復(fù)合催化劑在油酸豆甾醇酯合成中的應(yīng)用

張碩，楊亦文，邢華斌，蘇寶根，張治國，鮑宗必，楊啟煒，任其龍

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復(fù)合催化劑在油酸豆甾醇酯合成中的應(yīng)用

張碩，楊亦文，邢華斌，蘇寶根，張治國，鮑宗必，楊啟煒，任其龍

（浙江大學(xué)生物質(zhì)化工教育部重點實驗室, 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州310027）

以油酸和豆甾醇為原料，研究了以硫酸氫鉀-金屬氧化物為組合的復(fù)合催化劑在酯化合成中的應(yīng)用。首先，通過與其他硫酸鹽的酯化效果進行比較，篩選出KHSO4是適用于酯化合成中高效且安全的催化劑，并將其和不同的金屬氧化物進行組合作為復(fù)合催化劑進一步探究酯化效果。通過實驗結(jié)果比較，得到KHSO4-ZnO作催化劑的酯化率最高。然后，將KHSO4-ZnO作為復(fù)合催化劑，針對催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、酸醇摩爾比等因素進行考察，探究油酸和豆甾醇的最佳酯化條件。得到最佳工藝條件為：在通高純氮氣條件下，選用3.0%KHSO4+1.0%ZnO（以豆甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）為催化劑，油酸和豆甾醇的摩爾比為1.8:1，反應(yīng)的溫度為 150℃，反應(yīng)的時間為7 h，酯化率達到92.17%。本工藝?yán)肒HSO4-ZnO作為復(fù)合催化劑，得到較高的酯化率，實現(xiàn)了一條合成油酸豆甾醇酯的新工藝路線。

復(fù)合催化劑；金屬氧化物；硫酸氫鉀；酯化合成；甾醇酯

引 言

植物甾醇是一種存在于植物中的天然活性物質(zhì)[1]，主要有-谷甾醇、豆甾醇、菜籽甾醇和菜油甾醇等[2-3]。植物甾醇主要通過抑制小腸中膽固醇的吸收，從而降低人體膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇的含量[4-7]。同時，植物甾醇還能夠抗氧化、防癌[2,8]、抗動脈粥樣硬化[9]和消炎退熱、抗病毒[10]等，也具有保健美容[11]等功效，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療品、食品加工和化妝品等行業(yè)[12-14]。但是，植物甾醇的水溶性和脂溶性較差，在人體內(nèi)不易溶解，難以被吸收，從而使用范圍受到限制[15-16]。此外，不飽和脂肪酸有利于軟化血管，在人體的新陳代謝過程中也起著重要作用[17-18]。不飽和脂肪酸植物甾醇酯具有良好的脂溶性，成功地解決了植物甾醇難以溶解的問 題[19-20]，又兼有植物甾醇和不飽和脂肪酸的生物功效。例如，植物甾醇油酸酯、植物甾醇亞油酸酯等可以替代植物甾醇，添加到食品中，能同時增加食品的生物活性[21-23]。

目前，植物甾醇酯的合成主要有化學(xué)合成法和酶促反應(yīng)法[24-29]。酶促反應(yīng)法產(chǎn)率較低、成本高，因此化學(xué)合成法仍是主要方法[30]。化學(xué)合成法常采用強酸(H2SO4、H3PO4等)、強堿(NaOH、甲醇鈉、乙醇鈉等)作為催化劑，但是強酸會引起甾醇的羥基脫水，強堿則會引起皂化反應(yīng)造成損失。此外，強酸強堿等催化劑具有強腐蝕性且不易分離，對于食品安全問題影響嚴(yán)重[31-33]。已有研究表明，相較于強酸強堿類催化劑，金屬氧化物及鹽類作為催化劑，添加少量就可以獲得高酯化率[34-39]。常見的硫酸鹽，如NaHSO4、ZnSO4、CuSO4?5H2O、Al2(SO4)3等和金屬氧化物，如MgO、ZnO、Al2O3等，都是溫和高效的催化劑，也易于處理。如郭濤等[35]報道，用金屬氧化物Al2O3催化植物甾醇酯化，酯化率最高能達到99.5%，但需190℃的高溫，反應(yīng)時間也較長需10 h，易發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)，且經(jīng)濟成本較高。HigginsⅢ[37]報道，用0.1%的硫酸鹽NaHSO4催化油酸和植物甾醇的酯化反應(yīng)時，酯化率能達到98%以上，但反應(yīng)需在真空條件下進行。

