啤酒花树脂酸的氢化方法

专利名称：啤酒花树脂酸的氢化方法
技术领域：
本发明涉及氢化形式的啤酒花树脂酸的制备，可用于啤酒的苦味或泡沫改进。所述啤酒花树脂酸，是指可从植物律草属蛇麻(Humulus lupulus)的干燥啤酒花球果中提取得到的α-酸或β-酸，α-酸的异构化衍生物(特别是异-α-酸)和所有的可以进一步按照我们所述的方法进行氢化处理的前述啤酒花树脂酸的还原形式(特别包括ρ-异-α-酸)以及它们的任意组合)。具体地说，它涉及氢化形式的异构化α-酸的制备，特别是四氢异α-酸和六氢异α-酸的制备。
以传统方式制备的啤酒的苦味，已知大部分是源于天然存在的α-酸(主要为合律草酮，律草酮和加律草酮)，它们存在于啤酒花球果的啤酒花苦味素腺毛中。在传统的酿造工艺中，干燥啤酒花球果是添加到“甜味”麦芽汁中，并在酿酒釜中煮沸至少一小时。这种煮沸方法可提取出所述α-酸，并转化其中一部分为称之异α-酸的相应异构体形式(主要为异合律草酮，异律草酮和异加律草酮)。正是后面这几种物质构成了存在于啤酒中的主要苦味物质，之后采用酵母对所述煮沸麦芽汁进行发酵。它们也是啤酒泡沫的非常重要成份。遗憾的是，传统酿造工艺中啤酒花物质的利用率是很低的，通常地，存在于啤酒花物质中α-酸仅有30％，在啤酒中以异α-酸形式存在。尽管如此，在很久以前，是采用非极性溶剂从啤酒花物质中分离提取所述α-酸，接着使它们进行化学诱导转化为异-α-酸，为大幅提高啤酒采用啤酒花物质实现苦味处理的效率提供了可能。现在，在一种典型的现代工艺中，啤酒花物质先是用液态或超临界CO2进行萃取。所得到的萃取物含有α-酸、β-酸(主要为合蛇麻酮，蛇麻酮和加蛇麻酮)、啤酒花油和一些低分子量脂肪和蜡。存在于所述萃取物中的α-酸，接着可采用加热和存在于含水悬浮液中的碱，典型地是在镁离子存在(它已知可加速异构化反应，可参见Smith & Wilson的US5370897)，使其转化为异-α-酸。经此方法形成的异-α-酸，接着可从所述反应混合物中分离出来并纯化，典型地是采用一种无机酸以降低所述水相的pH值，通过分步沉淀实现的。对工业生产来说，纯化的异-α-酸经常是转化为钾盐形式，并使之标准化为一种浓度给30％的清澈的微碱性的水溶液。这种溶液接着可便利地被啤酒制造者用来直接地使已经发酵的麦芽汁变苦。以这种方式的异-α-酸制备的采用，可提高原始啤酒花α-酸的利用率高达80％，因此，在大多数情况下，可显著地降低苦味啤酒的成本。
尽管向啤酒中添加异-α-酸制备是常见现象，但是，其优点并不能满足所有啤酒制造者的需要。例如，对于那些想要销售含有异-α-酸的啤酒存在于透明或绿色玻璃瓶中的啤酒制造者来说，如果啤酒暴露在日光下或某些人造光之下，他们要面临着开发所谓“光照射的(lightstruck)”、“日射的(sunstruck)”或“skunky”风味的危险。这种风味已知是归因于啤酒中的异-α-酸和天然存在的硫化合物之间的光解反应所形成的3-甲基-2-丁烯-1-硫醇(MBT)。(参见Templar，Arrigan & Simpson的评述，Brewers Digest，May 1995，p18-25)。MBT具有特别低的味觉临界值(根据啤酒的性质和单个品酒师的敏感性，在每万亿份的啤酒中，不同程度地估计是在2-300份之间)，它的存在通常认为是不受欢迎的。光解反应发生的可能性，已知是由于异-α-酸的异己烯酰侧链的存在。如果这种侧链的分子结构得到改性，例如，通过对碳-碳双链或羰基进行，这样，MBT就不再能够形成。(据推测，这可能是因为不再可能形成3-甲基丁烯基基团，它据信是MBT的前体，经由与自由的硫醇基团进行缩合形成这种令人讨厌的物质)。因此，所述异-α-酸的各种不同的还原衍生物，业已经得到制备，它们的性质也有了描述。它们都是苦味的，尽管当这些化合物添加到啤酒中产生的苦味程度是明显不同的。尽管如此，在每种情形中，当这些化合物是用作一种啤酒之中苦味的唯一原料时，无论是单独地或以混合物形式，都总能发现该啤酒能有效地得到保护，而不会有lightstruck味道形成，只要它没有被非还原的异-α-酸所污染。
有三种异-α-酸的还原衍生物，现在可以购买获得，并为众多的啤酒制造者所使用。(制造方法、性质和用途的缩合性概述，可参见由Getranke-Fachverlag Hans Carl，Numberg，Germany出版的European Brewery Convention Manual of Good Practice，“Hops andHop Products”，(1997)，Section 5.4.4(p93-106))。具体地说，它们是ρ-异-α-酸，(一种二氢异-α-酸衍生物，其特征是还原前述的侧链羰基(-C＝O)为羟基(-CH(OH))；四氢异-α-酸(其特征是还原前述的碳-碳双键(-CH＝CH-)为单键(-CH2-CH2-)以及还原另一异戊烯侧链中的碳-碳双键)和六氢异-α-酸(其特征是还原前述的碳-碳双键和异己烯酰侧链的羰基)。这三种衍生物的性质，不仅能够允许啤酒制造者消除形成光照射的味道的可能性，而且可有用地改善啤酒的泡沫稳定性。相对于异-α-酸来说，ρ-异-α-酸具有相对低的苦味，并且一定程度地降低了泡沫稳定性。另一方面，四氢异-α-酸相对更苦，它们的应用增进了泡沫的稳定性，即便是在相同苦味水平上也是如此。六氢异-α-酸具有特别的泡沫增进作用，但是据信它具有仅较异-α-酸略微更大一点的苦味效果。很显然，通过明智使用这些化合物，啤酒制造者就能够巧妙地利用啤酒的这两种重要特征，从而生产出一种想要得到的品质结合。因此，它表明使用这些还原的异-α-酸，就不仅仅是只局限于那些寻求生产光稳定啤酒的啤酒制造者。确实，这些化合物的可认识到的价值，在于四氢-和六氢异-α-酸的主要市场，可能是由它们主要用作啤酒(它们已经含有源自于传统添加到麦芽汁釜中的啤酒花物质、啤酒花丸或萃取物)的泡沫促进添加剂的用途所开发的。
有多种方法已经对所述还原异-α-酸的生产进行了描述。对于ρ-异-α-酸来说，所有公开的方法都是经由硼氢化物间接还原异-α-酸，从而得到这种产品的。例如，Westermann等人(US3558326)说明了在一种热的、含水的、强碱性的硼氢化钠溶液存在下，酒花的浓缩已烷萃取物中所述α-酸含量为多少时可以同时实现异构化和还原，以形成ρ-异-α-酸。在分离已烷以除去酒花油和蜡之后，所述水相与新鲜已烷进行接触，接着用足量硫酸进行酸化以促进还原的(ρ-)异-α-酸进入到所述有机溶剂相中。所述有机相经离心分离进行回收，采用蒸发方法除去已烷，从而得到一种含有ρ-异-α-酸和未反应的β-酸混合物的产品。在一种可替代方法中，Goldstein等人(US4324810)教导了一种类似产品的生产方法，这种产品是采用一种避免使用有机溶剂的方法制备得到的(那些已经用来制备作为其方法起始物质的酒花萃取物的溶剂除外)。而且，所述酒花α-酸的异构化和还原反应，是通过在一种碱性的硼氢化物水溶液中溶解并加热而实现的。这类采用硼氢化钠的侧链羰基还原反应，是非常特定的，碳-碳双键没有发生明显的还原反应。
