CN115043717A - 一种香兰素球形晶体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种香兰素球形晶体及其制备方法和应用；制备方法包括：(1)香兰素浓度为0.02～0.04g/mL的香兰素‑抑制剂‑水混合溶液，在70～85℃下发生油析现象，使香兰素油滴分散在水中，形成分散液；(2)将分散液迅速冷却至冷至5～10℃，维持严格的搅拌速率至出现固体微粒；再加入表面活性剂，保持搅拌0.3～3h，使微粒聚结成香兰素球形晶体。晶体的粒径可通过搅拌速率快慢进行调节，产品的平均粒径为300～800μm；产品颗粒圆润，流动性高，休止角为30°～35°，振实密度为0.56～0.64g/cm3。该制备过程所使用的溶剂只涉及到水，绿色环保且工艺操作简单。
Description
技术领域
本发明属于化学工程工业结晶技术领域，具体涉及一种香兰素球形晶体及其制备方法和应用。
背景技术
香兰素(CAS：121-33-5)，化学名称4-羟基-3-甲氧基苯甲醛，别名香草醛。香兰素具有浓郁的奶香，是目前最重要的食用香料，香兰素无毒无害，是未来添加剂市场行业中最重要的原料之一。英文名称为vanillin，分子式C8H8O3，分子量152.15，通常为白色或微黄色针状结晶或结晶性粉末，熔点为82℃，微溶于水，溶于醇、氯仿等有机溶剂。香兰素的应用非常广泛，但主要应用于生产医药中间体，也用于植物生长促进剂、杀菌剂、润滑油消泡剂、电镀光亮剂、印制线路板生产导电剂等。而国内的香兰素则主要用作食品添加剂。近几年，随着医药技术的快速发展，香兰素在医药方面的应用已逐渐成为其最有潜力的领域。
工业生产中，香兰素的晶体多为薄片状或针状晶习，因此造成了诸多问题，例如工艺后处理效率低，产品聚结，粉体性能差。由于球形晶体的高流动性，堆密度，稳定性，颗粒均匀性和良好的抗结块性能，解决以往香兰素结晶过程中堆密度小、粒度分布不均匀、晶习不理想的问题，因此球形香兰素颗粒制备一直是研究的热点。然而，当前关于香兰素专利多为合成或提纯工艺专利，对其产品结晶精制工艺过程的研究较少，合适的重结晶精制工艺可以显著改善产品晶习，从而提高产品的粉体性能，最终影响到香兰素的后续使用过程。
因此，本发明研究一种高效绿色的工艺，制备出颗粒均匀、流动性好、生物利用度高并且可实现工业化的香兰素球形晶体。
发明内容
为了克服现有香兰素产品制备方法的缺陷，本发明提供了一种利用油析现象制备香兰素球形晶体的方法，制备得到产品颗粒紧实，产品不聚结，流动性好，工艺简单，绿色环保，生物利用度高。
本发明的技术方案如下：
(1)将温度为70～85℃(例如70℃、72℃、75℃、80℃、85℃等)，香兰素浓度为0.02～0.04g/mL(例如0.02g/mL、0.025g/mL、0.03g/mL、0.035g/mL、0.04g/mL等)且一定抑制剂浓度(室温下水体系溶解度的40％～90％)的香兰素-抑制剂-水溶液；搅拌至发生油析现象且使香兰素油滴分散在水中，形成分散液；
(2)将分散液降温至5～10℃(例如5℃、7℃、10℃等)，并持续搅拌至出现固体微粒；而后加入表面活性剂，继续搅拌0.3～3h(例如0.3h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h等)，使固体微粒聚结成紧实球体，得到香兰素球形晶体。
所述步骤(1)中抑制剂选自氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸钠或硫酸钾任意一种，抑制剂添加的浓度为室温下水体系溶解度的40％～90％(例如40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％等)。当抑制剂的浓度不在本发明限定的范围之内时，会导致其抑制效果不足，降温后析出的片状或针状香兰素会刺破油滴，进而导致产品形貌变差，粒度不均。
所述步骤(2)中降温速率为4℃～12℃/min(例如4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min等)。当降温结晶的速率小于本发明限定的范围时，会导致油滴内晶体成核速率降低，产品为颗粒粒度不均匀的不规则团聚物。
