JP2009522375A - ビニル脂肪酸エステルからの糖エステルの生成 - Google Patents

Abstract

糖エステル生成物が、糖およびビニル脂肪酸から製造される。糖はまず、ジメチルスルホキシドに金属炭酸塩触媒と溶解される。ビニル脂肪酸エステルは、糖混合物に対して混合される；糖エステル生成物およびアセトアルデヒドが形成される。減圧が使用されてアセトアルデヒドが除去され、当該反応は完了に至る。ビニル脂肪酸エステルの割合に対する糖に依存して、あるものは、モノエステル含量が９０％の９０％以上の反応収量が得られる。DMSOが次に減圧蒸留により回復される。当該粗粗生物は、塩水に溶解される；ビニルステアレートと微量のスクロースと共にステアリン酸スクロースがイソブタノールを添加することにより抽出される。当該イソブタノール相が水相から分離され、濃縮される。噴霧乾燥が行われて、残りの溶媒とビニルステアレートが除去される。当該生成物は白色粉末であり、スクロースエステルのためのFDA規格に合致する。

Description

［先の出願との相互参照］
本出願は、2006年1月6日に出願した仮出願60/757097の利益および優先権を主張するものであり、且つ当該仮出願に基づき出願し、且つ権利主張する非仮出願である。

［米国国庫補助］
NA
［発明の背景］
［技術分野］
本発明は、糖エステルを高効率且つ高純度で生ずる方法に関する。

［従来技術の説明］
第二次世界大戦の終わり頃に始まった石鹸（脂肪酸のアルカリ金属塩）などの「天然の」界面活性剤は、石油由来の「洗剤」に益々取って代わっている。しかしながら、殆どのこれらの材料は、食物と薬物製品において使用するには適切ではなかった。食物と薬物のために適切な界面活性剤の探索において、糖洗剤または界面活性剤、即ち、等および糖誘導体の脂肪酸エステルが発見された。比較的多くの天然糖および可能な脂肪酸の種類のために、非常に多くの異なる糖洗剤が可能である。

糖エステルは、糖の種類により、および当該糖に対してエステル化された脂肪酸の鎖長により分類され得る。スクロース、グルコース、マルトースおよび他の糖が、ステアリン酸（１８炭素）、オレイン酸（１８炭素）、パルミチン酸（１６炭素）、ミリスチン酸（１４炭素）およびラウリン酸（１２炭素）を含む様々な脂肪酸と反応されてきた。スクロースエステルは、食品産業において使用するために幾つかの望ましい特性を有する界面活性剤または乳化剤である。これらは、油と水の優れた乳化剤、抗細菌性特性、ドゥおよび焼いたパンの冷凍ダメージ、デンプンを含む複雑な構成および新鮮な果物の保存を生ずる能力を含む。これらの課題のための糖エステルの利点の１つは、当該分子の親水性部分（糖）と当該分子の疎水性部分（脂肪酸）の両方を容易に変えることが可能であり、従って、各々僅かに異なる特性を有する種々の異なる化合物を広く提供することが可能である。

恐らく、最も一般的な糖洗剤は、スクロース（テーブルシュガー）をベースにしたものであり、これは、実際には、５炭素ケト糖フルクトースの分子に対して結合する１分子の６炭素アルド糖からなる２糖である。スクロースと脂肪酸が反応してエステルを形成する場合、当該脂肪酸がエステル化することができる当該スクロース分子における８つの部分（当該構成糖の各々において４つ）が存在する。典型的に、モノエステル、ジエステルおよびトリエステルが、恐らく立体障害のために、ほんの少しの量のより高度なエステルを伴って形成される。当該反応が、ラウリン酸などの単一脂肪酸とともにある場合、分析は、多くの異なるエステル、典型的には２〜４の異なるモノエステルと６〜８の異なるジエステルまでを形成するエステルがあることを示す。脂肪酸混合物が、出発物質として使用される場合、当該生成物はより複雑でさえある。（飽和度と同様に）当該脂肪酸の鎖長は、得られる糖エステルの特性において顕著に影響を有することが容易に認識されるであろう。より長い鎖の脂肪酸は、室温で固体または半固体であるエステルを生じる。また、より長い鎖のエステルは水に容易に溶解しない。両親媒性の界面活性剤分子の親水性の特性は、大部分は当該糖部分により寄与される一方で、疎水性特性は、長さに応じてますます疎水性となるより長い鎖を伴う脂肪酸分子により寄与される。

