奶味香料3-羟基丁酮的化学合成与应用

来源：食品添加剂供求网发布时间： 10/14/2016 10:30:36 AM

    1 ·前言
    1. 1 3-羟基丁酮概述   3-羟基丁酮（acetoin）又名乙偶姻、甲基乙酰甲醇，在自然界中存在于玉米、葡萄、可可、苹果、香蕉、干酪、肉类等许多食品中，由于其具有特有的奶油香味，因此多用作奶油、干酪、咖啡、坚果的香味增强剂，同时也可用于配制奶油、乳品、酸奶和草莓型香精等。另外，啤酒风味、奶酪香味均与3-羟基丁酮有关。作为一种食用香料，我国GB2760-86 规定其为允许食用，美国食品香料与萃取物制造者协会（FEMA）规定安全号为2008［1-2］。近几年随着人们生活水平的不断提高，奶制品用量不断增加，使得3-羟基丁酮的用量随之不断增长，有关3-羟基丁酮的生产方法及应用研究已引起人们的广泛关注。本文作者简述了3-羟基丁酮的合成方法及生产应用方面的研究进展。
    1. 2 3-羟基丁酮的性质
    3-羟基丁酮分子式为C4H8O2，分子量为88.12，其化学结构式为：

    有2 个手性异构体。3-羟基丁酮单体为无色或淡黄色液体，呈奶油香气，两分子3-羟基丁酮易于聚合成二聚体，其二聚体为白色结晶，熔点为15 ℃，沸点为148 ℃，能自燃，易溶于水，也能溶于乙醇、丙二醇，微溶于乙醚，在植物油中几乎不溶。
    1. 3 3-羟基丁酮的应用
    1. 3. 1 在食品中的应用
    3-羟基丁酮是一种应用广泛，令人喜爱的食用香料，是国际上常用的香料品种。主要用作奶油、乳品、酸奶和草莓型等香料的生产。80% 含量的3-羟基丁酮俗称“醋嗡”，是酒类调香中适用的一个极其重要的品种。该产品因其应用范围极其广泛，用量也较大，是奶用、酒用香料中的重要品种，备受调香师的青睐。
    1981 年FCC 质量标准［1］为：①含量≥96.0%；②折射率（n20）：1.417-1.420；③相对密度（d25）：1.005-1.019。
    1. 3. 2 在烟草行业中的应用
    3-羟基丁酮、1-戊烯-3-醇、1-戊醇等成分具有典型的香气特征［1］，对烟叶香气具有良好的影响，是特香型烤烟品种中特殊香气风格的主要物质基础。目前，国际上主要有美国JM 公司、德国BASF 公司和日本的信达公司生产3-羟基丁酮。国内虽也有部分企业生产，但产量低，无法满足国内市场的需求，目前国内外主要以2，3-丁二酮为原料化学合成生产3-羟基丁酮。随着人们生活水平的不断提高，对奶用香料3-羟基丁酮的需求会越来越大，因此开展3-羟基丁酮的生产应用研究，尤其是开展环境友好、原料来源丰富、合成反应条件温和、产品可被视为纯天然的生物发酵法生产3-羟基丁酮的技术研究，具有重要的意义。
    1. 3. 3 在制药行业中的应用
    4-氯-4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烷-2-酮［2］（CDMDO）是一种重要的医药中间体，主要用于青霉素、氨苄青霉素等抗生素类药物的修饰，以合成具有光学活性的手性药物，从而较大程度地提高药效，减轻药物的副作用。因此在欧美国家及日本得到大力推广与应用，国内尚未见有研究开发的报道。采用3-羟基-2-丁酮和光气为原料合成医药中间体CDMDO，工艺路线合理可行，操作简单，对设备要求不高，合成收率可达86% 以上，适于工业化生产。
    3-羟基-2-丁酮还可以合成抗菌药伦氨苄西林盐酸盐［3］。伦氨苄西林盐酸盐是半合成青霉素、氨苄青霉素的前体药物，可口服，在肠胃中稳定性良好，吸收快，血液中浓度高，比氨苄青霉素的效用强2-4 倍［4-5］，其不良反应比酞氨苄西林和巴坎西林小，毒性低，已在欧美和日本上市。以3-羟基-2-丁酮作为起始原料，经过酞氯化、成环、脱氯化氢、溴化合成4-溴甲基-5-甲基-1，3-二氧戊环-2-酮，再在碱催化下和氨苄青霉素缩合成伦氨苄西林盐酸盐［6］。
