秦 杰，孫 聰，鄒孝強，金青哲，王興國

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，食品營養(yǎng)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122)

油脂化工

咪唑類離子液體對酶法醇解制備脂肪酸酯的影響研究

秦 杰，孫 聰，鄒孝強，金青哲，王興國

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，食品營養(yǎng)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122)

在不同陰離子組成的咪唑類離子液體體系中，以含有不同脂肪酸組成的油脂與醇類為反應(yīng)原料，酶法醇解制備脂肪酸酯，考察了離子液體種類對制備脂肪酸酯的影響，并探索離子液體的主要性質(zhì)對脂肪酸酯制備的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在疏水陰離子組成的離子液體中，脂肪酸酯的生成量較高，且陰離子的影響較為明顯。離子液體的性質(zhì)與脂肪酸酯的生成量有一定的相關(guān)性，且是共同作用的結(jié)果，除某些特例外，隨著離子液體極性值和氫鍵堿度的增加，脂肪酸酯的生成量整體呈現(xiàn)下降趨勢；隨著離子液體疏水性值的增加，脂肪酸酯的生成量增加；離子液體黏度與脂肪酸酯沒有明顯的相關(guān)性，但高黏度會影響脂肪酸酯的生成量。另外，此結(jié)論適用于各種脂肪酸組成的油脂。

離子液體；脂肪酸酯；極性；疏水性；氫鍵堿度；黏度

傳統(tǒng)的有機溶劑由于熔點低，作為反應(yīng)介質(zhì)時存在揮發(fā)，會傷害人體和污染環(huán)境；并且有機溶劑對脂肪酶有一定的破壞作用。而離子液體被認(rèn)為可以彌補有機溶劑的缺點，成為新型的反應(yīng)介質(zhì)。在離子液體作為介質(zhì)時，脂肪酶的活性、穩(wěn)定性都有提升，且產(chǎn)物的得率和原料的轉(zhuǎn)化率也有提高。離子液體是指由特定的有機陽離子與無機或有機陰離子構(gòu)成的，在室溫或近室溫下呈液態(tài)的熔鹽體系[1-2]。離子液體具有一定的可設(shè)計性，通過不同陰陽離子的組合，離子液體可以被設(shè)計成環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的溶劑[3]，從而較大范圍地改變離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)。

脂肪酸酯是由甘油酯與醇類反應(yīng)生成的產(chǎn)物之一。脂肪酸酯的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如大豆油、桐油的脂肪酸甲酯可作為鍋爐、渦輪機、柴油機等的燃料，俗稱生物柴油。亞油酸乙酯是一種多烯不飽和脂肪酸酯，具有增強機體的免疫力、抗癌、降低人體膽固醇和血脂含量、預(yù)防或減輕動脈粥樣硬化癥、調(diào)解控制代謝、促進動物生長發(fā)育等諸多生理功能[4]。深海魚油中的多不飽和脂肪酸，在產(chǎn)品的實際生產(chǎn)過程中，通常需要將其轉(zhuǎn)化為乙酯形態(tài)，以適應(yīng)不同人群的需要[5]。脂肪酸酯的制備研究可分為酶法和化學(xué)法，常采用油脂的醇解反應(yīng)來制備[6-7]。在有機溶劑體系中利用固定化脂肪酶催化制備生物柴油時，為了提高固定化酶的操作穩(wěn)定性，甲醇需要分批次加入[8-9]。而在離子液體中，李穎[10]使用價格低廉的脂肪酶Lipozyme TL IM在[BMIM][PF6]中可以有效催化大豆油轉(zhuǎn)酯制備生物柴油，一次加入甲醇進行反應(yīng)，最終得到生物柴油的產(chǎn)率98.3%。由此可見，離子液體中酶法制備脂肪酸酯反應(yīng)過程簡單，有一定的優(yōu)勢。雖然離子液體成本較有機溶劑高，但是離子液體作為介質(zhì)，分離簡單，可重復(fù)使用，更主要的是，離子液體可以減少反應(yīng)過程中原料和副產(chǎn)物對脂肪酶的破壞作用。

