二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏的工藝優(yōu)化

劉玉梅，高智明，羅安瓊

(1.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 8 30046；2.新疆三寶樂農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏的工藝優(yōu)化

劉玉梅1，高智明2，羅安瓊1

(1.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 8 30046；2.新疆三寶樂農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏是啤酒花中的一個(gè)主要的軟樹脂成分α-酸經(jīng)異構(gòu)化成異α-酸后氫化還原制備的產(chǎn)物，具有苦味平和、無后苦味等特點(diǎn)，是異α-酸的還原產(chǎn)物中溶解度最好的一個(gè)產(chǎn)品。在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的單因素試驗(yàn)考察異α-酸加氫還原為二氫異α-酸的工藝條件。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度、催化劑NaBH4的用量、KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比及反應(yīng)時(shí)間等都與反應(yīng)產(chǎn)物二氫異α-酸的收率有直接關(guān)系，其影響程度依次減弱，合成二氫異α-酸的最佳工藝條件為氫氧化鉀與異α-酸的物質(zhì)的量比1:1、NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比0.25:1、反應(yīng)溫度100℃、反應(yīng)時(shí)間2h。在此條件下，進(jìn)一步的放大實(shí)驗(yàn)證明，反應(yīng)收率可達(dá)97%以上。

啤酒花；二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏；氫化；還原

隨著人們對(duì)啤酒風(fēng)味的要求更加多樣化，近代啤酒工業(yè)越來越傾向于使用苦味度比較柔和穩(wěn)定，在麥汁中的溶解度好、具有更好的光化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性和使用更加方便的“啤酒花制品”。這些啤酒花的加工產(chǎn)品品種多樣，特性各有所長，不僅可更好地適應(yīng)現(xiàn)代啤酒工業(yè)發(fā)展的需要，而且對(duì)改良啤酒的風(fēng)味品質(zhì)、保持產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性均起到了良好的促進(jìn)作用[1-3]。除了20世紀(jì)80年代中期開始使用的各種啤酒花浸膏之外，目前使用較多的產(chǎn)品還包括異構(gòu)化啤酒花浸膏、還原異構(gòu)化啤酒花浸膏和啤酒花油等。其中，還原異構(gòu)化啤酒花浸膏由于其中的不飽和鍵還原的位置和程度不同，又可進(jìn)一步分為二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏、四氫異構(gòu)化啤酒花浸膏、六氫異構(gòu)化啤酒花浸膏等，其中以二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏的溶解度最好，而且苦味平和(只有異α-酸的0.7倍)、無后苦，穩(wěn)定性和起泡能力也較異α-酸更好[4-5]。作為世界啤酒生產(chǎn)的第一大國，我國的啤酒廠以往主要以使用壓縮啤酒花和顆粒啤酒花為主，近年來為了適應(yīng)現(xiàn)代啤酒工業(yè)的發(fā)展，也為了滿足消費(fèi)者的需求，生產(chǎn)出多種口味和風(fēng)味不同的啤酒，對(duì)各種性能優(yōu)越的啤酒花制品的需求和使用量也在不斷增加[6]。影響異α-酸氫化還原的因素很多，主要包括溶劑條件、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、p H值、催化劑的

用量及種類等，為了尋找到還原異α-酸為二氫異α-酸的最佳反應(yīng)條件，本實(shí)驗(yàn)以異α-酸為原料，選用了NaBH4和KBH4等還原羰基常用的催化劑，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件，得到合成二氫異α-酸的最佳工藝條件，旨在對(duì)這類產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)起到一定的促進(jìn)和借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

CO2萃取的啤酒花浸膏由新疆三寶樂農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司提供。

異α-酸由本實(shí)驗(yàn)室以啤酒花浸膏為原料自制；異α-酸和二氫異α-酸的標(biāo)準(zhǔn)品 美國釀造化學(xué)協(xié)會(huì)；色譜分析所用試劑為色譜純；硼氫化鈉、硼氫化鉀、氫氧化鉀等試劑均為分析純。

高效液相色譜儀(P2000II型高壓恒流泵、UV200H型紫外檢測器) 大連依利特分析儀器有限公司；BS210S電子天平 德國賽多利斯公司；HH-S4型數(shù)顯恒溫水浴金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 異α-酸的氫化反應(yīng)條件

