CN1277608A - γ－吡喃酮的回收 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种从包含其它物质的溶液中回收γ－吡喃酮,如麦芽酚和/或乙基麦芽酚的方法,其包括利用固定相的洗脱色谱处理,该处理法通过离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合法将γ－吡喃酮从所述其它物质中分开。在一个实施方案中,采用了阳离子交换树脂,如磺化二乙烯基苯交联聚苯乙烯,所得γ－吡喃酮通过从水中结晶和/或其它方法进一步纯化。

Description

γ-吡喃酮的回收

本发明的技术领域

本发明涉及用于回收麦芽酚、乙基麦芽酚和其它γ-吡喃酮的改进纯化方法，这些物质可用作食品、香料、香精中的成分以提高各种食品和化妆品的香味和/或香气。

香味增强和改进是食品制备和生产的特别重要的方面。几百年(如果不是几千年的话)来，厨师通过将盐、大蒜、洋葱等加入食谱中来提高烹调菜肴的味道和气味。由于发现某些化合物如谷氨酸一钠能够增强或提高香味而本身没有强烈香味，因此开始研究具有类似作用的其它化合物。

所发现的一种这类化合物是麦芽酚(3-羟基-2-甲基-4H-吡喃-4-酮)，一种存在于小落叶松树、松针、菊苣、木焦和木焦油、以及烤麦芽中的天然存在的物质。麦芽酚具有焦糖-奶油糖果的特征气味并在稀溶液中具有微弱的、水果-草莓香味。如果加入糖果、冰淇淋、混成酒等的配方中，它显然可提高由糖所产生的甜味。由于它在烤面包的面包皮中自然形成，它还可在加入烘烤产品的配方中时赋予面包和饼以“新烤的”气味和香味。由于麦芽酚在烘烤咖啡和可可时自然形成，它也类似地用作咖啡和巧克力产品的增香剂。因此，它是一种用作各种食品增香剂的理想成分。

麦芽酚还具有抗氧化性能。例如，已经发现它能够延长咖啡和烤制谷类产品的保存期限。这增加了其作为食品添加剂的吸引力。

乙基麦芽酚(3-羟基-2-乙基-4H-吡喃-4-酮)是一种结构上非常接近的同样理想的香味/香气添加剂。它在单独或与麦芽酚结合用作添加成分时可赋予食品或化妆品配方以几分水果香味，而且具有类似于麦芽酚的其它性能。

本发明的背景

在上世纪末，麦芽酚的早期工业生产要对木材进行破坏性的干馏。随后在1945年，Schenck和Speilman通过链霉素盐的碱性水解而得到麦芽酚(美国化学学会杂志67：2276)。同一组研究人员在两年后报道了麦芽酚的首次合成(Speilman，M.A.，和Freifelder，M.，美国化学学会杂志69：2908)；在该方法中，将来自考闷酸(一种发酵产物)的焦袂康酸烷基化。Tait和Miller对这种制备方法进行了卓越的改进(美国专利3130204)。

由于γ-吡喃酮商业价值的提高，随后的化学和专利文献中报道了几种其它的合成法。例如，Shono和Matsumura在1976年的一篇短论文中简要描述了一种五步法，其中采用甲基糠醇作为起始原料生成环氧酮，然后将其与水和Dowex^TM50离子交换树脂回流生成γ-吡喃酮(四面体通讯17：1363)。Brennan等人在同一年公开了一种制备γ-吡喃酮的一锅法(one-potmethod)(美国专利4082717及其分案专利美国专利4323506、4147705和4387235)。该方法包括：在室温下，将1(2-糠基)-1-乙醇在水溶液中与2当量的卤素氧化剂进行接触，然后加热直到4-卤代-二氢吡喃中间体的水解基本上完成。其它的γ-吡喃酮如乙基麦芽酚按照类似方式由合适的醇制成。

