牛磺酸的制备工艺优化及树脂提纯法初探

伍丽娜，孙 皓

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

牛磺酸（taurine），分子结构为H2NCH2CH2SO3H，化学名称：2-氨基乙磺酸[1]。牛磺酸是机体细胞内含量最丰富的含硫自由氨基酸[2]。长期以来人们一直认为它是含硫氨基酸的一种无功能终末代谢产物，未被重视；直到1975年Hayes等报道猫缺乏牛磺酸可导致失明，Raiha等提出人工喂养的婴儿因缺乏牛磺酸而血浆及尿中的牛磺酸水平不能维持正常后，方引起人们对牛磺酸的极大兴趣[3]。

牛磺酸主要分布在人体内的中枢神经系统、视网膜、肝、心脏、骨骼肌等组织中。其生理作用主要表现在以下几个方面：（1）促进大脑发育；（2）增强视力；（3）调节神经传导；（4）促进吸收、消化脂肪，参与胆汁酸盐的代谢；（5）对心脏、肝脏、内分泌机能也具有生理功能[4]。

现代研究表明[1]牛磺酸对婴幼儿的健康和正常发育起着至关重要的作用。所以为保证婴幼儿的健康发育，目前，世界上很多国家在供给婴幼儿的牛奶和奶粉中已加入了牛磺酸。由此可见该产品的发展前途，它将产生巨大的经济效益和社会效益。

本文研究用H2SO4、乙醇胺、Na2SO3等低成本的原料制备牛磺酸，并探索树脂法分离提纯牛磺酸的工艺。

1 实验及部分

1.1 仪器及原料

树脂（树脂 D3520、树脂 D4020、树脂 X-5、树脂S-8、树脂 NKA-2）（南开大学化工厂）；乙醇胺（A.R.天津北辰骅跃化学试剂厂）；其它试剂均为分析纯。

WH8401/7401搅拌器；电光分析天平（上海仪表电机厂）；SHB-Ⅲ型真空泵（郑州长城科工贸有限公司）。

1.2 基本原理

第一步：氨基乙醇硫酸酯的制备。

第二步：Na2SO3作为还原剂，将氨基乙醇硫酸酯还原为2-氨基乙磺酸（牛磺酸）。

1.3 方法及过程

1.3.1 牛磺酸的制备

1.3.1.1 牛磺酸粗品的合成 先将一定量浓H2SO4加入到干燥的反应瓶中。再在搅拌和冷水浴冷却下（温度控制10℃左右，一定不能超过40℃），将一定量乙醇胺缓缓滴入反应瓶中。乙醇胺滴加完毕，减压蒸馏。当得到计算量水后，停止蒸馏，冷却后，得类白色固体，过滤，滤渣研细，干燥即得氨基乙醇硫酸酯的粗产品。

将若干Na2SO3和300mL水加入三口烧瓶中，缓慢升温，加热溶解，然后将氨基乙醇硫酸酯粗品缓慢加入，加完后回流反应18h后待用。

1.3.1.2 牛磺酸粗品的结晶 用30mLH2O和CaCl2配置CaCl2溶液，缓慢加入冷却至80℃的上步反应液，加毕，继续加热回流2h。到时间后趁热过滤，用热水50mL洗涤滤饼两次。合并滤液和洗液，蒸馏浓缩至大量NaCl晶体析出，趁热过滤，收集滤液，浓缩，降温后加入一定浓度的乙醇，冷却至0℃，析出结晶，过滤，用乙醇洗涤，得牛磺酸粗品。

1.3.2 树脂提纯牛磺酸

1.3.2.1 树脂吸附的静态实验 称取经过预处理好的大孔吸附树脂，用蒸馏水洗净，沥干水分后，放入250mL具塞磨口锥形瓶中，再加入牛磺酸水溶液，在间歇振荡下静态吸附，静置8h，待达到饱和吸附后过滤，离心分离，定量移取清液，分析吸附后溶液中牛磺酸溶液的浓度。

1.3.2.2 吸附树脂的动态实验测定 称取经过预处理好的大孔吸附树脂，用蒸馏水洗净，沥干水分后，填充入吸附柱。在室温下以1BV·h-1的流速从柱上口滴加配好的牛磺酸溶液。每10mL接收一次树脂柱下的流出液，测牛磺酸的浓度，直到浓度不再变化为止。

将充分吸附后的大孔树脂过滤，去除上清液，再加入装水的锥形瓶中，封口，置于80℃水浴摇床中振摇2h，待解吸充分后，离心分离，过滤后取滤液测牛磺酸的浓度。蒸馏除去滤液中的溶剂，冷却，析出结晶，干燥后得牛磺酸精品。

