三氯蔗糖(Sucralose),又名蔗糖素,其化学名称为4,1’,6’-三氯-4,1’,6’-三脱氧半乳蔗糖。
三氯蔗糖是经蔗糖卤化而成的一种蔗糖衍生物,其甜度是蔗糖的600~800倍,白色粉末状物质,无臭,无吸湿性,其熔点为125 ℃,易溶于水、乙醇和甲醇溶剂 [1-3]。三氯蔗糖的合成方法主要有全基团保护法[4]、单酯法[5-6]和酶化学法。三氯蔗糖是经过复杂的有机反应合成,因此分离提纯是一个很重要的操作单元。
目前工业上普遍采用连续水结晶法提纯三氯蔗糖,该方法存在结晶时间过
长、结晶母液产品残留大及回收困难等缺陷。
尽管一些文献专利对水结晶法进行了改良,但主要 是针对结晶溶剂的调整,效果不明显。
近几年超声技术及其应用的研究有很大进展,目前已经被广泛应用于冶金、化工、食品、 医疗等行业中。 A. VanHookz(1958)论述晶核的生成时指出:声波辐射具有强烈的定向效应,可以补充和加强形成临界晶核所需的波动作用,故能加速起晶过程。此外,超声结晶还有设备简单、 操作方便、不易引入其他杂质的特点,使得超声波辅助结晶受到了广泛关注。
本实验以三氯蔗糖粗品为原料,研究超声波对三氯蔗糖结晶过程的诱导期、结晶速率、产量和产品质量的影响。
1 实验试剂、仪器
1.1 主要原料和试剂 三氯蔗糖粗品(纯度95%):吉安市新琪安科技有限公司;蒸馏水;卡尔-费休试剂:市售; 水、乙腈、甲醇:HPLC级。
1.2 主要仪器 SK2210HP型超声波清洗器,HH-4型数显恒温水浴锅,PB602-N电子精密天平,RE52-98型 旋转蒸发仪,JJ-1精密增力电动搅拌器,TDL80- 2B台式离心机,HY-2C型熔点仪,LC-10AT型高 效液相色谱仪。
2 实验方法
2.1 实验装置 超声波辅助三氯蔗糖结晶装置如图1所示。
2.2 三氯蔗糖溶液配制
称取120 g三氯蔗糖(纯度95%)置于500 mL烧杯 中,加入200 mL蒸馏水在70 ℃溶解,恒温30 min 后过滤除去不溶性杂质,冷却至常温,制成过饱 和溶液备用。
2.3 三氯蔗糖结晶诱导期的测定
相变过程的阶段之一是潜伏转变期,这时直接看不到新相生成,该阶段为潜伏期或诱导期[8]。 结晶诱导期的常用测定方法主要有目测法、激光法、电导率法。本实验采用目测法测定三氯蔗糖的诱导期。
取100 mL备用液,减压蒸出50 mL水 后配制0.8 g/mL的溶液,然后配置成饱和度不同的3种溶液,浓度分别为0.4、0.6、0.8 g/mL,将其分别置于40、59 kHz的超声场中,设置好输出功率,启动搅拌器直至肉眼观察到晶核出现,这段时间即为诱导期。另取3种对应浓度的样品静置, 作为对比实验。
2.4 三氯蔗糖结晶量的测定
结晶完成后,经离心分离除去上清液,真空干燥即可得此时间段的结晶量。 离心分离:转速4000 r/min,时间10 min;
真空干燥:温度40 ℃,真空度0.09 MPa,时间为4 h。
2.5 水分
卡尔-费休法测定其含水量。取50 mL 甲醇于反应器中,用卡尔-费休试剂滴定50 mL甲 醇中痕量水,滴定至指针与标定时相当并且保持 1 min不变时,打开加料口,将称好的样品立即加 入,塞上皮塞搅拌,用卡尔费休试剂滴定至终点 保持1 min不变,记录消耗的体积。
水分含量=FV/W
式中:F为卡尔费休试剂的水当量,mg/mL; V为滴定所消耗的卡尔费休试剂,mL; W为样品质量,g。