四氢异-α-酸已经由多种基本不同的方法从不同的酒花树脂酸基质制备得到。Worden & Todd(US3552975)公开了一种用来形成脱氧四氢-α-酸的方法，它是采用氢气和一种负载在碳上的钯或其它贵金属催化剂，经由β-酸(异-α-酸生产的一种副产物)的催化氢解和氢化反应实现的。这些中间体接着经过一种过乙酸的氧化步骤，之后，对所得到的四氢-α-酸进行异构化反应，以形成所述四氢异-α-酸。他们的方法采用大量的有机溶剂，存在着这些溶剂不受欢迎的残余物残留在最终产品之中的风险。Cowles等人(US4644084)对这种方法进行了改进，是通过在碱性含水醇中用一种含氧气流氧化所述脱氧四氢-α-酸进行的，但这种改进的方法仍然很复杂，而且还需要使用大量的乙醇。但是，它也是在同一方法步骤中实现所述中间体四氢-α-酸的异构化反应。由α-酸形成四氢异-α-酸，较之由低价的β-酸来形成，本来是一种更容易的工作。例如，Verzele & Anteunis(Bull.Soc.Chim.Belg.，Vol.68，(1959)，315-324)公开了一种简便的实验室规模的方法，其中，由一种酒花萃取物分离得到的律草酮，是通过在一种铂氧化物催化剂存在下，暴露在氢气中，于甲醇中进行氢化反应。Brown，Howard & Tatchell(J.Chem.Soc.(1959)，p545-551)分别描述了这类四氢-α-酸(在他们的实例中为四氢合律草酮)接着是如何采用加热和乙醇碱进行异构化，以形成相应的四氢异-α-酸。在这篇文献中还描述了先异构化α-酸再接着使之采用氢气进行催化还原反应的另一种替代可能性。但是，所报导的氢化反应(对于异律草酮来说)的最好收率仅为70％，从此项工作中可以清楚地看出，存在着不完全反应(导致二氢异律草酮的大量形成)或过氢化反应(它可由新-氢化异律草酮的形成得到说明)的倾向。确实，根据Hay & Homiski(J.Agric.FoodChem.Vol.39，(1991)，p1732-1734)，到目前的写作时间为此，现有技术都表明，采用直接氢化方法从预异构化的α-酸以高收率地生产四氢异-α-酸，还从未能够实现。不过，Hay证明(US5013571)一种有效的转化实际上是可能的，它可在一种Pd/C催化剂上实现，无论是在含水溶液、含水的醇溶液或氯代烃溶液中。Poyner等人(US5600012)也教导了异-α-酸的直接氢化方法，限定他们的方法溶解在纯乙醇中和基于钯氧化物的特定催化剂存在下(与钯金属对比)，它们不倾向于引起所述基质的过氢化反应。重要地，Hay在他的专利中还声明，通过暴露所述α-酸在氢气中和存在于这类溶液中的贵金属催化剂，在一个单一步骤中就可实现异构化和氢化反应，只要温度高于约50℃即可。这样，Hay就可首次证明在一个完全含水环境中形成四氢异-α-酸的可能性，尽管他没有证明不借助于添加的醇，这种产品随后的从所述反应混合物中的分离。
Anteunis & Verzele的早期工作(Bull.Soc.Chim.Belg.，68，456-583(1959))说明了α-酸直接还原为四氢-α-酸的反应，特别是在酸性条件下，是通过经由氢解形成大量的律草酮氢醌(humulohydroquinones)而实现的，这些物质在酿造中不是已知有价值的物质。随后，Stegink，Guzinski & Todd(US5296637)声称氢解的发生和防止过氢化反应的困难，已经保证“该技术不能利用α-酸作为四氢律草酮化物(tetrahydrohumulates)的源料，也不能进行随后的转化为四异律草酮化物(tetraisohumulates)的异构化反应”。尽管如此，但是，它们可证明这些不希望的反应事实上可通过氢化水溶液或醇溶液中以碱金属盐形式存在的α-酸而得以排除，所述溶液的pH值足以高到可有效地保证它们自身的酸形式不会存在。Stegink等人指出，已经实现成功氢化的所述α-酸，如果需要的话，四氢异-α-酸接着可容易地通过煮沸pH为10的水溶液中的所述四氢-α-酸而得以形成。Stegink等人还声称已经证明，他们的方法能够保证生产的四氢异-α-酸，较同时工业由异-α-酸的氢化反应，大概采用Hay方法所获得的四氢异-α-酸，具有更高的纯度和更高的收率。特别地，他们声称经由他们的方法的氢化反应，可保证不会存在有过氢化反应，他们证明这种过氢化反应在Hay所述条件下是易于发生的，一个业已经指出过的问题，它后来已被Poyner等人解决，虽然仅仅是通过限制他们的方法采用以一种特定氧化形式的钯催化剂而解决的。如我们在后面将要证明的，它我我们发明的一个优点，即这种限制采用钯氧化物催化剂以避免过氢化反应，在我们的方法中发现是不必要的。
两种基本的方法，已经用来设计用于六氢异-α-酸形成的方法。首先，是采用四氢异-α-酸作为起始原料，其中，想要的六氢异-α-酸的形成，是通过所述四氢异-α-酸的硼氢化物还原反应得以实现的。所以，Worden & Todd(US3552975)描述了硼氢化钾是如何添加到一种四氢异-α-酸的碱性溶液中(先由β-酸制备得到)，混合物在室温下进行反应数个小时。所得到的六氢异-α-酸接着通过酸化所述溶液并萃取所述啤酒花树脂酸到二氯甲烷之中进行回收。所述溶剂接着在硫酸钠上进行干燥，最后蒸发除去，这样得到的六氢异-α-酸为一种不含溶剂的淡黄色树胶。通过由四氢异-α-酸进行加工，当然，Worden和Todd也可有效地证明从酒花的α-酸或β-酸合成六氢异-α-酸的可能性(尽管他们实际上他们自己没有证明可从α-酸的完全合成)。再后来，Hay(US5013571)证明六氢异-α-酸也可采用所述必需的还原阶段的可逆反应从α-酸形成。因此，Hay描述了ρ-异-α-酸如何在乙醇中于10％钯负载的碳催化剂上成功地进行氢化。在他的这种方法的另一种形式中，Hay还说明了α-酸的含水碱性甲醇溶液，如何可在一个单一反应阶段，通过使所述α-酸与碱性硼氢化物，通过在氢气和相同10％Pd/C催化剂存在下，还原为(主要)六氢异-α-酸。
可以看出，上述的氢化方法取决于传统的以一种形式或者另一种形式的有机和/或含水溶剂的使用。很明显，在Hay方法所述的碱性条件下进行的异-α-酸的氢化反应过程中，采用(质子)溶剂是绝对必需的，这是由于所述异-α-酸必须以一种阴离子形式呈现给催化剂。尽管Poyner等人的方法依赖于所述异-α-酸的非离子化酸形式的维持，但是，他们没有在任何地方建议过，在没有基质预先溶解到有机溶剂(在他们的实施例中限定为醇)的条件下，催化作用是成功的。
在它们的天然酸式状态下，啤酒花树脂酸基本上不溶于水，除非通过添加如碱金属氢氧化物提高其pH值。由于所述酸树脂转化为盐形式，所以，其溶解性提高，当所述pH值超过所述酒花酸的pKa至少3个pH单位时，达到最大值。相反地，当浓缩溶液的pH如通过添加一种无机酸如硫酸或盐酸降低时，则所述酒花酸将会渐渐地从所述溶液中沉淀出来。因此，举例来说，尽管在工业实践中，异-α-酸通常是以它们的钾盐的30％(w/v)的清澈含水溶液，pH值在9.0-10.0之间，进行出售的，通过添加一种无机酸，降低这种溶液的pH到低于4.0，将会引起大部分所述酒花酸以某种可流动液体形式沉淀出来，再降低到低于pH为2.0时，将会使几乎全部发生沉淀。在制造异-α-酸的过程中，该理论已知可用于实际之中，从而形成通常约90％纯度的异-α-酸的浓缩的异-α-酸树脂，其余多数为树脂质的有机酸副产物。根据温度不同，不完全纯化的啤酒花树脂酸，通常含有同族体的混合物(和可能的立体异构体)，在其天然酸式状态中，通常具有无定形固体、一种粘性半固体浆糊或一种树脂质的相对(于水)粘性液体的形式。在后一种状态中，这种现象通常是用作一种实际方法以制备所述酒花酸的浓缩物，这是由于沉淀的可流动啤酒花树脂酸通常具有不同于所述水相的密度，它可通过重力方法如离心分离或者甚至仅仅通过一种沉淀和移注方法，就可容易地得到分离。由固体或半固体转变为各种不同的可流动液体进行的温度，取决于所述啤酒花树脂酸的精确组成。啤酒花树脂酸的相近相关的单个同族体的不同的纯异构体，在这方面可能具有完全不同的性质。例如，Verzele和De Keukeleire(Chemistry and Analysis of Hop andBeer Bitter Acids，Elsevier Science Publishers B。V.，Amsterdam/London/new York/Tokyo，1991，p92，93，129 and 135)发现，当顺式-异律草酮具有熔点为18℃时，其非对映异构体，反式-异律草酮直到温度高达65℃才会熔化。这些化合物的化学还原通常会提高其熔点这样，报导的反式-四氢异-α-酸在75.5-78℃熔化，反式-ρ-异-α-酸的两种可能立体异构体中之一，是在80℃熔化。由于酒花的异-α-酸部分总是发现含有三种主要的和数种少量的同族体，它们的异构化衍生物具有多于一种立体异构体形式，可以预期，举例来说，含有同族体和异构体混合物的不同异构化α-酸树脂制剂的物理性质，特别是其粘度，将会根据制备它们的酒花和用于它们制备的方法的不同而改变。
