(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極室と陰極室とをセパレータで分離した電解槽を用い、該陰極室にＬ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し電解還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法において、
該鉱酸水溶液に亜鉛塩を含有させて、亜鉛をメディエータとして利用して、Ｌ−シスチンをＬ−システインに還元させることを含み、かつ、該陰極室に用いる陰極が、カーボン電極を用いることを特徴とするＬ−システイン鉱酸塩の製造方法。
【請求項２】
鉱酸水溶液中の亜鉛塩の含有量が、０．１〜５．０質量％であることを特徴とする請求項１に記載のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法。
【請求項３】
鉱酸水溶液が、塩酸水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電解還元によって、Ｌ−シスチンからＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｌ−システイン鉱酸塩は、医薬品、食品添加物、化粧品等の用途に用いられている。Ｌ−システイン鉱酸塩を製造する方法としては、還元剤を用いて、Ｌ−シスチンを還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法、Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液をイオン交換樹脂で処理することでＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法、Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液に苛性アルカリを添加して中和しＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法、Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液を陰極液として、電解還元することでＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法が挙げられる。
【０００３】
これらの中でもＬ−シスチンの鉱酸水溶液を陰極液として、電解還元することでＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法が、以下の理由で好ましく挙げられる。
Ｌ−シスチンからＬ−システインへの化学反応では、水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤が利用されるが、反応後に還元剤を除去する必要がある。
一方、電解還元の場合は、上記のような還元剤を必要とせず、さらに、反応後の精製工程が必要なく、コストを低減することが可能である。
また、電流量の制御は、化学反応の制御（温度、触媒量等）に比べ容易に管理することができ、選択還元が可能であることも利点である。
【０００４】
Ｌ−システインの電解還元の反応機構を次に説明する。まず、電解槽にＬ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し電流をかけ、電極表面にＬ−シスチンが接触し、電子の受け渡しを行うことで反応が進行する。よって反応初期は電流効率が高いが、反応終了付近では、シスチン濃度が極端に低くなるため、電極表面にシスチンが当たる確率が低くなり、反応の進行が遅くなる。最後は、シスチンよりも水が電気分解され、目的物が得られない状態になる。そのため、電解反応の途中で平衡状態となり、未反応の原料であるＬ−シスチンが残存してしまう問題があった。
【０００５】
例えば、特許文献１には、電解反応によってＬ−シスチンをＬ−システインに還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法が開示されている。なお、Ｌ−システイン鉱酸塩は、医薬品、食品添加物、化粧品用途として用いるためには、高い純度が求められ、具体的には純度９９．８％以上にする必要がある。
該方法では、還元剤を含有させて還元させる方法よりも高い純度は得られるものの、まだ、電解還元のみでは十分な純度が得られるわけではなく、電解還元後に精製工程が必要となっていた。
【０００６】
また、特許文献２には、陽イオン交換樹脂を隔膜とし、交互に陰極室と陽極室とを複数設けた密閉型隔膜電解槽の各陰極室内へシステイン鉱酸塩水溶液を連続的に供給循環せしめると共に、各陽極室へは稀鉱酸を連続的に供給循環せしめつつ電解還元する高純度システイン鉱酸塩の製法が開示されている。システイン鉱酸塩水溶液を適度の流速で陰極室に循環せしめ、段階的に電解還元を進めていく方法で、高純度のシステイン鉱酸塩を製造する製法である。
しかしながら、該製法を用いても純度９９．８％のシステイン鉱酸塩を得ることは困難であり、純度９９．８％のシステイン鉱酸塩を得るには精製工程が必要となっていた。
【０００７】
上述したように、Ｌ−システイン鉱酸塩の純度を９９．８％以上にする必要があるが、これまでは電解反応後に精製工程を経なければ該純度に達することは不可能であった。煩雑な精製工程を必要とせず、電解反応のみで純度９９．８％以上のＬ−システイン鉱酸塩が得られる製造方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公昭３７−２０２２号公報
