膜一次滤，再用纳滤膜二次过滤，虽然一定程度上比离子交换法略好，但仍然达不到工业生产的要求。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术所存在的问题而研制出的一种工艺流程简单、操作方便、成本低、转化率高的脱氧果糖嗪的制备方法。

本发明的制备原理是：根据脱氧果糖嗪有多个羟基的特点，利用多羟基化合物的特征反应，采用葡糖胺或其盐作为反应原料，用硼酸类化合物或硼酸盐类化合物做催化剂，合适的反应条件下进行催化自缩合反应。在分离阶段采用先进的膜分离技术，将其它反应副产物一次性去除，截留住目标化合物脱氧果糖嗪。再将料液浓缩并重结晶。

本发明的制备方法为：采用葡糖胺或葡糖胺的盐作为反应原料，用硼酸类化合物或硼酸盐类化合物作催化剂，进行自缩合反应，采用纳滤膜分离技术，将反应副产品分离出去，将目标化合物脱氧果糖嗪截留，再将该截留料液浓缩并重结晶，即得到本发明目的产物脱氧果糖嗪。

具体步骤如下：先将硼酸类化合物或硼酸盐类化合物溶解于碱性水溶液中，逐量加入葡糖胺或葡糖胺的盐，加入量为硼酸类化合物或硼酸盐类化合物摩尔量的30～50％，15-50℃下搅拌3-5小时，进行自缩合反应，再逐量加入HCl调pH至2-3，将该酸性料液通过纳滤膜分离技术进行分离，使混合物中的反应副产品去除，目标化合物脱氧果糖嗪料液被截留，最终将该截留料液进行浓缩并重结晶即得到本发明的脱氧果糖嗪。

在本发明中，催化剂为硼酸类化合物时，可选择硼酸或是苯硼酸；催化剂为硼酸盐类化合物时，为过硼酸钠或四硼酸二钠。

所述葡糖胺的盐可为葡糖胺盐酸盐，也可为葡糖胺硫酸盐。

所使用的纳滤膜的截留分子量最高值小于脱氧果糖嗪分子量，不高于300，其中不高于200为优。其材质可为聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜酰胺、聚烯烃、含氟材料、纤维素酯类、陶瓷膜、玻璃膜、聚酯或含硅聚合物等；所述纳滤膜可以是卷式膜、中空纤维膜、管式膜或板式膜。

纳滤的操作压力为0.1MPa到20MPa之间，控制膜通量为1L/M².h^-1至60L/M².h^-1之间，操作温度为0℃到40℃之间。

所述葡糖胺(或其盐)经硼酸类化合物或硼酸盐类化合物催化反应后得到的混合物，先通过滤袋过滤后，再通过高压泵压入透过纳滤膜，除去混合物中的无机盐等杂质，截留DOF得到含有DOF的膜截留液，没有透过膜组件的膜截留料液经管道送回原料储罐，然后再送入膜组件分离，随着分离的进行，透过纳滤膜的料液越来越多，可往原料储罐中多次加入软水，尽量使无机盐等杂质随着透过液一起透过膜组件，通过控制料液的操作温度和压力尽量截留DOF。同时配制AgNO₃溶液，监测截留料液中Cl^-的残留情况，直到在AgNO₃溶液中滴入截留料液未见沉淀，即可停止稀释，该截留料液可直接用作香料，经两次减压蒸馏和重结晶后的白色固体粉末即DOF粗产品，可用作香料，食品添加剂或医药原料等。

本发明与原有技术相比具有以下优点：反应原料简单易得，价格便宜，工艺流程简单，操作方便，反应时间短，节约动力能耗，产物转化率高，副反应少，其脱氧果糖嗪工业化生产得率可述55％-60％。本发明具有反应均匀、能耗少、成本低、转化率高的特点，可应用于工业生产。

该工艺也可应用于果糖嗪、木糖嗪、脱氧木糖嗪等多羟基烷基吡嗪类化合物的制备。

附图说明

图1为本发明的工艺示意图。

图2为本发明纳滤膜工艺流程图。

图2中：1——料液罐；2——供料泵；3——预过滤器；4——高压泵；

       5——纳滤组件

具体实施方式

本发明以下结合实施例做进一步描述，但并不限制本发明。

实施例1

葡糖胺盐酸盐硼酸催化自缩合反应与膜分离技术相结合制备脱氧果糖嗪

在30L反应釜中，加入硼酸12.5mol，按1∶1的摩尔比例加入NaOH 500克，以及25L水。搅拌至溶解后，逐量加入葡糖胺盐酸盐(也可为葡糖胺硫酸盐)5mol。15-50℃搅拌4小时后，逐量加入10％HCl调pH至2-3。得到的混合物料液，通过滤袋过滤后，再通过高压泵压入透过截留分子量为80的纳滤膜，除去混合物中的无机盐等杂质，得到含有DOF的膜截留液，没有透过膜组件的膜截留料液经管道送回原料储罐，然后再次送入膜组件分离，随着分离的进行，透过纳滤膜的料液越来越多，可往原料储罐中多次加入软水通过控制料液的操作温度和压力尽量使无机盐等杂质随着透过液一起透过膜组件。钠滤膜设备操作温度为不超过40℃，操作压力为0.1MPa到20MPa之间，控制膜通量为30L/M².h^-1至60L/M².h^-1之间。同时配制AgNO₃溶液，监测截留料液中Cl^-的残留情况，直到在AgNO₃溶液中滴入截留料液未见沉淀，即可停止稀释，该膜截留料液可直接用作香料或食品添加剂等，经两次减压蒸馏和重结晶后的白色固体粉末即DOF粗产品，可用作香料，食品添加剂或医药原料等。

