DE69710096T2

DE69710096T2 - Herstellung von tetrahydroiso-alpha-säuren durch hydrogenierung der metallsalze von iso-alpha-säuren

Info

Publication number: DE69710096T2
Application number: DE69710096T
Authority: DE
Inventors: Henry Goldstein; R. Refling; L. Ting; A. Van Sanford
Original assignee: Miller Brewing Co
Current assignee: Miller Brewing International Inc
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2017-10-25
Also published as: WO1998018901A1; AU5089598A; EP0941302B1; DE69710096D1; DK0941302T3; ATE212374T1; EP0941302A1; US5767319A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bittermittel zur geschmacklichen Veränderung von Bier und anderen Getränken. Im besonderen bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren (manchmal auch als Tetrahydroiso-Humulone bezeichnet), die als Bittermittel bekannt sind.

Hintergrund der Erfindung

Tetrahydroiso-α-Säuren sind lichtstabile FDA-anerkannte Bittermittel, die eingesetzt werden können, um Bier einen Hopfengeschmack beizugeben. Sie können hergestellt werden aus β-Säuren (oder Lupulonen) in Hopfenextrakten. Die Hopfenextrakte enthalten ebenfalls α-Säuren (oder Humulone), die zum Einsatz gebracht werden können, um Tetrahydroiso-α-Säuren herzustellen.
Die amerikanische Patentschrift 3,552,975 (Worden et al) beschreibt ein Verfahren, welches organische Lösungsmittel und Bleisalze einsetzt, um Tetrahydroiso-α-Säuren aus β-Säuren herzustellen. Das Endprodukt ist eine Rohmischung, aus welcher die Rückstände von Blei lediglich mit großer Schwierigkeit entfernt werden können. Die Anwesenheit von restlichem Blei in Produkten, die konsumiert werden, ist offenbar unerwünscht.
In der amerikanischen Patentschrift No. 3,923,897 (Worden) wird ein Verfahren beschrieben zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren aus β-Säuren, welches die Oxidation von Desoxytetrahydro-α-Säuren mit einer Persäure involviert, gefolgt durch eine Isomerisierung der sich ergebenden Tetrahydroiso-α- Säuren. Das Verfahren setzt keine Bleisalze ein, jedoch wird es durchgeführt mit in Wasser unmischbaren organischen Lösungsmitteln und es involviert aufwendige Lösungsmitteländerungen, die die Verfahrenskosten erhöhen. Die Anwesenheit auch von Restmengen derartiger Lösungsmittel in Lebensmittelprodukten, wie Getränken, ist unerwünscht.
Die amerikanische Patentschrift No. 4,644,084 (Cowles et al) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren durch die Behandlung von α-Säuren zur Bildung von Desoxytetrahydro-α-Säuren, die in einer wässrigen alkoholischen basischen Lösung aufgelöst werden und dann oxidiert werden mit einem sauerstoffenthaltenden Gas in der Anwesenheit von metallischen Ionen zur Bildung der angestrebten Tetrahydroiso-α-Säuren. Das Verfahren nach dem Cowles et al Patent bringt nicht die unerwünschten organischen Lösungsmittel zum Einsatz und ist besser als die anderen bekannten Verfahren, die β-Säuren zum Einsatz bringen.
Die amerikanische Patentschrift No. 4,013,571 (Hay) beschreibt ein Verfahren zur gleichzeitigen Isomerisierung und Reduzierung von α-Säuren zu Tetrahydroiso-α-Säuren (THIAA). Und ein weiteres Verfahren wird beschrieben zum Reduzieren von Iso-a-Säuren zu THIAA. Das Hay-Verfahren setzt relativ hohe pH-Werte (8 bis 10), signifikante Mengen von Wasser und Wasserstoffdrucke oberhalb etwa 344,9 kPa (50 psig) ein. Relativ lange Reaktionszeiten und eine hohe Reaktionstemperatur sind erforderlich. Dies führt dazu, daß Seitenreaktionen stattfinden können, die unerwünschte Produkte herbeiführen können. Darüber hinaus lassen sich die angestrebten Tetrahydroiso-α-Säuren nicht leicht von der Hay-Reaktionsmischung isolieren. In der amerikanischen Patentschrift 5,296,637 (Stegink et al) befindet sich eine Diskussion der Herstellung von Tetrahydrohumulaten, wobei jedoch hohe pH-Werte zum Einsatz kommen und eine Anzahl getrennter Reaktionsschritte sind involviert, wodurch die Isolation der Endprodukte der Reaktion arbeitsaufwendiger werden.
Die amerikanische Patentschrift 5,523,489 (Ting et al) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren, bei welchem die lso-α- Säuren hydriert werden in einem Reaktionslösungsmittel aus Ethanol enthaltendem bis zu etwa 15% Wasser in der Anwesenheit von etwa 6,89-275,9 kPa (1 bis etwa 40 psig) Wasserstoff sowie einem Hydrierkatalysator.
