改进的三氯蔗糖组合物及其制备方法 本申请书要求于2000年11月17日提交的临时专利申请60/249,782的权利，该申请在这里引入作为参考。
【发明领域】
本发明涉及一种三氯蔗糖的改进形式和其制备方法。
【发明背景】
三氯蔗糖(4，1′，6′-三氯-4，1′，6′-三脱氧-半乳蔗糖)是一种从蔗糖制备的高强度甜味剂，可以用于许多食物和饮料中。与许多人工甜味剂不同，三氯蔗糖可以用在烹调和烘烤中，而增甜能力没有损失。
三氯蔗糖一般按照在下列专利中提出的方法制造：美国专利4,362,869；4,380,476；4,801,700；4,950,746；5,470,969和5,498,709。在所有这些方法中，在合成中的最后步骤之一是脱酰基作用，随后是三氯蔗糖的结晶作用。用于结晶三氯蔗糖的实验室方法已经描述在美国专利4,343,934；5,141,860；4,977,254；4,783,526；4,380,476；5,298,611；4,362,869；4,801,700和4,980,463。正如在许多这些专利中所描述的，三氯蔗糖前体的脱酰基作用是在含有催化量的甲醇钠的甲醇中进行的。在完成脱酰基化以后，将所得的三氯蔗糖溶液与离子交换树脂相接触以将残余的甲醇钠转化成甲醇。然后除去离子交换树脂，通过与水共蒸馏除去挥发性溶剂和反应副产物，这使得溶剂转换成水。混合物通过与活性炭接触而脱色。除去炭得到适合于结晶三氯蔗糖的脱色三氯蔗糖溶液。将三氯蔗糖溶液浓缩至约55重量％的三氯蔗糖(约在50℃)。通过降低温度至22℃和加入约2％的三氯蔗糖晶种进行结晶化作用。形成的晶体通过离心与母液分离然后干燥。与晶体分离的母液被加入到正好在脱色之前的下一批产品中。
不幸的事，这种方法有一些缺点。母液随着时间推移会变成酸性。另外，杂质的聚集会干扰三氯蔗糖的结晶作用，导致需要周期性的清除或舍弃母液。按照上述方法制备的晶体三氯蔗糖产生微量的盐酸，减少了三氯蔗糖地保存期。
本发明的一个目标是提供一种改进生产方法，其能够生产更稳定形式的晶体三氯蔗糖。
本发明的另一个目标是提供表现出稳定性增加的改进晶体三氯蔗糖组合物。
发明概述
我们已经发现，在结晶作用之前向三氯蔗糖溶液中加入缓冲剂显著地增加了从中结晶出的三氯蔗糖的稳定性并且也增加了母液在加工过程中的稳定性。
我们也已经发现，通过在三氯蔗糖的结晶过程中将含三氯蔗糖的结晶溶液的PH保持在约5.5-8.5，可以提高晶体三氯蔗糖的最终稳定性。
在本发明的另一个实施方案中，我们提供了一种稳定的晶体三氯蔗糖产品，其在贮存过程中不会产生乙酸气味。
在本发明的又一个实施方案中，我们提供了一种稳定的晶体三氯蔗糖产品的生产方法，该产品在贮存过程中不会产生乙酸气味。
在本发明的又一个实施方案中，我们也惊讶地发现，残留水分含量为约0.5-10重量％的晶体三氯蔗糖具有改进的稳定性。
在本发明的又一个实施方案中，我们开发了一种产品，该产品包含包装在容器中的晶体三氯蔗糖，所述容器将保持含水量不变。当在92％相对湿度条件下在38℃测量时，优选该容器的水蒸气透过率(MVTR)不超过0.25克水/100平方英寸表面积/24小时。
本领域中的技术人员从下面的说明书(包括实施例和权利要求)中将清楚地了解这些和其他发明内容。
附图简述
图1是本文描述的结晶方法的一个实施方案的流程图。正如在这个实施方案中所举例说明的，含有三氯蔗糖的反应混合物水溶液与母液混合并输送至脱色池中。然后过滤混合物并浓缩。浓缩后的三氯蔗糖溶液被输送至结晶器中，加入晶种，冷却并且通过离心从母液中分离三氯蔗糖晶体。然后干燥并包装三氯蔗糖晶体。母液被循环回这个方法的开始阶段。
