浅谈三氯蔗糖的合成工艺与生产管理

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/行业综述
Industry Review doi:10.16736/41-1434/ts.2020.22.018
浅谈三氯蔗糖的合成工艺与生产管理
Discussion on the Synthesis Technology and Production Management of Sucralose
◎ 王金龙，朱明明，陈玉洁
（盐城捷康三氯蔗糖制造有限公司，江苏　盐城　224300）
WANG Jinlong, ZHU Mingming, CHEN Yujie (JK Sucralose Inc., Ltd., Yancheng 224300, China)
摘　要：三氯蔗糖作为优势显著的甜味剂，得到了广泛关注。

在对三氯蔗糖特性及应用情况展开分析的基础上，本文对三氯蔗糖的基团保护、单酯法等多种合成工艺展开了分析，然后对三氯蔗糖生产管理问题进行了探究，为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：三氯蔗糖；合成工艺；生产管理
Abstract ：Sucralose, as a dominant sweetener, has attracted wide attention. On the basis of the analysis of the characteristics and application of sucralose, this paper analyzes the group protection of sucralose, single fat method and other synthetic processes, and then explores the production and management of sucralose, providing reference for people concerned with this topic.Keywords ：sucralose; synthesis process; production management
中图分类号：TS202.3
三氯蔗糖又被称为蔗糖精，属于新型甜味剂，在食品、医药等多个领域得到了运用。

相较于阿斯巴甜等甜味剂，三氯蔗糖味道最接近蔗糖，但甜度能够达到蔗糖的600倍，同时热量较低，拥有较大发展潜力。

在市场需求不断增加的情况下，三氯蔗糖得到了大量生产。

为实现低成本、绿色化生产，还要加强对三氯蔗糖合成工艺与生产管理的研究，从而使三氯蔗糖获得广阔的应用前景。

1　三氯蔗糖特性及应用三氯蔗糖作为氯代蔗糖，在口感上接近蔗糖，作为甜味剂使用能够使人体摄入的糖分大大降低。

因为三氯蔗糖在人体中并不会被吸收，热量则为零，具有无毒、无副作用的特点。

在高温状态下，溶于水的三氯蔗糖依然能够保持甜味稳定，并与食物中的蛋白质、果胶融合，在烘烤状态下依然不会发生化学反应。

由于甜味纯正，同时不能被病菌利用，因此三氯蔗糖得以广泛投入市场，用于果冻、冰淇淋、口香糖等食品的生产，并在医药领域得到了运用。

从1997年开始，国家批准可将三氯蔗糖作为食品甜味剂。

但由于早期三氯蔗糖生产技术不成熟，同时受原料价格影响未能得到广泛应用。

发展至今，三氯蔗糖生产规模达到每年数万吨，在超500种食品中得到应用。

然而在三氯
蔗糖合成生产方面，受国外知识封锁因素的影响，三
氯蔗糖生产仍然存在成本高的问题，同时生产过程中产生的大量废物也将给环境带来污染，因此未来还要加强对三氯蔗糖生产技术的研究，从而使其应用范围得到进一步扩大。

作者简介：王金龙（1985—），男，本科，助理工程师；研究方向为三氯蔗糖的合成及应用。

行业综述Industry Review
2　三氯蔗糖的合成工艺分析
2.1　基团保护
在三氯蔗糖合成方面，无论采用化学法还是酶法进行合成，都需要经过脱保护和氯代过程。

合成三氯蔗糖需要以蔗糖为原料，在蔗糖分子上包含八个羟基官能团，利用氯原子对不同羟基进行取代可以取得不同甜味效果。

实施基团保护，就是对羟基进行保护，然后进行氯代反应。

最后将保护基团脱掉，即可合成三氯蔗糖。

在合成过程中，需先采用位阻大的三苯基氯甲烷对三个伯羟基进行甲基化处理，其余几个羟基实施酰化处理，然后将3个大基团脱除，使乙酰基从4-C 位迁移至6-C位，实现对应羟基的氯化。

