三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制三氯蔗糖及结晶工艺优化

潘浩然,粟 晖,姚志湘,刘 柳,刘春水(广西科技大学生物与化学工程学院，广西科技大学广西糖资源绿色加工重点实验室，广西柳州 545006)



三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制三氯蔗糖及结晶工艺优化

潘浩然,粟 晖*,姚志湘,刘 柳,刘春水
(广西科技大学生物与化学工程学院，广西科技大学广西糖资源绿色加工重点实验室，广西柳州 545006)

以自制的三氯蔗糖-6-乙酸酯(Sucralose-6-acetate,TGS-6-A)为原料,在碱性条件下制得三氯蔗糖(Sucralose,TGS),采用DPS数据处理软件,通过对醇解温度、初始pH以及反应时间三个因素进行混合均匀实验设计,并以TGS含量作为指标,最终得出醇解的最佳条件:温度35.0 ℃,pH10.0,时间2.3 h,制得TGS平均收率为79.49%,与模型计算理论值相差1.26%,说明使用DPS数据处理软件设计TGS-6-A醇解实验模型以寻求最佳醇解条件可行。重结晶提纯过程采用乙酸乙酯、乙酸丁酯作为萃取剂,使用蒸馏水多次洗涤有机相,收集水相,依次经过活性炭脱色、过滤、超声、冷却重结晶、干燥等流程,得到TGS重结晶产品。经红外光谱及高效液相色谱分析,产品最高纯度可达99.23%,水分均低于1.0%。本文为醇解制备TGS工业化生产以及结晶工艺提供一种可行性方法。

三氯蔗糖-6-乙酸酯,三氯蔗糖,醇解,结晶提纯

三氯蔗糖(C12H19Cl3O8,化学名为4,1′,6′-三氯-4,1′,6′-三脱氧半乳型蔗糖)是蔗糖氯代衍生物的一种,是一种非营养型低能量人工合成甜味剂[1]。因其甜味特性好、安全系数高、生物稳定性高且在人体内不参与新陈代谢等特点被广泛应用于饮料、果冻、冰淇淋等食品中[2-3],其合成原料蔗糖来源较容易,现已成为目前市场上最为理想强力甜味剂之一。随着市场需求的扩大,生产成本降低,对三氯蔗糖产品的纯度要求也随之提高。目前文献报道制备三氯蔗糖主要有全基团保护法、单酯法(单羟基保护法)[4-5]、酶-化学合成法[6]以及棉籽糖水解法[7]等。其中单酯法主要包括酯化、氯化和醇解等步骤。本文主要采用三氯蔗糖-6-乙酸酯为原料在CH3ONa/CH3OH体系中醇解脱除乙酰基,使用5%酸性苯乙烯阳离子交换树脂中和,经过滤,旋蒸,最终得到三氯蔗糖粗产品。

重结晶提纯是三氯蔗糖的重要操作环节,杂质的含量直接影响三氯蔗糖品质。国内外市场对于高纯度的三氯蔗糖(纯度高于98%)需求量大,供不应求,现需要低成本,易操作的方法对三氯蔗糖的纯度结晶工艺进行优化。Navia[8]、Walkup[9]等采用有机溶剂乙酸乙酯萃取三氯蔗糖水溶液,在水相中重结晶;Catani[10]等采用连续三次及以上循环萃取、蒸馏等非结晶方法;Jenner[11]等采用水-醇混合溶剂冷却结晶方法;何海兵[12]等使用两种沸点差异较大的混合溶剂,因沸点的差异对三氯蔗糖溶解度的不同,使得三氯蔗糖在高沸点的溶剂中结晶。然而这些工艺都存在一些不足,有溶剂残留,操作复杂,成本较高,含水量较高等,本文使用乙酸乙酯与乙酸丁酯萃取三氯蔗糖粗产品水溶液,收集水相,并使用蒸馏水多次洗涤有机相,最终合并水相,在水相中重结晶,经真空干燥得到高纯度三氯蔗糖产品。该方法使用萃取剂成本低;溶剂经多次洗涤且在水相中重结晶,最终产品中已基本无有机溶剂残留;操作简便,仅为萃取、洗涤,无需蒸馏、回流等操作,节省时间;经合适的真空干燥时间与温度,大幅度降低了三氯蔗糖产品的含水量。

本文主要通过DPS数据处理软件设计醇解实验方案,优化醇解工艺,提高三氯蔗糖产品的产率,并改进重结晶提纯工艺,得到高纯度、无残留、低含水率的三氯蔗糖结晶产品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

三氯蔗糖-6-乙酸酯 自制,纯度95.0%,HPLC;三氯蔗糖标准品 纯度99.9%，河南德大化工有限公司；无水甲醇 中国医药(集团)上海化学提供;甲醇钠 天津市光复精细化工研究所提供;乙酸乙酯 汕头市光华化学厂提供;乙酸丁酯 东莞市乔科化学有限公司提供;盐酸 西陇化工股份有限公司提供;试剂均为分析纯;001*7(732)苯乙烯阳离子交换树脂 中国医药(集团)上海化学试剂公司提供;粉末活性炭 台山市粤桥试剂塑料有限公司提供。

