JP5338770B2 - 無水トレハロースの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、脱水剤、乾燥剤などとして有用な無水トレハロースを簡便に製造することができる無水トレハロースの製造方法に関する。

トレハロース（本明細書では、「トレハロース」とはα,α−トレハロース、すなわち、α−Ｄ−グルコピラノシル（１,１）−α−Ｄ−グルコピラノシドを意味する）は、α−グルコース２分子が１,１−グリコシド結合してできた非還元性の二糖類である。上品な甘味を呈し、水によく溶け、強力な水和力を有することから、その大量生産方法が確立された１９９０年代後半以降、トレハロースは多様な食品に甘味料または添加物として使用されるようになってきた。トレハロースを食品中に含有させると、乾燥保護だけでなく、デンプン老化抑制、タンパク質変性抑制などの機能も示すことが知られている。その他、保湿剤として化粧品に利用するなど、多様なトレハロースの利用法が開発されている。

トレハロースの利用方法の１つとして、無水トレハロースを乾燥剤または脱水剤として使用することが提案された（下記特許文献１、２を参照）。
無水トレハロースを用いる脱水は、無水トレハロースが水分を捕捉して含水結晶（２水和物）に変換される過程で発揮する強力な脱水力を利用した方法である。この脱水方法は、加熱乾燥などと違って、過酷な条件を必要としないので、含水物の品質を変質・劣化させずにそれを脱水製品に変換できるという特長を有する。また、シリカゲル、消石灰などの従来の乾燥剤とは異なり、無水トレハロースは食品であるため、食品中に直接混合することができ、安全性が高い。さらに、無水トレハロースは潮解性を示さず、含水結晶に変換されても元の無水物の流動性を保持するので、脱水すべき製品が粉末である場合に、その製品を固結させたりせずに粉末状態を維持することができる。

そのため、無水トレハロースは、特に含水食品、含水医薬品といった安全性が要求される含水物質に対して、それから水分を捕捉して乾燥または脱水するための乾燥・脱水剤として有用である。無水トレハロースは、メタノール、エタノール、ブタジエン、プロピレングリコール、グリセリン、ポリエチレングリコールなどの１価もしくは多価アルコール中に含まれる水分を捕捉するための脱水剤としても利用されている。

無水トレハロースは脱水力が強力であり、酸性物質を含む広範囲の含水物質に適用できるため、無水トレハロースを用いて、例えば、風味良好な高品質の脱水食品や、高活性で安定な脱水医薬品などの脱水製品を容易に製造することが可能となる。

無水トレハロースを乾燥・脱水剤として利用するためにも、それを簡便かつ大量に製造できる方法が必要となる。現在工業的に大量生産されているのはトレハロースの含水結晶であるため、この含水トレハロースを原料として無水トレハロースを製造する方法がこれまでにいくつか提案されている。なお、本明細書において、トレハロース含水結晶とは、トレハロース（すなわち、α,α−トレハロース）二水和物を意味する。

(1)トレハロース含水結晶を、５０℃で４８時間の真空乾燥により脱水する（非特許文献１）。
(2)トレハロース含水結晶を水に溶解し、約１００〜１６０℃の温度で常圧乾燥または真空乾燥する（特許文献１）。

(3)約７０〜９０％濃度のシラップ状の高純度トレハロース水溶液を真空乾燥または凍結乾燥する（特許文献１）。
(4)水分量１０％未満の高濃度トレハロースシラップを無水トレハロースの種結晶存在下で５０〜１６０℃の温度に維持して、結晶性無水トレハロースを晶出させる（特許文献１）。

(5)濃度約６０〜８５％のトレハロースシラップから、高圧ノズル法または回転円盤法などの噴霧乾燥法により無水トレハロースを得る（非特許文献２）。
(6)トレハロース含水結晶を超臨界流体で脱水処理する（特許文献２）。