利用强碱促使酰基脱除，即可得到产物。

从现有研究来看，也可以采用吡啶作为溶剂加强对羟基的保护，将吡啶脱除后利用乙酸酐提供保护，使三苯甲基得到去除[1]。

之后采用惰性溶剂在弱酸条件下完成酰基迁移，适当提升反应温度，能够使三氯蔗糖产率提高至70%以上。

采用该合成方法，能够在温和条件下轻松实现中间体分离，并且可以直接获得纯度较高的结晶态三氯蔗糖，但须经过多重步骤，原料价格较高。

2.2　单酯法
采用单酯法合成三氯蔗糖，将提供酯化保护，反应带有选择性，能够使相对活泼的羟基发生氯代反应，最后脱除酯基实现产物合成。

从蔗糖-6-单酯这一关键中间体的制备方法上来看，包含直接酯化、原乙酸三甲酯化、二丁基氧化锡法3种。

采用直接酯化方法，需要采用乙酸酐完成6位羟基的酯化处理，将中间体分离后进行氯代反应，分离得到三氯蔗糖-6-乙酸酯。

经过全乙酰化处理，能够分离得到甲醇体系。

将乙酰基脱除后，能够得到产物，收率较低。

采用二丁基氧化锡法，通过发挥有机锡化合物选择性，能够使活性大的6位羟基与乙酸酐反应，使产物收率有所提升。

采用该合成工艺，需要在甲醇中开展回流反应，并利用二氯甲烷实现有机锡回收。

考虑到中间产物容易受潮分解，还需要使用脱水剂环己烷。

采用原酸酯法对三氯蔗糖进行合成，原料采用原乙酯三甲酯，其可与蔗糖的4、6位羟基反应，生成环状化合物[2]。

利用有机碱对乙酰基进行迁移，能够得到蔗糖-6-乙酸酯，经过氯代、脱除等反应实现产物合成。

相比较而言，该方法操作简单，对反应条件要求不高，使用的原料价格较低，能够满足工业生产需求。

2.3　衍生氯化
在合成三氯蔗糖的过程中，需要利用氯原子对蔗糖衍生物上的羟基进行取代。

实际进行该反应还要做好氯化试剂的选择，保证对指定位置的羟基进行氯化，在保证反应高效开展的同时，确保获得的产物拥有较高纯度。

从氯化试剂的选择上来看，主要为氯化亚砜和吡啶。

将吡啶等作为溶剂，利用氯化亚砜反应得到氯化亚硫酸酯，然后实现氯代衍生物转化；吡啶同样会发生氯化，生成副产物且具有较大分离难度。

采用亚硫酰氯等作为试剂，提供氮气保护，能够起到相同效果，可以在温和条件下使产物收率得到提高，但存在三苯氧磷难分离的问题[3]。

此外，吡啶易燃，用于工业生产难以满足安全性要求。

为解决上述问题，Vilsimeier试剂被研发出来，其由N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和无机氯化物制成。

该试剂属于强氯化剂，能够在温和条件下与蔗糖-6-乙酸酯发生反应，使产物收率达到70%以上。

但生产该类试剂时，反应过程中会产生二氧化硫等有毒气体。

就目前来看，有关新型氯代反应试剂的研究一直在持续开展，如使用相转移催化剂等可以对氯代条件进行改变，使产物收率得到提高，但尚未实现工业化。

2.4　酶催化
利用酯化方式合成三氯蔗糖，需要使糖分子和酰基供体完成酯交换，然后将乙酰基的保护基脱除。

采用酶催化方法同样可以完成这一操作，在酰化上具有局域选择性的酶，能够发生转酰基反应，并且实现酰基脱除。

可以采用的酶包含脂肪酶和蛋白酶，其均有亲核活性中心，可参与酯基交换过程。

但不同酶在分子结构和活性中心上存在差异，对蔗糖分子上的不同羟基有不同的催化反应活力。

如蛋白酶倾向于选择1’-OH和2-OH，适合用于断链脂肪酸酯的催化。

脂肪酶对6-OH体现出较强的选择性，在酰基化及其脱除方面应用效果显著。

因此在精细化工生产中，酶催化法具有较大优势，不仅可以减少化学试剂的使用，同时可以在温和条件下反应，对设备要求不高，也不会带来环境污染。

如采用棉籽糖合成三氯蔗糖，其半乳糖残基在蔗糖C-6位，能够提供基团保护，经过氯化、
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脱除能够得到产物。

