柠檬酸热力学性质研究及晶型含量测定

张昭昭,郝　琳*,满　云，许贵珍，周唯英,卫宏远

(1.天津大学化工学院，天津 300072; 2.中粮生物化学(安徽)股份有限公司，河南 蚌埠 233000)

柠檬酸是植物和动物的主要代谢物之一，它是在食品和药物领域应用最广泛的有机酸，经常用作食品添加剂、缓冲剂等[1]。本研究选择柠檬酸为研究物系，分别采用动态法[2-5](平行反应器)和静态法[6-8]测定其在水中的溶解度，通过静态法来验证平行反应器测量溶解度的可行性。平行反应器是一种新型的测量热力学性质的仪器，相比于静态法，其优点是测量周期短，操作方便，而且可以避免取样、配样过程中的人为误差。溶解度和相转变温度是进行结晶操作和优化的主要依据，因此，建立一种简单有效的测定溶解度的方法对于工业生产十分重要。

工业生产中，无水柠檬酸到一水柠檬酸的相转变点，是温度控制的关键参数。国内外有很多学者研究过不同温度下柠檬酸在水中的溶解度，但是报道的转折点却各不相同。DALMAN[9]运用静态法测定了柠檬酸在水中的溶解度，并确定转折点为35.8 ℃。Смирнов等[1]测定了0～100 ℃柠檬酸在水中的溶解度，转折点为36.6 ℃。Groen 等[10]运用衰减全反射傅立叶变换红外(ATR FTIR)光谱法确定了柠檬酸在水中的溶解度，并得到转折温度34 ℃。Laguerie[11]等测得的转折点温度为33 ℃。工业结晶过程中加晶种温度、干燥温度等一系列操作问题与当前环境下转折点的温度密切相关。本研究改进静态法装置，运用DSC动态测定晶型含量，最终得到柠檬酸在水溶液中准确的转折点温度。

1　试验部分

1.1　材料和仪器

无水柠檬酸；一水柠檬酸；乙腈，分析纯，天津市光复经济化工研究所；电子分析天平，JHS-2190型，上海上平仪器公司；平行反应器，Poly-Block型，英国赫尔公司；夹套结晶器，250 mL，天津友丰技术玻璃工作室；超级恒温水浴，上海市实验仪器有限公司；磁力搅拌器，EMS-4E型，天津市欧诺仪器仪表有限公司；水浴恒温振荡器，WE-1型，天津市欧诺仪器仪表有限公司；试验用水为市售去离子水。

1.2　分析仪器

差示扫描量热仪(DSC)， Mettler DSC204型，NETZSCH铝坩埚，保护气氮气流速为150 mL/min, 样品质量10 mg左右，温度范围25～170 ℃，升温速率5 ℃/min。

高效液相色谱(HPLC)，美国Agilent1200液相色谱仪，ZORBAX SB-C18色谱柱 (4.6 mm×150 mm, 5 μm)， Milli-Q®高纯水净化系统(Millipore，美国)，流速：1 mL/min，温度：25 ℃，进样量：10 μL，检测波长λ为 210 nm。流动相：10 mmol/L的磷酸二氢钾缓冲液，用磷酸调节pH值为2.0，然后加入体积分数为10 % 的甲醇。

X-射线粉末衍射(XRD)，日本理学 (Rigaku) D/max-2500 型单色X-射线衍射仪，扫描范围为5～50 °(2θ)，电源设置为40 kV, 100 mA。

1.3　柠檬酸溶解度的测定

1.3.1静态法测定柠檬酸溶解度

在50 mL锥形瓶中加入10 mL蒸馏水和过量的无水柠檬酸，用水浴恒温振荡器恒定在某一温度下24 h，取出上层清液用0.45 μm过滤头过滤，然后用HPLC测量液相浓度，并用XRD分析固相。

