甜味剂三氯蔗糖合成法的最新进展

吴红英，鲍宗必，张治国，任其龙，邢华斌，杨亦文（浙江大学化学工程与生物工程学院，生物质化工教育部重点实验室，浙江 杭州 310027）



甜味剂三氯蔗糖合成法的最新进展

吴红英，鲍宗必，张治国，任其龙，邢华斌，杨亦文
（浙江大学化学工程与生物工程学院，生物质化工教育部重点实验室，浙江 杭州 310027）

摘要：随着生活质量的提高，人们对于高质量且高安全的食品添加剂的需求日益增长，三氯蔗糖是最理想的人工甜味剂，具有非营养、低热量、高甜度、高安全性和风味好等特点，所以三氯蔗糖合成法的研究十分必要。本文主要介绍了三氯蔗糖各合成法的国内外最新研究进展，并综合评价了各合成法，认为全基团保护法合成步骤太过繁锁；单基团保护法中的乙酸酐法和原乙酸三甲酯法仍存在一定缺陷，但有机锡法合成步骤少，有机锡可回收再利用，是目前最适宜于工业化的合成方法；而酶法，特别是蔗糖法，由于其环保和高选择性而被认为是未来最有潜力的合成法；同时一些新的合成法，如三氯蔗糖-6-酯的酶水解等，均值得进一步的研究。本文最后展望了未来的研究趋势并提出发展建议。

关键词：三氯蔗糖；甜味剂；全基团保护法；单基团保护法；酶-化学联合法

第一作者：吴红英（1989—），女，硕士研究生。联系人：杨亦文，教授，研究方向为天然产物的分离与生产。E-mail ceywyang@zju.edu. cn。

甜味剂是指赋予食品或饲料以甜味的食品添加剂，根据它们的来源，可以分为天然甜味剂和人工甜味剂两类。天然甜味剂，如蔗糖、葡萄糖、乳糖、果糖和D-木糖等，风味好，但其低甜度和高热值带给消费者罹患糖尿病、心血管疾病、肥胖和龋齿等疾病的风险。人工甜味剂，如糖精、甜蜜素、阿力甜-K、甜菊糖和阿斯巴甜等，甜度高，但安全性低、风味不好以及使用范围受限。此外，消费趋势显示，消费者对高安全性和高质量食品添加剂的需求量日益增加。因此，人工甜味剂，特别是低热值、非营养性和高甜度的人工甜味剂的开发显得尤为重要。三氯蔗糖是人工甜味剂中最完美和最具竞争力的甜味剂，它具有高甜度、风味好、非营养性、贮存期长、低热值以及安全性高等优良性能。三氯蔗糖由蔗糖4-，1′-和6′-位羟基被氯代而来，由英国伦敦大学教授Leslie Hough和Tate & Lyle公司在1976年合作研发成功[1]，于1988年投入市场。到目前为止，已经有80多个国家批准使用三氯蔗糖。三氯蔗糖已成为高甜度甜味剂最高水平和发展方向的代表。

1　三氯蔗糖基本性质

1.1三氯蔗糖结构

三氯蔗糖，一种取代二糖，化学名为4，1′，6′-三氯-4，1′，6′-三脱氧半乳蔗糖（图1），是一种强力食品甜味剂，商品名Splenda，简称TGS。

图1　三氯蔗糖结构式[1]

1.2三氯蔗糖应用特点

物化性质：三氯蔗糖易溶于水、甲醇和乙醇，而其他人工甜味剂如阿斯巴甜、糖精和阿力甜-K则微溶于甲醇或乙醇，这就意味着三氯蔗糖既可用于水性食品和饮料，也可用于酒精饮料。三氯蔗糖溶液的表面张力小，因而添加三氯蔗糖于碳酸饮料中不会形成过多泡沫。

功能特点：作为强力甜味剂，其单位质量甜度为蔗糖的600～800倍。且三氯蔗糖相对于蔗糖、糖精、阿力甜-K和阿斯巴甜的感官特性，在苦后味、酸味、甜味、体积感、甜后味和非甜后味方面，三氯蔗糖是最接近蔗糖的口感和风味的甜味剂。此外，三氯蔗糖除了与食品和饮料具有高度兼容性外，与其他甜味剂也具兼容性。

稳定性：三氯蔗糖在宽pH值和高温下均具有高稳定性。HUTCHINSON等[2]研究发现，分别在pH值 3、5、7，温度100℃条件下放置1h，三氯蔗糖含量都仍高达98%。同时，三氯蔗糖不会与任何食品和饮料中的佐料反应。三氯蔗糖在180℃下烘烤25min，其放射性图谱显示烘烤后的分布和含量与烘烤前一致，进一步证明了三氯蔗糖在受热条件下基本无降解和反应发生。