研究人员随后提出了另一合成方案，其中采用了可通过简单的两步法由乳糖得到的异麦芽酚的邻甲基衍生物(Weeks博士等人，有机化学杂志，1980，45：1109)。三甲氧基糠醇可通过溴化还原法以良好产率制备，然后在水解条件下将该中间体直接转化成麦芽酚。该文件汇总了其它稍有不同的制备方案，包括采用与上述类似的起始原料和中间体进行相关的系列反应(同前，1109页)。

从天然来源合成或提取之后，γ-吡喃酮通常通过结晶、连续萃取和/或共馏而回收。例如，Brennan等人提出用氯仿进行萃取，然后蒸馏，再从甲醇中结晶(实施例1，第6栏，23-27行)。在日本专利公开47-29365中，Takaishi等人提出，通过离子交换法，使用一种碱性离子交换树脂将麦芽酚从水溶液中分离。在其中通过离子相互作用将麦芽酚键接到树脂上的该步骤之后，采用常规的阴离子交换物再生法，更具体地说，通过使用NaOH将麦芽酚从柱中释放出来。该步骤之后是氯仿萃取。Harada和Iwasaki也提出了一种氯仿萃取法(农业生物化学，47：2921-2922(1983))。

尽管这些方法在工作台试验中有效果，但在工业规模上，由于所需设备和溶剂的成本溶剂萃取法往往很昂贵。在较低温度下，麦芽酚仅微溶于水，因此需要大量溶剂才能将其从得自合成制剂或天然分离物的稀水溶液中萃取。此外，产物中的残余有机溶剂在制造食品级成分时并不理想。

由于麦芽酚易随蒸汽挥发，因此替代方法如蒸馏法是不利的。因此，通过浓缩如得自天然源分离物或合成制剂的那些水溶液，特别难以得到产物。在引入结晶步骤的某些方法中，需要特殊的设备，而且得到纯产物非常费时，因此增加了加工成本。

需要其它的、更经济的萃取和纯化麦芽酚和其它γ-吡喃酮的方法，特别是不利用有机溶剂的方法。

本发明的综述

本发明的一个目的是提供一种新的、较便宜的从不纯原料或合成制剂中萃取γ-吡喃酮的方法。

本发明的另一目的是提供无需使用有机溶剂的回收方法。

本发明的再一目的是提供一种能够得到具有所需气味和/或味道性能的γ-吡喃酮产物的方法。

本发明实现了本发明的这些和其它目的，本发明在一个优选实施方案中提供了一种基本上一步纯化麦芽酚和/或乙基麦芽酚和其它γ-吡喃酮的方法。该方法适用于从一种溶液中纯化具有以下结构式的γ-吡喃酮：

其中R为氢原子、具有1-4个碳原子的烷基、苯基或苄基，且R”为氢原子或具有1-4个碳原子的烷基，如麦芽酚、乙基麦芽酚或其混合物，该溶液除了所述γ-吡喃酮外，还包含其它的有机和无机物质。将该溶液进行洗脱色谱处理，该处理法利用离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合机理将γ-吡喃酮从其它物质中分开。某些实施方案在处理时采用离子交换树脂如阳离子交换树脂作为固定相。得到纯化的富含γ-吡喃酮的级分，然后从该级分中回收γ-吡喃酮。在某些实施方案中，通过蒸发将如此所得γ-吡喃酮级分浓缩，然后通过从水中结晶进一步纯化γ-吡喃酮，但也可采用其它的纯化方法。

以下给出了一个用于从基本上水性的溶液中回收麦芽酚和/或乙基麦芽酚的实施方案，其中使用了一种钠盐形式的基于聚苯乙烯的二乙烯基苯交联的磺化阳离子交换树脂，它具有约3-35％，更窄约5-10％的较高二乙烯基苯含量，分离处理是在约0-150℃，优选约60-100℃的温度和约0.1-200巴，优选约1-10巴的压力下进行的。所得麦芽酚可使用包括从水中结晶的常规纯化方法进一步纯化。

