CN104531781B - 一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺 - Google Patents

一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺 Download PDF

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Abstract

一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺，该工艺包括如下步骤：1)将异丁香酚、脂肪酶、二元酸或二元酸衍生物加入反应釜中，搅拌，控制反应釜内温度为15‑35度，加入过氧化氢脲，升温至15‑40度，继续搅拌反应8‑24h，过滤，分离回收滤液，并得到滤液；2)将步骤1)的滤液经酸液稀释，碱液中和，高碘酸钠洗涤后，再经有机溶剂萃取，质量浓度为30‑95％食用酒精重结晶，干燥后得到香兰素。本方法的香兰素收率可达75％，反应步骤简单，条件温和，催化特异性强，不易产生副产物，产品收率高，对环境友好，可易于放大。

Description

一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺
技术领域
本发明涉及一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺，具体为一种酶催化氧化法。
背景技术
香兰素(Vanillin)，又名香草醛、香兰醛等，是香夹兰豆中的主要成分，化学名称为3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，相对分子量为152.1，外观为白色至微黄色针状晶体或粉末，呈现香草兰豆荚特有的香气，微甜。香兰素是世界上产量最大、用途最广的香料之一。广泛应用于巧克力、冰淇淋、糖果等食品以及香烟、饮料和高档化妆品中。它不仅可以用作增香剂，还在食品中用作防腐剂、保鲜剂、抗氧化剂、矫味剂或定香剂，其中饮料、糖果、糕点、饼干、面包和炒货等食品用量居多，而且在其它行业，如医药、电镀、农业等也有较大应用。
目前香兰素的生产方法主要有植物提取法、化学合成法和生物合成法。植物提取法生产香兰素的原料来自香草兰的豆荚。香草兰的豆荚中仅含2％～3％的香兰素，香草兰不易种植而且主要分布在少数热带地区。由于受到原材料香草兰的豆荚供应量的限制，这使得仅从香草兰提取的天然香兰素远远不能满足世界市场需求。目前市场上绝大多数的香兰素产品是通过化学合成的，如愈创木酚和乙醛酸缩合工艺，虽然工艺设备简单，产物纯度高，原材料来源广泛，但是存在严重的缺陷，比如环境污染严重，产品香气单一，易于掺杂，合成香料的安全性也受到质疑。
为了解决天然香兰素来源有限、价格昂贵的问题，近年来人们发展了生物技术制备香兰素的方法，可利用微生物(细菌、酵母、真菌)发酵，动物、植物细胞或它们的酶体系来生产天然的香兰素，所得香兰素符合EU和FDA对天然香精的食用安全要求。在微生物中，香兰素是木质素、阿魏酸、丁子香酚、异丁子香酚降解途径的中间体，所以从天然原材料中合成香兰素的研究很多。目前以丁香酚或异丁香酚为底物，直接运用酶法催化的方法制备香兰素，已是近年来的热点发展方向之一。酶作为生物催化剂，不同于一般的催化剂，具有极高的催化效率，高度的专一性，温和的作用条件，而且生产环保、安全，产品品质易于为消费者接受等优点。
当然，目前的生物合成法制备香兰素仍有不足的地方，如《由烯烃制备芳香羰基化合物的制备工艺》(US6331655,美国专利)和《一种制备香兰素的方法》(中国专利，CN102367222)中分别采用脂肪酶和血红蛋白为生物催化剂，催化双氧水氧化异丁香酚制备香兰素，虽然反应步骤简单，条件温和，时间短，但由于工艺路线收率低(40-55％)，产品质量不稳定等缺点，难以产业化放大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种反应条件温和，催化特异性强，不易产生副产物，产品收率高，可易于放大的脂肪酶催化制备香兰素的方法,以该工艺合成的香兰素可替代天然产品。
为了实现上述目的，本发明可通过以下技术方案实现：
本发明公开了一种脂肪酶催化制备香兰素的方法，是在反应釜中，依次经过加入底物异丁香酚、脂肪酶、二元酸或二元酸衍生物、过氧化氢脲的步骤，其中脂肪酶质量为底物异丁香酚质量1％-4％；二元酸或二元酸衍生物摩尔质量为底物异丁香酚摩尔质量的0.75-1.5倍；过氧化氢脲摩尔质量为底物异丁香酚摩尔质量的1-1.5倍；过氧化氢脲加入温度为15-35度，反应温度为15-40度，反应时间为8-24小时后，过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经酸水稀释，碱水中和，高碘酸钠洗涤后，有机溶剂萃取，食用酒精重结晶，干燥后得到香兰素。本方法的香兰素收率可达75％，反应步骤简单，条件温和，催化特异性强，不易产生副产物，产品收率高，对环境友好，可易于放大。
以上所述底物为异丁香酚。
以上所述脂肪酶为脂肪酶Novozyme 435。
以上所述过氧化氢脲，为商品购买的固体(过氧化氢含量36％)。
以上所述的二元酸或二元酸酯为C2-C4二元酸或二元酸酯，如草酸或草酸二甲脂/二乙酯/二异丙酯，丙二酸或丙二酸二甲酯/二乙酯/二异丙酯，丁二酸或丁二酸二甲酯/二乙酯/二异丙酯，草酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯，丙二酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯，丁二酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯中的任意一种或两种。
以上所述酸水为硫酸水溶液或磷酸水溶液或柠檬酸水溶液。所述硫酸水溶液或磷酸水溶液或柠檬酸水溶液的摩尔浓度为0.1-1mol/L。
以上所述碱水为饱和碳酸氢钠水溶液或饱和碳酸氢钾水溶液或饱和碳酸钠水溶液或饱和碳酸钾水溶液。
以上所述有机溶剂为甲苯或乙苯或乙酸丁酯。
以上所述食用酒精浓度为30-95％。