所述步骤(2)中表面活性剂选自硬脂酸钠、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的任意一种，表面活性剂添加量为所述步骤(1)中香兰素-抑制剂-水混合溶液质量的0.02％～0.20％(例如0.02％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％等)。当表面活性剂的添加量不在本发明限定的范围之内时，会导致油滴分散不均匀，颗粒形貌不规则，产品非球形。
所述步骤(2)中球体粒径可以通过改变搅拌速率来调节：搅拌速率加大，形成的香兰素油滴尺寸较小，相对应可以得到粒径小的球形产品。当单位体积的搅拌功率保持在0.35～2.012kW/m3之间时(例如0.35kW/m3、0.45kW/m3、0.55kW/m3、0.65kW/m3、0.75kW/m3、0.85kW/m3、0.95kW/m3、1.0kW/m3、1.2kW/m3、1.4kW/m3、1.6kW/m3、1.8kW/m3、1.9kW/m3、2.012kW/m3等)，香兰素球形晶体平均粒径在300～800微米范围内。随着结晶溶液体积的增大，对应搅拌速率范围也应该增大以保证香兰素以油滴形式均匀分散在水中。当单位体积的搅拌功率不在本发明限定的范围之内，则会导致产品粒度分布较宽，球形度差，颗粒间的黏附现象加剧。
所述制备方法还包括将加入表面活性剂后搅拌得到的物质依次进行固液分离、清洗以及干燥。
所述固液分离的方式为过滤。
所述清洗为用水清洗3次。
所述干燥条件为常压，温度45～50℃(例如45℃、50℃等)，干燥时间16～24h(例如16h、20h、24h等)。
所述香兰素球形产品颗粒圆润，流动性高，休止角在30°～35°之间(例如30°、32°、35°等)，休止角的测试标准为GB/T11986-1989，振实密度为0.56～0.64g/cm3(例如0.56g/cm3、0.58g/cm3、0.60g/cm3、0.62g/cm3、0.64g/cm3等)，振实密度的测试标准为GB/T 5162-2006。
由于香兰素的低熔点、微溶于冷水以及热水溶解度增幅较大的特性，常规的加热诱导油析并不适合其球形结晶工艺的开发。抑制剂的加入可以抑制香兰素的水合作用，减弱了香兰素分子和水分子的相互作用，进而大幅降低了香兰素在水中的溶解度。因此，70～85℃下，香兰素浓度为0.02～0.04g/mL且一定抑制剂浓度(室温下水体系溶解度的40％～90％)的香兰素-抑制剂-水混合溶液可以发生油析现象，(即静止条件下溶液中根据香兰素和水含量的不同发生了分相，其中富含香兰素为富溶质相，水分含量较多的一方为富溶剂相)。油析现象在合适的溶质浓度和足以诱导其分相的温度下才能发生，本发明基于实验测得相图判断油析区间，通过设计温度曲线然后施加适当速率的搅拌并加入适量的表面活性剂和抑制剂，香兰素以油滴形式稳定且均匀地分散在水中，为其聚结提供了油滴微环境。在快速冷却条件下，油滴中香兰素迅速发生相转化并在表面活性剂的作用聚结成紧实的球颗粒。
上述方法中具有以下有益效果：
a)本方法所得球形颗粒具有较优的填充性，稳定性，压缩成形性，大大降低工业化后续处理的经济和设备成本且制备出球形产品，抗结块性强，流动性好。
b)本方法有效地创造了油析过程制备球形香兰素晶体，相比于传统的造粒过程，具有效率高，工艺简单，不使用辅料，能耗低的优势。
c)本方法整个工艺过程仅使用水作为溶剂，绿色环保，原料单一，工艺简单，可实现工业化且经济成本低；同时油析过程所使用的抑制剂并未消耗，可循环利用，可大大节约工艺成本。
附图说明
图1为实施例1制备得到的香兰素球形晶体红外光谱图；
图2为实施例1制备得到的香兰素球形晶体扫描电镜照片图(标尺为300μm)。
具体实施方式
实施例1：
(1)在70℃下，配制香兰素浓度为0.02g/mL且抑制剂(氯化钠)浓度为室温下水体系溶解度的40％的香兰素-抑制剂-水混合溶液，搅拌至发生油析现象且香兰素油滴在水中均匀分布；
(2)将溶液以12℃/min的降温速率降温至5℃，维持单位体积的搅拌功率2.012kW/m3至出现固体粒子，加入表面活性剂硬脂酸钠0.20％(基于香兰素-抑制剂-水混合溶液的质量)。持续搅拌0.3h，使固体粒子聚结成紧实球体；
(3)采用真空过滤、并用水洗涤、在常压45℃条件下干燥24h后，得香兰素球形晶体。
