王有瓊，馬李一，張重權(quán)，段瓊芬

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南昆明 650224)

印楝油是楝科楝屬(Melia L.)殺蟲植物印楝(Azadirachta indica A.Juss)的種籽油，味苦，具有一種難聞的氣味，難以用來(lái)食用。其中的苦味物質(zhì)來(lái)源于印楝油中含有的少量非脂肪酸部分。Rukmini C［1］研究指出，印楝油中脂肪酸的組成與其它普通油脂無(wú)太大差別，沒有特殊脂肪酸的存在。印楝油含有33%的飽和脂肪酸和65%的不飽和脂肪酸，其中50%為油酸，15%為亞油酸，非常適合用作脂肪酸甲酯的原料。并且，印楝種仁中油脂的含量高達(dá)45%以上［2-3］，因此，印楝油是一種較佳的生物質(zhì)能源植物油，可以在催化劑作用下，通過(guò)甲酯化反應(yīng)制備生物柴油。目前，在生物柴油制備方面的相關(guān)研究成果較多，以印楝油為油料來(lái)源的研究，江文輝等以D-葡萄糖為原料，制備了磺化碳固體酸催化劑，催化印楝油與甲醇的酯交換反應(yīng)，酯交換率達(dá)95%［4］。

在酯交換新型催化劑的研究方面，孔潔等用固體超強(qiáng)酸TiO2/SO42－催化葵花籽油制備生物柴油，收率可以達(dá)到94.3%［5］。吳虹等在無(wú)溶劑系統(tǒng)中固定化脂肪酶Novozym 435催化餐飲業(yè)廢油脂生產(chǎn)生物柴油，產(chǎn)物中的甲酯含量達(dá)88.6%［6］。Jin G等用源自米根酶的全細(xì)胞生物催化劑生產(chǎn)生物柴油，并比較了乙醇代替甲醇的反應(yīng)結(jié)果，表明乙醇不能明顯提高生物柴油得率，但會(huì)生成更加穩(wěn)定的酯［7］。堿性離子液體也被用于生物柴油的合成，馬潔等合成［Bmim］OH催化蓖麻油與甲醇的酯交換，脂肪酸甲酯得率達(dá)到82.3%［8］。李雪菲等制備［Bmim］Im催化大豆油與甲醇的酯交換反應(yīng)，生物柴油的產(chǎn)率可達(dá)95.76%［9］。新型催化劑的使用使得酯交換反應(yīng)的選擇性增強(qiáng)了，酯交換率提高了，但催化劑的制備過(guò)程步驟多，工藝復(fù)雜。用堿催化的酯交換反應(yīng)對(duì)原料油的質(zhì)量要求相對(duì)較高，并且有副反應(yīng)皂化反應(yīng)發(fā)生，酯交換的選擇性相對(duì)較低。

微波在有機(jī)合成中的研究始于1986年，一直以來(lái)，對(duì)微波輔助有機(jī)合成“非熱效應(yīng)”的觀點(diǎn)都有爭(zhēng)論，但微波具有對(duì)物質(zhì)高效、均勻、無(wú)梯度、無(wú)滯后效應(yīng)的加熱特點(diǎn)。因此微波促進(jìn)的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)可提高分子平均能量，降低反應(yīng)活化能［10］，具有選擇性高、能耗低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)［11］。在化學(xué)領(lǐng)域用來(lái)提高化學(xué)反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間［12-14］，改變化學(xué)反應(yīng)機(jī)理［15］，提高反應(yīng)的產(chǎn)率［16］。

本文以堿為催化劑，并且在甲酯化反應(yīng)過(guò)程中引入微波輻射來(lái)作為提供反應(yīng)活化能的熱量來(lái)源，以此促進(jìn)印楝油的甲酯化反應(yīng)，研究較佳的酯交換反應(yīng)條件，為拓展印楝油的利用途徑提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

印楝油(石油醚浸提法制取);甲醇、KOH均為分析純。

MAS-I常壓微波輔助合成/萃取儀;EYELE101旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;AB204-S分析天平。

1.2 印楝油的甲酯化反應(yīng)