(7)トレハロース含水結晶をピリジンに溶解し、得られた溶液から結晶性無水トレハロースを晶出させる（非特許文献３）。
(8)トレハロース含水結晶の加熱エタノール溶液（５０℃以上）から脱水反応により無水トレハロース結晶を得る（非特許文献４）。

しかし、以上の方法は、(6)、(7)の方法を除いて乾燥操作および／またはトレハロースの高濃度溶液（シラップ）の調製に加熱を必要とし、加熱と冷却に多大のエネルギーコストがかかる。(6)の方法は、超臨界流体を使用することから高圧装置が必要であり、装置が大がかりとなり、工業化には困難を伴う。また、真空乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥などは、機器の設置、運転、維持管理にコストがかかる。(7)の方法は、ピリジンが比較的高価である上、生物に対する毒性が高く、かつ特異な悪臭のある塩基性液体であり、また沸点も１１５℃と高いことから、作業環境上や食品衛生上も問題がある。(8)の方法については、トレハロースの立体配座が８０℃付近で変化することが知られているため、立体配座が異なり、従って脱水能が劣るトレハロース結晶が混入する可能性が高くなる。また、可燃性液体であるエタノールを加熱して用いることから、引火による爆発事故を防ぐために安全面からの設備投資がかなり必要になると考えられる。

A. M. Gil et al., Spectrochimica Acta Part A 52, 1649-59(1996) R. Surana, et al., Pharm Res. 21, 1167-76(2004) G. Birch, J. Chem. Soc., 3489-3490 (1965) T. Ohashi et al., Carbohydrate Research, 342, 819-825 (2007)

特開平６−１７０２２１号公報 特開２００３−３４２２８８号公報

本発明は、簡便な設備を使用して室温で実施可能な、省エネルギーで環境負荷の少ない無水トレハロースの製造方法を提供することを課題とする。

無水トレハロースが示す強い脱水力（換言すると強い水との親和性）のため、トレハロースの水溶液から無水トレハロースを得るには、上記従来技術にも提案されるように、加熱、真空乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥などのエネルギーコストのかかる強力な脱水方法を採用するのが一般的であり、このような手法では本発明の課題を解決することができない。

そこで、上記(8)のエタノールを溶媒とする溶液から晶析させる方法に着目した。しかし、トレハロース含水結晶は室温ではエタノール（９９.５％エタノール）にはほとんどとけないことが判明した。従って、結晶析出に必要な十分なトレハロース含水結晶をエタノールに溶解させるには、非特許文献４に記載されているように、５０℃以上の温度での加熱が必要となり、やはり本発明の課題を解決できない。

これに対して、溶媒としてメタノールを使用すると、室温で数分撹拌するだけで、トレハロース含水結晶が完全に溶解して透明な溶液が得られ、さらに撹拌又は静置を数分から数十分続けると、白い無水トレハロースが析出して最終的に白色沈殿と透明溶液とに分離することを本発明者らは見出した。

この知見に基づく本発明は、トレハロース二水和物を４０℃以下の温度でメタノールに溶解させ、得られた溶液から無水トレハロースを析出させ、析出した結晶を溶液から分離することを特徴とする、無水トレハロースの製造方法である。

好適態様においては、トレハロース二水和物は室温でメタノールに溶解させ、かつ得られた溶液から室温で無水トレハロースを析出させる。つまり、原料であるトレハロース二水和物の溶解から、脱水反応による無水トレハロースの析出までをすべて室温で行う。

本明細書において「室温」とは「加熱・冷却をしない」という意味である。具体的には本発明では「室温」とは１０〜３５℃の温度範囲を意味する。ただし、この温度範囲であれば、加熱または冷却により温度を調整することを排除するものではない。そのようにしても「室温」と実質的に同じになるからである。

別の好適態様において、本発明に係る無水トレハロースの製造方法は、メタノール溶液から分離された無水トレハロースを減圧乾燥して残留メタノールを除去する工程をさらに含む。