本发明以异丁香酚为原料，以过氧化氢脲为氧源，脂肪酶为催化剂，在二元酸或二元酸衍生物作用下进行氧化反应制备香兰素。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明以生物酶为催化剂，反应步骤简单，一锅完成反应，反应条件温和，能耗低，酶催化剂特异性好，不易产生副产物，工艺操作简便，产率可达75％，易于放大；
2、本发明以过氧化氢脲为氧源，氧源稳定性好，对生物酶的副作用小，能使生物酶保持高的活性而能重复利用，且能回收尿素，绿色环保。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶Novozyme 435(0.16克)，搅拌下，于25度滴加草酸二乙酯(0.15mol,22克)溶解的过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，2小时内加完毕，保持温度35度，反应10小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经硫酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸氢钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入甲苯萃取，萃取液回收甲苯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.3克，收率68％。
实施例2：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.5克)，搅拌下，于15度加入草酸(0.15mol,13.5克),然后分5次加入过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，每次2.82克，温度保持在15度，2.5小时内加完毕，保持温度30度，反应24小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经柠檬酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸氢钾溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙酸丁酯萃取，萃取液回收乙酸丁酯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.9克，收率72％。
实施例3：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.4克)，搅拌下，于20度加入丙二酸(0.075mol,7.8克)，分5次加入过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，每次2.82克，温度保持在20度，2.5小时内加完毕，保持温度20度左右，反应24小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经硫酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钾溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入甲苯萃取，萃取液回收甲苯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.3克，收率68％。
实施例4：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.3克)，搅拌下，于25度滴加丙二酸二乙酯(0.15mol,24克)溶解的过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，温度保持在25度，2小时内加完毕，保持温度40度，反应24小时。
1、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液加入磷酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
2、过滤，滤液加入甲苯萃取，萃取液回收甲苯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.5克，收率69％。
实施例5：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.6克)，搅拌下，于25度左右滴加丁二酸二甲酯(0.1mol,14.6克)溶解的过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，3小时内滴加完毕，缓慢升温至35-40度，反应8小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液加入磷酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入甲苯萃取，萃取液回收甲苯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体9.9克，收率65％。
实施例6：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.6克)，搅拌下，于30度加入丁二酸单甲酯(0.1mol,13.2克)，分5次加入过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，每次2.82克，温度保持在30度，3小时内滴加完毕，缓慢升温至35-40度，反应22-24小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液加入硫酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙苯萃取，萃取液回收甲苯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.2克，收率67％。