本发明的详细描述

本发明基于这样的惊人发现，即，包含γ-吡喃酮如麦芽酚或乙基麦芽酚以及其它物质的溶液可利用洗脱色谱处理从所述其它物质(有机物质和无机物质)中分开，所述处理采用了离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合的机理。

在本发明的优选实施下，γ-吡喃酮，特别是麦芽酚和乙基麦芽酚可在简单的一步分离法中从包含合成所得的γ-吡喃酮的溶液中或从天然萃取物中回收，得到高纯度的级分。例如，浓度约10-40％(d.s.)麦芽酚的合成或天然不纯溶液可利用本发明方法纯化至至少约80％，优选至少约90-95％(或更高)的纯度。本文所用的术语“d.s.”是指所有非水性物质(即，排除水)的重量百分数的量度。

概括地说，本发明提供了一种在包含下式γ-吡喃酮和其它物质的溶液中纯化所述γ-吡喃酮的方法，

其中R为氢原子、具有1-4个碳原子的烷基、苯基或苄基，且R″为氢原子或具有1-4个碳原子的烷基，该方法通过将该溶液进行分离而基本上纯化所述γ-吡喃酮。通过利用本发明的色谱分离法，可在γ-吡喃酮溶液中去除至少50％，优选80-90％或更多的杂质。

综上所述，该方法特别适用于回收其中R″为氢原子且R为烷基的以上定义的麦芽酚，即，麦芽酚、乙基麦芽酚、丙基麦芽酚、丁基麦芽酚及其混合物，但该方法也可用于其它的γ-吡喃酮。可特别有利地回收商业上重要的麦芽酚(其中R″＝氢原子且R＝甲基，如上所述)、乙基麦芽酚(其中R″＝氢原子且R＝乙基，如上所述)、以及这些物质相互和与其它γ-吡喃酮的混合物。该方法可用于从得自天然产物分离物的溶液、来自γ-吡喃酮合成制剂的溶液、或这些溶液的混合物中回收γ-吡喃酮。

在本发明的实施中，将包含γ-吡喃酮和其它物质的溶液进行洗脱色谱处理，该处理法利用离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合将γ-吡喃酮从至少一部分其它物质中分离。本文所用的“溶液”是指包含溶解在溶剂中的至少一种溶质的常规溶液、悬浮液、乳液、伪相、包合配合物和能够进行常规的色谱处理的类似液体。本发明特别适用于从基本上水性的溶液，例如用于麦芽酚和/或乙基麦芽酚合成的那些溶液和来自天然源的萃取物中回收麦芽酚和/或乙基麦芽酚。“基本上”水性的是指在大多数实施方案中，水含量至少约50％，通常至少约90％。

本发明中的术语“洗脱色谱法”是指这样一种方法，其中通过将包含γ-吡喃酮的溶液经过一种合适的分离设备，然后将流出物分成至少两个部分而从杂质中分离γ-吡喃酮，该设备能够利用离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合之类的方法进行分离。流出物的至少第一部分包含杂质，而至少一部分产物如第二部分富含γ-吡喃酮。因此，分离作用取决于在分离设备内的停留时间。通过以这种方式分离，可将更浓的γ-吡喃酮溶液作为洗脱物以预定停留时间经过色谱柱，然后被回收。本发明的一个优选方面和优点在于，该回收方法可基于水溶液。这样可使用非常少量的有机溶剂，而已有技术则需要使用显著量的有机溶剂。

在按照本发明的洗脱色谱处理中，通常将含γ-吡喃酮的溶液施加到填充有固定相的色谱柱上，其中所述固定相可以是一种树脂、膜或纤维、或其组合形式。选择固定相树脂(膜和/或纤维)，通过离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和/或螯合而分离出溶液中的γ-吡喃酮。该处理法中的流动相通常是含水的，而且在制备食品级γ-吡喃酮的洗脱工艺中并不使用有机溶剂，但溶剂可存在于待纯化的溶液中，而且在某些实施方案中可用于再生色谱树脂。

