CN102372633A

CN102372633A - 防腐剂富马酸单苄甲酯的制备方法

Info

Publication number: CN102372633A
Application number: CN2011103605958A
Authority: CN
Inventors: 张红印; 李娜; 祝子平; 任晓锋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明防腐剂富马酸单苄甲酯的制备方法，属于食品防腐剂技术领域。按照下述步骤进行：（1）马来酸单苄酯的制备及异构化：将马来酸酐和苯甲醇在反应温度反应一定时间后，加入异构化催化剂，在一定异构化温度下异构化一段时间即为富马酸单甲酯。（2）烧瓶中依次加入一定量的富马酸单甲酯、甲醇及催化剂后，得到纯品富马酸单苄甲酯。本发明以马来酸酐、甲醇、苯甲醇为原料制得新的富马酸酯—富马酸单苄甲酯。使得到的化合物同时具有良好的抑菌、抗氧化功能，为开发新型的多功能食品添加剂提供了一条新的思路。将该产物开发成为一类具有多种功能的食品添加剂。

Description

防腐剂富马酸单苄甲酯的制备方法

技术领域

本发明属于食品防腐剂技术领域，具体涉及一种富马酸单苄甲酯合成的制备方法。

背景技术

食品是人类赖以生存的基本物质，新鲜的食品则是保障人类健康的基本条件。食品中含有许多丰富的蛋白质、碳水化合物和脂肪类营养物质，在物理、生物化学和有害微生物等的作用下，可以失去原有的色、香、味、形而发生腐烂变质。其中有害微生物的作用是导致食品腐烂变质的主要原因。通常可以用物理方法或化学方法来防止有害微生物的破坏，物理方法是通过低温冷藏、隔绝空气、干燥、高渗、高酸度、辐射等来杀菌或抑菌；化学方法就是利用防腐剂来杀菌或抑菌。因此，食品的保鲜与防腐是食品加工生产的首要问题。

富马酸含有两个对称的不饱和羰基，其许多衍生物均具有良好的抗菌活性。其中富马酸二甲酯(DMF)是一个代表性产品，具有高效、广谱、低毒和使用声值范围广等特点，但DMF刺激性较大，限制了其在食品中的应用^]。利用富马酸的α,β-不饱和羰基结构特征，开发新型防腐剂引起了许多研究者的兴趣。富马酸酯类的抗菌功能域是α,β-不饱和羰基结构，其活性中心在β-碳和羰基氧上。这类防腐剂在微生物生长平稳期的抑菌率随分子疏水性能的增强而显著提高，其增加幅度与酯基碳链的长短成正比。

发明内容

本发明的目的是提供以马来酸酐、苯甲醇和甲醇为主要原料，合成含α,β-不饱和羰基结构的新型防腐剂富马酸单苄甲酯。

本发明的目的可以通过以下措施达到，富马酸单苄甲酯的制备方法合成技术路线如下所示：

Figure 2011103605958100002DEST_PATH_IMAGE001

。

富马酸单苄甲酯的制备方法，按照下述步骤进行：

（1）马来酸单苄酯的制备及异构化：将马来酸酐和苯甲醇在反应温度反应一定时间后，加入异构化催化剂，在一定异构化温度下异构化一段时间。冷却至室温后加入10% (w/w)的NaHCO3水溶液滤去不溶物后,加浓盐酸调节pH至3，析出物过滤干燥后得白色晶体即为富马酸单甲酯。

（2）烧瓶中依次加入一定量的富马酸单甲酯、甲醇及催化剂后，在瓶口处悬挂装有CaO粉末的绸布小袋后密封；CaO的使用量以富马酸单苄酯计为每0.1mol加15gCaO，适当过量；水浴加热搅拌；回流一定时间，待反应结束后，倒出反应液，在旋转蒸发器中将未反应的甲醇蒸发回收，回收的甲醇用于下一步的重结晶，将反应液剩余物倒入烧杯中，在搅拌下，将5倍于剩余物的冰水加入烧杯中，外部用冰盐水冷却至5℃左右，继续搅拌结晶，待结晶完全后抽滤并用饱和碳酸氢钠溶液洗涤至弱碱性，分离出析出的结晶，反复水洗，冷冻干燥至恒重，得到纯品富马酸单苄甲酯。

