香蘭素?zé)岱€(wěn)定性及熱分解過(guò)程機(jī)理研究

靳苗苗，滕富全，劉吉波，章平毅，毛海舫

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 上海 201418）

香蘭素（vanillin），即3-甲氧基-4-羥基苯甲醛，又名香草醛，外觀為白色至微黃色針狀或粉末狀結(jié)晶，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。香蘭素具有濃郁的奶香味，起增香和定香作用，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品及煙草等行業(yè)，在抗氧化、抗微生物、抗癌、抗誘變、降血脂及抗血清活性等方面也具有潛在的應(yīng)用前景[1-3]。

圖1 香蘭素分子結(jié)構(gòu)Fig. 1 Molecular structure of vanillin

香蘭素是目前全球產(chǎn)量最大的合成香料之一，生產(chǎn)方法主要包括天然提取、化學(xué)合成和生物制備等。受原材料的產(chǎn)量和價(jià)格限制，天然提取法難以滿(mǎn)足不斷增加的生產(chǎn)需求。通過(guò)生物轉(zhuǎn)化法和化學(xué)合成法（包括光/電催化方法等）將丁香酚、阿魏酸、愈創(chuàng)木酚、木質(zhì)素、對(duì)羥基苯甲醛、香蘭醇以及對(duì)甲酚等轉(zhuǎn)化為香蘭素，是香蘭素的主要來(lái)源[4-5]。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)主要采用的是愈創(chuàng)木酚-乙醛酸法合成香蘭素[6-7]，工藝路線為愈創(chuàng)木酚和乙醛酸在堿性條件下縮合生成3-甲氧基-4-羥基苯乙醇酸，其在堿性條件下被銅離子氧化成3-甲氧基-4羥基苯乙醛酸，然后在酸性條件下脫羧得到粗品，再通過(guò)精制提純工藝得到精制香蘭素。反應(yīng)過(guò)程如圖2所示。此法生產(chǎn)香蘭素工藝簡(jiǎn)單，收率高，三廢少，易治理。

圖2 愈創(chuàng)木酚-乙醛酸法合成香蘭素Fig. 2 Synthetic route of vanillin by guaiacol - glyoxylic acid method

在香蘭素的生產(chǎn)過(guò)程中，精制提純工藝一般相當(dāng)復(fù)雜。工業(yè)上常用的方法是對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行萃取，然后蒸發(fā)萃取物脫去溶劑后得到粗品。香蘭素粗品通過(guò)減壓精餾，脫去輕、重雜質(zhì)，再進(jìn)行溶劑重結(jié)晶，可得到純度大于99%的產(chǎn)品。但精餾過(guò)程的操作溫度高達(dá)130～150 ℃。香蘭素屬熱敏性物質(zhì)，因其分子中包含活性官能團(tuán)（如甲氧基、羥基和甲?；溟L(zhǎng)時(shí)間受熱易導(dǎo)致聚合焦化等副反應(yīng)的發(fā)生。此類(lèi)副反應(yīng)影響產(chǎn)品質(zhì)量及收率，導(dǎo)致香蘭素的精餾收率一般不超過(guò)90%。目前關(guān)于香蘭素的熱分解研究集中在高溫下的熱解及裂解機(jī)理研究[8-11]，但是關(guān)于香蘭素在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間加熱后的熱分解過(guò)程還未見(jiàn)報(bào)道。本文重點(diǎn)研究香蘭素在130～150 ℃長(zhǎng)時(shí)間加熱后的熱分解產(chǎn)物、熱分解機(jī)理及動(dòng)力學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 試劑

香蘭素（3-甲氧基-4-羥基苯甲醛，RG 99.9%，上海泰坦科技股份有限公司）；香蘭酸（3-甲氧基-4-羥基苯甲酸，HPLC≥98%，上海泰坦科技股份有限公司）；乙腈（99.9%，色譜純，F(xiàn)isherScientific），磷酸（85%水溶液，超純，上海泰坦科技股份有限公司）；實(shí)驗(yàn)室用水均為去離子水。