发明详述
在许多专利中已经描述了三氯蔗糖及其制造方法，例如美国专利4,801,700；4,950,746；5,470,969和5,498,709，这些专利在这里引入作为参考。在将三氯蔗糖合成中被保护的醇基脱酰基化以后，含有三氯蔗糖的反应混合物需要中和、稳定、脱色并通过结晶从混合物中析出三氯蔗糖。
含有三氯蔗糖的反应混合物可以通过处理而中和，以将任何残余的甲醇盐转化成甲醇。通常这个过程通过加入[H+]离子交换树脂来完成。适合的离子交换树脂在本领域中是已知的，包括AMBERLITE_IRC50[H+](Rohm and Haas)。
为了便于浓缩和进一步处理中和后的反应混合物，通过蒸馏除去任何残余的挥发性溶剂或反应产物。优选在减压条件下进行蒸馏。为了浓缩中和后的反应混合物，加入水以得到一种水溶液，该水溶液中含有约30-70重量％的三氯蔗糖，优选约45-65重量％的三氯蔗糖。反应混合物的温度保持在足够使这些三氯蔗糖溶解在溶液中的水平上。该温度一般约为45-50℃。
在中和含三氯蔗糖的溶液之前或之后，它应当与一种脱色剂相接触。最常用的脱色剂是活性炭，但是其他的脱色剂也可以使用。活性炭可以是粉末的形式或者装填在柱中。但是，活性炭必须在结晶之前从溶液中除去。活性炭的用量根据反应混合物中着色剂的量和活性炭的类型而定。那些本领域中的技术人员能够容易地确定混合物脱色所需加入的活性炭的适合的最小量。如果以松散的形式加入，活性炭可以使用常规方法(例如用过滤)去除。
此时，加入少量的缓冲盐以稳定浓缩后的三氯蔗糖溶液。也进一步调整PH以提供中性的溶液。缓冲剂可以是任何食品所容许的弱酸的食品所容许的盐，例如乙酸、柠檬酸、抗坏血酸、苯甲酸、辛酸、二乙酸、富马酸、葡萄糖酸、乳酸、磷酸、山梨酸、酒石酸的钠盐或钾盐以及它们的混合物。优选的缓冲剂包括可以使用的乙酸钠和柠檬酸钠。实际上，微量的乙酸钠可能以副产物反应存在，但不足以缓冲结晶作用。中和作用可以使用任何PH调节酸或碱化合物完成，这些酸或碱化合物应与三氯蔗糖在食品中的应用相一致或者不会损坏最终三氯蔗糖产品的味道。一般，可以使用下列PH调节化合物，氢氧化物、碳酸、碳酸氢盐、乙酸、柠檬酸、抗坏血酸、苯甲酸、辛酸、二乙酸、富马酸、葡萄糖酸、乳酸、磷酸、山梨酸、酒石酸的钠盐、钾盐或其它食品所容许的盐以及其混合物。优选的PH调节化合物是氢氧化钠。
但是我们发现用少量的乙酸钠是有利的，其用量应为这样：在结晶母液中乙酸钠的浓度应少于100ppm(百万分数)，优选少于50ppm，最优选为约35-50ppm以确保固体三氯蔗糖产品不会产生乙酸气味。
在结晶过程中，含三氯蔗糖的溶液的PH应当保持在约5.5-8.5的范围内，优选约6.5-7.8，最优选约7-7.8。将PH保持在这些范围内显著增加了三氯蔗糖产品和循环母液的长期稳定性。
三氯蔗糖可以使用常规结晶设备从三氯蔗糖溶液中结晶出来。将三氯蔗糖水溶液浓缩至含有约55重量％的三氯蔗糖并冷却至约10-30℃，优选约20-25℃。为了引发晶体形成，三氯蔗糖水溶液优选使用三氯蔗糖晶种进行播种。作为一般的原则，晶种占结晶混合物中三氯蔗糖的2重量％时能够提供所期望的晶体形成。
使用离心或者过滤器将晶体与母液分离，母液循环回本方法中和之后和结晶之前的较早阶段。优选母液被循环和加入到中和后和脱色前的反应混合物中。