其中步骤（1）中所述的一定时间为15-90min, 反应温度为60-90℃，优选60℃，反应30min。

其中步骤（1）中所述的马来酸酐与苯甲醇的摩尔比为1：1-3，优选1∶1。

其中步骤（1）中所述的异构化催化剂为无水三氯化铝；异构化催化剂用量为在0.1mol反应物中加入0.5-0.8g的催化剂,优选0.1mol反应物中加入0.7g的催化剂。

其中步骤（1）中所述的异构化温度为60-100℃，优选90℃，异构化时间为1.5-4h，优选3h。

其中步骤（2）中所述的催化剂为硫酸氢钠、硫酸、对甲苯磺酸或氯化铁；优选硫酸氢钠。

其中步骤（2）中所述的反应时间为1-5h，优选4h。

其中步骤（2）中所述的反应温度为45℃—85℃，优选65℃。

其中步骤（2）中所述的富马酸单甲酯与甲醇的摩尔比为1：2-8，优选1：6。

本发明以马来酸酐、甲醇、苯甲醇为原料制得新的富马酸酯—富马酸单苄甲酯。使得到的化合物同时具有良好的抑菌、抗氧化功能，为开发新型的多功能食品添加剂提供了一条新的思路。性，将该产物开发成为一类具有多种功能的食品添加剂。

附图说明

图1 反应物摩尔比对酯化率的影响，

图2 温度对异构化率的影响，

图3 反应时间对异构化率的影响，

图4催化剂用量对异构化率的影响，

图5反应时间对富马酸单苄甲酯产率的影响，

图6 酸醇摩尔比对富马酸单苄甲酯产率的影响，

图7反应温度对富马酸单苄甲酯产率的影响，

图8富马酸单苄甲酯的IR谱图，

图9富马酸单苄甲酯的¹HNMR谱图，

图10大肠杆菌生长曲线，

图11牛奶腐败菌菌生长曲线，

图12黑曲霉的生长曲线，

图13合成Vc酯在猪油中的抗氧化性能，

图14合成Vc酯对·HO的清除能力，

图15合成Vc酯对O2·-的清除能力，

图16 合成Vc酯对DPPH的清除能力。

具体实施方式

实施例1

对于酸酐与醇的酯化反应来说，产率较高，无须考虑使用催化剂，反应温度和时间的试验结果如表1所示，随着反应温度的提高，反应速度逐渐增加，达到反应平衡的时间缩短，因此可选择90℃作为马来酸单酯酯化的适宜反应温度。

表1 反应温度和时间对酯化率的影响

Figure 2011103605958100002DEST_PATH_IMAGE002

注：酯化率超过100%说明发生了二酯化反应

实施例2

马来酸酐与苯甲醇的摩尔比对马来酸单苄酯产率的影响，根据图1显示，增加反应物马来酸酐与苯甲醇的摩尔比对反应初期酯化率的贡献较大，经过一段时间反应后，3种摩尔比情况下反应物的酯化率差别很小，最终单酯化率都会接近100%，故选择1∶1的反应物摩尔比进行反应15min。

实施例3

异构化温度对异构化率的影响一般来说，对于顺反两个异构体，反式比顺式稳定，这是由于顺式异构体转化生成反式异构体的反应常常为放热反应。这主要归因于顺式异构体的两个体积较大的基团处于双键同侧，比较拥挤，从而产生空间排斥作用，所以能量高于反式异构体，相对稳定性较差，这也可由测定它们的氢化热进行比较，氢化热较高的顺式异构体比反式异构体的内能高，因此比较活泼。