1.1.2 儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S，上海豫康科教儀器有限公司）；電子天平（AUY 220，精度為0.000 1 g，島津公司）；有機(jī)相過(guò)濾膜（0.22 μm，上海泰坦科技股份有限公司）；高效液相色譜儀（high performance liquid chromatography，UltiMate 3000，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司）；X-射線粉末衍射儀（X-ray Powder diffractometer，D/max 2200PC，日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社）；綜合熱分析儀（thermogravimeter-differential scanning calorimeter，梅特勒25-800/耐馳25-1300）；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography-mass spectrometer，GC7890-5975MS，美國(guó)安捷倫科技公司）。

1.2 熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

香蘭素的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在250 mL三口圓底燒瓶中進(jìn)行。在三口燒瓶中加入100 g香蘭素，將燒瓶放入恒溫加熱磁力攪拌器中，采用磁力攪拌混合。安裝回流裝置及溫度計(jì)（控溫精度0.1 ℃）。采用油浴加熱，待溫度計(jì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度（考察溫度為130、140或150 ℃）后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每1 h取樣1次。取樣后的樣品迅速放入真空干燥器內(nèi)，待冷卻至室溫后用研缽充分研磨，留樣待測(cè)試。單次實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為24 h。

1.3 高效液相色譜實(shí)驗(yàn)

高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）測(cè)試條件：色譜柱為Diamonsil C18反相色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；柱溫為25 ℃；進(jìn)樣量為10 μL；流速為1.0 mL/min；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm；流動(dòng)相A為乙腈；流動(dòng)相B為0.1%磷酸水溶液；流動(dòng)相梯度為配置的混合溶液（30%乙腈+70%水）。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置：通過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)已知香蘭素在130～150 ℃加熱24 h后主要物質(zhì)仍為香蘭素，且含量在90%以上，因此香蘭素標(biāo)曲區(qū)間設(shè)置較窄。稱(chēng)取一定量香蘭素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，使用上述配置的混合溶液定容，分別配置0.13、0.14、0.15、0.16、0.17 mg/mL濃度的香蘭素標(biāo)準(zhǔn)溶液。

樣品前處理：稱(chēng)取充分研磨后的香蘭素?zé)峤鈽悠?.20 g（精確至0.1 mg），轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用混合溶液定容至刻度，再用移液管移取2 mL溶液至25 mL容量瓶中，用混合溶液定容至刻度。取10 μL進(jìn)樣，進(jìn)行液相色譜分析。

1.4 X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)

對(duì)香蘭素?zé)岱纸?4 h后樣品的晶型進(jìn)行X-射線粉末衍射 (X-ray powder diffraction，XRD)表征。測(cè)試管電壓40 kV，管電流30 mA，Cu靶靶源，λ=0.154 06 nm，掃描范圍5°～50°，掃描速度2°/min。

1.5 綜合熱分析實(shí)驗(yàn)

對(duì)香蘭素加熱24 h后產(chǎn)品進(jìn)行綜合熱分析(thermogravimetery and differential scanning calorimetery，TG-DSC)檢測(cè)，設(shè)置程序控溫30～300 ℃，升溫速率5 ℃/min，N2吹掃。

1.6 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatographymass spectrometer，GC-MS）的氣相色譜條件：色譜柱型號(hào)為INNOWAX（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序?yàn)橹跏紲囟?0 ℃，以4 ℃/min的速率升至300 ℃，保持10 min；載氣流速為2 mL/min；進(jìn)樣量為1 μL，分流進(jìn)樣，分流比100∶1；流量為1 mL/min；載氣為高純氦氣（純度為 99.999%）。

質(zhì)譜條件：使用電子轟擊離子源（electron impact ion source，EI）；離子源溫度230 ℃；質(zhì)譜接口溫度為250 ℃；電子能量為70 eV；溶劑延遲時(shí)間為4 min；質(zhì)譜掃描模式為全掃描（SCAN）；全掃描范圍（m/z）為 30～300。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蘭素?zé)岱纸膺^(guò)程

香蘭素含量隨加熱溫度和加熱時(shí)間的變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，香蘭素?zé)岱纸獗壤黾?，香蘭素?zé)岱纸獗壤S時(shí)間的變化大致呈線性關(guān)系。且隨著加熱溫度的升高，香蘭素?zé)岱纸獗壤蚕鄳?yīng)增加，溫度升高會(huì)加速香蘭素的熱分解。在150 ℃加熱24 h后，香蘭素?zé)岱纸獗壤_(dá)到4.96%。