1.3.2平行反应器测定柠檬酸溶解度

作为一种测量热力学性质的新型仪器，平行反应器具有如下特点和优点：1)运用自动加料泵，可以独立控制各反应器溶剂添加，从而改变溶液的浓度；2)可根据实际需要选择使用2～500 mL各种不同规格反应器进行实验测量；3)各反应区使用不同的导热模块，独立控制不同反映区域的温度和温度梯度，彼此之间互不影响，这样可以同时得到不同条件下的热力学数据；4)红外激光反射型浊度仪检测溶质的溶解点和出晶点，比传统的激光法更灵敏准确；5)悬停式搅拌不破坏结晶；6)运用WinISO全功能控制软件，可独立控制并自动记录各反应区域温度、温度变化、浊度绝对值、搅拌速率等数据，并进行数据分析。

平行反应器测量溶解度的试验装置如图1所示。在4个100 mL的反应釜中，分别加入20 mL左右蒸馏水和不同质量的无水柠檬酸，并在反应釜中放入大小合适的磁力搅拌子。连接4个反应釜的釜内温度传感器和浊度探头，并将其浸入液面以下。开启平行反应器以及低温循环器，并通过控制软件终端设定溶解温度、搅拌速率、降温速率、升温速率以及油浴温度等条件，然后点击Run Plan，开始运行程序。降温过程中晶体出现时，浊度上升至最大值，升温过程中晶体全部溶解后，浊度降到最小值。程序结束后，保存文件，通过IQ软件进行数据处理后可以得到每个柠檬酸浓度下对应的溶解温度，即1组溶解度数据。

图1　平行反应器试验装置Fig.1　Parallel reactor experimental apparatus

图1中Tu为红外激光反射型浊度仪；RT为反应器温度；ZT为区域温度。

1.4　柠檬酸在水中的晶型转化

静态法测转折点的装置如图2所示。在2个250 mL的结晶器中分别加入定量的蒸馏水，过量的无水和一水柠檬酸。连接恒温水浴，设定温度在35和40 ℃之间，通过磁力搅拌器进行搅拌，每隔24 h分别取出2个结晶器中的平衡固相。为了避免取样过程中的晶型转化，我们选用易挥发且柠檬酸在其中的溶解度很小的乙腈溶剂洗涤，然后真空过滤，并通过DSC来分析固相含量，以此判断晶型转化的终点。至过量晶体全部转化为同一种晶型后，取适量液相，通过0.45 μm过滤头过滤后用高效液相色谱分析其在该温度下的浓度。

图2　静态法确定转折点装置Fig.2　Apparatus for determination of transition point by static method

2　结果与讨论

2.1　柠檬酸在水中的溶解度数据

分别采用静态法和动态法(平行反应器)测量了柠檬酸在水溶液中的溶解度数据。结果如表1所示，x为饱和溶液中柠檬酸的摩尔分数。为方便起见，将表1中的数据绘制于图3中。

表1　柠檬酸在水中的溶解度Table 1　Solubility of citric acid in water

图3　柠檬酸溶解度Fig.3　Solubility of citric acid

通过比较图3a)发现，2种方法测量值均与文献值吻合良好，而且经过计算可以得到，平行反应器与静态法结果的平均相对误差为0.7%，这说明平行反应器是一种可靠、快捷且准确的测量溶解度的仪器，可用于指导工业生产。

图3b)、图3c) 和图3d)为不同的热力学模型拟合柠檬酸试验数据的结果，所用的拟合公式分别为Apelblat简化经验方程、λh方程以及理想溶液模型，不同的拟合曲线得到不同的转折点温度，分别为37.5、36.0及37.4 ℃，都在35.0～40.0 ℃之间，但是有一定的差别。这说明通过曲线交点得到的相变点不可靠，只能用于粗放的工业生产，要想进行严谨的学术研究，必须通过进一步的试验来确定准确的转折点温度。