為了方便探究酯化規(guī)律，考慮到不飽和脂肪酸和植物甾醇都是混合物，研究不便，本文選擇油酸和豆甾醇為模型化合物進行酯化反應(yīng)的條件研究，以期得到對人體有利的不飽和脂肪酸植物甾醇酯。本文研究了一種在無溶劑體系中，經(jīng)濟、安全、高效的不飽和脂肪酸植物甾醇酯制備過程，結(jié)合了硫酸鹽和金屬氧化物的催化優(yōu)點，探討了復(fù)合催化劑催化油酸、植物甾醇酯化的可行性，并對影響酯化率的因素進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：豆甾醇（西安海斯夫生物科技有限公司 99%）、油酸(國藥集團化學(xué)試劑有限公司，AR)、氧化鎂（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、中性氧化鋁（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、氧化鋅（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、氧化鈣（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸氫鈉（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸氫鉀（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸鋁（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸鐵（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸鋅（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）、硫酸鎂（阿拉丁化學(xué)試劑有限公司，AR）等。

儀器：氣相色譜儀（島津2010）、色譜柱DB-5ht（30 m×0.25 mm×0.10 μm，美國Agilent公司）、IKA磁力攪拌器和恒溫油浴鍋、分液漏斗、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器等。

1.2 實驗步驟

1.2.1 油酸豆甾醇酯的合成方法 在裝有磁子、溫度計、通氣管的50 ml三口燒瓶中，加入經(jīng)70℃預(yù)干燥過夜的0.03 mol豆甾醇原料和一定比例的油酸，將三口燒瓶置于超聲波清洗器中超聲10～20 min以趕走油酸液體中的空氣，然后再將通氣管接高純氮氣。在通氮氣條件下攪拌并油浴加熱，待溫度上升到指定溫度后，加入少量催化劑（添加量以豆甾醇的質(zhì)量百分比計）并開始計時，定時采樣分析。產(chǎn)物用GC分析，計算豆甾醇轉(zhuǎn)化率和酯化率。

1.2.2 轉(zhuǎn)化率和酯化率的測定 氣相色譜條件為：DB-5ht型石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm×0.10 μm），F(xiàn)ID檢測器：進樣量為1.0 μl，進樣溫度350℃，檢測器溫度350℃，載氣為高純氮氣，柱溫從180℃以5℃·min-1升溫至300℃，保持5 min；再以10℃·min-1升溫至350℃，并保持10 min。

通過GC圖譜中各組分的峰面積計算豆甾醇的轉(zhuǎn)化率（DC）、酯化率(DE)和選擇性（），如式（1）～式（3）

其中，以純豆甾醇為標(biāo)準(zhǔn)品，利用外標(biāo)法計算反應(yīng)后體系中豆甾醇的量。

其中，以純油酸豆甾醇酯為標(biāo)準(zhǔn)品，利用外標(biāo)法計算實際生成的油酸豆甾醇酯的物質(zhì)的量；理論生成的油酸豆甾醇酯的物質(zhì)的量即為反應(yīng)初始時原料中豆甾醇的物質(zhì)的量。

其中，DE和DC為通過計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的篩選

首先，通過與其他硫酸鹽等酸式鹽的酯化效果進行比較，篩選出最優(yōu)的硫酸鹽催化劑。然后，再通過不同含量的該硫酸鹽作為催化劑，來確定該硫酸鹽作為催化劑時的最合適的量。由于硫酸鹽催化效率較高[37-39]；金屬氧化物選擇性較高，減少甾醇脫水等副反應(yīng)[34-36]，故將硫酸鹽和4種不同的金屬氧化物（MgO、Al2O3、ZnO、CaO）進行組合，篩選出酯化率最高的硫酸鹽和金屬氧化物作為復(fù)合催化劑。將這組復(fù)合催化劑應(yīng)用于油酸和豆甾醇的酯化反應(yīng)得到油酸豆甾醇酯。

2.1.1 硫酸鹽的篩選 首先，以不同的硫酸鹽為催化劑進行酯化反應(yīng)。在通氮氣保護條件下，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)溫度為150℃，反應(yīng)時間為5 h 的條件下，選用3%（以豆甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，下同）的硫酸氫鈉、硫酸氫鉀、硫酸鋁、硫酸鐵、硫酸鋅、硫酸鎂為不同催化劑添加到反應(yīng)體系中，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見表1。

表1 以不同硫酸鹽為催化劑的酯化率

Note: Reaction temperature is 150℃. Reaction is with the substrate ratio of 2:1 for 5 h. Catalysts are NaHSO4, KHSO4, Al2(SO4)3·18H2O, FeSO4·7H2O, ZnSO4·7H2O, MgSO4·7H2O.

