檸檬酸熱力學(xué)性質(zhì)研究及晶型含量測定

張昭昭,郝　琳*,滿　云，許貴珍，周唯英,衛(wèi)宏遠(yuǎn)

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072; 2.中糧生物化學(xué)(安徽)股份有限公司，河南 蚌埠 233000)

檸檬酸是植物和動物的主要代謝物之一，它是在食品和藥物領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的有機(jī)酸，經(jīng)常用作食品添加劑、緩沖劑等[1]。本研究選擇檸檬酸為研究物系，分別采用動態(tài)法[2-5](平行反應(yīng)器)和靜態(tài)法[6-8]測定其在水中的溶解度，通過靜態(tài)法來驗(yàn)證平行反應(yīng)器測量溶解度的可行性。平行反應(yīng)器是一種新型的測量熱力學(xué)性質(zhì)的儀器，相比于靜態(tài)法，其優(yōu)點(diǎn)是測量周期短，操作方便，而且可以避免取樣、配樣過程中的人為誤差。溶解度和相轉(zhuǎn)變溫度是進(jìn)行結(jié)晶操作和優(yōu)化的主要依據(jù)，因此，建立一種簡單有效的測定溶解度的方法對于工業(yè)生產(chǎn)十分重要。

工業(yè)生產(chǎn)中，無水檸檬酸到一水檸檬酸的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是溫度控制的關(guān)鍵參數(shù)。國內(nèi)外有很多學(xué)者研究過不同溫度下檸檬酸在水中的溶解度，但是報(bào)道的轉(zhuǎn)折點(diǎn)卻各不相同。DALMAN[9]運(yùn)用靜態(tài)法測定了檸檬酸在水中的溶解度，并確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)為35.8 ℃。Смирнов等[1]測定了0～100 ℃檸檬酸在水中的溶解度，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為36.6 ℃。Groen 等[10]運(yùn)用衰減全反射傅立葉變換紅外(ATR FTIR)光譜法確定了檸檬酸在水中的溶解度，并得到轉(zhuǎn)折溫度34 ℃。Laguerie[11]等測得的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度為33 ℃。工業(yè)結(jié)晶過程中加晶種溫度、干燥溫度等一系列操作問題與當(dāng)前環(huán)境下轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度密切相關(guān)。本研究改進(jìn)靜態(tài)法裝置，運(yùn)用DSC動態(tài)測定晶型含量，最終得到檸檬酸在水溶液中準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度。

1　試驗(yàn)部分

1.1　材料和儀器

無水檸檬酸；一水檸檬酸；乙腈，分析純，天津市光復(fù)經(jīng)濟(jì)化工研究所；電子分析天平，JHS-2190型，上海上平儀器公司；平行反應(yīng)器，Poly-Block型，英國赫爾公司；夾套結(jié)晶器，250 mL，天津友豐技術(shù)玻璃工作室；超級恒溫水浴，上海市實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；磁力攪拌器，EMS-4E型，天津市歐諾儀器儀表有限公司；水浴恒溫振蕩器，WE-1型，天津市歐諾儀器儀表有限公司；試驗(yàn)用水為市售去離子水。

1.2　分析儀器

差示掃描量熱儀(DSC)， Mettler DSC204型，NETZSCH鋁坩堝，保護(hù)氣氮?dú)饬魉贋?50 mL/min, 樣品質(zhì)量10 mg左右，溫度范圍25～170 ℃，升溫速率5 ℃/min。

高效液相色譜(HPLC)，美國Agilent1200液相色譜儀，ZORBAX SB-C18色譜柱 (4.6 mm×150 mm, 5 μm)， Milli-Q?高純水凈化系統(tǒng)(Millipore，美國)，流速：1 mL/min，溫度：25 ℃，進(jìn)樣量：10 μL，檢測波長λ為 210 nm。流動相：10 mmol/L的磷酸二氫鉀緩沖液，用磷酸調(diào)節(jié)pH值為2.0，然后加入體積分?jǐn)?shù)為10 % 的甲醇。

