響應面法優化麥芽糖水解制備5-羥甲基糠醛

王永貴， 任淑芝， 耿慶保， 張偉鋼， 葛秀濤

(1. 滁州學院 材料與化學工程學院， 安徽 滁州 239000； 2. 安徽金禾實業股份有限公司， 安徽 滁州 239000)

19世紀以來，人類以化石資源為物質基礎，化學工業文明取得了輝煌成就，然而化石資源是儲量有限的不可再生資源，會不可避免地走向衰竭，而且化石資源的長期開發和使用也給人類帶來了空氣污染、水污染、全球變暖等問題，因此尋找可代替化石資源的其他資源是當代主要任務，同時發展低碳經濟成為全球關注的焦點。生物質資源是指可再生的有機物質，包括農作物、樹木等植物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物等，可通過工業加工轉化，生產生物基產品和生物燃料以及獲得生物能源。生物質數量龐大，價格低廉，可以被生物降解，是可持續資源，生物質資源的利用是解決全球能源危機的重要途徑。相應的以可再生的生物質資源生產高附加值的化工產品成為研究的熱點[1]。作為一種生物質轉化過程中重要的平臺化合物，5-羥甲基糠醛(5-HMF)分子中含有羥甲基和醛基，能夠發生酯化、縮合、氧化等化學反應合成不同性能的產品，并廣泛應用于醫藥、塑料、農藥、香料等方面[2-4]。5-HMF可由常見的糖類經酸性催化劑催化脫水制備，由于糖類具有可再生性，以它作為“綠色化工”的原料逐漸成為合成工業研究的熱點，并有望成為替代化石資源合成化學品的重要物質。但一般條件下，由糖轉化為5-HMF的轉化率不高，且一般都以有機物為溶劑，環境污染較高。本研究以生物質資源麥芽糖為原料，嘗試以水為溶劑制備5-HMF，以減少有機溶劑污染，同時提高糖轉化為5-HMF的轉化率。首先對麥芽糖脫水閉環生成5-HMF的催化劑進行了篩選，然后研究各反應條件對產物5-HMF收率的影響，并通過響應面法[5-6]對反應條件進行優化，以提高轉化率，使麥芽糖轉化為5-HMF這一反應被賦予一定的經濟意義。

1 實 驗

1.1 原料和儀器

麥芽糖：食品級，北京奧博星生物科技有限公司；硫酸、乙酸鋅、鹽酸、氫氧化鈉、二氯甲烷、乙醚均為市售分析純。5-羥甲基糠醛標準品(純度≥99.5%)，購于阿拉丁試劑公司。

752N型紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿有限公司；紅外光譜儀Nicolet 6700，美國Thermo公司。

1.2 5-羥甲基糠醛的制備

將10 g麥芽糖、 50 g水加入配有攪拌器、回流冷凝器的三口瓶中，在50 ℃左右加熱，溶解后加入適量催化劑，在一定溫度下攪拌反應一定時間。反應完畢，取一定體積的溶液，稀釋500倍，用紫外可見分光光度法對產品的含量進行測定(λ=284 nm)[7]。反應結束后，加入二氯甲烷萃取，分離出混合物中的有機相，將所有有機相合并，再用飽和食鹽水洗滌、無水硫酸鎂干燥后，減壓蒸餾除去有機溶劑，得到粗品為黏稠狀褐色物質。采用柱層析(40～50m硅膠)分離粗品，洗脫液為體積比1∶4的石油醚與乙醚混合液，然后減壓蒸餾去除有機溶劑后得到黃色固體，即為5-HMF。

1.3 5-羥甲基糠醛收率的計算

圖1 5-羥甲基糠醛溶液標準曲線Fig. 1 Standard curve of 5-HMF solution

參照文獻[8]的方法進行濃度和收率的計算，首先配制不同濃度的5-HMF溶液，在284 nm處測其吸光度值(A)，繪制 5-HMF的標準曲線如圖1所示，經擬合得5-HMF濃度和吸光度的回歸方程為C=0.07142A- 0.0067。取適量反應液，稀釋不同倍數后用分光光度計測在284 nm處得吸光度值A，代入5-HMF標準曲線中計算出反應液中5-HMF的濃度。根據下式計算其收率(Y)：

Y=C1V/M0× 100%

式中:C1—反應液中5-HMF濃度，mmol/L;V—反應液體積，mL;M0—5-HMF理論產量，mmol。

2 結果與討論

2.1 原理

麥芽糖是可再生資源，也是常見的食品添加劑，麥芽糖酸化水解生成一分子果糖和一分子葡萄糖，果糖進而轉化為5-羥甲基糠醛，相關文獻已經成功將果糖轉化為5-羥甲基糠醛[9-12]。本研究擬利用麥芽糖的水解，在催化劑作用下，制備5-羥甲基糠醛，并對其進行提純和表征，其機理是麥芽糖酸化水解生成果糖和葡萄糖，果糖和葡萄糖進而脫水閉環得5-羥甲基糠醛，其反應機理如圖2所示。

