乙醇-水溶劑中阿斯巴甜溶解度及介穩區的研究

祁慧晨，冷一欣

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

乙醇-水溶劑中阿斯巴甜溶解度及介穩區的研究

祁慧晨，冷一欣*

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

在5～60 ℃溫度范圍內，研究阿斯巴甜在不同比例的乙醇-水混合溶劑中的溶解與超溶解特性，得到了阿斯巴甜的結晶介穩區，并推算出表觀成核級數m，給出 了成核速率方程。采用λh方程關聯6 個體系的溶解度數據，并考察溫度、溶劑組成、降溫速率以及攪拌速率對結晶介穩區的影響。結果表明：阿斯巴甜的溶解度隨著溫度和乙醇質量分數的增加而增加，當質量比w=0.5時出現溶解度的協同效應；隨著溫度和乙醇質量分數的增加，阿斯巴甜結晶介穩區寬度減小；在相同條件下，攪拌速率的降低和降溫速率的升高均會增大阿斯巴甜結晶介穩區的寬度。

阿斯巴甜；固液平衡；溶解度；λh方程模型；介穩區

阿斯巴甜為白色、無味結晶狀粉末，由美國G.D.Searle公司的研究人員在合成促胃液分泌激素時偶然發現其甜味，成為二肽類中第一個被發現有甜味的物質[1]。分子式為C14H18N2O5，阿斯巴甜是人工合成的非糖類甜味劑，比蔗糖的甜味持久，其甜度約是蔗糖的200 倍，阿斯巴甜作為甜味劑和風味增效劑應用于各種食品和飲料[2]。

阿斯巴甜有4 種晶體（Ⅰa、Ⅱa、Ⅰb和Ⅱb），含有不同數量的結晶水分子[3-4]。Ⅰb的一個單元親水通道含有4 個水分子，而Ⅰa則含有16 個水分子，Ⅱa含的水分子比Ⅰb少，Ⅱb中不含水分子[5]。不同的結晶條件，得到的晶體的物理性質也不一樣，在阿斯巴甜的工業生產過程中，結晶是決定阿斯巴甜分離提取的關鍵步驟。溶液的溶解度和介穩區寬度是結晶過程的基礎研究內容之一，是結晶操作和結晶器設計必需的參數。但是文獻中僅有阿斯巴甜在水中的溶解度數據報道[6]，未見其他溶解度數據的詳盡報道，有關阿斯巴甜介穩區研究也尚未見國內外文獻報道。因此，有必要對阿斯巴甜結晶的熱力學性質進行系統研究。

工業結晶實際操作一般控制在介穩區內進行，這樣產品的晶形較好，粒度均勻。目前介穩區的測定主要有目測法[7]、電導率法[8]及激光法[9]等。其中激光法具有響應快、靈敏度高、準確性好等優點，克服了以往各測定方法的缺陷，能夠比較準確地探測到過飽和溶液中首批晶核出現的時機，因此本實驗采用激光法測定阿斯巴甜在乙醇-水溶劑體系中的超溶解度數據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

阿斯巴甜（食品級） 常茂生物化學工程股份有限公司；無水乙醇（分析純） 上海振興化工一廠。

DC-1006超級恒溫低溫槽（±0.1 ℃） 上海恒平科學儀器有限公司；UV-mini1240紫外分光光度計 日本島津公司；雙層夾套結晶器 常州市昌華玻璃儀器廠；GY-11氦氖激光器、WGN-1型激光功率計 天津市拓普儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 溶解度曲線的測定

通過紫外分光光度計用平衡法測量阿斯巴甜的溶解度[10]，為減少溶劑的揮發，結晶器上部裝有冷凝回流管，所有開口都密封，在帶有恒溫夾套的結晶器中加入適量的溶劑，在待測溫度下加入稍過量的阿斯巴甜，調至預定溫度恒溫水浴，啟動磁力攪拌器，恒溫下持續攪拌，每隔一段時間測定一次溶液中阿斯巴甜的含量，當分析結果不再變化時，體系達到了溶解平衡，停止攪拌，靜置一段時間，使未溶解的阿斯巴甜沉積到溶液底部，用注射器抽取上部少量清液，用0.45 μm的濾膜過濾后，從濾液中取樣稀釋用紫外分光光度計分析其中阿斯巴甜的含量[11]。在較高溫度下（40 ℃以上）進行溶解度的測量，為防止溶液結晶減少誤差，會預先將注射器、濾膜和稱量瓶放在與測定溫度相近的烘箱里預熱，液體取樣和樣品處理時動作要迅速，樣品處理在空調房里進行，在5～60 ℃溫度范圍內，間隔5 ℃，測試得到阿斯巴甜溶解度曲線。