    2 3-羟基丁酮的合成方法
    2. 1 以2，3-丁二酮为原料合成
    2. 1. 1 用Zn 作还原剂
    1989 年日本Ehime 大学的FumitoToda 等［7］在Zn-ZnCl2-EtOH 体系中还原2，3-丁二酮得到相应的3-羟基-2-丁酮。该方法是在常压下加热回流进行反应，再经过进一步的分离、纯化，即可得到3-羟基-2-丁酮，回流温度在70-80 ℃ 之间，产品收率为71%。这一反应属于活泼金属与供质子剂的化学还原反应，因为还原反应在缺少ZnCl2的情况下不能进行，因此可以认为Zn2+ 在这一还原反应中起了路易斯酸的作用。在这一反应中ZnCl2还可由其它盐类代替，例如LiCl、NaBr、NaCl、NaClO4、NaAc、KCl、SnCl2、CaCl2等。
    2. 1. 2 用NaHSe 作还原剂
    1992 年我国杭州大学的QIUMEI 等［8］利用NaHSe 还原法来制备乙偶姻。该方法是在氢硼化钠溶液中加入Se 粉，抽真空后反应生成NaHSe，然后再加入乙酸和乙醇的混合溶剂以及溶解在四氢呋喃中的2，3-丁二酮，室温下搅拌反应。产品收率为57%。在这个还原反应中， NaHSe 是作为一个很好的亲核试剂，由HSe- 进攻正的羰基离子，从而得到烯醇化合物，再异构化为3-羟基-2-丁酮。
    2. 1. 3 用经过10，11-二氢金鸡纳（HCD）改性的铂作为催化剂
    1998 年英国Witwatersrand 大学的Martin Studer 等［9］应用经过10，11-二氢金鸡纳（HCD）改性的铂作为催化剂选择性的加氢还原2，3-丁二酮。他们先将2，3-丁二酮、催化剂以及在甲苯溶剂中的HCD 加入到高压反应釜中，反应压力为10.7 MPa，温度为0-25 ℃，反应进行10 min 左右停止，此时产品收率为85%，可以获得具有一定旋光性的产品。这是一个催化加氢反应，反应条件控制十分关键，如果继续反应3-羟基-2-丁酮将进一步转化为2，3-丁二醇，反应产率只有50%。英国Hull 大学的J.A.Slipszenko 等也开展了采用铂催化剂选择性的催化加氢还原丁二酮的研究。但他们所用的溶剂为二氯甲烷，反应压力为1.0 MPa，反应温度为-5-25 ℃，其产率为85%，在反应中对反应时间以及氢气分压进行一定的控制，可以使（R）-3-羟基-2-丁酮的对映体过量，产率达70%。Slipszenko 等还讨论了利用非改性的催化剂以及在乙醇溶剂中的还原反应，催化加氢为非均相反应，其反应是在高压下进行，设备要求高。而且反应所用催化剂是贵金属，价格昂贵。对于催化剂的制备、改性以及中毒和再生等一系列问题尚未解决，目前尚处于实验室研究阶段，还不能投入工业化生产。但是这种以化学反应合成具有一定旋光度的产品，其（R）的对映体过量产率可以达到85%-90% 的方法，不但对于研究手性合成具有一定意义，而且在这一合成中，还可以不经过手性拆分就能得到纯度高的（R）或（S）-3-羟基-2-丁酮。
    2. 1. 4 酶法转化法生产3-羟基丁酮
    1992 年美国的Hummel 等［10］应用微生物菌体中的酶作为生物催化剂进行还原反应。该方法是培养乳酸杆菌或酵母菌以获得丁二酮还原酶，并在pH= 5，温度为70 ℃ 下，应用该还原酶及辅酶NAPH 催化转化2，3-丁二酮，使其选择性还原成乙偶姻，其产率最高达100%。酶催化反应具有2个特点：一是反应条件温和，只需在常温、常压下即可进行催化反应；二是具有专一性。这表现在：①对于反应的专一性，即一种酶仅催化某一特定类型的反应；②对于底物的专一性，即一种酶仅对某种特定的反应物起催化作用；③对于反应动力学的专一性，即在所催化的同一类型反应中，其催化的速度随底物的不同而产生差异；④许多酶的催化具有立体专一性，催化反应仅生成某一构型的手性产物，而不产生对映体或对映体极少。这种利用还原酶进行的还原反应其优势十分明显，可以获得高选择性、高产率的产品，而且产品应用于食品添加剂也更加安全无毒，容易实现工业化。但是这一方法的关键步骤就是要能够培养出反应所需的丁二酮还原酶。对于这种生物合成的方法，目前国外的报道比较多，在强调绿色化工的今天，这是一个非常重要的研究方向。