X-射線粉末衍射(XRD)，日本理學(xué) (Rigaku) D/max-2500 型單色X-射線衍射儀，掃描范圍為5～50 °(2θ)，電源設(shè)置為40 kV, 100 mA。

1.3　檸檬酸溶解度的測定

1.3.1靜態(tài)法測定檸檬酸溶解度

在50 mL錐形瓶中加入10 mL蒸餾水和過量的無水檸檬酸，用水浴恒溫振蕩器恒定在某一溫度下24 h，取出上層清液用0.45 μm過濾頭過濾，然后用HPLC測量液相濃度，并用XRD分析固相。

1.3.2平行反應(yīng)器測定檸檬酸溶解度

作為一種測量熱力學(xué)性質(zhì)的新型儀器，平行反應(yīng)器具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：1)運(yùn)用自動加料泵，可以獨(dú)立控制各反應(yīng)器溶劑添加，從而改變?nèi)芤旱臐舛龋?)可根據(jù)實(shí)際需要選擇使用2～500 mL各種不同規(guī)格反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量；3)各反應(yīng)區(qū)使用不同的導(dǎo)熱模塊，獨(dú)立控制不同反映區(qū)域的溫度和溫度梯度，彼此之間互不影響，這樣可以同時(shí)得到不同條件下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)；4)紅外激光反射型濁度儀檢測溶質(zhì)的溶解點(diǎn)和出晶點(diǎn)，比傳統(tǒng)的激光法更靈敏準(zhǔn)確；5)懸停式攪拌不破壞結(jié)晶；6)運(yùn)用WinISO全功能控制軟件，可獨(dú)立控制并自動記錄各反應(yīng)區(qū)域溫度、溫度變化、濁度絕對值、攪拌速率等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

平行反應(yīng)器測量溶解度的試驗(yàn)裝置如圖1所示。在4個100 mL的反應(yīng)釜中，分別加入20 mL左右蒸餾水和不同質(zhì)量的無水檸檬酸，并在反應(yīng)釜中放入大小合適的磁力攪拌子。連接4個反應(yīng)釜的釜內(nèi)溫度傳感器和濁度探頭，并將其浸入液面以下。開啟平行反應(yīng)器以及低溫循環(huán)器，并通過控制軟件終端設(shè)定溶解溫度、攪拌速率、降溫速率、升溫速率以及油浴溫度等條件，然后點(diǎn)擊Run Plan，開始運(yùn)行程序。降溫過程中晶體出現(xiàn)時(shí)，濁度上升至最大值，升溫過程中晶體全部溶解后，濁度降到最小值。程序結(jié)束后，保存文件，通過IQ軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可以得到每個檸檬酸濃度下對應(yīng)的溶解溫度，即1組溶解度數(shù)據(jù)。

圖1　平行反應(yīng)器試驗(yàn)裝置Fig.1　Parallel reactor experimental apparatus

圖1中Tu為紅外激光反射型濁度儀；RT為反應(yīng)器溫度；ZT為區(qū)域溫度。

1.4　檸檬酸在水中的晶型轉(zhuǎn)化

靜態(tài)法測轉(zhuǎn)折點(diǎn)的裝置如圖2所示。在2個250 mL的結(jié)晶器中分別加入定量的蒸餾水，過量的無水和一水檸檬酸。連接恒溫水浴，設(shè)定溫度在35和40 ℃之間，通過磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，每隔24 h分別取出2個結(jié)晶器中的平衡固相。為了避免取樣過程中的晶型轉(zhuǎn)化，我們選用易揮發(fā)且檸檬酸在其中的溶解度很小的乙腈溶劑洗滌，然后真空過濾，并通過DSC來分析固相含量，以此判斷晶型轉(zhuǎn)化的終點(diǎn)。至過量晶體全部轉(zhuǎn)化為同一種晶型后，取適量液相，通過0.45 μm過濾頭過濾后用高效液相色譜分析其在該溫度下的濃度。