实际上，以其天然酸形式的相对粘性的啤酒花树脂酸的直接氢化反应，酸性形式可以预期是相当慢的，而且是特别难以进行完成的。已知在某些氢化反应中的速率控制步骤，是基质(包括氢)和产物迁移通过包围催化剂颗粒的边界层的速率，它是一个与介质粘度成反比的参数。相类的情形存在于催化剂的孔隙之中，扩散速率也与流体粘度成反比。对于介质自身是一种粘性基质来说，反应可能由于高的基质浓度而以合理的速率进行，但是，可以预期在某些阶段，当介质自身转化为(正常)通常粘性产物时，会渐渐变慢。更经常地，在工业氢化工艺中，对于可获得反应速率的基本限制，是不充分利用氢气到催化剂颗粒的表面和孔隙的活性位之上。这种限制可归因于氢气进入液体介质所固有的低溶解性和弱分散性，从而导致这样一种迁移通过催化剂边界层和孔隙的速率，使得它不能与还原可利用基质的活性位能力相匹配。在这种情形中，经常发现想要的反应是部分地或全部被异构化反应所替代，在氢缺乏条件下异构化反应通常是易于进行的。采用特定的经常也是昂贵的“蛋壳”催化剂(其中，催化剂的活性位是限定在包裹催化剂颗粒自身基质的一薄层之中)，经常被推荐用作一种避免在氢化反应中发生这种情况的方法。多种方法，经常是所有用来促进氢气与液体介质的剧烈强力混合的方法，通常在另一种非唯一的方案中被采用，以使氢溶解的速率最大化，从而提高氢分子迁移通过边界层的动力。这种提高氢迁移速率的方法，对于氢化反应是在水中进行前述Hay方法用来转化异-α-酸为四氢异-α-酸的优选溶剂的情形来说，是尤其必不可少的，这是因为氢在水中的溶解度是很低的(Braker & Mossman in Matheson Gas DataBook(第五版，1971，Matheson Gas Products，East Rutherford，NJ，USA)，给出在60°F，1atm条件下为0.019vol/vol。在这种情况下，反应可通过提高氢的压力而得到加速(和降低不想要的互生反应的可能性)。但是，这种反应路线不仅需要提供更为昂贵的反应釜，而且还可能存在这样的缺点，即由于必需提供的过量氢和测量的气体压力的相对较小的变化而使得反应难以监控和控制。对于啤酒花树脂酸的氢化反应来说，这将不可避免地提高所述基质引起不想要的过氢化反应的可能性。较高的氢气压力还会提高发生高度可燃气体发生危险的泄漏的可能性和在反应釜邻近位置形成可能的爆炸气氛。
一种解决氢和基质分子之一或两者迁移到催化剂活性位的不充分或差的迁移速率问题的方法，已经由Poliakoff等人在PCT国际申请WO97/38955中作了描述。这些作者教导了一种用于脂族和芳族有机化合物中官能团宽范围的氢化反应的方法，其中，基质和氢是以低的但易于可控的浓度溶解到一个载流体的连续流动物流中，它是处于超临界或近临界条件，经此形成的混合物，接着使之流过一个充分的催化剂床，使所想要的氢化反应在反应混合物流过催化剂微粒过程中能有效地完成。反应产物可容易地按下述方法进行回收降低流体流出反应器的压力，足以使载体物质转化为气态，从而使产物以一种分离的液体或可能的固体相得以沉淀出来。两种物相接着可排放到一个收集容器中，该容器可保留产物并排放气相(包括未反应的氢)到大气之中或一个合适的循环系统之中。据称有多种载物流体可适用于这种方法的操作，但是，特别要提及的是丙烷和二氧化碳，后一种物质是尤其受欢迎的，这是由于它通常是惰性的和非可燃的性质，这样可保证来自该过程流体的所有泄漏必须变为非可燃的和非爆炸的。在液体形式中，这两种物质还已知具有非常低的绝对粘度，尤其是当它们处于超临界条件下，而不是在低于它们的临界温度时呈液态。除了在非常高压下(相对于临界压力)，它们的密度也是降低的。因此，在超临界介质中溶剂的传质速率可预期大大地快于现有技术常规(即非超临界)氢化方法情形中的速率。尽管Poliakoff等人在它们的申请的导言中指出，先前曾经尝试在超临界流体中对物质进行氢化，但是他们摒弃了这些尝试，认为其是不能令人满意的，声称(第4页22-27行)“因此，需要一种氢化方法，它可在任意一个时间内，在仅有少量有机化合物和氢需要存在于反应器中的条件下进行，而且它可以工业规模用来生产氢化产品”。所以，尽管一方面，Poliakoff等人报道了解决传质问题的方法，而且，还证明了可以通过改变如温度和氢气与基质之类重要参数，能够容易地控制和操纵许多可能的氢化反应，由于操作他们的方法需要采用过量的载体流体，他们使得问题变得更加复杂。
继Poliakoff等人的工作之后，Hill，Muller和Swidersky(UK专利申请GB2336363)通过他们的实施例证明啤酒花树脂酸如何通过使啤酒花树脂酸与氢气(分压为20bar)和负载在炭上的钯催化剂，在超临界CO2存在下(即温度高于31℃和压力大于73bar)，进行接触而成功地进行氢化。在讨论他们方法的工作时，Hill等人声称(第2页)，“正常地，压力将不能超过1000bar，通常是在200-350bar范围之内”，还补充说“优选地，温度高于40℃，通常为75℃”。但是，尽管采用了高压和明显高于室温的温度，Hill等人指出(第3页)“啤酒酸通常在溶液中的载荷为2.5-5％wt/vol.”，从而证实需要采用一种相对大量过量的溶剂化物流体。
本发明的一个目的是说明，非常令人惊奇地，采用传统的溶剂包括水和有机液体如醇或烃作为异-α-酸和ρ-异-α-酸的氢化反应在必要的溶解状态的载体的需要，是可以省略的。这样，与现有技术本身的预期和意思相反，异-α-酸和其它啤酒花树脂酸的氢化反应可完全不须采用任何传统溶剂就可实现，从而可省略了必需在一种方法中引入一个用于随后除去所述溶剂的步骤。
本发明的一个更具体的目的是提供一种方法，通过这种方法，异-α-酸树脂(或ρ-异-α-酸树脂)可直接氢化形成高纯度的四氢异-α-酸树脂(六氢异-α-酸树脂)，它们可容易地转化为一种可溶的含水形式，可适合被想要制备具有改进泡沫性能或光稳定性的啤酒制造者所使用。
本发明提供了一种方法，通过这种方法，一种特定的啤酒花树脂酸(该术语包括非常相关的同族体的混合物)或这类酸的混合物可通过在一种含有氢气的气氛下和完全不存在液体有机溶剂的条件下，直接与一种贵金属催化剂进行接触而实现氢化。
我们的方法部分地是基于保证所述啤酒花树脂酸在这样的条件下与所述贵金属催化剂进行结合，即所述啤酒花树脂酸/催化剂混合物是处于充分的流化状态的条件，以使通过传统的搅拌方式在一个密封容器中容易地连续混合。这种条件可采用不同的方法获得。在本发明的一种形式中，我们先使催化剂和啤酒花树脂酸在一个反应釜(它是由一种对所述啤酒花树脂酸或反应的氢化产物表现为惰性的材料构成或以这种材料作为内衬)中进行混合，接着采用一种反应惰性气体进行吹扫以除去所有的空气，非必须地接着进行抽真空。然后，将氢气引入到所述容器中，优选地，没有伴随的树脂/催化剂混合物的搅拌。优选地，所述容器接着在提高压力到一定程度(计算等于或以特定的过量，它是经计算用来提供完成想要的反应所需数量的氢)之后，与氢源隔离开来。非必须地，也可加入足够数量的惰性气体如氮气或二氧化碳，以防止在渗漏到大气中时形成爆炸混合物。所述容器中的内容物，接着进行强力搅拌以促进H2气溶解到所述流化啤酒花树脂酸中。在反应完成之后，所有剩余过量的氢气通过解除内部容器压力到大气压和用一种反应惰性气体如氮气或二氧化碳置换的结合方法，将其除去。在某些情形中，我们发现这种用于无溶剂氢化反应的方法，令人惊奇地可在室温下进行。尽管如此，但是，特别地，当啤酒花树脂酸在室温是很粘的情形时，可以发现加热所述内容物例如到约40-70℃是更为令人满意的。在反应完成之后，树脂质产物可接着通过过滤与催化剂分离开来。非必须地，根据顾客的特定要求，所述还原的啤酒花树脂酸可转化为一种便利的溶解的和稀释的形式，例如，通过加入水和一种碱金属氢氧化物。一种替代的且通常也是优选的转化还原啤酒花树脂酸的方法，是向所述催化剂/树脂混合物中加入溶解和稀释试剂，然后采用如过滤或离心方法除去催化剂。
有些啤酒花树脂酸在通常室温时是特别粘的，或者可能甚至部分结晶或形成一种半固体浆糊。为了促进这类物质的氢化反应，我们的方法的一种可替代方式，可提高所述啤酒花树脂酸基质的流动性，从而使得氢化反应能够在较由于啤酒花树脂酸/催化剂混合物的过分粘性而另外可能进行的更低的温度下得以发生，另一种方案是，可使得氢化反应在给定温度具有提高反应速率的效果。这种改进是通过引入CO2气体到所述反应釜中处于足够高的分压，以促使足够的CO2溶解到所述基质中，从而使得粘性基本降低到或超出特定点，在该点时树脂/催化剂混合物的搅拌程度足以使氢化反应能够以有利的速率发生，并可部分地由于氢溶解度的提高(我们相信是由于CO2在啤酒花树脂酸中的存在所引起的)而得到促进。加入的CO2气体的压力，通常较正好保证从反应器中的所有渗漏不会是可燃的或可能爆炸所需要的数量是过量的，但是，它必须不足以引起液化作用发生的温度低于临界温度(对于纯CO2来说为31.0℃)。如果选用的反应温度超过临界温度，则没有液化是可能的，压力可允许略微超过在临界温度的压力(1072psia)，但是不能达到某点(在该点的气体密度超过在临界点(在该环境下，CO2可认为是处于一种超临界条件且可溶解至少一部分的啤酒花树脂酸)的密度)。在其它方面，反应条件可与如上所述的未改进方法的工作相似，或者甚至于相同，除非现在发现可能获得基本相同的想要的效果而且在一个选择的较低的温度下。
