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微反应器中合成蔗糖-6-乙酯的研究文献综述

 2020-04-13 03:04  

文 献 综 述

三氯蔗糖是一种性能优异的高倍甜味剂,蔗糖-6-乙酸酯是单酯法合成三氯蔗糖的关键中间体。以蔗糖与原乙酸三乙酯为原料反应合成蔗糖-6-乙酸酯反应条件温和、原料易得。本论文考察了物料配比、反应温度、催化剂和水的用量对反应的影响。   
  蔗糖-6-乙酸酯是单酯法合成三氯蔗糖的关键中间体。食品工业就是在此基础上兴起的。90年代以来伴随着食品工业的迅猛发展,我国甜味剂行业也得到较快的发展,生产企业遍布全国,甜味剂市场需求量不断扩大,年产量以10%以上的速度增长,甜味剂品种也不断丰富,甜味剂的研究与开发受到越来越多的关注。
  1.研究背景
  经过多年的生化性能和毒理实验,于1990年被联合国粮农组织和三氯蔗糖(Trichlorosucrose),简称TGS,化学名称为1′,6′-二氯-1′,6′-二脱氧-β-D-呋喃果糖-4-氯-4-脱氧-α-D-呋喃果糖,商品名为surcralose,是卤代蔗糖衍生物的一种。其口感醇和、浓郁、稳定性能好、热量低、有利于消费者健康。作为甜味剂,可以和传统甜味配合使用,也可以单独使用。产品的甜味,口感非常理想。但是,三氯蔗糖不损坏牙齿,不象果糖和麦芽糖那样可以导致多种疾病,也不象其他营养型甜味剂那样低糖价高。同时,毒理和安全试验表明:三氯蔗糖没有致畸性、突变性、繁殖毒性、癌性以及神经毒性,对动物的血糖水平和胰岛素分泌量也无任何影响,所以可供肥胖心血管病和糖尿病等患者食用
  2国内外研究现状。目前,三氯蔗糖合成方法主要有棉子糖法、全基团保护法、单酯法3种。
  2.1、棉子糖法。以棉子糖为原料,在氧化三苯磷的存在下,用亚硫酰氯氯化,然后脱乙酰基,最后在酶的作用下,水解生成三氯蔗糖。该法收率高、产品纯度好,但需以价格昂贵的棉子糖为原料,目前很少应用,几乎没有工业生产价值。
  2.2、全基团保护法。以蔗糖为原料,与三苯甲基氯化物反应,保护3个伯羟基,用乙酸酐进行乙酰化、去三苯甲基化、乙酰基的转位、氯化、去乙酰基得到三氯蔗糖。该法易于提纯,但工艺复杂,流程长,收率相对较低,成本较高。
  2.3、单酯法。单酯法亦即6-位基团保护法,以蔗糖为原料,选择合适的基团保护剂,对蔗糖分子上最活泼的6-位羟基加以保护,然后经氯化、脱保护基,最后得到三氯蔗糖。该法具有流程短、操作简便、收率较高、成本较低、易于工业化等优点,是目前最受关注的合成方法。
  在单酯法合成三氯蔗糖的工艺中,选择合适的基团保护剂来对蔗糖6位羟基进行保护,一直为该合成方法的关键所在,对所选择的保护剂,要求具有良好的选择性,尽量得到高纯度、高收率的目的物,生成的目的物要易于氯化,从而对后续的氯化过程中的氯化试剂稳定,并且使得保护基容易脱除。
  3.三氯蔗糖的应用优势。三氯庶糖无任何异味,无毒副作用,在人体内几乎不被吸收,热量值为零,是糖尿病人理想的甜味代用品。与其他常用甜味剂如蔗糖、糖精、甜蜜素、阿斯巴甜等相比具有以下优点:
  (1)安全性高。通过一些发达国家对其使用十多年的实践表明,该产品非常安全,无毒副作用,没有任何安全毒理方面的争议,ADI值为15mg/kg。
  (2)甜度高。三氯蔗糖是目前世界上强力甜味剂开发研究中较高水平的产物,其甜度是蔗糖的600倍,是阿斯巴甜的3倍,而且甜味纯正,与蔗糖相似,与蔗糖一样没有不愉快的苦后味和其它怪味。在它的基础上新近开发出的三氯三脱半乳蔗糖,是蔗糖甜度的2000倍以上。
  (3)性质稳定。三氯蔗糖是目前所有强力甜味剂中性质最稳定的一种,其结晶产品在20℃的干燥条件下可贮藏4年。三氯蔗糖没有化学活泼基团,它与其它食品组分发生反应的可能性很小,因此可在任何食品配料系统和加工过程中使用。
  (4)水溶液化学稳定性好。三氯蔗糖水溶液在高温下甜味不变,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。
  4.三氯蔗糖使用方法、使用范围和使用量
  三氯蔗糖对光、热、pH值均很稳定,故可以在一些食品生产工艺过程中由工厂根据实际生产情况在任一工序添加,使用方便简单。应用企业也可以根据自身产品的实际情况,对三氯蔗糖的添加量进行相应调整。三氯蔗糖的含量分析,可采用高效液相色谱法,三氯蔗糖的甜度极高,故在一些食品中的添加量极少,且其为天然蔗糖的衍生物,所以三氯蔗糖在成品中的含量检测较为困难,请生产品控人员注意。
  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。三氯蔗糖甜味剂十分适用于酒类及酒类饮料,且实验证明三氯蔗糖极少的添加量,即可大大改善酒类产品的口感,可以掩盖部分酒类产品的酸涩感,使之口味鲜甜,醇厚,酒体协调,无异味。
  5.发展趋势
  目前三氯蔗糖已获得美国等三十多个国家的批准使用,其在日本应用比较多,迄今为止已在约400多种食品中添加使用。如三得利公司的”达卡拉”系列饮料制品、阿萨希饮料公司”查拉”、日本可口可乐公司的”水色拉”等。三氯蔗糖目前的售价相当于等甜度下蔗糖的1/3-1/2左右,并且可通过适当的复配,还能增加甜度,在我国已经正式批准用于饮料、口香糖、咖啡、冷冻点心、冰淇淋、布丁、果冻、果酱、糖浆、酱、酱油等加工制品中,且待批准的使用食品将会逐年增多,现最多的国家已经批准在数百种食品中使用,而中国才二十几个品种,还有较大的应用拓展空间,同时还可以适用于包括肥胖症、糖尿病、心血管病、高血压等各种人群,预计至今后若干年内在中国的需求量很有可能会有所突破。

