三氯蔗糖的合成工艺与应用.doc

甜味剂三氯蔗糖的合成工艺与应用

三氯蔗糖是以蔗糖为原料经氯代而制得的一种非营养型强力甜味剂，其化学名4，1’，6’—三氯—4，1’，6’—三脱氧半乳型蔗糖，是一种白色粉末状产品，极易溶于水（溶解度28.2克，20oC），水溶液澄清透明，其甜度是蔗糖的400～800倍，三氯蔗糖具有如下优点：（1）水溶液化学稳定性好，高温下甜味不变，而且与食物中的蛋白质果胶等主要成分不起化学反应，在焙烤工艺中甜度更稳定。（2）无毒副作用，在人体内几乎不被吸收，热量值为零，是糖尿病人的甜味代用品。（3）甜味纯正，与蔗糖一样没有不愉快的苦后味和其他怪味，它不被龋齿病菌利用,所以不会引起龋齿。正是基于这些优点，三氯蔗糖是目前食品和医药领域研究开发的热点。本文就笔者所了解的知识，对近年来国内外有关三氯蔗糖的合成工艺与应用研究进展作一介绍和述评，为我国今后在这一领域的研究提供一些参考。
1 三氯蔗糖的合成方法
    三氯蔗糖是将蔗糖分子中位于4、1’和6’三个位置上的羟基用氯原子取代而得。蔗糖分子中一共有8个羟基，要将其中特定位置上的3个羟基通过选择性氯化而取代，而其它位置上的羟基不发生变化，当然是很困难的，又因为各个位置上的羟基的反应活性大小不一，使得三氯蔗糖的合成更为困难。目前三氯蔗糖的合成工艺主要有三种。
1.1 化学合成法
    这是Tate & Tyle公司于1976年研究成功的方法，它以蔗糖为原料，首先在蔗糖的6，1’和6’三个伯碳位上的羟基三苯甲基化后乙酰化，使蔗糖分子的8个羟基全部反应，然后脱去三苯甲基基团形成五乙酰基蔗糖，接着将4位上的乙酰基迁移到6位上，再进行氯化，最后脱乙酰基而得到三氯蔗糖。
1.2 化学－酶合成法
    化学－酶法合成三氯蔗糖，是采用了 6位上的基团保护法，它以葡萄糖和蔗糖为原料，首先葡萄糖发酵生成葡萄糖—6—乙酸，然后经层析分离提纯后与蔗糖一起在酶的作用下生成蔗糖—6—乙酸，再经氯化得到三氯蔗糖—6—乙酸，最后脱去乙酰基即得到三氯蔗糖。
1.3 单酯法
    这是近几年备受重视的方法。它是以蔗糖为原料，用化学方法，使蔗糖6位上的羟基生成单酯，即蔗糖—6— 酯，再用适当的氯化剂进行选择性氯化而生成三氯蔗糖—6— 酯，最后脱去酯基，经结晶提纯即得到三氯蔗糖。
1.4 三种方法的比较
    上述合成三氯蔗糖的工艺，化学合成法步骤较多，工艺流程复杂。化学－酶法步骤也较多，其中发酵这一步代价较高，且提纯中间产物较为困难，不能采用结晶分离方法，而只能采用层析方法，显然工业生产时成本太高。单酯法只需要三步反应，投资小，收率高，成本低，中间产物易于分离提纯，可采取萃取和结晶的方法，最适宜于工业生产，这是目前合成三氯蔗糖的最理想的工艺。
2 单酯法的合成工艺进展
    九十年代开始，单酯法的合成工艺研究活跃，采用不同的反应物和不同的分离方法，产物收率大不一样，以下简要介绍几种单酯法合成工艺 。
2.1 蔗糖－6－酯的合成与分离
    单酯法的第一步是蔗糖与酰化剂反应生成所需的蔗糖－6－酯。对酰化剂的要求是其生成的蔗糖酯对下一步反应所用的氯化剂是稳定的，并且酰化剂随后易于水解，常用的酰化剂有原乙酸三甲酯，乙酸酐，安息香酸酯和丙酐等。无论采用何种酰化方法，关键在于控制反应条件使蔗糖主要生成单酯，并且尽可能是在6位酯化。乙酸酐—吡啶体系特别适合于这种指定在蔗糖6位上的酯化，产物蔗糖－6－酯的收率最高可达40％以上。但是需要控制反应温度在—20℃以下，反应时间较长。在酸催化剂作用下采用原乙酸三甲酯作为酰化剂，反应条件温和，可在室温下进行。催化剂必须是强酸，常用的有对甲苯磺酸和吡啶盐酸等。反应首先生成蔗糖—4，6—原乙酸酯，该化合物在酸性条件下水解得到蔗糖—6—乙酸酯和蔗糖—4—乙酸酯的混合物，然后加入足量的碱，将蔗糖—4—乙酸酯转变成蔗糖—6—乙酸酯。反应完成后在真空下脱去溶剂，得到蔗糖－6－酯粗品。