生物特性：采用放射性标记法追踪三氯蔗糖的代谢路径，研究表明，三氯蔗糖并无生物积累性[3]，大部分的三氯蔗糖（接近85%）是不被人体所吸收的，以粪便的形式排出，所以，三氯蔗糖在人体内基本上是生物惰性的[4]。另外，三氯蔗糖不为龋齿细菌所利用，从而无导致龋齿的潜在风险[5]。

然而，一些近期的研究发现，三氯蔗糖并非完全的生物惰性。它可能改变控制药物生物利用度的代谢酶的表达[6]，且可能打破胃肠内有益菌和有害菌的平衡。除了85%的三氯蔗糖以粪便形式保持不变地被排出外，另外15%的踪迹仍未被人们所知[7]。

安全性：基于大量的安全性研究，三氯蔗糖的安全性已被世界各地的公共卫生组织所认可。然而，绝对的安全并不能保证，这是因为三氯蔗糖被发现对DNA有潜在的损害性[8]，且在烘烤过程中会产生氯丙醇[9]——一种潜在的有毒化合物[7]。

2　三氯蔗糖合成方法

合成三氯蔗糖的大体过程包括酰化、氯代、脱酰基和纯化等步骤。氯代蔗糖涉及选择性地氯代蔗糖的4-,1′-和6′-位羟基而不氯代其他位置的羟基，同时伴随着4-位羟基的翻转，即从葡萄糖基变成半乳糖基（图1）。蔗糖分子包含3个伯羟基和5个仲羟基，其氯代活性大致为6＞6′＞4＞1′＞2＞3＞3′＞4′，这就给选择性地仅氯代4-,1′-和6′-位羟基带来困难。而且4-羟基被取代，同时保持6-羟基不受影响就更是棘手。

因此，一个合理的方式即仅酰化保护6-羟基，进而选择性氯代4-,1′-,6′- 羟基以合成三氯蔗糖，这就是所谓的单基团保护法[10]。另一个途径是通过氯代只有4-,1′-,6′-羟基暴露，而2-,3-,6-,3′-,4′-位羟基均被保护的蔗糖衍生物以合成三氯蔗糖，这就是所谓的全基团保护法。酶-化学联合法则是利用酶的特定选择性来进行三氯蔗糖的合成。总之，三氯蔗糖的制备方法主要分为全基团保护法、单基团保护法、酶-化学联合法以及其他方法。

2.1全基团保护法

全基团保护法是最早的三氯蔗糖合成法，其合成步骤如下：①利用三苯基氯甲烷的空间位阻，将蔗糖的3个伯羟基(6-,1′-,6′-位)三苯甲基化；②酰化剩余5个仲羟基得到6,1′,6′-三-O-三苯甲基五乙酰基蔗糖（TRISPA）；③脱去三苯甲基生成2,3,4,3′,4′-五-O-乙酰蔗糖(4-PAS)，接着乙酰基迁移生成2,3,6,3′,4′-五-O-乙酰蔗糖(6-PAS)；④氯代4-,1′-,6′-羟基得到4,1′,6′ –三氯-4,1′,6′-三脱氧半乳糖基五乙酰基蔗糖(TOSPA)，进一步的氯代总结见表1，脱酰基得三氯蔗糖，一般合成步骤见图2。

表1　6-PAS的氯代试剂对比

图2　全基团保护法的一般合成步骤[1]

HOUGH等[1]率先提出全基团保护法并取得14.6%的总收率。虽然该法收率相当低，但这一发现使人工合成三氯蔗糖成为可能。在此路线的基础上，对反应步骤或反应条件进行改进，使得该方法的收率得到了提高。其中脱三苯甲基和乙酰基迁移分成两步进行，结合氯代条件的优化，使用过量的氯代试剂和较高的反应温度，是早期提高总收率的普遍方法。后来TULLY等[13]发现，在乙酰基迁移过程中改用弱碱性催化剂，接着无需纯化直接进行氯代，可大大简化反应步骤并减少酯类副产物的产生，乙酰基迁移收率可达85.4%，总收率为23.9%。最近研究发现，乙酰基迁移步骤甚至可被省去[19]，合成方法见图3。此反应的原料为蔗糖烷基4,6-原酸酯，此化合物可特异性地酰化6-位羟基，从而无需乙酰基迁移就可制得高收率的蔗糖-6-酯。这一方法的总收率可达71.78%，每一小步的收率分别为＞95%，＞95%，＞95%，91% 和92%。这是全基团保护法中收率最高的。遗憾的是，原料蔗糖烷基4,6-原酸酯并未工业化生产，且该实验的重现性也未得到证实。

图3　全基团保护法合成步骤[12]