从上述任一方法制备的氢化啤酒花树脂酸，随后可从催化剂中分离出来，例如，通过树脂/催化剂混合物在所述树脂质产物是足够流化以促进所述分离方法的任意温度时的过滤或离心分离进行。在某些情形中，澄清产物可然后具有这样一种性质，以致发现可适合被啤酒制造者用来加入到麦芽汁或啤酒之中。更经常地，尽管希望转化这种氢化的啤酒花树脂为一种溶解的形式，最为普通地是作为一种标准浓度的含水碱性溶液，但是非强制地，是作为一种溶液，存在于食品级溶剂中如丙二醇或乙醇中。一种便利的但绝不意味着排他的方法，采用这种方法就可能获得到前述物质，它是通过在一个搅拌罐悬浮所述树脂于某一温度的水中，使得所述氢化啤酒花树脂酸处于流体状态，加入一种碱，如一种碱金属氢氧化物的浓溶液，直到树脂全部溶解。所得到的氢化啤酒花树脂酸可接着以啤酒制造者想要添加风味和/或其它性质到麦芽汁或啤酒中的任意方式进行使用。
在另一种用来转化所述氢化啤酒花树脂酸/催化剂混合物为一种溶解形式的方法中，所述树脂质产物转化为澄清和标准溶液的转化，更为有利地可通过在与催化剂分离之前溶解所述树脂而获得。在我们的方法的这种变体中，其中的最后产物为一种含水碱性溶液，所述树脂/催化剂混合物可便利地先悬浮在一定温度的水中，所述树脂在该温度不是很粘性的，并进行搅拌，接着通过加入一种碱金属氢氧化物如氢氧化钾使之溶解。催化剂接着通过过滤或离心作用，从所述混合物中除去，较之通常处于树脂质状态的氢化啤酒花树脂酸中催化剂的分离，它是更加易于进行的。有时，如果所述溶液在催化剂除去之前是故意制成非常稀的溶液，则增溶树脂的回收是最好的。在这种情形中，所述树脂可容易地通过沉淀得以重新构成，随后以分离相进行收集，经由添加一种浓的无机酸如50％硫酸到所述(搅拌)溶液，其用量足以转化所述阴离子形式的树脂回到其酸式非离子化状态。物相的分离经常地发现是在停止搅拌之后发生的，然后回收树脂就是一种很容易的事情了，只要温度保持足够高以维持所述树脂处于流化状态即可。想要的含水碱性溶液，接着可在正确的浓度下通过悬浮在水中并添加碱而进行重新构成，如前面对于形成的氢化树脂酸产物一样，在紧接氢化反应之后通过澄清以除去催化剂。在一种包括树脂的沉淀、分离和重新构成步骤的方法中，其一个内在的优点是产物的纯度可从而得到提高，这是由于所有高度酸性的有机污染物或氢化反应的副产物，可能由分离步骤摒弃在所述含水酸性废液中。
用于我们发明操作的另一种方法，可允许所述啤酒花树脂酸/催化剂混合物更易于进行搅拌，对于啤酒花树脂酸具有固有高粘性和氢化反应釜不能含有充分高压力以允许有效利用CO2气体作为流化试剂的情形的操作，这种方法是特别适合的。在这种情形中，对于其中方法的最终产物为一种氢化啤酒花树脂酸的含水碱性溶液的情形，它也是便利的，尽管不局限于这些。在我们发明的这种变体方法中，所述啤酒花树脂酸和催化剂是悬浮在氢化反应釜的水中，其温度足以使所述啤酒化树脂流动，这样，当搅拌混合物时，它就会形成可移动的液滴。所述搅拌的悬浮液的还原，接着是通过供入足量或过量的氢气到所述反应釜的预留空间，以提供使还原反应完成所需要的数量的氢气。另外，如果反应釜可能会渗漏气体到大气中，或者，另一种可能是如果希望能有意地在反应完成之后排放残余气体到大气中，所述预留空间可填充有一种足够数量的反应惰性气体如氮气或CO2，以抑制可燃或易爆混合物的形成。所述反应的产物可以多种不会损害我们发明的思想和效率的方法进行回收。
按照本发明的另一种实施方案以连续方式对啤酒花树脂酸进行氢化也是可行的。在这种方案中，啤酒花树脂酸为一种适合的液体状态且含有完成所需反应的足够数量的溶解的(或部分溶解的)氢，流过一个贵金属催化剂颗粒的床层，如Poliakoff在PCT国际申请WO97/38955中所描述的。想要的流动性是通过提高树脂温度足够高的程度获得的，或者通过在高压下溶解CO2气体到树脂获得，或者通过这两种方法的结合而获得。在每一种情形中，所述催化剂床和所有连接泵和管道都应该维持在高于保持CO2溶解在所述啤酒花树脂酸中所需要的压力，优选地，但不是必需的，也足以溶解需要数量的氢气。在催化剂床中的反应之后，氢化的产物树脂接着可在降低的压力下或在略高于大气压下进行收集，以释放残余气体，包括未反应的氢。如果需要，所述产物接着可转化为一种含水碱水溶液，如前所述。
我们发明的特定实施方式通过下述实施例将变得更加清楚明了。实施例1A(异-α-酸树脂的直接氢化)向一个配有一个PTFE涂覆的磁性搅拌棒的小型不锈钢反应釜(其内容积为885ml)中，加入10.4g异-α-酸树脂(“制剂1”，HPLC(@270nm)分析其中含有91.0％异-α-酸，以一种DCHA-反式-异-α-酸标准溶液为背景，峰面积纯度为92.5％)，和0.552g的10％氧化钯负载在炭上的催化剂(Johnson Mathey Type A11210-10，含有48.9％的水(“催化剂1”)。以干燥重量为基准，催化剂的添加为所述异-α-酸重量的3.0％。采用CO2气体吹扫，将空气从所述容器中除去，接着进行抽真空。接着引入氢气达压力为61psig(由附设的Bourdon表指示，所述反应釜接着与气体源隔离，并将所述容器部分地浸没在一个含有温水的烧杯中，它基本上维持在55±2℃的温度。所述反应釜的内容物接着进行磁力搅拌，直到在10分钟的间隔内(1.8小时)中在气体压力下不再观察到有小液滴。之后，所述内容物通过浸没所述容器到一个温度21℃的水桶而得到冷却。释放气体压力，在打开所述容器之前用CO2对所述预留空间进行吹扫。取出一份内容物样品，并过滤流过一个玻璃纤维过滤器(Whatman GF/F)，以在对所述树脂进行分析之前除去催化剂。
表1表明，在所述树脂中的异-α-酸已经有效地转化为四氢异-α-酸，它在270nm处的HPLC峰面积纯度为93.2％。仅观察有痕量(0.1％)的特定中间体化合物二氢异律草酮，表明所述异-α-酸基本完成氢化。(所述二氢异律草酮是表示律草酮的氢化衍生物，其中，每摩尔的律草酮中已经结合有一个H2分子，以还原所述异戊烯基侧链的-CH＝CH-键为-CH2-CH2-单键)。
这样，与先有技术的全部教导相反，在完全不存在有机溶剂的情况下就可实现异-α-酸转化为四氢异-α-酸的氢化反应。实施例1B(四氢异-α-酸树脂转化到含水溶液中和催化剂的除去)以它们自然的酸性和树脂质状态存在的四氢异-α-酸，不适合被啤酒制造者所使用，这是因为它们将不能很容易地溶解和分散到啤酒之中。因此，为了便于啤酒制造者的使用，通常的商业实践，是将四氢异-α-酸以一种它们钾盐的澄清含水略微碱性溶液存在，以适合用作一种后发酵添加剂。更为普通地，所述溶液中四氢异-α-酸的含量是调节到浓度为10％(w/w)。
本实施例将具体说明按上述方法制备的异-α-酸的直接氢化产物，是如何简便地转化为一种可用于啤酒制造厂的形式。
在打开所述容器之后，从实施例1A的反应釜中取出4.02g氢化树脂和催化剂的混合物，并转移到一个烧杯中。向该混合物中接着加入150ml的55℃除离子水。所述烧杯的内容物接着采用磁性搅拌棒进行搅拌，使所述树脂以小液滴悬浮在水中，并从一个吸移管中添加1.0ml的45％(w/w)KOH溶液，从而使所述树脂溶解。所述混合物接着在一个Buchner漏斗中过滤流过一个玻璃纤维薄片(Whatman GF/F)，回收得到一种澄清黄色的含水溶液(pH为11)。
HPLC分析表明，这种溶液(147.3g)具有的四氢异-α-酸的浓度为2.31％(w/w)，表明从所述氢化树脂和催化剂混合物中回收四氢异-α-酸为99.6％。
表1反应产物的纯度(HPLC和分光光度法)
DHIH＝二氢异律草酮；THIAA＝四氢异-α-酸。
