两种天然甜味剂甜菊苷和瑞鲍迪苷A在不同溶剂中的溶解度测定

阎昊，阎卫东

（1 杭州天草科技有限公司，浙江杭州310004； 2 浙江大学化学系，浙江杭州310027）

引 言

蔗糖的过量摄入会导致一些健康问题，如肥胖、糖尿病和心血管疾病，因此食品公司，特别是饮料公司都提出了减糖或代糖计划。甜菊糖苷[1]（steviol glycosides）是一种低热量、高甜度的天然甜味剂，来源于甜叶菊（Steviarebaudiana）植物。甜叶菊原产于南美的巴拉圭和巴西，已有1500年的食用历史，现在中国有大量种植，其叶子中甜菊糖苷含量可达15%。 甜菊糖苷[2]是由甜菊苷(steviol glycoside, Stv)、瑞鲍迪苷A（rebiana, Reb A）、瑞鲍迪苷D (rebaudioside D, Reb D)等多种甜菊糖苷组成。主要糖苷有：甜菊苷和瑞鲍迪苷A,分子结构见图1。甜菊糖苷已获得联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织食品添加剂专家委员会（JECFA）批准，在绝大多数食品饮料都可以应用。在中国，甜叶菊苷可作为食品添加剂（GB 8270—2014），允许在巧克力、可可、发酵腌菜等食品中使用，并规定了最大使用量(GB 2760—2014）。也可作为药用辅料（中国药典（2015 年版）四部）。目前食品和饮料市场上主要应用单一成分作为甜味剂，如纯度为97%的瑞鲍迪苷A（甜度是蔗糖的200～300倍）[3-4]。工业上从甜叶菊出发，经热水提取，大孔树脂吸附分离，阴阳交换树脂脱色，最后经甲醇、乙醇溶剂或混合溶剂重结晶，得到纯度大于97%的甜菊苷和瑞鲍迪苷A。甜菊苷和瑞鲍迪苷A的后续结晶纯化过程，需要溶解度数据指导结晶溶剂和结晶温度的选择。文献报道有甜菊苷和瑞鲍迪苷A 在水、乙醇和两种比例（30:70 和70:30）的水+乙醇混合溶剂中的溶解度[5],瑞鲍迪苷A在丙酮中溶解度[6]。未见有系统地研究甜菊苷和瑞鲍迪苷A在多种溶剂和不同温度中溶解度的报道。

测定溶质在溶剂中的溶解度通常有三种方法，第一种为经典的重量法（gravimetrical method）[7], 在一定的温度下，当溶质在溶剂溶解达到平衡时，取一定体积的饱和溶液，称重，在一定的温度下，挥去溶剂，得干固体，称重，根据实验数据即可计算溶解度。方法简单可靠。但重量法一般适用于溶解度较大的体系，如无机盐在水中体系。对于溶解度小的体系，需要增加饱和溶液取样量来提高实验数据的准确度。第二种为合成方法（synthetic method），在一定温度下，用小功率激光光束或用摄像头监测溶质在溶剂的溶解过程，前者通过溶解过程中溶液由浑浊（有固体存在）变清（固体完全溶解）时，光电转换电池的电流发生突变的时间，得出加入溶解池中溶剂的量[8], 计算溶质的溶解度[9]；后者用摄像头录制这个溶解过程，通过回放，得出溶解过程中溶液由浑浊（有固体存在）变清（固体完全溶解）的时间，得出加入溶解池中溶剂的量，计算溶质的溶解度[10]。第三种为分析方法（analytical method）[11], 通常用高效液相色谱仪（HPLC）或紫外分光光度法（UV）测定饱和溶液的浓度。

本文用第三种方法测定两种甜菊糖苷（甜菊苷和瑞鲍迪苷A）在不同溶剂中的溶解度。实验数据用三参数方程和NRTL 模型拟合，拟合结果显示，两种模型均有较好的拟合结果。

1 实验

1.1 实验试剂

甜 菊 苷（90%, 白 色 粉 末，C38H60O13，CAS 号：57817-89-7）和瑞鲍迪苷A（90%，白色粉末，C44H70O23, CAS 号：58543-16-1）购于浙江天草生物公司。甜菊苷溶于甲醇水溶剂，瑞鲍迪苷A 溶于乙醇水溶剂，分别加热至60℃，搅拌溶解3 h，趁热过滤，滤液自然冷却至室温，放置过夜，过滤，得到针状晶体，相同的条件下，重结晶3 次，晶体在45℃真空干燥箱干燥。使用前，置烘箱（110℃）烘干48 h。经高效液相色谱（HPLC）测定，甜菊苷和瑞鲍迪苷A含量均大于98%（质量分数）。文中用到的15 种有机溶剂均购自试剂公司，经4 Å 分子筛脱水处理，经气相色谱（GC）测定，纯度均大于99.0%。水为自制的高纯水。

图1 甜菊苷（a）和瑞鲍迪苷A（b）的分子结构Fig.1 Chemical structures of steviol glycoside(a)and rebiana(b)

1.2 实验仪器

日本岛津LC-10AT 高效液相色谱仪; 德国Sartorius CP225D 电子天平(精度值0.01 mg)；THD-2006 型低温恒温槽(精度值0.01 K); 美国TA SDT Q600的热重仪和DSC Q100差示扫描量热仪。

1.3 实验方法

将过量的甜菊苷或瑞鲍迪苷A 固体置于15 ml玻璃具塞刻度试管中，加入约10 ml 特定溶剂。每种溶剂平行配制三支试管，分别放入已设置特定温度的低温恒温槽中（恒温精度0.01℃），前24 h，每间隔一定时间，搅拌溶液。再静置24～48 h。用干燥已预热的注射器吸取清液0.1～1.0 ml，称重W0（g），即刻注入25 ml容量瓶中，再次注射器称重W2（g）,得注入容量瓶中的溶液质量为W1=W0-W2，用HPLC 检测饱和溶液的浓度C（mg/g）。溶质的溶解度S1(g)按式（1）计算，每个试管取样三次，计算该温度下甜菊苷或瑞鲍迪苷A在特定溶剂中的溶解度平均值。