2.2 氯化剂的选择
    单酯法的第二步是蔗糖－6－酯与氯化剂反应生成4，1’，6’—三氯蔗糖－6－酯，所用的氯化剂有氯化氧膦，五氯化膦，三氯化膦，乙二酰氯，碳酰氯（光气），亚硫酰氯（氯化亚砜）等， 其中使用光气氯化蔗糖－6－酯收率较高，但光气剧毒，不便于生产操作。氯化亚砜是一种很好的氯化剂其优点是反应除生成所需的氯代产物以及氯化氢和二氧化硫气体外，没有其他残留物，产物容易分离纯化，且副反应少，产率较高。在实际过程中，氯化亚砜常与二甲基甲酰胺合用，并加入少量吡啶，以提高反应速度和选择性。
2.3 三氯蔗糖－6－乙酸酯脱乙酰基及产品的分离
    氯化后的反应混合物可经过水蒸汽蒸馏、萃取和结晶这三个步骤以分离和提纯三氯蔗糖－6－乙酸酯。也可以将三氯蔗糖－6－乙酸酯进一步乙酰化，然后再分离结晶。具体作法是先除去溶剂，然后加氢氧化钠使溶液PH上升至PH=11，维持反应温度15—35℃，反应时间0.5—2小时。反应结束后，加盐酸中和至PH=5—7。得到的三氯蔗糖可以用萃取和结晶的方法加以分离和提纯。
3 三氯蔗糖的应用进展
    三氯蔗糖是Tate & Tyle 公司于1976年合成的，八十年代后与美国的Johson公司联合开发生产，经过十多年的生化性能及毒性试验，通过美国食品与药物管理协会（ FDA）的批准，于1988年开始投入市场，我国已于1997年7月批准使用。
3.1 三氯蔗糖的应用
    目前三氯蔗糖广泛应用于饮料，口香糖，面包，糕点，蜜饯，果冻，布丁和果酱等食品中。而且在医药领域中的应用也正在迅速扩大。美国，英国和加拿大等国家，已在多种食品中替代蔗糖和其他甜味剂。由于我国目前尚无生产厂家，所需的三氯蔗糖产品全部依赖于进口。近年来我国科技人员在三氯蔗糖的性质应用和生产工艺的研究已取得了一定的成绩，但我们的研究成果多见诸于实验室研究。在生产工艺与设备装置的设计，制造和工业化等方面还有许多工作要做。
3.2 提高三氯蔗糖的热稳定性
    一般来说三氯蔗糖的水溶液的热稳定性很好，即使在高温下其甜味和色泽也不变，这是因为三氯蔗糖在食品中的浓度很低。但纯品三氯蔗糖晶体在高温下稳定性较差，如在温度100℃时，纯品三氯蔗糖晶体在2分钟内就会由无色转变为灰褐色。为了储存和运输的方便，必须提高三氯蔗糖的热稳定性，美国1990年的一份专利上介绍了一种方法，让三氯蔗糖和环糊精共结晶，可得到较好的热稳定性，即用环糊精将三氯蔗糖分子包裹起来，以免三氯蔗糖分子由于热作用而变色。这种共结晶产品和蔗糖一样稳定，在美国，英国已得到广泛应用。
3.3 三氯蔗糖的复配
    三氯蔗糖和其他甜味剂复配使用效果非常明显。这些甜味剂有果糖、葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、乳糖、木糖醇，尤其是在软饮料中三氯蔗糖和果糖的复配非常有效。果糖有它特别的香味和令人愉快的口感，它们的结合使用不仅使饮料中的卡路里大大降低，又可使三氯蔗糖和果糖用量都降低到所希望的水平。

4 前景与展望
    目前，我国蔗糖供大于求，价格呈下降趋势。从蔗糖生产高科技含量、高附加值的三氯蔗糖产品，以满足人民群众的生活和健康需要，具有重要的社会意义和经济价值。三氯蔗糖价廉物美，目前的售价只相当于等甜度下蔗糖的1/3 ~ 1/2左右，并且通过适当的复配，还能增加甜度，从而进一步为用户节省使用费用。因此，三氯蔗糖具有较强的市场竞争力。目前国内尚无生产三氯蔗糖的厂家，用户所需产品需要依赖进口解决，限制了该产品在国内的推广应用。但是三氯蔗糖由于其优秀品质，尽管生产技术难度较大，发展前景十分广阔。