Die katalytische Aktivität des Pd/C-Katalysators muß jedoch sorgfältig gesteuert werden (durch Veränderung des Wassergehaltes), um unvollständige oder überreduzierte Hydrierprodukte zu verhindern.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren involviert aufeinander folgende Reaktionen, wobei die α-Säuren zunächst isomerisiert werden zur Bildung von Iso-α-Säuren. Dann werden die Iso-a-Säuren hydriert zur Bildung von Tetrahydroiso-α-Säuren (P. Brown et al. J. Chem. Soc. 545- 551 (1959).
Aus praktischen Gesichtspunkten muß die Hydrierung der sich ergebenden α-Säuren leicht durchgeführt und vervollständigt werden mit einer relativ hohen Reinheit und Ausbeute. Jegliche Abweichung der Hydrierungsbedingungen bewirkt eine unvollständige Reaktion und erzeugt Dihydrioiso-α-Säuren (teilweise Hydrierung) zusammen mit nicht reduzierten Iso-a-Säuren. Diese Produkte bewirken eine Lichtinstabilität im Bier. Eine exzessive Hydrierung führt zu einem Anstieg von überreduzierten Produkten, die als Neo-Tetrahydroiso-α-Säuren bezeichnet werden, die keine Bittere auf das Bier übertragen auf Kosten wertvoller Bestandteile.
Eine vollständige Hydrierung wird normalerweise nicht erreicht ohne beträchtlichen Aufwand bei der Auswahl eines selektiven Katalysators, der Veränderung der Katalysatorbeladung, der Manipulation der Reaktionszeit, der Änderung der Reaktionstemperatur und der präzisen Überwachung der Bildung der Produkte. Sehr oft erhält man überreduzierte Produkte aufgrund der Abwesenheit einer klaren Indikation oder eines Einhaltemerkmals zur Beendigung der Hydrierungsreaktion in einem Stadium, wenn die beiden Doppelbindungen (C=C) vollständig reduziert wurden.
Insbesondere wenn das Verfahren in größerem Maßstab ausgeführt wird, tritt häufig eine inkonsistente Hydrierung und eine Überreduktion statt. Ein Beispiel des Einsatzes von Metallsalzen, wie etwa Zer bei der Isomerisierung von Humulonen, wird in der US-PS No. 4,334,16 (Hartl et al) diskutiert. Darüber hinaus ist die Hydrierung von Iso-α-Säuren zu Tetrahydroiso-α-Säuren nur unter Verwendung eines Pd/C-Typ Katalysators (aufgrund der BATF-Regulierung) ohne organische Lösungsmittel (außer Alkohol) sehr delikat und schwierig präzise zu steuern. Die Entwicklung eines unempfindlichen Verfahrens ist vital, um eine erfolgreiche Maßstabsvergrößerung zu erreichen.
Es erscheint offensichtlich erstrebenswert, ein einfaches Verfahren bereitzuhalten zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren aus Iso-α-Säuren, welches nicht zur Bildung unerwünschter Produkte führt und bei welchem es einfach ist, die Tetrahydroiso-α-Säuren aus der Reaktionsmischung zu isolieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wurde ein Verfahren entwickelt zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren, welches nicht zur Bildung von unerwünschten Produkten führt.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren mit folgenden Schritten:
Herstellen eines Zuführmaterials aus Iso-α-Säuremetallsalzen, wobei das Metallion ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen;
Auflösen des Zuführmaterials in einer wässrigen Lösung eines niederen Alkohols, welcher ein geradkettiger oder verzweigtkettiger Alkohol ist mit 1-6 Kohlenstoffatomen, wobei die Lösung im wesentlichen 5% bis 20% w/w Wasser enthält zur Bildung eines Reaktionsmediums;
Reduzieren der Iso-α-Säuren in der Anwesenheit von Wasserstoff mit einem Druck von im wesentlichen 34,5-344,9 kPa (5-50 psig) und einem Palladium-auf-Kohlenstoff-Katalysator bei im wesentlichen 30ºC - 50ºC zur Bildung von Tetrahydroiso-α-Säuren und
Wiedergewinnung der Tetrahydroiso-α-Säuren.
Vorzugsweise ist der niedere Alkohol Ethanol.
eine Reaktionstemperatur von 40-45ºC wird am stärksten bevorzugt. Ein Wasserstoffdruck von im wesentlichen 34,5-137,9 kPa (5-20 psig) wird bevorzugt, während ein Druck von im wesentlichen 137,9 kPa (20 psig) am stärksten bevorzugt wird.
Vorzugsweise ist das Metallion ein Erdalkalimetall und am stärksten bevorzugt wird Magnesium. Das molare Verhältnis des Metallions zu den Iso-α- Säuren sollte mindestens 0,5 : 1 betragen.
Das Zuführmaterial kann hergestellt werden durch Isomerisieren von α-Säuren zu Iso-a-Säuren in der Anwesenheit des Metallions oder durch Beigabe des Metallions zu einer wässrigen Lösung der Iso-α-Säuren.
Ziel der Erfindung ist es dementsprechend, ein Verfahren bereitzustellen zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren der vorgenannten Art:
