紐甜合成工藝優(yōu)化與研究方向探究

岳 紅

（棗莊職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277000）

引言

紐甜化學(xué)結(jié)構(gòu)名稱為N-[N-（3，3-二甲基丁基）-L-a-天門冬氨酰-L-苯丙氨酸-1-甲酯，甜味與蔗糖無異，相同添加量時(shí)甜度遠(yuǎn)超蔗糖，且滿足安全性高、穩(wěn)定性好的要求[1]。早在2002 美國食品藥品監(jiān)督管理局允許紐甜作為甜味劑添加在所有食品及飲料，我國衛(wèi)生部也于2003 年允許紐甜以食品添加劑成分添加在食品中，這說明紐甜作為添加劑的安全性已被認(rèn)可[2]。正因?yàn)榧~甜的獨(dú)特性質(zhì)，使得它在某些領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，諸如糖尿病等戒糖患者可以食用此類甜味劑，既滿足了口感要求，同時(shí)也不會(huì)造成血糖不穩(wěn)定的結(jié)果，因此，紐甜具有較好的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料與藥品

N-L-α-天冬氨酰-L-苯丙氨酸-1-甲酯；3，3-二甲基丁醛；乙二醇二甲醚；氯化鋅；乙醚；碘化鉀；甲酸；硫代硫酸鈉；二氯甲烷；甲醇；Pd/C。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高溫高壓平蓋反應(yīng)釜，濟(jì)寧市翰業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司；101 型數(shù)控自動(dòng)控制箱，慶云縣廣納機(jī)電設(shè)備有限公司；DZF-6021 真空干燥箱，深圳市三莉科技有限公司；SHZ-D（III）水環(huán)式真空泵，濟(jì)寧市裕澤工業(yè)科技有限公司；AYAN-B220 多效蒸發(fā)器，杭州安研儀器制造股份有限公司。

1.2 合成工藝優(yōu)化

在高溫高壓平蓋反應(yīng)釜中按質(zhì)量比3∶1 加入阿斯巴甜和3，3-二甲基丁醛兩種原料，甲醇350 mL，加入反應(yīng)總體積1.5%的催化劑Pd/C，反復(fù)通入2 次氮?dú)?，排凈反?yīng)釜內(nèi)空氣，再用氫氣去除氮?dú)猓詈笠?00 r/min 速率勻速攪拌。控制釜內(nèi)壓力為0.6 MPa，控制反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)12 h 后停止攪拌，用氮?dú)馀艃魵錃夂?，分離反應(yīng)產(chǎn)物，抽濾后洗滌濾餅，反復(fù)洗滌濾餅，并將濾液進(jìn)行減壓蒸餾，冷卻后抽濾得到純凈產(chǎn)物[3-4]。反應(yīng)過程見圖1。

圖1 非均相催化合成紐甜

1.3 結(jié)果與討論

以阿斯巴甜、3，3-二甲基丁醛為原料，常溫常壓下經(jīng)Pd/C 催化反應(yīng)合成紐甜，以甲醇為溶劑，洗滌濾餅，得到純度大于90%的紐甜產(chǎn)物，此時(shí)收率為45%；之后仍以上述物質(zhì)為反應(yīng)原料，Pd/C 為催化劑，蒸汽形式加入少量甲酸，將pH 值控制在4.0～6.0，恒溫恒壓條件反應(yīng)8 h～12 h 后過濾，重復(fù)洗滌抽濾步驟，并將洗滌殘液減壓濃縮，冷卻結(jié)晶，此時(shí)收率提高至78.8%，并獲得純度大于96%的紐甜[5-7]。上述紐甜合成反應(yīng)為非均相催化反應(yīng)，同時(shí)綜合了均相催化反應(yīng)效率高的優(yōu)勢(shì)以及非均相催化固液催化反應(yīng)純度高，較易分離的優(yōu)勢(shì)，顯著降低了工業(yè)化成本。

2 研究方向

2.1 市場(chǎng)應(yīng)用需求

根據(jù)市場(chǎng)需求推進(jìn)紐甜研究方向，紐甜是一種安全性穩(wěn)定性較高、高甜低能量的食品添加劑，除少數(shù)的酒品釀造外，紐甜的應(yīng)用極為廣泛。如碳酸飲料、乳制品、餅干、蛋糕等食品、營養(yǎng)品以外，還廣泛應(yīng)用于藥品、飼料中，紐甜的添加量極少，這也導(dǎo)致了不能很好的融合，所以紐甜的使用會(huì)輔以復(fù)配劑，復(fù)配劑的加入會(huì)使得紐甜散發(fā)的甜味更加芳香誘人，因此，與復(fù)配劑更好融合的紐甜是今后一個(gè)研究方向[8]。此外，紐甜具有生產(chǎn)和應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，不僅化學(xué)穩(wěn)定性良好，還具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)，因此，紐甜可以作為一種允許使用的添加劑之一。當(dāng)下，許多人存在肥胖的困擾，紐甜可以作為一種替代人體攝入糖類的替代物，減少因肥胖帶來的問題，利于身體健康；在醫(yī)藥領(lǐng)域，紐甜可作為糖衣或掩味劑，減輕病人服藥痛苦[9]。

