L-巖藻糖溶解度測定及粒度調控分析

姜俠，欒會妮，王寒舒，萬憶

1. 威海市特色果蔬高值加工工程技術研究中心（威海 264300）；2. 威海海洋職業學院（威海 264300）；3. 青島科技大學化學與分子工程學院（青島 266045）

L-巖藻糖（C6H12O6，CAS號：2438-80-4）作為一種重要的糖類化合物，是理想的膳食補充劑和嬰幼兒食品營養補充劑和免疫增強因子[1]。此外，L-巖藻糖在藥品、化妝品等領域具有廣泛的用途[2]，可用于調節人體細胞免疫應答過程，也可用于靶向藥物的偶聯環節，還可以用于皮膚保濕、抗衰老等方面。

由于L-巖藻糖在海藻及樹膠中的含量較高，目前L-巖藻糖的制備多以海藻為起始物料，借助酸堿中和反應實現L-巖藻糖的分離提取[3-6]。該法中L-巖藻糖的純度與分離純化過程技術的穩健性息息相關。常見的分離手段有層析法、透析法和溶液結晶等[7-9]，其中溶液結晶法簡便易行，過程操作簡便，工藝成本低，是L-巖藻糖制備的優選方案。傳統的溶液結晶多采用經驗摸索的方法，存在使用范圍小、工藝放大困難等問題。科學的溶液結晶過程工藝設計往往需要溶液熱力學、動力學等基礎數據的支持與分析，其中固液相平衡數據是極為重要的熱力學基礎數據，可以直接用于指導溶液結晶過程的工藝設計。然而，有關L-巖藻糖的溶液熱力學數據報道相對較少，公開文獻僅報道了L-巖藻糖在甲醇、丙酮等水溶液中的溶解度數據[10]，仍有待進一步加大溶解度數據信息量以滿足L-巖藻糖的工業應用需求。

此次試驗通過對L-巖藻糖在混合溶劑中溶解度的測定與分析，進一步補充了L-巖藻糖的溶液熱力學基礎數據，同時也為L-巖藻糖的粒度分布調控提供了新的工藝方案，以滿足日益增長的多規格L-巖藻糖的市場需求。

1 材料及方法

1.1 材料與儀器

L-巖藻糖（山東巨榮生物工程有限公司）；乙腈（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）。

恒溫水?。–KDC-2006，南京凡帝朗有限公司）；分析天平（ME104TE，梅特勒托利多有限公司）；磁力攪拌器（85-1，青島聚創環保集團有限公司）；蠕動泵（BT100-1F，保定蘭格恒流泵有限公司）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒科學儀器有限公司）；激光粒度儀（Mastersizer 3000E，上海思百吉儀器系統有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶解度測定

L-巖藻糖的溶解度采用動態法進行測定[11]。首先，量取一定比例（xw）的混合溶劑加入到玻璃夾套瓶中。玻璃夾套瓶通過水浴控制溶液在特定溫度（T）下，同時開啟磁力攪拌保證溶液能夠得到充分混合。接著，向溶劑中逐次加入稱取好的適量L-巖藻糖，直到最后一次加入L-巖藻糖時溶液恰好達到平衡（不能溶解更多L-巖藻糖），記下總共加入的L-巖藻糖質量（m）。在相同條件下重復以上試驗過程3次，并取質量平均值，按式（1）和（2）進行溶解度（x）換算。

式中：ma，mw分別為乙腈、水的質量，g；M，Ma，Mw分別為L-巖藻糖、乙腈、水的摩爾質量，g/mol；xw為水在混合溶劑中的摩爾分數，%。

1.2.2 溶解度關聯模型[12]

Apelblat修正模型。該模型是描述溶解度最常見的經驗模型，其方程表述如式（3）所示。

式中：A、B、C為該模型參數；T為絕對溫度，K。

CNIBS/R-K模型。該模型常用于描述混合溶劑體系中的溶解度，其方程表述如式（4）所示。

式中：B0～B4為該模型參數。

Apelblat-Jouyban-Acree修正模型。該模型結合了Apelblat模型和Jouyban-Acree模型，其方程表述如式（5）所示。

式中：A0～A8為該模型參數。

1.2.3 粒度調控試驗

目前L-巖藻糖產品的粒度多依靠粉碎工序來實現調控，粉碎過程會造成物料損耗及靜電吸附等問題。在L-巖藻糖溶液熱力學數據研究的基礎上，通過對其溶液結晶過程中晶體的成核與生長進行控制，進而達到粒度調控的目的。