(a) welches eine einfache Art und Weise bereitstellt zur Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren und nicht zur Bildung unerwünschter Produkte führt,
(b) welches eine einfache Art und Weise bereitstellt zum Einsatz von Iso-α-Säuren;
(c) welches zu einer hohen Reinheit und ausgezeichneter Ausbeute führt;
(d) welches leicht in größerem Maßstab einsetzbar ist, leicht durchführbar und steuerbar ist mit einem klaren Signal für die Vervollständigung;
(e) welches die Säuerung und Phasentrennung des Iso-α-Säurenzuführmaterials vermeidet und
(f) welches die Nachteile vermeidet, die mit herkömmlichen Verfahren verbunden waren, wie etwa Handhabungsschwierigkeit, längere Reaktionszeiten sowie Zerfallsprodukten.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung ist jedoch nur auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet. Die Ansprüche stecken daher den Rahmen der Erfindung ab.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Hydrierung der Iso-α-Säuren und
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Hydrierung der Iso-α-Säuren zu Tetrahydroiso-α-Säuren ist eine klassiche Reduktion von zwei Doppelbindungen (C=C). Die Isopentenyl- und Isohexenoyl-Seitenketten, die sich am Iso-a-Säuremolekül befinden, werden bis zur Sättigung hydriert, so daß die gesättigte Isohexanoyl-Seitenkette gegenüber Photolyse unempfindlich wird. Die sich ergebende Isohexanoyl-Seitenkette ist ihrer ursprünglichen ungesättigten Isohexanoyl-Seitenkette unähnlich, die empfänglich ist für die Bildung von 3-Methyl-2-Buten-1-Thiol, welches einen unerwünschten üblen Geschmack auf das Bier überträgt.
Die angestrebte Hydrierung ist schwierig aufgrund der möglichen Reduktion des β-Triketoanteils. Eine der Karbonylgruppen in dem β-Triketoanteil neigt dazu, reduziert zu werden zu einer Methylen (CH&sub2;)-Gruppe zur Bildung von Neo-Tetrahydroiso-α-Säuren, die nicht bitter oder lichtstabil sind und weniger löslich sind in einer wässrigen Lösung (siehe Fig. 1). Die Iso-a-Säuren bestehen aus Cis- und Trans-Isomeren, die aufgrund der Stereochemie unterschiedlich reduziert werden. Im Falle des Cis-Isomeren, welches eine geringere sterische Hinderung besitzt als das Trans-Isomere, tritt die angestrebte Sättigung der beiden Doppelbindungen relativ rasch ein. Im Fall des Trans-Isomeren behindert die sterische Hinderung die angestrebte Reaktion und das β-Triketomethansystem kann teilweise reduziert werden. Wenn dieses eintritt, werden Neo-Tetrahydroiso-α-Säuren gebildet. Mit anderen Worten ist das Ausmaß der Hydrierung der beiden Doppelbindungen am Trans-Isomeren langsamer als das der Karbonylgruppe des β- Triketoanteils. Neben den beiden C=C-Gruppen wird eine der beiden C=O- Gruppen zu einem unterschiedlichen Grad reduziert in bezug auf beide Isomere. Dementsprechend leidet eine vollständige Hydrierung unter dem Verlust der meisten Trans-Isomeren, die umgesetzt werden in überreduzierte Produkte. Unter verlängerten Reaktionsbedingungen können Cis-Isomere ebenfalls umgesetzt werden zu den überreduzierten Produkten.
Unterschiedliche Versuche zur Hydrierung der Iso-α-Säuren wurden ausgeführt einschließlich der Auswahl verschiedener geeigneter PdIC- Katalysatoren, der Modifizierung des Palladium-auf-Kohlenstoff-Katalysators, der Deaktivierung des Katalysators und der Veränderung der Reaktionsbedingungen, wobei diesem jedoch kein Erfolg beschieden war hinsichtlich des Erreichens des angestrebten Ausmaßes der Hydrierung von Iso-a-Säuren. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, welches überrachend und unerwartet zu einer vollständigen Hydrierung der Cis- und Trans-Iso-α-Säuren führt (mit geringen oder keinen über- oder unterreduzierten Produkten).
Unsere Experimente zeigten an, daß die Menge an Wasser im Reaktionsmedium kritisch ist. Ein Erhöhen des Wassergehaltes schien den Katalysator zu deaktivieren und das Hydrieren der β-Triketo-Gruppe zu verlangsamen. Durch sorgfältiges Einstellen des Wassergehaltes waren verschiedene Katalysatoren in einem Versuchsmaßstab wirksam. In vergrößertem Maßstab wurden jedoch wechselnde Ergebnisse erhalten.