产品的红外光谱图(测试仪器：固体红外光谱仪FTIR)见图1，在400-3600cm-1光谱区间内球形产品与原料香兰素的峰谱图一致，由此可见产品为常见稳定晶型的产品；如图2所示，制备得到的香兰素球形产品颗粒圆润，球形粒子平均粒度约为300微米；并对得到的产品进行休止角和振实密度测试，发现休止角(测试仪器：粉体特性测试仪)为35°，振实密度(测试仪器：ZS-201振实密度仪)为0.56g/cm3。
实施例2：
(1)在75℃下，配制香兰素浓度为0.04g/mL且抑制剂(氯化钾)浓度为室温下水体系溶解度的60％的香兰素-抑制剂-水混合溶液，搅拌至发生油析现象且香兰素油滴在水中均匀分布；
(2)将溶液以8℃/min的降温速率降温至10℃，维持单位体积的搅拌功率1.6kW/m3至出现固体粒子，加入表面活性剂六偏磷酸钠0.10％(基于香兰素-抑制剂-水混合溶液的质量)。持续搅拌2h，使固体粒子聚结成紧实球体；
(3)采用真空过滤、并用水洗涤、在常压50℃条件下干燥16h后，得香兰素球形晶体。
对产品进行红外光谱测试，由此可见产品为稳定晶型产品；球形粒子平均粒度为500微米，休止角为32°，振实密度为0.63g/cm3，测试方法同实施例1。
实施例3：
(1)在80℃下，配制香兰素浓度为0.02g/mL且抑制剂(硫酸钠)浓度为室温下水体系溶解度的50％的香兰素-抑制剂-水混合溶液，搅拌至发生油析现象且香兰素油滴在水中均匀分布；
(2)将溶液以8℃/min的降温速率降温至10℃，维持单位体积的搅拌功率1.2kW/m3至出现固体粒子，加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠0.20％(基于香兰素-抑制剂-水混合溶液的质量)。持续搅拌3h，使固体粒子聚结成紧实球体；
(3)采用真空过滤、并用水洗涤、在常压50℃条件下干燥20h后，得香兰素球形晶体。
对产品进行红外光谱测试，由此可见产品为稳定晶型产品；球形粒子平均粒度为600微米，休止角为31°，振实密度为0.63g/cm3，测试方法同实施例1。
实施例4：
(1)在85℃下，配制香兰素浓度为0.04g/mL且抑制剂(氯化钙)浓度为室温下水体系溶解度的90％的香兰素-抑制剂-水混合溶液，搅拌至发生油析现象且香兰素油滴在水中均匀分布
(2)将溶液以4℃/min的降温速率降温至5℃，维持单位体积的搅拌功率035kW/m3至出现固体粒子，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠0.2％(基于香兰素-抑制剂-水混合溶液的质量)。持续搅拌1h，使固体粒子聚结成紧实球体；
(3)采用真空过滤、并用水洗涤、在常压45℃条件下干燥24h后，得香兰素球形晶体。
对产品进行红外光谱测试，由此可见产品为稳定晶型产品；球形粒子平均粒度为800微米，休止角为30°，振实密度为0.64g/cm3，测试方法同实施例1。
对比例1：
与实施例1的区别仅在于，溶液的初始温度为50℃。
得到产品颗粒球形度较差，平均粒度为80微米，休止角为50°，振实密度为0.45g/cm3，测试方法同实施例1。
对比例2：
与实施例1的区别仅在于，溶液中香兰素浓度为0.005g/mL。
溶质量过少导致没有足够的推动力发生结晶过程导致产品颗粒平均粒度较小，为50微米，休止角为60°，振实密度为0.4g/cm3，测试方法同实施例1。
对比例3：
与实施例1的区别仅在于，抑制剂(氯化钠)浓度为室温下水体系溶解度的10％。
产品颗粒平均粒度为65微米，休止角为54°，振实密度为0.42g/cm3，测试方法同实施例1。
对比例4：
与实施例1的区别仅在于，不包括在制备过程中加入抑制剂。
产品颗粒在水中溶解度增大，体系过饱和度发生变化导致产品球形度差异大，平均粒度为80微米，休止角58°，振实密度0.39g/cm3，测试方法同实施例1。
对比例5：
与实施例1的区别仅在于，不包括在制备过程中加入表面活性剂。
油滴在油析过程中分散性差，团聚严重，产品粒度分布差，平均粒度3毫米，休止角40°，振实密度0.46g/cm3。
通过实施例1和对比例1的对比可知，当溶液初始温度低于本发明的限定范围时，温度未达到物质的熔点无法引发油析现象，降温后溶质之间无法形成较强的相互作用导致产品球形度较差，以致颗粒性能较差。