本文旨在分析不同的離子液體中油脂醇解制備脂肪酸酯的規(guī)律，同時將離子液體的主要性質(zhì)與脂肪酸酯的生成量做相關(guān)分析，并探索了不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯是否具有普遍的規(guī)律，可成為離子液體為介質(zhì)制備各類脂肪酸酯的理論基礎(chǔ)，若后續(xù)研究純化方法，即可獲得較純的某一種脂肪酸酯。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

魚油甘三酯：挪亞圣諾生物科技有限公司；玉米油：中糧東海糧油工業(yè)(張家港)有限公司；亞麻籽油：實驗室合作企業(yè)提供；高油酸葵花籽油：上海良友海獅油脂實業(yè)有限公司；2,6-二苯基-4-(2,4,6-三苯基吡啶)，十七碳酸甲酯標(biāo)品：Sigma公司；離子液體[BMIM][PF6]，[OMIM][PF6]，[HMIM][Tf2N]，[OMIM][Tf2N]，[OMMIM][Tf2N]，[BMIM][BF4]，[OMIM][BF4]：上海成捷化學(xué)有限公司；Lipozyme TL IM：諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司提供；無水甲醇為分析純，正己烷、異丙醇為色譜純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

超高級恒溫循環(huán)水浴鍋；多點磁力攪拌器，德國IKA集團；分析天平、紫外可見分光光度計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；離心機；ZK-82BB型電熱真空干燥箱；高效液相色譜儀帶示差折光檢測器，美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 離子液體性質(zhì)的測定

1.2.1.1 離子液體的極性

(1)

(2)

1.2.1.2 離子液體的黏度

所有離子液體在25℃下使用芬氏黏度計測定黏度。

1.2.1.3 離子液體的疏水性

離子液體的疏水性數(shù)據(jù)參見文獻[11-14]。

1.2.1.4 離子液體的氫鍵堿度

離子液體的氫鍵堿度數(shù)據(jù)參見文獻[15-19]。

1.2.2 甘油三酯的醇解反應(yīng)

分別將一定量的魚油甘三酯、玉米油、亞麻籽油、高油酸葵花籽油與甲醇共同放置于夾層反應(yīng)器中，加入一定量的離子液體和脂肪酶Lipozyme TL IM，在40℃條件下攪拌反應(yīng)一定時間后取樣。

1.2.3 脂肪酸酯的測定

采用氣相色譜-內(nèi)標(biāo)法分析脂肪酸甲酯的含量。色譜條件：DB-FFAP毛細管氣相色譜柱(30 m×0.53 mm×0.25 mm)；FID檢測器；采用程序升溫，初始柱溫180℃，保持1 min，以15℃/min的速率升溫到230℃，保持10 min；檢測器溫度250℃，進樣口溫度250℃；分流比100∶1。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體的性質(zhì)

表1 離子液體的性質(zhì)

由表1可見，離子液體的極性值普遍比水小(水的極性值為1)且大多不溶于水。在所選用的離子液體中，[BF4]-類的離子液體極性值較[PF6]-和[Tf2N]-類的離子液體大，而離子液體[BMIM][PF6](1號)是一個特例，它的極性值較大，與[BF4]-類的離子液體極性值接近。由[Tf2N]-類的離子液體(3～5號)的極性值發(fā)現(xiàn)，在陽離子吡啶環(huán)上多一個取代基，整體離子液體的極性值會下降([OMMIM][Tf2N]的極性值僅有0.525)。而從3種陰離子組成的離子液體的極性值可以發(fā)現(xiàn)，離子液體陽離子烷基碳鏈越長，離子液體的極性越低。

疏水性指的是一個分子與水互相排斥的物理性質(zhì)，常常被人們與極性相聯(lián)系，但其實兩者有本質(zhì)的區(qū)別。疏水性用logP(辛醇-水分配系數(shù))來表征，即離子液體在水飽和的正辛醇與正辛醇飽和的水中濃度比的對數(shù)值，離子溶液雖然都有較高的極性，但通常是疏水性的。觀察離子液體的疏水性值可發(fā)現(xiàn)，[BF4]-類的離子液體疏水性較小，而[PF6]-和[Tf2N]-類的離子液體的疏水性較高，主要是因為陰離子[BF4]-較其他兩種陰離子較為親水。

離子液體的黏度普遍高于有機溶劑，其黏度與乙二醇相近，遠遠高于甲醇和甲苯等常用的有機溶劑。由表1可以發(fā)現(xiàn)，[PF6]-類離子液體的黏度大于其他兩類離子液體，而離子液體[OMIM][BF4]是一個特例，它的黏度也較大。