Es wurde gefunden, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer unerwarteten Verwässerung der Hydrierung von Iso-α-Säuren führt durch den Einsatz eines Reaktionsmediums, welches Magnesiumsulfat enthält. Der Einsatz von Magnesiumsalzen zur Beschleunigung des Ausmaßes der Isomerisierung ist bekannt. Es wurde jedoch unerwartet gefunden, daß Mg&spplus;²- Salze nicht nur die Isomerisierungsreaktion beschleunigen, sondern auch die labilen Iso-α-Säuren schützen, wodurch deren Lagerzeit ausgedehnt wird ohne ein Zerfall der Humulinsäuren (die keinen Bitterwert besitzen). Wie nachfolgend diskutiert wird, schützen Mg&spplus;² -Salze die labilen Iso-α-Säuren während der Hydrierungsreaktion. Es wurde typischerweise die Hydrierungsreaktion durchgeführt in einer wässrigen Ethanollösung (mit einem Gehalt von 5%-20% Wasser und einem pH-Wert von 1-5) unter Einsatz von 5% Pd/C als Katalysator. Das Zuführmaterial der Iso-α-Säuren wurde hergestellt durch Isomerisieren einer kaustischen wässrigen α-Säure-Lösung in der Anwesenheit von Magnesiumsulfat. Die Säuerung der Endmischung wurde eingesetzt, um die Iso-α-Säuren zu befreien und die Phasentrennung zu erleichtern. Ein Phänomen, welches unsere Aufmerksamkeit erregte, war die Erscheinung von einigen weißen Ausfällungen in der Zuführlösung. Unter diesen Bedingungen schien die Hydrierung glatt vor sich zu gehen mit der Bildung weniger Überreduktionsprodukten. Im Gegenteil, wenn die Ausfällung entfernt wurde, wurde die Hydrierung unsteuerbar und erzeugte mehr überreduzierte Produkte (oder nahezu keine Trans-Tetrahydroiso-α-Säuren). Das weiße Partikulat stellte sich als Magnesiumsulfat heraus. Wir beobachteten das gleiche Phänomen bei mit Wasser ausgewaschenen und ungewaschenen Zuführmaterialien in der Pilotanlage.
Obwohl wässriges Ethanol das bevorzugte Reaktionslösungsmittel für die Hydrierungsreaktion ist, ist auch jeder niedere Alkohol akzeptabel. Mit niedrigem Alkohol sind geradkettige oder verzweigtkettige Alkohole mit 1-6 Kohlenstoffatomen gemeint.
Der angestrebte Wasserstoffdruck für die Hydrierungsreaktion liegt im wesentlichen bei 34,5-344,9 kPa (5-50 psig). Es wird jedoch ein Wasserstoffdruck von etwa im wesentlichen 34,5-137,9 kPa (5-20 psig) stärker bevorzugt und ein Wasserstoffdruck von etwa im wesentlichen 137,9 kPa (20 psig) wird am stärksten bevorzugt.
Die angestrebte Temperatur für die Hydrierungsreaktion liegt bei etwa 30º-50ºC. Eine Reaktionstemperatur von etwa 40º-45ºC wird jedoch arm stärksten bevorzugt.
Die Cis- und Trans-Iso-α-Säuren können als freie organische Säuren existieren, wie auch als neutrale Komplexe oder Salze. Eingangs wurde herausgefunden, daß die Kontribution von Magnesiumsulfat auf die Qualität der Hydrierung von Iso-α-Säureprodukten inkonsistent war. Wenn die Reaktion bei weniger als pH 5 ausgeführt wurde, zeigte das Magnesiumsulfat eine geringere Löslichkeit und einen sehr geringen Effekt auf die Verhinderung der Überreduktion. Die Wirksamkeit des Magnesiumsulfat stieg jedoch an bei einem pH-Wert größer als 5. Oberhalb pH 7 ließ sich keine signifikante Verbesserung beobachten. Es wurde hypothetisiert, daß eine Zwischenwirkung zwischen den Iso-α-Säuren und dem Maganesiumsulfat eintritt bei einem Stadium einer höheren Elektronendichte. Das saure Proton an der β-Triketo-Gruppe wird entfernt und ionisiert, wenn die Iso-α- Säuren neutralisiert werden mit einer äquivalenten Menge der Base. Somit werden Komplexe der Magensiumionen und der Iso-α-Säuren gebildet und können hydriert werden.
Experimente zeigten an, daß eine Reaktionsmischung mindestens ein Molarverhältnis von 0,5 : 1 von Magnesiumsalz zu Iso-α-Säuren und eine äquivalente Menge von Kaustik zu Iso-a-Säuren in einer wässrigen ethanolischen Lösung enthalten sollte. Unzureichende Mengen von Magnesiumsalz bewirkten sowohl eine Überreduktion sowie eine Reduktion von Mengen von Trans- Tetrahydroiso-α-Säuren, die gebildet wurden. Dies unterstützt die obige Hypothese.
Ein vorgeschlagener Reaktionsmechanismus und die Art des komplexen zwischen Mg&spplus;²-Ionen und Iso-α-Säuren sind in Fig. 2 dargestellt. Sie demonstriert, daß die beiden Karbonylgruppen abgeschirmt werden durch Mg&spplus;²- Ionen oder durch eine hohe Elektronendichte, die das Hydrieren dieser Gruppen schwierig macht.
Andere Magnesiumsalze wurden ebenfalls ausgewertet. Magnesiumhydroxid wurde aufgrund seiner Alkalinität allein eingesetzt. Andere Magnesiumsalze können zum Einsatz kommen, wie etwa Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Magnesiumoxid, Magnesiumacetat, Magnesiumkarbonat und Magnesiumsilikat.