1.2.2 結晶過程介穩區寬度測定

利用激光在穿過粒子場時透射功率和激光功率接收器信號會發生變化從而確定晶粒的出現或消失。實驗裝置如圖1所示。該系統主要由結晶系統、激光測定系統、攪拌系統組成，其中結晶器為各種不同容積的玻璃夾套瓶，激光發射器發出的激光波長為633 nm。

圖1 介穩區測定裝置圖Fig.1 Schematics of the apparatus used to determine metastable zone

將一定量的阿斯巴甜和溶劑加入到冷卻結晶器中，開動攪拌器（350 r/min），升溫使阿斯巴甜完全溶解。為清除可能存在的細小微晶的影響，升高溫度至飽和溫度后，繼續升溫5℃，恒溫30 min，控制溫度以一定的降溫速率開始降溫，同時打開激光發生器和激光接收器，取激光強度信號突然發生下降時的溫度為出晶溫度，記下此時溶液溫度，飽和溫度與此溫度之差即為介穩區寬度ΔT，重復測定3 次取平均值。

1.3 可靠性檢驗

將實驗測定阿斯巴甜在水中的溶解度實驗值與文獻[6]值比較可知（圖2），實驗值與文獻值吻合較好，說明所用實驗裝置和方法是可行的。

圖2 阿斯巴甜溶解度實驗值與文獻值的比較Fig.2 Comparison of our experimental data with literature data reported for aspartame solubility

2 結果與分析

2.1 平衡溶解度

結晶過程的產量決定于固體與其溶液之間的平衡關系。固體與其溶液之間的這種相平衡關系，通常可用固體在溶劑中的溶解度來表示[12]，溶解度可為結晶工藝篩選出適宜的溶劑體系以及為結晶工藝的優化提供基礎的數據。據文獻報道，阿斯巴甜在水中的最大溶解度約為 1%（25 ℃）[13]，乙醇和水的混合溶劑可以增加阿斯巴甜的溶解度，本實驗測定了阿斯巴甜在乙醇混合溶劑中的溶解度。

圖3 阿斯巴甜溶解度隨乙醇質量分數和溫度的變化Fig.3 Solubility variations with w and temperature

由圖3可知，阿斯巴甜在溶劑中的溶解度曲線在低溫區（5～25 ℃）平緩，而在中高溫區（30～60 ℃）相對較陡，說明在不同溫度下，阿斯巴甜溶解度及其溫度敏感性存在差異；當溫度高于25℃時，溫度敏感性較高，適合冷卻結晶操作；在溫度低于25 ℃時，溫度敏感性較低。從圖3還可知，在質量比w=0.5，阿斯巴甜的溶解度最大。當w＜0.5阿斯巴甜在乙醇和水的二元溶劑體系中的溶解度隨著乙醇質量分數的增加而增加；當w＞0.5時，阿斯巴甜的溶解度隨著乙醇質量分數的增加而降低（難溶于100%乙醇溶劑），此現象稱為協同效應[14-16]。

2.2 溶解度關聯

1981年，Buckowski等[17]根據固液溶解相平衡理論提出了著名的λh方程：

式中：x為阿斯巴甜溶解度物質的量分數；Tm為阿斯巴甜的熔點/K；λ和h為根據溶解度數據擬合得出的方程的模型參數。

表 1 λhh方程參數回歸結果Table 1 Parameters of λhh equation

2.3 結晶過程介穩區寬度

介穩區是指物系的超溶解度曲線與溶解度曲線之間的區域，介穩區對控制結晶過程的成核數目和微晶非常重要[18]。本實驗考察溶劑組成，降溫速率以及攪拌速率對介穩區的影響，為阿斯巴甜結晶生產提供了熱力學基礎數據。

