徐春發(fā)，陳萍，袁耀鋒

福州大學化學學院，福州 350108

1 前言

甜味是具有糖和蜜一樣的味道，是最受人們喜愛的味道之一。通常，葡萄糖和蔗糖是最主要的甜味劑，然而過量攝入上述糖類不僅容易造成肥胖、牙齒損壞等健康問題。更有甚者，會增加糖尿病患病的幾率，以及增加抑郁和心血管疾病的風險。因此，新型甜味劑尤其是高倍甜味劑的開發(fā)吸引了精細化工產(chǎn)品公司和食品公司的重點關注。三氯蔗糖因其甜味純正、甜味特性與蔗糖類似、甜度高，已成為甜味劑中最重要的產(chǎn)品。此外，三氯蔗糖在體內(nèi)不會被代謝，對人體也無明顯副作用，不會引起糖尿病等疾病，是一種安全的食品。目前，三氯蔗糖全球市場需求約為2萬噸，單價約為20萬元/噸，具有很高的經(jīng)濟價值，是甜味劑領域中最具前景的產(chǎn)品。目前多個國家已經(jīng)批準生產(chǎn)三氯蔗糖，生產(chǎn)工藝流程也逐漸成熟。三氯蔗糖可以作為多種食品的添加劑，已逐步取代傳統(tǒng)食品甜味劑，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的健康需求。

三氯蔗糖作為新型甜味劑的代表在多本國外著名教材[1,2]中已被收錄，但目前國內(nèi)主要的有機化學教材則鮮有提及。事實上，三氯蔗糖跟大學有機化學中碳水化合物的內(nèi)容密切相關。此外，它的合成工藝所涉及的轉(zhuǎn)化與有機化學中羥基的反應性如醚化、酯化和氯化等內(nèi)容也緊密相連。因此，筆者認為適宜地將三氯蔗糖引入到有機化學相關章節(jié)如碳水化合物的授課教學中，一方面既能拓展章節(jié)知識內(nèi)容；另一方面也能夠讓學生深刻了解有機化學在三氯蔗糖等精細化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要作用，提高學生的學習興趣。下文將就三氯蔗糖的性質(zhì)、發(fā)現(xiàn)、合成及應用進行闡述。

2 三氯蔗糖概述

2.1 三氯蔗糖基本性質(zhì)

三氯蔗糖(Sucralose)是鹵代蔗糖的一種，它的化學名稱為4,1',6'-三氯-4,1',6'-三脫氧半乳型蔗糖(4,1',6'-trichloro-4,1',6'-deoxy-sucrose)，結(jié)構如圖1所示。蔗糖分子中的4,1',6'位的羥基被氯原子取代，同時4-位發(fā)生構型翻轉(zhuǎn)，由平伏鍵轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷㈡I。

圖1 蔗糖(Sucrose)和三氯蔗糖(Sucralose)的結(jié)構

三氯蔗糖是白色結(jié)晶性粉末。它的甜味純正，甜度非常高，大約是5%蔗糖溶液的600倍，與蔗糖的味感十分接近，沒有其他甜味劑如糖精、甜蜜素等所帶來的后苦味及金屬味。三氯蔗糖的能量值極低，對肥胖癥患者、心血管疾病患者、糖尿病患者及老年人特別適用，備受人們青睞。三氯蔗糖具有很好的穩(wěn)定性，不易與其他食品組分發(fā)生反應。其易溶于水，且表面張力與水接近。因此，三氯蔗糖在水中溶解時，不易產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象，易于稀釋，可以應用于碳酸飲料和酒精飲料的生產(chǎn)制造[3]。它的安全性已獲得充分的研究，到目前為止，沒有充足的證據(jù)表明三氯蔗糖對人體有明顯的損害，安全性極高。美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)確認三氯蔗糖是一般公認的安全類添加劑，我國也在1997年7月1日起批準使用。

2.2 三氯蔗糖的發(fā)現(xiàn)

三氯蔗糖可謂是一個偶然的重要的發(fā)現(xiàn)。1975年，一位印度籍的研究生Shashikant Phadnis在伊麗莎白女王學院(現(xiàn)為倫敦國王學院) L. Hough教授的實驗室研究殺蟲劑。其中的一項研究是將硫酰氯(SO2Cl2)與蔗糖反應得到蔗糖的氯代物，他們期望這種殺蟲劑可以產(chǎn)生良好的殺蟲效果。有意思的是，如果不是因為一個單詞的誤聽，三氯蔗糖可能會繼續(xù)沉寂于殺蟲劑的研究中。Phadnis在一聽電話中將“test”誤聽為“taste”，盡管自己研究的是殺蟲劑，但是由于該電話來自一家大型制糖公司，所以Phadnis認為公司要求品嘗產(chǎn)品也是合理的。于是，他沒顧慮產(chǎn)品中可能存在的危險做了嘗試，并驚奇地發(fā)現(xiàn)蔗糖的氯代物具有很強的甜味，為迄今最具競爭力的高倍甜味劑三氯蔗糖的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎[4]。