2.6 三氯蔗糖含量测定
采用反相高效液相色谱法测定三氯蔗糖[9]。
色谱柱:R a d P a k C - 1 8 反 相 色 谱 柱 ( 2 5 0 mm×4.6 mm id.5 μm);流动相组成:V(乙腈 ) :V(水)=15:85;流速:1.0 mL/min;进样量:20 μL;检测器:示差折光仪;柱温:43 ℃。
标准溶液制备:准确称取0.025 g(准确至 0.0001 g)三氯蔗糖标准品,用流动相溶解,定容至 5 mL容量瓶中,用0.45 μm微孔膜过滤。
样品溶液的制备:准确称取0.025 g(准确至 0.0001 g)样品,用流动相溶解,定容至25 mL容量 瓶中,用0.45 μm滤膜过滤。手动进样20 μL,根 据保留时间定性、以峰面积定量的原则,得到三 氯蔗糖的含量。
3 实验结果与讨论
3.1 超声波对三氯蔗糖溶液的影响
过饱和是溶液结晶过程的推动力。对于溶液来说其浓度超过平衡浓度(溶解度),即为过饱和溶液,但不是所有过饱和溶液都会发生结晶。溶液至少可处于3个状态:稳定区、介稳区、不稳区。 只有当溶液处于不稳区时结晶才会马上开始,而溶液处于介稳区时特别是过饱和不高时,溶液不会发生结晶,只有加入晶种时,结晶才有可能。
如图2所示55 ℃的饱和三氯蔗糖溶液以0.5 K/min的 冷冻速度逐渐冷却时,若不施加超声波,则冷却至15 ℃时溶液中才出现晶核。
若施加超声波则26 ℃是就有晶体析出。即超声波的引入提高了晶体的成核温度,减小了溶液的介稳区宽度。
3.2 超声波对三氯蔗糖结晶诱导期的影响
诱导期是溶液结晶的一个很重要的参数。诱导期的长短主要取决于温度、搅拌强度和杂质浓度。在其他条件相同的情况下,温度越高诱导期越短。同样,搅拌强度和液相中不溶性颗粒的增加,也能缩短诱导期[8]。在结晶过程中引入超声, 由于超声波产生的空化效应和机械效应可有效增大搅拌强度,降低黏度,改变结晶诱导期[10-11]。
3.2.1 超声波功率对三氯蔗糖诱导期的影响 溶液 浓度0.8 g/mL,超声波频率59 kHz ,超声输出功 率对三氯蔗糖粗品结晶诱导期的影响曲线如图3所 示。从图3中可知:在一定频率下,诱导期随输出 功率增加而缩短,因此为了更方便测定结晶诱导 期,在后面的实验中选用100 W的输出功率。
3.2.2 超声波频率对三氯蔗糖诱导期的影响
对 3种饱和度不同的三氯蔗糖溶液施加40 kHz(100 W)、59 kHz(100 W)的超声波,并与静置的样品作 对比,其对结晶诱导期的影响见表1。 表1 超声波频率对三氯蔗糖结晶诱导期的影响
三氯蔗糖浓度/ (g/mL) | 诱导期/min | 节省时间比例 | ||
频率40 kHz | 频率59 kHz | 无超声 | 超声波:无超声 | |
0.8 | 69 | 57 | 245 | 1:4 |
0.6 | 116 | 97 | 489 | 1:4 |
0.4 | 271 | 235 |
- 注:-表示不发生结晶。
从表 1可得出:在难于成核的低饱和溶液中,利用超声波可有效地促进成核,并减小从建立过饱和状态到成核与结晶开始之间的时间,即诱导期。
不同频率的超声波对三氯蔗糖的诱导期也不同,频率越高,诱导期越小。以不加超声时的诱导期为参照,当浓度为0.8 g/mL,超声强度为 40 kHz(100 W)、59 kHz(100 W)时,诱导期缩短至对照样的1/4~1/3;