Ein weiterer wichtiger Faktor zum Promovieren des Iso-α- Säure/Mg&spplus;²-Komplexen und Erhöhen der Löslichkeit des Magnesiumsalzes ist Wasser. Eine geeignete Menge an Wasser (10-25% w/w) ist in der Ethanollösung erforderlich, um sowohl die Reaktion als auch das Verfahren zu erleichtern (insbesondere während der Filtration des Katalysators). Eine erfolgreiche Hydrierung dieser Mischung kann durchgeführt werden unter einem Wasserstoffdruck von 137,9 kPa (20 psig) und 30-50ºC 2 bis 3 Stunden lang. Die Vervollständigung der Hydrierungsreaktion wurde klar angezeigt durch eine Beendigung der Wasserstoffaufnahme. Nach der Säuerung, Ethanolentfernung und Phasentrennung ergab sich die Ausbeute des angestrebten Produktes im Bereich von 85- 100% mit einer größeren Reinheit als 70%. Ein Verlust von Trans-Isomeren und die Bildung überreduzierter Produkte wurde eliminiert oder minimiert.
Um darüber hinaus zu bestätigen, daß die Mg&spplus;²-Ionen tatsächlich die wichtige Rolle bei der Regulierung der Hydrierung bilden (d. h. die β-Triketo- Gruppe intakt zu halten), unabhängig von den pH-Werten des Reaktionsmediums, wurden die isolierten Magnesiumkomplexe der Isohumulate eingesetzt als Zuführmaterial und evaluiert für die Hydrierungsreaktion. Es wurden die Komplexe der Maganesiumisohumulate hergestellt und isoliert (Magnesiumkomplexe von Iso-α-Säuren) durch zwei Verfahren: 1) aus der magnesiumkatalysierten Isomerisierungsmischung der α-Säuren wurden gelbe Feststoffe von Mg&spplus;²-Isohumulaten hergstellt am Ende der Isomerisierung, jedoch vor der Säuerung. 2) Es wurden die Iso-a-Säuren mit einer äquivalenten Menge von kaustischem (NaOH oder KOH) und 0,5 Mol Magnesiumsulfat (oder Magnesiumhydroxid allein) behandelt, um die gelben Feststoffe des Magnesiumkomplexen auszufällen.
Die Hydrierung von Mg&spplus;²-Isohumulaten wurde durchgeführt entweder in einer 95%-Ethanol- oder einer wässrigen Ethanollösung (mit einem Gehalt von 20-25% w/w Wasser). Die Reaktion ging glatt vor sich und hielt in 1,5-3 Stunden an. Nach der Säuerung und Entfernung von Ethanol wurde eine ölenthaltende hohe Reinheit und eine gute Ausbeute an Tetrahydroiso-α-Säuren erhalten. Sie enthielten wenig oder keine überreduzierten Seitenprodukte. Darüber hinaus erzeugte eine exzessive Hydrierung nicht die unerwünschten überreduzierten Produkte. Die Hydrierungsreaktion war steuerbar und lief nicht aus dem Ruder. Offensichtlich wird die β-Triketo-Gruppe an dem Iso-α-Säuremolekül abgeschirmt durch das Magnesiumion, welches die Doppelbindung verläßt, die für die Hydrierung verfügbar ist.
Aufgrund der Anwesenheit der β-Triketo-Gruppe können die lso-α- Säuren auch komplexieren mit verschiedenen unterschiedlich Alkalierdmetallsalzen und Übergangsmetallsalzen, wie etwa Ca&spplus;², Ba&spplus;², Zn&spplus;², Mn&spplus;², Ni&spplus;², Fe&spplus;², Cr&spplus;², Co&spplus;², Cu&spplus;², Ti&spplus;², Sr&spplus;², Pd&spplus;², Pt&spplus;² usw. Dieses sind alles gangbare Alternativen zu Mg&spplus;² für die Hydrierungsreaktion.
Da die iso-α-Säuren neutralisiert (ionisiert) werden können mit vielen unterschiedlichen Alkali, wie etwa NaOH, KOH, NH&sub3; (NH&sub4;OH), Mg(OH)&sub2; usw. zur Bildung von Salzen, in welchen das saure Protol an der β-Triketo-Gruppe entfernt ist, können sie als geeignete Reaktionsmittel für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Da die β-Triketo-Gruppe delokalisiert und abgeschirmt wird durch eine hohe Elektronendichte, werden die C=O-Gruppen, die sich an den Salzen der Iso-a-Säuren befinden, inert gegenüber der Hydrierungsreaktion. Um dieses zu bestätigen, wurden sowohl Kalium- als auch Natriumsalze der Iso-a-Säuren untersucht. Kalium- und Natriumsalze der Iso-α-Säuren werden üblicherweise hergestellt in einer wässrigen Lösung, wobei jedoch aufgrund einer niedrigeren Löslichkeit Natriumsalze normalerweise ausgeölt oder unlöslich sind in einer wässrigen Lösung. Die Hydrierung dieser Salze in Ethanol wurde durchgeführt. Die Reaktion lief glatt ab und endete in 2-3 Stunden. Nach der Säuerung und Entfernung des Ethanols erhielt man ölenthaltende Tetrahydroiso-α-Säuren mit hoher Reinheit und eine gute Ausbeute wurde erzielt.
Möglicherweise können die organischen Basen, wie etwa Amine und Pyridin ähnlich auf die anorganischen Basen wirken, um die β-Triketo-Gruppe abzuschirmen. Sie können jedoch für den Einsatz bei Lebensmittelprodukten nicht erstrebenswert sein.