1.2.2 異α-酸和二氫異α-酸的高效液相色譜分析條件

色譜柱：HYPERSILODS-2 C18柱(150mm×4.6mm，4.5μm)；流動(dòng)相：甲醇-水-H3PO4體積比為75:24:1；流速：1.0mL/min；柱溫：35℃；檢測器波長：275nm；進(jìn)樣量：10μL；采用二氫異α-酸的標(biāo)準(zhǔn)品，峰面積外標(biāo)法定量。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果均是采用Microsoft Excel或OriginPro 8.0專業(yè)軟件來處理的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 異α-酸的氫化反應(yīng)機(jī)理及影響因素

啤酒花中α-酸的異構(gòu)化衍生物異α-酸具有多個(gè)不飽和鍵，在氫化還原劑的存在下可以發(fā)生還原，因氫化還原的體系和反應(yīng)的程度不同可能會(huì)生成二氫、四氫和六氫異構(gòu)化衍生物，二氫異構(gòu)化啤酒花浸膏是將異α-酸分子中的羰基還原后所得到的產(chǎn)物，采用硼氫化鈉或硼氫化鉀等羰基還原劑時(shí)通常生成的是二氫異α-酸[7]。簡單的反應(yīng)流程見圖1。

供試植物材料共8個(gè)，分皮、裸兩組，皮燕麥以紅旗2號(hào)為對(duì)照，參試品系是gp005、gp012、gp030；裸燕麥以品5號(hào)為對(duì)照，參試品系是gl011、gl001、gl016。對(duì)照為光照敏感品種。供試材料均由張家口市農(nóng)科院提供。

圖1 異α-酸的還原反應(yīng)Fig.1 Reduction mechanisms of iso-alpha-acids to R=CH2CH(CH3)2, CH(CH3)2 or CH(CH3)CH2CH3

2.2 主要組分的定量分析

為了全面地評(píng)價(jià)各種選定條件下異α-酸的氫化程度和反應(yīng)過程中的副反應(yīng)發(fā)生的強(qiáng)弱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別采用異α-酸的轉(zhuǎn)化率和二氫異α-酸的收率兩個(gè)指標(biāo)來考核的，計(jì)算的依據(jù)是測定出反應(yīng)體系中各組分的濃度。反應(yīng)原料和反應(yīng)混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是采用HPLC法，以外標(biāo)法進(jìn)行定量分析得到。

本實(shí)驗(yàn)中除正交試驗(yàn)外，其余數(shù)據(jù)均是采用N次試驗(yàn)平均值(N≥3)。

2.3 正交試驗(yàn)考察異α-酸氫化反應(yīng)合成二氫異α-酸的影響因素

在化學(xué)反應(yīng)中，選用合適的催化劑可以大幅度地提高生產(chǎn)效率，而同一類催化劑在價(jià)格上也會(huì)有較大的差異。預(yù)實(shí)驗(yàn)首先對(duì)異α-酸氫化反應(yīng)催化劑的選擇作了多次實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明，選用羰基還原劑NaBH4或KBH4做催化劑反應(yīng)均可進(jìn)行，KBH4略好于NaBH4，但從成本角度來考慮，決定選用NaBH4作催化劑。

在多次預(yù)試驗(yàn)的摸索和結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，為盡快找到合適的反應(yīng)條件，首先確定了以反應(yīng)溫度、催化

劑用量、反應(yīng)時(shí)間和溶液中KOH的用量等4個(gè)因素作為主要的試驗(yàn)因素，利用正交試驗(yàn)來考察所選因素對(duì)α-酸氫化反應(yīng)影響的重要性。表1是所選的3因素4水平L9(34)的正交試驗(yàn)因素水平表。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design L9(34)

為了綜合考慮各方面的因素，正交試驗(yàn)中將異α-酸的轉(zhuǎn)化率和二氫異α-酸的收率同時(shí)作為考核指標(biāo)。綜合指標(biāo)即是以這兩個(gè)指標(biāo)的加權(quán)和來計(jì)算的，以綜合指標(biāo)計(jì)算值高的水平組合為好。因二氫異α-酸收率為更重要的因素，綜合考慮，采用了如下公式計(jì)算：

表2 異α-酸氫化反應(yīng)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Arrangement of orthogonal array design L9(34) and corresponding experimental values of dihydro-iso-alpha-acid yield, conversion rate of iso-alpha-acids and their weighed index

由正交試驗(yàn)中各因素的極差值可知，在選定的反應(yīng)條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫化反應(yīng)的的影響相對(duì)較小，其他3個(gè)因素的影響要明顯地高于反應(yīng)時(shí)間。催化劑NaBH4的使用量影響最為明顯，KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物收率的影響程度依次增加。正交試驗(yàn)的直觀分析見圖2。