本発明によれば、トレハロース含水結晶からメタノールを溶媒として無水トレハロースを製造する。溶媒として使用するメタノールは、燃料などとして工業用に使用されており、臭いや毒性は比較的低く、かつ安価であり、環境への悪影響も比較的少ない。また、沸点が約６５℃と低いので、メタノール溶液から分離された無水トレハロースの結晶を減圧乾燥することによりメタノールを完全に蒸発させて除去することができる。それにより、食品衛生上の問題がない無水トレハロースを得ることができる。

さらに、溶媒がエタノールである場合とは異なり、トレハロース含水結晶の溶解から無水トレハロースの析出までをすべて室温で実施することができるので、加熱やその後の冷却にエネルギーコストが不要となる上、８０℃付近で起こりうる無水トレハロースの立体配座の変化を確実に防止できる。また、撹拌機構つきの反応容器と減圧乾燥機程度の簡便な設備で無水トレハロースを効率よく製造することができる。

従って、本発明により、強力な脱水剤となる無水トレハロースを従来に比べて格段に低コストで製造することが可能となり、得られた無水トレハロースは食品に直接混入して食品用の脱水・乾燥剤として使用でき、その他の各種の脱水用途（例、薬品の乾燥）にも使用できる。

本発明に係る方法で製造した無水トレハロースのＩＲスペクトル。 標準品の無水トレハロースのＩＲスペクトル。 トレハロースの分子構造を示す空間充填モデル。水１分子が入り込むクレフトを２つ有していることを示す。

本発明者らは、予備的研究としてトレハロース二水和物（含水結晶）のＮＭＲスペクトル、ＩＲスペクトル、分子軌道計算などからその構造解析を行った。その結果、水溶液中でのトレハロースは、図３に示すように、２つのグルコピラノース環がグリコシド結合に対して対称を保った構造を有し、水を１分子ずつ取り込むことができるクレフトと呼ばれる２つの窪みを有することが判明した。このクレフトに取り込まれた水分子は、トレハロースに溶媒和している水分子よりも強い結合力でトレハロース分子と水素結合している。また、クレフトに取り込まれた水分子は、溶媒の水分子と水素結合ネットワークを形成し、溶媒分子と常に高速で入れ替わっている。

このように、トレハロースの結晶構造は１分子の水がぴったり入り込むクレフトを２つ有するため、二水和物として結晶構造が安定化するので、無水トレハロースが強力な脱水剤として機能すると考えられる。

本発明では、まずトレハロース二水和物をメタノールに溶解させ、得られた溶液から室温で無水トレハロースを析出させる。具体的には、本発明者らは次の実験を行った。
トレハロース二水和物０.１０ｇに９９.８％メタノール３ｍＬを加えて振とうにより撹拌した。数分の撹拌でトレハロースは完全に溶解して透明なメタノール溶液が得られた。溶解後に静置すると、溶液は徐々に白濁し始め、溶解６分後に沈殿のない白色懸濁液、溶解１４分後に沈殿のある白色懸濁液、溶解３２分後には白色沈殿と透明な溶液に分離し、析出した沈殿を溶液から濾過またはデカンテーションにより分離することができた。

これらの各段階（溶解直後、溶解から６分、１４分、３２分後）においてトレハロースのＩＲスペクトルを調べた結果、溶解直後のトレハロースはトレハロース二水和物と同じスペクトルを示したのに対し、その後は無水トレハロースと同じスペクトルを示すようになった。図１には、後述する実施例１において溶液から沈殿として分離された無水トレハロースのＩＲスペクトルを、図２には、試薬として市販されている無水トレハロースの標準品の同じ条件で得られたＩＲスペクトルを示す。図１と図２のＩＲスペクトルが一致していることから、メタノールから析出したトレハロースが無水トレハロースであることが確認できる。

この結果から、無水トレハロースの生成は次の過程を経て起こることが推測される。まず、トレハロース二水和物は、そのクレフトに取り込まれた水２分子ごとメタノールに溶解し、その後にクレフトに取り込まれた水分子が親水性溶媒であるメタノール中に拡散して脱水が起こる。こうして脱水された無水トレハロースはメタノールに対して難溶性であるため、無水トレハロースがメタノールから析出し、沈殿する。