2.3.1 溶劑組成對介穩區的影響

圖4 不同溶劑中阿斯巴甜的介穩區Fig.4 Metastable zone of aspartame in different solvents

由圖4可知，相同質量比例乙醇-水混合溶劑中，阿斯巴甜的過飽和度曲線和溶解度曲線大致平行。介穩區寬度均隨溫度的升高而減小，這主要是因為溫度升高，溶液中的阿斯巴甜分子熱運動加劇，使其碰撞成核的機率增大。純水中阿斯巴甜的介穩區較寬，隨著乙醇質量分數的增加介穩區寬度逐漸變窄，主要是由于溶解度越大，溶液的濃度越高，溶質分子相互碰撞的機率增加，更加容易成核，這表明低濃度下更有利于控制成核。

2.3.2 降溫速率對介穩區的影響

對于結晶成核過程而言，當攪拌速率一定時，介穩區寬度與降溫速率的關系可用公式（2）來描述[19]：

式中：T′為降溫速率/（℃/h）；ΔTmax為此降溫速率條件下對應的介穩區寬度/℃；Weq為溫度T條件下物質的溶解度/（g/100 g）；KN為成核動力學常數；T為成核級數。

由公式（2）可知，lg?Tmax和lg（－T′）存在線性關系：

其中：

成核級數可由下述關系導出：

由此可知，lg?Tmax和lg（－T′）線性關系斜率的倒數即是阿斯巴甜的表現成核級數。

保持攪拌速率為250 r/min，分別設定降溫速率為1、2、3、4、5 ℃/h。考察降溫速率對介穩區的影響。將降溫速率－T’的對數與計算得到的ΔTmax的對數作圖，可得w=0.5乙醇體系中阿斯巴甜的成核方程式及表觀成核級數m。

圖5 降溫速率對阿斯巴甜介穩區的影響Fig.5 Effect of cooling rate on the super-solubility

由圖5可知，在實驗溫度下，保持攪拌速率一定，降溫速率越大，介穩區寬度就越寬，這是因為增大降溫速率，溶質在短時間內經過成核溫度區域，不利于物質穩定緩慢的成核，但如果溫度降低到不穩區以后，將有細小雜亂的晶體迅速生長出來。

將不同飽和溫度下的阿斯巴甜在w=0.5乙醇中的介穩區寬度實驗數據進行擬合，得到：

當T=20 ℃時，y=1.755 4+0.451 3x

當T=30 ℃時，y=1.611 6+0.342 5x

當T=40 ℃時，y=1.361 4+0.248 3x

當T=50 ℃時，y=1.235 6+0.253 3x

當T=60 ℃時，y=1.088 1+0.289 9x

m主要反映成核的難易程度，m越大則單位時間內產生的晶核數目越多；反之，則單位時間內產生的晶核數目越少．在實際的結晶過程中，若表觀成核級數很大，晶核會爆發式產生，這樣會生成大量細小的晶粒，不利于較大晶體的培養。從計算所知，隨著溫度的升高，阿斯巴甜的表現成核級數增大，當飽和溫度較低時，T=20～30 ℃時表現成核級數小，有利于阿斯巴甜晶體生長，在該溫度區域可以獲得較大粒度的晶粒，當飽和溫度較高時，T=20～30 ℃時表現成核級數大，成核更為容易，但對成核的控制比較困難，往往得不到較好的晶體。在阿斯巴甜結晶初期，溫度較高，介穩區相對較窄，應控制降溫速率不要太大，隨著結晶過程的進行，降溫速率可適當增大。

2.3.3 攪拌速率對介穩區的影響

機械作用對于晶核出現的速度有明顯的影響，如：振動、在過飽和溶液中發生的表面相互沖擊、攪拌，因此攪拌強度是影響介穩區的重要因素之一。

根據經典成核理論[20]，當降溫速率一定時，最大過冷度與攪拌速率的關系見公式（7）：

式中：?Tmax為最大過冷度/℃；k1為成核速率常數；m為成核級數；n為攪拌速率影響的動力學參數；N為攪拌速率/（r/min）。

圖6 攪拌速率對阿斯巴甜介穩區的影響Fig.6 Effect of stirring speed on the super-solubility

本實驗考察了攪拌速率對介穩區寬度的影響，測量條件保持降溫速率b=4 ℃/h，攪拌速率分別為150、200、250、300、350 r/min條件下進行。由圖6可知，同一溫度，隨著攪拌速率的增大，介穩區寬度逐漸變窄。原因是隨著攪拌速率的增大，分子間的相互碰撞越容易發生，形成晶核的機率就更大。

