三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制三氯蔗糖及結晶工藝優化

潘浩然,粟 暉,姚志湘,劉 柳,劉春水(廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西科技大學廣西糖資源綠色加工重點實驗室，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晶工藝優化

潘浩然,粟 暉*,姚志湘,劉 柳,劉春水
(廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西科技大學廣西糖資源綠色加工重點實驗室，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數據處理軟件,通過對醇解溫度、初始pH以及反應時間三個因素進行混合均勻實驗設計,并以TGS含量作為指標,最終得出醇解的最佳條件:溫度35.0 ℃,pH10.0,時間2.3 h,制得TGS平均收率為79.49%,與模型計算理論值相差1.26%,說明使用DPS數據處理軟件設計TGS-6-A醇解實驗模型以尋求最佳醇解條件可行。重結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相,收集水相,依次經過活性炭脫色、過濾、超聲、冷卻重結晶、干燥等流程,得到TGS重結晶產品。經紅外光譜及高效液相色譜分析,產品最高純度可達99.23%,水分均低于1.0%。本文為醇解制備TGS工業化生產以及結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,結晶提純

三氯蔗糖(C12H19Cl3O8,化學名為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,是一種非營養型低能量人工合成甜味劑[1]。因其甜味特性好、安全系數高、生物穩定性高且在人體內不參與新陳代謝等特點被廣泛應用于飲料、果凍、冰淇淋等食品中[2-3],其合成原料蔗糖來源較容易,現已成為目前市場上最為理想強力甜味劑之一。隨著市場需求的擴大,生產成本降低,對三氯蔗糖產品的純度要求也隨之提高。目前文獻報道制備三氯蔗糖主要有全基團保護法、單酯法(單羥基保護法)[4-5]、酶-化學合成法[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,經過濾,旋蒸,最終得到三氯蔗糖粗產品。

重結晶提純是三氯蔗糖的重要操作環節,雜質的含量直接影響三氯蔗糖品質。國內外市場對于高純度的三氯蔗糖(純度高于98%)需求量大,供不應求,現需要低成本,易操作的方法對三氯蔗糖的純度結晶工藝進行優化。Navia[8]、Walkup[9]等采用有機溶劑乙酸乙酯萃取三氯蔗糖水溶液,在水相中重結晶;Catani[10]等采用連續三次及以上循環萃取、蒸餾等非結晶方法;Jenner[11]等采用水-醇混合溶劑冷卻結晶方法;何海兵[12]等使用兩種沸點差異較大的混合溶劑,因沸點的差異對三氯蔗糖溶解度的不同,使得三氯蔗糖在高沸點的溶劑中結晶。然而這些工藝都存在一些不足,有溶劑殘留,操作復雜,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品水溶液,收集水相,并使用蒸餾水多次洗滌有機相,最終合并水相,在水相中重結晶,經真空干燥得到高純度三氯蔗糖產品。該方法使用萃取劑成本低;溶劑經多次洗滌且在水相中重結晶,最終產品中已基本無有機溶劑殘留;操作簡便,僅為萃取、洗滌,無需蒸餾、回流等操作,節省時間;經合適的真空干燥時間與溫度,大幅度降低了三氯蔗糖產品的含水量。

本文主要通過DPS數據處理軟件設計醇解實驗方案,優化醇解工藝,提高三氯蔗糖產品的產率,并改進重結晶提純工藝,得到高純度、無殘留、低含水率的三氯蔗糖結晶產品。

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;三氯蔗糖標準品 純度99.9%，河南德大化工有限公司；無水甲醇 中國醫藥(集團)上海化學提供;甲醇鈉 天津市光復精細化工研究所提供;乙酸乙酯 汕頭市光華化學廠提供;乙酸丁酯 東莞市喬科化學有限公司提供;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 中國醫藥(集團)上海化學試劑公司提供;粉末活性炭 臺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型旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠,PHS-25CW 型pH計 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)型循環水式多用真空泵 河南省予華儀器有限公司;WS70-1型遠紅外快速干燥箱 紹興市瀘越科學實驗儀器廠。

1.2 實驗方法

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,洗滌液直接旋轉蒸發至泡沫狀,即可得到三氯蔗糖粗產品,稱其質量,并采用高效液相色譜分析產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;流動相:乙腈-水(V∶V=15∶85);流速:1.0 mL/min,柱溫:35 ℃,進樣量:20 μL。

采用外標法測定樣品中三氯蔗糖的含量，精確稱取三氯蔗糖標準品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的三氯蔗糖標準溶液，按上述條件進行高效液相色譜檢測，以濃度為橫坐標X,峰面積百分比為縱坐標Y，得到標準曲線方程Y=23301X+7137.3，r=0.9959。

取產品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,經超聲15 min的進樣樣品，進行高效液相色譜檢測，通過標準曲線計算得到進樣樣品三氯蔗糖的濃度(mg/mL)，按照下列公式計算產品中三氯蔗糖含量、純度、收率。

純度(%)=進樣樣品中三氯蔗糖的濃度×稀釋體積÷產品質量×100

含量(g)=產品質量×純度

收率(%)=(產品含量/產品理論生成量)×100

1.2.3 醇解工藝優化設計 根據文獻[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、反應時間、pH三因素,運用DPS數據處理軟件設計得到混合均勻水平U5(53)實驗方案,見表1,以含量作為指標,分析得出醇解最佳工藝。

