三氯蔗糖( Sucralose)［1］又名蔗糖精，蔗糖素，化学名为:4，1'，6'－三氯－4，1'，6'－三脱氧半乳型蔗糖，简称: TGS，分子式为 C12H19Cl3O8，相对分子量为 397. 64结构式如下:，下面我们就来聊聊关于蔗糖水解液碱性处理?接下来我们就一起去了解一下吧!
蔗糖水解液碱性处理
三氯蔗糖( Sucralose)［1］又名蔗糖精，蔗糖素，化学名为:4，1'，6'－三氯－4，1'，6'－三脱氧半乳型蔗糖，简称: TGS，分子式为 C12H19Cl3O8，相对分子量为 397. 64。结构式如下:
英国泰莱公司( Tate＆Lyie) 与伦敦大学开发的一种高效甜味剂，具有甜度大( 是蔗糖的 400～ 600 倍) 、甜味特性好( 无异味或苦 涩 味，几 乎 与 蔗 糖 一 样) 、不 被 人 体 吸 收［2］、性 质 稳定［3－4］、应用［5］广泛的优点。目前，三氯蔗糖已在 100 多个国家允许使用，甚至包括一些卡塔尔等穆斯林国家。
三氯蔗糖的合成方法基本上都是以蔗糖为起始原料，经酯化、氯化、水解等步骤制得。有 8 个羟基的蔗糖分子，羟基活性 6'－C＞6－C＞4－C＞1'－C＞2－C＞3－C＞3'－C＞4'－C。要得到 4，1'，6'－三氯，则要对 6－C 位羟基进行保护再氯化。三氯蔗糖合成方法有全基团保护法［6］、单基团保护法［7］和酶法［8］。
全基团保护法是将蔗糖上的 8 个羟基上保护基，可以成醚，也可以成酯。再利用各个羟基位的活性不同( 主要是空间位阻不同) ，进一步氯化。最后脱保护基得到三氯蔗糖。该方法有收率低，原料浪费大的缺点。
单基团保护法是将蔗糖上的 6－羟基选择性上保护基，进一步氯化，最后脱保护基得到三氯蔗糖。该方法是目前大部分三氯蔗糖的生产方法，具有收率高，原料易得的优点。
酶法也是棉籽糖为原料，经选择性氯化后，用酶水解，除去半乳糖基，
制备三氯蔗糖或采用酶的方法合成制备三氯蔗糖。目前酶法的应用研究没有重大突破，收率较低。也有蔗糖通过酶促的方法上保护基，进一步氯化制备三氯蔗糖。
上保护基的蔗糖一般与 Vilsmeier 试剂［9］反应氯化，经过碱中和、脱保护、萃取、结晶等后处理后得到纯的三氯蔗糖。
采用单基团保护法将蔗糖上的 6－羟基选择性上保护基，得到蔗糖－6－酯，与 Vilsmeier 试剂反应。是目前三氯蔗糖工业化生产的主要工艺，相对而言有收率高，原料成本低的优势。Vilsmeier 试剂氯化会产生大量碳化物和焦糖类杂质，很难从反应体系中分离出去，对最终产物三氯蔗糖提纯造成极大的困难。
工业生产中氯化后用浓碱液淬灭，有盐产生，杂质大部分附着在盐上，在过滤盐时，易堵，过滤时间很长; 稀碱液淬灭，杂质溶于反应液中，带入到后续工序，影响脱保护基效果及三氯蔗糖萃取、结晶提纯，处理的办法是多次用大量活性炭吸附脱色从而达到分离提纯的效果。
本研究采用一种新的氯化后处理的方法，代替传统的碱液淬灭后处理，即采用价格便宜，能再生重复使用的两性化合物或配无机碱配伍淬灭氯化液，两性化合物与氯化产生的盐酸反应生成氢氧化物形成凝胶，将副产物碳化物和焦糖杂质团聚后，过滤除去; 滤液再加盐酸调成中性，将过量的两性化合物形成凝胶，过滤，合并滤渣，加碱碱化成两性化合物溶液，过滤除去杂质碳化物和焦糖杂质，重复套用;
本方案能够有效分离氯化液中的碳化物及焦糖杂质，提纯三氯蔗糖－6－酯［10］，更有利于后续工序。
采用的两性化合物选用工业易得的、价格便宜的偏铝酸盐、偏锌酸盐或偏硅酸盐，尤其是钠盐或钾盐效果比较好。与之配伍的是氢氧化钠或氢氧化钾，对应的废盐比较单一。
1 反应机理
1. 1 三氯蔗糖的合成
1. 2 氯化后处理淬灭反应