2.2 合成工藝研究展望

2.2.1 酶催化

紐甜的生產(chǎn)仍以化學(xué)合成法為主，但當(dāng)突破成本和量產(chǎn)問題后，對(duì)于紐甜的生物合成法也是未來的研究方向。目前，酶合成紐甜的方法是利用酶的選擇性催化作用進(jìn)行水解合成紐甜，但因影響因素較多產(chǎn)物控制困難，所以這一技術(shù)發(fā)展較為緩慢。

酶合成法中因氨基酸酯較難水解，設(shè)計(jì)酶定向催化使紐甜酯完全水解轉(zhuǎn)化為紐甜，因此，紐甜酯的種類作為酶合成法的關(guān)鍵因素，目前的研究方向有兩個(gè)方面，一是利用多肽如BOP 劑進(jìn)行合成，但是此種方法原料價(jià)格較高，不具備進(jìn)一步研究條件，無法工業(yè)化量產(chǎn)，另一種是通過L-苯丙氨酸甲酯對(duì)N-（3，3-二甲基丁基）-L-α-天冬氨酰-β-酯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，生成紐甜，反應(yīng)過程較為復(fù)雜，仍需要進(jìn)一步研究簡化，從而獲得更優(yōu)化工藝，滿足工業(yè)化量產(chǎn)條件。酶合成法雖然滿足當(dāng)下環(huán)保節(jié)能的時(shí)代主題，但最佳的酶合成工藝仍處于試驗(yàn)階段，還需要大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和投資資金，所以酶合成法雖然是當(dāng)下較為可觀的發(fā)展方向，但仍存在較多難以中和的問題[10]。

2.2.2 化學(xué)合成

化學(xué)合成法通常借助最接近紐甜結(jié)構(gòu)的阿斯巴甜為原料，經(jīng)過3，3-二甲基丁醛的通過不同的催化方式進(jìn)行氫化還原反應(yīng)，最終生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。目前合成技術(shù)較為成熟的由均相催化反應(yīng)和非均相催化這兩種催化反應(yīng)，這兩種反應(yīng)區(qū)別是反應(yīng)體系存在差異，其中均相催化反應(yīng)多采用在氰基硼氫化鈉、甲酸、醋酸硼氫化鈉等還原性物質(zhì)作為催化劑催化合成紐甜；非均相催化反應(yīng)則是利用Pd、Pt 以及Pd/C 等作為催化劑，形成固液催化反應(yīng)。兩種方法各自具有其無可替代的優(yōu)勢(shì)，如均相催化反應(yīng)具有催化效率高，但分離難度大，無疑是工業(yè)化成本最高的化學(xué)方法；而非均相催化法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備要求高等特點(diǎn)。因此，未來紐甜的化學(xué)合成方面仍具有較大的空間，但發(fā)展趨勢(shì)也會(huì)是低成本、工藝簡便、收率高、純度高的工藝。

3 結(jié)論

目前，工業(yè)化紐甜的生產(chǎn)仍以化學(xué)合成法為主，化學(xué)法收率較高，成本相對(duì)于其他方法更適宜工業(yè)化生產(chǎn)，但隨著人們?nèi)找鎸?duì)健康、環(huán)保的重視，生物酶合成法具有較好的潛在優(yōu)勢(shì)。本文以阿斯巴甜，3，3-二甲基丁醛為原料，常溫常壓下經(jīng)Pd/C 催化反應(yīng)合成紐甜，以甲醇為溶劑，洗滌濾餅，得到純度大于90%的紐甜產(chǎn)物，此時(shí)收率為45%，洗滌殘液體減壓濃縮，冷卻結(jié)晶，此時(shí)收率提高至78.8%，并獲得純度大于96%的紐甜。合成實(shí)驗(yàn)為非均相催化反應(yīng)，同時(shí)綜合了均相催化反應(yīng)效率高的優(yōu)勢(shì)以及非均相催化固液催化反應(yīng)純度高，較易分離的優(yōu)勢(shì)，顯著降低了工業(yè)化成本。