将该料液转移至减压蒸馏装置，在不高于40℃的情况下，进行一次减压低温蒸馏浓缩；然后按照1∶10的体积比，加入95％的乙醇，同等条件下，进行二次减压低温蒸馏浓缩，此时有白色固体析出，经过滤，干燥，得到脱氧果糖嗪的粗产品532克，得率70％。再将粗产品用水和异丙醇重结晶后可以得到脱氧果糖嗪纯品(纯度99％)，得率65％。该晶体可用作香料，食品添加剂或医药原料等。

实施例2

葡糖胺盐酸盐苯硼酸催化自缩合反应与膜分离技术相结合制备脱氧果糖嗪

在30L反应釜中，加入苯硼酸12.5mol，按1∶1的摩尔比例加入NaOH 500克，以及25L水。搅拌至溶解后，逐量加入葡糖胺盐酸盐5mol。15-50℃搅拌4小时后，逐量加入10％HCl调pH至2-3。苯硼酸从溶液中析出，过滤，得到的白色固体即为回收的苯硼酸。得到的混合物料液，通过滤袋过滤后，再通过高压泵压入透过截留分子量为150的纳滤膜，除去混合物中的无机盐等杂质，得到含有DOF的膜截留液，没有透过膜组件的膜截留料液经管道送回原料储罐，然后再次送入膜组件分离，随着分离的进行，透过纳滤膜的料液越来越多，可往原料储罐中多次加入软水通过控制料液的操作温度和压力尽量使无机盐等杂质随着透过液一起透过膜组件。钠滤膜设备操作温度为不超过40℃，操作压力为0.1MPa到20MPa之间，控制膜通量为30L/M².h^-1至60L/M².h^-1之间。同时配制AgNO₃溶液，监测截留料液中Cl^-的残留情况，直到在AgNO₃溶液中滴入截留料液未见沉淀，即可停止稀释，该膜截留料液可直接用作香料或食品添加剂等。如实施例1所述，经两次减压蒸馏和重结晶后的白色固体粉末即DOF粗产品，得率60％。可用作香料，食品添加剂或医药原料等。

实施例3

葡糖胺过硼酸钠催化自缩合反应与膜分离技术相结合制备脱氧果糖嗪

在30L反应釜中，加入过硼酸钠12.5mol，以及25L水，边搅拌边加入适量盐酸直到溶液完全澄清。溶解后，逐量加入葡糖胺5mol。15-50℃搅拌4小时后，逐量加入10％HCl调pH至2-3。得到的混合物料液，通过滤袋过滤后，再通过高压泵压入透过截留分子量为150的纳滤膜，除去混合物中的无机盐等杂质，得到含有DOF的膜截留液，没有透过膜组件的膜截留料液经管道送回原料储罐，然后再次送入膜组件分离，随着分离的进行，透过纳滤膜的料液越来越多，可往原料储罐中多次加入软水通过控制料液的操作温度和压力尽量使无机盐等杂质随着透过液一起透过膜组件。钠滤膜设备操作温度为不超过40℃，操作压力为0.1MPa到20MPa之间，控制膜通量为30L/M².h^-1至60L/M².h^-1之间。该膜截留料液可直接用作香料或食品添加剂等，如实施例1所述，经两次减压蒸馏和重结晶后的白色固体粉末即DOF粗产品，得率65％。可用作香料，食品添加剂或医药原料等。

Claims (6)

1、一种脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：采用葡糖胺或葡糖胺的盐作为反应原料，用苯硼酸或硼酸盐类化合物作催化剂，进行自缩合反应，具体步骤如下：先将苯硼酸或硼酸盐类化合物溶解于水溶液中，逐量加入葡糖胺或葡糖胺的盐，加入量为苯硼酸或硼酸盐类化合物摩尔量的30～50％，15-50℃反应3-5小时，进行自缩合反应，再逐量加入HCl调pH至2-3，将该酸性料液通过纳滤膜分离技术进行分离，所述纳滤膜的截留分子量最高值小于脱氧果糖嗪分子量，使混合物中的反应副产品去除，目标化合物脱氧果糖嗪料液被截留，在纳滤过程中，未透过纳滤膜的膜截留料液经管道送回原料储罐，然后再送入纳滤膜分离，随着分离的进行，透过纳滤膜的料液越来越多，往原料储罐中多次加入软水，使无机盐杂质随着透过液一起透过纳滤膜，最终将该截留料液进行浓缩并重结晶即得到脱氧果糖嗪。

2、根据权利要求1所述的脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：葡糖胺的盐为葡糖胺盐酸盐或葡糖胺硫酸盐。

3、根据权利要求1所述的脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：硼酸盐类化合物为过硼酸钠或四硼酸二钠。

4、根据权利要求1所述的脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：纳滤的操作压力为0.1MPa到20MPa之间，控制膜通量为1L/M².h^-1至60L/M².h^-1之间，操作温度为0℃到40℃之间。

5、根据权利要求1所述的脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：所述纳滤膜的材质为聚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚砜酰胺、聚烯烃、含氟材料、纤维素酯类、陶瓷膜、玻璃膜、聚酯或含硅聚合物。

6、根据权利要求1所述的脱氧果糖嗪的制备方法，其特征在于：所述纳滤膜是卷式膜、中空纤维膜、管式膜或板式膜。

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