氫氧化鋇催化酯交換反應制備甘油磷脂酰膽堿的研究

李紅亞 嚴彪 馬向榮

摘 ? ? ?要：以天然磷脂酰膽堿為原料，氫氧化鋇為催化劑，通過酯交換反應制備甘油磷脂酰膽堿。主要研究了催化劑用量、反應溫度、攪拌轉速及反應時間對原料轉化率和產物收率的影響。結果表明：當攪拌轉速為400 r·min-1、催化劑投加量為1.65 g·L-1、反應溫度40 ℃、原料液濃度為10 g·L-1、反應時間為180 min的條件下，磷脂酰膽堿轉化率可達到100%，且催化劑穩定性良好。

關 ?鍵 ?詞：甘油磷脂酰膽;磷脂酰膽堿;氫氧化鋇

中圖分類號：TQ032.41 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1584-04

Abstract： Glycerylphosphatidylcholine was prepared by transesterification with natural phosphatidylcholine as raw material and barium hydroxide as catalyst. The effect of catalyst dosage， reaction temperature， reaction time and stirring speed on the raw material conversion and product yield was studied. The results showed that， when the stirring speed was 400 r·min-1， the amount of catalyst added was 1.65 g·L-1， the reaction temperature was 40 ℃， the concentration of the raw material was 10 g·L-1， and reaction time was 180 min， the phosphatidylcholine conversion rate reached 100%， and the stability of catalyst was satisfying.

Key words： Glycerophosphocholine; Phosphatidylcholine; Barium hydroxide

甘油磷脂酰膽堿（GPC）是一種人類必需的營養物質，也是一種具有生理活性的磷脂水解產物，同時是細胞膜保護劑和滲透壓保護劑[1]。GPC在人體內發揮著重要作用，它不僅可以提高健康青少年的記憶力和促進產生生長激素，而且對老年癡呆、中風等也有很好的預防效果，可廣泛用于醫藥、美容、保健品等行業，對生命健康起著至關重要的作用[2-3]。隨著人們生活質量的不斷提高，人們對健康的關注度也越來越高。在這種需求度下，磷脂類保健品受到大眾尤其老年人的追捧，這為磷脂類產品的研發和應用開辟了一條光明大道。

迄今為止，制備GPC的方法很多，最早是生物提取法，該法主要是以牛胰臟、狐貍和兔子的心肌等為原料，通過萃取提純得到目標產物GPC[4-5]。但是由于原料來源受限，處理量小，且制備工藝復雜，成本高，不適合商業化生產。為克服生物提取法存在的問題，逐漸出現化學合成法制備GPC的報道[5]。Puricelli[6]利用D-亞異丙基甘油與對甲苯磺酰氯反應后再與磷酸膽堿四甲基銨鹽縮合，最后水解得到GPC。Seok等[7]將2，3-環氧-1-丙醇與磷酸膽堿在異丙胺存在的條件下，進行親核加成反應，得到純度較高的GPC。陳新等[8]在堿性條件下，利用（S）-縮水甘油制備得到（2R）-縮水甘油對甲苯磺酸酯，再與磷酸膽堿四乙基銨鹽進行縮合反應，后經處理得到甘油磷酸膽堿[5]。化學合成法雖然提高了產物甘油磷酸膽堿的收率，但是通常需要經過多步反應，過程復雜。因此以磷脂為原料通過酯交換法制備GPC的方法更受大家關注，課題組先后以天然磷脂為原料，自制樹脂及低沸點胺為催化劑對催化酯交換反應制備GPC進行了系統的研究[9-12]，其副反應比較少、原料天然無毒、健康環保。

本研究以天然磷脂酰膽堿（PC）為原料，以便宜易得、催化活性好、穩定性高的氫氧化鋇作為催化劑，考察了催化劑濃度、攪拌速率、反應溫度這些影響因素對酯交換反應的影響，從而確定其最佳工藝條件。

1 ?實驗部分

1.1 ?試劑與儀器

試劑：蛋黃磷脂（PC質量分數60%）購自北京美亞斯磷脂技術有限公司; 三氯甲烷、氫氧化鋇、甲醇、乙醇、碘等均為分析純。

儀器：數顯集熱式磁力攪拌器（DF-Ⅱ型，重慶吉祥教學實驗設備有限公司）;掃描儀（LiDE110型，佳能公司）;鼓風干燥箱（DHG-9013A型，昆山-恒儀器有限公司）;高速醫用離心機（G20型，北京白洋醫療有限公司）。

1.2 ?酯交換反應過程

準確稱取質量為5.0 g的蛋黃磷脂，溶于500 mL甲醇中，濾去不溶物，得到濃度為10 g·L-1的原料液。移取20 mL原料液加入100 mL帶冷凝回流的圓底燒瓶中，并置于帶磁力攪拌的恒溫水浴鍋中，實驗裝置如圖1所示，加熱到設定溫度后，加入一定量催化劑，開啟攪拌進行反應。每隔0.5 h取樣一次，每次取樣0.1 mL于1.5 L離心管中，總共反應4 h。

