二氫異構化啤酒花浸膏的工藝優化

劉玉梅，高智明，羅安瓊

(1.新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 8 30046；2.新疆三寶樂農業科技開發有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

二氫異構化啤酒花浸膏的工藝優化

劉玉梅1，高智明2，羅安瓊1

(1.新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 8 30046；2.新疆三寶樂農業科技開發有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

二氫異構化啤酒花浸膏是啤酒花中的一個主要的軟樹脂成分α-酸經異構化成異α-酸后氫化還原制備的產物，具有苦味平和、無后苦味等特點，是異α-酸的還原產物中溶解度最好的一個產品。在正交試驗的基礎上，通過進一步的單因素試驗考察異α-酸加氫還原為二氫異α-酸的工藝條件。結果表明，反應溫度、催化劑NaBH4的用量、KOH與異α-酸的物質的量比及反應時間等都與反應產物二氫異α-酸的收率有直接關系，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-酸的物質的量比1:1、NaBH4與異α-酸的物質的量比0.25:1、反應溫度100℃、反應時間2h。在此條件下，進一步的放大實驗證明，反應收率可達97%以上。

啤酒花；二氫異構化啤酒花浸膏；氫化；還原

隨著人們對啤酒風味的要求更加多樣化，近代啤酒工業越來越傾向于使用苦味度比較柔和穩定，在麥汁中的溶解度好、具有更好的光化學反應穩定性和使用更加方便的“啤酒花制品”。這些啤酒花的加工產品品種多樣，特性各有所長，不僅可更好地適應現代啤酒工業發展的需要，而且對改良啤酒的風味品質、保持產品質量的均一性和穩定性均起到了良好的促進作用[1-3]。除了20世紀80年代中期開始使用的各種啤酒花浸膏之外，目前使用較多的產品還包括異構化啤酒花浸膏、還原異構化啤酒花浸膏和啤酒花油等。其中，還原異構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，又可進一步分為二氫異構化啤酒花浸膏、四氫異構化啤酒花浸膏、六氫異構化啤酒花浸膏等，其中以二氫異構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，穩定性和起泡能力也較異α-酸更好[4-5]。作為世界啤酒生產的第一大國，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，近年來為了適應現代啤酒工業的發展，也為了滿足消費者的需求，生產出多種口味和風味不同的啤酒，對各種性能優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、反應時間、反應溫度、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-酸的最佳反應條件，本實驗以異α-酸為原料，選用了NaBH4和KBH4等還原羰基常用的催化劑，通過正交試驗優化反應條件，得到合成二氫異α-酸的最佳工藝條件，旨在對這類產品的開發和生產起到一定的促進和借鑒作用。

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業科技開發有限公司提供。

異α-酸由本實驗室以啤酒花浸膏為原料自制；異α-酸和二氫異α-酸的標準品 美國釀造化學協會；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型數顯恒溫水浴金壇市醫療儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 異α-酸的氫化反應條件

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；進樣量：10μL；采用二氫異α-酸的標準品，峰面積外標法定量。

1.2.3 統計分析

實驗數據的統計分析結果均是采用Microsoft Excel或OriginPro 8.0專業軟件來處理的，實驗數據表示為平均值±標準偏差。

2 結果與分析

2.1 異α-酸的氫化反應機理及影響因素

啤酒花中α-酸的異構化衍生物異α-酸具有多個不飽和鍵，在氫化還原劑的存在下可以發生還原，因氫化還原的體系和反應的程度不同可能會生成二氫、四氫和六氫異構化衍生物，二氫異構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物，采用硼氫化鈉或硼氫化鉀等羰基還原劑時通常生成的是二氫異α-酸[7]。簡單的反應流程見圖1。

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

圖1 異α-酸的還原反應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

為了全面地評價各種選定條件下異α-酸的氫化程度和反應過程中的副反應發生的強弱，實驗結果分別采用異α-酸的轉化率和二氫異α-酸的收率兩個指標來考核的，計算的依據是測定出反應體系中各組分的濃度。反應原料和反應混合物中各組分的質量分數是采用HPLC法，以外標法進行定量分析得到。

本實驗中除正交試驗外，其余數據均是采用N次試驗平均值(N≥3)。

2.3 正交試驗考察異α-酸氫化反應合成二氫異α-酸的影響因素

在化學反應中，選用合適的催化劑可以大幅度地提高生產效率，而同一類催化劑在價格上也會有較大的差異。預實驗首先對異α-酸氫化反應催化劑的選擇作了多次實驗比較，結果表明，選用羰基還原劑NaBH4或KBH4做催化劑反應均可進行，KBH4略好于NaBH4，但從成本角度來考慮，決定選用NaBH4作催化劑。

在多次預試驗的摸索和結果分析的基礎上，為盡快找到合適的反應條件，首先確定了以反應溫度、催化

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

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

為了綜合考慮各方面的因素，正交試驗中將異α-酸的轉化率和二氫異α-酸的收率同時作為考核指標。綜合指標即是以這兩個指標的加權和來計算的，以綜合指標計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，采用了如下公式計算：

表2 異α-酸氫化反應正交試驗結果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

由正交試驗中各因素的極差值可知，在選定的反應條件下，反應時間對氫化反應的的影響相對較小，其他3個因素的影響要明顯地高于反應時間。催化劑NaBH4的使用量影響最為明顯，KOH與異α-酸的物質的量比和反應溫度對反應產物收率的影響程度依次增加。正交試驗的直觀分析見圖2。