【特許文献２】特開昭５１−１３６６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、精製工程を必要とせず、電解反応のみで純度９９．８％以上のシステイン鉱酸塩を得ることができる、Ｌ−シスチンを還元してＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らが鋭意検討した結果、以下の内容の本発明を完成した。
【００１１】
第一の発明は、陽極室と陰極室とをセパレータで分離した電解槽を用い、該陰極室にＬ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し電解還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法において、該鉱酸水溶液に亜鉛塩を含有させて反応することを特徴とするＬ−システイン鉱酸塩の製造方法である。
【００１２】
第二の発明は、鉱酸水溶液中の亜鉛塩の含有量が、０．１〜５．０質量％であることを特徴とする第一の発明に記載のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法である。
【００１３】
第三の発明は、鉱酸水溶液が、塩酸水溶液であることを特徴とする第一又は第二の発明に記載のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法である。
【００１４】
第四の発明は、陰極室に用いる陰極が、カーボン電極であることを特徴とする第一から第三の発明のいずれか一項に記載のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、陽極室と陰極室とをセパレータで分離した電解槽を用い、該陰極室にＬ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し電解還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法において、該鉱酸水溶液に亜鉛塩を含有させて反応させることで電流効率が向上し、精製工程を経なくても電解反応のみで、純度が９９．８％以上のＬ−システイン鉱酸塩を得ることができる方法である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明において、Ｌ−システインとは、アミノ酸の１つで、２−アミノ−３−スルファニルプロピオン酸のことをいう。鉱酸とは無機酸のことであり、例えば、塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、ホウ酸等が挙げられる。
Ｌ−システイン鉱酸塩とは、Ｌ−システインと鉱酸との塩のことをいう。本願の製造方法ではＬ−シスチンを原料として用いることで、Ｌ−システイン鉱酸塩を製造することができる。
【００１７】
本願発明のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法について説明する。
【００１８】
本願発明は、陽極室と陰極室とをセパレータで分離した電解槽を用い、該陰極室にＬ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し電解還元させてＬ−システイン鉱酸塩を製造する方法において、該鉱酸水溶液に亜鉛塩を含有させて反応することを特徴とするＬ−システイン鉱酸塩の製造方法である。
【００１９】
前記陽極室には、鉱酸水溶液を導入し、陽極を浸漬させて使用する。なお、陽極室に用いる無機酸又は有機酸は陰極室に用いる鉱酸水溶液と同一種類である必要はない。
陽極室に導入する鉱酸水溶液の鉱酸の濃度は、一般的に１〜３０％であるのが好ましく挙げられる。
【００２０】
前記無機酸としては、塩酸、硫酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。前記有機酸としては、ギ酸、酢酸、シュウ酸等が挙げられる。
【００２１】
陽極の材質としては、酸化イリジウム、金、白金、パラジウム、銀、鉛等が挙げられる。これらの中でも特に酸化イリジウムが、酸素過電圧が低く、耐食性に優れるため好ましく挙げられる。
【００２２】
陰極室には、Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液を導入し、陰極を浸漬させて使用する。
【００２３】
陰極の材料は、亜鉛、錫、カーボン、チタン等が挙げられる。水素過電圧の高いカーボン又はチタンを用いることが好ましく、カーボンを用いることが特に好ましく挙げられる。カーボン材料としては、グラファイト、カーボンペーパー、グラッシーカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、等方性炭素等が挙げられる。
カーボン材料を用いたカーボン電極は特に水素過電圧が高いので、水の電気分解が起きづらく、電解還元に電力を効率よく使用することができるため、短時間でＬ−シスチンを還元させてＬ−システインを製造することができる。
【００２４】
Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液中に亜鉛塩を含有させて電解還元することで、亜鉛イオンが電子を受けとり、亜鉛金属となり、電極表面に析出する。
Ｚｎ2＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｚｎ
析出した亜鉛金属は電子を放出することで溶解し、そのときの電子がＬ−シスチンをＬ−システインに還元するのに使われる。
Ｚｎ  ＋  ＣｙＣｙ  ＋  ２Ｈ＋  →  Ｚｎ２＋  ＋  ２ＣｙＨ