Na AIO2 HCl H2O→AI( OH)3↓ Na Cl
Na2Zn O2 2HCI H2O→Zn( OH)2↓ 2NaCI
Na2Si O3 2HCl H2O→Si( OH)4↓ 2NaCl
1. 3 淬灭剂再生反应
Al( OH)3 Na OH→Na AIO2 2H2O
Zn( OH)2 2NaOH→Na2Zn O2 2H2O
Si( OH)4 2NaOH→Na2Si O3 3H2O
2 实 验
2. 1 试剂与仪器
实验试剂: 自制含三氯蔗糖酯化物( 三氯蔗糖－6－酯) 浓度为 9. 80%的氯化液、偏铝酸钠、偏锌酸钠、偏硅酸钠、100 ～200 目活性炭、氢氧化钠、35%盐酸、乙酸乙酯等。
实验仪器: 搅拌器、低温循环槽、砂芯过滤器、电子天平，蒸发光液相色谱仪等常规化学实验仪器。
2. 2 实验方案
将含三氯蔗糖酯化物( 三氯蔗糖－6－酯) 浓度为 9. 80%的氯化液 200. 00 g 采用 25%( W%) 偏铝酸钠水溶液进行淬灭，淬灭结束时 p H = 7. 5± 0. 5，过滤得到滤渣 1 和滤液 1，滤液 1 用35%盐酸中和至 p H = 7. 0，然后过滤，得到滤渣 2 和滤液 2，滤液 2 HPLC 分析杂质总含量，记录不同两性化合物淬灭实验效果。后续经碱性条件 pH = 10 ± 0. 5，60 ℃ ，保温 5 h 脱酰、10 倍当量乙酸乙酯萃取、浓缩至 0. 8 倍乙酸乙酯当量，冷却至5 ℃ 结晶 2 h，用水进行重结晶至纯度为 99%以上，记录不同两性化合物淬灭所得产物结晶次数。60 ℃ 、－0. 095 MPa 减压条件下 5 h 烘干得到三氯蔗糖产品( 以下简称 TGS) ，记录产量、纯度、收率指标。
滤渣后处理: 合并淬灭后两次过滤的滤渣 1 和滤渣 2，滴加 30%液碱( 自配氢氧化钠水溶液) ，直到沉淀完全溶解，搅拌10 min，加入甲苯 200 m L，过滤，除去滤渣。滤液静置分层，水层再用甲苯 50 m L/次萃取 2 次，水层减压回收部分水后浓缩至约 25%浓度的两性化合物溶液，作为淬灭试剂进行套用，记录套用相关参数。
传统氯化淬灭后处理方法，将含三 氯 蔗 糖 酯 化 物 浓 度9. 80%的氯化液 200. 00 g 采用 30% 氢氧化钠淬灭至 p H = 7. 5 ±0. 5，35%盐酸中和至 p H = 7. 0，加入活性炭吸附，然后过滤，得到滤渣和滤液，滤液 HPLC 分析杂质总含量，记录实验效果。后续经碱性条件 p H= 10±0. 5，60 ℃，保温 5 h 脱酰、10 倍当量乙酸乙酯萃取、浓缩至 0. 8 倍乙酸乙酯当量，冷却至 5 ℃ 结晶2 h，用水进行重结晶至纯度为 99%以上，记录不同两性化合物淬灭所得产物结晶次数。60 ℃ 、－0. 095 MPa 减压条件下 5 h 烘干得到三氯蔗糖产品( 以下简称 TGS) ，记录产量、纯度、收率指标。
3 结果与讨论
按设计好的实验方案采用不同两性化合物淬灭及两性化合物与碱配伍淬灭与传统采用碱液后处理方法，记录各实验方案实验数据: 滤液中杂质总含量( HPLC%) 、三氯蔗糖最终产品纯度达 99%以上的结晶次数、同样投料量的三氯蔗糖产量( g) 、三氯蔗糖产品纯度( HPLC%) 、摩尔收率( mol%) 。并对实验数
据进行分析。
3. 1 两性化合物淬灭与传统后处理方法
表 1 两性化合物淬灭与传统后处理方法的实验数据
Table 1 Data of amphoteric compounds and traditional post－treatment methods
|
项目 |
滤液中杂质 总含量( HPLC) /% |
结晶次数 |
产量/g |