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，硫酸氫鉀作催化劑時得到的油酸和豆甾醇的酯化率最高，為59.92%。所以，選用硫酸氫鉀作為催化劑，進一步進行研究。

2.1.2 以硫酸氫鉀-金屬氧化物為催化劑的篩選 分別選取2%、5%的硫酸氫鉀和0.2%的4種不同金屬氧化物MgO、Al2O3、ZnO、CaO組成8種不同的復(fù)合催化劑，在通氮氣條件下，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)溫度為 150℃，反應(yīng)時間為5 h，進行酯化反應(yīng)，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見表2。

表2 不同硫酸氫鉀-金屬氧化物為催化劑的酯化率

Note: Reaction temperature is 150℃. Reaction is with the substrate ratio of 2:1 for 5 h. Composite catalysts are KHSO4(2%, 5%) and MgO, Al2O3, ZnO, CaO (0.2%).

從表2的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，5%硫酸氫鉀+0.2%氧化鋅的組合作復(fù)合催化劑時得到的油酸和豆甾醇的酯化率最高，為87.98%。所以，選用硫酸氫鉀+氧化鋅的組合作為復(fù)合催化劑。

根據(jù)以上結(jié)果，可以看到硫酸氫鉀和金屬氧化物有良好的催化酯化效果，其反應(yīng)機理可能為：硫酸氫鉀能夠給出H+為質(zhì)子酸，催化酯化的機理同質(zhì)子酸，即將H+轉(zhuǎn)移至羧酸的羰基氧上，增強了羰基碳原子的正電性；而氧化鋅等金屬氧化物，其金屬原子由于價電子層的d軌道或s、p軌道是空軌道，是缺電子體系，它們可以和羧基上的羰基氧配位結(jié)合，從而也增大了羰基碳的親電性。所以，硫酸氫鉀和氧化鋅等氧化物在催化過程中協(xié)同增加了羰基碳的正電子性，從而使得與羰基碳相連的羥基的電子云密度降低，羰基氧原子顯負(fù)性易于與H+結(jié)合。再經(jīng)過電子重排，使羰基碳帶更高的正電性，有利于親核試劑醇的進攻，加速酯化速度。

2.2 單因素實驗

以豆甾醇的酯化率為指標(biāo)，在通氮氣的條件下，選用硫酸氫鉀+氧化鋅的組合作為復(fù)合催化劑，針對催化劑的用量、反應(yīng)的溫度、反應(yīng)的時間、酸醇摩爾比（油酸:豆甾醇，下同）4個合成工藝的影響變量做單因素實驗，從而確定各變量的合適范圍。

2.2.1 催化劑用量對酯化反應(yīng)的影響 根據(jù)以上結(jié)果，選取1.0%、3.0%、5.0%的硫酸氫鉀和0.1%、0.5%、1.0%、1.5%的氧化鋅，組成12種不同的復(fù)合催化劑，在通氮氣條件下，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)的溫度為 150℃，反應(yīng)的時間為5 h，進行酯化反應(yīng)，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見表3。

表3 不同含量的KHSO4-ZnO為催化劑的酯化率

Note: Reaction temperature is 150℃. Reaction is with the substrate ratio of 2:1 for 5 h. Composite catalysts are KHSO4(1.0%, 3.0%, 5.0%) and ZnO (0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%).

從表3的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，3.0% KHSO4+1.0% ZnO的組合作復(fù)合催化劑時得到的油酸和豆甾醇的酯化率最高，為90.12%。隨著復(fù)合催化劑硫酸氫鉀和氧化鋅的用量增加，轉(zhuǎn)化率一直增加，酯化率先增加后有所降低。當(dāng)催化劑用量過多時，影響了主反應(yīng)的選擇性，產(chǎn)品顏色變深。硫酸氫鉀和氧化物分別催化植物甾醇油酸酯合成時，也都呈現(xiàn)了相似的規(guī)律[34-36,39]。所以，根據(jù)實驗結(jié)果，復(fù)合催化劑的適宜用量為3.0% KHSO4+1.0% ZnO。

2.2.2 反應(yīng)溫度對酯化反應(yīng)的影響 在通氮氣條件下，選取2.0%硫酸氫鉀和0.5%氧化鋅的組合作復(fù)合催化劑，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)時間為5 h，改變反應(yīng)溫度進行酯化反應(yīng)，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)溫度對酯化反應(yīng)的影響

從圖1的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，隨著反應(yīng)溫度升高，轉(zhuǎn)化率一直增加，酯化率先明顯增加后降低。反應(yīng)溫度為160℃時，得到的油酸和豆甾醇的酯化率最高，為66.17%。反應(yīng)溫度過高時，油酸、豆甾醇易發(fā)生氧化、脫水等副反應(yīng)，從而引起了酯化率的下降。所以，根據(jù)實驗結(jié)果，反應(yīng)溫度應(yīng)該控制在160℃以下。160℃較150℃的酯化率相差不大，綜合考慮節(jié)約能源經(jīng)濟因素，反應(yīng)的適宜溫度為150℃。