冲洗晶体以去除任何残余的母液并且使用常规的干燥设备干燥，例如盘式或分室干燥器、搅拌盘式垂直涡轮干燥器、搅拌间歇旋转干燥器、流化床干燥器或气流干燥器。干燥器可以在大气压或减压下以间歇式或连续模式操作。实验出乎意料的表明：如果三氯蔗糖残余含水量约为0.5-10重量％，优选0.5-5重量％，最优选0.5-2重量％，三氯蔗糖的稳定性增强。在本段中所指的三氯蔗糖是不含结晶水的，意思是它不含有任何显著量的三氯蔗糖水合物(例如三氯蔗糖五水合物)。如果将三氯蔗糖干燥至较低的含水量，三氯蔗糖实际上不稳定。干燥器的温度应当保持低于60℃并优选约为35-45℃。
理想地，在运输和处理过程中最终三氯蔗糖产品的含水量保持在约0.5-10重量％的范围内，使用能够保持含水量的包装。材料的可渗透性越差，可保持的含水量越多，产品就越稳定。一般地，包装是能够保持三氯蔗糖含水量的那些容器。期望所述容器的水蒸气透过率(MVTR)当在38℃和92％的相对湿度下测量时不超过0.25g水/100平方英寸表面积/24小时。优选容器的MVTR不超过0.2g水/100平方英寸/24小时。更优选容器的MVTR不超过0.15g水/100平方英寸/24小时。最优选容器的MVTR不超过0.1g水/100平方英寸/24小时。包装可以是柔韧的也可以是刚性的包装。适用于制造三氯蔗糖包装的材料包括但并不限于，保湿包装(moisture limiting packaging)例如金属化或铝箔层压基材(例如聚合物膜或牛皮纸)。适合的聚合物包括但并不限于，聚烯烃(例如高密度(直链)聚乙烯、聚丙烯等)、聚酯(例如聚对苯二甲酸烷基酯如聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸环己烷-1，4-二亚甲基酯、聚对苯二甲酸丁二酯等)、聚氯乙烯、聚氟乙烯和聚氯乙烯与聚氟乙烯的共聚物。另外可以使用的包装材料包括但并不限于，具有适当的防潮层的多层纸袋、带有与桶壁或松散衬垫插入层整合的聚合物或者铝箔衬里的纤维桶。刚性容器例如吹塑桶和由聚合物制造的带有防潮层的提桶也可以使用。柔韧性包装例如由聚合物基材制造的海运包(shipping bag)是优选的。最优选的包装袋是铝箔层压在聚合物膜上所制的袋子，其一般用于制造防潮包装(例如，上面列出的铝箔和聚烯烃或聚酯的层压物)。
实施例
一般方法：
制备用于加速稳定性测试的样品：
对将要测试稳定性的每一批产品使用不可擦除的标示将7个6盎司和7个18盎司的WHIRLPAK_聚乙烯袋加上标签。精确地称量25g±0.01g三氯蔗糖，放入每一个6盎司WHIRLPAK_聚乙烯袋中。加热或脉冲密封所述6盎司袋以确保气密性。切除袋子顶部在密封线以上任何多余的聚乙烯。将所述6盎司密封袋放入18盎司袋中并将所述18盎司袋加热或脉冲密封以确保气密性。将所述18盎司袋上部在密封线以上的部分轧制并将金属带弯曲形成钩。
加速稳定性测试：
通过使用袋子钩将所制备的袋子悬挂在架子上并将这些袋子放入稳定在50℃±0.5℃的烘箱中。所述袋子必须自由地悬挂并且不能碰到任何东西。记录样品放入烘箱中的时间。
PH稳定性：
对三氯蔗糖的PH稳定性测试在时间零点(样品放入烘箱的那天，在三氯蔗糖暴露于高温之前)和每隔24小时进行，直至被测试的这一批样品检验不合格。
PH调节水的制备：
将约100ml去离子水加入150ml烧杯中。使用0.1N的盐酸和/或0.1N的氢氧化钠，将所述水的PH调至5.8-6.0。记录该PH读数。
三氯蔗糖样品溶液的制备：
精确称量5g±0.001g待测试的产品并将其转入50ml容量瓶中。通过加入PH调节水溶解并加至刻线处。如果待测的样品是已经处于加热状态下，在打开和制样之前，把要测量的这批产品的一个袋子从烘箱中取出并冷却至室温。