纯度 ( HPLC) /% |
收率 / mol% |
|
偏铝酸钠方案 |
14. 71 |
3 |
10. 93 |
99. 55 |
61. 4 |
|
偏锌酸钠方案 |
16. 38 |
4 |
9. 26 |
99. 37 |
51. 9 |
|
偏硅酸钠方案 |
15. 64 |
4 |
9. 01 |
99. 41 |
50. 6 |
|
碱液方案 1 |
35. 75 |
3 |
8. 06 |
97. 46 |
44. 4 |
|
碱液方案 2 |
38. 96 |
5 |
4. 83 |
99. 34 |
27. 1 |
|
碱液方案 3 |
37. 92 |
5 |
5. 06 |
99. 40 |
28. 39 |
采用偏铝酸钠、偏锌酸钠、偏硅酸钠淬灭三氯蔗糖氯化液与三组传统的碱液淬灭方案对比，发现三氯蔗糖成品质量、收率有明显的改善，结晶次数也得到简化。实验效果最好的方案为偏铝酸钠淬灭方案。
3. 2 偏铝酸钠套用
采用偏铝酸钠进行淬灭，并研究了其套用效果，实验结果表明，偏铝酸钠淬灭方案套用 5 次后实验效果如相同结晶次数产品纯度、收率没有明显变差，说明偏铝酸钠淬灭方案是可以套用。
表 2 偏铝酸钠套用实验数据
Table 2 Data of sodium metaaluminate reused
|
项目 |
滤液中杂质 总含量( HPLC) /% |
结晶次数 |
产量/g |
纯度 ( HPLC) /% |
收率 / mol% |
|
偏铝酸钠套用 0 次 |
14. 71 |
3 |
10. 93 |
93.99 |
61. 4 |
|
偏铝酸钠套用 1 次 |
14. 3 |
3 |
10. 92 |
99. 57 |
61. 4 |
|
偏铝酸钠套用 2 次 |
15. 04 |
3 |
10. 84 |
99. 81 |
61. 1 |
|
偏铝酸钠套用 3 次 |
14. 56 |
3 |
11. 11 |
99. 45 |
62. 3 |
|
偏铝酸钠套用 4 次 |
14. 37 |
3 |
10. 86 |
99. 38 |
60. 9 |
|
偏铝酸钠套用 5 次 |
14. 63 |
3 |
10. 78 |
99. 47 |
60. 5 |
3. 3 偏锌酸钠套用
表 3 偏锌酸钠套用实验数据
Table 3 Data of sodium metazincate reused
|
项目 |
滤液中杂质 总含量( HPLC) /% |
结晶次数 |
产量/g |
纯度 ( HPLC) /% |
收率 / mol% |
|
偏锌酸钠套用 0 次 |
16. 38 |
4 |
9. 26 |
99. 37 |
51. 9 |
|
偏锌酸钠套用 1 次 |
16. 01 |
4 |
9. 21 |
99. 45 |
51. 7 |
|
偏锌酸钠套用 2 次 |
16. 3 |
9. 31 |
99. 38 |
52. 2 | |
|
偏锌酸钠套用 3 次 |
15. 78 |
9. 24 |
99. 4 |
51. 8 | |
|
偏锌酸钠套用 4 次 |
15. 92 |
9. 16 |
99. 25 |
51. 3 | |
|
偏锌酸钠套用 5 次 |
16. 14 |
9. 34 |
99. 19 |
52. 3 |
采用偏锌酸钠进行淬灭，并研究了其套用效果，实验结果表明，虽然偏锌酸钠淬灭方案没有偏铝酸钠淬灭方案效果好，但套用 5 次后实验效果如相同结晶次数产品纯度、收率没有明显变差，说明偏锌酸钠淬灭方案是可以套用。
3. 4 偏硅酸钠套用
表 4 偏硅酸钠套用实验数据
Table 4 Data of sodium metasilicate reused
