L-岩藻糖溶解度测定及粒度调控分析

姜侠，栾会妮，王寒舒，万忆

1. 威海市特色果蔬高值加工工程技术研究中心（威海 264300）；2. 威海海洋职业学院（威海 264300）；3. 青岛科技大学化学与分子工程学院（青岛 266045）

L-岩藻糖（C6H12O6，CAS号：2438-80-4）作为一种重要的糖类化合物，是理想的膳食补充剂和婴幼儿食品营养补充剂和免疫增强因子[1]。此外，L-岩藻糖在药品、化妆品等领域具有广泛的用途[2]，可用于调节人体细胞免疫应答过程，也可用于靶向药物的偶联环节，还可以用于皮肤保湿、抗衰老等方面。

由于L-岩藻糖在海藻及树胶中的含量较高，目前L-岩藻糖的制备多以海藻为起始物料，借助酸碱中和反应实现L-岩藻糖的分离提取[3-6]。该法中L-岩藻糖的纯度与分离纯化过程技术的稳健性息息相关。常见的分离手段有层析法、透析法和溶液结晶等[7-9]，其中溶液结晶法简便易行，过程操作简便，工艺成本低，是L-岩藻糖制备的优选方案。传统的溶液结晶多采用经验摸索的方法，存在使用范围小、工艺放大困难等问题。科学的溶液结晶过程工艺设计往往需要溶液热力学、动力学等基础数据的支持与分析，其中固液相平衡数据是极为重要的热力学基础数据，可以直接用于指导溶液结晶过程的工艺设计。然而，有关L-岩藻糖的溶液热力学数据报道相对较少，公开文献仅报道了L-岩藻糖在甲醇、丙酮等水溶液中的溶解度数据[10]，仍有待进一步加大溶解度数据信息量以满足L-岩藻糖的工业应用需求。

此次试验通过对L-岩藻糖在混合溶剂中溶解度的测定与分析，进一步补充了L-岩藻糖的溶液热力学基础数据，同时也为L-岩藻糖的粒度分布调控提供了新的工艺方案，以满足日益增长的多规格L-岩藻糖的市场需求。

1 材料及方法

1.1 材料与仪器

L-岩藻糖（山东巨荣生物工程有限公司）；乙腈（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）。

恒温水浴（CKDC-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）；磁力搅拌器（85-1，青岛聚创环保集团有限公司）；蠕动泵（BT100-1F，保定兰格恒流泵有限公司）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒科学仪器有限公司）；激光粒度仪（Mastersizer 3000E，上海思百吉仪器系统有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 溶解度测定

L-岩藻糖的溶解度采用动态法进行测定[11]。首先，量取一定比例（xw）的混合溶剂加入到玻璃夹套瓶中。玻璃夹套瓶通过水浴控制溶液在特定温度（T）下，同时开启磁力搅拌保证溶液能够得到充分混合。接着，向溶剂中逐次加入称取好的适量L-岩藻糖，直到最后一次加入L-岩藻糖时溶液恰好达到平衡（不能溶解更多L-岩藻糖），记下总共加入的L-岩藻糖质量（m）。在相同条件下重复以上试验过程3次，并取质量平均值，按式（1）和（2）进行溶解度（x）换算。

式中：ma，mw分别为乙腈、水的质量，g；M，Ma，Mw分别为L-岩藻糖、乙腈、水的摩尔质量，g/mol；xw为水在混合溶剂中的摩尔分数，%。

1.2.2 溶解度关联模型[12]

Apelblat修正模型。该模型是描述溶解度最常见的经验模型，其方程表述如式（3）所示。

式中：A、B、C为该模型参数；T为绝对温度，K。

CNIBS/R-K模型。该模型常用于描述混合溶剂体系中的溶解度，其方程表述如式（4）所示。

式中：B0～B4为该模型参数。

Apelblat-Jouyban-Acree修正模型。该模型结合了Apelblat模型和Jouyban-Acree模型，其方程表述如式（5）所示。

式中：A0～A8为该模型参数。

1.2.3 粒度调控试验

目前L-岩藻糖产品的粒度多依靠粉碎工序来实现调控，粉碎过程会造成物料损耗及静电吸附等问题。在L-岩藻糖溶液热力学数据研究的基础上，通过对其溶液结晶过程中晶体的成核与生长进行控制，进而达到粒度调控的目的。