Frontier型傅立叶变换红外光谱仪 美国PerkinElmer公司;B-260型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂,PHS-25CW 型pH计 上海般特仪器有限公司;Agilent 1200型高效液相色谱仪 美国安捷伦科技公司;RID-10A示差折光检测器 日本岛津公司;SHZ-D(III)型循环水式多用真空泵 河南省予华仪器有限公司;WS70-1型远红外快速干燥箱 绍兴市泸越科学实验仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 醇解工艺 醇解制备三氯蔗糖操作步骤: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圆底烧瓶中,加入5～10 mL新制备0.1 mol/L甲醇钠-甲醇溶液(准确称取2.7 g甲醇钠与500 mL无水甲醇于烧瓶中,室温下回流搅拌至固体基本溶解后,定容至500 mL),在一定温度、pH、时间条件下醇解,随后加入阳离子交换树脂(5%盐酸处理后)至pH为6～7,并使用甲醇洗涤,洗涤液直接旋转蒸发至泡沫状,即可得到三氯蔗糖粗产品,称其质量,并采用高效液相色谱分析产品中三氯蔗糖含量与收率。

1.2.2 高效液相色谱分析 液相色谱条件:示差折光检测;色谱柱:46 mm×150 mm,5 μm;溶剂:甲醇;流动相:乙腈-水(V∶V=15∶85);流速:1.0 mL/min,柱温:35 ℃,进样量:20 μL。

采用外标法测定样品中三氯蔗糖的含量，精确称取三氯蔗糖标准品0.1000 g,以甲醇作为溶剂，配制成浓度为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/mL的三氯蔗糖标准溶液，按上述条件进行高效液相色谱检测，以浓度为横坐标X,峰面积百分比为纵坐标Y，得到标准曲线方程Y=23301X+7137.3，r=0.9959。

取产品0.0500 g(精确到0.0001 g)，使用甲醇作为溶剂，定容于10 mL容量瓶中,经超声15 min的进样样品，进行高效液相色谱检测，通过标准曲线计算得到进样样品三氯蔗糖的浓度(mg/mL)，按照下列公式计算产品中三氯蔗糖含量、纯度、收率。

纯度(%)=进样样品中三氯蔗糖的浓度×稀释体积÷产品质量×100

含量(g)=产品质量×纯度

收率(%)=(产品含量/产品理论生成量)×100

1.2.3 醇解工艺优化设计 根据文献[4]中三氯蔗糖的合成方法,选择醇解条件中主要影响因素:温度、反应时间、pH三因素,运用DPS数据处理软件设计得到混合均匀水平U5(53)实验方案,见表1,以含量作为指标,分析得出醇解最佳工艺。

表1 醇解体系U5(53)混合水平均匀设计实验表Table 1 Mixed-level uniform designs table of alcoholysis system U5(53)

1.2.4 三氯蔗糖重结晶提纯 分别使用乙酸乙酯和乙酸丁酯依次进行萃取,乙酸乙酯除去水相中少量的乙酸甲酯以及少量其他有机物,然后使用乙酸丁酯除去上一步中水相中少量的乙酸乙酯进一步提高产品纯度。选取工艺优化过程三氯蔗糖含量较高的三组,以及最佳条件下制备三氯蔗糖的三组优化组,进行重结晶提纯。

具体纯化与结晶步骤参考文献[13]包括:a.初次重结晶:将三氯蔗糖粗产品溶解于10 mL蒸馏水中,使用乙酸乙酯15 mL萃取过滤液,分批次使用蒸馏水洗涤有机相4次,每次20 mL,收集过滤液及洗涤液加入约2.0 g活性炭粉末,溶解搅拌15 min,过滤,减压蒸馏、浓缩至适当粘稠状后,加入5.0 mL蒸馏水,加入少量三氯蔗糖晶种,40 kHz超声10 min,在4 ℃环境中,冷却结晶10 h,得到白色晶体,过滤并使用冷却过的蒸馏水洗涤滤饼,干燥得到三氯蔗糖初次结晶产品。

b.二次重结晶:将三氯蔗糖初次结晶溶解于10 mL蒸馏水中,加入10 mL乙酸丁酯,同乙酸乙酯萃取过程,分批次使用蒸馏水洗涤有机相4次,每次20 mL,减压蒸馏、浓缩至适当粘稠状后,加入5.0 mL蒸馏水,再加入少量三氯蔗糖晶种,40 kHz超声10 min,在4 ℃环境中,冷却结晶10 h,过滤后,在47 ℃真空干燥箱中干燥5 h,即得到三氯蔗糖二次重结晶产品。

1.2.5 晶体含水率测定 使用二次重结晶所得到的三组三氯蔗糖,分别称取1.5000 g放置47 ℃真空干燥箱中干燥10 h,冷却至室温后取出,称得质量,对比前后质量差异,计算三氯蔗糖二次结晶产品含水率。

2 结果与讨论

2.1 醇解工艺优化

依照表1条件醇解制备三氯蔗糖,称重,并采用高效液相色谱分析产品纯度,结果见表2。

表2 均匀设计实验结果Table 2 The results of uniform experimental design

以含量高低作为检验工艺指标,使用二次多项式逐步回归得到回归方程:

