潘浩然,粟 暉,姚志湘,劉 柳,劉春水(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西科技大學(xué)廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州 545006)

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三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制三氯蔗糖及結(jié)晶工藝優(yōu)化

潘浩然,粟 暉*,姚志湘,劉 柳,劉春水
(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西科技大學(xué)廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州 545006)

以自制的三氯蔗糖-6-乙酸酯(Sucralose-6-acetate,TGS-6-A)為原料,在堿性條件下制得三氯蔗糖(Sucralose,TGS),采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件,通過對(duì)醇解溫度、初始pH以及反應(yīng)時(shí)間三個(gè)因素進(jìn)行混合均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì),并以TGS含量作為指標(biāo),最終得出醇解的最佳條件:溫度35.0 ℃,pH10.0,時(shí)間2.3 h,制得TGS平均收率為79.49%,與模型計(jì)算理論值相差1.26%,說明使用DPS數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)TGS-6-A醇解實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵詫で笞罴汛冀鈼l件可行。重結(jié)晶提純過程采用乙酸乙酯、乙酸丁酯作為萃取劑,使用蒸餾水多次洗滌有機(jī)相,收集水相,依次經(jīng)過活性炭脫色、過濾、超聲、冷卻重結(jié)晶、干燥等流程,得到TGS重結(jié)晶產(chǎn)品。經(jīng)紅外光譜及高效液相色譜分析,產(chǎn)品最高純度可達(dá)99.23%,水分均低于1.0%。本文為醇解制備TGS工業(yè)化生產(chǎn)以及結(jié)晶工藝提供一種可行性方法。

三氯蔗糖-6-乙酸酯,三氯蔗糖,醇解,結(jié)晶提純

三氯蔗糖(C12H19Cl3O8,化學(xué)名為4,1′,6′-三氯-4,1′,6′-三脫氧半乳型蔗糖)是蔗糖氯代衍生物的一種,是一種非營養(yǎng)型低能量人工合成甜味劑[1]。因其甜味特性好、安全系數(shù)高、生物穩(wěn)定性高且在人體內(nèi)不參與新陳代謝等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飲料、果凍、冰淇淋等食品中[2-3],其合成原料蔗糖來源較容易,現(xiàn)已成為目前市場上最為理想強(qiáng)力甜味劑之一。隨著市場需求的擴(kuò)大,生產(chǎn)成本降低,對(duì)三氯蔗糖產(chǎn)品的純度要求也隨之提高。目前文獻(xiàn)報(bào)道制備三氯蔗糖主要有全基團(tuán)保護(hù)法、單酯法(單羥基保護(hù)法)[4-5]、酶-化學(xué)合成法[6]以及棉籽糖水解法[7]等。其中單酯法主要包括酯化、氯化和醇解等步驟。本文主要采用三氯蔗糖-6-乙酸酯為原料在CH3ONa/CH3OH體系中醇解脫除乙?；?使用5%酸性苯乙烯陽離子交換樹脂中和,經(jīng)過濾,旋蒸,最終得到三氯蔗糖粗產(chǎn)品。