原料のトレハロース二水和物は、トレハロース含水結晶として市販されている（例えば、林原商事株式会社から市販の「トレハ（登録商標）」）ので、それをそのまま使用することができる。

原料のトレハロース二水和物にメタノールを加え、好ましくは撹拌して、トレハロース二水和物をメタノールに溶解させ、透明な溶液を得る。前述したように、得られた溶液は、溶解直後にはトレハロース二水和物のメタノール溶液である。撹拌手段は特に限定されない。上記実験のように振とうでもよいが、攪拌羽根や攪拌子を使用して撹拌を行うこともできる。

溶媒のメタノールとしては、工業材料として市販されている純メタノール、具体的には、純度９９.５％以上、好ましくは９９.８％以上のメタノールを使用する。
メタノールの量は、溶解温度でトレハロース二水和物を溶解するのに必要な量であればよい。必要なメタノールの量は実験により当業者が容易に決めることができる。例えば、トレハロース二水和物１ｇに対してメタノールの量は１０〜５０ｍＬ、好ましくは１５〜３５ｍＬ、最も好ましくは２０ｍＬ（すなわち、トレハロース二水和物濃度として５０ｇ／Ｌ）前後である。溶媒の量が多いほど、無水トレハロースの析出に時間がかかり収率も低くなる傾向がある。

溶解は室温がよほど低くない限り、室温で十分に起こるが、４０℃までであれば加温して、溶解を加速してもよい。温度が高いほどトレハロース二水和物の溶解速度が速くなり、一定の短時間での静置後に回収される無水トレハロースの収率が高くなる傾向がある。しかし、溶解温度が４０℃より高くなると、エネルギーコストが嵩む上、メタノールの蒸発が激しくなるので、溶解温度は４０℃以下とする。好ましい溶解温度は室温であり、特に２０〜３５℃の範囲内の室温である。

透明なトレハロース二水和物のメタノール溶液が得られたら、撹拌下または撹拌せずに溶液を室温に放置すると、無水トレハロースが析出し、最初は白濁状態の懸濁液となり、最終的に沈殿と溶液に分離する。撹拌せずに静置する方が、無水トレハロースがきれいに析出する傾向がある。例えば、前述した５０ｇ／Ｌ濃度のトレハロース二水和物溶液の場合、溶解後に３０分静置すると、無水トレハロースの析出はほぼ完了する。その後、沈殿を濾過、デカンテーション、遠心分離などの適当な手段で溶液から単離して回収する。

回収された沈殿は、十分に乾燥してメタノールを除去することが好ましい。この乾燥は、室温でも可能であるが、時間を短縮するために減圧乾燥により行うことが好ましい。減圧乾燥温度は室温でよいが、４０℃までなら加熱してもよい。こうして、溶媒のメタノールを実質的に含有しない無水トレハロースが得られる。得られた無水トレハロースの微結晶は、必要であれば更に粉砕して粉末状にしてもよい。

一方、沈殿から分離された溶液は水分と無水または含水トレハロースを含有するメタノールであるので、例えば、モレキュラーシーブに通して脱水することにより、溶媒として再利用することもできる。あるいは、燃料として焼却処分してもよい。トレハロースは炭素と酸素と水素のみで構成されるオリゴ糖であり、燃料と一緒に燃やされても有害物質を発生することはない。

以下の実施例は本発明を具体的に例示する目的で示すものであり、本発明を制限する意図はない。
（実施例１）
室温（２５℃）にて試験管内のトレハロース二水和物０.１０ｇに９９.８％メタノール３ｍＬを加え、トレハロースが完全に溶解して透明溶液が得られ、さらに少し白濁がはじまるまで約１分間、振とうにより撹拌した。得られた少し白濁しはじめた溶液を撹拌せずに室温で一晩静置したところ、沈殿と透明溶液とに分離していた。析出した結晶をデカンテーションにより溶液から回収し、２時間減圧乾燥して無水トレハロースの結晶０.０８４５ｇ（収率９３％）を得た。この結晶のＩＲスペクトルを図１に示す。図２に示した無水トレハロースの標準品（市販試薬）のＩＲスペクトルによく一致しており、この結晶が無水トレハロースであることが同定された。