（式中、ＣｙＣｙはＬ−シスチン、ＣｙＨはＬ−システインを示す。）
このように、亜鉛が電子の受け渡し役（メディエータ）になることで、電流効率が上がり、反応終盤も、Ｌ−シスチンへの反応確率が上がるため、１００％まで反応が進行する。また、反応完了後、不純物の亜鉛は電極表面に析出するため、反応液への混入もなく、後処理が不必要になる。
【００２５】
陰極室に用いる鉱酸水溶液における鉱酸の濃度は、１〜３０質量％が好ましく、５〜２０質量％がより好ましく挙げられる。用いるＬ−シスチンの含有量に対し、０．１〜５倍ｍｏｌ含有させることが好ましく挙げられる。
Ｌ−シスチン自体は水への溶解度が低いため、反応効率を上げるため溶解度を上げる必要がある。Ｌ−シスチン鉱酸塩は溶解度が高く反応効率を上げることが出来る。
また、Ｌ−システイン自体は空気酸化して、容易にＬ−シスチンに戻る。Ｌ−システイン鉱酸塩は安定化であるため、鉱酸を加えることで、純度の低下を防ぐことができる。
【００２６】
Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液におけるＬ−シスチンの含有量は、１〜３０質量％が好ましく、５〜２０質量％が特に好ましく挙げられる。
Ｌ−シスチンの濃度を濃くすると結晶が析出し、デットスペースへの結晶析出で未反応が残るなどし、Ｌ−システイン鉱酸塩の純度に悪影響を及ぼす。また、複雑な加温機能を持つ生産設備によりこの結晶析出を防止することは可能であるが、工業的規模の生産においては現実的ではない。そのため、Ｌ−シスチン鉱酸塩及びＬ−システイン鉱酸塩が溶解する濃度範囲として、上記濃度範囲が特に好ましく挙げられる。
ただし、Ｌ−シスチンの鉱酸水溶液におけるＬ−シスチンは完全に鉱酸水溶液に溶解している必要はなく、電解反応中に溶解すればよい。
【００２７】
該鉱酸水溶液に含有させる亜鉛塩としては、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、リン酸亜鉛等が挙げられる。
【００２８】
該鉱酸水溶液における亜鉛塩の含有量は、０．１〜５．０質量％であることが好ましく、０．５〜４．０質量％であることがより好ましく挙げられる。
反応中盤では、亜鉛は電子を運ぶ役割（メディエータ）を担うため、反応効率を上げる目的で、ある程度の添加量は必要になるが、コンタミの原因になるため、多量に加えるのは得策ではない。
亜鉛は、反応終盤の追い切りに必要であるため、本発明は少量でも効果が期待できる。また、最後に電極表面に亜鉛を析出させ、反応溶液から除去する必要があるため、電極面積との兼ね合いで亜鉛塩の添加量を設定する必要がある。
【００２９】
亜鉛塩を含有させて還元反応を行うことで、電流効率が向上するため、Ｌ−シスチンからＬ−システインへ完全に還元させることが可能であり、その結果、純度９９．８％以上でシステイン鉱酸塩を製造することができる。
【００３０】
また、鉛塩、チタン塩、銅塩、スズ塩、クロム塩等の金属塩を用いても、上述したようなメディエータの役割がほぼ機能しないため、電流効率の向上はほとんど見られず、完全にＬ−シスチンをＬ−システインに還元させることができない問題がある。
【００３１】
セパレータとしては、ポリ塩化ビニル製やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製隔膜、ショ糖脂肪酸エステル製隔膜、又は陽イオン交換膜を用いることができる。陽イオン交換膜を用いることが好ましく挙げられ、陽イオン交換膜の中でも炭素−フッ素からなる疎水性テフロン（登録商標）骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料である膜（例えば、ナフィオン（登録商標）膜、デュポン社製）が好ましく挙げられる。
セパレータを設けることによって、電解還元したＬ−システインが陽極で酸化により再びＬ−シスチンへ戻ることを防止することができる。
【００３２】
Ｌ−システイン鉱酸塩としては、Ｌ−システイン塩酸塩、Ｌ−システイン硫酸塩、Ｌ−システインリン酸塩等が挙げられ、本願発明の製造方法によって製造することができる。
陰極室に用いる鉱酸水溶液によって、Ｌ−システイン鉱酸塩が決まり、例えば、塩酸水溶液を用いることで、Ｌ−システイン塩酸塩を得ることができる。
【００３３】
これらのＬ−システイン鉱酸塩の中でもＬ−システイン塩酸塩は、他のＬ−システイン硫酸塩やＬ−システインリン酸塩等よりも融点が高いため、室温で固体であり、取り扱いが容易であるため好ましく挙げられる。
【００３４】
次に電解還元方法について説明する。電解還元するときの電流量は、０．１〜２０Ａ／ｄｍ２の電流量で電解反応するのが好ましく、１〜１０Ａ／ｄｍ２で電解反応させるのがより好ましく挙げられる。電流値を上げたほうが反応速度は速くなるが、電流値を上げると電圧が高くなり、副反応の水の電気分解が起こり、反応効率を低下させるため好ましくない。そのため、前記電流量で電解還元することで、効率よくＬ−シスチンからＬ−システインに還元させることができる。
【００３５】
次に電流効率の算出方法について説明する。下記反応式から、Ｌ−シスチン１ｍｏｌが２電子を消費し、Ｌ−システイン２ｍｏｌが生成するため、１電子１ｍｏｌ反応になる。
ＣｙＣｙ  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  ２ＣｙＨ
（式中、ＣｙＣｙはＬ−シスチン、ＣｙＨはＬ−システインを示す。）
したがって、電流効率（％）はファラデーの法則に基づいて、以下の計算式により算出することができる。
0006639224.tif 000002
【００３６】