实施例7：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.5克)，搅拌下，于15度加入草酸单甲酯(0.1mol,10.4克)，然后分4次加入过氧化氢脲(0.1mol,9.4克)，每次2.35克，维持温度15度，2小时内加完毕，升高温度至40度，反应8小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液加入硫酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙酸丁酯萃取，萃取液回收乙酸丁酯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体11.1克，收率73％。
实施例8：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.7克)，搅拌下，于25度左右滴加草酸二甲酯(0.1mol,13.2克)溶解的过氧化氢脲(0.15mol,12.5克)，2小时内加完毕，保持温度40度，反应6小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液加入硫酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸钠溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙酸丁酯萃取，萃取液回收乙酸丁酯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体11.4克，收率75％。
实施例9：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.5克)，搅拌下，于15度加入草酸单乙酯(0.075mol,7.8克)，然后分5次加入过氧化氢脲(0.18mol,12.8克)，每次2.56克，温度保持在15度，2.5小时内加完毕，保持温度40度左右，反应24小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经柠檬酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸氢钾溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙酸丁酯萃取，萃取液回收乙酸丁酯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体10.8克，收率71％。
实施例10：
1、在100毫升三口烧瓶中，加入异丁香酚(0.1mol,16.4克)，脂肪酶(0.5克)，搅拌下，室温下加入草酸(0.075mol,6.75克),然后加入草酸二异丙酯(0.075mol,13.1克)溶解的过氧化氢脲(0.15mol,14.1克)，2.5小时内加完毕，保持温度30度，反应24小时。
2、过滤分离回收尿素和酶催化剂。滤液经柠檬酸水溶液稀释，再滴加饱和碳酸氢钾溶液中和，随后加入高碘酸钠洗涤。
3、过滤，滤液加入乙酸丁酯萃取，萃取液回收乙酸丁酯，粗产物以食用酒精结晶，得白色针状晶体11.1克，收率73％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用催化氧化法合成香兰素的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1）将异丁香酚、脂肪酶、二元酸或二元酸衍生物加入反应釜中，搅拌，控制反应釜内温度为15-35度，加入过氧化氢脲，升温至15-40度继续搅拌反应8-24h，过滤，分离回收滤液，并得到滤液；
2）将步骤1）的滤液经酸液稀释，碱液中和，高碘酸钠洗涤后，再经有机溶剂萃取，质量浓度为30-95%食用酒精重结晶，干燥后得到香兰素；
所述的二元酸或二元酸衍生物为C2-C4二元酸或二元酸酯类衍生物；
C2-C4二元酸或二元酸酯类衍生物包括草酸或草酸二甲脂/二乙酯/二异丙酯，丙二酸或丙二酸二甲酯/二乙酯/二异丙酯，丁二酸或丁二酸二甲酯/二乙酯/二异丙酯，草酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯，丙二酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯，丁二酸单甲酯/单乙酯/单异丙酯中的任意一种或两种。
2.根据权利要求1所述的采用催化氧化法合成香兰素的工艺，其特征在于，脂肪酶质量为异丁香酚质量1%-4%；C2-C4二元酸或二元酸衍生物与异丁香酚摩尔比为0.75-1.5：1；过氧化氢脲与异丁香酚摩尔比为1-1.5：1。
3.根据权利要求1或2所述的采用催化氧化法合成香兰素的工艺，其特征在于，所述脂肪酶为脂肪酶Novozyme 435；所述酸液为摩尔浓度为0.1-1mol/L的硫酸水溶液或磷酸水溶液或柠檬酸水溶液；所述的碱液为饱和碳酸氢钠水溶液或饱和碳酸氢钾水溶液或饱和碳酸钠水溶液或饱和碳酸钾水溶液；所述有机溶剂为甲苯或乙苯或乙酸丁酯。
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Assignee: Shenzhen xinshengrui Biotechnology Co.,Ltd.

Assignor: BOTON (SHANGHAI) BIOTECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022980009383

Denomination of invention: A process of synthesizing vanillin by catalytic oxidation

Granted publication date: 20180130

License type: Common License

Record date: 20220705

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