SANKEY等[20]采用催化氢化法脱三苯甲基，催化剂为铂或钯，在中性、室温和常压条件下即可实现催化氢化反应，而收率却高达95%，并减少了目标产物的分解和副产物的生成。然而，此法中三苯甲基氯在催化氢化过程中生成的三苯甲烷未能实现回收再利用，且铂或钯催化剂相当昂贵，从而限制了其工业化。2008年，SUNG等[18]改进了全基团保护法中的多个步骤。首先，他们将三苯甲基化和乙酰化合并为一步，这样只需使用单一溶剂吡啶，无需中间过程的处理。第二，通入等物质的量的氯化氢气体用于脱三苯甲基，从而降低了溶液中残留的盐酸量。另外，作者使用低沸点溶剂叔丁胺进行乙酰基迁移，将反应温度降至室温。最后，氯代过程采用三苯基氯化铵（BETAC）为催化剂以减少反应副产物，氯代收率达74%。经过以上改进，此合成法的实验条件更简单可控，也更易于工业放大，并能保证34%的总收率。

全基团保护法经过不断的创新与改进，有了一定突破，但其合成步骤太过冗长，因而必须寻找更为简化而有效的合成方法。

2.2单基团保护法

单基团保护法（图4）是仅将蔗糖的6-位羟基选择性酰化（步骤 I），紧接着氯代（步骤 II）和脱酰基（步骤 III）合成三氯蔗糖的方法，进一步的氯代总结见表2。此法最先由KHAN等[38]提出，因为单基团保护法仅保护6-羟基，三步即可完成合成，与全基团保护法相比大大简化了合成步骤和操作过程，因此，此法一被提出便很快成为研究热点。按照所用酰化试剂的种类，单基团保护法可以分为乙酸酐法、原乙酸三甲酯法、有机锡法和其他。

图4　单基团保护法的一般合成步骤[15]

2.2.1乙酸酐法

乙酸酐法由KHAN等[38]首次提出，该法将蔗糖和乙酸酐在−20℃的吡啶溶液中直接反应得蔗糖-6-酯，接着氯代和脱乙酰基生成三氯蔗糖。这一新的合成工艺仅需三步，与全基团保护法相比，过程大大简化。但酯化温度为−20℃，不利于实验的操作和条件的控制。由于乙酸酐的低选择性，合成过程中将产生多种结构和性质均十分相近的蔗糖酯衍生物，需使用色谱才能有效分离目标产物。同时，该法的总收率远远未能令人满意，仅7%。

所以，提高酰化试剂的选择性成为乙酸酐法的迫切任务，近期的很多研究均针对此目标，主要在催化剂和溶剂方面取得一定突破[10，39-40]。

固体超强酸催化剂SO42−-TiO2/Al2O3或SO42−-TiO2和一种有机复合碱金属盐催化剂，乙酸钠，均被证实对蔗糖的6-位羟基具有高选择性[10，39]。虽然固体超强酸催化剂SO42−-TiO2/Al2O3或SO42−-TiO2实现了79%的酯化率，以固体光气（BTC）为氯代试剂，总收率可达34.6%，然而，由于固体超强酸催化剂寿命短且为粉末状，并不适合工业应用。乙酸钠作为酰化蔗糖过程中的催化剂正好解决了这一问题，它与酰化试剂乙酸酐和溶剂4-二甲基氨基吡啶（DMAP）结合进行酰化反应。此催化剂在反应过程中表现出稳定性好、酰化率高等特点，在20℃的反应温度下，酰化收率高达90.8%。接着使用亚硫酰氯和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）氯代，然后以叔丁胺为催化剂，在无水乙醇中脱乙酰基和纯化，总收率为33%。

表2　蔗糖-6-酯的氯代试剂对比

离子液体为溶剂用于提高酰化选择性是十分新颖的方法。2012年，俞陆军等[40]首次将其应用于蔗糖的酰化和氯代反应，将酰化收率提高到了93.8%，氯代收率提高到了69.1%。这种环境友好型溶剂降低了氯代副产物的生成，提高了氯代速率和收率，减少了挥发性溶剂的使用，总收率可达58.9%，但离子液体的高成本限制了该法的工业化应用。

2.2.2原乙酸三甲酯法

原乙酸三甲酯法首次由SIMPSON[41]提出，其一般步骤见图5，以对甲苯磺酸为催化剂，室温条件下将蔗糖与原乙酸三甲酯溶于DMF中反应得蔗糖4,6-原乙酸酯；接着4,6-原乙酸酯水解开环生成蔗糖-4-酯和蔗糖-6-酯；该蔗糖酯混合物在叔丁胺中转化为蔗糖-6-酯，进一步氯化、全乙酰化和脱酰基得三氯蔗糖，总收率接近19.2%。