A. Herstellung von Tetrahydroiso-α-Säuren: Hydrierung von Mg&spplus;²-isohumulaten (Salze/Komplexe von Iso-a-Säuren)

1. Herstellung von Magnesiumsalzen von Iso-a-Säuren (Zuführmaterial)

Die Magnesiumsalze sind ein Zwischenprodukt während der Isomerisierung von α-Säuren zu Iso-a-Säuren. Sie können auf zwei Wegen wie folgt hergestellt werden:

a. Aus α-Säuren

α-Säuren (Humulone) können isomerisiert werden zu Iso-α-Säure (Isohumulone) in einer alkalischen wässrigen Lösung (pH 7-10) katalysiert durch ein anorganisches Magnesiumsalz (wie etwa Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Magnesiumhydroxid und Magnesiumoxid). Die Reaktionsmischung wird erhitzt bis die α-Säuren vollständig umgesetzt sind in Iso-a-Säuren.
In diesem Stadium wurde herausgefunden, daß die Reaktionsmischung von Magnesiumsalzen von Iso-a-Säuren geeignet sind für die in-situ- Hydrierung, wie unten beschrieben, statt des Einsatzes eines Endproduktes von Usi-α-Säuren (Freisäureform), die man erhält durch nachfolgende Säuerung und Phasentrennung.

b. Aus Iso-α-Säuren

Alternativ sind iso-α-Säuren (freie Säureform) ein Endprodukt, welches normalerweise eingesetzt wird zur Herstellung eines handelsüblichen Nach- Kessel-Bittermittels (20-35% Konzentration, bezogen auf das Gewicht). Die Isoα-Säuren werden in einer äquivalenten Menge einer Kaliumhydroxidlösung aufgelöst. Durch die Beigabe eines 0,5-1,0 Molaranteils von anorganischen Magnesiumsalzen wird eine gelbe Ausfällungsmischung gebildet. Die Filtration ergibt die gelben Feststoffe der Magnesiumisohumulate (Magnesiumsalze oder Komplexe von Iso-α-Säuren).

2. Hydrierung von Magnesiumsalzen von Iso-α-Säuren zu Tetrahydroiso-α-Säuren

Entweder die Mischung von Magnesiumsalzen von Iso-a-Säuren oder die isolierten Magnesium-Iso-α-Säuren (erhalten über entweder die Route "a" oder die Route "b", wie sie oben aufgeführt wurden, in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit) wird als Zuführmaterial für diese Hydrierung eingesetzt. Durch Auflösen des Zuführmaterials in einem Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht oder einem wässrigen Alkohol (Methanol, Ethanol oder Isopropylalkohol usw.) wird die sich ergebende Lösung der Hydrierung unterworfen unter Wasserstoff bei einem Druck von etwa 137,9 kPa (20 psig) und bei etwa 20-50ºC unter Einsatz eines Palladium-auf-Kohlenstoffkatalysators. Nach Vervollständigung der Hydrierung wird der Katalysator durch Filtration entfernt und das Filtrat wird gesäuert, um die Tetrahydroiso-α-Säuren freizusetzen: Nach der Evaporation des Alkohols und der Phasentrennung erhält man somit ein öliges Material der Tetrahydroiso-α-Säuren. Die Bildung der Tetrahydroiso-α-Säuren in wässrigem Kaliumhydroxid erzeugt eine Lösung mit einer Konzentration bis zu 10% (analysiert durch HPLC), welche für die Nach-Kessel-Beigabe im Brauvorgang geeignet ist.

