木糖结晶的热力学特性研究

王荣杰，白兰莉*

(石河子大学化学化工学院，新疆石河子，832003，*为通讯作者)

摘 要：采用激光法实验考察了木糖在纯水、乙醇-水溶液中的溶解度以及木糖在水中的超溶解度，确定木糖水溶液的结晶介稳区。研究表明，木糖在纯水和不同体积配比的乙醇-水溶液中的溶解度随着溶液体系温度降低而明显减小，结晶介稳区的宽度在低温范围内比高温阶段要宽。这为木糖结晶的生产操作提供热力学依据，从而提高木糖结晶率。

关键词：木糖、结晶、溶解度、介稳区

Study on Crystallization Thermodynamics of Xylose

（Wang Rongjie; Bai Lanli*）.

（College of Chemistry and Chemical Engineering ,Shihezi University,832003；*corresponding author）

Abstract: Solubility of xylose in pure water, ethanol-water mixed solvents was measured by laser method，as well as the crystallizing metastable area of xylose in aqueous solution was determined. It was found that the solubility of xylose in pure water, ethanol-water mixed solvents all decreased with the decrease of temperature; its solubility in ethanol-water mixed solvents decreased when ethanol content was increased. The crystallizing metastable area at low temperatures is larger than at high temperatures. The results provide the thermodynamic basis for industrial process operation of xylose and improve the crystal percentage.

Keywords：xylose; crystallization; solubility; metastable area

作者简介：王荣杰（1980-），女，四川盐亭人，讲师，从事化学工艺过程方向研究。E-mail：wrj0993@163.com

木糖(xylose)是戊糖的一种，是木聚糖的一个组分，木聚糖广泛存在于植物中。木糖也广泛存在于动物肝素、糖蛋白和软骨素之中，是某一些糖蛋白中的糖链和丝氨酸(或苏氨酸)的连接单位。自然界至今还没有发现游离态木糖^［1］。因此，目前木糖大部分都是从农产品废弃物中制备得到，如玉米芯，棉籽壳，稻壳，椰壳等。在制备工艺中，为了改进操作及工艺参数，提高其收率，离不开对结晶热力学特性的实验室理论研究基础。结晶热力学是溶液体系内固液相分子之间相互作用与分子热运动的综合表征，结晶热力学性质如溶解度、介稳区等对结晶操作方式的选择及结晶过程的收率均有较大影响，是结晶工艺研究的基础^［2,3,4］。本文重点研究了木糖结晶热力学过程中溶解度及介稳区，为木糖结晶的生产操作提供热力学依据，有利于提高木糖结晶率，从而增加产量。

1.实验部分

1.1试剂及仪器

试剂：无水乙醇等

仪器：250A氖光光源 (JW3216)，氖光光源功率计(KQ-250B型)，可见分光光度计(Unico WFG-2100)等

1.2 溶解度及介稳区的测定

实验预处理：将50烧杯用蒸馏水清洗三遍，烘干。再将杯壁上的污渍用滤纸沿逆时方向擦拭，以保证烧杯的洁净，减小实验误差。

（1）按实验装置图1安装试验装置，称量一定质量的木糖(略过量1-2g)及去离子水。

（2）在烧杯中加入称量好的木糖及去离子水，加入搅拌子，并调整好激光光路，使激光穿透溶液，准确照射在氖光接收器上，此时接收器应有一定的示数。

（3）开启搅拌，控制在50～60r/min记录此时溶液的温度，开启加热，控制加热温度在1～2℃/h的速度加热，观察物系和激光接收器示值。当数值出现拐点时，表示木糖全部溶解，此时溶液温度就是该木糖溶液的饱和温度，根据浓度可计算出该温度下的木糖溶解度。

（4）继续将溶液快速升温5 ℃，以自然冷却方式对溶液降温，当溶液中出现晶核时，穿透溶液的激光强度会突然下降，此时又出现一个拐点，表明溶液中出现成核，记录此时溶液温度，该温度即为该木糖溶液的过饱和温度。

（5）将得到的木糖溶液的过饱和温度与饱和温度作差所得到的区域即为结晶介稳区。

1-氖光激光发射器；2-恒温加热电磁搅拌器；3-激光功率指示器；4-带保温的结晶烧杯；5-放大镜

图1激光法实验装置

Figure 1 Experimental configurations of laser method

2.实验结果与讨论

2.1 木糖在乙醇-水溶液的溶解度

木糖在不同的乙醇-水溶液中的溶解度数据如图2，图3所示。

图2 不同乙醇-水溶液的木糖溶解度(体积比)

Figure2 solubility of xylose in different ethanol-aqueous mixture （Volume Ratio）

图3 木糖在无水乙醇中的溶解度

Figure3 Solubility of xylose in anhydrous ethanol

随着乙醇在水溶液中体积比的增大，木糖的溶解度逐渐减小(木糖在无水乙醇中溶解度很小)：这是因为所加入的乙醇与水形成更强的缔合体，破坏了原有木糖-水的氢键缔合结构，将木糖分子周围的水分子“争夺”出来，从而导致木糖的溶解度相应变小了。当乙醇的量足够多时，甚至可以使水分子不再对木糖分子起氢键束缚作用而碰撞成核，间接地起到提高溶液过饱和度的作用。^［5］

2.2 木糖在水溶液中的介稳区

图4 木糖在水溶液中的结晶介稳区

Figure2 Metastable Zone Width of xylose in aqueous solution

考察木糖的在水中溶解度与超溶解度随温度的变化规律见图4所示。得到木糖在水溶液中的溶解度方程为y = 0.0071x² - 0.191x + 56.859 (R² = 0.9997)；超溶解度方程为y = 0.0127x² - 0.4736x + 60.835 (R² = 0.999)。

图5介稳区宽度与温度关系

Figure5 the relationship between the metastable zone width and temperature

同时，介稳区宽度随着温度的变化规律(见图5)表明结晶介稳区的宽度随温度升高呈降低趋势，其回归方程为：y = 0.0073x² - 0.9166x + 32.702(R² = 0.9991)。因为结晶物系溶解度与其本身化学性质，以及溶剂性质、温度等有关，一个特定的物系只有一条明确的溶解度曲线，而超溶解度曲线的位置受很多因素的影响，如结晶容器的构型、有无搅拌、搅拌的强弱、冷却速率的快慢等，因而介稳区宽度也会受上述因素影响^［6］。

3结论

(l)木糖在纯水以及不同配比的乙醇-水混合溶剂中的溶解度均随温度的降低而明显下降。

(2)木糖在水溶液中的超溶解度随温度的下降而降低，在低温范围内的介稳区比高温阶段宽。

参考文献

［1］尹廷文,陈为民.木糖的特性及其应用[J].牙膏工业,1998 (4): 21-26.

［2］马强,张涛,沐万孟,江波. γ-氨基丁酸结晶热力学的研究[J]. 食品工业科技. 2010(02):77-82.

［3］王静康.化学工程手册-结晶[M],化学工业出版社,1996(29):534-536.

［4］陆杰,王静康.反应结晶研究进展[J].化学工程.1999 (4):24-27.

［5］侯宝红,王静康等.木糖醇结晶的热力学特性[J].天津大学学报.2006(14):404-407.

［6］梅余霞,方柏山.源于发酵液的木糖醇的结晶热力学研究[J].化学与生物工程. 2007(05):45-47.