2013年，万屹东等[42]采用固体光气氯代原乙酸三甲酯法制得蔗糖-6-乙酸酯，取得了37.3%的总收率。在此研究基础上，他们创新性地引入相转移催化剂和抗氧化剂辅助氯代[43]，以亚硫酰氯和DMF为氯代试剂，分阶段氯代。当以四丁基氯化铵为相转移催化剂，叔丁基对苯二酚为抗氧化剂时，三氯蔗糖总收率为34.7%。新催化剂和抗氧化剂的引入较有效地避免了过度氯化，提高了反应收率，但亚硫酰氯将产生二氧化硫，限制了该法的发展，需进一步改进以适应工业化需求。

图5　原乙酸三甲酯法的一般合成步骤[41]

2015年，李卓才等[44]创新性地采用磺化笼型介孔碳催化蔗糖和原乙酸三甲酯，进行蔗糖的C-6位羟基保护反应，从而提高了酰化剂的选择性。其氯代步骤最初采用Vilsmeier试剂，三氯蔗糖-6-乙酸酯收率50.75%，但鉴于该试剂不够环保，后改用新型氯代试剂邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂进行氯化反应[45]，氯代温度90℃，反应完毕后用乙酸乙酯萃取，活性炭脱色，浓缩结晶得到三氯蔗糖-6-乙酸酯产物，收率57%。该方法与传统方法相比，氯代过程不会产生二氧化硫气体，且氯代温度低，减少了产物的碳化。该法属于多组分串联式反应，简化了反应步骤，省去了复杂的分离步骤，与传统方式相比，优势明显。

2.2.3有机锡法

有机锡法如图6所示，是一种利用有机锡类酰化助剂选择性地酰化6-位羟基，其中乙酸酐或苯甲酸酐作为酰化剂，接着氯代和脱酰基得到三氯蔗糖的方法。学者们先后提出了4种关于有机锡的机理。

图6　有机锡法的一般合成步骤[46]

第一种机理由NAVIA[46]提出，他使用低级醇作为载体，与二烃基氧化锡水合物生成1,3-二烃氧基- l,l,3,3-四烃基二锡氧烷，接着与蔗糖反应得1,3-二-(6-O-蔗糖) -l,1,3,3-四烃基二锡氧烷，然后酰化生成蔗糖-6-酯和1,3-二酰氧基- l,l,3,3-四烃基二锡氧烷（DSDE，可以为二锡氧烷二乙酸酯DSDA或二锡氧烷二苯酸酯DSDB），酰化率为88%～96%，机理如图7。但DBDS易受潮，遇水迅速变成固体聚合物，因而很难回收再利用。这些缺点导致此法难于商业化生产。

第二种机理是NEIDITCH等[47]在NAVIA的研究基础上，直接将二丁基氧化锡水合物与蔗糖反应生成DBSS（图8），从而避免了低级醇的使用，也避免了易受潮的DBDS中间体的生成，蔗糖-6-酯的最好收率上升为95.9%，远远高于先前的研究成果。

VERNON和WALKUP[48]主要解决了有机锡终产物DSDE的回收再利用问题，过程①为DSDE与一种烃类碱金属盐反应生成DBDS·H2O，用于NAVIA过程；过程②为DSDE与碱金属氢氧化物生成DBTO·1/2H2O，用于Neiditch过程，见图9 （KOBu和NaOH作为示例）。

图7　第一种有机锡法机理[46]

图8　第二种有机锡法机理[47]

图9　DSDE的回收再利用法[48]

第三种机理由WALKUP等[49]提出，他们用二丁基氧化锡与二元醇或烷醇胺或烯醇化的α-羟基酮反应制备有机锡类酰化助剂，接着与蔗糖反应制得6-O-[二烃基（羟基-或氨基-或含氧烃基）氧化锡]蔗糖，见图10（二丁基氧化锡和乙二醇作为示例）。蔗糖-6-酯在所有酯中所占比例为98.8%～99.4%。但乙二醇为高沸点化合物，需高真空度下才能脱除干净，为工业规模生产带来不便。该过程也增加了酰化试剂的消耗量，需2mol当量的酰化试剂才能得到目标产物，而不是之前机理中的1mol，这是因为中间体上的羟基会消耗1mol的酰化试剂。

图10　第三种有机锡法机理[49]

图11　第四种有机锡法机理[50]