|
项目 |
滤液中杂质 总含量( HPLC) /% |
结晶次数 |
产量/g |
纯度 ( HPLC) /% |
收率 / mol% |
|
偏硅酸钠套用 0 次 |
15. 64 |
4 |
9. 01 |
99. 41 |
50. 6 |
|
偏硅酸钠套用 1 次 |
15. 47 |
4 |
9. 09 |
99. 37 |
51 |
|
偏硅酸钠套用 2 次 |
15. 34 |
4 |
9. 02 |
99. 51 |
50. 6 |
|
偏硅酸钠套用 3 次 |
16. 04 |
4 |
8. 92 |
99. 36 |
50 |
|
偏硅酸钠套用 4 次 |
15. 32 |
4 |
8. 99 |
99. 34 |
50. 4 |
|
偏硅酸钠套用 5 次 |
15. 75 |
4 |
9. 03 |
99. 52 |
50. 7 |
采用偏硅酸钠进行淬灭，并研究了其套用效果，实验结果表明，虽然偏硅酸钠淬灭方案没有偏铝酸钠淬灭方案效果好，但套用 5 次后实验效果如相同结晶次数产品纯度、收率没有明显变差，说明偏硅酸钠淬灭方案是可以套用。
3. 5 两性化合物与无机碱配伍淬灭效果
采用两性化合物偏铝酸钠与碱液配伍进行三氯蔗糖氯化淬灭后处理，调整不同用量比例，记录实验效果，实验结果表明，随着两性化合物用量减少，实验效果变差。
表 5 两性化合物与无机碱配伍淬灭实验数据
Table 5 Data of amphoteric compound and inorganicbase compatibility quenching
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项目 |
滤液中杂质 总含量( HPLC) /% |
结晶次数 |
产量/g |
纯度 ( HPLC) /% |
收率 / mol% |
|
偏铝酸钠 25 g 氢氧化钠 0 g |
14. 71 |
3 |
10. 93 |
99. 55 |
61. 4 |
|
偏铝酸钠 20 g 氢氧化钠 2. 37 g |
14. 44 |
3 |
10. 87 |
99. 58 |
61. 1 |
|
偏铝酸钠 15 g 氢氧化钠 4. 71 g |
14. 83 |
3 |
10. 91 |
99. 49 |
61. 2 |
|
偏铝酸钠 10 g 氢氧化钠 7. 26 g |
15. 08 |
3 |
9. 27 |
99. 68 |
52. 1 |
|
偏铝酸钠 5 g 氢氧化钠 10 g |
15. 29 |
4 |
9. 34 |
99. 55 |
52. 5 |
|
偏铝酸钠 0 g 氢氧化钠 15 g |
37. 92 |
5 |
5. 06 |
99. 4 |
28. 39 |
4 结 论
三氯蔗糖氯化淬灭后处理采用碱液方案，不能很好的除去氯化副产物碳化物和焦糖化合物，本文采用两性化合物在淬灭的同时形成凝胶，将碳化物和焦糖化合物团聚后滤除，得到较纯的氯化淬灭液，进入下一步操作，可以节省后续工序三氯蔗糖结晶次数，提高产品纯度、产量和收率。选用偏铝酸钠配制成溶液后，用于淬灭三氯蔗糖氯化液，后经过滤除杂、脱酰、萃取、脱色、结晶等工序，三氯蔗糖的摩尔收率可由碱液淬灭后处理方案的 28% ～ 30%提高到 60%以上。同时也可以简化后续结晶工序如结晶次数由 5 次降到 3 次可得 HPLC 纯度 99%以上的成品。淬灭试剂经简单处理后即可实现循环套用，具有良好的环保效应和降低生产成本的优势。
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