当其他条件不变，仅改变异构化温度，产率的变化如图2所示。产率随着温度的升高而逐渐增大，这是因为在相同的反应时间内，较低的反应温度下使得异构化反应不能够进行完全。当温度达到90℃时反应产率最高，当温度继续升高时，产率反而降低。这是因为当温度升高，促进异构化反应的同时也促进了副反应的发生。同时由于该反应是弱放热反应。所以升高温度有利于化学平衡的建立，但不利于反应的正向进行。

实施例3

异构化时间对异构化率的影响，异构化温度为90℃，改变异构化的反应时间，得到的产率变化曲线如图3所示。由图3可以看出，随着反应时间的延长，产率明显升高，这主要是在相同的异构化温度下，异构化时间的延长有利于异构化反应的完全进行。当异构化时间在3h时，产率最大。当异构化反应时间延长时，产率反而降低，主要是反应时间延长可以使异构化进行彻底，使产率得到提高，当反应时间过长时，会发生一些副反应，导致产品产率降低，因此反应时间为3h最佳。

实施例4

催化剂用量对异构化率的影响，在0.1mol反应物中分别加入0.5、0.6、0.7、0.8g的无水三氯化铝进行反应，计算产率，结果如图4所示。表中数据表明，随着催化剂用量的增加，产率逐渐增加，但增加量逐渐减小，表明催化剂达一定量后，再增加其用量,对产率的贡献很小。因此,在本试验规模下，选取0.7g作为适宜的异构化催化剂使用量。

实施例5

不同催化剂对富马酸单苄甲酯产率的影响，由表2可知，硫酸氢钠催化效率较高，均达到60%以上，反应时间稍长为4.5h。硫酸和对甲苯磺酸所需的催化时间较短，反应时间为3.5h和4h，但是催化效率分别为51.21%和47.95%，相对较低。氯化铁的催化效率虽然也可达60%以上，但处理时脱色困难，综合考虑以上因素。本试验采用硫酸氢钠为反应催化剂。

表2不同催化剂对富马酸单苄甲酯产率的影响

实施例6

反应时间对富马酸单苄甲酯产率的影响，反应时间的单因素试验结果如图5所示，随着反应时间加长产率上升，反应时间为4h时产率达到最高66.32%，之后随着反应时间增长，产率不再增加，反而有所降低，推测原因反应时间过长，引起酯部分水解，产率有所下降。

实施例7

反应物摩尔比对富马酸单苄甲酯产率的影响，通过对酸醇摩尔比的单因素试验结果如图6所示，选定酸醇摩尔比为1:6。甲醇过量有利于反应平衡向生成产品方向移动。随甲醇用量增加，产率上升，但当甲醇用量超过1:6，产率反而呈下降趋势。这是因为甲醇在体系中既是反应试剂又是溶剂，过量太多，一方面降低了催化剂浓度，另一方面由于甲醇沸点较低，降低了体系温度，使反应速率下降。

实施例8

反应温度对富马酸单苄甲酯产率的影响，反应温度的单因素试验表明（如图7所示），随着反应温度的提高，富马酸单苄甲酯产率上升，当反应温度为65℃时产率为最高65.25%，之后提高温度产率反而下降。温度太低时，部分富马酸单苄酯未反应，温度太高，容易有副反应发生，生成其他杂质产物。

实验一富马酸单苄甲酯的化学表征

富马酸单苄甲酯的IR谱图(KBr压片)如图8所示：3077cm-1，3023 cm-1，2852 cm-1为C-H伸缩振动吸收峰；1730cm^-1为C=O（酯基）伸缩振动吸收峰；1621cm^-1为C=C伸缩振动吸收峰；1381 cm^-1 为CH₃-对称弯曲振动吸收峰；1200cm^-1为C-O(α，β不饱和)伸缩振动吸收峰；1000-600cm^-1左右为C=C-H(反)面外变形振动吸收（包括苯环）。

b.p 82-84℃/8mmHg n¹⁸D 1.5678

富马酸单苄甲酯的¹HNMR(TMS内标，CDCl3作溶剂)谱图如图9所示：其中，δ(ppm): 3.728-3.804(3H),归属-OCH3；6.8770-6.98988(2H),归属于-CH=CH-；7.2380-7.3744（5H）归属于