*THIAA的纯度＝[THIAA峰的面积×100]/总的峰面积**％DHIH＝[DHID峰的面积×100]/总的峰面积N/M＝由于未知的干扰污染物而不可测量(注意所有HPLC峰检测都是在270nm)这样可以看出，采用实施例1A和1B的方法的结合，可以促进一种简便直接的方法，它可用来由异-α-酸制备四氢异-α-酸而不需要采用任何溶剂，无论什么样地，用来最终稀释和溶解四氢异-α-酸的水当然地是排除在外。
对于上述方法，不背离本发明的主要精神的改进，是可以进行的，即，在不需采用任何添加的液态有机溶剂时令人惊奇的转化酸式树脂质状态异-α-酸为四氢异-α-酸的能力。例如，催化剂的除去可在水的加入之前通过过滤方法进行。实施例2(按US5013571方法，四氢异-α-酸的无溶剂制备方法)在本实施例中，我们证明在实施例1A中所述的异-α-酸的直接氢化反应，不仅相对于预料来说可容易地且令人满意地得以完成，不需要求助于采用过分和非正常的温度和氢气压力，而且，实际上，发现它与前述提及的Hay先有技术(US5013571)相比，在直接可比的温度、压力和催化剂负载量条件下，是明显更加有效的。
将36.7g含有28.0％(w/w)异-α-酸其pH为8.3(大约)的异-α-酸的钾盐的水溶液，转移到实施例1A的反应釜中，接着加入0.864g PdO/C催化剂(“催化剂1”)。以干燥重量为基准，催化剂占异-α-酸的比例因此为3.4％，它是如实施例1A中所述的氢化情形。之后，反应釜采用CO2进行吹扫，立即进行抽真空处理。然后引入氢气达到最终压力为61psig，立即隔离所述容口袋的内容物，并按实施例1A的方式进行加热，所述反应釜周围的水的温度55-56℃。在静置3分钟后，打开搅拌器。监测到氢气压力下降，在经2.9小时之后最后稳定。残余H2气接着释放到大气中，如实施例1A一样，所述容器在打开之前对其进行吹扫。对内容物的检测表明有一定数量的树脂质沉淀形成，可能是由于四氢异-α-酸的钾盐，在水溶液中较异-α-酸的钾盐具有已知更低的溶解度。完全是为分析的目的，从而将150ml甲醇添加到所述容器中，并搅拌混合物以保证所有沉淀的树脂将会再次溶解。混合物接着过滤流过一种Whatman No。GF/F玻璃纤维过滤薄片，并对所得到澄清黄色溶液采用HPLC和分光光度法进行分析。结果(表1)说明，按Hay方法进行的氢化反应制得一种产品，它劣于实施例1A或1B的产物，这可由显著较低的纯度(89.0％，HPLC方法)和较低的HPLC浓度与(非特定的)分光光度法浓度的比值得到证实。这就是说，尽管这样，但是没有不可接受程度过氢化反应发生的迹象，这可由有利的A254nm/A270nm的比值为1.21得到证实。(参见Stegink，Guzinski & Todd在US5296637中的描述)。
因此，可以看出即使在相似的温度、压力和催化剂负载量的条件下，采用现有技术方法的氢化反应，不仅较实施例1A的氢化反应是以更慢的速率进行，(可能是由于前述的H2气在水中的差的溶解性)，而且，还会导致生产的产物可证实具有低的纯度。也就是说，实施例1A的方法的限定，对于某些升高温度操作来说是需要的，以避免由于在较低温度的高粘性而引起的混合和分离的问题。表2表明了异-α-酸和四氢异-α-酸的粘性是如何随着温度改变而变化的。所以，可以预期，异-α-酸在过低的温度下的直接氢化反应将会倾向导致不完全反应或“末尾”反应(tailing reaction)。表2异-α-酸和四氢异-α-酸的粘度(cP)
下述实施例将具体说明在所述啤酒花树脂酸/催化剂混合物处于不充分流体状态的温度下，由于其具有相对高的粘性时进行氢化反应的困难。实施例3(异-α-酸在低温时的直接氢化反应)在实施例1A的反应釜中，装入10.1g异-α-酸树脂(“制剂1”)和0.553g PdO/C催化剂(“催化剂1”)，以干燥重量为基准，催化剂负载量占异-α-酸含量的3.1％。按实施例1A的方法，采用CO2气体从所述容器中吹扫出空气，接着进行抽真空处理。然后引入氢气达到压力为65psig。将所述反应釜部分地浸没在水温为20℃的烧杯，并启动磁性搅拌器。在反应持续2.2小时之后，关闭搅拌器，将所述容器放置12℃的水浴中，残余气体压力(在20℃为60.2psig)解压到大气压。接着取出一份树脂和催化剂混合物的样品，通过声裂法分散在甲醇中，过滤，并采用HPLC和分光光度法对滤出物进行分析。如表1所示，此时仅有13％的异-α-酸已经转化为四氢异-α-酸。所以，当在降低的温度下使得所述树脂的粘性很大时，可以看出实施例1A的方法是最为无效的。这种降低的反应速率不仅是由于通常认为的温度对化学反应速率的影响，本身在我们的随后实施例中得到证明，它具体说明我们发明的另一种可替代的实施方式，它可使得氢化反应能在降低的温度下，通常是在室温或约室温下，得以实现。在前面提到，不充分的传质问题先前已经通过溶解有机试剂到一种相对稠密的接近临界液体或实质超临界流体状态的载气中。处于这种状态的二氧化碳被提及，是一种特别合适于许多有机催化氢化反应的溶剂，尽管试剂的浓度必然由其在载流体中的溶解性所限定。该实施例证明了，令人惊奇地，仅仅与处于其完全气态的CO2相接触，就可充分地降低其它非常粘的啤酒花树脂酸的粘性，使得其直接氢化反应随后可以令人满意的速率进行。实施例4(在低温和高压CO2气体条件下的异-α-酸树脂的直接氢化)将10.65g异-α-酸(“制液1”)和0.583g的10％PdO/C催化剂“催化剂1”，加入到反应釜中。以干燥重量为基准，催化剂与异-α-酸的比例相应地为3.1％，与用于实施例3的完全相同。所述反应釜接着完全按实施例4所述吹扫除去空气，进行抽真空，然后充入氢气使其内压达到65psig。CO2气体接着从一个含有液态CO2的实验室气体钢瓶中加入到其中，使压力在关闭气体入口阀之前升高到715psig。所述反应釜接着部分地浸没在温度维持在20℃的水浴中。所述反应釜的内容物进行磁力搅拌22分钟，在此时间内压力降低到700psig。在对所述内容物连续进行搅拌时，在一个很短时间内，接着充入另外的CO2气体，直到压力升高到745psig，再次关闭所述入口阀。在经25分钟后，压力下降到720psig，在该点再次手动提高压力到730psig。在总混合时间达到2.2小时之后，最后停止搅拌器，在数分钟的时间内将氢化气体排空到大气中。所述容器接着打开，取出一份所述内容物的样品，稀释到甲醇中并过滤，以用于随后的分析。如表1所示，所述基质树脂的原始异-α-酸内容物，已经有效地转化为四氢异-α-酸，其纯度为93.6％(HPLC方法)，A254nm/A270nm的比值为1.19，表明只有很少的过氢化反应。没有原始异-α-酸或中间体二氢异-α-酸存在的痕迹，证实所述反应进行完全。
比较实施例3和4的结果，说明那些假定是非常粘的树脂的直接无溶剂氢化反应，是如何通过采用高压CO2气体就可实现，而不需要求助于CO2将会转化为液态或超临界状态的条件。以这种方法进行的CO2的加入，具有提供气相非可燃性和非爆炸性的附加好处，从而可避免与采用纯氢气相连的火和点火所引发爆炸的严重危险。尽管不希望受理论的约束，据信，在相对高压下，但还不是气体状态，足量的CO2气体溶解到所述树脂相中，使所述树脂粘度得到充分降低的效果，能够使基质和产物分子有效地传质到催化剂活性位并有效地从其中传出。而且，氢化速率通过提高H2气在所述啤酒花树脂酸中的溶解性而得以进一步地提高，可以认为是可行的，我们猜想它的发生可能是由于其中溶解有CO2而引起的。实施例5(在CO2气体接近液化压力下异-α-酸的直接氢化)该实施例具体说明在本发明中采用高压CO2气体，以提高啤酒花树脂酸/催化剂混合物的流动性，它可采用包括温度/压力结合的方法，它们是亚临界的(即＜31℃)，但接近于CO2将要液化的位置。
基本按实施例3的方法，所述反应釜先充入10.34g异-α-酸树脂(“制液1”)和0.564g的PdO/C催化剂“催化剂1”，以干燥重量为基准，催化剂为异-α-酸加入量的3.1％。所述容器接着进行吹扫并抽真空，然后引H2使其压力达到65psig。通过加入CO2气体使其压力提高到800psig。所述容器接着浸没在温度维持在20℃的水浴中并开始搅拌。在1.7小时之后，压力下降到755psig的稳定值，此时关闭搅拌器，释放气体压力到大气压并打开所述容器。取出一份所述内容物的样品，与甲醇混合并过滤，以用于随后的分析。结果如表1所示，从中可以看出，产物与实施例3的产物具有非常相似的质量，只有很少的过氢化反应(A254nm/A270nm的比值为1.20)，没有异-α-酸或二氢异-α-酸存在的痕迹，具有基本相同的纯度为93.9％(HPLC方法)。