圖2　靜態(tài)法確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)裝置Fig.2　Apparatus for determination of transition point by static method

2　結(jié)果與討論

2.1　檸檬酸在水中的溶解度數(shù)據(jù)

分別采用靜態(tài)法和動態(tài)法(平行反應(yīng)器)測量了檸檬酸在水溶液中的溶解度數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示，x為飽和溶液中檸檬酸的摩爾分?jǐn)?shù)。為方便起見，將表1中的數(shù)據(jù)繪制于圖3中。

表1　檸檬酸在水中的溶解度Table 1　Solubility of citric acid in water

圖3　檸檬酸溶解度Fig.3　Solubility of citric acid

通過比較圖3a)發(fā)現(xiàn)，2種方法測量值均與文獻(xiàn)值吻合良好，而且經(jīng)過計(jì)算可以得到，平行反應(yīng)器與靜態(tài)法結(jié)果的平均相對誤差為0.7%，這說明平行反應(yīng)器是一種可靠、快捷且準(zhǔn)確的測量溶解度的儀器，可用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

圖3b)、圖3c) 和圖3d)為不同的熱力學(xué)模型擬合檸檬酸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果，所用的擬合公式分別為Apelblat簡化經(jīng)驗(yàn)方程、λh方程以及理想溶液模型，不同的擬合曲線得到不同的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度，分別為37.5、36.0及37.4 ℃，都在35.0～40.0 ℃之間，但是有一定的差別。這說明通過曲線交點(diǎn)得到的相變點(diǎn)不可靠，只能用于粗放的工業(yè)生產(chǎn)，要想進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)研究，必須通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來確定準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度。

靜態(tài)法測量溶解度的過程中分析固相可以發(fā)現(xiàn)，35 ℃以下平衡固相為一水檸檬酸，40 ℃以上平衡固相為無水檸檬酸。這表明，2種方法測得的結(jié)果相一致。

2.2　檸檬酸固相混合物中晶型含量測定

2.2.1一水檸檬酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

無水檸檬酸和一水檸檬酸的DSC曲線如圖4所示。

圖4　無水和一水檸檬酸的DSC曲線Fig.4　DSC curves of monohydrate and anhydrous citric acid

由圖4可知，無水酸和一水酸在153 ℃左右都有熔點(diǎn)吸熱峰，而一水酸在50～80 ℃之間還有2個脫水吸熱峰，純一水酸的脫水熱焓平均值是203.79 J/g。

將不同質(zhì)量比例的無水酸和一水酸晶體研磨后均勻混合，然后進(jìn)行DSC測量，不同固體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的DSC曲線脫水吸熱峰包含的熱焓值不同，且熱焓平均值與一水酸的含量成正比，這樣我們就得到了固相標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖5所示。

圖5　無水酸和一水酸固體混合物中一水酸含量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5　Monohydrate water mass content of reference monohydrate/anhydrous blends

通過標(biāo)準(zhǔn)曲線可以計(jì)算出晶型轉(zhuǎn)化過程中每次取出的固體樣品中一水酸的含量，從而確定檸檬酸的轉(zhuǎn)晶過程。

2.2.2檸檬酸在水中的晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)確定

傳統(tǒng)的方法通過2條溶解度曲線的交點(diǎn)來確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度，因此運(yùn)用不同的溶解度數(shù)據(jù)擬合出的曲線得到的交點(diǎn)也不同，而且有時(shí)候會存在較大誤差。

晶型轉(zhuǎn)化需要一定的時(shí)間，在某一溫度下不穩(wěn)定晶型向穩(wěn)定晶型的轉(zhuǎn)化可能需要數(shù)天時(shí)間，如果平衡時(shí)間不夠，就可能得出錯誤結(jié)論。

