吳 令 帆， 崔 勵(lì)， 徐 同 寬

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

氨基酸類表面活性劑是一類以氨基酸為親水基、長(zhǎng)碳鏈為疏水基的兩親性化合物，種類繁多且性質(zhì)多樣[1-2]。氨基酸類表面活性劑以可再生物質(zhì)為原料，來源天然且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于其具有酰胺基團(tuán)和氨基酸結(jié)構(gòu)，所以與一般的皂類表面活性劑相比，性質(zhì)更加溫和，生物降解性高，并且在使用過程中與人類的皮膚有更好的親和性，它良好的生物相容性和復(fù)配性也引起大家的廣泛關(guān)注，是食品、醫(yī)藥、日化等應(yīng)用領(lǐng)域首選表面活性劑之一[3-5]。

目前，氨基酸類表面活性劑的工業(yè)化生產(chǎn)大多采用肖頓-鮑曼(Schotlen-Banmann)縮合法[6]，合成工藝流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)率較高[7]。但是這種方法使用的原料具有很強(qiáng)的刺激性和腐蝕性，對(duì)設(shè)備要求高，并且嚴(yán)重污染環(huán)境。洗護(hù)市場(chǎng)的宏觀趨勢(shì)是更綠色、更天然，消費(fèi)者也要求更溫和、更高效的產(chǎn)品，所以對(duì)環(huán)境有危害的原料會(huì)被逐漸淘汰。徐寶才等[8]提出以脂肪酸甲酯代替酰氯為原料，在以水-丙酮(體積比3∶2)為溶劑的體系中與谷氨酸發(fā)生反應(yīng)，生成脂肪酰基谷氨酸，并利用紅外光譜驗(yàn)證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，證明了新工藝的可行性。此合成路線工藝簡(jiǎn)單，原料天然且廉價(jià)易得，但是產(chǎn)率較低，需進(jìn)一步研究。目前雖然有以天然油脂為原料合成相應(yīng)的油脂?；被犷惢衔锏南嚓P(guān)研究，但常以椰子油、大豆油為主要原料[9]，選用的氨基酸種類也基本為肌氨酸、谷氨酸等。針對(duì)以花生油、甲醇為原料，通過固體堿催化合成花生油甲酯，花生油甲酯與絲氨酸鈉反應(yīng)生成花生油?；z氨酸及其鈉鹽的工藝研究未見報(bào)道。本研究以自制花生油甲酯為?；希c絲氨酸鈉反應(yīng)生成花生油?；z氨酸及其鈉鹽，并利用單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：花生油甲酯，自制；L-絲氨酸，化學(xué)純，山東玖勝生物科技有限公司；甲醇鈉、無水甲醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氧化鋅、聚乙二醇-200等，化學(xué)純；溴化鉀、氘代氯仿等，色譜純。

儀器：顯微熔點(diǎn)儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，美國Perkin Elmer公司；EA3000元素分析儀，意大利Eurovertor公司；Bruker Advance Ⅲ型核磁共振波譜儀，布魯克公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 花生油?；z氨酸鈉的合成

稱取一定質(zhì)量的自制花生油甲酯于三口燒瓶(250 mL)中，按投料比例依次加入絲氨酸鈉、甲醇鈉、PEG-200以及無水甲醇，加熱至原料完全溶解后換上分水器裝置，除去溶劑甲醇并繼續(xù)加熱到120 ℃后開始計(jì)時(shí)，反應(yīng)一定時(shí)間后得到花生油?；z氨酸鈉反應(yīng)液(棕黃色膏體)。用3 mol/L硫酸溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH至1～2，析出白色固體后加入乙醚萃取，水洗乙醚層3～6次后蒸出乙醚，在75 ℃真空干燥12 h，得到白色固體即為花生油?；z氨酸。將產(chǎn)物用1 mol/L的NaOH溶液中和并干燥12 h，得到的白色固體即為花生油酰基絲氨酸鈉(SASP)。

產(chǎn)率計(jì)算公式：

產(chǎn)率=(m/m0)×100%

式中：m為SASP實(shí)際生成的質(zhì)量，g；m0為SASP理論生成的質(zhì)量，g。

1.2.2 總活性物摩爾分?jǐn)?shù)的測(cè)定

采用硫酸酸化、石油醚萃取、稱重法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行皂含量測(cè)定；采用溴甲酚綠染色-陽離子(海明溶液)兩相滴定法測(cè)定合成的花生油?；z氨酸中總活性物摩爾分?jǐn)?shù)。具體方法見文獻(xiàn)[10]。