在20℃时，二氧化碳在大于约828psig的压力下以液体形式存在(参见Handbook of Chemistry & Physics(54版)p B-94)。实施例5的反应条件(其中所述CO2气体的分压为735psig)，因此是临近的，尽管明确限定低于CO2液化的位置。很显然，可以预期，溶解到所述异-α-酸树脂中的CO2气体的数量，将会随着提高压力而提高。这样，可以相信，加入的CO2压力越大，则溶解的CO2气体的数量将会越大，从而在给定温度在搅拌的树脂中具有更低的粘性(和可能的更快的反应速率)。实施例6(负载碳上的钯作为异-α-酸树脂直接氢化反应催化剂的应用)该具体说明我们的方法允许使用一种不是基于氧化钯的催化剂的能力。这种用途多面性是Poyner等人的教导根本未曾预料到的，他们的工作表明仅采用非氧化的钯金属催化剂可能还原处于它们非离子形式的异-α-酸，而不会引发明显和不受欢迎程度的过氢化反应。
按实施例1的方法，所述反应釜中加入11.4g异-α-酸树脂(“制液1”)和0.571g的10％Pd/C催化剂(Johnson Mathey，Type A21108-10，含有46.3％水(“催化剂2”))。以干燥重量为基准，加入实际异-α-酸中的催化剂相应地为3.0％。在经用CO2吹扫和随后的抽真空后，引入氢气使其压力达到60psig。隔离所述容器，并放置到一个盛有65℃水的烧杯中。在等待3分钟后，开动磁力搅拌器，所述水浴温度维持在56±1℃。2.4小时时监测到压力下降，此时压力稳定42.0psig。剩余H2气接着排放到大气中，打开所述容器，取出一份反应混合物，溶解在乙醇中以便于分析，过滤并分析。结果(表1)表明，经过形成二氢异-α-酸的中间阶段，氢化反应已经进行完全，得到具有少量过氢化反应(A254nm/A270nm＝1.21)的高纯度产物(94.6％，HPLC方法)。
这种令人惊奇的没有过氢化反应不是由于对总的氢气可用性的限制，它将由我们随后的实施例得到说明，其中，对于基质树脂中每摩尔异-α-酸，有明显过量的氢(即基本多于2摩尔的H2气)可供利用。实施例7(在明显过量氢气存在下异-α-酸的直接氢化)基本按实施例5的方法，所述反应釜中加入10.9g异-α-酸树脂(93.6％异-α-酸(HPLC方法)，且具有峰面积纯度为93.4％，“制剂2”)和0.571g的10％Pd/C催化剂“催化剂2”，，使得以干燥重量为基准，催化剂为异-α-酸量的3.1％。在按实施例5方法除去空气后，所述容器接着充入H2使其压力达到100psig。将所述容器浸没在一个水温为65℃的烧杯中，持续2分钟，然后开动磁力搅拌器。水温随后维持在57±1℃。在1.7小时之后，气体压力稳定在87.7psig。为了便于取样，加入200ml冷的乙醇，先手动充分混合所述容器中的内容物，然后进行过滤。澄清的滤出液(表1)的分析表明，异-α-酸完全转化为四氢异-α-酸，纯度为94.6％。明显不存在显著数量的过氢化的化合物，可由高的光谱比值得到证实(A254nm/A270nm的比值为1.19)。实施例8异-α-酸树脂以一种含水悬浮液形式的直接氢化)如前所述，基于商业目的，异-α-酸转化为四氢异-α-酸的氢化反应的最为通常想要的最终产物，实际上不是四氢异-α-酸树脂，而是一种浓度为10％(w/w)的钾盐的水溶液。在本实施例中，我们将说明四氢异-α-酸的水溶液的最终制剂的目的，是如何以一种新颖的方法实现的，同时还保持着想要的想法和异-α-酸树脂直接氢化反应的众多优点。
向实施例1-7所述反应釜中，加入11.0g异-α-酸树脂(“制剂1”)、11.0ml去离子水和0.561g的10％PdO/C催化剂(“催化剂1”)。以干燥重量为基准，催化剂量相应地为2.9％。采用CO2进行吹扫以除去空气，接着进行抽真空。然后引入氢气，使最终压力达到59psig，并使所述容器隔离开来。在初始温度为75℃的水中经短暂浸没之后，起动磁力搅拌器，温度维持在67-70℃之间。在搅拌约1.75小时之后，释放剩余压力，取出一等分试样含水悬浮液用于分析。在本例中，发现所得产物没有完全氢化，还存在有余量为0.8％的二氢律草酮(dihydrohumulone)(表1)。不过，四氢异-α-酸的纯度与实施例2产物的纯度是可比的。确实，要提及的是，尽管有低含量(但仍然是不希望的)二氢异-律草酮，但所述产物仍比实施例2的产物更为“澄清”，在实施例2中，甚至不能测量二氢异律草酮的含量，由于被其它污染物洗脱在HPLC图的同一区域的严重干扰。这些后述的物质，在我们新方法以其任意变体形式制备的产物中没有发现任何有效程度的存在，(这可由上述实施例和表1的记录得到说明)，这可以认为是我们的方法优于先有技术的又一个优点。实施例9(ρ-异-α-酸的直接氢化)向实施例1A所述反应釜中，加入10.3g ρ-异-α-酸树脂和0708g的10％PdO/C催化剂(催化剂1)。采用CO2进行吹扫以除去空气，并进行抽真空。然后引入氢气，使压力达到61psig。所述容器接着通过浸没在水温为70℃的烧杯中进行加热。在2分钟后，起动磁力搅拌器，水温随后维持在44-67℃之间。在2.7小时之后，压力稳定在48.0psig，此时水温降低到23℃，将剩余氢气释放到大气中。取出一份所述容器内容物的样品声裂分散到甲醇中，过滤，并采用分光光度法和HPLC进行分析。发现所述ρ-异-α-酸已经转化为六氢异-α-酸，其HPLC峰纯度为90.2％(它可通过与总峰面积的比较而得出)，分光光度法测得的总浓度为102％。
在我们随后的两个实施例中，我们将表明我们的方法可适用于β-酸树脂的氢化反应。纯化的酒花的纯化的β-酸部分，在正常室温下是特别粘的，呈一种半结晶固体或极粘的浆糊，因此它不能容易地进行处理，除非它以显著的加热，通常加热到高于50℃(例如，参见Forrest，Seaton & Moir在US4717580中所描述的内容)。实施例10(β-酸树脂的直接氢化)在实施例1A的反应釜中加入含有(HPLC方法)81.0％β-酸(其中41.9％是以合蛇麻酮形式存在)的7.11g β-酸树脂、6.8％α-酸和4.0％异-α-酸，接着加入0.662g 10％Pd/C催化剂(催化剂2)，使得以干燥重量计催化剂为β-酸量的6.2％。所述反应釜接着部分浸没在热水中以流化所述树脂。然后用CO2气体从所述容器中吹扫除去空气，接着抽真空。然后引入氢气，使其压力达到65psig，并将所述容器隔离开来。经3分钟后，起动磁力搅拌器，水温维持在71±1℃，先前的实验已经证实在反应釜中不可能搅拌β-酸树脂(无论是否有氢存在)，除非温度提高到高于室温条件。监测到氢的压力下降，在经4.0小时后，观察到H2气的消耗已经停止，在此时关闭搅拌器。在此阶段气体压力指示为56.5psig，表明每摩尔β-酸消耗了2.0摩尔H2。在温度15℃的水浴中经冷却之后，释放出剩余压力，所述反应最终用N2进行吹扫并打开。所述反应混合物接着取样，所述样品通过声裂分散在甲醇中，并过滤。采用HPLC法对澄清滤出液进行分析，表明有93％的原始β-酸已经被氢化，主要转化为六氢-和四氢-衍生物。
这样，尽管所述树脂本身具有高粘度，但是，使它实现很大程度的氢化仍是可行的。
我们随后的实施例将说明，一种天然半固体啤酒花树脂酸的氢化，是如何通过采用高压CO2气体在大于临界温度(31℃)的温度下得到进一步推进的。实施例11(在高压CO2气体条件下β-酸树脂的直接氢化)本次在实施例1A的反应釜中加入7.21g与实施例9所述相同的β-酸树脂。加入0.672g Pd/C催化剂(催化剂2)，使得以干燥重量计，催化剂为β-酸加入量的6.2％。所述反应釜接着浸没在52℃的水中持续一个很短的时间，以帮助使所述树脂流化。然后采用实施例10的方法从所述容器中吹扫除去空气，并引入氢气使其压力达到65psig。接着通过引入CO2气体使压力提高到800psig。接着将所述容器部分地浸没在52℃的水中，持续3分钟，然后起动磁力搅拌器。所述温度维持在45-48℃，持续4.0小时，在该时刻关闭搅拌器，并将所述容器放置到温度20℃的水浴中。在2-3分钟的时间间隔内，在轻轻地释放气体压力后，打开所述容器。按实施例9的方法对树脂质产物和催化剂的混合物进行取样，并采用HPLC法进行分析。分析结果表明，所述β-酸基本全部消失(＞99.5％还原)，已经被一种氢化产物的复合混合物所代替，其约50％为六氢-β-酸形式。