一般将待纯化的溶液施加到含树脂、含膜和/或含纤维的色谱柱上，然后利用含水的流动相从该柱洗脱。在某些实施方案中，洗脱剂可再循环。在某些实施方案中可采用模拟移动床。色谱处理可以逆流或并流方式进行。

可以采用任何固定相，只要其能够利用离子排斥、尺寸排斥和/或憎水分配法从盐和其它无机化合物以及有机化合物中色谱分离出γ-吡喃酮。本发明的典型回收方法通常包括，利用离子交换树脂(优选阳离子交换树脂)将γ-吡喃酮的水溶液进行色谱处理。在以下给出的某些实施方案中，采用基于聚苯乙烯的二乙烯基苯(DVB)交联的磺化交换树脂。该树脂优选具有约3-35％，更窄约5-10％的较高DVB含量，且其呈钠盐形式。尽管通常采用钠盐形式以增强脱盐性能，但也可采用钾盐或其它的阳离子形式或阳离子混合形式。以下给出的一个实施方案采用了DVB含量约8％的树脂。

色谱处理时所用的条件随所用固定相和流动相的种类、待回收γ-吡喃酮的特性、以及待纯化的溶液而变化。为了在盐、有机杂质和γ-吡喃酮之间进行适当分离而不造成过分稀释，处理温度一般为约0-150℃，优选约60-100℃。处理压力为约0.1-200巴，优选约1-10巴。

在某些实施方案中，从本发明色谱分离得到的γ-吡喃酮级分可通过相同或类似步骤循环一次或更多次，特别是在原溶液非常粗制的时候。在不包括一个或多个循环步骤的这些或其它实施方案中，从本发明色谱分离得到的γ-吡喃酮级分可利用离子交换或其它吸附色谱法、过滤、活性炭处理、结晶、干燥、研磨和类似的其它制备技术来进一步纯化和/或处理。如上所述，在许多实施方案中，优选的萃取物是水性的。正如以下所述，某些实施方案采用了一个将纯化γ-吡喃酮从水或低级链醇如甲醇或其混合物中结晶的步骤。所得产物颜色浅且味道不对。

本发明的一个优点在于，与常规的连续萃取和共馏法相比，它提供了一种更经济且更简单的纯化麦芽酚、乙基麦芽酚和其它γ-吡喃酮的方法。在优选实施方案中，综合利用离子排斥、尺寸排斥、憎水分配和螯合法，从得自有机合成的γ-吡喃酮溶液或来自天然源的萃取物中脱盐并去除其它的无机化合物，同时去除有机污染物，从而在优选实施方案中得到一种至少90-95％纯度的产物。由于麦芽酚或其它γ-吡喃酮与固定相的相互作用呈中性且没有任何粘结，无需使用化学品和/或有机溶剂进行洗脱。回收所得产物基本上是纯净的。

本发明的又一优点在于提供了一种基本上不含常规用于麦芽酚和乙基麦芽酚回收的有机溶剂的纯化方法。在按照本发明纯化麦芽酚或乙基麦芽酚时，整个回收过程和随后的萃取或纯化步骤如结晶步骤都可在含水介质(优选水)、低级链醇如甲醇或其混合物中进行。

实施例

以下实施例用于进一步说明和解释本发明，因此无论如何不应将其用于限定本发明。除非另有所指，所有的百分数都是重量计的，且都是为所述工艺步骤给出的。

                        实施例1

将内径为20.8厘米的2.3米不锈钢柱装填Na形式的磺化二乙烯基苯交联聚苯乙烯树脂(8％DVB)。该固定相的平均粒径为350μm。将该柱填充水并保持在温度为85℃。然后将水抽吸经过该柱，保持63升/小时的流速。加料体积为12升，原料以63升/小时的流速加入柱中。将包含NaCl、MeOH、麦芽酚和其它有机杂质的合成原料溶液(约17％d.s.)在加入色谱柱之前保持在90℃。该原料中的麦芽酚含量为4.5％d.s.(纯度：27％d.s.)。该柱的流出物分成两个级分。第一级分包含NaCl、MeOH和大多数的有机杂质(在加料开始之后，收集开始于20升，结束于59升)。第二级分(59-120升)包含麦芽酚(大于95％d.s.)和某些有机杂质。麦芽酚级分的浓度为1.0％d.s.，分离产率大于99％。