Figure 2011103605958100002DEST_PATH_IMAGE004

；5.2180-5.2392（2H）归属于-OCH2-。

实验二合成化合物的抑菌活性测定

选用食品行业常用的防腐剂山梨酸钾作为对照进行抗菌活性的实验。山梨酸钾和产物的添加量均为0.05%，以不加山梨酸钾和产物的样品作为空白，其中抑菌活性的研究方法、最低抑菌浓度(MIC)测定和抑菌性能的热稳定性测定均采用常规方法测定

（1）合成产物对大肠杆菌的抑制作用

由图10可以看出在添加了山梨酸钾、马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯、富马酸单苄甲酯后，大肠杆菌的的生长适应期分别4h、4h、5h、6h，说明合成的三种化合物与山梨酸钾一样能够明显降低其生长量。在添加产物的样品中，马来酸Vc甲酯对大肠杆菌生长适应期的延迟效果逊于山梨酸钾，其它两种化合物则强于山梨酸钾。但对其生长的抑制效果优于山梨酸钾。经过48h培养后添加了山梨酸钾的抑菌率为11.73%，而合成产物马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯、富马酸单苄甲酯抑菌率分别为36.16%，39.24%，48.47%，。可见三种合成化合物对大肠杆菌生长的抑制效果优于山梨酸钾。原因可能是因为经过长时间培养，培养基中营养物质缺乏的时候，山梨酸钾可作为碳源被利用，降低了抑制作用，而三种合成的化合物则不易被微生物分解。

（2）合成产物对牛奶腐败菌生长的抑制作用

本实验中苯甲酸钠的使用量为0.3g/kg，合成化合物添加量为0.5g/kg。实验结果如图11所示，马来酸Vc甲酯的抑菌曲线与苯甲酸钠基本持平，富马酸Vc甲酯、富马酸单苄甲酯的抑菌效果好于苯甲酸钠。经过48小时的培养，苯甲酸钠、马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯、富马酸单苄甲酯对牛奶腐败菌的抑制率分别为36.90%、46.23%、55.55%、56.23%，

（3）合成产物对黑曲霉生长的抑制作用

由图12可以看出，苯甲酸钠与三种合成化合物的对黑曲霉生长抑制t_0.5都超过10h。经过80h的培养后苯甲酸钠、马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯、富马酸单苄甲酯对黑曲霉的抑制率分别为35.24%，42.28%、52.91%、61.40%。

（4）合成产物的MIC值

测定了三种合成化合物对大肠杆菌、啤酒酵母、黑曲霉的最低抑菌浓度。从表3可以看出三种化合物可在较低浓度下抑制微生物的生长。

表3 三种合成化合物的MIC值

Figure 2011103605958100002DEST_PATH_IMAGE005

实验三合成化合物的抗氧化活性测定

（1）合成Vc酯的在猪油中的抗氧化性能

食品添加剂使用卫生标准规定的油脂中抗氧化剂最佳添加量0.01%～1.0%之间，最常用0.02%，本实验中各样品的添加量均为0.02%。

从图13可以看出，在0.02%的添加浓度下含马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯油样的过氧化值低于添加L-抗坏血酸，并且随着时间增长过氧化值的增加也较缓慢，但是过氧化值始终高于添加了TBHQ的油样。可能原因为：L-抗坏血酸经过酯化后，引入了马来酸单酯、富马酸单酯增强了其油溶性，使其更好的溶于油相，因此其抗氧化效果好于L-抗坏血酸。

目前合成的L-抗坏血酸酯类，大多数引入了直链的脂肪酸，其抗氧化机理主要是提高了L-抗坏血酸的油溶性，本文合成的两种抗坏血酸酯不仅有良好的油溶性，马来酸单酯、富马酸单酯的引入增强了结构的稳定性。马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯在0.02%添加浓度下，100℃保温12h后猪油的POV值比空白低50meq/kg以上，有显著的抗氧化效果。