在20～40 ℃下將適量L-巖藻糖溶解在水溶液中；待L-巖藻糖完全溶解后，以一定流加速率向澄清溶液中流加乙腈溶劑，溶液中出現固體時，停止流加乙腈溶劑，恒溫攪拌1～3 h；隨后向溶液中流加適量乙腈溶劑，并降溫至5～10 ℃，最后將析出晶體產品過濾、洗滌并干燥。對不同粒度的L-巖藻糖產品采用激光粒度分析儀進行粒度分析與測定，研究不同操作參數對應的L-巖藻糖粒度分布情況。

2 結果與分析

2.1 L-巖藻糖溶解度

L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度如圖1所示。在同一混合溶劑中，L-巖藻糖的溶解度隨著溫度的升高而逐漸增大。其中，L-巖藻糖在水的摩爾分數為0.921%時溶解度高達0.190 6（343.15 K）。此外，在同一溫度下L-巖藻糖的溶解度隨著混合溶劑中水含量的增加而逐漸增大。這是由于L-巖藻糖中極性官能團—OH容易與水形成氫鍵，而乙腈的加入會破壞氫鍵的形成，使得L-巖藻糖的溶解度與水含量呈正相關的關系。因此，可以借助乙腈作為不良溶劑來控制L-巖藻糖重結晶過程中的溶液過飽和度，進而實現L-巖藻糖晶體成核與生長的有效調控。

圖1 L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度（283.15～343.15K）

表1 L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度實驗值及計算值

2.2 L-巖藻糖溶解度數據關聯

溶解度關聯模型對試驗數據的擬合差別分別采用相對偏差（SARD）和平均相對偏差（SRMSD）來進行評價。

式中：xcal為溶解度的理論計算值。

L-巖藻糖的不同溶解度關聯模型的擬合結果分別列于表2～表4?？梢钥闯觯珹pelblat修正模型、CNIBS/R-K模型、Apelblat-Jouyban-Acree修正模型對L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度均有很好的擬合效果。其中，CNIBS/R-K模型的SARD（最大值為3.30%）以及SRMSD（最大值為0.209 9%）均要小于另外兩個模型，擁有更好的擬合效果。因此，可以利用CNIBS/R-K模型來預測L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度，并可用于實際的工藝設計與優化之中。

表2 Apelblat修正模型參數及擬合偏差

表3 CNIBS/R-K模型參數及擬合偏差

表4 Apelblat-Jouyban-Acree修正參數及擬合偏差

2.3 L-巖藻糖粒度調控

粒度分布對于食品和藥品具有重要的意義，不僅會影響到外觀及口感，而且會顯著影響溶解速率[13-14]。目前常規粒度調控多借助于機械粉碎方式，該法存在物料損耗、粉塵污染等問題。通過調整L-巖藻糖結晶過程中的乙腈流加速率和攪拌轉速，可以穩定獲得粒度（D90）介于68～462 μm的晶體產品（圖2）。晶體的粒度分布與晶體的成核和生長過程息息相關。對于產業化工藝調控而言，降溫速率控制精度較低，而不良溶劑乙腈的流加速率可以通過蠕動泵得到更為精確的控制，因而采取控制乙腈流加速率來控制合適的溶液過飽和度以生成粒度合適的晶核，進而通過后續乙腈流加促進晶核的生長，最終獲得粒度分布合適的晶體產品，避免后續粉碎工序，實現特定粒度產品的直接制備。

圖2 重結晶獲得的不同粒度分布的L-巖藻糖

3 結論

L-巖藻糖作為一種重要的膳食補充劑，其在溶液中的熱力學數據對于其提取工藝具有重要的指導與支撐作用。采用動態法測定獲得了L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度，其中L-巖藻糖在水-乙腈混合溶劑中的溶解度隨著溫度的升高而增大，隨著水含量的增多而減小。CNIBS/R-K模型能更好地對L-巖藻糖在水-乙腈混合溶劑中的溶解數據進行擬合。L-巖藻糖的粒度分布調控可以借助不良溶劑流加速率的控制來實現，產品無需粉碎即可保證粒度穩定處于68～462 μm。