＊?jiǎng)⒈?吳克 吳環(huán) 田夢真

（合肥學(xué)院生物食品與環(huán)境學(xué)院 安徽 230061）

生物柴油就是長碳鏈脂肪酸甲酯類物質(zhì)，其成分主要為短碳鏈醇類如甲醇、乙醇等與脂肪酸或者甘油三酯經(jīng)過一系列反應(yīng)（酯化或者酯交換）來進(jìn)行生產(chǎn)，市場上銷售的生物柴油主要成分是脂肪酸甲酯。生物柴油和化石燃料柴油相比，具有可再生、易生物降解、無毒、不污染環(huán)境、環(huán)境友好等特點(diǎn)。它可以作為一種重要的新能源部分取代化石燃料柴油[1]。

生物柴油生產(chǎn)方法主要有生物酶催化[2-4]、堿、酸[5-10]催化短碳鏈醇類和甘油三酯反應(yīng)合成。在工業(yè)上已經(jīng)成功應(yīng)用的主要是堿催化法。酸催化主要利用泔水油來合成，但是反應(yīng)速度相對較慢，設(shè)備要求較高。酸堿催化法存在能耗較高、有用副產(chǎn)品回收困難以及產(chǎn)生較多環(huán)境污染等問題[11-12]。酶催化生產(chǎn)生物柴油具有較高的催化效率，反應(yīng)溫和，耗能少、生成的甘油易回收，可以解決利用化學(xué)方法酸堿催化劑來進(jìn)行催化生產(chǎn)生物柴油存在的分離困難、耗能較大、副產(chǎn)物多的缺點(diǎn)。本文就是利用脂肪酶非水相催化合成脂肪酸甲酯（生物柴油主要成分）的初步研究，并對合成產(chǎn)物進(jìn)行了定性分析。

1.試驗(yàn)部分

(1)試劑與儀器

脂肪酶（市購，活力5000IU/g），大豆色拉油（市售），甲醇（AR），正己烷（AR），二十二烯酸甲酯，亞油酸甲酯，硬脂酸甲酯，棕櫚酸甲酯均為色譜純。GC 9790氣相色譜儀。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①酯化率的測定

用NaOH滴定法，酯化率=反應(yīng)了的脂肪酸量/初始加入的脂肪酸的量×100%。

②脂肪酸的制備

大豆色拉油→在酸性條件下＋催化劑→產(chǎn)物→純化→脂肪酸。

③酶催化合成脂肪酸甲酯的方法

基本反應(yīng)體系：稱取20g脂肪酸于500mL平底燒瓶，加正己烷20g，加酶粉，加甲醇，40℃密閉攪拌反應(yīng)8h。改變不同的條件（不同溶劑、不同酶量、不同時(shí)間、不同溫度、甲醇添加次數(shù)等）。

④氣相色譜分析脂肪酸甲酯

取產(chǎn)品0.2mL，用2mL的正己烷溶解，吸取0.8μL進(jìn)樣。

⑤氣相色譜分析條件

GC9790氣相色譜儀，OV-1毛細(xì)管柱（0.25mm×30m）。FID檢測器溫度為280℃，汽化室溫度為300℃，柱升溫程序：以190℃開始，保持3min，以2℃/min升至280℃，保持4min，以5℃/min升至300℃，載氣為高純氮?dú)猓?9.0mL/min；氫氣：40mL/min；空氣400mL/min。

2.結(jié)果與討論

(1)底物摩爾比對合成轉(zhuǎn)化率的影響

在正己烷溶劑中，連續(xù)改變脂肪酸與甲醇的摩爾比，反應(yīng)至8h取樣，測定酯合成轉(zhuǎn)化率（見圖1）。圖1顯示，脂肪酸和甲醇的比值影響生物柴油合成轉(zhuǎn)化率，當(dāng)脂肪酸:甲醇在1:1.4～1:2.0時(shí)，酯的轉(zhuǎn)化率都在70%以上。脂肪酸與甲醇的摩爾比以1:1.6最佳。

圖1 底物摩爾比對酯化的影響

(2)甲醇添加次數(shù)對酯化的影響

按最佳摩爾比（甲醇1.6:脂肪酸1），甲醇分1-9次加入（總甲醇量不變）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見下圖。

從圖2結(jié)果表明，如果一次性加入3.6g甲醇，酯化率只有28%，這是因?yàn)榧状紳舛冗^大，會(huì)使脂肪酶活性受到抑制，從而降低酯化率。所以，甲醇應(yīng)該少量批次加入，可以顯著提高酯化率。當(dāng)分批加入小于0.5mol當(dāng)量的甲醇時(shí)，8次以后酯化率逐漸趨于平衡。