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

從圖2可以看出，當反應時間從1h增加到3h時，反應收率呈緩慢增加的趨勢，繼續延長時間則基本不再發生變化。而反應溫度的影響則相反，當溫度低于80℃時，不利于反應進行，隨著溫度的提高，反應進行的速度明顯的提高，這表明了氫化反應必須要有足夠的外

界提供的能量才可以進行。催化劑NaBH4與異α-酸的物質的量比的關系則與前兩個因素不同，隨著NaBH4與異α-酸的物質的量比的增加，反應產物中二氫異α-酸的含量反而呈下降趨勢，但單純從異α-酸的轉化率來看變化并不明顯，基本上反應物中的異α-酸均已發生了反應。這表明催化劑的用量高時，在氫化的同時還會發生過氫化現象，即有各種副反應發生，反應產物發生了進一步的氫解現象。KOH與異α-酸的物質的量比對反應結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，反應收率從低到高增加，但當超過一定的范圍時，則反應收率會發生明顯地下降，這表明合適的加堿量對保證氫化反應的完全也是非常重要的。由于反應時間大于3h后沒有變化，因此從正交試驗中得到優化的反應條件為A2B1C1D2或A3B1C1D2，即在100℃的條件下，反應時間為3h或5h時，KOH與異α-酸的物質的量比為1:1，催化劑NaBH4與異α-酸的物質的量比為0.5:1為優化的試驗條件，這一優化的條件并未出現在正交試驗中。正交試驗中的最好試驗結果是條件為A1B1C1D1，即反應溫度為100℃，催化劑NaBH4與異α-酸的物質的量比為0.5:1，與此相同，而反應時間和KOH與異α-酸的物質的量比分別為1h和1.5:1。由于催化劑NaBH4與異α-酸的物質的量比為0.5:1是否為最適宜的比例不能完全確定，而反應時間的選擇也需要進一步的試驗來驗證，為了找到更合適的反應條件，在分析了正交試驗結果的基礎上又對催化劑添加比例和反應時間的關系進行了進一步的探討。

2.4 催化劑和反應時間與氫化反應的關系

從正交試驗的結果可以看出，隨著催化劑用量的增加，異α-酸的轉化更為完全，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，反應過程中可能發生了過氫化反應，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，很多反應中都需要過量的NaBH4來完成反應。正是由于這種考慮，正交試驗選擇了0.5:1～1.5:1的NaBH4用量，但從正交試驗結果可知，NaBH4物質的量比0.5:1時最好，因此，有必要進一步考察NaBH4用量的影響。表3中的實驗數據是在正交試驗的優化條件下，即反應溫度100℃， KOH與異α-酸的物質的量比為1:1的條件下，比較了在NaBH4與異α-酸物質的量比小于0.5:1的不同條件下，反應時間與二氫異α-酸的收率之間的關系。

表3 不同的催化劑用量和反應時間對二氫異α-酸的收率的影響Table 3 Effect of NaBH4 amount and reaction time on dihydroiso-alpha-acid yield

表3的數據表明，當NaBH4與異α-酸的物質的量比為0.25:1時，二氫異α-酸的收率最高，在0.1:1時，異α-酸在3h內氫化不完全；高于0.3:1時，反應中可能由于副反應的增多而影響反應產物的收率。另外從反應時間上來看，2h時的反應收率基本上已經穩定，繼續延長反應時間對反應結果并無改善，甚至還會加大發生副反應的可能。因此，通過反復試驗，最終確定反應溫度100℃，KOH與異α-酸的物質的量比1:1，催化劑NaBH4與異α-酸的物質的量比0.25:1，反應時間2h為氫化反應的最佳工藝條件。并在此基礎上進行了放大驗證，由表4結果可知，反應收率可達97%以上。

表4 最佳工藝條件的放大驗證實驗Table 4 Results of scale-up experiments for the validation of optimized reaction conditions

圖3 二氫異α-酸的標準樣品色譜圖Fig.3 HPLC chromatogram of dihydroiso-alpha-acid standard

圖3 和圖4分別為二氫異α-酸的標準樣品和反應產物的高效液相分析的色譜圖。由于異α-酸是由3個同系物組成的，還原產物中每個產物都有順、反兩種異構體，理論上應該存在6個異構體，但以目前的分離條件，二氫異α-酸的標準樣品僅能得到4個主要的色譜

峰，而反應產物中在這4個主要的色譜峰之前的一個色譜峰即為未反應完全的異α-酸。

圖4 二氫異α-酸的反應產物色譜圖Fig.4 HPLC chromatogram of a dihydroiso-alpha-acid product synthesized in this study

3 結 論

本實驗以啤酒花浸膏中α-酸的異構化衍生物異α-酸為原料，通過正交試驗考察了異α-酸加氫還原為二氫異α-酸的工藝條件。結果表明，催化劑的選擇對反應的順利進行是十分重要的，但羰基還原劑NaBH4或KBH4對反應的影響并無太大差異，而催化劑NaBH4的用量、反應溫度、KOH與異α-酸的物質的量比及反應時間等都與反應產物二氫異α-酸的收率有直接關系，其影響程度依次減弱。在分析了正交試驗結果的基礎上，通過進一步的單因素試驗最終確定以異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-酸的物質的量比為1:1、NaBH4與異α-酸的物質的量比為0.25:1、反應溫度為100℃、反應時間為2h。并在此條件下，通過放大驗證實驗證明，反應收率可達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

新疆維吾爾自治區科技支疆計劃項目(200991247)

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