1.3 ?分析方法

本實驗反應液中PC的含量采取薄層色譜法進行檢測，分析前對樣品進行離心分離，所用展開劑為三氯甲烷∶甲醇∶蒸餾水=65∶25∶4（體積比）。展板結束后、干燥、碘缸中進行染色，直到顯示出黃色斑點。用掃描儀掃描薄層板上的圖像保存后，用photoshop軟件進行處理，準確記錄各個斑點的像素，將各個斑點的像素與原樣PC像素進行比較，計算出PC轉化率，具體計算分析如下：

反應液中GPC的含量也采用薄層色譜法分析，展開劑為正丙醇∶5 mol·L-1氨水=6.5∶3.5（體積比），在計算GPC收率時需要標準工作曲線進行對照[5]，GPC標準曲線如圖2所示。

2 ?結果與討論

2.1 ?催化劑用量對酯交換反應的影響

催化劑加入量的多少對催化反應過程有著顯著的影響，不僅影響原料轉化率和反應速度，同時也會影響后續產物的分離過程[13]。在反應溫度為40 ℃，攪拌轉速為400 r·min-1的條件下考查不同催化劑用量（1.45、1.55、1.65、1.75 g·L-1）對酯交換反應的影響情況，結果如圖3和圖4所示。

催化劑用量的增加使得其與PC的活性位點更加有效的接觸，從結果可以看出，反應物的轉化率和產物的收率都隨之增加。可當催化劑用量高于1.65 g·L-1時，無論是PC轉化率還是GPC的收率增加都不明顯，而且此時PC轉化率已可達到100%，所以在后面的實驗過程中，將催化劑用量定為1.65 g·L-1。

2.2 ?反應溫度對酯交換反應的影響

對于催化反應來說，反應溫度會影響反應的速度、轉化率、反應物的傳質。根據阿倫尼烏斯方程，一般情況下，溫度越高，反應速率越大，反應更徹底[14]。可是溫度太高易引發副反應而且消耗的能量也多。在催化劑用量為1.65 g·L-1，攪拌速度為400 r·min-1，反應時間為4 h的情況下，進一步探究不同反應溫度（30、40、50、60 ℃）對酯交換反應的影響，結果如圖5和圖6所示。

從實驗結果可以看出，隨著反應溫度的提高，因為反應物能量增加，分子之間的碰撞變得頻繁，增加了反應物與催化劑間的接觸，所以PC轉化率和GPC收率不斷增加，但是反應溫度高于40 ℃，溫度對反應影響已經微乎其微，尤其是對GPC的收率幾乎沒有影響，所以在后續實驗中反應溫度定為40 ℃。

2.3 ?攪拌速度對酯交換反應的影響

在非均相催化反應體系中，加快攪拌有利于增大催化劑與反應物間的接觸頻率，從而促進反應過程中的傳質傳熱，從而加快反應的進行。在催化劑用量為1.65 g·L-1，反應溫度為40 ℃的條件下，改變攪拌轉速，分別在200、300、400、500 r·min-1下考察不同攪拌轉速對酯交換反應過程的影響，結果如圖7和圖8。

從圖中可以看出，隨著攪拌速度的增加，在相同的時間間隔里PC轉化率隨之增加，攪拌速度的增大加大了氫氧化鋇與PC的接觸機會，可以促進反應快速進行;但是當攪拌速度大于400 r·min-1的時候，繼續加快攪拌速度的時候PC轉化率的變化并不明顯，當攪拌速度為400 r·min-1的時候，反應3 h PC轉化率已經達到100%，攪拌速度對GPC收率的影響也有類似的規律，所以選擇400 r·min-1為最適宜的攪拌速度。

2.4 ?催化劑穩定性研究

酯交換反應結束后，將催化劑過濾收集并用無水甲醇洗滌后重復使用，在催化劑用量為1.65 g·L-1，反應溫度為40 ℃的條件下，攪拌轉速為400 r·min-1的條件下考察催化劑多次回收循環使用下的情況，結果見圖9和10。不難看出在相同的反應條件下，催化劑重復使用4次后，無論是PC轉化率還是GPC收率變化都很小，催化劑活性幾乎不變，說明在整個實驗過程中催化劑穩定性良好。

3 ?結論

為了使GPC的制備更安全、高效，本實驗對氫氧化鋇做催化劑酯交換制備GPC的工藝條件進行了優化，結果顯示：氫氧化鋇做催化劑時，在攪拌速度為400 r·min-1、催化劑用量為1.65 g·L-1、反應溫度40 ℃、磷脂酰膽堿質量濃度為10 g·L-1、反應時間為240 min的條件下，磷脂酰膽堿轉化率可達到100%，反應效果最佳，且整個實驗過程中催化劑穩定性良好。

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