圖2 異α-酸氫化反應(yīng)的直觀分析圖Fig.2 Intuitive analysis of effect of each reaction condition on dihydro-iso-alpha-acid yield

從圖2可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從1h增加到3h時(shí)，反應(yīng)收率呈緩慢增加的趨勢，繼續(xù)延長時(shí)間則基本不再發(fā)生變化。而反應(yīng)溫度的影響則相反，當(dāng)溫度低于80℃時(shí)，不利于反應(yīng)進(jìn)行，隨著溫度的提高，反應(yīng)進(jìn)行的速度明顯的提高，這表明了氫化反應(yīng)必須要有足夠的外

界提供的能量才可以進(jìn)行。催化劑NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比的關(guān)系則與前兩個(gè)因素不同，隨著NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比的增加，反應(yīng)產(chǎn)物中二氫異α-酸的含量反而呈下降趨勢，但單純從異α-酸的轉(zhuǎn)化率來看變化并不明顯，基本上反應(yīng)物中的異α-酸均已發(fā)生了反應(yīng)。這表明催化劑的用量高時(shí)，在氫化的同時(shí)還會(huì)發(fā)生過氫化現(xiàn)象，即有各種副反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生了進(jìn)一步的氫解現(xiàn)象。KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響也比較特殊，從直觀分析圖也可以看出，加堿量從高到低，反應(yīng)收率從低到高增加，但當(dāng)超過一定的范圍時(shí)，則反應(yīng)收率會(huì)發(fā)生明顯地下降，這表明合適的加堿量對(duì)保證氫化反應(yīng)的完全也是非常重要的。由于反應(yīng)時(shí)間大于3h后沒有變化，因此從正交試驗(yàn)中得到優(yōu)化的反應(yīng)條件為A2B1C1D2或A3B1C1D2，即在100℃的條件下，反應(yīng)時(shí)間為3h或5h時(shí)，KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比為1:1，催化劑NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比為0.5:1為優(yōu)化的試驗(yàn)條件，這一優(yōu)化的條件并未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中。正交試驗(yàn)中的最好試驗(yàn)結(jié)果是條件為A1B1C1D1，即反應(yīng)溫度為100℃，催化劑NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比為0.5:1，與此相同，而反應(yīng)時(shí)間和KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比分別為1h和1.5:1。由于催化劑NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比為0.5:1是否為最適宜的比例不能完全確定，而反應(yīng)時(shí)間的選擇也需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來驗(yàn)證，為了找到更合適的反應(yīng)條件，在分析了正交試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上又對(duì)催化劑添加比例和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。

2.4 催化劑和反應(yīng)時(shí)間與氫化反應(yīng)的關(guān)系

從正交試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，隨著催化劑用量的增加，異α-酸的轉(zhuǎn)化更為完全，但總體來看，增加的幅度有限。而從二氫異α-酸的收率來看，隨著催化劑用量的增加，收率反而下降，這表明催化劑用量過大，反應(yīng)過程中可能發(fā)生了過氫化反應(yīng)，這是極為不利的。理論上，1分子的NaBH4可以還原4分子的異α-酸，但由于NaBH4容易分解，很多反應(yīng)中都需要過量的NaBH4來完成反應(yīng)。正是由于這種考慮，正交試驗(yàn)選擇了0.5:1～1.5:1的NaBH4用量，但從正交試驗(yàn)結(jié)果可知，NaBH4物質(zhì)的量比0.5:1時(shí)最好，因此，有必要進(jìn)一步考察NaBH4用量的影響。表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在正交試驗(yàn)的優(yōu)化條件下，即反應(yīng)溫度100℃， KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比為1:1的條件下，比較了在NaBH4與異α-酸物質(zhì)的量比小于0.5:1的不同條件下，反應(yīng)時(shí)間與二氫異α-酸的收率之間的關(guān)系。

表3 不同的催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)二氫異α-酸的收率的影響Table 3 Effect of NaBH4 amount and reaction time on dihydroiso-alpha-acid yield