將不同飽和溫度下的阿斯巴甜在w=0.5乙醇中的介穩區寬度實驗數據進行擬合，得到：

當T=20 ℃時，ln（ΔTmax）=6.137 8－0.634 6lnN

當T=30 ℃時，ln（ΔTmax）=5.854 2－0.653 7lnN

當T=40 ℃時，ln（ΔTmax）=6.019 6－0.708 5lnN

當T=50 ℃時，ln（ΔTmax）=6.081 9－0.739 7lnN

當T=60 ℃時，ln（ΔTmax）=6.104 1－0.763 8lnN

在不同的飽和溫度下，所得的lnN與ln（?Tmax）的線性關系大致平行，說明在結晶的成核過程中，受攪拌速率影響的成核級數與飽和溫度幾乎沒有關系。由公式（3）～（7）算出3.312 0，n 為受攪拌速率影響的成核級數為直線斜率的負數，可得到則受攪拌速率影響的成核級數為2.318 5。

3 結 論

實驗研究得出了阿斯巴甜在不同質量分數乙醇體系中的溶解度，結果表明，阿斯巴甜的溶解度隨溫度增加而增加。在w=0.5出現協同效應。w＜0.5，阿斯巴甜的溶解度在乙醇和水的二元溶劑中隨著乙醇質量分數的增大而增加，當w＞0.5時，阿斯巴甜的溶解度隨著乙醇質量分數的增加而降低。

采用λh方程對6 個體系的溶解度數據進行關聯，結果表明λh方程能較好地描述阿斯巴甜在乙醇-水混合溶劑中溶解度數據。

以乙醇水溶液取代純水后，阿斯巴甜晶體的介穩態生長區間變窄，增大了過飽和系數，縮短了起晶的誘導期，并且研究得出，介穩態生長區間隨著乙醇質量分數的提高而變得越窄。攪拌速率越大，介穩區越窄；降溫速率越大，介穩區變寬。

在攪拌速率250 r/min的條件下，測量降溫速率對介穩區寬度的影響。當飽和溫度較低時，T=20～30 ℃時表現成核級數小，有利于阿斯巴甜晶體生長，在該溫度區域可以獲得較大粒度的晶粒，當飽和溫度較高時，T=20～30 ℃時表現成核級數大，成核更為容易，但對成核的控制比較困難，往往得不到較好的晶體。

結合經典成核理論推導的攪拌速率與介穩區寬度的關系式，在降溫速率b=4 ℃/h的條件下，測量了攪拌速率對介穩區寬度的影響。結果表明，同一溫度，隨著攪拌速率的增大，介穩區寬度逐漸變窄；受攪拌速率影響的成核級數與飽和溫度幾乎沒有關系。通過實驗數據攪拌速率與介穩區寬度的關系式，得到此成核級數的平均值為2.318 5。

阿斯巴甜在乙醇-水溶液中的溶解度和超溶解度可以作為阿斯巴甜冷卻結晶操作加晶種時機和計算理論收率的依據。

[1] 錢亞杰, 錢志偉. 阿斯巴甜的合成研究[J]. 河北化工, 2007, 30(11): 38-40.

[2] BRAHMIIMI M, KEERTHI T, PRIYADARSHINI B, et al. Myths and facts about aspartame and sucralose: a critical review[J]. International Journal of Clinical Pharmacology Research, 2012, 3(3): 373-375.

[3] HATADA M, JANCARIK J, GRAVESET B, et al. Crystal structure of aspartame,a peptide sweetener[J]. Journal of the American Chemical Society, 1985, 107(14): 4279-4282.

[4] GUGUTA C, MEEKES H, GELDER R, The hydration/dehydration behavior of aspartame revisited[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2008, 46(4): 617-624.

[5] MEGURO T, KASHIWAGI T, SATOW Y. Crystal structure of the low-humidity form of aspartame sweetener[J]. Journal of Peptide Research, 2002, 56(2): 97-104.