離子液體的氫鍵堿度指的是接受氫鍵的能力。Zhao等[14]認(rèn)為，酶的活性與陰離子接受氫鍵的能力有關(guān)，在氫鍵堿度低的離子液體中，酶更加穩(wěn)定。

2.2 離子液體種類對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

4種富含不同脂肪酸的油脂分別在7種不同離子液體中制備脂肪酸酯的結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可見，在[Tf2N]-(3～5號)和[PF6]-(1～2號)兩種陰離子組成的離子液體中，魚油甲酯的生成量較高，而在[BF4]-類的離子液體中，魚油甲酯的生成量較低。主要是由于陰離子[BF4]-相對[Tf2N]-和[PF6]-來說更為親核，對脂肪酶中帶正電位點的調(diào)整作用更強烈，從而更易引起脂肪酶構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致脂肪酶活力降低[20]，進而對脂肪酶的催化作用有較大的影響[21]。而2號雖然是由[PF6]-組成的離子液體，但其黏度較大，一定程度上會影響反應(yīng)速率，因此魚油甲酯的生成量較低，卻也均高于[BF4]-類的離子液體中的魚油甲酯生成量。由此可見，疏水陰離子組成的離子液體中魚油甲酯生成量較高。由圖1(b)(c)(d)可見，在其他不同油脂制備脂肪酸甲酯的結(jié)果中，也可以發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律。

由此可以說明，在以離子液體為介質(zhì)酶法制備脂肪酸酯的過程中，脂肪酸酯生成量與離子液體的陰離子有關(guān)，在疏水陰離子組成的離子液體中脂肪酸酯生成量較高，陰離子的影響較為明顯，且以不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯的結(jié)果并無明顯差異。

2.3 離子液體性質(zhì)對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

2.3.1 離子液體的極性對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

圖2是脂肪酸酯生成量與離子液體極性值的關(guān)系。

由圖2(a)可見，隨著離子液體極性值的增大，除1號離子液體外，魚油甲酯的生成量大體呈現(xiàn)下降趨勢，主要是因為高極性的離子液體會剝奪脂肪酶的必需水，降低脂肪酶的催化作用[14]。1號離子液體出現(xiàn)了明顯的偏離，一方面是由于組成1號離子液體的陰離子是疏水的[PF6]-，相對[BF4]-類離子液體會生成更多的魚油甲酯；另一方面，1號離子液體的極性較大，可能會降低脂肪酶的位置選擇性，因此會生成更多的魚油甲酯。在圖2(b)(c)(d)中，玉米油甲酯、亞麻籽油甲酯和葵花籽油甲酯的生成量與魚油甲酯的規(guī)律大致相似。

在葵花籽油甲酯和魚油甲酯中，3號離子液體的甲酯生成量較高，而在玉米油甲酯和亞麻籽油甲酯中，4號離子液體的甲酯生成量較高?？赡艿脑蚴请x子液體性質(zhì)間共同作用的結(jié)果，3號離子液體和4號離子液體都是由[Tf2N]-陰離子組成的離子液體，3號離子液體的極性值大于4號，疏水性值、氫鍵堿度和黏度均小于4號，無法準(zhǔn)確判斷哪一種離子液體中脂肪酸酯生成量較多，因此在所選的4種不同油脂中也出現(xiàn)了不同的結(jié)果。

總的來說，在以離子液體中為介質(zhì)酶法制備脂肪酸酯的過程中，隨著離子液體極性值的增大，脂肪酸酯的生成量大體呈現(xiàn)下降趨勢，而對于陰離子為疏水性且極性較大的離子液體，會出現(xiàn)偏離趨勢的現(xiàn)象(1號)，且以不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯的結(jié)果并無明顯差異。

2.3.2 離子液體的疏水性對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

圖3是脂肪酸酯生成量與離子液體疏水性值的關(guān)系。

由圖3(a)可見，魚油甲酯的生成量隨著離子液體疏水性值的增加而增加。疏水性較小的離子液體會剝奪脂肪酶中的水分子層，從而降低脂肪酶的催化作用[14]。圖3(b)(c)(d)中，玉米油甲酯、亞麻籽油甲酯的生成量也隨著疏水性值的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，但是在葵花籽油甲酯的制備過程中，4號離子液體出現(xiàn)了微小的偏離，主要原因與2.3.1中討論一致。