但受酶贮存、筛选等因素的限制，合成反应成本过高，短期内难以用于工业生产。

3　三氯蔗糖的生产管理探讨
3.1　生产流程管理
对三氯蔗糖合成工艺展开分析可以发现，目前工业生产中主要采用成本相对低且操作简单的单酯法实现三氯蔗糖的制备。

由于单酯法的机理研究已经较为透彻，工艺条件也相对成熟。

在实践生产中，需要利用重结晶三氯蔗糖-6-乙酸酯与CH3OH或CH30Na反应，醇解后利用树脂中和。

经过滤、蒸馏处理后，添加活性炭和水脱色。

再次过滤和蒸馏，使产物结晶，然后添加乙酸乙酯实现重结晶。

经过抽滤、干燥等，最终能够得到纯度较高的产物。

在整个流程中，需要反复进行酸碱处理、过滤等操作，需要采用大量原材料和设备，需要消耗水、电等各种能源，且工艺较为复杂。

为保证产品质量，需要加强流程管控，明确各岗位责任和管理目标，使生产线能够稳定运作。

为降低生产成本，可以引入乳化焦浆代油技术，通过改造锅炉等设备，利用石油焦燃料代替重油等，使燃料成本和烟气排放中的有害物质浓度得到降低，实现蒸汽的二次利用，继而降低生产成本[4]。

在氯代反应过程中，则要加强反应温度和时间控制，如将环境温度控制在10～15℃，使产物产率得到提高。

3.2　生产设备管理
在三氯蔗糖生产过程中，需要对反应罐、真空设备、浓缩设备等多种设备进行管理，确保生产线高效运行的同时，降低生产成本。

建立先进的维护管理制度，通过定期开展巡检工作，使设备隐患得到及时发现和处理，保证设备处于良好的运行状态，提高生产效率的同时，有效避免重大事故的发生。

日常则要结合各种设备特点加强运行管理，严格控制各项操作参数。

如反应釜主要用于搅拌原材料与溶剂，对温度变化敏感，容易因环境温度迅速变化发生应力集中问题。

因此在设备使用方面，需要建立严格的管理制度，保证人员进行缓慢加热或冷却操作。

结合设备管理目标，建立明确的安全生产责任制度，按照岗位完成设备操作手册的编制。

日常加强人员培训，将现场操作指导作为主要内容，采取师傅带徒弟等辅助培训形式，确保人员通过岗位资格考核后才能进行设备操作。

3.3　生产废物管理
三氯蔗糖的合成生产将产生大量废气，需要采用化学吸收等不同方式进行处理。

结合氯化氢、二氧化硫等气体的特点，生产中通常配备分散型吸收装置进行尾气处理。

尾气经过化学分离后可得到二氧化硫等气体，对其进行冷凝富集液化处理，能够得到副产品。

采用联产法将二氧化硫转化为氯化亚砜，能够继续用于生产。

在生产工艺路线较长的情况下，参与反应的溶剂和原材料较多，通过实现各种有机溶剂的回收利用，不仅可以降低生产成本，也能减少污染物排放。

而三氯蔗糖生产中产生的废水中通常包含大量DMF （二甲基甲酰胺），直接排放将造成严重的环境污染。

为减少废水中DMF含量，可以利用水和DMF的沸点差实施精馏分离，回收率在96%左右。

此外，也可以采用二甲胺处理技术和生物法进行DMF处理，前者可以通过富集冷凝获得固定浓度的二甲胺溶液，实现DMF的回收利用，后者可以降低废水处理成本。

在固体废物处理上，通常利用活性炭等将各种碳化物和盐类物质混合，生产得到复合肥等产品。

4　结论
三氯蔗糖相较于其他甜味剂拥有更多优势，能够在满足人们口感需求的同时，解决甜味剂过量使用引发的健康问题。

但三氯蔗糖的生产依然受到合成工艺的限制，因此还要加强对各类合成工艺的研究，通过维护自主知识产权突破技术封锁，并通过科学生产管理降低成本和加强环境保护，从而通过提高三氯蔗糖生产能力，改善市场供应不稳问题，使三氯蔗糖的市场占比快速提升。

参考文献：
[1]陈成，陈宜武，张升港，等.浅析三氯蔗糖的生产与应用[J].现代食品，2019（19）：54-55，58. [2]袁文月，乔国桂，王雷.三氯蔗糖特性与应用探讨[J].食品安全导刊，2019（24）：78.
[3]崔灿，陆夏莲，郭振明，等.三氯蔗糖制备工艺中氯化反应的优化研究[J].中国食品添加剂，2018（11）：49-55.
[4]曾伟山.三氯蔗糖废物处理技术研究[J].食品与发酵科技，2018，54（3）：37-41.
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