阅读说明：本技术 一种HMB-Ca的制备方法 (Preparation method of HMB-Ca ) 是由 石亚楠 洪永德 王碧 李阳 吴文忠 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：一种HMB-Ca的制备方法,包括下述步骤：(1)氯仿反应：将40-60wt％的双丙酮醇水溶液均分2～3份后分次匀速滴加入10-25wt％氧化剂水溶液中,于18-28℃环境下搅拌反应0.5-1h；(2)产物精制纯化：反应液原液酸化至PH为7-8后,以100-200道尔顿的纳滤膜浓缩除盐至浓缩液体积为原液的45％,膜操作压力为1.5～2.25MPa；继而于60℃进行真空蒸馏继续浓缩至原液质量的10-20％；冷却至室温,搅拌0.5-1h后过滤；向滤液中加入2-3倍质量的洗脱剂,搅拌1h后过滤,烘干得到的HMB-Ca。本发明缩短了工艺路径,提高了转化率；生产过程清洁、环保、安全,成本低廉。(A preparation method of HMB-Ca comprises the following steps: (1) and (3) chloroform reaction: uniformly dripping 2-3 parts of 40-60 wt% diacetone alcohol aqueous solution into 10-25 wt% oxidant aqueous solution at constant speed for several times, and stirring and reacting for 0.5-1h at the temperature of 18-28 ℃; (2) and (3) refining and purifying a product: acidifying the reaction liquid stock solution until the pH value is 7-8, and concentrating and desalting by using a nanofiltration membrane of 100-; then vacuum distillation is carried out at 60 ℃ and concentration is continued until the mass of the stock solution is 10-20%; cooling to room temperature, stirring for 0.5-1h, and filtering; adding eluent with the mass of 2-3 times of the filtrate, stirring for 1h, filtering, and drying to obtain the HMB-Ca. The invention shortens the process path and improves the conversion rate; the production process is clean, environment-friendly, safe and low in cost.)

一种HMB-Ca的制备方法

技术领域

本发明涉及β-羟基-β-甲基丁酸钙盐(HMB-Ca)的制备方法，属于有机化合物的合成及精制技术领域。

背景技术

HMB全称β-羟基-β-甲基丁酸盐，是亮氨酸的中间代谢产物。HMB在1988年第一次被Steven Nissen博士发现，最早在动物实验上出现了瘦体重增加，蛋白分子的分解程度也有所降低的效果，还有些动物实验发现，HMB有增加实验动物脂肪酸氧化，减少脂肪的功能。

HMB被比较广泛的使用做为运动补剂，则已经是21世纪的事情了。在宣传中可以看到HMB有非常多的功能，如促进恢复，提高力量，缓解压力等等，但它最主要还是在两个方面对训练者产生作用，一是促进蛋白质的合成，帮助增肌；二是抑制蛋白质分解，帮助减脂。即增肌又减脂，并因此受到市场青睐。

HMB-Ca在1995年得到美国食品药品监督管理局的GRAS认定，使用范围为医用营养食品和特殊膳食。近20年来，在美国市场上HMB-Ca已广泛应用于乳制品、巧克力制品、饮料、能量棒等各种食品中。尤其在美国的运动营养领域广泛应用，商品大量流通，特别受到专业运动员、健身人士的欢迎。

相比海外市场，中国市场HMB-Ca开发时间较晚。数据显示，2016我国市场对HMB-Ca原料需求仅为2吨，而2017年达到20吨左右，预计2025年市场需求将突破1000吨。当然，HMB-Ca在日本市场上的成功案例也将不断激励国内品牌开发相关的产品。2015年以来，国内企业相继推出了HMB产品，如西安力邦推出的立适康高能固体饮料；上海复星推出的特力行产品；康比特的HMB健肌粉强化型等等，之前由于新食品原料的使用受限，产品集中在运动营养食品和在医院渠道销售的特殊食品。2017年技源集团在完成应用扩展后，HMB-Ca可用于几乎所有的普通食品剂型(见2017.5.31卫计委公告)。这无疑给众多食品和保健品研发企业带来了前所未有的历史性机遇。

