孫學(xué)習(xí)，李 濤，計(jì)新靜，任保增，樊耀亭

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001;2.中州大學(xué)化工食品學(xué)院，河南鄭州450044)

0 引言

木糖是一種五碳醛糖，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，為無(wú)色至白色結(jié)晶或針狀性粉末，不易被人體消化吸收，低熱值，不易被腐敗菌發(fā)酵，具有明顯的雙歧桿菌活性，能夠起到調(diào)節(jié)人體生理功能，增加機(jī)體免疫力，預(yù)防疾病發(fā)生等作用.木糖與其它種類低聚糖相比，具有用量少、耐熱、耐酸、耐儲(chǔ)存等特性.因此，木糖可應(yīng)用于酸性、需高溫處理的食品中，且少量添加即可有特定的保健功效［1］.木糖在食品、醫(yī)藥、輕工等領(lǐng)域有著廣泛的用途.它可以作為甜味劑加工成糖尿病人專用食品，可以降低人體血糖，是糖尿病人的輔助治療劑，在輕工業(yè)中木糖可以代替甘油作保濕劑［2］.

圖1 木糖分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of xylose

玉米芯中木糖的含量高達(dá)35% ～40%［3］，筆者對(duì)玉米芯預(yù)處理后進(jìn)行厭氧生物發(fā)酵制氫，獲得了很好的效果［4］，在產(chǎn)氫過(guò)程后期，發(fā)酵液中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸醇物質(zhì)，影響產(chǎn)氫過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行.為了研究酸醇物質(zhì)對(duì)木糖產(chǎn)氫過(guò)程的影響，實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)升溫法測(cè)定木糖在5種醇類溶劑中的溶解度，為研究木糖的產(chǎn)氫過(guò)程、木糖的利用和工藝改進(jìn)提供了基礎(chǔ)的科學(xué)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原料

超級(jí)恒溫器(CS501-SP)，精度為0.1 K;電子分析天平(FA2104A);精密溫度計(jì)，精度為0.1 K;磁力加熱攪拌器(XK78-2);木糖(99.5%)，精制后經(jīng)高效液相色譜(Daojin LC-10A)分析，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.1%，DSC(STA409PC-luxx)測(cè)定其熔點(diǎn)是(418.7±0.2)K，熔化熱為(33 946.6±5.0)J/mol;甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇和正丁醇均為分析純?cè)噭a(chǎn)商為天津科密歐化學(xué)試劑有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中的木糖溶解度采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定［5-6］.向帶夾套的玻璃溶解釜中加入一定的溶劑，再加入準(zhǔn)確稱量的溶質(zhì);而后向夾套內(nèi)通入循環(huán)水，循環(huán)水來(lái)自超級(jí)恒溫水浴，開(kāi)啟磁力攪拌器，使固液兩相充分混合.激光監(jiān)視系統(tǒng)觀察固相的溶解情況，在溶解的開(kāi)始階段，信號(hào)較小，波動(dòng)較大，隨著固相溶解的不斷進(jìn)行，信號(hào)不斷增大，變化趨于平緩.當(dāng)加入的溶質(zhì)完全溶解后繼續(xù)向溶解釜中加入稱量好的溶質(zhì)，繼續(xù)攪拌直至不溶解為止，開(kāi)始升溫，并對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)值進(jìn)行對(duì)比.根據(jù)信號(hào)變化的大小調(diào)節(jié)升溫速率，當(dāng)信號(hào)變化大時(shí)，快速升溫，當(dāng)變化小時(shí)，緩慢升溫，當(dāng)接近固液平衡時(shí)，控制升溫速率小于0.1 K/h.隨著溶解的不斷進(jìn)行，固相不斷進(jìn)入液相.當(dāng)最后一粒固體顆粒進(jìn)入液相的瞬間，信號(hào)達(dá)到最大值，趨于穩(wěn)定.記下此時(shí)的溫度，并停止升溫.這一溫度即為實(shí)驗(yàn)給定體系溶解度所對(duì)應(yīng)的溫度.