圖2 甲醇添加次數(shù)對酯化的影響

(3)脂肪酶的用量對酯化的影響

不同的脂肪酶量直接影響著酯化反應(yīng)速度和酯化率，圖3表明，當(dāng)脂肪酶的用量為8.0g時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，增加酶的用量，酯化率卻沒有明顯的提高，而是趨于平衡。此時(shí)酶用量為520IU/g油。

圖3 酶濃度對酯化的影響

(4)反應(yīng)溫度對酯化的影響

在正己烷為溶劑、醇酸摩爾比為1.6:1的體系中，在35℃～60℃范圍內(nèi)反應(yīng)8h，結(jié)果見圖4。由圖可知，脂肪酸甲酯的最佳合成溫度為40℃。

圖4 反應(yīng)溫度對酯化的影響

(5)反應(yīng)時(shí)間對酯化的影響

在最適反應(yīng)條件下，進(jìn)行酯化反應(yīng)，得出酯合成時(shí)間曲線（見圖5）。由圖可知，在最適反應(yīng)條件下，酯化率隨時(shí)間增加而上升，反應(yīng)8h，酯化率達(dá)到最大值96%，8h后，酯化率開始下降。

圖5 時(shí)間對酯化的影響

(6)不同有機(jī)溶劑對酯化的影響

在優(yōu)化條件下，對比了無溶劑體系與有溶劑體系對脂肪酸甲酯合成反應(yīng)的影響，以及不同有機(jī)溶劑對反應(yīng)的影響。由圖6的結(jié)果可了解，反應(yīng)體系中加入有機(jī)溶劑后，反應(yīng)底物分散在整個(gè)溶劑體系中，與酶接觸的比表面積增大，酯化率與無溶劑系統(tǒng)相比有明顯提高。其中正己烷酯化效果最佳，酯化率可以達(dá)到95%以上。

圖6 不同溶劑對酯化過程的影響

(7)正己烷的用量對酯化的影響

隨著溶劑正己烷的用量改變，酯化率也隨之改變。圖7表明，當(dāng)脂肪酸與有機(jī)溶劑正己烷的質(zhì)量比為1:1時(shí)，酯化率達(dá)到最高為97%。

圖7 正己烷的用量對酯化的影響

(8)制得的脂肪酸甲酯理化性質(zhì)

由制備得到的脂肪酸甲酯，在合適條件下進(jìn)行檢測理化指標(biāo)，得到結(jié)果見表1。

表1 18℃下脂肪酸甲酯的理化性質(zhì)

(9)德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)

表2 德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)

由上可知，制備得到的脂肪酸甲酯產(chǎn)品的密度、酸值和水分指標(biāo)接近德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，已可以在柴油機(jī)上進(jìn)行使用。

(10)產(chǎn)品的氣相色譜分析

將產(chǎn)物進(jìn)行分離純化后得到的淡黃色液體，用GC9790氣相色譜儀進(jìn)行成分分析，檢測結(jié)果見圖8，利用脂肪酶在非水相介質(zhì)正己烷中經(jīng)過酯化制備得到的生物柴油（脂肪酸甲酯）主要成分為：二十二烯酸甲酯、棕櫚酸甲酯、亞油酸甲酯和硬脂酸甲酯，含量均在96%以上。

圖8 脂肪酸甲酯色譜圖

3.結(jié)論

在非水相溶劑中，當(dāng)甲醇適當(dāng)過量時(shí)，利用脂肪酶合成脂肪酸甲酯的轉(zhuǎn)化率明顯增高，脂肪酸與甲醇的摩爾比以1:1.6為最佳。甲醇分8次加入時(shí)的脂肪酸甲酯合成轉(zhuǎn)化率最高。不同的脂肪酶量直接影響酯化反應(yīng)速度和酯化率，當(dāng)酶的用量為8g時(shí)酯合成轉(zhuǎn)化率最高。在最適條件下，酯化率隨時(shí)間增加而上升，反應(yīng)8h，酯化率達(dá)到最大值96%，8h后，酯化率開始下降。

以脂肪酸和甲醇為底物，在不同溶劑系統(tǒng)中（正己烷、石油醚、異辛烷、正庚烷、環(huán)己烷和無溶劑體系），使用脂肪酶合成脂肪酸甲酯，結(jié)果表明正己烷酯化效果最好。

脂肪酸甲酯產(chǎn)物經(jīng)氣相色譜分析，主要成分為二十二烯酸甲酯、棕櫚酸甲酯、亞油酸甲酯和硬脂酸甲酯，含量均在96%以上。