表1 醇解體系U5(53)混合水平均勻設計實驗表Table 1 Mixed-level uniform designs table of alcoholysis system U5(53)

1.2.4 三氯蔗糖重結晶提純 分別使用乙酸乙酯和乙酸丁酯依次進行萃取,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一步提高產品純度。選取工藝優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化組,進行重結晶提純。

具體純化與結晶步驟參考文獻[13]包括:a.初次重結晶:將三氯蔗糖粗產品溶解于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 ℃環境中,冷卻結晶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晶產品。

b.二次重結晶:將三氯蔗糖初次結晶溶解于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相4次,每次20 mL,減壓蒸餾、濃縮至適當粘稠狀后,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 ℃環境中,冷卻結晶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晶產品。

1.2.5 晶體含水率測定 使用二次重結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,稱得質量,對比前后質量差異,計算三氯蔗糖二次結晶產品含水率。

2 結果與討論

2.1 醇解工藝優化

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品純度,結果見表2。

表2 均勻設計實驗結果Table 2 The results of uniform experimental design

以含量高低作為檢驗工藝指標,使用二次多項式逐步回歸得到回歸方程:

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

根據實驗數據處理結果,相關系數r=0.9987,對二次回歸模型作F檢驗,當顯著水平α值為0.10時,F值=131.3250>F0.10(3,1)=53.593,模型水平顯著,說明實驗數據與所采用的二次數學模型基本符合,對DPS軟件所給出的回歸方程求極值點,計算得出最佳點的值X1=34.9962,X2=10.0000,X3=2.2724,即醇解溫度為35.0 ℃,反應pH初始值為10.0,反應時間為2.3 h,反應結果最佳,此時得出含量為3.4575 g。

在該模型最佳點處進行驗證實驗,平行三次分別記作Y1、Y2、Y3,得到產量的平均質量3.91 g,平均純度為87.32%,即平均含量為3.41 g,收率為79.49%,實驗值與模型計算理論值相差1.26%,表明DPS軟件尋求三氯蔗糖醇解最佳條件是可行的,二次數學模型與實際情況擬合較好,即該數學模型是有效的。

2.2 重結晶提純

根據含量結果表2,選出其中S2、S3、S4組作為樣品組以及DPS軟件三組優化組樣品Y1、Y2、Y3進行提純分析,液相分析結果見圖1。

圖1 樣品組與優化組分析結果Fig.1 The analysis results of the sample groups and optimize groups

通過結果對比可知,經過兩次提純后,三氯蔗糖產品純度均能大幅度提高,最高純度可得99.23%。在萃取結晶中萃取劑選擇對結晶十分重要,直接影響萃取效率與后續結晶效果。本文采用乙酸乙酯與乙酸丁酯有機溶劑作為萃取劑,具有選擇性好,對三氯蔗糖醇解過程所產生的副產物具有較高的溶解度,而對三氯蔗糖溶解度較低;容易回收和循環利用、低毒、無害且價格低廉等特點。

2.3 紅外光譜分析產品結構

以三氯蔗糖-6-乙酸酯與二次重結晶后三氯蔗糖采用傅里葉紅外透射光譜掃描,其光譜對比見圖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),2930～2960(C-H伸縮振動),1730(C=O伸縮振動),1630(糖類吸水特征峰)[13]、1440～1370(-CH2-與-CH3中C-H彎曲振動),1240(酯基C-O伸縮振動),1140、990(-CH2OH中C-O伸縮振動峰),1090、1050(糖環特征峰),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),2930～2960(C-H伸縮振動),1480～1350(-CH2-與-CH3中C-H彎曲振動),1140、990(-CH2OH中C-O伸縮振動峰),1100、1030(糖環特征峰),970～750(C-Cl吸收峰)。

二者圖譜分析均符合標準紅外光譜[15],其中三氯蔗糖對比三氯蔗糖-6-乙酸酯在1730 cm-1(C=O伸縮振動),1240 cm-1(酯基C-O伸縮振動)處吸收峰消失,證明羰基已經脫除,以及1630 cm-1(糖類吸水特征峰)處吸收峰消失,進一步證明醇解反應中乙?；摮?/p>

2.4 重結晶產品含水率測定

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

表3 水分測定結果Table 3 The results of the moisture content determination

由表3可知6組的二次重結晶產品含水率均低于1.0%。

3 結論

在三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制備三氯蔗糖粗產品過程中使用DPS軟件優化條件,得到最佳優化條件:醇解溫度為35.0 ℃,反應pH初始值為10.0,反應時間為2.3 h,收率可達到79.49%,較文獻[16]中60%～70%收率進一步提高,為醇解工藝條件提供一種更加優化選擇;本文的重結晶提純過程以水作為重結晶溶劑,使得結晶產品不含有機溶劑,萃取劑使用低毒、低成本的乙酸乙酯與乙酸丁酯,二者均可在旋轉蒸發過程中回收,重復循環使用,并且重結晶操作過程簡單,實用性較高。本文為三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解工業化生產三氯蔗糖以及三氯蔗糖結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，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、精細化學品開發，E-mail：su_lz@foxmail.com。

廣西科技大學研究生創新計劃項目(GKYC201608); 廣西糖資源綠色加工重點實驗室、廣西高校糖資源加工重點實驗室開放基金(2015TZYKF08)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)14-0244-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.047