HMB钙盐的制备方法属于有机化合物制备技术领域。业内常用的制备路线是通常基于4-甲基-4-羟基-2-戊酮(双丙酮醇)与氧化剂反应，反应产物经成盐、精制获得HMB钙盐。近年来，HMB的应用范围逐渐扩大，不少生物医药企业都推出了HMB相关的产品，但有关HMB合成方法的相关报道却很少。典型的HMB-Ca制备方法均以双丙酮醇和氧化剂为反应原料进行卤仿反应后经酸化、有机溶剂萃取后得到HMB(β-羟基-β-甲基丁酸)后与钙试剂成盐得到HMB-Ca，其中氧化剂分为次卤酸盐和过氧乙酸这两类；有机溶剂大多采用乙酸乙酯、异丁醇等；钙试剂大多采用氯化钙和氢氧化钙。(CN02151042和CN201711166893)。但现有方法普遍合成转化率低，不超过60％，其中雅培公司通过小试的优化后将纯的双丙酮醇和次氯酸钠采用连续化管式反应器在低温3℃汇合12.8min流出后转化可达64％-78％，这说明了双丙酮醇高温分解的特性及氯仿反应放热的实质，而工业上要达到低温、可控的连续化以及原料次氯酸钠的腐蚀性对设备、人员、能耗和公司条件的要求较高，不适用于中小企业的工业化生产。且氧化剂与双丙酮醇发生氯仿反应的反应液经酸化后含盐量较大，大多数厂家需要采用有机溶剂萃取的方法进行分离提纯。

发明内容

本发明旨在提供一个更加高效、环保的HMB-Ca生产工艺。

基于此目的，本发明提供一种HMB-Ca的制备方法，包括下述步骤：

(1)氯仿反应：

将40-60wt％的双丙酮醇水溶液均分2～3份后分次匀速滴加入10-25wt％氧化剂水溶液中，于18-28℃环境下搅拌反应0.5-1h；

(2)产物精制纯化

步骤(1)的反应液原液酸化至PH为7-8后，以100-200道尔顿的纳滤膜浓缩除盐至浓缩液体积为原液的45％，膜操作压力为1.5～2.25MPa；继而于60℃进行真空蒸馏继续浓缩至原液质量的10-20％；冷却至室温，搅拌0.5-1h后过滤；向滤液中加入2-3倍质量的洗脱剂，搅拌1h后过滤，烘干得到的HMB-Ca。

本发明的HMB-Ca生产方法切实基于HMB-Ca的性质，采用直接合成工艺，不经过HMB-Na的中间体，直接合成HMB-Ca。此举改变了传统合成工艺，缩短了工艺路径，将转化率提高至70％以上；并且在后期产品精制纯化过程中有效回避使用有机溶剂，获得高纯度的HMB-Ca；生产过程清洁、环保、安全，并有效降低成本。

具体实施方式

本发明在于提供一种高效、环保的HMB-Ca生产方法。其发明效果体现在提升反应底物转化率、提高产物品质、减少污染性有机溶剂产生等方面。

本发明所述的HMB-Ca的制备方法，基于现有技术中的氯仿反应-产物精致纯化的HMB-Ca生产基本路线。所述的氯仿反应中，仍然涉及底物双丙酮醇和氧化剂的氯仿反应。但是在产物的投加方式上，我们进行了有益的创新，将40-60wt％的双丙酮醇水溶液均分2～3份后分次匀速滴加入10-25wt％氧化剂水溶液中，于18-28℃环境下搅拌反应0.5-1h。