PH的测量：
将溶液倒入带有一个搅拌子的100ml烧杯中，并在一个磁力搅拌器上缓慢搅拌该溶液。将PH电极浸入样品中，使PH读数稳定并记录样品的PH读数。
如果在所有的袋子都经过测试后还没有观察到PH下降的现象，则试验无效，而测试必须使用更大数目的袋子进行重复。
色泽稳定性：
这个测试只需要使用一个样品。如上说述制备并加热双层袋。每隔24小时目视检查为色泽稳定性所制备的单个袋中的样品。记录第一次出现颜色的天数。
计算和解释：
PH稳定性：
记录(小数点后一位)所使用的PH调节水和三氯蔗糖样品溶液两者的PH。从PH调节水的PH减去样品溶液的PH。对于PH下降记录结果为(-)，PH增加记为(+)，例如：
PH调节水的PH 6.0
样品的PH 5.7
结果 -0.3
如果PH下降大于或等于1.0个PH单位，则样品检验不合格。该批产品的PH稳定性定义为直至样品溶液的PH与PH调节水的PH之间的PH下降≥1.0的天数。
色泽稳定性：
该批产品的色泽稳定性定义为直至第一次观察到颜色出现的天数。
实施例1
在结晶母液中缓冲剂浓度对产品稳定性的影响
在母液中使用不同量的乙酸钠制备了许多批次的三氯蔗糖并按照如上方法进行测试。
结果：样品号母液中的乙酸钠 (ppm) 初始pH 初始pH差至pH不合格 的天数 1 ＞300 5.72 -0.20 6 2 ＞300 5.73 -0.19 6 3 ＞300 5.44 -0.48 6 4 ＞300 5.64 -0.28 6 5 ＞300 5.64 -0.28 6 6 ＞300 5.53 -0.39 4 7 ＞300 5.70 -0.22 5 8 ＞300 5.19 -0.73 5 9 ＞300 6.19 +0.23 7 10 ＞300 5.90 -0.05 5 11 ＞300 6.05 +0.10 6 12 ＞300 5.85 -0.10 6 13 ＞300 5.85 -0.10 5 14 35-50 5.95 +0.02 6 15 35-50 6.06 +0.13 5 16 35-50 6.20 +0.27 6 17 35-50 6.03 +0.10 6 18 35-50 6.00 +0.07 6 19 35-50 6.06 +0.13 6 20 35-50 6.09 +0.08 6 21 35-50 6.05 +0.10 6 22 35-50 6.08 +0.09 6 23 35-50 6.12 +0.13 5 24 35-50 6.02 +0.03 5 25 35-50 6.03 +0.05 6 26 35-50 6.06 +0.10 6 27 35-50 5.99 +0.03 6 28 35-50 6.00 +0.02 6 29 35-50 6.09 +0.12 6 30 35-50 5.95 -0.02 5 31 35-50 6.03 +0.06 5
从表中的数据可以看出，从含有＞300ppm乙酸钠的溶液中结晶出的产品的平均PH稳定性(以至不合格时的天数表示)为5.6天。这些样品溶液的平均起始PH为5.7，样品溶液和PH调节水之间在时间零点的平均PH差为-0.21(PH降)。有几批样品显现出轻微至强的乙酸气味。
对于从只含有30-50ppm乙酸钠的溶液中结晶出的那几批产品，至不合格时的天数相同(平均为5.7天)。平均起始PH为6.0，在时间零点的平均PH差为+0.08。这几批样品没有任何乙酸气味。
结论：