米国食品医薬品局（FDA）は、食品、薬物および化粧品における糖洗剤のための基準を定めている。食品添加物基準は、21 CFR 172.859の95〜96に記載される。当該基準は、スクロースエステルの組成物のための条件を記載しており、それは、遊離スクロース重量が５％未満の食用脂肪酸（動物性脂肪および植物油）から産生されたモノ、ジおよびトリエステルの重量で８０％以上でなくてはいけない。加えて、「安全な」有機溶媒だけが当該エステルの合成において使用されるべきであり、これらの溶媒の残留物レベルは当該基準により管理されている。

恐らく、これらの基準の結果として、食品医薬品局の必要条件を満たすこれらの材料となる商業的供給源はほんの少ししかない。当該糖エステルは、日本において５０年以上に亘り製造されており、幾つかの日本の企業、その１つは三菱カサイ食品会社（Mitsubishi-Kasai Food COmpany）により作られているリョート（Ryoto）糖エステルであり、これはFDA基準を満たしている。

スクロースエステルの古典的な製造方法は、スクロースステアレートの生成により最もよく説明されている。初期の方法において、ジメチルホルムアミド（DMF）が溶媒として使用される。当該脂肪酸のメチルエステルが製造され、このエチルエステルは、炭酸カリウムなどの触媒の存在下で４〜６時間８３〜９５℃においてDMF中でスクロースと反応された。典型的な配合は（全ては重量による部である）、３０量分のメチルステアレート、２量分の炭酸カリウムおよび３００量分の溶媒に対する３０〜１２７量分のスクロースで使用された。これらの方法は、重量で６０〜７５％の高収量を達成した。基本的な問題は、特にDMFが有毒であるので、FDA基準に適合する物質を得るために反応混合物を生成することにある。加えて、当該反応生成物は、部分的に分解された糖と溶媒を含む高粘性である。

これらの問題は、一連の企図された改良に結びついた。DMFの使用に対する懸念のために、フォスター D. スネルは、DMFの代わりにジメチルスルホキシド（DMSO）を使用する新規な方法を開発し、それは米国特許3,480,616に開示されている。もう1つの例は、米国特許3,644,333に開示されるオシポウ（Osipow）らによるものであり、乳剤の使用により有機溶媒の使用を省こうというものである。この方法では、スクロースは、メチルステアレートとステアリン酸ナトリウムとかなりの量の予め用意したスクロースエステルとに混合された。炭酸カリウムが触媒として使用され、水が溶媒として使用された。しかしながら、収量は、重量で約３０〜３５％低い。更に、相当な無駄および分解された生成物を含むために、所望の生成物を当該反応混合物から取り除くことが非常に困難である。代替法が、フォイゲにより記載されている。例えば、米国特許3,714,144において、彼は、溶融した糖溶液中で脂肪酸のナトリウム、カリウムまたはリチウム石鹸を使用する。その反応は、１７０〜１９０℃での減圧下で２〜２０分間で生じる。再度言及するが、当該生成物は、非常に収量が低く、破壊された糖およびアルカリ金属を取り除くことが非常に困難である。エステルの産生を手伝うために、幾つかのスキームが考案され、反応混合物を生成している。例えば、ケア（Kea）らは、米国特許4,710,467において、当該エステルの精製と続く３つの相の分離を手助けするために水性食塩水を添加する使用について教示している。

スクロースエステル合成を包含する第一工業製薬会社（京都、日本）に与えられた多くの特許は、１９９０年と１９９１年の間に許可になった。特に、米国特許4,898,935、4,996,309、4,995,911、5,011,922および5,017,697は、全て、化学触媒を使用して製造されるようなスクロース脂肪酸エステルの反応、抽出および精製についての方法を開示するものである。

