CN114031655B - 一种甜菊糖苷的结晶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种甜菊糖苷的结晶方法，是将甜菊糖苷粗品溶解于亚临界状态的乙醇水溶液，降温处理，在不同的温度和条件下经过三步析晶处理，在第二析晶阶段加入不溶性碳酸盐和C2‑C4的二元醇，促进析晶，最终以高收率，高纯度获得甜菊糖苷。本发明结晶方法不适用甲醇，所得产品不含有有毒有机残余物质。本发明使用较高浓度乙醇即可完成对甜茶苷的结晶，成本低廉，工艺绿色环保，产品品质高。本发明方法所得产品甜茶苷的含量≥99％，且总收率在75％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然产物结晶的方法，具体涉及一种甜菊糖苷的结晶方法。
背景技术
甜菊糖苷(Stevia)又称作甜菊糖(Stevia sugar)，甜叶菊叶子提取物，不含糖分和热量；色泽白色至微黄色，口感适宜、无异味，是发展前景广阔的新糖源。甜菊糖苷是目前世界已发现并经我国卫生部批准使用的甜味剂，其天然低热值并且非常接近蔗糖口味。是继甘蔗、甜菜糖之外第三种有开发价值和健康推崇的天然甜味剂，被上誉为“世界第三糖源”。甜菊糖苷，甜味纯正、清凉绵长、给人以清新感觉。在各种天然甜味料中，味道适合人的口感。甜菊糖苷是一种理想的高甜、低热的型甜味剂，它的甜度比蔗糖高200倍以上，热量却只有蔗糖的1/200。甜菊糖苷和甜茶中富含的甜茶苷是一种二萜糖体，在化学结构上与甜菊糖苷近似，它们均由相同的苷元组成，二者的区别仅在甜茶苷中十位碳上相差一分子葡萄糖。
高纯度的甜菊糖苷目前多用结晶的办法进行提纯。现有技术一般是使用高体积质量分数的甲醇水溶液，先进行热溶解，然后再冷却结晶，进而得到高含量甜菊糖苷和结晶，从而实现甜菊糖苷和的纯化。但是甜菊糖苷和甜茶苷具有类似的不容易结晶的倾向，在常温条件下甲醇浓度必须大于94％，才能顺利析出高收率高纯度晶体，在低温4-6℃也只有少量结晶。相比于甲醇，乙醇更难以结晶，所以在实际生产中，一般都以高浓度甲醇作为析晶溶剂，但是目前该工艺一方面需要高体积分数的甲醇水溶液，一般必须95％以上，甚至达到99％；同时其结晶度(收率)也比较低，直接导致有机溶剂的有效利用率不高，甚至需要多次重结晶，尤其是醇水溶液体积分数较低的情况进行结晶，其结晶度更低。但是高浓度的甲醇对操作技术人员有严重的安全隐患，而且对后处理提出了更高的要求，如果产品检测出甲醇超标，需要重新进行后处理。而且即使使用高浓度甲醇，目前甜菊糖苷的收率仍然不够理想。因此，如何在使用毒性低的乙醇作为结晶溶剂，并且也获得高的结晶效率，是提纯甜菊糖苷亟需解决的技术问题。
现有技术中有一些关于甜菊糖苷结晶的公开资料，如下。
CN102286041公开了一种用重结晶提纯甜菊糖甙的方法，是通过甲醇或乙醇加热溶解、冷却、结晶、分离、重复以上步骤重结晶，即得。该工艺使用的溶剂是甲醇或乙醇，由于没有提及其体积分数，但应该是体积分数不低于95％的甲醇或体积份数不低于97％的乙醇，需要大量的高纯度有机溶剂，生产成本极高。
CN102766176公开了一种结晶法提高甜菊糖总甙含量的方法，是通过甜菊糖原料溶解、保温结晶(搅拌)、固液分离、洗涤、烘干即得。该工艺有机溶剂甲醇或丙醇的纯度为95％以上，需要大量的高纯度有机溶剂，生产成本极高。精制后的样品收率为30～80％。
CN111153942公开了一种重结晶法提高甜菊糖苷的方法，其结晶工艺为甲醇加热溶解、搅拌结晶、固液分离即得。该工艺有机溶剂乙醇的纯度为95％，需要大量的高纯度有机溶剂，生产成本极高。
CN102766177公开了一种结晶法提高甜菊糖中莱鲍迪甙A含量的方法，是通过原料溶解、保温结晶、固液分离、洗涤、再次溶解、保温结晶、固液分离即得。该工艺有机溶剂甲醇或丙醇的纯度为95％以上，需要大量的高纯度有机溶剂，生产成本极高。