接着，VERNON等[50]无意间发现DSDE（DSDA 或DSDB）本身可以作为酰化催化剂，该催化剂无需处理即可回收再利用，又进一步简化了有机锡催化剂的回收再利用，机理如图11，方程式①以DSDA·H2O为催化剂，方程式②以DSDA为催化剂。近几年关于有机锡的研究均基于第四种机理，主要涉及该过程中除水方式的改进。VERNON等[50]通过加入共溶剂进行共沸蒸馏除水。WHITE等[51]在VERNON等[50]的基础上，通入具有除水能力的混合溶剂蒸汽除水，该法降低了碳水化合物的降解度，蒸汽的较高温度缩短了反应时间，且通入蒸汽也在一定程度上提高了产品质量和反应选择性。CLARK 等[52]仍使用共沸蒸馏除水，但采用连续性加入非极性共溶剂的方式除水，共沸蒸馏过程的溶剂可通过冷凝回收再利用。该过程中的优选温度为97℃，优选压力为50kPa，该减压条件减少了副产物。但该过程需加入大量非极性共溶剂，从而造成蔗糖的析出，也限制了蔗糖达到最高浓度。2008年，BOUTZALE等[53]以连续逆流方式通入气体或溶剂蒸汽至溶液中除水，与WHITE和ATHENS相比，反应时间由60min缩短至20min。2011年，MICINSKI等[54]发现，通入气体或溶剂蒸汽也没必要，他们使用转膜蒸发器蒸馏除水，转膜蒸发器的使用避免了非极性共溶剂、气体或溶剂蒸汽的使用，从而简化了实验过程。在50～70℃温度、20～40mmHg的真空度下，该转膜蒸发器提供1577～78865W/m2的热通量用以除水，如此高的热通量大大缩短了反应时间，也减少了产品流股中的副产物。此外，与共沸蒸馏相比，较低的反应温度也减弱了碳水化合物的降解，酰化收率可达86.60%。

2.2.4其他单基团合成法

乙酸或苯甲酸也可作为蔗糖单基团保护法中有效的酰化试剂，以偶氮二甲酸二乙酯或N,N-二环己基碳二亚胺（DCC）作为催化剂。研究表明，该法的酰化选择性极高，蔗糖的转化率高达95%以上，除6-位羟基以外的酰化率极低[55]。氯代过程采用三氯乙腈（TCA）为催化剂，脱酰基在甲醇/KOH中进行，因为反应的高选择性，在脱酰基前可省去全酯化的过程[38]，三氯蔗糖总收率为21.5%。这一方法虽酰化试剂对6-位羟基具有高选择性，反应条件温和，已经实现了年产量15吨/年的工业化生产验证[55]，但收率低，生产成本高，且偶氮二甲酸二乙酯耗量大是迫切要解决的问题。氯甲酸甲酯或氯甲酸乙酯也可作为酰化试剂酰化蔗糖得蔗糖-6-酯，然后分段通入氯气进行氯代，其中氯化温度范围为−20～20℃，三氯蔗糖收率最高33.7%[56]。此方法无论是酰化试剂还是氯代试剂均很新颖，且氯代温度低，能耗低，工艺流程短而简单，但最低氯化温度达−20℃，为实验条件的实现带来了一定困难。

鉴于原乙酸三甲酯法合成蔗糖-6-酯需进行蔗糖-4-酯到蔗糖-6-酯的转化，且该转化的理论收率仅为75%。因而KHAN等[57]和戚聿新等[58]分别提出1,1-乙二醇二甲醚和硼酸酐作为酰化试剂以提高选择性。1,1-乙二醇二甲醚的分子量比原乙酸三甲酯低，从而在质量上减少了反应物的投入量，反应过程中仅释放1mol的甲醇，而不像原乙酸三甲酯法将释放2mol甲醇，其酰化收率高达85%。硼酸酐可选择性地与蔗糖6-位羟基结合生成中间体，然后氯代，在饱和无机盐水溶液中脱酰基直接制得三氯蔗糖，该反应采用的是所谓的一步合成法，具有操作简单、温和的反应条件、83.3%的总收率以及良好的工业适用性等优点。

2.3酶-化学联合法

传统的化学法合成蔗糖-6-酯均伴随着蔗糖-4-酯或蔗糖双酯的存在，需进一步分离纯化。而酶法的高选择性在一定程度上解决了上述问题，这也是酶-化学联合法如此吸引人的原因所在。

酶-化学联合法是利用酶的区域选择性催化合成三氯蔗糖的方法。糖分子的酯化实际上是糖分子和酰基供体间的酯交换，对糖分子具有酰化选择性的酶主要为：脂肪酶和蛋白酶等，其中，蛋白酶如来自枯草杆菌的枯草杆菌蛋白酶，脂肪酶如Lipozyme TLIM、Lipozyme TL 100L和假丝酵母脂肪酶，它们的酰化机理均类似。根据反应原料的类型，酶-化学联合法可分为3种类型，即葡萄糖法、蔗糖法和棉籽糖法。