B. Hydrierung der Mischung von Magnesiumsalzen der Iso-α-Säuren

Beispiel 1

Zu 69 g eines Extraktes mit einem Gehalt von 74% Iso-α-Säuren (0,14 Mol) wurden 7,8 g KOH (0,14 Mol) in 50 ml Wasser, 200 ml 95%igem Ethanol, 18,9 g MgSO&sub4; 7H&sub2;O (0,077 Mol) und 6 g 5%iger Pd/C-Katalysator in einem Ein-Liter-Autoklaven beigegeben. Der Autoklav wurde beladen mit 50 psig und dann 137,9 kPa (20 psig) H&sub2; dreimal. Die Reaktionsmischung wurde bei 30-50ºC und 137,9 kPa (20 psig) gehalten bis die Aufnahme von Wasserstoff aufhörte. Die Reaktion nahm 2-3 Stunden in Anspruch. Nach dem Abfiltern des Katalysators wurde das Filtrat gesäuert mit Schwefelsäure und dann evaporiert, um das Ethanol zu entfernen. Nach dem Waschen und der Phasentrennung wurde Öl gebildet mit einer 85%igen Ausbeute von Tetrahydroiso-α-Säuren. Das Produkt wurde dann formuliert zu einer 5-10%igen Konzentration in einer wässrigen Kaliumlösung für den Einsatz als Nach-Kessel-Bittermittel.

Beispiel 2

Zu einer Mischung mit einem Gehalt von 70 g eines Extraktes, enthaltend 52 g Iso-a-Säuren, wurden 4 g Mg(OH)&sub2;, 50 ml Wasser, 200 ml 95%igem Ethanol und 6 g 5%igem Pd/C-Katalysator beigegeben und beladen mit 50 psig N&sub2; und dann 137,9 kPa (20 psig) H&sub2; dreimal in einem Ein-Liter-Autoklaven. Der Autoklav wurde erhitzt auf 50ºC und bei 30-50ºC gehalten. Die Reaktion nahm 3-5 Stunden zur Vollendung in Anspruch. Nach der Filtration wurde festgestellt, daß das Filtrat (321,1 g) 16,3% Tetrahydroiso-α-Säuren enthielt, welches 90% der gesamten Ausbeute ausmachte. Nach der Säuerung, der Evaporation, dem Waschen mit Wasser und der Phasentrennung ergab sich ein Öl. Das Öl wurde dann formuliert zu einer 5-10%igen Konzentration von Tetrahydroiso-α-Säuren in einer wässrigen Kaliumlösung für den Einsatz als Nach-Kessel-Bittermittel.

Beispiel 3

Zu einer Mischung mit einem Gehalt von 55 g reiner Iso-α-Säuren wurden 9 g KOH in 90 ml Wasser, 19 g MgSO&sub4; 7H&sub2;O, 250 ml 95%igem Ethanol und 6 g 5%igem Pd/C-Katalysator beigegeben und hydriert bei 137,9 kPa (20 psig) H&sub2; zwei Stunden lang bei 30-50ºC. Nach dem Aufarbeitungsvorgang einschließlich der Filtration, der Säuerung, der Konzentration, dem Auswaschen und der Phasentrennung wurden 56 g eines Öls mit einem Gehalt von 74% reinen Tetrahydroiso-α-Säuren erhalten, welche 84% der gesamten Ausbeute ausmachten. Das Produkt wurde dann formuliert auf 5-10% Konzentration in einer wässrigen Kaliumlösung für den Einsatz als Nach-Kessel-Bittermittel.

Beispiel 4

Iso-α-Säuren (53,4 g) wurden formuliert zu einer 35%igen wässrigen Lösung durch die Beigabe von 8,4 g 87%igem KOH und 90 ml Wasser. Zu 140 ml der Lösung (50 g Iso-α-Säuren, 0,14 Mol) wurden 19 g MgsO&sub4;·7H&sub2;O (0,077 Mol), 4,7 g 5%igem Pd/C-Katalysator und 250 ml 95%igem Ehtanol beigegeben. Die Hydrierung wurde ausgeführt unter 137,9 kPa (20 psig) und 20-47ºC 1,5 Stunden lang. Nach der Entfernung des Katalystors durch Filtration wurden 381,5 g an Filtrat erhalten und ergab einen Gehalt von 12% Tetrahydroiso-α-Säuren, was einer Ausbeute von 90% ausmachte.