这样，可以清楚地看出，通过加入高压CO2气体，在相对较低温度条件下(此时所述树脂/催化剂混合物将具有很高粘性且是难以搅拌的)氢化啤酒花树脂酸制剂是可能的。
在下述实施例12A-12F中，我们将证明CO2气体出人意料的促进啤酒花树脂酸氢化的能力，不仅仅是施加压力的缘故，它可通过采用如氮气等另外相对惰性非可燃气体(它是经常用来降低或消除可能从反应釜中渗漏的氢气着火的危险)来重复。实施例12A-12F(在反应惰性气体存在下异-α-酸的直接氢化)在六个不同的每个氢化反应试验中，在实施例1A的反应釜中加入10.0-10.1g的异-α-酸树脂(HPLC法其含有93.8％异-α-酸且峰面积纯度为94.1％，制剂3)。然后加入0.451-0.454g 10％PdO/C催化剂(催化剂1)，并手动通过旋动整个容器使之分散到所述树脂中。所述容器接着密封，并通过流过N2(仅对于实施例12E和12F)或CO2吹扫除去空气，接着抽真空。然后引入氢气使最终压力为60psig。温度维持在19℃，是通过浸入在水温处于该温度的烧杯中实现的。根据具体实验的性质，将N2或CO2气体根据需要(如果需要)引入到其中，达到如表3所示的最终压力。在3分钟后，起动磁力搅拌器，以相同速率控制设定对所述树脂/催化剂混合物进行搅拌。在2.0小时后，释放压力到大气压，打开所述容器，并将一份称量的内容物溶解到甲醇中，采用HPLC法进行分析。分析结果如表3中所示。表3反应惰性气体压力对异-α-酸树脂氢化反应的影响
*转化率％＝THIAA×100/[THIAA+IAA+DHIH]从表3可以看出，异-α-酸在实施例12A特定环境下于室温时的差氢化反应，在当加入CO2气体时得到很明显的改善。在CO2气体的分压为300psig时(实施例12B)，异-α-酸转化为四氢异-α-酸的转化由工业无价值的仅为8％提高到69％，而当起始值为550psig时(实施例12C)，反应在2小时的时间间隔内实际已经完成，当CO2分压设定在700psig时(实施例12D)，也是这样。相反地，即使采用700psig的N2气，对于反应速率也没有什么任何明显的影响。实施例12A-12F的结果，清楚地表明，CO2气体在所述异-α-酸树脂中具有高的溶解性，它足以可能对所述树脂的粘性产生明显的影响，从而说明(至少部分地)了已经发生的反应速率相当大改善的原因。而且，据信氢溶解到啤酒花树脂酸/催化剂混合物中的溶解性，可通过大量溶解的CO2的存在而得以显著且有用地改善，当氢化反应是在中压或高压(分压)的这种通常其它惰性气体(它据信不直接参与氢化反应)存在下进行时，这种情形就会发生。
随后的实施例将说明高压下CO2气体在啤酒花树脂酸中的溶解性是明显的，但是有限的。实施例13(CO2气体在异-α-酸树脂中的溶解性)将76.8g异-α-酸树脂(“制剂3”)放置到实施例1A的反应釜中。所述反应釜部分地浸没在温度为19℃的水浴中。通过采用CO2吹扫从所述反应釜中除去空气，并隔离所述容器。然后慢慢地向所述反应釜中引入CO2气体，在7分钟的时间间隔内，使压力达到数值为700psig。然后关闭入口阀，使所述反应釜与加压供源罐隔离开来。在经3分钟后，采用一个Teflon包裹的搅拌棒开始对所述树脂进行搅拌。水浴温度19℃。在1.3小时之后，可以观察到，CO2压力已经稳定在601psig，而在没有任何异-α-酸树脂存在下进行的先前对照实验中，所述CO2压力已经从700psig降低到681psig。所以，由于CO2溶解到异-α-酸树脂而引起的CO2压力降为80psig。采用理想气体方程，并考虑到被所述树脂所占据的体积，压力降的差值经计算表明溶解到所述异-α-酸树脂中的CO2数量为所述异-α-酸树脂质量的10.5％。
所以，与前述Poliakoff等人和Hill等人的教导相反，我们发现，在二氧化碳存在下的氢化反应，可在下述环境下(其中，CO2不是作为一种所述啤酒花树脂酸的很差的溶剂而存在，而是作为一种工作助剂，它可使得啤酒花树脂酸的氢化能够以高浓度形式和在相对低温下进行，通常是在低于CO2临界温度甚至低于所述啤酒花树脂酸正常可能会认为处于流化状态的温度之下，这通常可通过采用CO2气体压力低于或甚至基本低于这种气体的临界压力而获得的。
下述实施例14A-14C将要说明本发明是如何用来制备一种氢化异构化的啤酒花树脂酸的水溶液，它具有商业可接受的浓度，且适合用来有利地改善啤酒泡沫。实施例14A(异-α-酸树脂的直接氢化)
将10.1g异-α-酸树脂(HPLC法，93.8％异-α-酸，“制剂3”)，和0.453g 10％PdO/C催化剂(催化剂1)放入到实施例1A的反应釜中，以干燥重量为基准，催化剂为异-α-酸加入量的2.4％。采用CO2通过吹扫从所述容器中除去空气，接着进行抽真空。然后将氢气引入到所述容器中，直到压力达到60psig。所述树脂/催化剂混合物接着通过加温度为65℃的水到一个烧杯(所述反应釜部分地浸没在其中)中而对其进行加热。在3分钟后，起动磁力搅拌器，水温维持在53-56℃。在搅拌1.7小时之后，氢气压力稳定在44psig。所述反应釜接着放入到温度15℃的水浴中，并解压到大气压。在打开所述容器之后，取出一等分反应混合物样品，并声裂分散甲醇中，过滤，然后采用HPLC法进行分析。第二等分试样直接过滤以除去催化剂(采用Whatman GF/F玻璃微纤维过滤器)，然后稀释到甲醇中。这些等分试样具有几乎相等的纯度(分别为94.5％和94.7％)。每个样品都是只有非常低水平的过氢化，可由其高光谱比值(A254nm/A270nm＝1.21)得到证实。
本实施例说明了由异-α-酸的无溶剂氢化所制得并按实施例1A所述方法通过树脂/催化剂混合物的直接过滤进行回收的四氢异-α-酸，是如何在不损失纯度或不需要先溶解到一种溶剂中就可能实现。实施例14B(四氢异-α-酸水溶液的形成)向源自实施例14A的6.88g氢化异-α-酸/催化剂混合物中加入250ml的温度为60℃的去离子水，并对混合物进行搅拌。接着慢慢地加入45％KOH溶液直到pH达到11.5，所述树脂质部分溶解(1.56ml的45％KOH)。将全部混合物接着过滤流过一种玻璃微纤维过滤器(Whatman GF/F)。得到243g浅黄色含水滤出物，HPLC法测得具有的四氢异-α-酸浓度为2.47％。由此可计算得到从所述催化剂中回收的四氢异-α-酸为98.1％。然后，对滤出液加热到60℃，搅拌，并加入3.2ml的50％H2SO4，使pH达到1.7，从而使四氢异-α-酸以一种流动树脂形式沉淀出来。在使所述混合物在一个分离漏斗中静置约40分钟后，收集下层树脂相，剩余炭催化剂通过过滤流过一个粗过滤纸(Whatman No.4)将其除去。向4.70g所述过滤的四氢异-α-酸树脂中，接着加入33ml温度为40℃的去离子水。对所述混合物进行搅拌，并加入5.25ml 9.0％KOH，从而在pH为9.5时完全溶解所述树脂。最后，通过添加水调节四氢异-α-酸的浓度到10.2％(紫外光谱分析)。根据HPLC法，这种最终产品具有的四氢异-α-酸的浓度为9.6％，为一种不正常的灰白色(黄色)，表明有相对低含量的未知发色化合物存在，它们正常地污染还原的异构化的异-α-酸的商业制备。所述HPLC纯度为94.4％。
所以，一种具有通常商业浓度(10％w/w，紫外光谱)的高质量四氢异-α-酸产品的碱性含水钾盐的制备，是可以从由异-α-酸树脂的直接氢化制备得到的四氢异-α-酸容易地获得的。实施例14C(通过添加溶解的四氢异-α-酸改善啤酒的泡沫)将实施例14B的四氢异-α-酸溶液(10.2％w/w，紫外光谱分析)，进一步在水中稀释到四氢异-α-酸的浓度为3.55mg/ml(紫外光谱分析)。然后，向两个12盎司啤酒瓶(Bud Light)的每一个之中，加入0.75ml这种溶液(使四氢异-α-酸在啤酒中的总浓度为7.5ppm)。接着将所述瓶盖上帽，并冷冻3天。相似地，两瓶啤酒采用商业可获得的四氢异-α-酸产品进行处理，另外两瓶采用由异-α-酸的钾盐水溶液组成的异构化萃取物进行处理。这些啤酒瓶采用Smith & Wilson的方法(PCT国际申请WO93/02177)测试其相对泡沫稳定性。这些测试结果如表4所示。表4用异-α-酸和四氢异-α-酸增强的啤酒的相对泡沫稳定性
