兩種天然甜味劑甜菊苷和瑞鮑迪苷A在不同溶劑中的溶解度測定

閻昊，閻衛(wèi)東

（1 杭州天草科技有限公司，浙江杭州310004； 2 浙江大學化學系，浙江杭州310027）

引 言

蔗糖的過量攝入會導致一些健康問題，如肥胖、糖尿病和心血管疾病，因此食品公司，特別是飲料公司都提出了減糖或代糖計劃。甜菊糖苷[1]（steviol glycosides）是一種低熱量、高甜度的天然甜味劑，來源于甜葉菊（Steviarebaudiana）植物。甜葉菊原產(chǎn)于南美的巴拉圭和巴西，已有1500年的食用歷史，現(xiàn)在中國有大量種植，其葉子中甜菊糖苷含量可達15%。 甜菊糖苷[2]是由甜菊苷(steviol glycoside, Stv)、瑞鮑迪苷A（rebiana, Reb A）、瑞鮑迪苷D (rebaudioside D, Reb D)等多種甜菊糖苷組成。主要糖苷有：甜菊苷和瑞鮑迪苷A,分子結構見圖1。甜菊糖苷已獲得聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家委員會（JECFA）批準，在絕大多數(shù)食品飲料都可以應用。在中國，甜葉菊苷可作為食品添加劑（GB 8270—2014），允許在巧克力、可可、發(fā)酵腌菜等食品中使用，并規(guī)定了最大使用量(GB 2760—2014）。也可作為藥用輔料（中國藥典（2015 年版）四部）。目前食品和飲料市場上主要應用單一成分作為甜味劑，如純度為97%的瑞鮑迪苷A（甜度是蔗糖的200～300倍）[3-4]。工業(yè)上從甜葉菊出發(fā)，經(jīng)熱水提取，大孔樹脂吸附分離，陰陽交換樹脂脫色，最后經(jīng)甲醇、乙醇溶劑或混合溶劑重結晶，得到純度大于97%的甜菊苷和瑞鮑迪苷A。甜菊苷和瑞鮑迪苷A的后續(xù)結晶純化過程，需要溶解度數(shù)據(jù)指導結晶溶劑和結晶溫度的選擇。文獻報道有甜菊苷和瑞鮑迪苷A 在水、乙醇和兩種比例（30:70 和70:30）的水+乙醇混合溶劑中的溶解度[5],瑞鮑迪苷A在丙酮中溶解度[6]。未見有系統(tǒng)地研究甜菊苷和瑞鮑迪苷A在多種溶劑和不同溫度中溶解度的報道。

測定溶質在溶劑中的溶解度通常有三種方法，第一種為經(jīng)典的重量法（gravimetrical method）[7], 在一定的溫度下，當溶質在溶劑溶解達到平衡時，取一定體積的飽和溶液，稱重，在一定的溫度下，揮去溶劑，得干固體，稱重，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)即可計算溶解度。方法簡單可靠。但重量法一般適用于溶解度較大的體系，如無機鹽在水中體系。對于溶解度小的體系，需要增加飽和溶液取樣量來提高實驗數(shù)據(jù)的準確度。第二種為合成方法（synthetic method），在一定溫度下，用小功率激光光束或用攝像頭監(jiān)測溶質在溶劑的溶解過程，前者通過溶解過程中溶液由渾濁（有固體存在）變清（固體完全溶解）時，光電轉換電池的電流發(fā)生突變的時間，得出加入溶解池中溶劑的量[8], 計算溶質的溶解度[9]；后者用攝像頭錄制這個溶解過程，通過回放，得出溶解過程中溶液由渾濁（有固體存在）變清（固體完全溶解）的時間，得出加入溶解池中溶劑的量，計算溶質的溶解度[10]。第三種為分析方法（analytical method）[11], 通常用高效液相色譜儀（HPLC）或紫外分光光度法（UV）測定飽和溶液的濃度。

本文用第三種方法測定兩種甜菊糖苷（甜菊苷和瑞鮑迪苷A）在不同溶劑中的溶解度。實驗數(shù)據(jù)用三參數(shù)方程和NRTL 模型擬合，擬合結果顯示，兩種模型均有較好的擬合結果。