圖3 香蘭素在不同溫度下熱分解情況Fig. 3 Thermal decomposition data of vanillin heated at different temperatures

為了分析香蘭素?zé)岱纸庵饕a(chǎn)物，以香蘭素、香蘭酸和香蘭醇標(biāo)準(zhǔn)品在150 ℃加熱24 h后的樣品作為試樣，在相同測(cè)試條件下進(jìn)行HPLC測(cè)試（見(jiàn)圖4）。如圖4(a)所示，標(biāo)準(zhǔn)品出峰順序和時(shí)間依次為香蘭醇（3.737 min）、香蘭酸（4.593 min）、香蘭素（6.607 min）。上述色譜分析條件對(duì)香蘭素和香蘭酸分離效果較好。如圖4(b)所示，香蘭素在150 ℃下加熱24 h后，在香蘭酸響應(yīng)位置（4.593 min）有明顯出峰，說(shuō)明香蘭素在150 ℃下加熱24 h后可能有少量被氧化成香蘭酸，但是HPLC出峰面積比例很小，4.593 min位置的峰面積只占總峰面積的4%左右，說(shuō)明該溫度下長(zhǎng)時(shí)間加熱的香蘭素?zé)岱纸獬潭炔⒉桓?。圖4(b)中，香蘭素在150 ℃加熱24 h后樣品中未檢測(cè)到香蘭醇（或低于檢出限）。

圖4 香蘭素高效液相色譜結(jié)果分析Fig. 4 HPLC analysis of vanillin

2.2 XRD結(jié)果分析

對(duì)香蘭素產(chǎn)品及純品進(jìn)行XRD測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，譜線自上至下依次為130 ℃、140 ℃和150 ℃加熱24 h后的香蘭素產(chǎn)品、香蘭素純品以及香蘭酸純品。由圖可見(jiàn)，130 ℃、140 ℃和150 ℃加熱24 h后的香蘭素產(chǎn)品與香蘭素純品特征峰基本一致，在2θ為13.0°、17.1°、25.8°、26.8°處均有明顯特征峰。XRD數(shù)據(jù)證實(shí)香蘭素原料與不同溫度下加熱后的樣品均為同一種晶型。香蘭素純品在36.7°和39.8°位置有較明顯的特征峰，而這2處在加熱后的產(chǎn)品中則無(wú)明顯的特征峰。分析原因，可能是由于熱解過(guò)程存在加熱→融化→重結(jié)晶→研磨等過(guò)程，導(dǎo)致香蘭素結(jié)晶度變差，部分特征峰變得不明顯。通過(guò)液相色譜分析，我們認(rèn)為香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)品中應(yīng)有少量香蘭酸生成。但對(duì)比不同溫度下香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)品與香蘭酸純品XRD譜圖可以發(fā)現(xiàn)，熱分解產(chǎn)品在香蘭酸特征峰位置如9.2°、10.1°和16.4°等位置無(wú)明顯的出峰。因此，不能通過(guò)XRD驗(yàn)證香蘭素?zé)岱纸猱a(chǎn)物中是否含有香蘭酸。

圖5 不同溫度下香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)物及純品XRD圖譜Fig. 5 XRD patterns of vanillin products heated at differenttemperatures

2.3 TG-DSC結(jié)果分析

香蘭素在不同溫度下加熱24 h以及香蘭素純品的TG-DSC譜圖見(jiàn)圖6。純品香蘭素在T=88.6 ℃處存在一個(gè)吸熱峰。隨著香蘭素樣品加熱溫度的升高，其吸熱峰峰值位置相對(duì)于純品逐漸向低溫方向移動(dòng)，峰值位置分別為T(mén)=85.6 ℃（加熱溫度為130 ℃）、T=85.0 ℃（加熱溫度為140 ℃）和T=84.3 ℃（加熱溫度為150 ℃）。香蘭素樣品的吸熱峰出峰溫度降低，也證明了了香蘭素在低溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱后出現(xiàn)了其他的雜質(zhì)，使得熔點(diǎn)發(fā)生了變化。而且隨著香蘭素加熱溫度升高，其熱解產(chǎn)物熔點(diǎn)依次降低，也可從側(cè)面說(shuō)明隨著加熱溫度的升高，熱解產(chǎn)物中雜質(zhì)含量逐漸增加。