2.3.1葡萄糖法

传统的葡萄糖法是通过巨大芽胞杆菌将葡萄糖发酵为葡萄糖-6-乙酯，接着与蔗糖混合，在来源于枯草杆菌的β-果糖基转移酶催化下，生成蔗糖-6-乙酯，蔗糖-6-乙酯的收率约50%，总收率为17.16%。在此过程中，需采用色谱手段分离纯化葡萄糖-6-乙酯和蔗糖-6-乙酯，发酵设备和酶反应器成本投入高，且该反应步骤繁琐[59]。因此，分离手段的改进以及反应步骤的简化是葡萄糖法亟待解决的问题。毕贤等[60]于2010年采用固定化酶实现葡萄糖-6-乙酯到蔗糖-6-乙酯的转化，从而简化了葡萄糖-6-乙酯的分离，见图12。该法酰化收率为50%，与传统葡萄糖法接近。但葡萄糖的6-位羟基用三苯基氯甲烷选择性保护后生成6-O-三苯甲基葡萄糖，其中葡萄糖的6-位羟基的酯化比蔗糖的6-位羟基选择性高很多，所以生成副产物少，分离纯化简单。与传统葡萄糖法相比，使用固定化β-果糖转移酶更易于酶的移除与回收利用，且该法省去了发酵步骤，生产成本得以大大降低，使葡萄糖法更易于规模化工业生产。

2.3.2蔗糖法

蔗糖法直接将蔗糖与乙酸乙烯酯反应，脂肪酶为催化剂，只需一步即可合成蔗糖-6-酯，大大简化了葡萄糖法的步骤。

郑璞等[61]报道了固定化脂肪酶Lipozyme TLIM为催化剂，DMSO/叔丁醇为非水系介质，乙酸乙烯酯为酯基供体合成蔗糖-6-酯的方法，优化条件后收率89.3%。然而，因Lipozyme TLIM颗粒在2～3个循环周期后将被粉碎，造成酶不能被有效回收利用，从而限制了该方法的连续性操作。2012年，YANG等[62]采用无载体固定化技术克服催化剂不能有效回收利用的问题。无载体固定化技术是最新的酶固定化法，能够实现酶的高负载和高稳定性，通过无载体固定化技术得到Lipozyme TL 100L的酶交联聚集体（CLEAs），这种聚集体作为催化剂具有更好的机械稳定性，即使循环8个周期，蔗糖-6-酯的收率仍可达49.31%。经过优化，CLEAs的酶活性为34.64U/g，蔗糖-6-酯的浓度可达49.8g/L，且蔗糖-6-酯的收率仍保持87.46%的较高水平。2014年，ZHONG等[63]提出将假丝酵母脂肪酶涂覆表面活性剂TW80后固定在溶胶-凝胶支架上，作为蔗糖与乙酸乙烯酯在有机共溶剂中反应得蔗糖-6-酯的催化剂。这种固定化方式也显著地提高了酶的负载量以及酶在有机溶剂和高温下的稳定性，优化后的酰化收率为78.68%，在6个循环周期后仍保持57.81%的高收率。由于该方法的低成本和可连续操作性，其工业化前景良好。

图12　葡萄糖法[60]

除了酶催化剂的优化改良，沈彬等[64]于2014年采用微波诱导催化法提高酰化收率，此法属于物理场辅助生物催化技术。通过酰化条件的优化，特别是微波辐射的温度、功率和频率的优化，沈彬等将蔗糖-6-酯的收率提高到了90.5%。微波诱导催化不仅未改变脂肪酶的选择性，反而提高了酶活性，加快了反应速率，显示了其明显优势，值得进一步的深入研究。

2.3.3棉籽糖法

棉籽糖法以棉籽糖为原料，无需基团保护，只需氯代和酶水解两步即可合成三氯蔗糖，见图13，其中间体为6,4′,1′6′-四氯-6,4′,1′,6′-四脱氧半乳棉籽糖（TCR），水解酶采用α-半乳糖苷酶。

图13　棉籽糖法的一般合成步骤[65]