根據(jù)醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，準(zhǔn)確稱取印楝油、甲醇、KOH催化劑。將KOH與甲醇充分混合，然后和印楝油一起加入微波反應(yīng)瓶中，連接冷凝管，微波反應(yīng)(50℃反應(yīng)1 h)。反應(yīng)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收甲醇，剩余物于分液漏斗中靜置分層，分離出下層甘油層，上層甲酯層用水洗滌數(shù)次，干燥后得到印楝油甲酯產(chǎn)品。印楝油的轉(zhuǎn)化率通過(guò)測(cè)定印楝油甲酯中游離甘油和總甘油的含量來(lái)計(jì)算，其中甘油含量的測(cè)定參考賀平等［17-18］的方法，印楝油的轉(zhuǎn)化率按照下式計(jì)算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

m1——產(chǎn)物中未反應(yīng)的甘油酯對(duì)應(yīng)的甘油質(zhì)量，為甲酯中總甘油質(zhì)量-游離甘油質(zhì)量，g;

m0——原料油脂的總質(zhì)量，g。

1.3 印楝油平均分子量的測(cè)定

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5530—1998、GB 5534—85方法，測(cè)定出原料印楝油的酸值為16.3 mgKOH/g，皂化值為196 mgKOH/g。平均分子量通過(guò)皂化值和酸值用下式計(jì)算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

S——皂化值，mgKOH/g;

A——酸值，mgKOH/g。

由此測(cè)得原料印楝油的平均分子量為936.56。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 醇油物質(zhì)的量比 固定以下反應(yīng)條件:催化劑KOH用量為1.5%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，改變醇油物質(zhì)的量比，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)醇油物質(zhì)的量比≥5∶1以后，印楝油的轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯提高。因此，醇油物質(zhì)的量比選擇5∶1較為合適。

2.1.2 催化劑用量 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，改變催化劑用量，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著催化劑用量的增加，印楝油的甲酯化率在提高，但當(dāng)催化劑用量增加到1.5%以后，印楝油的甲酯化率反而下降。這是因?yàn)檫^(guò)量的堿使印楝油中的脂肪酸甘油酯發(fā)生了皂化反應(yīng)，副反應(yīng)的發(fā)生降低了油脂的甲酯化率，反應(yīng)的選擇性降低。所以，催化劑KOH的用量以1.5%為佳。

2.1.3 反應(yīng)溫度 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，反應(yīng)時(shí)間60 min，改變反應(yīng)溫度，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，印楝油的轉(zhuǎn)化率提高，當(dāng)反應(yīng)溫度升至50℃時(shí)，印楝油的轉(zhuǎn)化率急劇上升至較高點(diǎn)，之后不再上升。這是因?yàn)橛椭募柞セ磻?yīng)需要一定的活化能，升高反應(yīng)溫度，有利于反應(yīng)物克服反應(yīng)活化能的壁壘，使甲酯化反應(yīng)得以進(jìn)行，而較高的溫度可能產(chǎn)生副反應(yīng)，或者使部分甲醇和甲酯揮發(fā)，從而使印楝油的轉(zhuǎn)化率有下降趨勢(shì)。所以，選擇50℃為較佳的反應(yīng)溫度。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，反應(yīng)溫度50℃，改變反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，印楝油的轉(zhuǎn)化率升高，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至60 min以后，印楝油的轉(zhuǎn)化率提高程度不大，至90 min時(shí)，轉(zhuǎn)化率最高，之后開始下降?？紤]到延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)增加能源成本，所以選擇60 min作為反應(yīng)時(shí)間較為合適。

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇醇油物質(zhì)的量比、催化劑用量、微波反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素作為響應(yīng)變量，利用Design-Expert V8.0.6 軟件按照 Box-Behnken 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以印楝油轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)曲面分析進(jìn)行甲酯化反應(yīng)條件的優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)因素水平編碼設(shè)計(jì)見表1，結(jié)果見表2。共27個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中24個(gè)為析因?qū)嶒?yàn)點(diǎn)，3個(gè)為零點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，用于估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平取值表Table 1 Factors and levels value used in response surface analysis

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and corresponding results of Box-Behnken