WO2020077970一种高效甜菊糖苷化合物的制备方法，是通过乙醇溶液溶解、二氧化碳加压、结晶、固液分离，该工艺需要大量的二氧化碳，且体系的pH难以调节和控制，且由案例可以看出其两次复合结晶度最高为52％。结晶度极低，生产效率太低。
上述方法中，对甜菊糖苷的结晶基本都使用高体积分数的甲醇溶剂并多次重复结晶。如此高要求的有机溶剂势必会直接提高生产成本，同时结晶度也普遍不高。开发一种使用乙醇制备高纯度甜菊糖苷的工艺，降低乙醇浓度，同时提高结晶度，提高醇溶剂的使用率，对降低生产成本，提高生产效率，具有重要的环保意义和经济价值。
发明内容
为了克服现有技术中甜菊糖苷结晶工艺使用高浓度甲醇，有安全隐患，并且溶剂成本高，结晶效率低存的缺陷，本发明提供一种甜菊糖苷的结晶方法，其可以在较低乙醇浓度的溶剂情况下，使乙醇处于亚临界状态，用于结晶制备高含量甜菊糖苷。此外，本发明通过三段式的结晶方法，可以提高结晶度，提高有机溶剂的使用率，产品收率和纯度都高。本发明工艺简单，对设备要求低，产业化能力强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种甜菊糖苷的结晶方法，包括以下步骤：
(1)溶解：将甜菊糖苷粗品溶解于亚临界状态的乙醇水溶液，得到原始母液。
(2)第一次析晶：维持亚临界状态的压强，将母液Ⅰ降温至130-160℃，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅰ和母液Ⅰ。
(3)第二次析晶：将压力恢复至常压，搅拌条件下母液I中加入不溶性碳酸盐和C2-C4的二元醇，继续降温至4-10℃，停止搅拌，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅱ和母液Ⅱ。
(4)第三次析晶：母液Ⅱ继续降温，并调节pH值为弱酸性，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅲ和母液Ⅲ。
(5)干燥、粉碎与过筛：将结晶Ⅰ、结晶Ⅱ和结晶Ⅲ合并后，干燥、粉碎及过筛，得甜菊糖苷产品。
本发明通过一定温度和压力下，使溶剂处于压临界状态，此时溶液体系内的分子的扩散性能增强，传质速度加快，对弱极性以及非极性物质的渗透性和溶解能力显著提高。现有技术采用亚临界流体的这种特定一般用于萃取天然产物。
发明人在前的专利CN202111311521.5记载了甜茶苷粗品结晶的方法，本发明是在其基础上采用类似的使乙醇溶液处于压临界状态，增加对甜菊糖苷的溶解度，再进行结晶。但是发明人发现按照同样的方法，甜菊糖苷结晶效率并不高，说明甜菊糖苷的结晶倾向，特别是在乙醇中不如甜茶苷，因此需要进一步探究甜菊糖苷利用乙醇进行结晶的方法。发明人预料不到地发现，在第二次析晶时，加入一定量二元醇，能够极大促进第二次析晶时的析晶量，增加甜菊糖苷的收率。
进一步地，步骤(1)中，所述的甜菊糖苷粗品是由菊科植物甜叶菊的叶子中提取制得的，甜菊糖苷含量≥70％，优选甜菊糖苷含量≥75％；所述乙醇水溶液的体积分数为80-99.9％，优选90-95％。
进一步地，步骤(1)中，所述的亚临界状态为温度为200～240℃并且压强为5～15MPa，优选220～230℃并且压强为8～12MPa。
进一步地，步骤(1)中，甜菊糖苷原料粗品与乙醇水溶液的料液比1:1.5～3(kg/L)，优选为1：1.7～2.5。
进一步地，步骤(2)中，所述的降温为保持压强，将其温度降温至120-140℃，降温速率为10-15℃/h，恒温静置为保持恒温恒压静置6-10h。降温温度和降温速率在上述范围内，可以高效率地获得甜菊糖苷晶体。温度太低，或者降温速率太快，会携带部分杂质一起析晶，导致产品颜色发黄，或者纯度不够高，品质不好。温度太高，会导致产品收率降低。