    2. 2 以2，3-丁二醇为原料合成
    2. 2. 1 催化氧化脱氢法（铜作催化剂）
    1945 年美国农业部的Blom. R. H［11］通过左旋（R）-2，3-丁二醇合成丁二酮及左旋（R）-3-羟基-2-丁酮。（R）-2，3-丁二醇在140 ℃ 加热后与空气一起通过Pyrex 管式反应器，反应器中装填铜刨花，反应温度为315 ℃，得到产品丁二酮（产率为33%）及（R）-3-羟基-2-丁酮（产率为25%）。这一反应属于催化氧化脱氢反应。
    2. 2. 2 电化学氧化法
    1997 年法国DePoitiers 大学的Hilmi. A［12］应用电化学氧化制备3-羟基-2-丁酮，其方法是在电解槽中进行反应，隔膜为离子交换膜，反应中的电极均为可逆氢电极。阳极为Pt-Pb，多孔的Pt/Ir（10%）为对应电极，电解液为HClO4，溶剂为超纯水，反应温度为40 ℃，电池电压为0.8 V。应用这种电解氧化法其产物有3-羟基-2-丁酮、丁二酮和二氧化碳。目的产物的选择性为97%，产率为94%。利用电解氧化的合成方法，在电解液被电解时，失去H 质子的丁二醇负离子向正极迁移而被氧化，氧化剂在负极得到电子被还原。这种方法与空气氧化相比没有催化剂的问题，并具有产率高、产品纯度好、易分离提纯、工艺简单、操作费用少、基本无三废等优点。但是不易实现连续的操作，工业化放大尚有许多工程问题有待解决。
    2. 3 乙酸乙酯为原料合成
    酯类能在一定溶剂中用金属钠还原为α－羟基酮。根据这一原理，吴吉炎等［13］利用超声波法合成了丙偶姻。此法是采用超声波加速反应，缩短了反应时间，提高了收率。余爱农、孙宝国等［14-15］用金属钠和正丁酸乙酯进行还原缩合反应合成了国内尚无厂家生产的香料丁偶姻。考虑到碱性条件下酯容易发生缩合反应，用三甲基氯硅烷结合反应中生成的碱性物质，从而提高了产率。有学者根据这一原理，以乙酸乙酯为原料合成乙偶姻。传统方法主要是以2，3-丁二酮，2，3-丁二醇为原料制备，用乙酸乙酯还原的方法合成乙偶姻，结果乙偶姻的产率很低，几乎得不到产品。究其原因可能是：①由于乙酸乙酯α-氢酸性较强且空间位阻较小，在碱性条件下很容易缩合生成乙酰乙酸乙酯，很难生成还原产物。②虽然用三甲基氯硅烷可与生成的醇钠反应除去醇钠，但还原中间体烯醇钠也能催化乙酸乙酯的缩合反应，所以合成不出产物，或产率极低。若加大三甲基氯硅烷用量与烯醇钠反应，实验证明分解和分离产物非常困难，同时增加了成本。③生成的产物很不稳定，在超过12 ℃时很容易呈现出二聚体白色结晶，不容易控制，所以导致产率也很低。
    3 ·结论
    综上所述，乙偶姻的合成方法较多，传统方法主要是以2，3-丁二酮，2，3-丁二醇为原料制备，用乙酸乙酯还原的方法合成乙偶姻产率很低。
    以2，3-丁二酮为原料的制备方法中，用微生物菌体中的酶作为生物催化剂的方法较好，因为可以获得高选择性、高产率的产品，而且产品应用于食品添加剂也更加安全可靠，容易实现工业化生产。但是这一方法的关键步骤就是要能够培养出反应所需的丁二酮还原酶。对于这种生物合成的方法，目前国外的报道比较多，在强调绿色化工的今天，这是一个非常重要的研究方向。
    以2，3-丁二醇为原料的制备方法中电化学氧化法比较好，因为此方法没有催化剂的问题，并具有产率高、产品纯度好、易于分离提纯、工艺简单、操作费用少、基本无三废排放等优点。但是不易于实现连续的操作，工业化放大尚有许多工程问题有待解决。

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