圖2 麥芽糖脫水關環為5-HMF的機理Fig. 2 Mechanism of maltose degradation for 5-hydroxymethylfurfural

2.2 催化劑選擇

圖3 催化劑種類及用量對產物吸光度的影響Fig. 3 Effect of types and dosage of catalysts on absorbance

為了選擇合適的催化劑及其用量，在反應溫度95 ℃、反應時間6 h、麥芽糖10 g、水50 g的條件下，分別用磷酸、硫酸、乙酸鋅及氫氧化鈉作為催化劑進行實驗，結果如圖3所示。

由圖3容易看出在反應溫度、反應時間一定時，硫酸的催化性能最低，氫氧化鈉的催化能力遠高于其他催化劑，且用量比較少，這是由于催化體系的堿性強有利于麥芽糖的分解和羥基的質子化反應，更有利于反應過程中質子和水的脫除，同時對產物5-HMF具有良好的穩定作用，故選用氫氧化鈉作為反應的催化劑。隨著NaOH用量的增加，催化性能先增強后有所降低，當用量為2 g時，反應達到最佳效果，因此適宜的催化劑氫氧化鈉的用量2.0 g。

2.3 反應條件的優化

2.3.1單因素試驗 影響麥芽糖轉化為5-羥甲基糠醛反應的主要因素除了催化劑用量外，還有反應溫度和反應時間，考察反應溫度、反應時間對收率的影響(考察反應溫度影響時，反應時間6 h，考察反應時間影響時，反應溫度90 ℃,催化劑用量統一為2 g，其他條件同2.2節)，結果如圖4所示。

圖4 反應溫度(a)和反應時間(b)對收率的影響Fig. 4 Effect of temperature(a) and time(b) on yield

從圖4(a)和(b)可以看出，隨著反應溫度的升高和時間的延長，收率先升高后降低，這是因為溫度升高有利于麥芽糖的分解和羥基的質子化反應，反應時間延長有利于反應過程中質子和水的脫除，但是，溫度過高和時間過長，反而對反應不利，主要是副產物生成過多。反應溫度95 ℃時，收率達到最大，為67.5%；反應時間6 h時，收率達到最大，為69.2%。因此，適宜的反應溫度和時間分別為95 ℃和6 h。

2.3.2響應面優化法 結合單因素試驗的結果，選取影響反應的 3 個主要因素: 反應溫度(X1)、反應時間(X2)和催化劑氫氧化鈉用量(X3)，以5-羥甲基糠醛收率(Y) 為響應值，利用 Design-expert 8.06軟件的Box-Benhnken實驗設計原理設計3因素3水平響應面分析試驗方案。試驗設計及結果如表1所示。通過 Design-expert 8.06軟件對試驗數據進行回歸分析，利用響應曲面圖分析各因素相互作用及對收率的影響，最后在相應的水平范圍內求出制備5-HMF的最佳工藝條件，并通過驗證實驗對預測結果進行檢驗。

表1 響應曲面設計方案及實驗結果

通過3因素互相影響收率的回歸方程，用Design-expert軟件分析后建立三維響應曲面圖，結果如圖5所示。對該組圖的任意2個因素交互對收率的影響進行響應面的分析，得到麥芽糖脫水合成5-HMF的最佳條件。

圖5 兩交互因素影響的響應面圖Fig. 5 Response surface plots of the reciprocal effect of two factors

通過對圖5各因素兩兩相互作用的響應曲面圖觀察，曲線越陡，響應越顯著。隨反應時間的延長，反應程度先增后減；而隨催化劑用量的增大，反應程度逐漸減小，同時出現炭化現象，所以催化劑用量不能過大；反應溫度的增加使反應程度先增后減，且溫度超過100 ℃時，反應程度減小。根據Design-expert軟件分析與回歸方程的圓整，得出最佳反應條件為溫度95.20 ℃，催化劑氫氧化鈉2.25 g，反應時間6.17 h。在此反應條件下，5-羥甲基糠醛的收率達61.13%。

2.4 紅外光譜分析

圖6 5-HMF標準品(a)與產品(b)的紅外譜圖Fig. 6 FT-IR spectra of standard of 5-HMF(a) and sample(b)

3 結 論

以生物質資源麥芽糖為原料，水為溶劑，通過考察磷酸、硫酸、乙酸鋅和氫氧化鈉為催化劑對5-羥甲基糠醛制備的催化效果，結果表明氫氧化鈉的催化能力遠高于其他催化劑，且用量較少，在常壓下成功制備了5-羥甲基糠醛。采用響應面分析法對麥芽糖水解關環合成5-羥甲基糠醛的工藝進行優化，確定出最佳工藝條件為反應溫度95.20 ℃、催化劑氫氧化鈉用量2.25 g、反應時間6.17 h。在此反應條件下，5-羥甲基糠醛的收率達61.13 %。由紅外數據及5-羥甲基糠醛標準品譜圖和產品的紅外譜圖一致可知麥芽糖可成功制備5-HMF。采用可降解的生物質材料麥芽糖為主要原料，以水為溶劑，減少對環境的污染，具有一定的應用前景。