葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備和表征研究

房 媛，王 鄭

(陜西服裝工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712046)

葡萄糖醛酸內(nèi)酯是食品及化妝品的重要添加劑，也是保護(hù)肝臟的重要藥品，目前我國(guó)一般都采用硝酸氧化法來(lái)生產(chǎn)葡萄糖醛酸內(nèi)酯，該種方法存在著很多缺點(diǎn)，例如，使用該種方法生產(chǎn)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的周期相對(duì)較長(zhǎng)，且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，由此可見(jiàn)，硝酸氧化法并不能滿足目前我國(guó)在綠色發(fā)展方面的要求[1]。在另一方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于葡萄糖醛酸內(nèi)酯的制備研究相對(duì)較少。針對(duì)此問(wèn)題，研究提出了一種新的葡萄糖醛酸內(nèi)酯的制備方法，并對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯進(jìn)行表征研究，為推動(dòng)葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

在存在冰乙酸的狀況下，葡萄糖醛酸會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，該反應(yīng)主要是葡萄糖醛酸內(nèi)的-COOH和-OH發(fā)生脫水作用，進(jìn)而產(chǎn)生葡萄糖醛酸內(nèi)酯，該反應(yīng)也可以被稱(chēng)為內(nèi)酯化反應(yīng)，該反應(yīng)的基本機(jī)理如圖1所示，反應(yīng)的方程式如圖2所示[2]。

圖1 內(nèi)脂化反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism of internal fatliquation

圖2 內(nèi)脂化反應(yīng)方程式Fig.2 Reaction euqation of internal fatliquation

主要試劑：氧化淀粉水解液；冰乙酸，A.R.；醋酸酐，A.R.；無(wú)水乙醇,A.R.；氫氧化鈉,A.R.；濃鹽酸,A.R.；萘酚,A.R.；葡萄糖醛酸內(nèi)酯標(biāo)準(zhǔn)品,優(yōu)級(jí)純；酚酞,A.R.；柱層析硅膠,工業(yè)級(jí)；苯二甲酸氫鉀,A.R.。主要儀器：電子恒速攪拌機(jī),JHs-1；酸度計(jì),PB-10；電子天平,BS224S；電子分析天平,BSA224S；恒溫水浴鍋,HH-2；電熱鼓風(fēng)干燥箱,101-1B；循環(huán)多用真空泵,SHB-3；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,SENCO；快速純化制備色譜儀,CHEETAH MP200；傅立葉紅外變換光譜儀,VECTOR-22；核磁共振波譜儀,400 MHz；熔點(diǎn)儀,SGW X-4B。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 葡萄糖醛酸內(nèi)酯定量分析

研究中，使用酸堿滴定法對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定數(shù)據(jù)的處理方式為建立平行實(shí)驗(yàn)組，并對(duì)平均值進(jìn)行求解，在已知葡萄糖醛酸內(nèi)酯質(zhì)量的前提下，可以根據(jù)公式(1)對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算[5]。

(1)

式中:m——產(chǎn)品中葡萄糖醛酸內(nèi)酯質(zhì)量，mg；s——淀粉質(zhì)量，g；Q——葡萄糖醛酸內(nèi)酯產(chǎn)率，%。

葡萄糖醛酸內(nèi)酯的純度可以根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算[6]。

(2)

式中：m——葡萄糖醛酸內(nèi)酯的質(zhì)量，mg；M——產(chǎn)品質(zhì)量，mg；ω——葡萄糖酸內(nèi)純度，%。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

對(duì)經(jīng)過(guò)氧化以后的淀粉進(jìn)行水解脫色，并對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵純化，最后進(jìn)行減壓濃縮，濃縮到?jīng)]有水分流出為止，進(jìn)行減壓濃縮的實(shí)驗(yàn)條件為48 ℃～55 ℃，真空度小于0.09 MPa，經(jīng)過(guò)減壓濃縮后就可以得到葡萄糖醛酸。