在三氯蔗糖结晶过程中溶液中乙酸钠的最佳含量为35-50ppm。这个含量被证明足以在结晶过程中保持PH在可接受的水平上。最终产品的稳定性非常好并且产品中没有乙酸气味。
实施例2
结晶过程中的PH对产品稳定性的影响
不考虑存在于结晶过程中的乙酸或其他缓冲物质的量，母液的PH有随时间下降的趋势。在过去，PH的范围是约3-4。我们现在已经发现，如果在结晶过程中将PH调节至接近中性，最终产品的稳定性会显著地提高。下表记录了结晶过程中PH不同的几批产品的稳定性测量结果。 样品号结晶设备中的pH 初始pH差至pH不合格时 的天数 32 2.75 -0.90 3 33 2.97 -0.94 4 34 2.97 -1.03 3 35 6.28 +0.10 5 36 5.99 +0.04 5 37 5.99 -0.06 5 38 6.07 +0.17 6 39 6.07 -0.02 7 40 7.01 +0.40 7 41 6.13 +0.40 5 42 6.34 +0.17 5 43 6.13 +0.29 5 44 7.11 -0.18 6 45 7.17 +0.17 7 46 8.05 +0.43 7
从这些数据中可以明显看出，将PH控制在接近中性(约6-8)显著增加了在加速稳定测试条件下的平均稳定性。
实施例3
残余含水量对三氯蔗糖稳定性的影响
对于几批三氯蔗糖，用于加速稳定性测试的样品在中度含水量时在干燥过程中取出，对部分干燥产品和最终干燥产品均进行测试。通过干燥失重(LOD)方法测定含水量。结果列在下表中。 样品号 初始含水量 (％)至pH不合格时的天数 最终产品 含水量 (％)至pH不合格时的天数 35 2.04 7 0.05 5 36 1.87 7 0.02 5 37 8.71 21 0.02 5 38 8.07 23 0.83 6 39 4.55 13 2.00 7 40 4.01 13 1.59 7 41 3.43 12 0.08 5 42 3.16 9 0.05 5 43 5.00 8 0.02 5
这些结果清楚地表明，干燥产品的稳定性与残余含水量成正比。这是一个出乎意料的结果，因为大多数晶体产品当干燥时变得更加稳定。
总结
虽然残余含水量对产品的稳定性的影响最大，但是它绝不是唯一的重要变量。例如，它不能克服在结晶过程中缺乏PH控制的影响。这可以通过以下的实验事实举例说明：样品32、33和34在没有控制PH的条件下结晶，在中度含水量(3-5％)时实际上没有它们在最终含水量(分别为0.05、0.11和0.21％)时稳定。
实施例4
不透湿容器用于三氯蔗糖贮存的应用
使用上述方法检测三氯蔗糖样品的稳定性，但是使用不同透湿性的袋子。其他所有的实验细节都相同。TYVEK_/聚乙烯袋是可透湿的，而WHIRLPAK_袋是透湿性较小的。A8080袋由层压在低密度聚乙烯上的一层铝箔组成，这使其不透湿性非常好。结果记录如下。样品号 包装材料 材料特性 初始 含水量 pH稳定性 24 FF 91TYVEK_/聚乙烯透湿性非常好 0.05％ 4天 24 WHIRLPAK_聚乙烯 透湿性中等 0.05％ 5天 24 A8080 不透湿 0.05％ 8天 47 FF 91TYVEK_/聚乙烯透湿性非常好 0.24％ 4天 47 A8080 不透湿 0.24％ 33天
结论
通过使用能够保持袋子中的含水量的不透湿包装，在加速稳定性测试中我们能够将三氯蔗糖的稳定性从4天增加至33天。产品稳定性和袋子可透湿性有直接的关系。很明显其他不透湿材料可以用于包装三氯蔗糖并使稳定性增加。