本发明所述固液分离为将未结晶的母液从结晶容器泵出并单独收集即可，所述的固液分离是在保持静置析晶的恒温恒压条件下进行；所述洗晶为用0-4℃的体积分数为95％的乙醇或甲醇直接淋洗结晶。
进一步地，步骤(3)中，所述不溶性碳酸盐为碳酸钙，碳酸锌，碳酸钡中的至少一种，不溶性碳酸盐的加入量是甜菊糖苷原料粗品质量的0.1-0.3wt％；所述C2-C4的二元醇选自乙二醇、丙二醇、丁二醇中的至少一种，二元醇用量为甜菊糖苷原料粗品质量的7-13wt％。在第二次析晶时，溶剂体系已经不处于亚临界状态，并且在第一次析晶时，体系中甜菊糖苷已经大量析出，此时析晶困难。加入少量的不溶性碳酸盐和一定量二元醇，不溶性碳酸盐在体系中作为杂质，可以作为晶核促进析晶，多余的不溶性碳酸盐在后续的洗晶和调节pH过程中会被除去，不会影响产品品质；甜菊糖苷在二元醇中溶解性不好，但二元醇和整个乙醇溶液体系相容性很好，进一步促进析晶的发生，提高甜菊糖苷收率，并且析晶稳定，不会夹带杂质。
进一步地，步骤(3)中，所述搅拌的速度是40-60r/min，搅拌速度过快，会扰动析晶过程；搅拌速度太慢，不溶性碳酸盐分布不够均匀，析晶效率低；所述降温是使母液I温度降至4～10℃，温度太低，所得产品晶体品质不高；温度过高，析晶不充分，结晶效率低；降温速率为10-40℃/h，步骤(3)的降温速率没有特别严格的限定，稍快或者稍慢并没有显著的影响；所述的恒温静置为保持恒温常压静置10-20h。
进一步地，步骤(4)中，所述的降温是将母液II降温为-10℃至-20℃，降温速率10-20℃/h，调节pH值为弱酸性是用稀盐酸调节pH为3.5-5，所述的恒温静置为保持低温常压静置10-15h。
步骤(5)中，所述的干燥为以除去水分为目的，包括但不包括真空干燥、鼓风干燥、真空微波干燥、真空冷冻干燥中的任意一种。
步骤(5)中，所述的粉碎为机械破碎，如粉碎机。
步骤(5)中，所述的过筛为过80～200目。
本发明方法的原理是：
将原料甜菊糖苷粗品溶解于处于亚临界状态的乙醇水溶液中，由于亚临界状态条件下的溶媒对原料粗品具有更高的溶解度，故而单位体积的溶媒可以溶解更多的甜菊糖苷，从而制得更多的产品，达到提高溶媒利用率的目的。将处于亚临界状态的溶液进行降温处理(且处于亚临界状态)，由于稳定度的降低，其溶解度会同步降低，过饱和溶液开始第一次析晶，从而制得结晶Ⅰ和母液Ⅰ；接着继续降低母液Ⅰ温度，使母液溶解度进一步降低，并且加入不溶性碳酸盐和开始第二次析晶，从而制得结晶Ⅱ和母液Ⅱ；然后将母液Ⅱ继续降低温度至水的冰点以下(醇水溶液冰点更低，不结冰)，同时用盐酸降低其pH值，进一步降低其溶解度，过饱和溶液开始第三次析晶，从而制得结晶Ⅲ和母液Ⅲ。后续分别将三次结晶洗晶、干燥、过筛后即得高纯度者甜菊糖苷。
第二次析晶是本发明的核心和关键，第一次析晶后，采用常规的析晶方式，由于母液中甜菊糖苷含量已经较低，而且甜菊糖苷在乙醇溶液中结晶度低，醇溶剂利用效率差。本发明在第二次析晶时加入少量不溶性碳酸盐和碳原子数为2至4的二元醇，能够明显促进析晶，而且不会夹带杂质，所得甜菊糖苷纯度高，品质好。
本发明方法的有益效果如下：
一、本发明所得产品甜菊糖苷的含量≥99％，且总收率在75％以上。
二、本发明方法结晶度高，溶剂利用率高，能够以高纯度，高收率获得甜菊糖苷产品(结晶Ⅰ、结晶Ⅱ和结晶Ⅲ)。
三、本发明利用了溶剂处于亚临界流体的特性，溶剂利用率高，生产成本低，对设备要求低，操作简单，产业化能力强。
四、本发明利用浓度要求不高的乙醇水溶液，不使用甲醇，对环境友好，操作安全，产品中无有毒有机物质残留，而且降低了生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的甜菊糖苷粗品由江西海富生物工程有限公司提供，甜菊糖苷含量为78.27wt％。