2 牛磺酸的检验[5]

2.1 鉴别

称取样品1g，加水20mL使之溶解，量取5mL，加入稀盐酸（GB 622）5D及 Na2SO3试液（GB-633）（100g·L-1）5D，则产生无色气泡。

2.2 含量测定

方法：精确称取本品0.2左右（精确到0.0001g），加水50mL，使之溶解，再加5mL甲醛（GB-682）及4D酚酞，用 0.1mol·L-1NaOH 溶液（GB-629）滴定到终点。并用同样方法进行空白校正试验。

分析结果的表述：牛磺酸含量（X）以质量百分数计，按下式计算：

式中 V：NaOH标准滴定溶液的体积，mL；c：NaOH标准滴定溶液的摩尔浓度，mol/L；m：样品的质量，g；0.1252 与 1.00mL NaOH 标准滴定溶液[c（NaOH）=1.000 mol·L-1]相当的以克表示的牛磺酸的质量。

所得结果取两次平行测定的算术平均值。两次平行测定的结果差值不大于0.3%。

3 结果与讨论

3.1 牛磺酸制备工艺条件优化

3.1.1 牛磺酸制备工艺条件优化方案

3.1.1.1 氨基乙醇硫酸酯制备 此步操作，加料时乙醇胺和浓H2SO4的混合过程是一个大量放热的过程。而乙醇胺和H2SO4在140℃发生分子间脱水生成醚，在170℃时则发生分子内脱水而生成烯烃。所以本步酯化反应的温度必须小于100℃。

故本研究所采用的具体优化方法是：（1）改变反应物配料比，少量增加反应物浓H2SO4的用量；（2）加料时我们用冰水浴，在剧烈搅拌下将乙醇胺缓缓滴加入浓H2SO4中，使温度保持在40℃以下；（3）在反应过程中用减压蒸馏的方法，把反应中产生的水蒸出，产物生成量增加。

3.1.1.2 牛磺酸制备 此步反应是弱还原剂Na2SO3参与的氧化还原反应，需要高温、长时的反应过程，而且此步反应的转化率很低，控制着整个反应的反应产率。为了使产物生成量增加，本研究所采用的优化条件是：（1）改变反应物配料比，少量增加反应物 Na2SO3的用量；（2）分步加入中间体，搅拌；（3）通入 N2，保护Na2SO3，防止被空气中的O2氧化为Na2SO4，满足长时、高温的需要。

3.1.2 牛磺酸制备工艺条件优化结果讨论 通过实验优化牛磺酸制备条件具体数据见表1。

表1 工艺条件变化对牛磺酸收率的影响Tab.1 Effect of change of process conditions to taurine yield

从表1上数据可以得出反应的最佳条件：浓H2SO4和乙醇胺的摩尔比是1.15∶1，Na2SO3和氨基乙醇硫酸酯的摩尔比是1.2∶1，通入N2，分批加料。

3.2 牛磺酸粗产品分离条件的优化

3.2.1 蒸发水量与牛磺酸产量的关系 为了使溶液中的牛磺酸析出，本研究应用牛磺酸在水中的溶解度随温度的升高而升高变化显著，NaCl的溶解度随温度升高而变化不显著的特性，用加热浓缩使牛磺酸和NaCl都达到饱和，再降温使牛磺酸充分析出NaCl少量析出，而达到提纯分离牛磺酸的作用。

研究重点是通过实验找到其最佳蒸发量。以牛磺酸含量为8.75g的100mL水溶液（0.7mol·L-1）为基准。下面就是本实验在寻找最佳蒸发量时得出的数据：

表2 蒸发量的测定Tab.2 Determination of evaporation capacity

从表上数据可以看出：蒸水量越多则牛磺酸的纯度越高，但是牛磺酸的产率却越低。所以并不是蒸水越多越好，应保证纯度和产率都达到要求。故选择最佳蒸水量是80mL。此时剩余的溶液量20mL正好略低于溶液中所含8.75g牛磺酸在92℃最大溶解度时的溶剂的量。因此可以得出：最佳蒸水量应达到使溶液中的牛磺酸在92℃时刚好达到饱和。

3.2.2 乙醇用量与牛磺酸产量的关系 加入CaCl2后的溶液中主要成分是牛磺酸和NaCl及其他少量杂质，为了使牛磺酸精品中的杂质含量及种类进一步减少，可用乙醇将溶液中的牛磺酸和NaCl先一步析出。经过多次试验，进一步研究了乙醇用量与牛磺酸产量、纯度的关系。具体数据见表3。