[6] KISHIMOTO S, NARUSE M. A process development for the bundling crystallization of aspartame[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 1988, 43(1): 71-82.

[7] 江金金, 劉艷君, 司倩倩, 等. 高氯酸銨結晶介穩區的研究[J]. 安徽化工, 2012, 38(5): 26-27.

[8] 周濤, 段作營, 張宏建, 等. 谷氨酸溶液結晶介穩區的性質[J]. 無錫輕工大學學報, 2004, 23(1): 63-64.

[9] 殷萍, 衛宏遠. pH值對硫酸銨溶解度及結晶介穩區的影響[J]. 化學工業與工程, 2009, 26(2): 137-138.

[10] HOU Guangyang, YIN Qiuxiang, ZHANG Meijng, et al. Solubility of indinavir sulfate in different solvents from (278.35 to 314.15) K[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2009, 54(7): 2106-2108.

[11] DATTATREYA B S, USHA D V, SUSHEELAMMA N S, et al. Aspartame: studies on UV spectral characteristics[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2003, 38(7): 67-77.

[12] 丁緒淮, 談遒. 工業結晶[M]. 北京: 化學工業出版社, 1985: 8-9.

[13] 趙琳, 張英鋒, 馬子川. 阿斯巴甜的合成及應用[J]. 化學教育, 2009, 30(3): 8-10.

[14] DOMANSKA U, HOFMAN T. Correlations for the solubility of normal alkanoic acids ando-toluic acid in binary solvent mixtures[J]. Journal of Solution Chemistry, 1985, 14(7): 531-547.

[15] ZHOU Xiqun, FAN Jiansheng, LI Nan, et al. Solubility of L-phenylalanine in water and different binary mixtures from 288.15 to 318.15 K[J]. Fluid Phase Equilibria, 2012, 316: 26-33.

[16] DOMANSKA U, LASKOWSKA M. Phase equilibria and volumetric properties of (1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate + alcohol or water) binary systems[J]. Journal of Solution Chemistry, 2008, 37(9): 1271-1287.

[17] BUCHOWSKI H, KSIAZCZAK A, PIETRZYK S. Solvent activity along a saturation line and solubility of hydrogen-bonding solids[J]. Journal of Physical Chemistry, 1980, 84(9): 975-979.

[18] PETERS B. Supersaturation rates and schedules: nucleation kinetics from isothermal metastable zone widths[J]. Journal of Crystal Growth, 2011, 317(1): 79-83.

[19] 馬勇, 朱家文, 陳葵, 等. 磷酸結晶介穩區性質的研究[J]. 高校化學工程學報, 2010, 24(2): 332-333.

[20] NYVLT J. Kinetics of nucleation in solutions[J]. Journal of Crystal Growth, 1968, 3(4): 377-383.

Solubility and Metastable Zone of Aspartame in Ethanol-Aqueous Mixture

QI Huichen, LENG Yixin*
(School of Petrochemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

The solubility and super-solubility of aspartame in ethanol-aqueous mixture with different ethanol mass fractions at 5–60 ℃ were determined, and the apparent nucleation order m was calculated. Meanwhile, the nucleation rate equation was achieved. The surperstaturation curve and metastable region of aspartame were obtained. It was found that the solubility data could be described well by the model of λh equation; in addition, the infl uences of temperature, solvent composition, cooling rate and agitation rate on the width of metastable zone were explored. The results showed that the solubility of aspartame in the selected solvents increased with an increase in temperature and ethanol mass fraction, and a synergistic effect on solubility was observed at w = 0.5 (m/m). Contrary to the solubility, the width of metastable zone decreased with increasing temperature and ethanol mass fraction; under the same experimental conditions, either decreasing agitation rate or increasing cooling rate may broaden the width of metastable zone.

aspartame; solid-liquid equilibrium; solubility; λh model; metastable zone

TS202.3

A

1002-6630（2015）01-0113-05

10.7506/spkx1002-6630-201501022

2014-02-16

祁慧晨（1988—），女，碩士，研究方向為綠色化學。E-mail：happy_qiqi2007@126.com

*通信作者：冷一欣（1961—），女，教授，博士，研究方向為綠色化學。E-mail：lengyixin61@163.com