当浓度为0.6 g/mL时,诱导期缩短至对照样的1/5~1/4;
当浓度为0.4 g/mL时,对比样不发生成核,超声波明显地促进了溶液的成核。从理论上分析,超声产生的空化作用在极小空间和极短的时间内产生的冲击波,可以促进成核,使成核过程在较低过饱和度下可以进行,本实验结果与理论分析是一致的。
3.3 超声波对三氯蔗糖结晶速率的影响
结晶速率可以用晶体质量随时间的变化来表示,结晶速率取决于溶液的过饱和度,或过冷度、压力、液相的搅拌强度及特性,包括各种场的作用及有无杂质的存在等等。
图4中a、b、c的三氯蔗糖溶液分别加入 (0.07±0.001) g三氯蔗糖晶种,然后分别置于无超声、40kHz和59kHz的超声场中,3 min中后观察可得(a)中晶体只沿着容器壁和晶种缓慢生长, 而(b)和(c)迅速白浊化,水溶液中大量白色晶体开始出现。经离心分离,真空干燥,称质量得晶体质量为(b)>(c)>(a)。此结果表明超声对三氯蔗糖的结晶速率有明显的促进作用,频率越低作用越明显。
3.4 超声波对三氯蔗糖结晶量的影响
将过饱和的三氯蔗糖溶液置于59 kHz的超声场中,与静置样品作对比实验。不同时间段的结晶量如表2所示。
表2 超声波对结晶量的作用
处理时间/h | 结晶量/g | ||
加入晶种 | 不加晶种 | 无超声(加晶种) | |
0.5 | 0.71 | - | 0.05 |
1.0 | 1.46 | 0.32 | 0.09 |
2.0 | 2.14 | 1.56 | 0.17 |
3.0 | 2.47 | 1.88 | 0.53 |
注:-表示无晶体产生或不明显。
由表2可知,在其他条件不变的情况下,超声波对三氯蔗糖结晶产量的作用明显。超声波不但可以提高结晶产量,而且得到相同质量的三氯蔗糖晶体,超声结晶所用时间更短。
3.5 超声波辅助对三氯蔗糖结晶产品部分指标的影响
三氯蔗糖结晶产品的部分指标如表3所示。
表3 三氯蔗糖结晶产品部分指标
产品 | 色泽及形态 | 熔点/℃ | 含水量/ (w/w, %) | 三氯蔗糖含量/% |
40kHz超声波辅助结晶 | 白色粉末 | 120~121 | 0.6 | 98.78 |
59kHz超声波辅助结晶 | 白色粉末 | 122~124 | 0.4 | 99.34 |
未加超声波辅助结晶 | 针状晶体 | 43~45 | 22.1 | 76.78 |
三氯蔗糖标品 | 白色粉末 | 125~127 | 0.01 | 99.98 |
由表3可知,无超声结晶的产品熔点远低于超声结晶产品和标品,且含水量高。这可能是常温下无超声结晶得到的是五水三氯蔗糖[12],而超声结晶得到的是无水三氯蔗糖。超声结晶产品的三氯蔗糖含量接近标品。
4 结论
超声波可减小三氯蔗糖溶液的介稳区宽度。 对三氯蔗糖溶液分别施加40、59 kHz的超声波, 结晶诱导期缩短,频率越大,功率越高,效果越 明显。
在三氯蔗糖溶液中加入晶种,分别施加频率 40、59 kHz的超声波,溶液3 min后迅速白浊化,迅速生成晶核,而对比样无变化。
相同条件下,在频率为59 kHz的超声场中所得的结晶量明显大于无超声结晶,获得相同量产品超声结晶所需时间更短。
常温下,无超声结晶三氯蔗糖产品含有20.1% 的水分,而 40 kHz(100 W)和59 kHz(100 W)超声结晶可得无水三氯蔗糖产品,三氯蔗糖含量符合 FAO和WHO要求。