馬余璐， 王成章，3，周 昊，3，葉建中，3，胡 軍

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所, 生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室,國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，南京210042； 3.南京中森生物科技有限公司，南京 210000； 4.湖北紫鑫生物科技有限公司，武漢 435666)

脂肪酸異丙酯是一種低黏度親油性非離子表面活性劑，其分散系數(shù)大，有抗靜電、穩(wěn)定、無味、無毒等特性[1]。常見的脂肪酸異丙酯有棕櫚酸異丙酯、硬脂酸異丙酯、油酸異丙酯等。在護(hù)膚霜和蜜類的化妝品中，一般添加2%～10%[2]脂肪酸異丙酯就可以使膏體或者乳液潔白、光滑、細(xì)膩，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在制品成型時(shí)，脂肪酸異丙酯還會(huì)起到增黏劑、增塑劑及遮光劑的作用。脂肪酸異丙酯被認(rèn)為是滲透力最好的產(chǎn)品之一，具有極佳的保水潤濕性能。同時(shí)脂肪酸異丙酯分散性好，很容易滲透皮膚，可用于改善皮膚干燥、皮屑或粗糙皮膚的各種化妝品中，還適用于藥用軟膏、按摩油、兒童用油等藥品的配方中[3-4]。脂肪酸異丙酯除常用于洗護(hù)用品外，還可加入生物柴油中，以改善生物柴油性能[5]，增強(qiáng)其潤滑性，改善凝點(diǎn)、冷濾點(diǎn)等低溫流動(dòng)性能[6]。

漆蠟是漆樹的果實(shí)漆籽經(jīng)壓榨或萃取得到的固體油脂，主要由脂肪酸甘油酯、游離脂肪酸及少量游離高級(jí)脂肪醇組成，其中漆蠟脂肪酸主要由棕櫚酸(70%左右)、油酸(15%左右)和硬脂酸(約5%)等組成[14]。漆蠟是生產(chǎn)脂肪酸酯類化工產(chǎn)品的優(yōu)秀原料，被廣泛應(yīng)用于涂料、日用化妝品、電子技術(shù)、紡織印染、高級(jí)化妝品、醫(yī)藥等行業(yè)[15]。在我國，漆樹每年的果實(shí)產(chǎn)量可達(dá)200萬t以上[16]，是有待開發(fā)的寶貴經(jīng)濟(jì)資源。但國內(nèi)漆蠟加工技術(shù)落后[17]，限制了漆蠟的利用。因此，需要對(duì)漆蠟原料進(jìn)行化學(xué)改性處理，以提高漆蠟的市場(chǎng)競(jìng)爭力。

在脂肪酶的催化下，漆蠟中的甘油三酯與異丙醇發(fā)生酯交換反應(yīng)，主要生成棕櫚酸異丙酯、油酸異丙酯和硬脂酸異丙酯等，漆蠟中游離的脂肪酸與異丙醇直接酯化生成脂肪酸異丙酯。漆蠟中甘油三酯的酯交換反應(yīng)通常被認(rèn)為是水解和酯化分步過程，即在酶催化微水環(huán)境中，甘油三酯在酶催化作用下先水解成甘油二酯和脂肪酸，然后脂肪酸和短鏈醇酯化合成脂肪酸烷基酯，甘油二酯繼續(xù)水解成單甘酯和脂肪酸，再酯化成脂肪酸烷基酯[18]。如果在酶催化作用下的酯交換反應(yīng)不完全，或者酶水解產(chǎn)生的游離脂肪酸與異丙醇酯化不完全，反應(yīng)體系中游離脂肪酸會(huì)產(chǎn)生較高酸價(jià)。本文以反應(yīng)前后油脂的酸價(jià)為考察指標(biāo)，漆蠟為研究對(duì)象，進(jìn)行酶法催化漆蠟基異丙酯的生產(chǎn)工藝優(yōu)化，為開發(fā)高附加值的漆蠟精細(xì)品奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

精制漆蠟(理化指標(biāo)見表1)，中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；Novozyme 435脂肪酶，諾維信中國技術(shù)有限公司；脂肪酶A，來源于牛胰腺，阿拉丁試劑公司；脂肪酶B，來源于米曲霉，阿拉丁試劑公司。異丙醇、乙醇等均為分析純。