将麦芽酚级分浓缩至10％d.s.，然后从水中结晶。

                        实施例2

将内径20.8厘米的2.3米不锈钢柱装填Na形式的磺化二乙烯基苯(8％DVB)交联聚苯乙烯树脂。该固定相的平均粒径为350μm。将该柱填充水并保持在温度为85℃。然后将水抽吸经过该柱，保持63升/小时的流速。加料体积为8升，原料以63升/小时的流速加入柱中。将包含NaCl、MeOH、乙基麦芽酚和其它有机杂质的合成原料溶液(约30％d.s.)在加入色谱柱之前保持在90℃。该原料中的乙基麦芽酚含量为5.2％d.s.(纯度：26％d.s.)。该柱的流出物分成两个级分。第一级分包含NaCl、MeOH和大多数的有机杂质(在加料开始之后，收集开始于20升，结束于60升)。第二级分(60-145升)包含麦芽酚(大于95％d.s.)和某些有机杂质。乙基麦芽酚级分的浓度为0.9％d.s.，分离产率大于99％。

将乙基麦芽酚级分浓缩至10％d.s.，然后从水中结晶。

                        实施例3

将内径22.5厘米的5.4米不锈钢柱装填Na形式的磺化二乙烯基苯(8％DVB)交联聚苯乙烯树脂。该固定相的平均粒径为350μm。将该柱填充水并保持在温度为82℃。然后将水抽吸经过该柱，保持40升/小时的流速。加料体积为40升，原料以47升/小时的流速加入柱中。原料溶液是一种天然麦芽酚结晶母液(约20％d.s.)，其中包含麦芽酚和其它的有机杂质如蒎烯和碳水化合物。将该原料溶液在加入色谱柱之前保持在95℃。该原料中的麦芽酚含量为7.4％d.s.(纯度：37％d.s.)。该柱的流出物分成两个级分。第一级分包含大多数的有机杂质(在加料开始之后，收集开始于60升，结束于140升)。第二级分(140-320升)包含麦芽酚(大于75％d.s.)和某些有机杂质。麦芽酚级分的浓度为2.0％d.s.，分离产率大于99％。

                       实施例4

将内径9.5厘米的1.4米不锈钢柱装填Na形式的磺化二乙烯基苯交联聚苯乙烯树脂。该固定相的平均粒径为350μm。将该柱填充水并保持温度80℃。然后将水抽吸经过该柱，保持10升/小时的流速。加料体积为0.5升，原料以10升/小时的流速加入柱中。原料溶液是一种包含麦芽酚和其它有机杂质如蒎烯和碳水化合物的天然麦芽酚萃取物(10％d.s.)。将该原料溶液在加入色谱柱之前保持在85℃。该原料中的麦芽酚含量为1％d.s.(纯度：10％d.s.)。该柱的流出物分成两个级分。第一级分包含大多数的有机杂质(在加料开始之后，收集开始于3.5升，结束于10升)。第二级分(10-16升)包含麦芽酚(大于80％d.s.)和某些有机杂质。麦芽酚级分的浓度为0.1％d.s.，分离产率大于95％。

本文所引用的文件和专利都作为参考并入本发明。

以上描述用于告诉本领域普通技术人员如何实施本发明，而不是用于详述本领域熟练技术人员在阅读本说明书之后显然能看出的所有这些改进和变化。但所有这些改进和变化都包含在由以下权利要求书所限定的本发明范围内。这些权利要求意味着覆盖能有效实现其目的的所要求的组分和任何顺序的步骤，除非上下文具体指出了不同之处。