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性檢驗(yàn)

由于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中未查到木糖在有機(jī)溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)，將三聚氰胺在水中溶解度的實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值［7］進(jìn)行了比較.由圖2可看出，三聚氰胺在水中的溶解度x的測(cè)定值與文獻(xiàn)值有較好的吻合度，說(shuō)明溶解度測(cè)定方法準(zhǔn)確可靠.

圖2 三聚氰胺在水中的溶解度Fig.2 Solubilities of melamine in water

2.2 溶解度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)定木糖在甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇和正丁醇中的溶解度數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表1;其中x是溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)，T為絕對(duì)溫度.將實(shí)驗(yàn)值和Apelblat模型計(jì)算值進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖3所示.由圖可知木糖在甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇和正丁醇中的溶解度數(shù)據(jù)隨溫度的升高而增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明木糖在有機(jī)溶劑中的溶解度很低，而且在甲醇中的溶解度相比其他溶劑要高，在正丁醇中的溶解度最低.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可以用相似相溶的原理解釋，相似相溶是指“極性相似的兩者互溶度大”.例如，非極性、弱極性溶質(zhì)易溶于非極性、弱極性溶劑［8］.從圖1可以看出木糖有很強(qiáng)的極性，因此其在極性溶劑的溶解度較大，而在非極性溶劑中溶解度較小.

表1 不同溫度下木糖在不同溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Mole fraction solubility of Xylose

圖3 木糖在5種醇類溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)值和Apelblat模型計(jì)算值關(guān)聯(lián)Fig.3 The correlation for solubility of xylose by the Apelblat Equation Model

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同模型關(guān)聯(lián)

2.3.1 λ-h模型

1980 年，Buchowski等［9］研究了活度、溶解度與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)ln(1-α2)是溫度倒數(shù)的線性函數(shù)，由此導(dǎo)出了二元體系固液相平衡的溶解度方程，因方程中含有參數(shù)λ和h，因而稱為λh方程.λ-h方程是一種半經(jīng)驗(yàn)方程，方程形式為

式中：x為溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);T為絕對(duì)溫度;Tm是溶質(zhì)的熔點(diǎn).回歸得到的參數(shù)λ和h值列于表2中.

2.3.2 Apelblat模型

Apelblat溶解度模型是在假定溶液的熱焓隨溫度線性變化，從Clausius-Clapeyron方程推得溶解度隨溫度的變化關(guān)系為［7，10］

式中：x為溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);T為絕對(duì)溫度;A、B、C為參數(shù).通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的 A、B、C參數(shù)值列于表2中.

表2 各體系中λ－h(huán)模型和Apelblat模型參數(shù)回歸結(jié)果及平均相對(duì)偏差Table 2 Parameters of the apelblat and λ－h(huán) equation and absolute average relativeDeviation for five systems

2.4 模型比較

相對(duì)偏差e定義為

式中：xi是溶解度的實(shí)驗(yàn)值;xci為溶解度計(jì)算值;N為實(shí)驗(yàn)點(diǎn).

為了描述Apelblat模型和λ-h模型的精確度，對(duì)各模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)偏差進(jìn)行了計(jì)算，如表2所示.Apelblat模型和λ-h模型的總平均相對(duì)偏差分別為1.0%和3.8%.從表2可以看出，對(duì)于各體系的溶解度數(shù)據(jù)，特別是乙醇和異丙醇體系，Apelblat模型的關(guān)聯(lián)結(jié)果優(yōu)于λ-h模型.

3 結(jié)論

(1)采用動(dòng)態(tài)法分別測(cè)定了木糖在甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇和正丁醇中的溶解度數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明木糖在有機(jī)溶劑中的溶解度很低，在甲醇中的溶解度相比其他溶劑高.

(2)運(yùn)用λ-h方程和Apelblat方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，得到各模型的參數(shù)，并計(jì)算各體系的平均相對(duì)偏差;采用Apelblat模型的平均偏差均小于2%，優(yōu)于λ-h模型.

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