SQP電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；SHA-82A水浴恒溫振蕩器，精達(dá)儀器制造有限公司；Nicoletis10 型紅外光譜儀，美國NICOLET公司；Agilent 6890/5973GC-MS型氣-質(zhì)聯(lián)用儀，美國安捷倫公司。

表1 精制漆蠟理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 漆蠟基異丙酯制備

稱取一定量的漆蠟和脂肪酶，按照一定的醇油比加入異丙醇，將漆蠟與脂肪酶溶于異丙醇，混合均勻，置于具塞三角瓶中。在一定的溫度和140 r/min振蕩速率下，將具塞三角瓶放入水浴搖床中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫(25℃)，過濾，收集濾液于分液漏斗中，加入一定量的熱水洗滌，靜置分層，上層即為漆蠟基異丙酯，將上層產(chǎn)物收集后減壓蒸餾除去異丙醇，所得的黃色油狀液體即為目標(biāo)產(chǎn)物漆蠟基異丙酯。

1.2.2 酸價(jià)的測(cè)定及酯交換率的計(jì)算

按GB/T 5530—1985測(cè)定酸價(jià)，按下式計(jì)算酯交換率(α)[5]。

α=(反應(yīng)前原料酸價(jià)-反應(yīng)后產(chǎn)物酸價(jià))/反應(yīng)前原料酸價(jià)×100%

1.2.3 產(chǎn)物FT-IR表征

使用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。KBr壓片，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率0.5 cm-1，掃描次數(shù)40。

1.2.4 GC-MS分析產(chǎn)物組成

GC分析條件：KB-Pesticides B毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.50 μm)；初始溫度50℃，保留2 min，以5℃/min的速率升至280℃，保留20 min；載氣為N2；分流比50∶1；進(jìn)樣量0.2 μL。

MS分析條件：電離源為EI離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，四極桿溫度150℃，電離電壓1 482 V，質(zhì)量掃描范圍50～500。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定

在漆蠟10 g、漆蠟質(zhì)量與異丙醇體積比 1∶5、反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間12 h、Novozyme 435脂肪酶加量5 g/L條件下，進(jìn)行酯交換反應(yīng)，將所得產(chǎn)物用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1所示。

圖1 漆蠟基異丙酯的紅外光譜圖

2.2 催化劑的篩選

在漆蠟10 g、漆蠟質(zhì)量與異丙醇體積比 1∶5、反應(yīng)溫度55℃、反應(yīng)時(shí)間12 h、脂肪酶加量5 g/L條件下，對(duì)3種脂肪酶的催化活性進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2。

圖2 不同種類脂肪酶的影響

由圖2可見，Novozyme 435脂肪酶、脂肪酶A和脂肪酶B催化下酯交換率分別為35.28%、29.15%和8.42%，其中Novozyme 435脂肪酶的催化效果最好，而且催化劑為顆粒狀固體，易與溶劑進(jìn)行分離，脂肪酶A和脂肪酶B容易與油脂發(fā)生乳化，不易萃取分離。因此，選擇Novozyme 435脂肪酶作為催化劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 醇蠟比的影響

在反應(yīng)溫度55℃、反應(yīng)時(shí)間24 h、Novozyme 435脂肪酶加量5 g/L條件下，考察醇蠟比(異丙醇體積與漆蠟質(zhì)量比，下同)分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1時(shí)對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 醇蠟比的影響

由圖3可知，隨著醇蠟比的增大，酯交換率增大，脂肪酸異丙酯的含量增多，當(dāng)醇蠟比超過5∶1后，脂肪酸異丙酯的生成速率變慢。同時(shí)從節(jié)約成本的角度考慮，選擇醇蠟比為5∶1較為適宜。