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

根据实验数据处理结果,相关系数r=0.9987,对二次回归模型作F检验,当显著水平α值为0.10时,F值=131.3250>F0.10(3,1)=53.593,模型水平显著,说明实验数据与所采用的二次数学模型基本符合,对DPS软件所给出的回归方程求极值点,计算得出最佳点的值X1=34.9962,X2=10.0000,X3=2.2724,即醇解温度为35.0 ℃,反应pH初始值为10.0,反应时间为2.3 h,反应结果最佳,此时得出含量为3.4575 g。

在该模型最佳点处进行验证实验,平行三次分别记作Y1、Y2、Y3,得到产量的平均质量3.91 g,平均纯度为87.32%,即平均含量为3.41 g,收率为79.49%,实验值与模型计算理论值相差1.26%,表明DPS软件寻求三氯蔗糖醇解最佳条件是可行的,二次数学模型与实际情况拟合较好,即该数学模型是有效的。

2.2 重结晶提纯

根据含量结果表2,选出其中S2、S3、S4组作为样品组以及DPS软件三组优化组样品Y1、Y2、Y3进行提纯分析,液相分析结果见图1。

图1 样品组与优化组分析结果Fig.1 The analysis results of the sample groups and optimize groups

通过结果对比可知,经过两次提纯后,三氯蔗糖产品纯度均能大幅度提高,最高纯度可得99.23%。在萃取结晶中萃取剂选择对结晶十分重要,直接影响萃取效率与后续结晶效果。本文采用乙酸乙酯与乙酸丁酯有机溶剂作为萃取剂,具有选择性好,对三氯蔗糖醇解过程所产生的副产物具有较高的溶解度,而对三氯蔗糖溶解度较低;容易回收和循环利用、低毒、无害且价格低廉等特点。

2.3 红外光谱分析产品结构

以三氯蔗糖-6-乙酸酯与二次重结晶后三氯蔗糖采用傅里叶红外透射光谱扫描,其光谱对比见图2。

图2 三氯蔗糖-6-乙酸酯与三氯蔗糖红外透射光谱对比图Fig.2 The infrared transmission spectra of TGS-6-A and TGS

三氯蔗糖-6-乙酸酯红外光谱图分析:IR,ν/cm-1:3320～3460(O-H伸缩振动),2930～2960(C-H伸缩振动),1730(C=O伸缩振动),1630(糖类吸水特征峰)[13]、1440～1370(-CH2-与-CH3中C-H弯曲振动),1240(酯基C-O伸缩振动),1140、990(-CH2OH中C-O伸缩振动峰),1090、1050(糖环特征峰),920～770(C-Cl吸收峰)。

三氯蔗糖红外光谱图分析:IR,ν/cm-1:3460(O-H伸缩振动),2930～2960(C-H伸缩振动),1480～1350(-CH2-与-CH3中C-H弯曲振动),1140、990(-CH2OH中C-O伸缩振动峰),1100、1030(糖环特征峰),970～750(C-Cl吸收峰)。

二者图谱分析均符合标准红外光谱[15],其中三氯蔗糖对比三氯蔗糖-6-乙酸酯在1730 cm-1(C=O伸缩振动),1240 cm-1(酯基C-O伸缩振动)处吸收峰消失,证明羰基已经脱除,以及1630 cm-1(糖类吸水特征峰)处吸收峰消失,进一步证明醇解反应中乙酰基脱除。

2.4 重结晶产品含水率测定

将样品组S2、S3、S4与优化组Y1、Y2、Y3共6组放置于真空干燥箱中干燥10 h,称取前后质量,水分测定结果如表3所示。

表3 水分测定结果Table 3 The results of the moisture content determination

由表3可知6组的二次重结晶产品含水率均低于1.0%。

3 结论

在三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解制备三氯蔗糖粗产品过程中使用DPS软件优化条件,得到最佳优化条件:醇解温度为35.0 ℃,反应pH初始值为10.0,反应时间为2.3 h,收率可达到79.49%,较文献[16]中60%～70%收率进一步提高,为醇解工艺条件提供一种更加优化选择;本文的重结晶提纯过程以水作为重结晶溶剂,使得结晶产品不含有机溶剂,萃取剂使用低毒、低成本的乙酸乙酯与乙酸丁酯,二者均可在旋转蒸发过程中回收,重复循环使用,并且重结晶操作过程简单,实用性较高。本文为三氯蔗糖-6-乙酸酯醇解工业化生产三氯蔗糖以及三氯蔗糖结晶提纯工艺提供一种可行的方法。

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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，在读硕士研究生，研究方向：过程分析技术，E-mail：haoran000000@126.com。

*通讯作者:粟晖(1971-)，女，硕士，教授，研究方向：过程分析技术、精细化学品开发，E-mail：su_lz@foxmail.com。

广西科技大学研究生创新计划项目(GKYC201608); 广西糖资源绿色加工重点实验室、广西高校糖资源加工重点实验室开放基金(2015TZYKF08)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)14-0244-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.047