（実施例２）
実施例１と同様の方法でトレハロース二水和物から無水トレハロースの結晶を調製した。ただし、トレハロース二水和物０.１０ｇに加える９９.８％メタノールの量と振とう時間を表１に示すように変化させ、その後の室温での静置時間を３０分と短くし、３０分の静置後に析出沈殿をデカンテーションにより回収した。振とう時間は、メタノール量が１ｍＬである場合を除いて、トレハロース二水和物の完全な溶解に必要な時間であった。減圧乾燥条件は実施例１と同じであった。振とうを終了した後の静置中の溶液の目視観察結果を、回収された無類トレハロースの収率とともに表１に併記する。

表１からわかるように、メタノールの量が１ｍＬの例では、その量が少ないため、温度２５℃では３分間振とうしてもトレハロース二水和物を完全に溶解させることができなかった。そのため、トレハロース二水和物が完全にとけきる前に無水結晶が析出した。従って、メタノールに未溶解の二水和物の周りにも無水物が析出し、二水和物がどの時点でメタノールに溶解し終わるかを目視することが不可能となり、脱水反応の終点が不明となった。

一方、メタノールが２ｍＬ以上の場合には、トレハロース二水和物が完全にとけてから白濁が始まり、静置中に無水トレハロースが析出した。回収された無水トレハロースの収率は、静置時間が３０分と短いため、メタノール量が多いほど低くなった。静置時間を、例えば、実施例１のように一晩と長くすれば、収率は表１に示したものより向上する。

（実施例３）
実施例２と同様の方法でトレハロース二水和物から無水トレハロースの結晶を調製した。ただし、トレハロース二水和物０.１０ｇに加える９９.８％メタノールの量は２ｍＬと一定にし、恒温槽を用いて、メタノールの添加、振とう、静置までの作業を表２に示す異なる温度で実施した。振とう時間は表２に示すように変化させたが、この時間はトレハロース二水和物の完全な溶解に必要な時間であった。振とう終了後は室温で３０分静置し、この静置時間後に析出沈殿をデカンテーションにより回収した。減圧乾燥条件は実施例１と同じであった。振とうを終了した後の静置中の溶液の目視観察結果を、回収された無水トレハロースの収率とともに表２に併記する。

表２からわかるように、処理温度が１０℃以下でも、トレハロース二水和物はメタノールに完全に溶解するが、５分の静置時間では白濁が起こる程度で、３０分静置後の無水トレハロースの収率は低くなった。しかし、この場合でも静置時間を長くすれば、収率は表２に示したものより向上する。処理温度が１５℃でも５分の静置時間中に無水物の析出はみられなかったが、無水トレハロースの収率は５０％を超えた。これに対し、処理温度が２０℃以上では、トレハロース二水和物が完全に溶解した後、すぐに白濁し始め、その後１分〜２分の静置で無水物の結晶が析出したため、３０分の静置時間でも約９０％以上の収率で無水トレハロースを得ることができた。

従って、本発明の方法は、含水トレハロースを加熱せずに室温でメタノールに溶解させ、静置することにより実施でき、エネルギーコストを必要とせずに実施できることがわかる。

Claims (3)

1. トレハロース二水和物を４０℃以下の温度でメタノールに溶解させ、得られた溶液から無水トレハロースを析出させ、析出した無水トレハロース結晶を溶液から分離することを特徴とする、無水トレハロースの製造方法。
2. トレハロース二水和物を室温でメタノールに溶解させ、かつ得られた溶液から室温で無水トレハロースを析出させる、請求項１に記載の無水トレハロースの製造方法。
3. 溶液から分離された無水トレハロース結晶を減圧乾燥して残留メタノールを除去する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の無水トレハロースの製造方法。