圖6 在不同溫度下加熱24 h后的香蘭素以及純品香蘭素的TG-DSC譜圖Fig. 6 TG-DSC spectra of vanillin heated at different temperatures for 24 h and pure vanillin

2.4 GC-MS對(duì)分解產(chǎn)物的分析

對(duì)香蘭素在150 ℃加熱24 h的樣品進(jìn)行GCMS分析，探究其產(chǎn)物分布。如表1所示，香蘭素樣品在150 ℃下加熱24 h后的主要氧化產(chǎn)物為香蘭酸，占總峰面積的0.94%。在加熱后的樣品中，仍有峰面積比為98.90%的香蘭素。樣品中還有2-甲氧基對(duì)苯二酚和異香蘭素等雜質(zhì)。部分未知雜質(zhì)尚需進(jìn)一步進(jìn)行定性表征。

表1 香蘭素150 ℃加熱24 h后產(chǎn)物分析Tab. 1 Products analysis of vanillin heated at 150 ℃ for 24 h

2.5 香蘭素?zé)岱纸鈩?dòng)力學(xué)

在加熱條件下，空氣中的氧氣的氧化活性增強(qiáng)，產(chǎn)生活性氧。香蘭素分子中含有酚羥基、醛基等活性官能團(tuán)，在加熱條件下可與體系中的活性氧發(fā)生反應(yīng)，被氧化成醌、羥基等，從而裂解得到2-甲氧基苯酚、2-羥基苯甲醛和4-羥基苯甲醛等物質(zhì)。2-甲氧基苯酚、2-羥基苯甲醛和4-羥基苯甲醛進(jìn)一步裂解，可生成苯酚和苯二酚[8-11]。

最后，對(duì)不同溫度下香蘭素樣品的熱分解過(guò)程采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程分析，并對(duì)熱分解數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。如圖7所示，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，香蘭素?zé)岱纸獬潭纫搽S之增加，變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。加熱溫度為130 ℃條件下香蘭素的熱解程度和趨勢(shì)最低（一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程斜率為-5.585×10-4）。140 ℃條件下的曲線斜率與150 ℃的曲線斜率差別不大，但150 ℃的熱分解趨勢(shì)（一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程斜率為-0.001 64）仍高于140℃的熱分解趨勢(shì)（一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程斜率為-0.001 57）。隨著加熱溫度的升高，香蘭素?zé)岱纸獗壤黾樱瑴囟壬邥?huì)加速香蘭素的熱分解。

圖7 香蘭素在不同溫度下的熱解趨勢(shì)Fig. 7 Pyrolysis trend of vanillin at different temperatures

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了香蘭素在較低溫度下長(zhǎng)時(shí)間加熱后的熱分解過(guò)程,采用HPLC、XRD、TG-DSC和GC-MS等方法，對(duì)加熱溫度為130～150 ℃，加熱1～24 h條件下的香蘭素?zé)岱纸膺^(guò)程及產(chǎn)品進(jìn)行表

征分析。結(jié)果表明，香蘭素在不同溫度下的產(chǎn)物與香蘭素純品晶型一致，在熱分解過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變。隨著熱分解溫度增加和熱分解時(shí)間的延長(zhǎng)，香蘭素?zé)岱纸獗壤黾?。香蘭素產(chǎn)品在150 ℃加熱24 h后，質(zhì)量降低至95.04%，在液相色譜中有明顯的雜質(zhì)峰，出峰位置與香蘭酸純品出峰位置一致，但是在XRD結(jié)果中并未檢測(cè)到香蘭酸的特征峰。通過(guò)TG-DSC發(fā)現(xiàn)，隨著加熱溫度升高，香蘭素產(chǎn)物中雜質(zhì)含量增加。GC-MS結(jié)果分析表明，熱分解后的產(chǎn)品其雜質(zhì)主要是香蘭酸、以及濃度相對(duì)較低的2-甲氧基對(duì)苯二酚和異香蘭素等。由一級(jí)動(dòng)力學(xué)函數(shù)曲線可知，130 ℃下的熱分解程度最低，隨著加熱溫度的升高，香蘭素的熱解趨勢(shì)增大。