为了实现本发明的技术目的，尤其是底物的充分转化，首要的技术特征是设定合适的产物投加方式。本发明中提供的具体方案是双丙酮醇水溶液的分次、缓慢投加。在整个反应过程中，作为反应底物的双丙酮醇水溶液被均分为2～3份，分次匀速滴入反应体系。滴加速度0.3～0.6ml/min，优选为0.5ml/min。投加时间点的选定则是需要保证相邻两次投加的起始时间点间隔不少于15min。在分2次投加的方案中，第一次投加在反应的开始时，即反应0min；第二次投加优选在反应30-60min时候。基于该改进后的技术方案，本发明所提供的卤仿反应在氧化剂:双丙酮醇的投料摩尔比2-4:1的条件下，底物双丙酮醇的转化率可以达到70％或者更高，而相同技术条件下该数值一般不超过60％。

该所述的氯仿反应中，氧化剂的选择可以根据本领域的现有技术进行选择，本发明中，可选择但不限于次氯酸钙，次氯酸钠，次碘酸钠，次溴酸钠和次碘酸钙。为了反应底物的充分转化，氧化剂水溶液浓度为15-20wt％，其中，wt％是指质量百分浓度。同样为了提高底物转化率的目的，我们的发明中将双丙酮醇水溶液浓度选定为50wt％。但这是为了获得最突出的有益效果的设定，并非限制性的条件参数。

在提高底物转化率的基础上，另一方面的技术方案改进集中于产物精制纯化。本发明中以无溶剂替代路线替换了现有技术中广泛采用的有机溶剂方案：将卤仿反应液经酸调整pH至中性，然后投加洗脱剂洗涤结晶的方法直接分离提纯HMB-Ca，可得到纯度超过95％的HMB-Ca产品，收率96％。整个工艺过程HMB-Ca总折纯收率超过75％。具体的技术方案中，产物的精制纯化是将上述氯仿反应后的反应液原液酸化至PH为7-8后，以100-200道尔顿的纳滤膜浓缩除盐至浓缩液体积为原液的45％，膜操作压力为1.5～2.25MPa；继而于60℃进行真空蒸馏继续浓缩至原液质量的10-20％；冷却至室温，搅拌0.5-1h后过滤，该步骤可以得到含40-60wt％的HMB-Ca的滤液；向滤液中加入2-3倍质量的洗脱剂，搅拌1h后过滤，烘干得到的HMB-Ca。该步骤中所述的酸化选用硫酸、盐酸或硝酸作为酸化剂；酸化剂的选择及用量确保反应体系扎制盐的单一，且确保HMB-Ca不被酸化成HMB。所述的洗脱剂选自甲醇、乙醇和乙酸乙酯。优选采用乙醇。在采用上述精制提纯方案所获得的产品仍然未达到令人满意纯度的产品，还可以增加重复溶解-洗脱的步骤来获得更高质量标号的HMB-Ca产品。重复溶解-洗脱是将所获得的HMB-Ca配制成30-50wt％的水溶液后加入2-3倍质量的洗脱剂，搅拌1h后过滤。洗脱剂的选择与前述方案一致，以保证溶剂的单一性，有利于回收处理与重复利用。

下面结合非限制性实施例对本发明作进一步说明。

在本说明书中，如无特殊说明：采用高效液相色谱进行转化率和HMB-Ca纯度的测定。

采用硫代硫酸钠滴定法测定原料有效氧化性。

本发明中wt％用于表示溶液的质量浓度。

实施例1

配制100g质量浓度为20％的次氯酸钙水溶液和15g质量浓度为50％的双丙酮醇水溶液，采用蠕动泵以1.5rpm/min的流速向100g次氯酸钙水溶液分别在0、30min滴加2均分为2份的双丙酮醇水溶液(即7.5g/份)，在22℃进行卤仿反应30min，经测定双丙酮醇的转化率为73.2％。