2.3.2 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度是酶促反應(yīng)中重要的因素之一，反應(yīng)溫度過高會(huì)使脂肪酶失活，同時(shí)造成異丙醇的揮發(fā)；但是反應(yīng)溫度過低，脂肪酶的活性降低，無法促進(jìn)反應(yīng)的順利進(jìn)行。在醇蠟比5∶1、Novozyme 435脂肪酶加量5 g/L、反應(yīng)時(shí)間24 h條件下，考察反應(yīng)溫度分別為40、45、50、55、60℃時(shí)對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，隨著反應(yīng)溫度的升高，酯交換率不斷增大，當(dāng)反應(yīng)溫度超過得55℃后，酯交換率變化趨緩，因而選取反應(yīng)溫度為55℃。

圖4 反應(yīng)溫度的影響

2.3.3 脂肪酶加量的影響

在反應(yīng)溫度55℃、醇蠟比5∶1、反應(yīng)時(shí)間24 h條件下，考察Novozyme 435脂肪酶加量分別為2、6、10、14、18 g/L時(shí)對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 脂肪酶加量的影響

由圖5可見，當(dāng)反應(yīng)體系中脂肪酶加量增加時(shí)，反應(yīng)底物與脂肪酶之間的接觸增多，被轉(zhuǎn)化為脂肪酸異丙酯的游離脂肪酸增多，酯交換率增大，但是當(dāng)反應(yīng)體系的脂肪酶加量達(dá)到一定程度后，再提高脂肪酶加量，對(duì)反應(yīng)并不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。綜合生產(chǎn)成本的考慮，選擇脂肪酶加量為10 g/L。

2.3.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

在反應(yīng)溫度55℃、醇蠟比5∶1、Novozyme 435 脂肪酶加量10 g/L條件下，考察反應(yīng)時(shí)間分別為12、24、36、48、60 h時(shí)對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 反應(yīng)時(shí)間的影響

由圖6可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，酯交換率不斷提高?？紤]到能耗方面的問題，選擇反應(yīng)時(shí)間為24 h。

2.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取醇蠟比、酶加量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間作為考察因素，以酯交換率為考察指標(biāo)，選用L93(4)正交試驗(yàn)表進(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平見表2，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3,方差分析見表4。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 方差分析

由表3和表4可知，各因素對(duì)結(jié)果影響大小順序?yàn)镈>C>A>B，即反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度>醇蠟比>酶加量，最佳反應(yīng)條件為A1B2C2D3，即醇蠟比4∶1、酶加量10 g/L、反應(yīng)溫度55℃、反應(yīng)時(shí)間36 h。最佳條件下，酯交換率為86.7%，酸價(jià)(KOH)為3.28 mg/g( <5 mg/g)。

將最佳條件下合成的產(chǎn)物進(jìn)行GC-MS檢測(cè)，分析漆蠟基異丙酯的組成，漆蠟基異丙酯GC-MS譜圖見圖7，組成見表5。

由表5可知，漆蠟基異丙酯中棕櫚酸異丙酯含量為73.64%，其次是油酸異丙酯，含量為19.39%，硬脂酸異丙酯占6.15%，亞油酸異丙酯占0.82%。

圖7 漆蠟基異丙酯GC-MS譜圖表5 漆蠟基異丙酯的組成

編號(hào)保留時(shí)間分子式化學(xué)名稱含量/%133.894C19H38O2棕櫚酸異丙酯73.64237.022C21H38O2亞油酸異丙酯00.82337.128C21H40O2油酸異丙酯19.39437.606C21H42O2硬脂酸異丙酯06.15

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)主要對(duì)脂肪酶催化漆蠟與異丙醇酯交換反應(yīng)生成脂肪酸異丙酯的最佳條件進(jìn)行了研究。采用FT-IR對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定最佳合成條件為：醇蠟比4∶1，Novozyme 435脂肪酶加量10 g/L，反應(yīng)溫度55℃，反應(yīng)時(shí)間36 h。最佳條件下，酯交換率為86.7%，漆蠟基異丙酯的酸價(jià)(KOH)為3.28 mg/g，滿足化妝品行業(yè)要求。對(duì)最佳條件下生產(chǎn)的漆蠟基異丙酯進(jìn)行GC-MS分析，結(jié)果表明漆蠟基異丙酯中棕櫚酸異丙酯含量達(dá)73.64%，亞油酸異丙酯含量為0.82%，油酸異丙酯含量為19.39%，硬脂酸異丙酯含量為6.15%。