重結(jié)晶提純是三氯蔗糖的重要操作環(huán)節(jié),雜質(zhì)的含量直接影響三氯蔗糖品質(zhì)。國內(nèi)外市場對(duì)于高純度的三氯蔗糖(純度高于98%)需求量大,供不應(yīng)求,現(xiàn)需要低成本,易操作的方法對(duì)三氯蔗糖的純度結(jié)晶工藝進(jìn)行優(yōu)化。Navia[8]、Walkup[9]等采用有機(jī)溶劑乙酸乙酯萃取三氯蔗糖水溶液,在水相中重結(jié)晶;Catani[10]等采用連續(xù)三次及以上循環(huán)萃取、蒸餾等非結(jié)晶方法;Jenner[11]等采用水-醇混合溶劑冷卻結(jié)晶方法;何海兵[12]等使用兩種沸點(diǎn)差異較大的混合溶劑,因沸點(diǎn)的差異對(duì)三氯蔗糖溶解度的不同,使得三氯蔗糖在高沸點(diǎn)的溶劑中結(jié)晶。然而這些工藝都存在一些不足,有溶劑殘留,操作復(fù)雜,成本較高,含水量較高等,本文使用乙酸乙酯與乙酸丁酯萃取三氯蔗糖粗產(chǎn)品水溶液,收集水相,并使用蒸餾水多次洗滌有機(jī)相,最終合并水相,在水相中重結(jié)晶,經(jīng)真空干燥得到高純度三氯蔗糖產(chǎn)品。該方法使用萃取劑成本低;溶劑經(jīng)多次洗滌且在水相中重結(jié)晶,最終產(chǎn)品中已基本無有機(jī)溶劑殘留;操作簡便,僅為萃取、洗滌,無需蒸餾、回流等操作,節(jié)省時(shí)間;經(jīng)合適的真空干燥時(shí)間與溫度,大幅度降低了三氯蔗糖產(chǎn)品的含水量。

本文主要通過DPS數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)醇解實(shí)驗(yàn)方案,優(yōu)化醇解工藝,提高三氯蔗糖產(chǎn)品的產(chǎn)率,并改進(jìn)重結(jié)晶提純工藝,得到高純度、無殘留、低含水率的三氯蔗糖結(jié)晶產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

三氯蔗糖-6-乙酸酯 自制,純度95.0%,HPLC;三氯蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品 純度99.9%，河南德大化工有限公司；無水甲醇 中國醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)提供;甲醇鈉 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所提供;乙酸乙酯 汕頭市光華化學(xué)廠提供;乙酸丁酯 東莞市喬科化學(xué)有限公司提供;鹽酸 西隴化工股份有限公司提供;試劑均為分析純;001*7(732)苯乙烯陽離子交換樹脂 中國醫(yī)藥(集團(tuán))上海化學(xué)試劑公司提供;粉末活性炭 臺(tái)山市粵橋試劑塑料有限公司提供。

Frontier型傅立葉變換紅外光譜儀 美國PerkinElmer公司;B-260型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠,PHS-25CW 型pH計(jì) 上海般特儀器有限公司;Agilent 1200型高效液相色譜儀 美國安捷倫科技公司;RID-10A示差折光檢測器 日本島津公司;SHZ-D(III)型循環(huán)水式多用真空泵 河南省予華儀器有限公司;WS70-1型遠(yuǎn)紅外快速干燥箱 紹興市瀘越科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 醇解工藝 醇解制備三氯蔗糖操作步驟:取自制三氯蔗糖-6-乙酸酯5.0 g加入30 mL甲醇溶解于100 mL圓底燒瓶中,加入5～10 mL新制備0.1 mol/L甲醇鈉-甲醇溶液(準(zhǔn)確稱取2.7 g甲醇鈉與500 mL無水甲醇于燒瓶中,室溫下回流攪拌至固體基本溶解后,定容至500 mL),在一定溫度、pH、時(shí)間條件下醇解,隨后加入陽離子交換樹脂(5%鹽酸處理后)至pH為6～7,并使用甲醇洗滌,洗滌液直接旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至泡沫狀,即可得到三氯蔗糖粗產(chǎn)品,稱其質(zhì)量,并采用高效液相色譜分析產(chǎn)品中三氯蔗糖含量與收率。

1.2.2 高效液相色譜分析 液相色譜條件:示差折光檢測;色譜柱:46 mm×150 mm,5 μm;溶劑:甲醇;流動(dòng)相:乙腈-水(V∶V=15∶85);流速:1.0 mL/min,柱溫:35 ℃,進(jìn)樣量:20 μL。