隨后，科研人員利用硫酰氯(SO2Cl2)、亞硫酰氯(SOCl2)、三苯基膦(PPh3)-四氯化碳(CCl4)等氯化條件合成了多種氯代的蔗糖衍生物。有趣的是，有的氯代產(chǎn)物呈現(xiàn)出甜味，有的呈現(xiàn)出苦味。具有甜味的衍生物甜度也有很大差異。在前人大量研究的基礎上，英國泰萊公司(Tate & Lyle)于1976年成功研發(fā)了現(xiàn)在市面上使用的三氯蔗糖，將其商品命名為“Splenda”，并申請了專利。目前，泰萊公司仍是全球最主要的三氯蔗糖供應商。近些年，山東康寶生化科技、江蘇鹽城捷康和安徽金禾實業(yè)等國內(nèi)企業(yè)發(fā)展迅猛，有望進一步提升中國在三氯蔗糖市場的話語權。

3 三氯蔗糖合成工藝

三氯蔗糖的合成方法有化學合成法和生物酶合成法。盡管生物催化合成近年來引起了廣泛的關注，但是化學合成仍是三氯蔗糖生產(chǎn)最主要的工藝。

三氯蔗糖是以蔗糖為原料通過在C4，C1'，C6'三個位置脫氧氯代合成的蔗糖衍生物。然而，蔗糖分子含有8個自由羥基包括3個伯羥基和5個仲羥基(圖1 1)，這種復雜的多羥基結(jié)構使得選擇性氯化反應變得異常困難。研究表明羥基的反應活性順序大致為C6, C6' > C4 >C1' > C2, C3, C3'[5]，因而，要對C4，C1'，C6'處的羥基實現(xiàn)氯化，而保留高活性C6號位的羥基，就需要預先對C6位羥基進行保護。根據(jù)官能團保護數(shù)量的不同可分為全基團保護法和單基團保護法，本文將分別列舉一條典型的路線來對這兩種方法進行介紹。

3.1 全基團保護法

全基團保護法是基于蔗糖分子中不同羥基的空間位阻差異，利用較大體積的基團如三苯基甲基選擇性地保護蔗糖中3個伯羥基，然后對其余的5個仲羥基進行乙?；?。接著全保護的蔗糖衍生物4在酸性條件下選擇性脫除三苯基甲基，得到產(chǎn)物5 (圖2)。在三乙胺作用下，4號位的乙?；w移至反應活性更高的C6號位，從而生成產(chǎn)物6，該過程是全基團保護法的關鍵步驟。隨后，利用三苯基膦和四氯化碳進行氯化(Apple反應)，以及利用甲醇鈉/甲醇體系脫除乙?；?，就可得到目標產(chǎn)品三氯蔗糖(圖2 2)[6]。

圖2 全基團保護法合成三氯蔗糖

全基團保護法是較早合成三氯蔗糖的方法，這一發(fā)現(xiàn)使人工合成三氯蔗糖成為可能。該法具有無需色譜分離、產(chǎn)品收率和純度高以及反應條件便于控制的優(yōu)點。其缺點是步驟多、工藝復雜、原料三苯基氯甲烷價格昂貴，生產(chǎn)成本高。盡管全基團保護法經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和改進，取得了一定的進展，但由于其合成步驟太過冗長，仍須尋找更為簡化有效的合成方法。

3.2 單基團保護法

單基團保護法合成三氯蔗糖是先將蔗糖6號位的羥基選擇性地?；?，得到蔗糖-6-酯(圖3 9)[7]；然后再選擇性地將C4，C1'，C6'三處具有較高活性的羥基進行氯化，得到產(chǎn)物10；隨后脫除乙?；纯芍频萌日崽?圖3)[8]。Khan和Mufti最早提出這種路線，由于該法只保護一個羥基，極大地簡化了工序和操作[8]。因此，該法一直是三氯蔗糖工藝路線研究的熱點。在以原甲酸三乙酯作為乙?；噭┑穆肪€中，除了生成預期的蔗糖-6-酯(圖3 9)外，還生成了其異構體蔗糖-4-酯(圖3 9’)。值得指出的是，異構體9’在叔丁胺作用下可以轉(zhuǎn)化為9，進一步提高該方法的效率。利用二氯亞砜可以有效地完成蔗糖-6-酯的氯化，得到化合物10。為方便提純，通常將剩余的四個仲羥基進行乙?；?，再一次性脫除五個羥基即可制得三氯蔗糖[9]。

