L-巖藻糖溶解度測(cè)定及粒度調(diào)控分析

姜俠，欒會(huì)妮，王寒舒，萬(wàn)憶

1. 威海市特色果蔬高值加工工程技術(shù)研究中心（威海 264300）；2. 威海海洋職業(yè)學(xué)院（威海 264300）；3. 青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院（青島 266045）

L-巖藻糖（C6H12O6，CAS號(hào)：2438-80-4）作為一種重要的糖類化合物，是理想的膳食補(bǔ)充劑和嬰幼兒食品營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑和免疫增強(qiáng)因子[1]。此外，L-巖藻糖在藥品、化妝品等領(lǐng)域具有廣泛的用途[2]，可用于調(diào)節(jié)人體細(xì)胞免疫應(yīng)答過(guò)程，也可用于靶向藥物的偶聯(lián)環(huán)節(jié)，還可以用于皮膚保濕、抗衰老等方面。

由于L-巖藻糖在海藻及樹(shù)膠中的含量較高，目前L-巖藻糖的制備多以海藻為起始物料，借助酸堿中和反應(yīng)實(shí)現(xiàn)L-巖藻糖的分離提取[3-6]。該法中L-巖藻糖的純度與分離純化過(guò)程技術(shù)的穩(wěn)健性息息相關(guān)。常見(jiàn)的分離手段有層析法、透析法和溶液結(jié)晶等[7-9]，其中溶液結(jié)晶法簡(jiǎn)便易行，過(guò)程操作簡(jiǎn)便，工藝成本低，是L-巖藻糖制備的優(yōu)選方案。傳統(tǒng)的溶液結(jié)晶多采用經(jīng)驗(yàn)摸索的方法，存在使用范圍小、工藝放大困難等問(wèn)題。科學(xué)的溶液結(jié)晶過(guò)程工藝設(shè)計(jì)往往需要溶液熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持與分析，其中固液相平衡數(shù)據(jù)是極為重要的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以直接用于指導(dǎo)溶液結(jié)晶過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)。然而，有關(guān)L-巖藻糖的溶液熱力學(xué)數(shù)據(jù)報(bào)道相對(duì)較少，公開(kāi)文獻(xiàn)僅報(bào)道了L-巖藻糖在甲醇、丙酮等水溶液中的溶解度數(shù)據(jù)[10]，仍有待進(jìn)一步加大溶解度數(shù)據(jù)信息量以滿足L-巖藻糖的工業(yè)應(yīng)用需求。

此次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)L-巖藻糖在混合溶劑中溶解度的測(cè)定與分析，進(jìn)一步補(bǔ)充了L-巖藻糖的溶液熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為L(zhǎng)-巖藻糖的粒度分布調(diào)控提供了新的工藝方案，以滿足日益增長(zhǎng)的多規(guī)格L-巖藻糖的市場(chǎng)需求。

1 材料及方法

1.1 材料與儀器

L-巖藻糖（山東巨榮生物工程有限公司）；乙腈（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

恒溫水浴（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）；磁力攪拌器（85-1，青島聚創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)有限公司）；蠕動(dòng)泵（BT100-1F，保定蘭格恒流泵有限公司）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；激光粒度儀（Mastersizer 3000E，上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 溶解度測(cè)定

L-巖藻糖的溶解度采用動(dòng)態(tài)法進(jìn)行測(cè)定[11]。首先，量取一定比例（xw）的混合溶劑加入到玻璃夾套瓶中。玻璃夾套瓶通過(guò)水浴控制溶液在特定溫度（T）下，同時(shí)開(kāi)啟磁力攪拌保證溶液能夠得到充分混合。接著，向溶劑中逐次加入稱取好的適量L-巖藻糖，直到最后一次加入L-巖藻糖時(shí)溶液恰好達(dá)到平衡（不能溶解更多L-巖藻糖），記下總共加入的L-巖藻糖質(zhì)量（m）。在相同條件下重復(fù)以上試驗(yàn)過(guò)程3次，并取質(zhì)量平均值，按式（1）和（2）進(jìn)行溶解度（x）換算。

式中：ma，mw分別為乙腈、水的質(zhì)量，g；M，Ma，Mw分別為L(zhǎng)-巖藻糖、乙腈、水的摩爾質(zhì)量，g/mol；xw為水在混合溶劑中的摩爾分?jǐn)?shù)，%。

1.2.2 溶解度關(guān)聯(lián)模型[12]

Apelblat修正模型。該模型是描述溶解度最常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浞匠瘫硎鋈缡剑?）所示。

式中：A、B、C為該模型參數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K。

CNIBS/R-K模型。該模型常用于描述混合溶劑體系中的溶解度，其方程表述如式（4）所示。

式中：B0～B4為該模型參數(shù)。

Apelblat-Jouyban-Acree修正模型。該模型結(jié)合了Apelblat模型和Jouyban-Acree模型，其方程表述如式（5）所示。

式中：A0～A8為該模型參數(shù)。

1.2.3 粒度調(diào)控試驗(yàn)

