酶法催化漆蠟合成漆蠟基異丙酯工藝研究

馬余璐， 王成章，3，周 昊，3，葉建中，3，胡 軍

(1.中國林業科學研究院 林業新技術研究所，北京 100091; 2.中國林業科學研究院 林產化學工業研究所, 生物質化學利用國家工程實驗室,國家林業局 林產化學工程重點開放性實驗室，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，其分散系數大，有抗靜電、穩定、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、細膩，從而提高產品的質量。在制品成型時，脂肪酸異丙酯還會起到增黏劑、增塑劑及遮光劑的作用。脂肪酸異丙酯被認為是滲透力最好的產品之一，具有極佳的保水潤濕性能。同時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用品外，還可加入生物柴油中，以改善生物柴油性能[5]，增強其潤滑性，改善凝點、冷濾點等低溫流動性能[6]。

漆蠟是漆樹的果實漆籽經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]。漆蠟是生產脂肪酸酯類化工產品的優秀原料，被廣泛應用于涂料、日用化妝品、電子技術、紡織印染、高級化妝品、醫藥等行業[15]。在我國，漆樹每年的果實產量可達200萬t以上[16]，是有待開發的寶貴經濟資源。但國內漆蠟加工技術落后[17]，限制了漆蠟的利用。因此，需要對漆蠟原料進行化學改性處理，以提高漆蠟的市場競爭力。

在脂肪酶的催化下，漆蠟中的甘油三酯與異丙醇發生酯交換反應，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通常被認為是水解和酯化分步過程，即在酶催化微水環境中，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不完全，或者酶水解產生的游離脂肪酸與異丙醇酯化不完全，反應體系中游離脂肪酸會產生較高酸價。本文以反應前后油脂的酸價為考察指標，漆蠟為研究對象，進行酶法催化漆蠟基異丙酯的生產工藝優化，為開發高附加值的漆蠟精細品奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

精制漆蠟(理化指標見表1)，中國林業科學研究院林產化學工業研究所；Novozyme 435脂肪酶，諾維信中國技術有限公司；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，賽多利斯科學儀器有限公司；SHA-82A水浴恒溫振蕩器，精達儀器制造有限公司；Nicoletis10 型紅外光譜儀，美國NICOLET公司；Agilent 6890/5973GC-MS型氣-質聯用儀，美國安捷倫公司。

表1 精制漆蠟理化指標

1.2 試驗方法

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行反應，反應結束后冷卻至室溫(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產物漆蠟基異丙酯。

1.2.2 酸價的測定及酯交換率的計算

按GB/T 5530—1985測定酸價，按下式計算酯交換率(α)[5]。

α=(反應前原料酸價-反應后產物酸價)/反應前原料酸價×100%

1.2.3 產物FT-IR表征

使用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進行結構表征。KBr壓片，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率0.5 cm-1，掃描次數40。

1.2.4 GC-MS分析產物組成

GC分析條件：KB-Pesticides B毛細管柱(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，質量掃描范圍50～500。

2 結果與分析

2.1 產物的結構鑒定

在漆蠟10 g、漆蠟質量與異丙醇體積比 1∶5、反應溫度50℃、反應時間12 h、Novozyme 435脂肪酶加量5 g/L條件下，進行酯交換反應，將所得產物用傅里葉紅外光譜儀進行表征，結果如圖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、漆蠟質量與異丙醇體積比 1∶5、反應溫度55℃、反應時間12 h、脂肪酶加量5 g/L條件下，對3種脂肪酶的催化活性進行比較，結果見圖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，易與溶劑進行分離，脂肪酶A和脂肪酶B容易與油脂發生乳化，不易萃取分離。因此，選擇Novozyme 435脂肪酶作為催化劑進行后續試驗。

2.3 單因素試驗

2.3.1 醇蠟比的影響

在反應溫度55℃、反應時間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量比，下同)分別為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1時對反應的影響，結果見圖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，當醇蠟比超過5∶1后，脂肪酸異丙酯的生成速率變慢。同時從節約成本的角度考慮，選擇醇蠟比為5∶1較為適宜。

2.3.2 反應溫度的影響

反應溫度是酶促反應中重要的因素之一，反應溫度過高會使脂肪酶失活，同時造成異丙醇的揮發；但是反應溫度過低，脂肪酶的活性降低，無法促進反應的順利進行。在醇蠟比5∶1、Novozyme 435脂肪酶加量5 g/L、反應時間24 h條件下，考察反應溫度分別為40、45、50、55、60℃時對反應的影響，結果見圖4。

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

圖4 反應溫度的影響

2.3.3 脂肪酶加量的影響

在反應溫度55℃、醇蠟比5∶1、反應時間24 h條件下，考察Novozyme 435脂肪酶加量分別為2、6、10、14、18 g/L時對反應的影響，結果見圖5。

圖5 脂肪酶加量的影響

由圖5可見，當反應體系中脂肪酶加量增加時，反應底物與脂肪酶之間的接觸增多，被轉化為脂肪酸異丙酯的游離脂肪酸增多，酯交換率增大，但是當反應體系的脂肪酶加量達到一定程度后，再提高脂肪酶加量，對反應并不會產生顯著的影響。綜合生產成本的考慮，選擇脂肪酶加量為10 g/L。

2.3.4 反應時間的影響

在反應溫度55℃、醇蠟比5∶1、Novozyme 435 脂肪酶加量10 g/L條件下，考察反應時間分別為12、24、36、48、60 h時對反應的影響，結果見圖6。

圖6 反應時間的影響

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

2.4 正交試驗

根據單因素試驗結果，選取醇蠟比、酶加量、反應溫度和反應時間作為考察因素，以酯交換率為考察指標，選用L93(4)正交試驗表進行正交試驗。正交試驗因素水平見表2，正交試驗方案及結果見表3,方差分析見表4。

表2 正交試驗因素水平

表3 正交試驗方案及結果

表4 方差分析

由表3和表4可知，各因素對結果影響大小順序為D>C>A>B，即反應時間>反應溫度>醇蠟比>酶加量，最佳反應條件為A1B2C2D3，即醇蠟比4∶1、酶加量10 g/L、反應溫度55℃、反應時間36 h。最佳條件下，酯交換率為86.7%，酸價(KOH)為3.28 mg/g( <5 mg/g)。

將最佳條件下合成的產物進行GC-MS檢測，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

編號保留時間分子式化學名稱含量/%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 論

本試驗主要對脂肪酶催化漆蠟與異丙醇酯交換反應生成脂肪酸異丙酯的最佳條件進行了研究。采用FT-IR對合成產物進行結構鑒定。通過單因素試驗與正交試驗相結合的方法，確定最佳合成條件為：醇蠟比4∶1，Novozyme 435脂肪酶加量10 g/L，反應溫度55℃，反應時間36 h。最佳條件下，酯交換率為86.7%，漆蠟基異丙酯的酸價(KOH)為3.28 mg/g，滿足化妝品行業要求。對最佳條件下生產的漆蠟基異丙酯進行GC-MS分析，結果表明漆蠟基異丙酯中棕櫚酸異丙酯含量達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%。