取3份葡萄糖醛酸分別放置于3個(gè)250 mL的燒瓶中，葡萄糖醛酸的質(zhì)量為10 g，然后向3個(gè)燒瓶中分別添加相同量的冰乙酸，冰乙酸的添加量在5 mL～25 mL之間變動(dòng)，每次的變動(dòng)區(qū)間為5 mL，向三個(gè)燒瓶中分別添加相同量的醋酸酐，醋酸酐的添加量在5 mL～25 mL之間變動(dòng)，每次的變動(dòng)區(qū)間為5 mL，3個(gè)燒瓶分別在相同的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)的時(shí)間也相同，反應(yīng)時(shí)間基本維持在2 h～2.5 h之間，反應(yīng)溫度在30 ℃～60 ℃之間變動(dòng)，每次變動(dòng)范圍為5 ℃，反應(yīng)結(jié)束以后，將反應(yīng)產(chǎn)物放置于蒸發(fā)儀中，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行減壓蒸餾，減壓蒸餾以后得到的液體體積量是添加冰乙酸和醋酸酐體積的20%～23%，在減壓蒸餾結(jié)束以后，將產(chǎn)物放置于室溫中進(jìn)行自然冷卻，自然冷卻的時(shí)間為1 h～2 h，通過(guò)自然冷卻和離心分離出多余的結(jié)晶物，使用無(wú)水乙醇對(duì)結(jié)晶物進(jìn)行洗滌，此時(shí)就可以得到葡萄糖醛酸內(nèi)酯的粗品，將產(chǎn)物放置于50 ℃～65 ℃的烘箱中對(duì)粗品進(jìn)行干燥。

2.3 葡萄糖醛酸內(nèi)酯粗品純化

對(duì)已經(jīng)得到了葡萄糖醛酸內(nèi)酯的粗品，在對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯粗品進(jìn)行純化的過(guò)程中，主要是以甲醇和去離子水作為純化過(guò)程的流動(dòng)相，然后使用C18反向鍵膠柱對(duì)其進(jìn)行梯度洗脫，在整個(gè)過(guò)程中檢測(cè)的波長(zhǎng)設(shè)定為200 nm，在對(duì)其純化以后將收集到的樣品進(jìn)行減壓旋蒸，然后將得到的樣品放置于50 ℃的烘箱中對(duì)其進(jìn)行烘干，此時(shí)就可以得到實(shí)驗(yàn)所需要的葡萄糖醛酸內(nèi)酯。在得到葡萄糖醛酸內(nèi)酯以后，就可以對(duì)其進(jìn)行表征。

2.4 葡萄糖醛酸內(nèi)酯表征方法

葡萄糖醛酸內(nèi)酯的表征分五步進(jìn)行，首先向葡萄糖醛酸內(nèi)酯中加入一定量的α—萘酚，然后觀察葡萄糖醛酸內(nèi)酯的顏色變化并對(duì)其進(jìn)行記錄，第二步，對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的熔點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，第三步，使用紅外光譜法，對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的光譜進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試的過(guò)程中，波數(shù)設(shè)定為400 cm-1～4 000 cm-1，分辨率設(shè)置為4-1，進(jìn)行紅外光譜掃描的次數(shù)設(shè)置為32次，第四步，將少量的葡萄糖醛酸內(nèi)酯放置于0.5 mL的重水中，然后對(duì)其進(jìn)行核磁共振，觀察葡萄糖醛酸內(nèi)酯的氫譜變化以及碳譜變化，第五步，取少量的葡萄糖醛酸內(nèi)酯將其濃度配置到1 mg/mL，然后對(duì)其色譜進(jìn)行測(cè)定，在色譜測(cè)定的過(guò)程中，色譜柱設(shè)置為C18，溫度設(shè)定為3 ℃，流速設(shè)定為1 mL/min，進(jìn)樣體積設(shè)定為20 μm，檢測(cè)波長(zhǎng)設(shè)置為205 nm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備結(jié)果分析

通過(guò)3組平行試驗(yàn)可以得到，當(dāng)葡萄糖醛酸濃縮物為10 mg時(shí)，添加20 mL的冰乙酸，10 mL的醋酸酐，將其放置在50 ℃的條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)的時(shí)間在2 h～2.5 h之間，此時(shí)得到3組平行實(shí)驗(yàn)的葡萄糖醛酸內(nèi)酯的產(chǎn)率分別為16.6%、17.1%、17%，其平均值為16.9%，3組平行實(shí)驗(yàn)的純度分別為77.2%、76.3%、76.9%，平均值為76.8%。然后使用研究所提出的葡萄糖醛酸內(nèi)脂粗品純化方法對(duì)其進(jìn)行純化，純化以后葡萄糖醛酸內(nèi)酯的產(chǎn)率為14.17%，純度可以達(dá)到91.6%，因此，所提的葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備方法是一種較為先進(jìn)的方法。

3.2 葡萄糖醛酸內(nèi)酯表征結(jié)果分析

3.2.1 顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)

由圖3分析可以發(fā)現(xiàn)，試管中的液體出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，從圖3(a)中可以明顯看出上層的液體呈現(xiàn)出紫色，同時(shí)液體中還含有少量的不溶物，液體的界面分層為深綠色，下層為透明色，對(duì)其進(jìn)行久置以后，混合物中界面的綠色消失，同時(shí)上層的紫色逐漸加深，對(duì)其進(jìn)行震蕩以后，分層現(xiàn)象仍然存在，同時(shí)上層液體呈現(xiàn)出了暗紫色，此現(xiàn)象和相關(guān)文獻(xiàn)中描述的現(xiàn)象一致證明，制備的產(chǎn)品為葡萄糖醛酸內(nèi)酯。