總的來說，在以離子液體中為介質(zhì)酶法制備脂肪酸酯的過程中，隨著離子液體的疏水性的增大，脂肪酸酯的生成量增加，且以不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯的結(jié)果并無明顯差異。

2.3.3 離子液體的氫鍵堿度對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

圖4是脂肪酸酯生成量與離子液體氫鍵堿度的關(guān)系。

由圖4(a)可見，魚油甲酯的生成量隨著離子液體氫鍵堿度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，主要是由于高氫鍵堿度的離子液體會更容易與脂肪酶形成氫鍵[22]，破壞脂肪酶結(jié)構(gòu)，從而降低脂肪酶的催化作用。2號離子液體的魚油甲酯生成量高于6號和7號，是因為2號離子液體的陰離子為疏水的[PF6]-，而陰離子的影響更為顯著。圖4(b)(c)(d)中，玉米油甲酯、亞麻籽油甲酯和葵花籽油甲酯的生成量與魚油甲酯的規(guī)律大致相似。

由此可見，在以離子液體中為介質(zhì)酶法制備脂肪酸酯的過程中，隨著離子液體的氫鍵堿度的增大，脂肪酸酯的生成量大體呈現(xiàn)降低的趨勢，但是影響作用沒有陰離子顯著，且以不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯的結(jié)果并無明顯差異。

2.3.4 離子液體的黏度對油脂醇解制備脂肪酸酯的影響

圖5是脂肪酸酯生成量與離子液體黏度的關(guān)系。

由圖5(a)可見，黏度對魚油甲酯的生成量沒有明顯的影響。而在[PF6]-類離子液體(1～2號)中可發(fā)現(xiàn)，黏度較大的2號離子液體中魚油甲酯生成量較低，主要是因為高黏度影響了反應(yīng)中的質(zhì)量傳遞，從而降低了魚油甲酯的生成量；圖5(b)(c)(d)中，玉米油甲酯、亞麻籽油甲酯和葵花籽油甲酯的生成量與黏度也沒有明顯的相關(guān)性。

由此可見，在以離子液體中為介質(zhì)酶法制備脂肪酸酯的過程中，離子液體的黏度與脂肪酸酯的生成量沒有明顯的相關(guān)性，但高黏度的離子液體會阻礙反應(yīng)物之間的傳遞而使脂肪酸酯的生成量降低。

3 結(jié) 論

在不同陰離子組成的咪唑類離子液體體系中，以不同脂肪酸組成的油脂與醇類為反應(yīng)原料酶法制備脂肪酸酯，反應(yīng)結(jié)果表明：在疏水陰離子[Tf2N]-和[PF6]-組成的離子液體中，脂肪酸酯的生成量較高，且陰離子的影響較為明顯。離子液體的性質(zhì)與脂肪酸酯的生成量有一定的相關(guān)性，且是共同作用的結(jié)果，除某些特例外，隨著離子液體極性值和氫鍵堿度的增加，脂肪酸酯的生成量大體呈現(xiàn)下降趨勢；隨著離子液體疏水性的增加，脂肪酸酯的生成量增加；離子液體黏度與脂肪酸酯沒有明顯的相關(guān)性，但高黏度會影響脂肪酸酯的生成量。上述結(jié)論在以不同脂肪酸組成的油脂為原料制備脂肪酸酯中均適用。

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Influence of imidazolium based ionic liquids on enzymatic alcoholysis preparation of fatty acid ester

QIN Jie, SUN Cong, ZOU Xiaoqiang, JIN Qingzhe, WANG Xingguo

(Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition, State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology,Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China)

ionic liquids; fatty acid ester; polarity; hydrophobicity; hydrogen-bond basicity; viscosity

2016-10-13；

2017-03-08

國家自然科學(xué)基金(31601433)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140149)

秦 杰(1992)，男，在讀碩士，研究方向為脂質(zhì)科學(xué)與技術(shù)(E-mail)qinjie_qj@163.com。

鄒孝強，副教授 (E-mail)xiaoqiangzou@163.com。

TQ645; TQ426

A

1003-7969(2017)06-0050-07