C. Herstellung von Mq&spplus;²-Iso-Humulaten (isolierte Magnesiumsalze von Iso-α- Säuren)

Beispiel 5

Zu 184 g gereinigten α-Säuren (82% α-Säuren, 0,426 Mol) wurden 27,45 g (0,426 Mol) 87%iger KOH und 52,45 g (0,213 Mol) MgSO&sub4; 7H&sub2;O in 1200 ml Wasser beigegeben. Die Mischung wurde erhitzt und gerührt auf 85ºC eine Stunde lang. Nach dem Abkühlen wurden 228 g gelber Feststoffe von Mg&spplus;² -Iso- Humulaten durch Filtration erhalten.

D. Hydrierung von Mg&spplus;²-Iso-Humulaten (isolierte Magnesiumsalze von Iso-α- Säuren)

Beispiel 6

In einen Ein-Liter-Autoklaven wurden 66,8 g von Mg&spplus;²-Iso- Humulatkomplexen, 90 ml Wasser, 250 ml 95%igem Ethanol und 8 g 5%igem Pd/C-Katalysator eingegeben. Die Reaktionsmischung wurde hydriert unter 137,9 kPa (20 psig) Wasserstoff und bei 30-40ºC gehalten. Die Reaktion wurde innerhalb von 2,5 Stunden vervollständigt. Nach dem Aufarbeiten wurden 51,4 g Öl mit einem Gehalt von 64% Tetrahydroiso-α-Säuren erhalten, welches 66% der Gesamtausbeute ausmachte. Das gleiche Ergebnis wurde erhalten, wenn 300 ml 95 %iges Ethanol eingesetzt wurde (kein Wasser wurde beigegeben).
Dem Sachverständigen auf diesem Gebiet leuchtet ein, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Umsetzung von Iso-α-Säuren zu Tetrahydroiso-α-Säuren den Einsatz von verwerflichen organischen Lösungsmitteln und anderen toxischen Reaktionsmitteln vermeidet. Das Verfahren verwendet auch niedrige pH-Werte und niedrige Drücke. Die Metalle, die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, schützen außerdem die Karbongruppen in dem β-Triketo-Anteil der Iso-α-Säuren überraschend und verhindern unerwartet die Bildung unerwünschter Produkte. Da darüber hinaus die Tetrahydroiso-α- Säuren erhalten werden in einem niedrigen Alkanollösungsmittel mit einer relativ geringen Menge an Wasser, wird die Isolation der Tetrahydroiso-α-Säuren erleichtert.
Dem Sachverständigen auf diesem Gebiet leuchtet ein, daß viele Modifikationen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zum Einsatz kommen können. Beispielsweise liegt jegliches Metallion, welches die Karbongruppen des β-Triketo-Anteils schützt, im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Dementsprechend ist beabsichtigt, daß die Erfindung nicht durch die vorangehende Beschreibung eingegrenzt wird, sondern lediglich durch die sich anschließenden Ansprüche.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Tetrahydroiso-α-Säuren mit folgenden Schritten:

Herstellen eines Zuführmaterials aus Iso-a-Säuren Metallsalzen, wobei das Metall-Ion aus der Gruppe umfassend Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Übergangsmetalle ausgewählt ist;

Auflösen des Zuführmaterials in einer wässrigen Lösung eines niederen Alkohols, welcher ein geradkettiger oder verzweigtkettiger Alkohol ist, mit 1-6 Kohlenstoffatomen, wobei die Lösung im wesentlichen 5% bis 20% w/w Wasser als Reaktionsmedium enthält;

Reduzieren der Iso-α-Säuren unter Anwesenheit von Wasserstoff mit einem Druck von im wesentlichen 34.5-344.9 kPa (5 bis 50 psig) und einem Palladium-auf-Kohlenstoff-Katalysator bei im wesentlichen 30ºC-50ºC, so daß sich Tetrahydroiso-α-Säuren bilden; und

Wiedergewinnung der Tetrahydroiso-α-Säuren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im wesentlichen 40-45ºC beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdruck im wesentlichen 34.5-337.9 kPa (5 bis 20 psig) beträgt.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdruck im wesentlichen 139.9 kPa (20 psig) beträgt.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der niedere Alkohol Ethanol ist.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Ion ein Erdalkalimetall ist.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Ion ein Alkalimetall ist.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Ion ein Übergangsmetall ist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall-Ion aus der Gruppe umfassend Magnesium und Kalzium ausgewählt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall-Ion aus der Gruppe umfassend Natrium und Kalium ausgewählt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall-Ion aus der Gruppe umfassend Eisen, Kobalt, Kupfer und Nikkel ausgewählt ist.

12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis des Metall-lons zu den Iso-α-Säuren wenigsten 0.5 : 1 beträgt.

13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführmaterial dadurch hergestellt wird, daß α-Säuren zu Iso-α-Säuren unter Anwesenheit des Metall-lons isomerisiert werden.

14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführmaterial dadurch hergestellt wird, daß das Metall-Ion einer wässrigen Lösung von Iso-a-Säuren hinzugefügt wird.