在20～40 ℃下将适量L-岩藻糖溶解在水溶液中；待L-岩藻糖完全溶解后，以一定流加速率向澄清溶液中流加乙腈溶剂，溶液中出现固体时，停止流加乙腈溶剂，恒温搅拌1～3 h；随后向溶液中流加适量乙腈溶剂，并降温至5～10 ℃，最后将析出晶体产品过滤、洗涤并干燥。对不同粒度的L-岩藻糖产品采用激光粒度分析仪进行粒度分析与测定，研究不同操作参数对应的L-岩藻糖粒度分布情况。

2 结果与分析

2.1 L-岩藻糖溶解度

L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度如图1所示。在同一混合溶剂中，L-岩藻糖的溶解度随着温度的升高而逐渐增大。其中，L-岩藻糖在水的摩尔分数为0.921%时溶解度高达0.190 6（343.15 K）。此外，在同一温度下L-岩藻糖的溶解度随着混合溶剂中水含量的增加而逐渐增大。这是由于L-岩藻糖中极性官能团—OH容易与水形成氢键，而乙腈的加入会破坏氢键的形成，使得L-岩藻糖的溶解度与水含量呈正相关的关系。因此，可以借助乙腈作为不良溶剂来控制L-岩藻糖重结晶过程中的溶液过饱和度，进而实现L-岩藻糖晶体成核与生长的有效调控。

图1 L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度（283.15～343.15K）

表1 L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度实验值及计算值

2.2 L-岩藻糖溶解度数据关联

溶解度关联模型对试验数据的拟合差别分别采用相对偏差（SARD）和平均相对偏差（SRMSD）来进行评价。

式中：xcal为溶解度的理论计算值。

L-岩藻糖的不同溶解度关联模型的拟合结果分别列于表2～表4。可以看出，Apelblat修正模型、CNIBS/R-K模型、Apelblat-Jouyban-Acree修正模型对L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度均有很好的拟合效果。其中，CNIBS/R-K模型的SARD（最大值为3.30%）以及SRMSD（最大值为0.209 9%）均要小于另外两个模型，拥有更好的拟合效果。因此，可以利用CNIBS/R-K模型来预测L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度，并可用于实际的工艺设计与优化之中。

表2 Apelblat修正模型参数及拟合偏差

表3 CNIBS/R-K模型参数及拟合偏差

表4 Apelblat-Jouyban-Acree修正参数及拟合偏差

2.3 L-岩藻糖粒度调控

粒度分布对于食品和药品具有重要的意义，不仅会影响到外观及口感，而且会显著影响溶解速率[13-14]。目前常规粒度调控多借助于机械粉碎方式，该法存在物料损耗、粉尘污染等问题。通过调整L-岩藻糖结晶过程中的乙腈流加速率和搅拌转速，可以稳定获得粒度（D90）介于68～462 μm的晶体产品（图2）。晶体的粒度分布与晶体的成核和生长过程息息相关。对于产业化工艺调控而言，降温速率控制精度较低，而不良溶剂乙腈的流加速率可以通过蠕动泵得到更为精确的控制，因而采取控制乙腈流加速率来控制合适的溶液过饱和度以生成粒度合适的晶核，进而通过后续乙腈流加促进晶核的生长，最终获得粒度分布合适的晶体产品，避免后续粉碎工序，实现特定粒度产品的直接制备。

图2 重结晶获得的不同粒度分布的L-岩藻糖

3 结论

L-岩藻糖作为一种重要的膳食补充剂，其在溶液中的热力学数据对于其提取工艺具有重要的指导与支撑作用。采用动态法测定获得了L-岩藻糖在乙腈-水混合溶剂中的溶解度，其中L-岩藻糖在水-乙腈混合溶剂中的溶解度随着温度的升高而增大，随着水含量的增多而减小。CNIBS/R-K模型能更好地对L-岩藻糖在水-乙腈混合溶剂中的溶解数据进行拟合。L-岩藻糖的粒度分布调控可以借助不良溶剂流加速率的控制来实现，产品无需粉碎即可保证粒度稳定处于68～462 μm。