岛津高效液相色谱仪LC-10AT，紫外检测仪SPD-10A 和前置脱气仪DGU-4A。 色谱柱为Diamonsil C18 (250 mm × 4.6 mm, 5 μm)，柱 温 为40℃，流动相为乙腈和水,用磷酸调到pH=2.6，流速为1.0 ml/min,紫外检测波长为210 nm，具体测定方法见国家标准（GB 8270—2014）。

1.4 热分析

热重分析仪（SDT Q600）和差示扫描量热仪（DSC Q100）用于重结晶得到的甜菊苷和瑞鲍迪苷A 样品的熔点和熔化焓，在氮气环境下加热升温速度为10 K/min。

2 热力学模型

按照固液平衡理论[12]，溶质在溶剂中的溶解度可以用式（2）表示

式中，x1为溶质在溶液中的摩尔分数；γ1为溶质的摩尔分数活度系数；ΔCp是液固相等容差；R为气体常数。通常式（2）可以进行两点简化：物质的三相点温度与熔点相差很小，且三相点温度不易获得，实际计算可用熔点Tm代替Tt；另外，式（2）中后两项数值几乎可以抵消。经简化可得

2.1 三参数方程

当溶液浓度较稀时，可近似将γ1视为无限稀释活度系数γ1∞，Prausnitz 等[13]提出溶质的活度系数的对数值与1/T呈正比例关系，溶质的摩尔分数活度系数可以用式（4）表示

式中，A和B是经验参数。将式（4）代入式（2），可以得到

温度变化范围不大时，ΔfusH与ΔCp可视为常数，式（5）可表示为式（6）[14]

式中，a，b和c是经验参数，可由溶解度测定数据拟合得到。

2.2 NRTL方程

式（3）中溶质的摩尔分数活度系数可以用NRTL方程表示[15]

对于单一溶剂体系，1表示溶质，2表示溶剂，溶剂的活度系数表示为

式中的Gij和τij表示为

式中，αij和Δgij为NRTL 模型参数，由溶解度的实验数据拟合得到。

3 实验结果与讨论

3.1 甜菊苷和瑞鲍迪苷A 的分解温度和摩尔熔化焓

热重分析仪（SDT Q600）和差示扫描量热仪（DSC Q100）实验结果见表1,甜菊苷的分解温度为261℃，瑞鲍迪苷A的分解温度为286℃。

表1 甜菊苷和瑞鲍迪苷A的熔点和熔化焓Table 1 Melting point（Tm）and molar enthalpy of fusion（ΔfusHm）of steviol glycoside and rebiana

3.2 溶解度数据

甜菊苷和瑞鲍迪苷A在不同溶剂和温度时的溶解度S（g/100 g 溶剂）分别列于表2 和表3 中，图2 和图3 为甜菊苷和瑞鲍迪苷A 的溶解度随温度的变化趋势。从图2 看，甜菊苷在正丙醇和2-乙氧基乙醇中有较大的溶解度，并随温度升高而升高，其他溶剂溶解度较小，温度对溶解度影响较小。根据表2的实验数据，正丙醇或2-乙氧基乙醇与水组成甜菊苷结晶纯化的混合溶剂体系，其中水是作为抗溶剂（antisolvent）。由表2 和表3 的溶解度数据知，与瑞鲍迪苷A 相比，甜菊糖苷在正丙醇中有较大的溶解度。

表2 甜菊苷在不同溶剂中的溶解度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 瑞鲍迪苷A在不同溶剂中的溶解度S1Table 3 Solubility data S1（g/100g solvent）for rebiana in different pure solvents at T=（288.15 to 328.15）K

图2 甜菊苷在不同溶剂中的溶解度S1Fig.2 Solubility data S1 for steviol glycoside in different pure solvents

图3 瑞鲍迪苷A在不同溶剂中的溶解度S1Fig.3 Solubility data S1 for rebiana in different pure solvents

3.3 实验数据的拟合

实验数据拟合使用SPSS软件完成，目标函数为

拟合的结果见表4和表5。拟合结果显示，三参数方程和NRTL 方程均有好的拟合结果。但由理论知，利用拟合的NRTL参数（表5）预测两种溶质在混合溶剂中的溶解度。

表4 甜菊苷和瑞鲍迪苷A的三参数方程［式（6）］模型参数Table 4 Model parameters of three-parameter equation［Eq.（6）］for steviol glycoside and rebiana

4 结 论

用高效液相色谱（HPLC）法测定了两种天然甜味剂甜菊苷和瑞鲍迪苷A在不同纯溶剂和不同温度的溶解度数据。实验数据用三参数方程和NRTL 模型拟合，拟合结果显示，两种模型均有好的拟合结果。但三参数方程只能作温度的内插或外推。而NRTL 模型可以由本文拟合得到的溶质-溶剂相互作用参数和文献报道的溶剂-溶剂相互作用参数预测溶质在混合溶剂中的溶解度。正丙醇或2-乙氧基乙醇与水组成甜菊苷结晶纯化的混合溶剂体系。利用甜菊苷和瑞鲍迪苷A 在正丙醇中溶解度差别，达到这两种甜菊糖苷的分离。

表5 甜菊苷和瑞鲍迪苷A的NRTL［式（8）］模型参数Table 5 Model parameters of NRTL model［Eq.（8）］for steviol glycoside and rebiana