［発明の概要］
本発明は、脂肪酸のビニルエステルを使用する脂肪酸の糖エステルの合成方法である。糖によって、我々は、最初に植物供給源において発見された天然に生じた幾つかの糖を意味する。これらは、例えば、スクロース、リボース、マンノース、グルコース、フルクトース、キシロース、アラビノース、ラクトース、メリビオース、ガラクトース、マンノース、ラフィノースおよびセロビオースを含む。適切な脂肪酸は、食用脂肪、蝋および油、再度言及するが、元来は植物起源のものである。有用な脂肪酸は、例えば、ヘキサン酸、オクタン酸、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ミリストレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リシノール酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、エイコサエン酸、ベヘン酸およびエルカ酸を含む。本発明の方法は、適切な有機溶媒における適切な糖の溶液を、金属炭酸塩触媒とエステル化のためのアシル供給源としての脂肪酸のビニルエステルと組み合わせる。適切な有機溶媒は、少なくとも問題の糖に若干の溶解性を示す溶媒である。加えて、これらの糖エステルは、食品の使用のために予定されるので、FDAに承認された溶媒だけが使用される。そのような溶媒は、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、エチルアセテート、およびイソブタノール（2-メチル-1-プロパノール）を含む。ビニルエステル糖混合物は、約３０℃〜約９０℃の間の温度で５分〜２４分の間で反応される。反応中、当該脂肪酸基は当該糖をエステル化し、アセトアルデヒドが副産物として放出される。アセトアルデヒドが適切に揮発性であるので、当該アセトアルデヒドが当該反応混合物から除外され、それにより当該反応は前に「牽引」されるので、当該反応は、減圧された大気下で有利に管理することが可能である。ビニルエステルに対する糖の開始時の比が約２：１〜約８：１である場合に、当該反応時間の終わりに、当該生成物は、主として糖モノエステルであり、比較的低いレベルの消費されないビニルエステルを伴う。

［発明の詳細な説明］
以下の記載は、当業者が本発明を作製しおよび使用することが可能となるために提供され、本願発明者によって熟考された発明の実施におけるベストモードを説明する。しかしながら、様々な改変は、当業者にとって容易に明らかになると考えられる。というのは、本発明の一般原則は、特に脂肪酸がビニルエステルの形で提供されるスクロースエステルを製造する方法を提供するために、ここに定義されているためである。

［脂肪酸のビニルエステルを用いたモノステアリン酸スクロースの製造］
モノステアリン酸スクロースはその他のエステルよりも貴重であると考えられるため、ここに示される本発明による反応は、最高の反応収率ではなく最高のモノエステル含有量をもたらすことに最適化された。

最初に、スクロースを６０℃のＤＭＳＯに約４００ｍＭの濃度になるように溶解する。反応混合物の変色を抑えるために、炭酸カリウムを１．５ｇ／Ｌの量でこのスクロース溶液に添加し、約３０分間撹拌しスクロース分子を活性化する。約３０分後、未溶解の炭酸カリウムはデカンティングまたはろ過の何れかで除去し、ステアリン酸ビニルを、その終濃度が約１００ｍＭになるように添加する。反応はビニル脂肪酸エステルの添加とともに開始し、約１５分間進行させる。反応はビニル脂肪酸エステルの残量を測定することでモニターできる。このレベルが開始時の重量の約１０％以下まで減少したとき、反応は完了したと考えられる。上記の反応条件を使用すると、反応後において、全エステル含有量のパーセンテージとして測定されるモノエステルの含有量は約９０％である。反応後の酸価は１未満である。

［モノステアリン酸スクロースの精製］
ＤＭＳＯは、減圧蒸留によって反応混合物から回収することができる。ブライン（塩化ナトリウム）を蒸留後の混合物に添加し、ステアリン酸スクロースおよびステアリン酸ビニルの乳化を生じさせる。未反応のスクロースおよび炭酸カリウムは、ブライン溶液に溶解する。ステアリン酸スクロース、特にモノステアリン酸スクロースを回収するために、その後、乳濁液を、例えばイソブタノールといった有機溶媒を添加して破壊する。有機溶媒を水性のブラインから分離し、２つの分離した液相を作る。一方の相は、有機溶媒（イソブタノール）、スクロースエステル（ステアリン酸エステル）および未反応のビニルエステルを含む。他方の相は、水、未反応のスクロースおよび炭酸カリウムを含む。分離が完了した後、イソブタノール相を水層からデカントし、減圧蒸留に供してイソブタノールを回収する。イソブタノールを除去した後、粗生成物は、ステアリン酸スクロース、ステアリン酸ビニルおよび微量のスクロースを含む。超臨界の二酸化炭素中へのイソブタノール生成物濃縮物の噴霧乾燥は、約５００ｐｐｍのＤＭＳＯを含んだステアリン酸スクロース粉末を与えた。この粉末は、再度エタノールに溶解し、さらに２度の噴霧に供して、生成物中のＤＭＳＯ含有量を０．５ｐｐｍ未満まで減少させることが可能である。これによって、最終的なステアリン酸スクロース生成物のＦＤＡ純度基準が満たされる。

［反応の変動要素］
スクロースとビニルエステルとの比率：理論的に、より高いスクロース対ビニルエステル比は、より高いモノエステル含有量をもたらすと考えられる。しかしながら、過剰に高い比率は、下流の精製の問題を引き起こす。それゆえ、最適なスクロース対ビニルエステル比は、約２：１から約８：１の間である。

