摘要：采用湿法热解法，以L-谷氨酸为原料，探究L-焦谷氨酸的制备工艺条件。通过单因素和正交试验对反应的条件进行优化，确定了制备L-焦谷氨酸的最佳工艺条件是反应时间4 h、加水量15 g、反应温度150℃,此时所得L-谷氨酸的转化率为97.37%。这种方法是用水作为反应载体，无需催化剂与压力等条件，既节能减排，又产量高，为清洁高效生产L-焦谷氨酸提供了一定的理论指导和实验数据参考。

　　关键词：L-焦谷氨酸；L-谷氨酸；湿法热解；工艺优化

　　0引言

　　L-焦谷氨酸是一种由羧基和酮氧原子相连而成的杂环氨基酸，学名为L-2-吡咯烷酮-5-羧酸(PCA)[1]。L-焦谷氨酸作为重要的化学中间体之一，在日用化学[2-4]、医药[5-9]、造纸、皮革纺织、食品及农产品各个领域中都有广泛的应用[10-11]。L-焦谷氨酸由于利用价值高，用途广，商业价值可观，近年来使之成为研究的热门课题。目前国内外生产L-焦谷氨酸的方法比较多，我国主要是采用L-谷氨酸或L-谷氨酸钠为原料合成而制得，因L-谷氨酸的产量大且价廉[10]。常见的制备工艺有微生物发酵法[12-13]、湿法热解法[14-15]、干法热解法[16]，其中微生物发酵法全程溶剂用量大，回收溶剂耗资多，后期对产物的分离较困难；干法热解法容易产生胶状物质，不易分离；湿法热解法由于用水作为反应载体，副产物少、产量高、易纯化、节能减排，符合清洁生产基本要求，故常被采用[10]。但是湿法热解法由于反应过程的加水量、反应时间和反应温度对其转化率有较大的影响，如何在反应过程中对这些影响因素进行控制和优化是亟待解决的问题。本研究就针对湿法热解法制备L-焦谷氨酸反应过程中的加水量、反应时间和热源强度对其转化率的影响进行探讨，采用正交试验进一步优化反应条件，以期获得最佳的制备条件，为清洁高效制备L-焦谷氨酸提供一定的理论参考。

　　1材料与方法

　　1.1主要仪器

　　梅特勒ME4002E电子天平(上海速展计量仪器有限公司)；磁力搅拌电热套ZNCL-TS(上海越众仪器设备有限公司)；250 mL三颈瓶(韦斯实验设备有限公司)；冷凝管(韦斯实验设备有限公司)；电动恒速搅拌器JJ-1(常州康华仪器制造厂)。

　　1.2主要试剂

　　L-谷氨酸(纯度99%，国药集团化学试剂有限公司)；液体石蜡(分析纯，广西南宁市硼程化学品有限公司)；磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、茚三酮(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)。

　　1.3实验方法

　　1.3.1 L-焦谷氨酸的制备

　　准确称取L-谷氨酸3.00 g于100 mL三颈瓶中，加入一定量的去离子水，放入磁力转子，三颈瓶上分别接入温度计和冷凝管，另一端用玻璃塞塞住。

　　将适量的液体石蜡放入250 mL烧杯中，用电热套升温，将盛有L-谷氨酸水溶液的三颈瓶放入液体石蜡中边加热边磁力搅拌，用冷凝水冷凝，在一定温度下进行脱水环化。

　　反应结束后，加入适量的活性炭进行脱色，得到澄清透明的溶液，然后在水浴上加热浓缩，再缓慢冷却至结晶，即得到无色棱形的焦谷氨酸结晶。L-谷氨酸制备L-焦谷氨酸的转化率采用简单易行且被广泛采用的茚三酮比色法进行检测[17-22]。

　　1.3.2单因素试验

　　反应时间、反应过程的加水量和反应温度对L-谷氨酸制备L-焦谷氨酸的转化率均有较大影响。首先研究反应时间对转化率的影响，固定反应温度为150℃,加水量为15 g，分别将反应时间设为2 h、3 h、4 h、5 h、6 h；其次研究反应过程的加水量对转化率的影响，固定反应时间为4 h，反应温度为150℃,分别将反应过程的加水量设为6 g、9 g、12 g、15 g、18 g；最后研究反应温度对转化率的影响，固定反应时间为5 h，加水量为15 g，分别将反应温度设为130℃、140℃、150℃、160℃、170℃。

　　1.3.3正交优化试验

　　在单因素实验的基础上，找出影响各因素较显著的四个水平，采用三因素四水平的正交试验进一步优化制备工艺，具体因素水平表如表1所示。

　　2结果与分析

　　2.1单因素试验结果分析

　　2.1.1反应时间对L-谷氨酸转化率的影响

　　L-谷氨酸的转化率随着反应时间的增加，呈现先增加后减少的趋势。当反应时间为4 h时，转化率最高，达到86.64%。由于反应时间过长，会导致少量的L-焦谷氨酸发生消旋现象，从而使转化率降低，所以最佳反应时间应选4 h，如图1所示。

　　2.1.2加水量对L-谷氨酸转化率的影响

　　随着加水量的增加，L-谷氨酸的转化率逐渐增加，当加水量为15 g时，L-谷氨酸的转化率达最大，为95.21%。当加水量增加为18 g时，L-谷氨酸的转化率又缓慢降低，所以反应工艺的最优加水量应为15 g，如图2所示。

　　2.1.3反应温度对L-谷氨酸转化率的影响

　　反应温度对L-谷氨酸的转化率有显著的影响，呈现先增加后减少的趋势，当反应温度为150℃时，L-谷氨酸的转化率最高，达93.26%。当温度高出150℃时，转化率开始明显下降，可能是因为温度过高会导致部分的L-焦谷氨酸发生消旋现象，从而使转化率降低，所以最佳反应温度应选150℃,如图3所示。

　　2.2正交试验结果分析

　　由于各因素影响的显著水平由大到小为C、B、A，即各种因素对L-谷氨酸的转化率影响强弱顺序为反应温度、加水量、反应时间，最优组合是A2B3C3，即反应时间为4 h、加水量为15 g、反应温度为150℃。按照此最优工艺组合进行试验验证，所得L-谷氨酸的转化率为97.37%，此时L-谷氨酸的转化率最高，如表2中所示。

　　3结语

　　(1)采用湿法热解法制备L-焦谷氨酸时，反应温度、加水量和反应时间对L-谷氨酸的转化率均有不同程度的影响，在反应过程中对反应温度、加水量和反应时间进行优化是提高转化率的有效途径。通过单因素试验和三因素四水平的正交试验，确定了采用湿法热解法制备L-焦谷氨酸的最优条件组合，即反应时间为4 h、加水量为15 g、反应温度为150℃,按照这个工艺进行制备L-焦谷氨酸，可使L-谷氨酸的转化率达到97.37%，高于[13,23]采用湿法热解法的转化率，也高于张葱[10]采用干法热解法的转化率，说明在这种最优工艺条件下制备L-焦谷氨酸是可行的，有一定的推广价值。

　　(2)该研究可对L-焦谷氨酸的制备工艺条件提供一定的理论依据。但由于条件有限，只进行了实验室试验，没有根据实验室效果进行放大，也没有对粗提品进行纯化。因此，在后续的研究中可进一步探究放大试验的情况以及粗品纯化的研究和结构表征，使更接近于生产实际，促进该工艺在L-焦谷氨酸大量生产中的应用。

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