本研究改進(jìn)靜態(tài)法試驗(yàn)裝置來確定了檸檬酸的轉(zhuǎn)晶點(diǎn)，即將2個結(jié)晶器串聯(lián)起來，使結(jié)晶器內(nèi)溫度相同，分別在溶液中加入過量的檸檬酸無水形式和一水合物。同時(shí)取樣，分別測定固相含量，這樣可以同時(shí)確定兩種晶型是否發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化，既節(jié)省時(shí)間，還可以避免錯誤結(jié)論。結(jié)果如表2所示。

表2　檸檬酸轉(zhuǎn)折點(diǎn)測定Table 2　Determination of transition point of citric acid in water

由表2可知，36.3 ℃時(shí)，一水檸檬酸為穩(wěn)定晶型；36.9 ℃時(shí)，無水酸穩(wěn)定；而36.6 ℃時(shí)，檸檬酸水溶液中分別加入過量的無水酸和過量的一水酸，經(jīng)過6 d之后，都沒有發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化，也就是說在這個溫度下，檸檬酸的無水形式和一水物共存，即該溫度為轉(zhuǎn)折溫度點(diǎn)，這與文獻(xiàn)[1]結(jié)果一致。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用靜態(tài)法測量了從0～100 ℃檸檬酸在水中的溶解度，測定了100組數(shù)據(jù)，結(jié)果準(zhǔn)確，但工作量大，耗時(shí)長。

2.3　熱力學(xué)模型關(guān)聯(lián)

Apelblat等[12]假定溶液的焓變?yōu)闇囟鹊木€性函數(shù)，從克勞修斯-克拉佩龍方程推出式(1)所示的溶解度方程

(1)

其中，x表示溶質(zhì)在溶劑中的摩爾分率溶解度，mol/mol；T為絕對溫度，K；A、B、C為參數(shù)。

平行反應(yīng)器測量的檸檬酸溶解度數(shù)據(jù)根據(jù)其轉(zhuǎn)折點(diǎn)分為低溫和高溫2組，分別進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)結(jié)果列于表3中。其中，均方根偏差(Root-mean-square deviation)的表達(dá)式如下：

(2)

其中，xe和xp分別表示溶解度的試驗(yàn)值和預(yù)測值，N表示試驗(yàn)數(shù)目。

根據(jù)式(1)和(2)對由平行反應(yīng)器測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果如表3所示。

表3　改進(jìn)Apelblat方程的參數(shù)以及溶解度預(yù)測值Table 3　Parameters in modified Apelblat equation and predicted solubility from the equation

3　結(jié)論

1)運(yùn)用平行反應(yīng)器-Poly Block測定了檸檬酸在水中的溶解度，并與靜態(tài)法和文獻(xiàn)值對比。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的靜態(tài)法(獲取1個平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)通常需要至少24 h甚至更長的平衡時(shí)間)相比，運(yùn)用這種動態(tài)法，測量周期短(只需要2～3 h就能得到幾個平衡點(diǎn)數(shù)據(jù))、方便且準(zhǔn)確，適用于溶解度的實(shí)驗(yàn)室快速測定以及初步篩選，并可以很好地用于工業(yè)生產(chǎn)。

2)改進(jìn)靜態(tài)法裝置，運(yùn)用差示掃描量熱儀(DSC)，通過相變焓積分面積，可以確定固相混合物中晶型含量，從而進(jìn)一步確定檸檬酸在水溶液中無水酸和一水酸的相轉(zhuǎn)折點(diǎn)為36.6 ℃。與傳統(tǒng)方法相比，更快捷更準(zhǔn)確。

3)運(yùn)用改進(jìn)Apelblat方程關(guān)聯(lián)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了方程參數(shù)。方程計(jì)算值與試驗(yàn)值相比，低溫和高溫下總的均方根偏差分別為6.38×10-4和 8.45×10-4。

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