1 實驗

1.1 實驗試劑

甜 菊 苷（90%, 白 色 粉 末，C38H60O13，CAS 號：57817-89-7）和瑞鮑迪苷A（90%，白色粉末，C44H70O23, CAS 號：58543-16-1）購于浙江天草生物公司。甜菊苷溶于甲醇水溶劑，瑞鮑迪苷A 溶于乙醇水溶劑，分別加熱至60℃，攪拌溶解3 h，趁熱過濾，濾液自然冷卻至室溫，放置過夜，過濾，得到針狀晶體，相同的條件下，重結晶3 次，晶體在45℃真空干燥箱干燥。使用前，置烘箱（110℃）烘干48 h。經(jīng)高效液相色譜（HPLC）測定，甜菊苷和瑞鮑迪苷A含量均大于98%（質量分數(shù)）。文中用到的15 種有機溶劑均購自試劑公司，經(jīng)4 ? 分子篩脫水處理，經(jīng)氣相色譜（GC）測定，純度均大于99.0%。水為自制的高純水。

圖1 甜菊苷（a）和瑞鮑迪苷A（b）的分子結構Fig.1 Chemical structures of steviol glycoside(a)and rebiana(b)

1.2 實驗儀器

日本島津LC-10AT 高效液相色譜儀; 德國Sartorius CP225D 電子天平(精度值0.01 mg)；THD-2006 型低溫恒溫槽(精度值0.01 K); 美國TA SDT Q600的熱重儀和DSC Q100差示掃描量熱儀。

1.3 實驗方法

將過量的甜菊苷或瑞鮑迪苷A 固體置于15 ml玻璃具塞刻度試管中，加入約10 ml 特定溶劑。每種溶劑平行配制三支試管，分別放入已設置特定溫度的低溫恒溫槽中（恒溫精度0.01℃），前24 h，每間隔一定時間，攪拌溶液。再靜置24～48 h。用干燥已預熱的注射器吸取清液0.1～1.0 ml，稱重W0（g），即刻注入25 ml容量瓶中，再次注射器稱重W2（g）,得注入容量瓶中的溶液質量為W1=W0-W2，用HPLC 檢測飽和溶液的濃度C（mg/g）。溶質的溶解度S1(g)按式（1）計算，每個試管取樣三次，計算該溫度下甜菊苷或瑞鮑迪苷A在特定溶劑中的溶解度平均值。

島津高效液相色譜儀LC-10AT，紫外檢測儀SPD-10A 和前置脫氣儀DGU-4A。 色譜柱為Diamonsil C18 (250 mm × 4.6 mm, 5 μm)，柱 溫 為40℃，流動相為乙腈和水,用磷酸調(diào)到pH=2.6，流速為1.0 ml/min,紫外檢測波長為210 nm，具體測定方法見國家標準（GB 8270—2014）。

1.4 熱分析

熱重分析儀（SDT Q600）和差示掃描量熱儀（DSC Q100）用于重結晶得到的甜菊苷和瑞鮑迪苷A 樣品的熔點和熔化焓，在氮氣環(huán)境下加熱升溫速度為10 K/min。

2 熱力學模型

按照固液平衡理論[12]，溶質在溶劑中的溶解度可以用式（2）表示

式中，x1為溶質在溶液中的摩爾分數(shù)；γ1為溶質的摩爾分數(shù)活度系數(shù)；ΔCp是液固相等容差；R為氣體常數(shù)。通常式（2）可以進行兩點簡化：物質的三相點溫度與熔點相差很小，且三相點溫度不易獲得，實際計算可用熔點Tm代替Tt；另外，式（2）中后兩項數(shù)值幾乎可以抵消。經(jīng)簡化可得

2.1 三參數(shù)方程

當溶液濃度較稀時，可近似將γ1視為無限稀釋活度系數(shù)γ1∞，Prausnitz 等[13]提出溶質的活度系數(shù)的對數(shù)值與1/T呈正比例關系，溶質的摩爾分數(shù)活度系數(shù)可以用式（4）表示

式中，A和B是經(jīng)驗參數(shù)。將式（4）代入式（2），可以得到

溫度變化范圍不大時，ΔfusH與ΔCp可視為常數(shù)，式（5）可表示為式（6）[14]