静态法测量溶解度的过程中分析固相可以发现，35 ℃以下平衡固相为一水柠檬酸，40 ℃以上平衡固相为无水柠檬酸。这表明，2种方法测得的结果相一致。

2.2　柠檬酸固相混合物中晶型含量测定

2.2.1一水柠檬酸含量标准曲线

无水柠檬酸和一水柠檬酸的DSC曲线如图4所示。

图4　无水和一水柠檬酸的DSC曲线Fig.4　DSC curves of monohydrate and anhydrous citric acid

由图4可知，无水酸和一水酸在153 ℃左右都有熔点吸热峰，而一水酸在50～80 ℃之间还有2个脱水吸热峰，纯一水酸的脱水热焓平均值是203.79 J/g。

将不同质量比例的无水酸和一水酸晶体研磨后均匀混合，然后进行DSC测量，不同固体含量(质量分数，下同)的DSC曲线脱水吸热峰包含的热焓值不同，且热焓平均值与一水酸的含量成正比，这样我们就得到了固相标准曲线，如图5所示。

图5　无水酸和一水酸固体混合物中一水酸含量标准曲线Fig.5　Monohydrate water mass content of reference monohydrate/anhydrous blends

通过标准曲线可以计算出晶型转化过程中每次取出的固体样品中一水酸的含量，从而确定柠檬酸的转晶过程。

2.2.2柠檬酸在水中的晶型转变点确定

传统的方法通过2条溶解度曲线的交点来确定转折点温度，因此运用不同的溶解度数据拟合出的曲线得到的交点也不同，而且有时候会存在较大误差。

晶型转化需要一定的时间，在某一温度下不稳定晶型向稳定晶型的转化可能需要数天时间，如果平衡时间不够，就可能得出错误结论。

本研究改进静态法试验装置来确定了柠檬酸的转晶点，即将2个结晶器串联起来，使结晶器内温度相同，分别在溶液中加入过量的柠檬酸无水形式和一水合物。同时取样，分别测定固相含量，这样可以同时确定两种晶型是否发生晶型转化，既节省时间，还可以避免错误结论。结果如表2所示。

表2　柠檬酸转折点测定Table 2　Determination of transition point of citric acid in water

由表2可知，36.3 ℃时，一水柠檬酸为稳定晶型；36.9 ℃时，无水酸稳定；而36.6 ℃时，柠檬酸水溶液中分别加入过量的无水酸和过量的一水酸，经过6 d之后，都没有发生晶型转化，也就是说在这个温度下，柠檬酸的无水形式和一水物共存，即该温度为转折温度点，这与文献[1]结果一致。文献[1]运用静态法测量了从0～100 ℃柠檬酸在水中的溶解度，测定了100组数据，结果准确，但工作量大，耗时长。

2.3　热力学模型关联

Apelblat等[12]假定溶液的焓变为温度的线性函数，从克劳修斯-克拉佩龙方程推出式(1)所示的溶解度方程

(1)

其中，x表示溶质在溶剂中的摩尔分率溶解度，mol/mol；T为绝对温度，K；A、B、C为参数。

平行反应器测量的柠檬酸溶解度数据根据其转折点分为低温和高温2组，分别进行关联，关联结果列于表3中。其中，均方根偏差(Root-mean-square deviation)的表达式如下：

(2)

其中，xe和xp分别表示溶解度的试验值和预测值，N表示试验数目。

根据式(1)和(2)对由平行反应器测得的试验数据进行关联，结果如表3所示。

表3　改进Apelblat方程的参数以及溶解度预测值Table 3　Parameters in modified Apelblat equation and predicted solubility from the equation

3　结论

1)运用平行反应器-Poly Block测定了柠檬酸在水中的溶解度，并与静态法和文献值对比。结果表明，与传统的静态法(获取1个平衡点数据通常需要至少24 h甚至更长的平衡时间)相比，运用这种动态法，测量周期短(只需要2～3 h就能得到几个平衡点数据)、方便且准确，适用于溶解度的实验室快速测定以及初步筛选，并可以很好地用于工业生产。

2)改进静态法装置，运用差示扫描量热仪(DSC)，通过相变焓积分面积，可以确定固相混合物中晶型含量，从而进一步确定柠檬酸在水溶液中无水酸和一水酸的相转折点为36.6 ℃。与传统方法相比，更快捷更准确。

3)运用改进Apelblat方程关联了试验数据，确定了方程参数。方程计算值与试验值相比，低温和高温下总的均方根偏差分别为6.38×10-4和 8.45×10-4。

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