6.微通道反应

微反应器,即微通道反应器,利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器,微反应器的”微”表示工艺流体的通道在微米级别,而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道,因此也实现很高的产量
微反应技术的优势包括:
1 对反应温度的精确控制:微反应设备极大的比表面积决定了微反应器有极大的换热效率,即使是反应瞬间释放出大量热量,微反应器也可及时将其导出,维持反应温度稳定。而在常规反应器中的强放热反应,由于换热效率不够高,常常会出现局部过热现象。而局部过热往往导致副产物生成,这就导致收率和选择性下降。而且,在生产中剧烈反应产生的大量热量如果不能及时导出,会导致冲料事故甚至发生爆炸。
2 对反应时间的精确控制:常规的批次反应,往往采用将反应物逐渐滴加的方式来防止反应过于剧烈。这就使一部分物料的停留时间过长。而在很多反应中,反应物、产物、或中间过渡态产物在反应条件下停留时间一长就会导致副产物的产生,使反应收率降低。而微反应器技术采取的是微管道中的连续流动反应,可以精确控制物料在反应条件下的停留时间。一旦达到最佳反应时间就立即将物料传递到下一步反应,或终止反应,这样就有效避免了因反应时间长而导致的副产物。
3 物料以精确比例瞬间均匀混和:在那些对反应物料配比要求很严格的快速反应中,如果混合不够好,就会出现局部配比过量,导致产生副产物,这一现象在批次反应器中很难避免,而微反应器的反应通道一般只有数十微米,物料可以按配比精确快速均匀混和,从而避免了副产物的形成。
4 结构保证安全:与间歇式反应釜不同,微反应器采用连续流动反应,因此在反应器中停留的化学品数量总是很少的,即使万一失控,危害程度也非常有限。而且,由于微反应器换热效率极高,即使反应突然释放大量热量,也可以被迅速导出,从而保证反应温度的稳定,减少了发生安全事故和质量事故的可能性。因此微反应器可以轻松应对苛刻的工艺要求,实现安全高效生产。
5 无放大效应:精细化工生产多使用间歇式反应器。由于大生产设备与小试设备传热传质效率的不同,小试工艺放大时,一般需要一段时间的摸索。一般的流程都是:小试―中试―大生产。利用微反应器技术进行生产时,工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸,而是通过增加微通道的数量来实现的,所以小试最佳反应条件不需做任何改变就可直接用于生产,不存在常规批次反应器的放大难题,从而大幅缩短了产品由实验室到市场的时间。

连续化微通道反应器的特征及其优势

”微反应器”从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器:反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成,特征尺寸通常在l10-1000微米之间。由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小,相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大(可达10,、000一50,000m2/m3,见图2),因此微反应器具有极高的混合效率(毫秒级范围实现径向完全混合),极强的换热能力(传热系数可达25,000W/(m2*K))和极窄的停留时间分布(几乎无返混,基本接近平推流)。”微反应器”的两大特征-一比表而积大以及连续操作方式,使得我们对反应工艺的精确控制成为可能。相对于传统的间歇反应土艺,微反应器具有高速混合、高效传热、反应物停留时间的窄分布、重复性好、系统响应迅速而便于操控、几乎无放大效应以及在线的化学品量少,从而达到的高安全性能等优势。作为一项新兴的反应技术,”微反应器”相比常规间歇反应器无论从反应器本身、工艺研发还是放大生产等方面的优势都非常突出。

拜耳-埃尔费尔德微技术公司(Ehrfeld Mikrotechnik BTS,简称EMB)是全球领先的微反应器技术的供应商。EMB开发的Miprowa系列微反应器已经被世界各大化工公司应用于工艺开发与生产中。2010年EMB与龙沙公司(Lonza)合作向市场推出了符合GMP认证要求的可以用于药物生产的Flowplate系列微反应器。


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