采用外標(biāo)法測定樣品中三氯蔗糖的含量，精確稱取三氯蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品0.1000 g,以甲醇作為溶劑，配制成濃度為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/mL的三氯蔗糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，按上述條件進(jìn)行高效液相色譜檢測，以濃度為橫坐標(biāo)X,峰面積百分比為縱坐標(biāo)Y，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程Y=23301X+7137.3，r=0.9959。

取產(chǎn)品0.0500 g(精確到0.0001 g)，使用甲醇作為溶劑，定容于10 mL容量瓶中,經(jīng)超聲15 min的進(jìn)樣樣品，進(jìn)行高效液相色譜檢測，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到進(jìn)樣樣品三氯蔗糖的濃度(mg/mL)，按照下列公式計(jì)算產(chǎn)品中三氯蔗糖含量、純度、收率。

純度(%)=進(jìn)樣樣品中三氯蔗糖的濃度×稀釋體積÷產(chǎn)品質(zhì)量×100

含量(g)=產(chǎn)品質(zhì)量×純度

收率(%)=(產(chǎn)品含量/產(chǎn)品理論生成量)×100

1.2.3 醇解工藝優(yōu)化設(shè)計(jì) 根據(jù)文獻(xiàn)[4]中三氯蔗糖的合成方法,選擇醇解條件中主要影響因素:溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH三因素,運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)得到混合均勻水平U5(53)實(shí)驗(yàn)方案,見表1,以含量作為指標(biāo),分析得出醇解最佳工藝。

表1 醇解體系U5(53)混合水平均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表Table 1 Mixed-level uniform designs table of alcoholysis system U5(53)

1.2.4 三氯蔗糖重結(jié)晶提純 分別使用乙酸乙酯和乙酸丁酯依次進(jìn)行萃取,乙酸乙酯除去水相中少量的乙酸甲酯以及少量其他有機(jī)物,然后使用乙酸丁酯除去上一步中水相中少量的乙酸乙酯進(jìn)一步提高產(chǎn)品純度。選取工藝優(yōu)化過程三氯蔗糖含量較高的三組,以及最佳條件下制備三氯蔗糖的三組優(yōu)化組,進(jìn)行重結(jié)晶提純。

具體純化與結(jié)晶步驟參考文獻(xiàn)[13]包括:a.初次重結(jié)晶:將三氯蔗糖粗產(chǎn)品溶解于10 mL蒸餾水中,使用乙酸乙酯15 mL萃取過濾液,分批次使用蒸餾水洗滌有機(jī)相4次,每次20 mL,收集過濾液及洗滌液加入約2.0 g活性炭粉末,溶解攪拌15 min,過濾,減壓蒸餾、濃縮至適當(dāng)粘稠狀后,加入5.0 mL蒸餾水,加入少量三氯蔗糖晶種,40 kHz超聲10 min,在4 ℃環(huán)境中,冷卻結(jié)晶10 h,得到白色晶體,過濾并使用冷卻過的蒸餾水洗滌濾餅,干燥得到三氯蔗糖初次結(jié)晶產(chǎn)品。

b.二次重結(jié)晶:將三氯蔗糖初次結(jié)晶溶解于10 mL蒸餾水中,加入10 mL乙酸丁酯,同乙酸乙酯萃取過程,分批次使用蒸餾水洗滌有機(jī)相4次,每次20 mL,減壓蒸餾、濃縮至適當(dāng)粘稠狀后,加入5.0 mL蒸餾水,再加入少量三氯蔗糖晶種,40 kHz超聲10 min,在4 ℃環(huán)境中,冷卻結(jié)晶10 h,過濾后,在47 ℃真空干燥箱中干燥5 h,即得到三氯蔗糖二次重結(jié)晶產(chǎn)品。

1.2.5 晶體含水率測定 使用二次重結(jié)晶所得到的三組三氯蔗糖,分別稱取1.5000 g放置47 ℃真空干燥箱中干燥10 h,冷卻至室溫后取出,稱得質(zhì)量,對(duì)比前后質(zhì)量差異,計(jì)算三氯蔗糖二次結(jié)晶產(chǎn)品含水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 醇解工藝優(yōu)化