本发明实施例所使用的原料或化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。甜菊糖苷的检测方法：：依照GB 8270-2014食品安全国家标准食品添加剂甜菊糖苷附录A中A.3进行检测。
实施例1
(1)溶解：将100g甜菊糖苷粗品溶解于210mL，温度为226℃、压强为10.5MPa，处于亚临界状态的94％乙醇水溶液中，并混合均匀。
(2)第一析晶：在维持亚临界状态的压强条件下，以降温速率为12℃/h的速度降温至130℃之后，并保持静置恒温8h，然后在该状态条件下过滤收集晶体，并用4℃的95％乙醇洗晶，得到母液Ⅰ和46.3g待干燥的晶体Ⅰ。
(3)第二次析晶：将母液Ⅰ压力恢复至常压，在60r/min搅拌条件下加入0.1g碳酸钙和10g乙二醇，温度以降温速率为-20℃/h的速度降温至8℃之后，停止搅拌，并保持静置恒温15h，然后在该状态条件下快速过滤收集晶体，并用4℃的95％乙醇洗晶，得到母液Ⅱ和16.1g待干燥的晶体Ⅱ。
(4)第三次析晶：将母液Ⅱ用稀盐酸调节pH值为4.0后，温度以降温速率为-15℃/h的速度降温至-20℃之后，并保持静置恒温10h，然后在该状态条件下快速过滤收集晶体，并用4℃的95％乙醇洗晶，得到母液Ⅲ和7.2g待干燥的晶体Ⅲ。
(5)干燥、粉碎与过筛：：将结晶Ⅰ、结晶Ⅱ和结晶Ⅲ合并后，在-0.1MPa、80℃条件下真空干燥至恒重后，粉碎机粉碎并过100目筛后，得62.92g甜菊糖苷产品。
经过称重和检测：最终得到的62.92g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，收率为80.23％。
实施例2
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(1)中，100g甜菊糖苷粗品溶解于250mL，温度为220℃、压强为10MPa，处于亚临界状态的94％乙醇水溶液中，最终得到61.74g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，产品总收率为78.72％。
实施例3
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(1)中，100g甜菊糖苷粗品溶解于170mL，温度为230℃、压强为9.4MPa，处于亚临界状态的95％乙醇水溶液中，最终得到61.45g甜菊糖苷产品，纯度99.6％，产品总收率为78.20％。
实施例4
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(2)中，降温速率为10℃/h，最终得到63.06g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，产品总收率为80.41％。
实施例5
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(2)中，降温速率为20℃/h，最终得到63.42g甜菊糖苷产品，为淡黄色，纯度98.5％，产品总收率为79.81％。
实施例6
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(2)中，降温温度改至120℃，最终得到63.20g甜菊糖苷产品，纯度99.5％，产品总收率为80.34％。
实施例7
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(2)中，降温温度改至140℃，最终得到62.75g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，产品总收率为80.01％。
对比例1