表3的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比為0.25:1時(shí)，二氫異α-酸的收率最高，在0.1:1時(shí)，異α-酸在3h內(nèi)氫化不完全；高于0.3:1時(shí)，反應(yīng)中可能由于副反應(yīng)的增多而影響反應(yīng)產(chǎn)物的收率。另外從反應(yīng)時(shí)間上來看，2h時(shí)的反應(yīng)收率基本上已經(jīng)穩(wěn)定，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果并無改善，甚至還會(huì)加大發(fā)生副反應(yīng)的可能。因此，通過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定反應(yīng)溫度100℃，KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比1:1，催化劑NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比0.25:1，反應(yīng)時(shí)間2h為氫化反應(yīng)的最佳工藝條件。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了放大驗(yàn)證，由表4結(jié)果可知，反應(yīng)收率可達(dá)97%以上。

表4 最佳工藝條件的放大驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 4 Results of scale-up experiments for the validation of optimized reaction conditions

圖3 二氫異α-酸的標(biāo)準(zhǔn)樣品色譜圖Fig.3 HPLC chromatogram of dihydroiso-alpha-acid standard

圖3 和圖4分別為二氫異α-酸的標(biāo)準(zhǔn)樣品和反應(yīng)產(chǎn)物的高效液相分析的色譜圖。由于異α-酸是由3個(gè)同系物組成的，還原產(chǎn)物中每個(gè)產(chǎn)物都有順、反兩種異構(gòu)體，理論上應(yīng)該存在6個(gè)異構(gòu)體，但以目前的分離條件，二氫異α-酸的標(biāo)準(zhǔn)樣品僅能得到4個(gè)主要的色譜

峰，而反應(yīng)產(chǎn)物中在這4個(gè)主要的色譜峰之前的一個(gè)色譜峰即為未反應(yīng)完全的異α-酸。

圖4 二氫異α-酸的反應(yīng)產(chǎn)物色譜圖Fig.4 HPLC chromatogram of a dihydroiso-alpha-acid product synthesized in this study

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以啤酒花浸膏中α-酸的異構(gòu)化衍生物異α-酸為原料，通過正交試驗(yàn)考察了異α-酸加氫還原為二氫異α-酸的工藝條件。結(jié)果表明，催化劑的選擇對(duì)反應(yīng)的順利進(jìn)行是十分重要的，但羰基還原劑NaBH4或KBH4對(duì)反應(yīng)的影響并無太大差異，而催化劑NaBH4的用量、反應(yīng)溫度、KOH與異α-酸的物質(zhì)的量比及反應(yīng)時(shí)間等都與反應(yīng)產(chǎn)物二氫異α-酸的收率有直接關(guān)系，其影響程度依次減弱。在分析了正交試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的單因素試驗(yàn)最終確定以異α-酸為原料合成二氫異α-酸的最佳工藝條件：氫氧化鉀與異α-酸的物質(zhì)的量比為1:1、NaBH4與異α-酸的物質(zhì)的量比為0.25:1、反應(yīng)溫度為100℃、反應(yīng)時(shí)間為2h。并在此條件下，通過放大驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明，反應(yīng)收率可達(dá)97%以上。

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Chemical Synthesis of Dihydro-iso-alpha-acids

LIU Yu-mei1，GAO Zhi-ming2，LUO
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinjiang University.. 830046, China；2. Xinjiang Sapporo Agriculture Science and Technology Development Co. Ltd., Urumqi 830002, China)

Dihydro-iso-alpha-acids are the products of isomerization followed by hydrogenation of alpha-acids as one kind of the main soft resins in flower cone of hops (Humulus lupulus L.) and show a slightly bitter taste and the best solubility among all hydrogenation products of isomerizd alpha-acids. Single factor and orthogonal array design methods were used to deal with the effects of reaction temperature and time and amounts of added NaBH4and KOH to iso-alpha-acids on dihydro-iso-alpha-acid yield. Results indicated that the above reaction conditions all exhibited an obvious effect on dihydro-iso-alpha-acid yield in the decreasing order: reaction temperature ＞ amount of added KOH ＞ amount of added NaBH4 ＞ reaction time and their optimal values were as follows: a reaction system composed of iso-alpha-acids, KOH and NaBH4 at 1:1:0.25 molar ratio left to react for 2 h at 100 ℃. Two-, 3- and 5- fold scale-up experiments carried out under such conditions all gave over 97% dihydro-iso-αacids yields.

hops；dihydro-iso-alpha-acids；hydrogenation；reduction

TS262.5

A

1002-6630(2010)10-0112-05

2009-07-30

新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆計(jì)劃項(xiàng)目(200991247)

劉玉梅(1965—)，女，高級(jí)工程師，博士，主要從事天然產(chǎn)物功能因子與分析檢測研究。E-mail：xjdxlym@163.com