圖3 顯色結(jié)果Fig.3 Color rendering results

3.2.2 物理分析(圖4)

通過(guò)對(duì)制備的葡萄糖醛酸內(nèi)酯熔點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)品基本一致，但是還存在著一定的差別，這種差別主要是由產(chǎn)品中含有一定量的雜質(zhì)所引起。

3.2.3 紅外分析

圖4 紅外譜圖(a：葡萄糖醛酸內(nèi)脂標(biāo)樣；b：葡萄糖醛酸內(nèi)脂產(chǎn)品)Fig.4 Infraed spectrum

通過(guò)對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的紅外譜圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，制備的葡萄糖醛酸內(nèi)酯的紅外譜圖變化情況與標(biāo)準(zhǔn)品基本一致，同時(shí)，兩個(gè)紅外譜圖的吸收峰位置基本吻合。但是此次研究所制備的葡萄糖醛酸內(nèi)酯與標(biāo)準(zhǔn)品的透光率還是存在一定的差距，該差別主要是由于儀器以及人為因素等原因所造成的。

3.2.4 核磁共振分析(圖5)

圖5 葡萄糖醛酸內(nèi)脂1H-NMR譜圖Fig.5 1H-NMR spectra of glucurolactone

核磁共振是對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯進(jìn)行表征的重要方法之一，該種方法不會(huì)對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)酯產(chǎn)生破壞，同時(shí)，檢測(cè)之后的葡萄糖醛酸內(nèi)酯還可以回收使用，為了得到糖醛酸內(nèi)酯的基本結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行核磁共振。圖5為試驗(yàn)所得到葡萄糖醛酸內(nèi)酯的合成共振結(jié)果，通過(guò)圖5看出，在進(jìn)行核磁共振的過(guò)程中，由于采用了重水作為溶劑，活潑氫產(chǎn)生了交換作用，進(jìn)而使得羥基信號(hào)丟失，同時(shí)從圖5中還可以看出，葡萄糖醛酸內(nèi)酯的雜峰數(shù)量相對(duì)較少，說(shuō)明此次研究所制備的葡萄糖醛酸內(nèi)酯純化效果相對(duì)較好。

3.2.5 色譜分析(圖6)

通過(guò)對(duì)圖6進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)樣中在3.29 min時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)峰現(xiàn)象，在4.54 min時(shí)出現(xiàn)了小峰現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)此次研究所制備葡萄糖醛酸內(nèi)酯的光譜圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其在3.29 min位置處出現(xiàn)了強(qiáng)峰現(xiàn)象，在4.55 min出現(xiàn)了小峰現(xiàn)象，在4.22 min和5.69 min處存在著小雜峰現(xiàn)象，此次研究所制備的葡萄糖醛酸內(nèi)脂產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)樣要基本吻合。通過(guò)對(duì)圖6c圖分析，可以發(fā)現(xiàn)葡萄糖醛酸內(nèi)脂粗品中存在著非常多的干擾峰，因此對(duì)葡萄糖醛酸內(nèi)脂粗品進(jìn)行純化十分重要。

圖6 葡萄糖醛酸內(nèi)脂色譜圖(a：葡萄糖醛酸內(nèi)脂標(biāo)樣；b：葡萄糖醛酸內(nèi)脂產(chǎn)品；c：葡萄糖醛酸內(nèi)脂粗品)Fig.6 Chlomatogram of glucurolactone

3 結(jié)論

研究提出了一種葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備的新技術(shù)，首先對(duì)該種技術(shù)所需要的材料及儀器進(jìn)行了介紹，然后對(duì)制備及純化過(guò)程進(jìn)行了闡述，最后通過(guò)顯色試驗(yàn)、物理分析、紅外分析、核磁共振分析以及色譜分析五種方式對(duì)該種技術(shù)所制備的葡萄糖醛酸內(nèi)酯只進(jìn)行了表征研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，文章所提出的葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備及純化方法較為先進(jìn)，其產(chǎn)率可以達(dá)到14.17%，純度可以達(dá)到91.6%，同時(shí)通過(guò)顯色試驗(yàn)、物理分析、紅外分析、核磁共振分析以及色譜分析可以發(fā)現(xiàn)，此次研究提出的葡萄糖醛酸內(nèi)酯制備及純化方法最終得到的樣品為葡萄糖醛酸內(nèi)酯，其純度相對(duì)較好。