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(1)中，常压下，将100g甜菊糖苷粗品溶解于60℃的200mL的体积浓度为95％的乙醇，降温至4℃，仅析出9.26g晶体，说明在常规条件下，甜菊糖苷在95％乙醇中结晶度仍很低，不能满足工业提纯甜菊糖苷的需求。
对比例2
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(3)中，不加入碳酸钙，第二次析晶时得到8.2g待干燥晶体II，第三次析晶时得到7.5g待干燥晶体III，最终得到56.39g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，收率71.88％。
对比例3
其他条件和操作和实施例1相同，区别在于步骤(3)中，不加入乙二醇，第二次析晶时得到6.8g待干燥晶体II，第三次析晶时得到7.7g待干燥晶体III，最终得到54.70g甜菊糖苷产品，纯度99.8％，收率69.75％。
Claims (7)
1.一种甜菊糖苷的结晶方法，包括以下步骤：
（1）溶解：将甜菊糖苷粗品溶解于亚临界状态的乙醇水溶液，得到原始母液；所述的亚临界状态为220-230℃并且压强为8-12MPa；甜菊糖苷原料粗品与乙醇水溶液的料液比为1kg：1.7-2.5L；所述乙醇水溶液的体积分数为90-95%；
（2）第一次析晶：维持亚临界状态的压强，将母液Ⅰ降温至130-160℃，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅰ和母液Ⅰ；
（3）第二次析晶：将压力恢复至常压，搅拌条件下母液I中加入不溶性碳酸盐和C2-C4的二元醇，继续降温至4-10℃，停止搅拌，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅱ和母液Ⅱ；所述不溶性碳酸盐为碳酸钙，碳酸锌，碳酸钡中的至少一种，不溶性碳酸盐的加入量是甜菊糖苷原料粗品质量的0.1-0.3wt%；二元醇用量为甜菊糖苷原料粗品质量的7-13wt%；
（4）第三次析晶：母液Ⅱ继续降温，并调节pH值为弱酸性，恒温静置析晶，固液分离并洗晶后，得到结晶Ⅲ和母液Ⅲ；所述的降温是将母液II降温为-10℃至-20℃，降温速率10-20℃/h，调节pH值为弱酸性是用稀盐酸调节pH为3.5-5；
（5）干燥、粉碎与过筛：将结晶Ⅰ、结晶Ⅱ和结晶Ⅲ合并后，干燥、粉碎及过筛，得甜菊糖苷产品。
2.根据权利要求1所述的结晶方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的甜菊糖苷粗品是由菊科植物甜叶菊的叶子中提取制得的，甜菊糖苷含量≥70%。
3.根据权利要求2所述的结晶方法，其特征在于，所述的甜菊糖苷粗品甜菊糖苷含量≥75%。
4.根据权利要求1所述的结晶方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的降温为保持压强，将其温度降温至120-140℃，降温速率为10-15℃/h，恒温静置为保持恒温恒压静置6-10h。
5.根据权利要求1所述的结晶方法，其特征在于，步骤（3）中，所述C2-C4的二元醇选自乙二醇、丙二醇、丁二醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的结晶方法，其特征在于，步骤（3）中，所述搅拌的速度是40-60r/min；所述降温的降温速率为10-40℃/h。
7.根据权利要求1所述的结晶方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的恒温静置为保持低温常压静置10-15h。
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