依照表1條件醇解制備三氯蔗糖,稱重,并采用高效液相色譜分析產(chǎn)品純度,結(jié)果見表2。

表2 均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of uniform experimental design

以含量高低作為檢驗(yàn)工藝指標(biāo),使用二次多項(xiàng)式逐步回歸得到回歸方程:

Y=-7.8003+0.9180X2+0.0070X1X2-0.01629X2X3

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,相關(guān)系數(shù)r=0.9987,對(duì)二次回歸模型作F檢驗(yàn),當(dāng)顯著水平α值為0.10時(shí),F值=131.3250>F0.10(3,1)=53.593,模型水平顯著,說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學(xué)模型基本符合,對(duì)DPS軟件所給出的回歸方程求極值點(diǎn),計(jì)算得出最佳點(diǎn)的值X1=34.9962,X2=10.0000,X3=2.2724,即醇解溫度為35.0 ℃,反應(yīng)pH初始值為10.0,反應(yīng)時(shí)間為2.3 h,反應(yīng)結(jié)果最佳,此時(shí)得出含量為3.4575 g。

在該模型最佳點(diǎn)處進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),平行三次分別記作Y1、Y2、Y3,得到產(chǎn)量的平均質(zhì)量3.91 g,平均純度為87.32%,即平均含量為3.41 g,收率為79.49%,實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算理論值相差1.26%,表明DPS軟件尋求三氯蔗糖醇解最佳條件是可行的,二次數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況擬合較好,即該數(shù)學(xué)模型是有效的。

2.2 重結(jié)晶提純

根據(jù)含量結(jié)果表2,選出其中S2、S3、S4組作為樣品組以及DPS軟件三組優(yōu)化組樣品Y1、Y2、Y3進(jìn)行提純分析,液相分析結(jié)果見圖1。

圖1 樣品組與優(yōu)化組分析結(jié)果Fig.1 The analysis results of the sample groups and optimize groups

通過結(jié)果對(duì)比可知,經(jīng)過兩次提純后,三氯蔗糖產(chǎn)品純度均能大幅度提高,最高純度可得99.23%。在萃取結(jié)晶中萃取劑選擇對(duì)結(jié)晶十分重要,直接影響萃取效率與后續(xù)結(jié)晶效果。本文采用乙酸乙酯與乙酸丁酯有機(jī)溶劑作為萃取劑,具有選擇性好,對(duì)三氯蔗糖醇解過程所產(chǎn)生的副產(chǎn)物具有較高的溶解度,而對(duì)三氯蔗糖溶解度較低;容易回收和循環(huán)利用、低毒、無害且價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

2.3 紅外光譜分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

以三氯蔗糖-6-乙酸酯與二次重結(jié)晶后三氯蔗糖采用傅里葉紅外透射光譜掃描,其光譜對(duì)比見圖2。

圖2 三氯蔗糖-6-乙酸酯與三氯蔗糖紅外透射光譜對(duì)比圖Fig.2 The infrared transmission spectra of TGS-6-A and TGS

三氯蔗糖-6-乙酸酯紅外光譜圖分析:IR,ν/cm-1:3320～3460(O-H伸縮振動(dòng)),2930～2960(C-H伸縮振動(dòng)),1730(C=O伸縮振動(dòng)),1630(糖類吸水特征峰)[13]、1440～1370(-CH2-與-CH3中C-H彎曲振動(dòng)),1240(酯基C-O伸縮振動(dòng)),1140、990(-CH2OH中C-O伸縮振動(dòng)峰),1090、1050(糖環(huán)特征峰),920～770(C-Cl吸收峰)。

三氯蔗糖紅外光譜圖分析:IR,ν/cm-1:3460(O-H伸縮振動(dòng)),2930～2960(C-H伸縮振動(dòng)),1480～1350(-CH2-與-CH3中C-H彎曲振動(dòng)),1140、990(-CH2OH中C-O伸縮振動(dòng)峰),1100、1030(糖環(huán)特征峰),970～750(C-Cl吸收峰)。