1.2.3 產(chǎn)品熔點(diǎn)、純度測(cè)定

熔點(diǎn)：取少量合成樣品干燥后置于載玻片上，用顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定產(chǎn)品的熔點(diǎn)。

純度：通過元素分析法測(cè)出氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來計(jì)算產(chǎn)品純度[11]。

產(chǎn)品純度=w(N)×Mr(SASP)/Ar(N)

式中：w(N)為樣品中測(cè)得的氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Mr(SASP)為花生油酰基絲氨酸鈉的平均相對(duì)分子質(zhì)量；Ar(N)為氮元素相對(duì)原子質(zhì)量。

1.2.4 結(jié)構(gòu)分析

紅外光譜：取少量樣品進(jìn)行干燥、壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析表征。

核磁共振氫譜：取少量合成的樣品溶于氘代氯仿(CDCl3)溶劑中配成合適濃度的溶液，以四甲基硅氧烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行核磁共振氫譜的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 花生油?；z氨酸鈉合成反應(yīng)的影響因素

采用單因素法，考察催化劑甲醇鈉的投入量、花生油甲酯與絲氨酸鈉的投料比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、PEG-200的投入量對(duì)花生油?；z氨酸產(chǎn)率的影響。

2.1.1 催化劑甲醇鈉用量對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(絲氨酸鈉)=1∶1，PEG-200用量為花生油甲酯質(zhì)量的1倍，反應(yīng)溫度110 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，考察催化劑甲醇鈉的投入量對(duì)花生油?；z氨酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖1?；ㄉ王；z氨酸的產(chǎn)率隨著催化劑甲醇鈉用量的增加而增大，當(dāng)催化劑的加入量較少時(shí)，反應(yīng)物之間反應(yīng)不夠徹底。增加催化劑的使用量，產(chǎn)率增長(zhǎng)迅速。當(dāng)催化劑用量超過花生油甲酯質(zhì)量的7.2%時(shí)，產(chǎn)率基本不再變化。此時(shí)若繼續(xù)增加催化劑的用量，不僅會(huì)對(duì)資源造成浪費(fèi)，對(duì)于合成出的產(chǎn)品來說，顏色也會(huì)加深，為產(chǎn)品的后續(xù)處理增加難度。所以實(shí)驗(yàn)中加入催化劑的質(zhì)量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%比較合適。

圖1 催化劑用量對(duì)產(chǎn)物SASP產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of dosage of catalyst on the yield of SASP

2.1.2 反應(yīng)物投料比對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

固定催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%，PEG-200用量為花生油甲酯的1倍，反應(yīng)時(shí)間4 h，反應(yīng)溫度110 ℃，考察投料比的變化對(duì)花生油?；z氨酸產(chǎn)率的影響。由圖2可知，隨著絲氨酸鈉用量的不斷增加，生成物的產(chǎn)率也在不斷增加。當(dāng)投料比達(dá)到1∶1.2(摩爾比)以后，再增加絲氨酸鈉的投入量產(chǎn)物產(chǎn)率不再增加。絲氨酸鈉投入量的繼續(xù)增加，阻礙了反應(yīng)體系中分子相互接觸[12]，從而降低產(chǎn)率。所以投料比控制在1∶1.2(摩爾比)較為適宜。

圖2 投料比對(duì)產(chǎn)物SASP產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of feeding ratio on the yield of SASP

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(絲氨酸鈉)=1∶1.2，催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%，PEG-200用量為花生油甲酯質(zhì)量的1倍，反應(yīng)時(shí)間4 h，考察改變反應(yīng)溫度對(duì)花生油?；z氨酸產(chǎn)率的影響，如圖3所示，隨著反應(yīng)溫度的升高，花生油?；z氨酸的產(chǎn)率也增加。這是由于隨著溫度的升高，分子的運(yùn)動(dòng)速率也在加快。當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃后，產(chǎn)率不再增加并有下降的趨勢(shì)，這是由于產(chǎn)物在過高的溫度下會(huì)發(fā)生分解[13]，并且過高的溫度會(huì)使副產(chǎn)物生成過多從而造成產(chǎn)物的色澤加深，給產(chǎn)物的后處理過程增加了難度。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素及產(chǎn)品質(zhì)量因素，反應(yīng)溫度為120 ℃較合適。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物SASP產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on the yield of SASP

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(絲氨酸鈉)=1∶1.2，催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%，PEG-200用量為花生油甲酯質(zhì)量的1倍，反應(yīng)溫度120 ℃，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)花生油?；z氨酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖4。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間不足時(shí)，花生油甲酯與絲氨酸鈉的反應(yīng)不夠充分，產(chǎn)率較低；在超過4 h后，產(chǎn)率趨于平穩(wěn)，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響不大。因此反應(yīng)時(shí)間為4 h較適宜。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物SASP產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of reaction time on the yield of SASP