本発明の製造方法において、陰極室に導入されるＬ−シスチンの鉱酸水溶液及び亜鉛塩以外に他の添加剤を一切含有させる必要はないため、高純度のＬ−システイン鉱酸塩が得られるとともに、不必要な物質の電析もないため、高収率高純度で目的物を容易な操作で得ることができる。
【００３７】
Ｌ−システイン鉱酸塩は空気中で安定であり、Ｌ−システインのように空気中で酸化してＬ−シスチンに戻ることはない特徴を有している。
【００３８】
また必要に応じて、本願発明により得られたＬ−システイン鉱酸塩を、脱酸させてＬ−システインとすることができる。
【実施例】
【００３９】
以下に実施例を挙げることによって本発明をさらに詳しく説明する。本発明はこれら実施例に限定されるわけではない。
【００４０】
（実施例１）
セパレータとして疎水性テフロン（登録商標）骨格とスルホン酸基を持つナフィオン（登録商標）４２４（デュポン社製）を用いた隔膜電解槽（陽極室及び陰極室の容量が各々１００ｍＬ）で、陽極として酸化イリジウム電極（面積：０．０２５ｄｍ２）、陰極室としてカーボン電極（面積：０．０２５ｄｍ２）を、また陽極液として１０ｗｔ％硫酸５０ｍｌ、陰極液としてＬ−シスチン５ｇ、塩化亜鉛０．１ｇを加えた５．３ｗｔ％塩酸溶液５０ｍｌを用いた。陽極、陰極両方にテフロン（登録商標）製撹拌子を導入し、循環させながら電解を行った。陰極電流密度を５Ａ／ｄｍ２、電解温度を２０℃として電解し、２３時間、３０時間通電した後の陰極液を高速液体クロマトグラフにより分析しＬ−システインの純度を求めた。電流効率（％）は３０時間後のＬ−システインの純度と通電した電気量から算出した。
【００４１】
高速液体クロマトグラフの測定条件を以下に示し、検量線を作成して純度（％）を算出した。結果を表１に示す。
使用装置：ＳＨＩＳＥＩＤＯ ＮＡＮＯＳＰＡＣＥ Ｓｌ−１
カラム：ＴＯＳＯＨ ＯＤＳ−１００Ｖ ５μｍ ４．６ｍｍＩＤ ２５センチ
温度：４０℃
溶離液：Ａ) アセトニトリル
Ｂ) ５０ｍＭＮａＨ２ＰＯ４、５ｍＭＫＨ２ＰＯ４（ｐＨ２．２；Ｈ３ＰＯ４ ）
Ａ／Ｂ ＝ ２．５／９７．５ (ｗ／ｗ)
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
注入量：１０μＬ
検出波長：２１０ｎｍ
検量線作成は、シスチン及びシステインそれぞれを１００、２００、３００ｐｐｍに調整、高速液体クロマトグラフで測定し、シスチンとシステインのｗｔとＡＲＥＡの検量線を作成した。
【００４２】
（実施例２）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに硫酸亜鉛を０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４３】
（実施例３）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりにリン酸亜鉛を０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４４】
（比較例１）
実施例１に記載の塩化亜鉛を加えない点を除き実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４５】
（比較例２）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに塩化銅を０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４６】
（比較例３）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに硫酸銅を０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４７】
（比較例４）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに塩化スズを０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４８】
（比較例５）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに塩化チタンを０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００４９】
（比較例６）
実施例１に記載の塩化亜鉛の代わりに塩化鉛を０．１ｇ加えた以外は、実施例１と同様に電解し、電流効率及び純度を求め、その結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
0006639224.tif 000003
【００５１】
実施例１〜６よりも実施例１〜３の方が、電流効率が高く、３０時間後では純度１００％のＬ−システイン鉱酸塩が得られることがわかる。実施の中でも特に実施例１に用いた塩化亜鉛は、他の亜鉛塩よりも解離しやすいため亜鉛イオンになりやすく、メディエータの効果が高いので、短時間で反応が早く進行することが確認できた。
比較例２、３の結果を見ると、水素よりイオン化傾向の低い銅では、金属の析出と溶解を繰り返すことができないため、電子のメディエータの効果が得られず、電流効率、純度の向上は見られない。
比較例４〜６のように、水素よりイオン化傾向が高く、金属が析出と溶解を繰り返すことの出来る金属塩では、若干電子のメディエータの効果が得られるが、亜鉛塩には及ばないものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本願発明のＬ−システイン鉱酸塩の製造方法により得られるＬ−システイン鉱酸塩は、純度が９９．８％以上であるので、医薬品、食品添加物、化粧品等の様々な用途で使用することができる。