触媒：この反応は、塩基によって触媒される。適した塩基は、金属酸化物、金属水酸化物および金属炭酸塩を含み、特に、アルカリ金属水酸化物および炭酸塩を含む。金属水酸化物および炭酸塩のアルカリ度が高いほど、反応は速くなる。使用可能な触媒の候補は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムおよび炭酸リチウムを含む。十分なアルカリ度を与えるその他の弱酸の陰イオンを使用することもできる。

触媒濃度：過剰な濃度の触媒は、恐らく副作用によって、反応混合物の変色を引き起こすことがわかった。それゆえ、最適な触媒濃度は、炭酸カリウム触媒では、全反応体積中の約１．５から約６ｇ／Ｌの間である。その他のアルカリ金属および／または代わりとなる金属塩を使用する場合、触媒の濃度は、同様のアルカリ度を与えるよう調節すべきである。

［反応温度］：ビニルエステルをアシルの供与体として使用する場合の副産物はアセトアルデヒドである。アセトアルデヒドは低い沸点を有するため、従来のメチルまたはエチルエステルの場合のような、反応を進行させるための高い反応温度は必要ない。適切な反応ための最低温度は約３０℃である。反応速度は反応温度の増大に応じて増大するものの、高い反応温度は、例えば触媒濃度が低い場合であっても反応混合物の変色を引き起こすため好ましくない。速度と変色（副作用）との間の折り合いから、約４０℃から６０℃の間の中程度の反応温度に落ち着く。

このように、本願の特許請求の範囲は、何が特異的に例示されおよび上記されているか、何が概念的に等価か、何が明白に置換可能か、そしてまた、何が本質的に本発明の本質的な考えを取り込むかを含むと理解されるべきである。本発明の範囲から離れることなく、 まさに記載した好ましい実施態様の様々な適合および修正を構成できることを、当業者は理解すると考えられる。例証された実施態様は、例示の目的のためだけに説明され、このことは、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。それゆえ、本願の特許請求の範囲の範囲内において、本発明は、特別に記載されたこと以外の実施を行ってよいと理解されるべきである。

Claims (13)

1. 以下の工程を含む糖エステルを製造する方法:
   糖溶媒混合物を形成するために有機溶媒に糖を溶解すること;
   糖溶剤混合に金属炭酸塩触媒を混合すること;
   脂肪酸のビニルエステル中で混合すること;
   および、得られた混合物を約30℃から90℃の温度で、少なくとも約5分間反応し、有機溶媒、金属炭酸塩触媒、非反応の糖、非反応のビニルエステル、糖エステルおよびアセトアルデヒドを含む反応生成物を得ること。
2. 請求項1に記載の方法であって、当該糖が、スクロース、リボース、マンノース、グルコース、フルクトース、キシロース、アラビノース、ラクトース、メリビオース、ガラクトース、マンノース、ラフィノースおよびセロビオースから成る群から選ばれる方法。
3. 請求項1に記載の方法であって、当該脂肪酸のビニルエステルが、ヘキサン酸、オクタン酸、デカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ミリストレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リシノレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、エイコサン酸、ベヘン酸およびエルカ酸のビニルエステルからなる群より選択される方法。
4. 請求項1に記載の方法であって、当該金属炭酸塩触媒が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、水酸化カリウムおよび水酸化ナトリウムから成る群から選ばれる方法。
5. 請求項1に記載の方法であって、有機溶媒が、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、酢酸エチルおよびイソブタノールから成る群から選ばれる方法。
6. 請求項1に記載の方法であって、当該糖とビニルエステルが、約2：1から約8：1のモル比で存在する方法。
7. 請求項1に記載の方法であって、当該反応の工程が、約40℃から50℃の間の温度で行われる方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、更に、当該反応の工程の間にアセトアルデヒドを除去することを具備する方法。
9. 請求項1に記載の方法であって、当該脂肪酸のビニルエステルのレベルがモニターされる方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、更に、反応産物からDMSOを除去するために減圧蒸留の工程を具備する方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、更に、塩水を添加すること、および続いて糖エステル、未反応ビニルエステルおよび非反応糖を含む粗生成物を得るために当該エマルジョンを抽出することによりエマルジョンを形成する工程を具備する方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、当該エマルジョンが、有機溶媒を添加することにより分離されて、その後、相の分離が粗生成物を含む有機相を生じる方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、更に、当該粗生成物を更に精製するために超臨界の二酸化炭素に噴霧乾燥をする工程を具備する方法。