2.1.5 PEG-200的用量對(duì)產(chǎn)率的影響

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(絲氨酸鈉)=1∶1.2，催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%，反應(yīng)溫度120 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，改變PEG-200的用量，產(chǎn)物產(chǎn)率的變化如圖5所示。加入PEG-200可以提高產(chǎn)物的產(chǎn)率，但是當(dāng)加入量超過花生油甲酯的1.15倍時(shí)產(chǎn)率反而降低。這是因?yàn)榇朔磻?yīng)的生成物粗花生油?；z氨酸鈉在反應(yīng)體系中呈棕黃色的膏狀液體，并且質(zhì)地黏稠、不易攪拌。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成物含量逐漸增多，反應(yīng)物在反應(yīng)體系中相互黏結(jié)，不利于反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)生。適量加入PEG-200會(huì)調(diào)節(jié)反應(yīng)物黏度，使反應(yīng)正常進(jìn)行，且不用分離提純。但是，當(dāng)PEG-200的加入量過大時(shí)反而會(huì)稀釋反應(yīng)液濃度，從而降低花生油?；z氨酸鈉的產(chǎn)率。

圖5 PEG-200用量對(duì)產(chǎn)物SASP產(chǎn)率的影響Fig.5 Effect of PEG-200 dosage on the yield of SASP

綜合單因素實(shí)驗(yàn)，在n(花生油甲酯)∶n(絲氨酸鈉)=1∶1.2、催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%、PEG-200的用量為花生油甲酯質(zhì)量的1.15倍、反應(yīng)溫度120 ℃、反應(yīng)時(shí)間4 h的條件下，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，合成的花生油?；z氨酸的平均產(chǎn)率可達(dá)87.58%。

2.2 活性物含量測(cè)定及結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 總活性物含量的測(cè)定

采用溴甲酚綠染色-陽離子(海明溶液)兩相滴定法進(jìn)行粗產(chǎn)品中總活性物含量的測(cè)定，結(jié)果見表1。產(chǎn)品中皂的質(zhì)量摩爾濃度為0.77 mmol/g，總活性物質(zhì)量摩爾濃度為2.6 mmol/g。

表1 總活性物摩爾分?jǐn)?shù)的測(cè)定Tab.1 Determination of molar fraction of total active substances

2.2.2 熔點(diǎn)測(cè)定

取1 mg樣品干燥后置于載玻片上，用顯微熔點(diǎn)儀測(cè)定，產(chǎn)品的熔程為127～129 ℃。

2.2.3 元素分析

使用元素分析儀測(cè)定產(chǎn)品中N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，合成的花生油?；z氨酸鈉中氮元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為產(chǎn)品的2.430%。產(chǎn)品的純度大于67.12%。

表2 產(chǎn)物的元素分析結(jié)果Tab.2 Elemental analysis results of the product

2.2.4 紅外光譜

圖6 產(chǎn)物紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of the product

2.2.5 核磁共振氫譜

以四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)物，CDCl3為氘代溶劑，對(duì)合成的樣品進(jìn)行1H-NMR分析，結(jié)果見圖7，溶劑峰位移為7.26，其余峰值見表3。

圖7 花生油?；z氨酸的1H-NMR譜圖Fig.7 1H-NMR spectrum of sodium fatty acyl serine of peanut oil

表3 花生油酰基絲氨酸的1H-NMR譜圖解析Tab.3 Analysis of 1H-NMR spectrum of sodium fatty acyl serine of peanut oil

3 結(jié) 論

以自制花生油甲酯和絲氨酸鈉為原料，通過酰化反應(yīng)合成花生油?；z氨酸鈉。經(jīng)單因素實(shí)驗(yàn)，在花生油甲酯與絲氨酸鈉的投料摩爾比為1∶1.2，催化劑甲醇鈉投入量為花生油甲酯質(zhì)量的7.2%，PEG-200用量為花生油甲酯質(zhì)量的1.15倍，120 ℃反應(yīng)4 h，產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá) 87.58%，產(chǎn)品純度大于67.12%，產(chǎn)品總活性物質(zhì)量摩爾濃度可達(dá)2.6 mmol/g，溶程為127～129 ℃。通過紅外光譜、核磁共振氫譜對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，證明產(chǎn)物為目標(biāo)化合物。

以天然油脂花生油合成的花生油甲酯為原料，通過酰化反應(yīng)合成的花生油酰基絲氨酸鈉表面活性劑，原料天然，工藝簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保，產(chǎn)品性能溫和，具有較大的研發(fā)潛力。