Claims (20)

1.一种在包含下式的γ-吡喃酮和其它物质的溶液中纯化所述γ-吡喃酮的方法，

其中R为氢原子、具有1-4个碳原子的烷基、苯基或苄基，且R”为氢原子或具有1-4个碳原子的烷基，该方法包括将该溶液进行洗脱色谱处理，该处理法通过一种选自离子排斥、尺寸排斥、憎水分配、螯合或其组合形式的方法将γ-吡喃酮从至少一部分所述其它物质中分离。

2.根据权利要求1的方法，其中所述色谱处理包括离子排斥与尺寸排斥的一种组合方法。

3.根据权利要求1的方法，其中所述色谱处理包括离子排斥与憎水分配的一种组合方法。

4.根据权利要求1的方法，其中所述色谱处理包括尺寸排斥与憎水分配的一种组合方法。

5.根据权利要求1的方法，其中所述色谱处理包括离子排斥、尺寸排斥与憎水分配的一种组合方法。

6.根据权利要求1的方法，其中所述色谱处理采用了一种阳离子交换树脂作为固定相。

7.根据权利要求6的方法，其中所述阳离子交换树脂包括一种磺化的二乙烯基苯交联的聚苯乙烯。

8.根据权利要求7的方法，其中所述树脂包含约3-35％的二乙烯基苯。

9.根据权利要求8的方法，其中所述树脂包含约5-10％的二乙烯基苯。

10.根据权利要求7的方法，它是在约0-150℃的温度和约0.1-200巴的压力下进行的。

11.根据权利要求10的方法，它是在约60-100℃的温度和约1-10巴的压力下进行的。

12.根据权利要求1的方法，其中所述γ-吡喃酮选自麦芽酚、乙基麦芽酚及其混合物。

13.根据权利要求12的方法，其中所得γ-吡喃酮是在通过蒸发和从水中结晶进行处理之后提取的。

14.一种在包含下式的γ-吡喃酮和其它物质的基本上水性的溶液中纯化所述γ-吡喃酮的方法，

其中R为氢原子、具有1-4个碳原子的烷基、苯基或苄基，且R″为氢原子或具有1-4个碳原子的烷基，该方法包括：利用固定相将该溶液进行洗脱色谱处理，该处理法同时利用离子排斥、尺寸排斥和憎水分配法将所述吡喃酮从至少一部分所述其它物质中分离。

15.根据权利要求14的方法，其中所述R为H且R″为烷基。

16.根据权利要求14的方法，其中所述固定相包含一种阳离子交换树脂。

17.根据权利要求16的方法，其中所述阳离子交换树脂包括一种含约3-35％二乙烯基苯的磺化二乙烯基苯交联聚苯乙烯，且所述处理是在约0-150℃的温度和约0.1-200巴的压力下进行的。

18.根据权利要求17的方法，其中所述处理是在约60-150℃的温度和约1-10巴的压力下进行的。

19.一种在包含γ-吡喃酮以及其它有机和无机物质的基本上水性的溶液中纯化选自麦芽酚、乙基麦芽酚及其混合物的γ-吡喃酮的方法，该方法包括：利用固定相将该溶液进行洗脱色谱处理，该处理法同时利用离子排斥、尺寸排斥和憎水分配法将所述吡喃酮从至少一部分所述其它物质中分离，其中所述固定相是一种阳离子交换树脂，其包括一种含约3-35％钠盐形式的二乙烯基苯的钠盐形式的磺化二乙烯基苯交联聚苯乙烯，且所述处理是在约0-150℃的温度和约0.1-200巴的压力下进行的。

20.根据权利要求19的方法，其中所述树脂包含约5-10％的二乙烯基苯，且所述处理是在约60-100℃的温度和约1-10巴的压力下进行的。