将上述卤仿反应后的反应液3kg经盐酸酸化至pH7.0后，通过截留分子量为200Dalton的纳滤膜进行浓缩除盐，得到初始反应液质量的1.35kg浓缩浓液，(此步骤HMB损失<1％。膜操作压力为1.5～2.25MPa，过滤掉1.65kg的含盐清液后得到浓缩反应液I)，60℃真空蒸馏对浓缩反应液I继续浓缩至0.25kg，冷却至室温，搅拌0.5h后进行过滤后得到的质量含量为57.2％HMB-Ca滤液；向该滤液中加入0.25kg的乙醇搅拌1h后过滤，烘干得到的HMB-Ca纯度为96.1％，总折纯收率>75％。

实施例2

本实施例以CN103857390A中所提供的小试实验方案([0053]-[0056]，[0058])作为对比。在CN103857390A中，就氯仿反应，小试阶段的技术方案优化包括：在分批模式、室温、富漂白剂的操作条件下，通过受控添加双丙酮醇可提供48％-50％的HMB收率；在分批模式、室温、贫漂白剂的操作条件通常会在约12-20分钟中提供10％-12％的HMB收率；在分批模式、低温(3℃)、富漂白剂的操作条件下，提供60％-67％的HMB收率；在分批模式、低温(3℃)、贫漂白剂的操作条件下提供16％-24％的HMB收率。

最后确定采用连续管式反应器在3:1-4:1次氯酸钙和双丙酮醇摩尔比情况下于室温20℃进行反应，发现6.4分钟停留时间和12.8分钟停留时间HMB收率在46％-47％；在低温3℃和3.2分钟达到约52％的HMB收率。在低温3℃和6.4分钟停留时间约58％-76％的HMB收率。在低温3℃和12.8分钟停留时间提供64％-78％的HMB收率。

在CN103857390A所述及的技术方案中，所谓分批模式是指釜式反应或者氧化阶段的反应；不涉及分批次投加或投料过程控制。

将80kg的二丙酮醇加入1200kg次氯酸钠溶液(10％)后室温搅拌4小时；静置分层分去下层液体；洗涤上层反应液后加入14kg的亚硫酸氢钠控温10℃搅拌，加入浓盐酸溶液酸化PH2.0后减压浓缩，过滤得到HMB粗品溶液；再将粗品溶液加入到乙酸乙酯进行萃取，合并萃取有机相60℃浓缩得50kg HMB。经检测，β-羟基-β-甲基丁酸化合物产品中，β-羟基-β-甲基丁酸含量为98.7％，转化率约为61.69％。

向50kg上述HMB中加入250kg乙醇，加入95％当量的氢氧化钙搅拌2小时后得混合液进行砂芯过滤，砂芯孔径为10-20微米，垫400目滤布及铺硅藻土，滤液浓缩去除水后得固体HMB-Ca粗品；向得到的HMB-Ca粗品中加入100L的乙醇，升高温度至70℃并搅拌2小时后降温至室温；降温后的混合液进行砂芯过滤，砂芯孔径为10-20微米，滤液浓缩，去除乙醇溶剂后得固体；取100kg的乙酸乙酯，进行砂芯过滤(砂芯孔径为10-20微米)后加入到上述处理的固体中，搅拌2小时后过滤、烘干，得到HMB-Ca产品(95Kg，收率82％)。

由上述数据对比可知以双丙酮醇和氧化剂为反应原料进行卤仿反应后经酸化、有机溶剂萃取后得到HMB(β-羟基-β-甲基丁酸)后与钙试剂成盐的制备方法普遍合成转化率较低，不超过62％，而且氧化剂与双丙酮醇发生氯仿反应的反应液含盐量较大，有机溶剂萃取提纯的用量较多。其中CN103857390A通过小试的优化后将纯的双丙酮醇和次氯酸钠采用连续化管式反应器在低温3℃汇合12.8min流出后转化可达64％-78％。尽管如此，但工业上要达到如CN103857390A所述的低温、可控的连续化以及原料次氯酸钠的腐蚀性对设备、人员、能耗和公司条件的要求较高，合成HMB-Ca工艺步骤交长，其方案并不适用于中小企业的工业化生产。