目前L-巖藻糖產(chǎn)品的粒度多依靠粉碎工序來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，粉碎過(guò)程會(huì)造成物料損耗及靜電吸附等問(wèn)題。在L-巖藻糖溶液熱力學(xué)數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其溶液結(jié)晶過(guò)程中晶體的成核與生長(zhǎng)進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到粒度調(diào)控的目的。

在20～40 ℃下將適量L-巖藻糖溶解在水溶液中；待L-巖藻糖完全溶解后，以一定流加速率向澄清溶液中流加乙腈溶劑，溶液中出現(xiàn)固體時(shí)，停止流加乙腈溶劑，恒溫?cái)嚢?～3 h；隨后向溶液中流加適量乙腈溶劑，并降溫至5～10 ℃，最后將析出晶體產(chǎn)品過(guò)濾、洗滌并干燥。對(duì)不同粒度的L-巖藻糖產(chǎn)品采用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析與測(cè)定，研究不同操作參數(shù)對(duì)應(yīng)的L-巖藻糖粒度分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 L-巖藻糖溶解度

L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度如圖1所示。在同一混合溶劑中，L-巖藻糖的溶解度隨著溫度的升高而逐漸增大。其中，L-巖藻糖在水的摩爾分?jǐn)?shù)為0.921%時(shí)溶解度高達(dá)0.190 6（343.15 K）。此外，在同一溫度下L-巖藻糖的溶解度隨著混合溶劑中水含量的增加而逐漸增大。這是由于L-巖藻糖中極性官能團(tuán)—OH容易與水形成氫鍵，而乙腈的加入會(huì)破壞氫鍵的形成，使得L-巖藻糖的溶解度與水含量呈正相關(guān)的關(guān)系。因此，可以借助乙腈作為不良溶劑來(lái)控制L-巖藻糖重結(jié)晶過(guò)程中的溶液過(guò)飽和度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)L-巖藻糖晶體成核與生長(zhǎng)的有效調(diào)控。

圖1 L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度（283.15～343.15K）

表1 L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度實(shí)驗(yàn)值及計(jì)算值

2.2 L-巖藻糖溶解度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

溶解度關(guān)聯(lián)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合差別分別采用相對(duì)偏差（SARD）和平均相對(duì)偏差（SRMSD）來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：xcal為溶解度的理論計(jì)算值。

L-巖藻糖的不同溶解度關(guān)聯(lián)模型的擬合結(jié)果分別列于表2～表4。可以看出，Apelblat修正模型、CNIBS/R-K模型、Apelblat-Jouyban-Acree修正模型對(duì)L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度均有很好的擬合效果。其中，CNIBS/R-K模型的SARD（最大值為3.30%）以及SRMSD（最大值為0.209 9%）均要小于另外兩個(gè)模型，擁有更好的擬合效果。因此，可以利用CNIBS/R-K模型來(lái)預(yù)測(cè)L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度，并可用于實(shí)際的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化之中。

表2 Apelblat修正模型參數(shù)及擬合偏差

表3 CNIBS/R-K模型參數(shù)及擬合偏差

表4 Apelblat-Jouyban-Acree修正參數(shù)及擬合偏差

2.3 L-巖藻糖粒度調(diào)控

粒度分布對(duì)于食品和藥品具有重要的意義，不僅會(huì)影響到外觀及口感，而且會(huì)顯著影響溶解速率[13-14]。目前常規(guī)粒度調(diào)控多借助于機(jī)械粉碎方式，該法存在物料損耗、粉塵污染等問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整L-巖藻糖結(jié)晶過(guò)程中的乙腈流加速率和攪拌轉(zhuǎn)速，可以穩(wěn)定獲得粒度（D90）介于68～462 μm的晶體產(chǎn)品（圖2）。晶體的粒度分布與晶體的成核和生長(zhǎng)過(guò)程息息相關(guān)。對(duì)于產(chǎn)業(yè)化工藝調(diào)控而言，降溫速率控制精度較低，而不良溶劑乙腈的流加速率可以通過(guò)蠕動(dòng)泵得到更為精確的控制，因而采取控制乙腈流加速率來(lái)控制合適的溶液過(guò)飽和度以生成粒度合適的晶核，進(jìn)而通過(guò)后續(xù)乙腈流加促進(jìn)晶核的生長(zhǎng)，最終獲得粒度分布合適的晶體產(chǎn)品，避免后續(xù)粉碎工序，實(shí)現(xiàn)特定粒度產(chǎn)品的直接制備。

圖2 重結(jié)晶獲得的不同粒度分布的L-巖藻糖

3 結(jié)論

L-巖藻糖作為一種重要的膳食補(bǔ)充劑，其在溶液中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于其提取工藝具有重要的指導(dǎo)與支撐作用。采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定獲得了L-巖藻糖在乙腈-水混合溶劑中的溶解度，其中L-巖藻糖在水-乙腈混合溶劑中的溶解度隨著溫度的升高而增大，隨著水含量的增多而減小。CNIBS/R-K模型能更好地對(duì)L-巖藻糖在水-乙腈混合溶劑中的溶解數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。L-巖藻糖的粒度分布調(diào)控可以借助不良溶劑流加速率的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品無(wú)需粉碎即可保證粒度穩(wěn)定處于68～462 μm。