表3 乙醇用量与结晶纯度Tab.3 Alcohol dosage and crystallization purity

从表3中数据可知，当乙醇∶牛磺酸液量=2∶1时得到的牛磺酸纯度最高。牛磺酸的纯度随乙醇用量的增加而增加。但是考虑到成本的问题，建议在提纯时，乙醇用量最好不要超过2∶1。

3.3 用树脂精制牛磺酸的初探

3.3.1 树脂的选择 本实验室用5种大孔吸附树脂：NKA-2、X-5、S-8、D3520、D4020。牛磺酸在这几种树脂上的静态吸附量见表4。

表4 树脂吸附量Tab.4 Absorption of resin

实验结果表明：牛磺酸在树脂上的吸附性能与树脂极性间的关联性不是很强。牛磺酸在NKA-2和D3520上的吸附容量较大。估计与NKA-2具有较大的含水量和D3520具有较大的表面有一定关系。牛磺酸在大孔树脂上的吸附机理需要进一步深入研究。

下面选择吸附力较强的D3520和吸附力较弱的S-8两种树脂进行比较实验。

3.3.2 溶液浓度与吸附量的关系 本研究在室温（32℃），动态吸附，吸附时间均为4h，牛磺酸溶液量100mL，树脂5mL的吸附环境下，逐步改变溶质浓度配合，观察吸附效果。具体数据见表5。

表5 D3520树脂吸附受浓度影响Tab.5 Effect of concentration to D3520 resin adsorption

从表5数据可以得出，浓度对树脂吸附量的影响结论：增加溶液的浓度可提高树脂的吸附浓度，但是并不是溶液浓度与树脂吸附效果呈直线关系，即达到一定程度后，溶液浓度对树脂吸附效果的影响将越来越小。

3.3.3 温度对树脂吸附和脱附的影响 一般情况下，低温有利于吸附，高温有利于脱附。所以，本实验拟用变温的方法对吸附在树脂上的牛磺酸进行解析。具体数据见表6。

表6 解析结果Tab.6 Resolution results

从表6数据可知，不管在低温还是在高温环境，解析下来的牛磺酸粗品的纯度都不高。估计不只有牛磺酸吸附在树脂上，而且NaCl杂质也可能被树脂所吸附。这与树脂只吸附大分子量有机分子的理论相矛盾。

初步怀疑是NaCl粘附在树脂外表面上，而不是真正为树脂所吸附，是因为没有冲净树脂表面而在解析时混入溶液。

3.3.4 增加冲洗工序对树脂脱附的影响 增加一步冲洗树脂的步骤，分别用0℃去离子水和0℃乙醇与去离子水的混合溶液冲洗。数据见表7。

表7 牛磺酸纯度Tab.7 Taurine purity

实验其它条件恒定为：吸附时间5h，溶液pH值7，解析时间2h，解析温度80～90℃。

从表7数据可见，牛磺酸和NaCl均没有树脂所吸附，或是牛磺酸在树脂上的吸附条件与解析条件非常接近,使得牛磺酸在树脂上吸附非常不稳定,很容易就可以解析。可见，要使树脂对牛磺酸达到吸附树脂分离的效果，需要进一步研究牛磺酸在树脂上的吸附行为，找到牛磺酸的准确吸附和解析条件，确定牛磺酸在树脂上吸附的解析机理。

4 结论

（1）研究表明，当酯化反应，加料混合温度为10℃，酸醇摩尔比为1.15∶1时，反应的结果最佳。而磺化反应中，需要在盐Na2SO4加热溶解与水时就通入N2，以防止盐Na2SO4被空气中的O2氧化。加料次数为4次，间隔2h。Na2SO4与酯的摩尔比是1.2∶1，反应温度100～104℃，反应8h。反应总收率70.1%。

（2）初步研究了大孔吸附树脂在牛磺酸提纯方面的可行性。得出了大孔吸附树脂对牛磺酸的吸附效果并不理想的结论。

［1］欧阳平凯，张赣道，祁嘉义,等.化工产品手册［M］.北京:化学工业出版社，1999.

［2］赵建伟，金征宇.牛磺酸在饲料中的应用［J］.中国饲料,1999,（10）:10-12.

［3］周建伟.牛磺酸与肝脏关系的研究进展［J］.国外医学（卫生学分册）,1995,（2）:97-100.

［4］垄盛昭.牛磺酸的功能和合成新工艺研究［J］.广州食品工业科技,2000,（3.）:12-13.

［5］伍丽娜.牛磺酸的合成及分离提纯［J］.天津化工,2008,（3）:51-53.