圖3 全基團保護法合成三氯蔗糖

單基團保護法最為關鍵的步驟是如何選擇性地實現(xiàn)單酯化，該過程效率的高低直接影響著整條路線的成本。由于酶催化具有獨特的專一性和高選擇性，所以，利用酶催化來高效地獲取單酯化產(chǎn)物蔗糖-6-酯不失為一種優(yōu)異的策略。

4 三氯蔗糖的應用研究

4.1 食品工業(yè)中的應用

三氯蔗糖已經(jīng)在超過500種食品的生產(chǎn)中得到應用，包括碳酸飲料、酒品、水果罐頭、糖果類、焙烤類糕點、乳酪類、低糖餡類食品等。三氯蔗糖的穩(wěn)定性較高，使用十分便捷。通?？刹扇「邏阂合嗌V(HPLC)法測定其含量，以便獲得三氯蔗糖含量和口味效果等相關數(shù)據(jù)信息。目前，具有代表性的可口可樂、百事可樂等碳酸飲料都已經(jīng)推出以三氯蔗糖作為甜味劑的低熱量系列產(chǎn)品，極大地提高了三氯蔗糖的市場需求。實驗表明，三氯蔗糖極少的添加量，就可以大大改善酒類產(chǎn)品的口感，可以掩蓋部分酒類產(chǎn)品的酸澀感，使之口味鮮甜、醇厚、酒體協(xié)調(diào)、無異味。三氯蔗糖在糕點烘焙中基本不會流失，也不會參與發(fā)酵反應，不會影響酵母的生長，因此非常適用于食品添加劑中。此外，在農(nóng)、畜、水產(chǎn)品的生產(chǎn)加工中，三氯蔗糖作為調(diào)味品可使咸味、酸味等食品的口感更加柔和[10]。

4.2 日化用品中的應用

三氯蔗糖除了在食品工業(yè)領域得到廣泛應用外，在日化用品中也占有一席之地。牙膏的基本成分包括摩擦劑，其作用是增強刷牙的摩擦力，幫助去除食物殘屑和軟垢等。但是摩擦劑通常具有堿土味，加上其他一些特殊藥劑的苦澀味，因而未添加味覺改良劑的牙膏難以入口。味覺改良劑通常包括甜味劑和咸味劑。鑒于三氯蔗糖具有不參與機體代謝且其代謝途徑與胰島素無關、甜度高、用量少、甜味純正、不會引起牙齒齲變的特點，它可作為一種功能型甜味劑應用在牙膏中，代替牙膏中常用的甜味劑糖精鈉，使牙膏的質(zhì)量和風味更佳[11]。

4.3 醫(yī)藥領域中的應用

三氯蔗糖除了作為重要的甜味劑外，它還具有抗菌特性，這使得其可應用于納米醫(yī)用材料[12]。此外，三氯蔗糖還可以改善藥物顆?？诟校蚨Ｗ鳛槌C味劑應用在藥品、保健品中。由于其用量小，且能有效改善口感，在兒童用藥中也占有一席之地。吉林農(nóng)業(yè)大學的祝洪艷等人[13]通過實驗以及運用數(shù)學模型法評價了不同甜味劑和芳香劑的配方，用于復方板藍根口服液的矯味，結(jié)果表明三氯蔗糖和桔子香精配合應用對板藍根口服液的矯味效果最好。

5 結(jié)語

碳水化合物的合成與轉(zhuǎn)化是有機化學的重要組成部分，然而由于其復雜的多羥基結(jié)構，讓多數(shù)學生在學習過程中望而卻步。但是，碳水化合物的學習與有機化學中環(huán)己烷的構象、羥基的反應類型、立體化學都緊密相關，并且能有效加深對這些知識的理解。同時，碳水化合物相關知識的掌握也能夠為生物化學奠定重要的基礎。三氯蔗糖作為蔗糖重要的衍生物，甜度異常高，跟我們生活聯(lián)系密切，具有很高的經(jīng)濟價值；并且其合成過程涉及前面提及的構象、反應性和立體化學知識，與本科教學高度關聯(lián)。因此，三氯蔗糖可以作為良好的素材，將其引入到有機化學教學中能夠?qū)嶋H應用與基礎教育相結(jié)合，為教學帶來趣味，激發(fā)學生的學習熱情。筆者在教學實踐中已在環(huán)己烷構象、立體化學、醇的反應章節(jié)中補充三氯蔗糖的內(nèi)容。通過對這部分知識的介紹，學生加深了對環(huán)己烷構象的理解，也進一步認識了異頭碳效應。三氯蔗糖的合成工藝讓學生更清楚地理解不同取代類型羥基的反應活性差異，以及該轉(zhuǎn)化涉及的反應類型。綜上所述，三氯蔗糖相關知識的引入能夠很好地促進有機化學的教學。