实施例3

配制浓度20wt％的次氯酸钙水溶液和50wt％的双丙酮醇水溶液，用于下述实验：

A.在室温条件下，采用蠕动泵以1.5rap/min(很低的流速)的流速向100g次氯酸钙水溶液中滴加5g的双丙酮醇，搅拌1h，全程常温水浴冷却；反应后经HPLC测定双丙酮醇转化率60％；(过程中温度计监控发现反应液温度升高5-7℃)

B.在室温条件下，采用蠕动泵以30rpm/min的流速向5g的双丙酮醇滴加100g次氯酸钙水溶液搅拌1h，经HPLC测定双丙酮醇转化率50％(过程中温度计监控发现反应液温度升高5-7℃)；

C.在室温条件下，采用蠕动泵以1.5rpm/min的流速向100g次氯酸钙水溶液分别在0、30min滴加均分为2份的双丙酮醇(即2.5g/份)，搅拌1h，全程常温水浴冷却，反应后经HPLC测定双丙酮醇转化率65％，(过程中温度计监控发现反应液温度升高3-5℃)，其中分段投加的时间是以反应液温度恢复初始温度为标准确定；

D.在室温条件下，采用蠕动泵以1.5rpm/min的流速向100g次氯酸钙水溶液分别在0、20、30min滴加均分为3份的双丙酮醇(即1.7g/份)，搅拌1h，全程常温水浴冷却，反应后经HPLC测定双丙酮醇转化率65％；过程中温度计监控发现反应液温度升高3-5℃)，其中分段投加的时间是以反应液温度恢复初始温度为标准确定；

E.在室温条件下，采用蠕动泵以1.5rpm/min的流速向100g次氯酸钙水溶液分别在0、30min滴加2均分为2份的双丙酮醇水溶液(即7.5g/份)，搅拌1h，全程常温水浴冷却，反应后经HPLC测定双丙酮醇转化率72.5％，(过程中温度计监控发现反应液温度升高3-5℃)，其中分段投加的时间是以反应液温度恢复初始温度为标准确定；

合并上述A～E的反应液共3kg经盐酸酸化至pH7.0后，通过截留分子量为200Dalton的纳滤膜进行浓缩除盐，得到初始反应液质量的1.35kg浓缩浓液，(此步骤HMB损失<1％。膜操作压力为1.5～2.25MPa，过滤掉1.65kg的含盐清液后得到浓缩反应液)，在60℃进行真空蒸馏继续浓缩浓缩反应液0.25kg，冷却至室温，搅拌0.5h后进行过滤后得到的含质量比54.3％HMB-Ca的滤液；向滤液中加入0.5kg的洗脱剂搅拌1h后过滤，烘干得到的HMB-Ca纯度为95.3％，总折纯收率>75％。

本实施例中提供了部分优化的实施例，通过实施例3中A-E的结果可以看出：

(1)实施例3A说明传统工艺的滴加改进转化率在60％左右；

(2)实施例3B说明氧化剂投加到双丙酮醇中较双丙酮醇投加到氧化剂中效果差；

(3)实施例3C、3D说明分次投加较传统工艺的滴加改进对转化率有所提高；

(4)实施例3E说明稀释后的双丙酮醇分次投加到氧化剂可将双丙酮醇转化率提升至70％，效果最佳；且经中试放大后转化率维持在70％以上。

由上述实施例可知，本发明中所提供的匀速滴加的方式可以控制反应进程，反应物料的分次投加可减少原料物双丙酮醇分解；原料物双丙酮醇稀释后投加的方式对于体系温度累积和及反应液pH变化有缓冲作用，因而可实现转化率的提升，分离提纯步骤的无溶剂萃取，且对于设备、原料初始温度无特殊要求、降低了成本实现了绿色化生产。