它清楚地说明了实施例14B的产品具有改善泡沫的能力，它至少是大于商业可得的四氢异-α-酸产品的稳定能力，显著大于由按比例添加的未还原异-α-酸的稳定能力，证明它适合用作一种后发酵啤酒泡沫促进剂。实施例15(铂催化剂的应用)本实施例将说明本发明并不限于采用钯催化剂，一般地应当理解为包括采用已被证明适合用于本目的的任意贵金属催化剂。
将10.2 g异-α-酸树脂(HPLC法，93.8％异-α-酸，“制剂3”)，和1.167g 5％负载在炭上的铂催化剂(Johnson Mtthey型18M)放入到实施例1A的反应釜中，以干燥重量为基准，催化剂为异-α-酸加入量的5.9％。采用CO2通过吹扫从所述容器中除去空气，接着进行抽真空。然后将氢气引入到所述容器中，直到压力达到60psig。所述树脂/催化剂混合物接着通过加温度为65℃的水到一个烧杯(所述反应釜部分地浸没在其中)中而对其进行加热。在3分钟后，起动磁力搅拌器，水温维持在56-59℃。在搅拌2.4小时之后，氢气压力稳定在43psig。所述反应釜接着放入到温度13℃的水浴中，并释放内压至大气压，之后，采用CO2通过吹扫除去剩余的氢气，并抽真空。在释放真空至大气压后，取出一份反应混合物样品，充分地分散在甲醇中，过滤，然后采用HPLC法进行分析。样品具有的四氢异-α-酸纯度为93.9％。该纯度与实施例14A采用氧化钯催化剂获得的纯度是非常相似的。该样品具有低水平的过氢化，可由其光谱比值A254nm/A270nm＝1.19得到证实。
由前述可以看出，我们新颖方法的特殊优点可允许我们在完全没有传统有机溶剂存在下进行啤酒花树脂酸基质尤其是异-α-酸和ρ-异-α-酸的催化多相氢化反应，只要非强制地溶解气态二氧化碳到所述基质中即可。令人惊奇地，我们发现按照这种方法实现想要的有效转化基质为具有高收率并以便于控制经济的工业方法进行操作的氢化产物，是可行的。而且，本发明不仅可以间歇方法进行生产，而且也可以连续或半连续方法进行生产，从而可做出一种选择，它考虑到其它相关的可能喜欢一种类型操作而不是另一种类型操作的情形。
而且，从前述可以看出，按我们新颖方法由异-α-酸所形成的四氢异-α-酸，当在合适的条件下进行时，它能够很好地适合用作采用传统方法制备六氢异-α-酸的起始原料。
本发明是能容许对其进行改进的。例如，没有根本远离本发明的实质和范围的其它可实现氢化啤酒花树脂酸的增溶的方法，都可采用。
尽管前述的工作实施例具体说明了优选的实施方式，但是，本发明不受由上述实施例约束条件的限定，应该理解为包括落入我们的权利要求书的广阔概念之中的反应和情形的所有方式。
权利要求
1.一种以它们天然酸式状态存在的流化啤酒花树脂酸的氢化方法，它包括在一种贵金属催化剂存在下和没有液态有机溶剂存在下使啤酒花树脂酸与氢气进行接触。
2.权利要求1所述方法，其中所述催化剂的贵金属是钯或铂。
3.权利要求2所述方法，其中所述钯呈负载在炭上的氧化钯或负载在炭上的钯的形式。
4.权利要求1所述方法，包括加热所述啤酒花树脂酸到足以使所述啤酒花树脂酸和它们的反应产物流化的步骤。
5.权利要求1所述方法，其中所述氢化反应的产物要经过一个分离步骤以除去多相催化剂。
6.权利要求5所述方法，其中分离的反应产物是通过加入水和一种碱金属氢氧化物而转化为一种水溶液的。
7.权利要求6所述方法，其中所述碱金属是钾。
8.权利要求1所述方法，包括在水中悬浮所述氢化的啤酒花树脂酸产物、添加足量碱金属氢氧化物以溶解所述氢化啤酒花树脂和分离所得到混合物以获得一种以其碱金属盐形式存在的所述氢化啤酒花树脂酸产物的溶液的步骤。
9.权利要求8所述方法，其中所述碱金属是钾。
10.权利要求8所述方法，包括采用添加无机酸酸化所得到的溶液以沉淀所述氢化啤酒花树酸和回收作为分离相的所述沉淀树脂的步骤。
11.权利要求10所述方法，包括在水中悬浮所回收的树脂和添加足量碱金属氢氧化物以使所述树脂溶解的步骤。
12.权利要求11所述方法，其中所述碱金属是钾。
13.一种以它们酸式状态存在的啤酒花树脂酸在没有液态有机溶剂存在下的氢化方法，该方法是采用在一种贵金属催化剂存在下于二氧化碳(CO2)分压下，使所述啤酒花树脂酸的反应混合物与氢气进行接触，所述CO2气体的压力(a)足以使所述反应混合物流化，和(b)低于所述CO2在低于CO2临界温度将要液化的压力，或如果所述温度处于或高于所述临界温度，处于低于所述CO2气体密度大于其在临界点密度时的压力。
14.权利要求13所述方法，其中二氧化碳气体的分压是所述CO2气体在低于临界温度下将要液化时压力的0.4-0.9倍。
15.权利要求13所述方法，其中所述温度是在10-100℃之间。
16.权利要求13所述方法，其中所述温度是在15-50℃之间。
17.权利要求1所述方法，其中所述氢气是以等于或大于完全转化所述啤酒花树脂酸为一种确定的分子结构(或同族系列结构)的氢化产物的理论摩尔比进行进料的。
18.权利要求13所述方法，其中所述氢气是以等于或大于完全转化所述啤酒花树脂酸为一种确定的分子结构(或同族系列结构)的氢化产物的理论摩尔比进行进料的。
19.权利要求17所述方法，其中所述氢气是以摩尔比为完全反应的理论需要量的1.0-2.0倍。
20.权利要求18所述方法，其中所述氢气是以摩尔比为完全反应的理论需要量的1.0-2.0倍。
21.权利要求1所述方法，包括在所述氢化反应之前在水中悬浮所述氢化的啤酒花树脂酸和贵金属催化剂混合物的步骤。
22.权利要求21所述方法，包括采用向所述水中添加一种碱金属的氢氧化物以溶解所述氢化反应产物和采用过滤方法除去不溶的催化剂的步骤。
23.权利要求22所述方法，其中所述碱金属是钾。
24.一种啤酒花树脂酸氢化的连续方法，包括以下步骤转化所述啤酒花树脂酸为一种流体状态；在高压下向所述啤酒花树脂酸中供入氢气，其数量至少为足以完成所需反应的化学计量数量；使所形成的均匀树脂和氢混合物流过贵金属催化剂颗粒床层；和在等于或接近大气压的压力下收集所得到的产物。
25.权利要求24所述方法，其中所述啤酒花树脂酸是采用加热方法实现流化的。
26.权利要求24所述方法，其中所述啤酒花树脂酸是通过溶解CO2气体到其中而实现流化的，其数量不超过在树脂进入和流出催化剂床层的维持压力下它将要饱和所述树脂的数量。
27.权利要求26所述方法，其中加热所述啤酒花树脂酸以进一步提高其流动性。
28.权利要求1的产品。
29.权利要求13的产品。
30.权利要求24的产品。
31.按照权利要求1所述方法由异-α-酸制备得到的四氢异-α-酸。
32.按照权利要求13所述方法由异-α-酸制备得到的四氢异-α-酸。
33.按照权利要求24所述方法由异-α-酸制备得到的四氢异-α-酸。
34.按照权利要求1所述方法由ρ-异-α-酸制备得到的六氢异-α-酸。
35.按照权利要求13所述方法由ρ-异-α-酸制备得到的六氢异-α-酸。
36.按照权利要求24所述方法由ρ-异-α-酸制备得到的六氢异-α-酸。
37.按照权利要求1所述方法制备得到氢化β-酸。
38.按照权利要求13所述方法制备得到氢化β-酸。
39.按照权利要求24所述方法制备得到氢化β-酸。
40.按照权利要求1所述方法制备的含有氢化啤酒花树脂酸的啤酒。
41.按照权利要求13所述方法制备的含有氢化啤酒花树脂酸的啤酒。
42.按照权利要求24所述方法制备的含有氢化啤酒花树脂酸的啤酒。
全文摘要
一种用于在没有液态有机溶剂存在下啤酒花树脂酸直接氢化反应的方法,是通过在一种贵金属存在下,在一定温度下使所述啤酒花树脂酸与氢进行反应,在该温度下所述树脂酸是充分流化的可以容易地与所述催化剂进行混合并适合促进所述氢化反应。一种替代方案是,所需要的流动性可在相对较低温度获得,是通过使反应试剂经过高压CO
文档编号C07B61/00GK1384872SQ99817007
公开日2002年12月11日 申请日期1999年11月18日 优先权日1999年11月18日
发明者R·J·史密斯, R·J·H·威尔森 申请人:S.S.斯坦纳公司