式中，a，b和c是經(jīng)驗參數(shù)，可由溶解度測定數(shù)據(jù)擬合得到。

2.2 NRTL方程

式（3）中溶質的摩爾分數(shù)活度系數(shù)可以用NRTL方程表示[15]

對于單一溶劑體系，1表示溶質，2表示溶劑，溶劑的活度系數(shù)表示為

式中的Gij和τij表示為

式中，αij和Δgij為NRTL 模型參數(shù)，由溶解度的實驗數(shù)據(jù)擬合得到。

3 實驗結果與討論

3.1 甜菊苷和瑞鮑迪苷A 的分解溫度和摩爾熔化焓

熱重分析儀（SDT Q600）和差示掃描量熱儀（DSC Q100）實驗結果見表1,甜菊苷的分解溫度為261℃，瑞鮑迪苷A的分解溫度為286℃。

表1 甜菊苷和瑞鮑迪苷A的熔點和熔化焓Table 1 Melting point（Tm）and molar enthalpy of fusion（ΔfusHm）of steviol glycoside and rebiana

3.2 溶解度數(shù)據(jù)

甜菊苷和瑞鮑迪苷A在不同溶劑和溫度時的溶解度S（g/100 g 溶劑）分別列于表2 和表3 中，圖2 和圖3 為甜菊苷和瑞鮑迪苷A 的溶解度隨溫度的變化趨勢。從圖2 看，甜菊苷在正丙醇和2-乙氧基乙醇中有較大的溶解度，并隨溫度升高而升高，其他溶劑溶解度較小，溫度對溶解度影響較小。根據(jù)表2的實驗數(shù)據(jù)，正丙醇或2-乙氧基乙醇與水組成甜菊苷結晶純化的混合溶劑體系，其中水是作為抗溶劑（antisolvent）。由表2 和表3 的溶解度數(shù)據(jù)知，與瑞鮑迪苷A 相比，甜菊糖苷在正丙醇中有較大的溶解度。

表2 甜菊苷在不同溶劑中的溶解度S1Table 2 Solubility data S1（g/100 g solvent）for steviol glycoside in different pure solvents at T=（288.15 to 328.15）K

表3 瑞鮑迪苷A在不同溶劑中的溶解度S1Table 3 Solubility data S1（g/100g solvent）for rebiana in different pure solvents at T=（288.15 to 328.15）K

圖2 甜菊苷在不同溶劑中的溶解度S1Fig.2 Solubility data S1 for steviol glycoside in different pure solvents

圖3 瑞鮑迪苷A在不同溶劑中的溶解度S1Fig.3 Solubility data S1 for rebiana in different pure solvents

3.3 實驗數(shù)據(jù)的擬合

實驗數(shù)據(jù)擬合使用SPSS軟件完成，目標函數(shù)為

擬合的結果見表4和表5。擬合結果顯示，三參數(shù)方程和NRTL 方程均有好的擬合結果。但由理論知，利用擬合的NRTL參數(shù)（表5）預測兩種溶質在混合溶劑中的溶解度。

表4 甜菊苷和瑞鮑迪苷A的三參數(shù)方程［式（6）］模型參數(shù)Table 4 Model parameters of three-parameter equation［Eq.（6）］for steviol glycoside and rebiana

4 結 論

用高效液相色譜（HPLC）法測定了兩種天然甜味劑甜菊苷和瑞鮑迪苷A在不同純?nèi)軇┖筒煌瑴囟鹊娜芙舛葦?shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)用三參數(shù)方程和NRTL 模型擬合，擬合結果顯示，兩種模型均有好的擬合結果。但三參數(shù)方程只能作溫度的內(nèi)插或外推。而NRTL 模型可以由本文擬合得到的溶質-溶劑相互作用參數(shù)和文獻報道的溶劑-溶劑相互作用參數(shù)預測溶質在混合溶劑中的溶解度。正丙醇或2-乙氧基乙醇與水組成甜菊苷結晶純化的混合溶劑體系。利用甜菊苷和瑞鮑迪苷A 在正丙醇中溶解度差別，達到這兩種甜菊糖苷的分離。

表5 甜菊苷和瑞鮑迪苷A的NRTL［式（8）］模型參數(shù)Table 5 Model parameters of NRTL model［Eq.（8）］for steviol glycoside and rebiana