2.2.2 建立模型方程與顯著性檢驗(yàn) 應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到印楝油轉(zhuǎn)化率對(duì)醇油物質(zhì)的量比(A)、催化劑用量(B)、反應(yīng)溫度(C)和反應(yīng)時(shí)間(D)的二次多項(xiàng)回歸方程:印楝油轉(zhuǎn)化率(%)=93+0.406A+2.807 B+0.371C+2.268D+3.565AB － 1.438AC+0.19 AD+2.675BC+0.61BD+2.3CD －3.373A2－6.767 B2－5.386C2－5.39D2。

對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3、表4。

表3 回歸方程偏回歸系數(shù)的估計(jì)值Table 3 Estimated values of the partial regression coefficients of the regression model

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，模型的殘差和純誤差均較小，決定系數(shù)為92.79%，校正決定系數(shù)為84.38%，說(shuō)明該模型擬合程度較好，可信度較高，表明該方程較好的反映了醇油物質(zhì)的量比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間與印楝油甲酯化率的關(guān)系，可用此模型對(duì)微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。交互作用項(xiàng)的BC、CD對(duì)反應(yīng)影響程度顯著(P＜0.05)，線性項(xiàng)中的D因素、交互作用項(xiàng)的AB、二次項(xiàng)的A2對(duì)反應(yīng)影響高度顯著(P＜0.01)，線性項(xiàng) B、二次項(xiàng) B2、C2、D2對(duì)反應(yīng)影響極顯著(P＜0.001)。由此可知，各因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 根據(jù)回歸模型繪出了微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)4個(gè)因素交互作用的響應(yīng)曲面圖和等值線圖，見圖1～圖6。

響應(yīng)曲面的彎曲弧度越大，該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著，根據(jù)這個(gè)原理，從圖1～圖6可知，催化劑用量對(duì)印楝油甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響最為顯著，沿催化劑用量軸向，轉(zhuǎn)化率響應(yīng)值變化較大;其次為反應(yīng)時(shí)間對(duì)甲酯化轉(zhuǎn)化率的影響;醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響較弱。等值線的形狀反映了因素之間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱。在3D圖里，等值線越圓兩因素交互作用越顯著。圖1、圖4和圖6中等值線的形狀呈圓形，表明醇油物質(zhì)的量比和催化劑用量之間、催化劑用量和反應(yīng)溫度之間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間之間的交互效應(yīng)較顯著。圖2、圖3、圖5中等值線的形狀呈橢圓形，表明醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度之間、醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)時(shí)間之間、催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間之間的交互作用不顯著。以上結(jié)果與表3、表4中方差分析結(jié)果一致。

通過(guò)回歸模型預(yù)測(cè)的微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)的最佳工藝條件為:醇油物質(zhì)的量比5.383 8∶1，催化劑用量1.358 6%，反應(yīng)溫度50.656 6℃，反應(yīng)時(shí)間67.575 8 min，印楝油轉(zhuǎn)化率的最高理論值為93.78%。考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，將上述印楝油甲酯化工藝條件修正為:醇油物質(zhì)的量比5.4∶1，催化劑用量1.36%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間68 min，在此工藝條件下做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)3次，得到的印楝油轉(zhuǎn)化率平均值為93.17%，實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為0.65%，證明利用響應(yīng)面法分析優(yōu)化得到的微波促進(jìn)印楝油甲酯化工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

圖1 醇油物質(zhì)的量比和催化劑用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.1 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and catalyst amount

圖2 醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.2 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction temperature

圖3 醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.3 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction time

圖4 催化劑用量和反應(yīng)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.4 Response surface and contour of catalyst amount and reaction temperature

圖5 催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.5 Response surface and contour of catalyst amount and reaction time

圖6 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.6 Response surface and contour of reaction temperature and reaction time

3 結(jié)論

應(yīng)用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)和優(yōu)化微波輻射印楝油甲酯化工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑用量對(duì)印楝油的轉(zhuǎn)化率影響極顯著，反應(yīng)時(shí)間次之，醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度的影響較弱。通過(guò)綜合分析回歸模型，確定最佳工藝條件為醇油物質(zhì)的量比5.4∶1，催化劑用量1.36%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間68 min。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到印楝油的平均轉(zhuǎn)化率為93.17%，與理論值相符。

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