通过实施例1和对比例2的对比可知，当溶液中组分的初始浓度不在本发明的限定范围之内时，产品颗粒性能较差。这是因为油析现象不仅和温度有关，同时也与组分的含量密切相关，不同组分含量可以绘制出相应的相图使得溶液体系处于不同的热力学状态。组分含量较低无法形成组分均一的油滴。
通过实施例1和对比例3和4的对比可知，当抑制剂的浓度低于本发明的限定范围之内或不加入抑制剂时，会导致抑制剂含量过低无法起到有效的抑制香兰素溶解，大量的香兰素溶解在水中，降温后针状或片状晶体大量析出，此时并非发生油析结晶而是降温结晶，使得产品形貌和性能变差。
通过实施例1和对比例5的对比可知，当表面活性剂含量低于本发明的限定范围之内或不加入表面活性剂时，油析过程中因油滴之间的表面自由能较大而相互发生团聚，导致宽粒径分布的油滴颗粒降温时得到固体颗粒产品大小分布不均，形貌不均匀，且颗粒平均粒径明显增大。
本发明公开和提出的一种香兰素球形晶体制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变油析温度、香兰素浓度、单位体积的搅拌功率、降温终点温度、降温速率、表面活性剂种类、抑制剂种类等环节实现。本发明的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和产品进行改动或适当的变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。
Claims (10)
1.一种香兰素球形晶体的制备方法，其特征是，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将温度为70-85℃，香兰素浓度为0.02～0.04g/mL的香兰素-抑制剂-水混合溶液搅拌至发生油析现象，使香兰素油滴分散在水中，形成分散液；
(2)将步骤(1)中分散液降温至5～10℃，并持续搅拌至出现固体微粒；而后加入表面活性剂，继续搅拌0.3～3h，得到香兰素球形晶体。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中单位体积的搅拌功率为0.35～2.012kW/m3。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中抑制剂选自氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸钠或硫酸钾中的任意一种或至少两种的组合。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤(1)所述香兰素-抑制剂-水混合溶液的制备方法包括：在温度为70-85℃，将香兰素加入抑制剂水溶液中，得到混合溶液；
优选地，所述步骤(1)中抑制剂水溶液中，抑制剂添加的浓度为室温下水体系溶解度的40％～90％。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中降温速率为4℃～12℃/min。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中表面活性剂选自硬脂酸钠、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或两种的组合；
优选地，所述步骤(2)中表面活性剂添加量为香兰素-抑制剂-水混合溶液质量分数的0.02％～0.20％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述制备方法还包括将加入表面活性剂后搅拌得到的物质依次进行固液分离、清洗以及干燥；
优选地，所述固液分离的方式为过滤；
优选地，所述清洗是用水清洗3-5次；
优选地，所述干燥条件为常压，干燥温度45～50℃，干燥时间16～24h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到所述香兰素球形晶体。
9.根据权利要求8所述的香兰素球形晶体，其特征是，所述香兰素球形晶体为球形颗粒，平均粒径为300-800μm；休止角为30～35°；振实密度为0.56～0.64g/cm3。
10.根据权利要求8所述的香兰素球形晶体用于香料、药物中间体或食品添加剂。
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