棉籽糖法的相关研究大部分由Tate & Lyle公司完成，到目前为止，只提出了3种合成路线。RATHBONE等[65]于1987年提出使用亚硫酰氯为氯化剂，三苯基氧化膦和三苯基膦为催化剂，吡啶为溶剂合成TCR，氯代收率仅为32.6%。接着在甲基异丁基酮的预饱和缓冲溶液中，α-半乳糖苷酶催化水解TCR得三氯蔗糖，其中α-半乳糖苷酶来源于葡酒色被孢霉ATCC 20034，24h的水解收率为61%～74%，总收率约24%。由于三苯基氧化膦和吡啶的使用，为后续的分离纯化带来很大困难。HOMER等[66]对以上路线进行改进，运用Darzens过程进行棉籽糖的氯代，机理见图14。基于以下机理，棉籽糖与亚硫酰氯在吡啶溶液中反应得亚硫酸盐（R2SO3）和吡啶盐酸盐，除去游离吡啶后，于1,2-二氯乙烷和催化剂三苯基氯化铵（BETAC）中进一步与亚硫酰氯反应生成氯代亚硫酸盐（RSO2Cl），接着吡啶盐酸盐催化RSO2Cl得RCl和二氧化硫，氯化收率提高到49%，总收率提高到36%，其中，BETAC为水溶性催化剂，易于分离和回收再利用。随后，KHAN等[67]采用亚硫酰氯∶吡啶∶棉籽糖的羟基数接近1∶1∶1的配比，在1,2-二氯乙烷中回流9～12h或1,1,2-三氯乙烷中回流2h进行氯代反应，收率上升为60%，由于无需加入催化剂，纯化过程得到了简化。

图14　Darzens过程[66]

2.3.4其他酶合成法

三氯蔗糖-6-乙酯脱酰基生成三氯蔗糖的步骤一般采用化学法实现，其中虽有实现高转化率和连续性脱乙酰基的方法，但要得到较纯的三氯蔗糖，后续还需进行复杂的分离纯化过程。2007年，RATNAM等[68]率先报道了酶法催化脱酰基制得三氯蔗糖的过程，最大收率可达95%，其中酶为游离或固定化形式均可。这样的过程仍需纯化和后处理以得到三氯蔗糖纯品，所以该过程成本仍较高且较耗时。CHAUBRY等[69]于2013年提出以枯草芽孢杆菌固定化细胞反应器催化脱酰，见图15，实现了单步水解率100%，所以三氯蔗糖无需纯化，直接浓缩结晶即可达100%纯度。而且固定化细胞反应器连续使用超过3个周期后生物转化率仍可保持100%，所以该方法大大降低了成本，而且纯化过程简单，设备连续性好。

图15　酶法水解三氯蔗糖-6-酯合成三氯蔗糖[69]

2.4其他合成法

以上介绍的三氯蔗糖合成法在氯代前均涉及羟基的保护，一种新的、无需基团保护的方法在2011年由HAO[70]提出，他将蔗糖直接与亚硫酰氯反应生成4,6,1′,6′-四氯-4,6,1′,6′-四脱氧半乳蔗糖，转化率超过94%，接着氯代的蔗糖与乙酸钠反应得三氯蔗糖-6-乙酯，最后在甲醇/甲醇钠体系中脱酰基生成三氯蔗糖，总收率36%或更高，见图16。这一过程具有成本低、收率较高、步骤少和反应条件温和等特点，但酰化步骤选择性低，造成分离和纯化困难，其工业化是否可行仍是个问题。

图16　其他三氯蔗糖合成法[70]

3　综合评价及展望

全基团保护法由于在氯代前对其余羟基进行了全保护，其产物纯度高，反应条件温和，同时对设备要求低且实验操作简单，但合成路线太过复杂，至少五步才能完成反应。即便近几年对该方法进行了许多改进，如催化剂的改进、步骤或氯代条件的优化等，但全基团保护法仍过于复杂，已经逐渐被舍弃。

与全基团保护法相比，单基团保护法的收率较低，这是因为其需选择性地氯代蔗糖4-,1′-,6′-位羟基，而不像全基团保护法仅暴露4-,1′-,6′-位羟基，所以氯代条件更苛刻，但该法步骤较少，同时具备低成本、原料易得、反应物消耗少和适合工业化生产等特点。单基团保护法包括乙酸酐法、原乙酸三甲酯法、有机锡法及一些其他方法。乙酸酐法是最古老的单基团保护法，此酰化法反应条件苛刻，对设备的要求高，因此，该法的相关报道比较少。虽然乙酸酐法取得了一定突破，新催化剂的采用使收率得到一定提高，也首次将离子液体应用于酰化和氯代过程，实验过程更加环保、无污染，但鉴于催化剂使用寿命短、离子液体成本高等原因，该法实现工业化的道路仍很漫长。相比较于乙酸酐法，原乙酸三甲酯法的反应条件更加简单，对设备的要求也降低了。然而原乙酸三甲酯法仍属较麻烦的合成法，因其增加了将蔗糖-4-乙酸酯转化为蔗糖-6-乙酸酯的步骤，而且该转化过程的理论收率仅为75%。所以在单基团保护法中，有机锡法的操作相对简单，收率较高，且与乙酸酐法相比，反应条件更温和，与原乙酸三甲酯法相比，对6-羟基的选择性更高且涉及更少的蔗糖-6-酯合成步骤。关键的是，有机锡可以回收再利用，这就减少了制备成本，也更适宜工业化。近年来，有机锡法的工艺越来越成熟，对其机理的研究已相当透彻，除水工艺也越来越趋于工业化，尽管仍存在一些不足，就目前而言，有机锡法是单基团保护法中最有前景且最易于工业化的合成法。但一些新的单基团保护法，以乙酸、苯甲酸、硼酸酐和1,1-乙二醇二甲醚为酰化试剂，均取得了较好的收率，所以，这些方法也必须引起足够重视。