二者圖譜分析均符合標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜[15],其中三氯蔗糖對(duì)比三氯蔗糖-6-乙酸酯在1730 cm-1(C=O伸縮振動(dòng)),1240 cm-1(酯基C-O伸縮振動(dòng))處吸收峰消失,證明羰基已經(jīng)脫除,以及1630 cm-1(糖類吸水特征峰)處吸收峰消失,進(jìn)一步證明醇解反應(yīng)中乙?；摮?/p>

2.4 重結(jié)晶產(chǎn)品含水率測定

將樣品組S2、S3、S4與優(yōu)化組Y1、Y2、Y3共6組放置于真空干燥箱中干燥10 h,稱取前后質(zhì)量,水分測定結(jié)果如表3所示。

表3 水分測定結(jié)果Table 3 The results of the moisture content determination

由表3可知6組的二次重結(jié)晶產(chǎn)品含水率均低于1.0%。

3 結(jié)論

在三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制備三氯蔗糖粗產(chǎn)品過程中使用DPS軟件優(yōu)化條件,得到最佳優(yōu)化條件:醇解溫度為35.0 ℃,反應(yīng)pH初始值為10.0,反應(yīng)時(shí)間為2.3 h,收率可達(dá)到79.49%,較文獻(xiàn)[16]中60%～70%收率進(jìn)一步提高,為醇解工藝條件提供一種更加優(yōu)化選擇;本文的重結(jié)晶提純過程以水作為重結(jié)晶溶劑,使得結(jié)晶產(chǎn)品不含有機(jī)溶劑,萃取劑使用低毒、低成本的乙酸乙酯與乙酸丁酯,二者均可在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)過程中回收,重復(fù)循環(huán)使用,并且重結(jié)晶操作過程簡單,實(shí)用性較高。本文為三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解工業(yè)化生產(chǎn)三氯蔗糖以及三氯蔗糖結(jié)晶提純工藝提供一種可行的方法。

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Study on the conversion process of sucralose-6-acetate to sucralose in methanol and recrystallized process improvement

PAN Hao-ran,SU Hui*,YAO Zhi-xiang,LIU Liu,LIU Chun-shui

(College of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources,Liuzhou 545006,China)

Sucralose was obtained from sucralose-6-acetate under the conditions of alkaline content of sucralose as index,investigated the effects of reaction temperature,pH and reaction time on deacetylation by mixed-level uniform design. Data processing software(DPS)was used to obtain the result that the average yield of sucralose was 79.49% at the reaction temperature 35.0 ℃,adjusted to pH=10.0 and reaction time 2.3 h. The absolute deviation relative to model-calculated theoretical value was 1.26%. These results showed the feasibility for design the conversion process of sucralose-6-acetate and obtained the optimal conditions of the alcoholysis by DPS. In the recrystallization purification process,the ethyl acetate and butyl acetate were used as extracting agent,the organic phase was washed several times by distilled water and then the water phase was collected. Then the TGS product was obtained by the proceture of actived carbon decoloration,filtration,ultrasonic,cooling,recrystallization,drying and other processes. Analyzed by IR and HPLC,the highest purity of TGS was up to 99.23% and the water content was less than 1.0%. It had provided a feasible method for sucralose industrialized production and crystallization purification technology.

sucralose-6-acetate;sucralose;alcoholysis;crystallization purification

2016-12-12

潘浩然(1990-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：過程分析技術(shù)，E-mail：haoran000000@126.com。

*通訊作者:粟暉(1971-)，女，碩士，教授，研究方向：過程分析技術(shù)、精細(xì)化學(xué)品開發(fā)，E-mail：su_lz@foxmail.com。

廣西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(GKYC201608); 廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2015TZYKF08)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)14-0244-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.047