（2）合成Vc酯对羟自由基清除能力

由图14可见，L-抗坏血酸和马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯对羟自由基均有清除作用，马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯清除能力要优于L-抗坏血酸。L-抗坏血酸、马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯清除羟自由基的EC₅₀值分别是0.31mg/mL、0.18mg/mL、0.12 mg/mL。

（3）合成Vc酯对超氧阴离子自由基清除能力

O₂·^-在油脂酸败、食品氧化变质中扮演重要的角色，它可以引起其它的氧化反应，缩短食品的货架期，是一种破坏性极强的自由基。根据邻苯三酚在碱性条件下会发生自氧化，产生O₂·^-及有色中间物质的原理，本文采用邻苯三酚自氧化法，对马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯清除超氧阴离子自由基能力进行测定。由图15可见，浓度较低时马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯对超氧阴离子自由基的清除率与L-抗坏血酸相近，随着浓度的增加其清除率大于L-抗坏血酸。L-抗坏血酸、马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯清除超氧阴离子自由基的EC₅₀值分别为0.1 mmol/mL、0.09mmol/mL、0.51 mmol/mL。

（4）合成Vc酯对DPPH自由基清除能力

由图16可见，马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯对DPPH清除作用低于对照TBHQ。马来酸Vc甲酯、富马酸Vc甲酯清除羟自由基的EC₅₀值分别是0.09mmol/mL、0.08mg/mL，而TBHQ为0.06 mmol/mL。

本发明以马来酸酐、甲醇、苯甲醇为原料制得新的富马酸酯—富马酸单苄甲酯。通过对产物的IR分析以及¹HNMR分析，确定得到的产物为目标产物，使得到的化合物同时具有良好的抑菌、抗氧化功能，为开发新型的多功能食品添加剂提供了一条新的思路。

Claims

1.富马酸单苄甲酯的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：

（1）马来酸单苄酯的制备及异构化：将马来酸酐和苯甲醇在反应温度反应一定时间后，加入异构化催化剂，在一定异构化温度下异构化一段时间；冷却至室温后加入10%的NaHCO3水溶液滤去不溶物后,加浓盐酸调节pH至3，析出物过滤干燥后得白色晶体即为富马酸单甲酯；

2.根据权利要求1所述的富马酸单苄甲酯的制备方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的一定时间为15-90min, 反应温度为60-90℃，

其中步骤（1）中所述的马来酸酐与苯甲醇的摩尔比为1：1-3，

其中步骤（1）中所述的异构化催化剂为无水三氯化铝；异构化催化剂用量为在0.1mol反应物中分别加入0.5-0.8g的催化剂;

其中步骤（1）中所述的异构化温度为60-100℃，异构化时间为1.5-4h。

3.根据权利要求2所述的富马酸单苄甲酯的制备方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的反应温度为 60℃，反应30min；

其中步骤（1）中所述的马来酸酐与苯甲醇的摩尔比为1：1；

其中步骤（1）中所述的异构化催化剂为无水三氯化铝；异构化催化剂用量为在0.1mol反应物中分别加入0.7g的催化剂；

其中步骤（1）中所述的异构化温度为90℃，异构化时间为3h。

4.根据权利要求1所述的富马酸单苄甲酯的制备方法，其特征在于其中步骤（2）中所述的催化剂为硫酸氢钠、硫酸、对甲苯磺酸或氯化铁；其中步骤（2）中所述的反应时间为1-5h，其中步骤（2）中所述的反应温度为45℃—85℃，其中步骤（2）中所述的富马酸单甲酯与甲醇的摩尔比为1：2-8。

5.根据权利要求4所述的富马酸单苄甲酯的制备方法，其特征在于其中步骤（2）中所述的催化剂为硫酸氢钠，

其中步骤（2）中所述的反应时间为4h；

其中步骤（2）中所述的反应温度为65℃；

其中步骤（2）中所述的富马酸单甲酯与甲醇的摩尔比为1：6。