与单基团保护法和全基团保护法等化学法相比，酶-化学联合法具有反应条件温和、高选择性、环保且无需消耗大量化学试剂等优势。其中，葡萄糖法涉及发酵合成葡萄糖-6-乙酯，成本相当高，蔗糖-6-乙酯的分离也很困难，必须采用色谱技术，所以该法不适宜进行工业化生产。蔗糖法近几年发展迅速，其中蔗糖-6-酯的合成被简化为一步，而且改进后的固定化酶可循环利用多次，设备连续性操作易于实现，虽然该法刚处于发展初期，但鉴于生物技术将是未来的一大发展趋势，蔗糖酶法的研究势头十分强劲，前景也十分乐观。棉籽糖法只需两步即可完成三氯蔗糖的合成，且中间体水解所需的α-半乳糖苷酶已商品化，与其他方法相比，优势十分明显，但遗憾的是棉籽糖的来源问题较难解决，棉籽糖价格一直居高不下。另外，TCR的水解速率十分缓慢，24h的水解率仅为60%～70%，鉴于此，自1995年以来，几乎没有关于棉籽糖法的研究进展。酶法水解三氯蔗糖-6-乙酯是近几年新提出的水解法，单步水解率可达100%，无需进一步纯化即可得到三氯蔗糖纯品，所用设备固定化细胞反应器适宜连续操作，因而值得对其进行更深入的研究。

因此，对今后三氯蔗糖合成法研究提出如下建议。

（1）全基团保护法进行工业化难度大，可减少这一方法的研究比重。

（2）单基团保护法，特别是有机锡法，其机理研究透彻，工艺条件也比较成熟，就目前而言，是最适合工业化的合成方法，对该方法进行进一步的工艺改进以使其更易于工业化将十分有价值 。

（3）一些新的单基团保护法取得了不错的收率，进一步探索新的酰化试剂估计会有不错的突破，可在这方面多下功夫。

（4）环保是大势所趋，且近几年生物合成法的发展势头强劲，酶-化学联合法前景十分乐观，其中的蔗糖法优势尤为突出，不仅实验步骤少，改进后的固定化酶还可多次循环使用，对其进行进一步的研究十分必要。

（5）棉籽糖法是所有方法中步骤最为简单的，若能解决棉籽糖的来源以及TCR的水解速率问题，很可能为三氯蔗糖合成法带来革命性的进展。

（6）酶法水解三氯蔗糖-6-乙酯合成三氯蔗糖是十分新颖的脱酰基法，而且研究成果显示其水解率高达100%，这方面的研究需引起重视，这将会大大简化三氯蔗糖的分离纯化步骤。

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研究开发

Progress in synthesis of food sweetener sucralose

WU Hongying，BAO Zongbi，ZHANG Zhiguo，REN Qilong，XING Huabin，YANG Yiwen
（Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education，College of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

Abstract：With the improvement of life quality，there has been an increasing demand on high quality and high safety food sweeteners. Sucralose is exactly such an ideal artificial sweetener，which has the features of non-nutritive，low-calorie，high sweetness，high safety，and good flavor. Therefore，it is extremely necessary to study the synthetic methods of sucralose. This paper mainly summarizes the recent progress in the synthetic methods of sucralose，and comprehensive evaluation is given. It is concluded that，while the omni-group protection method contains too many synthetic steps and the mono-group protection method of the acetic anhydride method and trimethyl orthoacetate method are still in development, the organotin method has fewer synthetic steps and the organotin can be recycled，therefore it is considered to be the most applicable in industrial production so far. On the other hand，chemical-enzyme synthetic method，especially the sucrose method，is believed to be the most promising one in the future due to its environment friendly and high selectivity aspect. In addition，there are some other synthetic methods，such as enzymatic hydrolysis of sucralose-6-ester，etc.，worthy of further research. Finally，the research trends are also discussed and several development suggestions are proposed.

Key words：sucralose; sweetener; omni-group protection method; mono-group protection method; chemical- enzyme synthetic method

基金项目：国家自然科学基金（21222601）、教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-13-0524）和浙江省重点科技创新团队计划（2011R50002）项目。

收稿日期：2015-05-04；修改日期：2015-06-12。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.031

中图分类号：TS 264.9；TS 24

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）01–0227–12