2.2.3 反應(yīng)時間對酯化反應(yīng)的影響 在通氮氣條件下，選取2.0%硫酸氫鉀和0.5%氧化鋅的組合作復(fù)合催化劑，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)溫度為150℃，改變反應(yīng)時間進行酯化反應(yīng)，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時間對酯化反應(yīng)的影響

從圖2的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，隨著反應(yīng)時間的增加，轉(zhuǎn)化率一直增加，酯化率先明顯增加后變化不大。在反應(yīng)開始的7 h以內(nèi)酯化率升高趨勢顯著，但在較短的7 h時，酯化反應(yīng)就接近了平衡，酯化率達到82.73%。繼續(xù)延長反應(yīng)時間酯化率變化不大，趨于平緩。從經(jīng)濟角度考慮，反應(yīng)時間應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)；同時，反應(yīng)時間過長有可能引起副反應(yīng)的發(fā)生，降低主反應(yīng)選擇性，所以最佳反應(yīng)時間選擇7 h。

2.2.4 酸醇摩爾比對酯化反應(yīng)的影響 油酸與豆甾醇的酯化反應(yīng)為等摩爾反應(yīng)，但由于甾醇比油酸價格昂貴，所以實驗中選用過量的油酸，讓反應(yīng)向生成酯方向移動，提高酯化率。在通氮氣條件下，選取2.0%硫酸氫鉀和0.5%氧化鋅的組合作復(fù)合催化劑，油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比為2:1，反應(yīng)時間為5 h，改變油酸和豆甾醇的酸醇摩爾比進行酯化反應(yīng)，測定轉(zhuǎn)化率和酯化率。結(jié)果見圖3。

圖3 酸醇摩爾比對酯化反應(yīng)的影響

從圖3的數(shù)據(jù)中可以看出，在相同條件下，隨后油酸的量增加，轉(zhuǎn)化率一直升高，酯化率先增加后變化不大。當(dāng)油酸和豆甾醇的摩爾比從1.5:1提高到1.8:1時，酯化率增加明顯，在1.8:1時酯化率達到64.95%。但隨后油酸的量繼續(xù)增加，酯化率趨于平緩。綜合考慮到實際生產(chǎn)中，油酸過量對最終產(chǎn)品的分離提純不利，增加難度和成本，反應(yīng)中油酸和豆甾醇適宜的酸醇摩爾比為1.8:1。

2.3 驗證實驗

通過實驗，分別確定了催化劑的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、酸醇摩爾比的最佳選擇。所以，反應(yīng)最優(yōu)工藝條件為：通氮氣條件下，以3.0% KHSO4+1.0% ZnO的組合作復(fù)合催化劑，反應(yīng)溫度為150℃，反應(yīng)時間為7 h，油酸與豆甾醇的摩爾比為1.8:1。在最佳反應(yīng)條件下，進行實驗，得到反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為96.82%±3.38%，酯化率為92.17%±2.65%，選擇性為95.19%。

3 結(jié) 論

（1）本實驗以油酸和豆甾醇為原料直接酯化合成油酸豆甾醇酯。采用在通高純氮氣條件下進行酯化，一方面可以用氮氣隔絕空氣，防止油酸和豆甾醇以及產(chǎn)物的氧化；另一方面，氮氣可以在高溫（＞100℃）下帶走酯化反應(yīng)生成的水，使反應(yīng)向酯生成方向進行，提高酯化率。

（2）通過實驗，反應(yīng)最優(yōu)工藝條件為：通氮氣條件下，以3.0% KHSO4+1.0% ZnO（以豆甾醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）的組合作復(fù)合催化劑，反應(yīng)的溫度為150℃，反應(yīng)的時間為7 h，油酸與豆甾醇的摩爾比為1.8:1。在最佳反應(yīng)條件下，酯化率為92.17%。在整個合成過程中，以KHSO4和ZnO為復(fù)合催化劑，結(jié)合了KHSO4和ZnO的催化優(yōu)點。相較于單一催化劑KHSO4和ZnO[34,37-39]，本實驗操作條件更為溫和易操作，降低了反應(yīng)溫度，縮短了反應(yīng)時間，得到了較高的酯化率。整個反應(yīng)過程中，無有毒有害物質(zhì)的引入，是一種經(jīng)濟、安全、無污染的綠色工藝。這證明，以硫酸氫鉀和氧化物為組合的復(fù)合催化劑可能是一種有前途的催化劑，可以取代強腐蝕性催化劑用于在工業(yè)中不飽和脂肪酸植物甾醇酯的合成。

符 號 說 明

DC——豆甾醇的轉(zhuǎn)化率 DE——豆甾醇的酯化率 mA,0，mA,g——分別為反應(yīng)前、后體系中豆甾醇的質(zhì)量，g nB,1，nB,2——分別為實際生成、理論生成的油酸豆甾醇酯的物質(zhì)的量，mol S——反應(yīng)的選擇性

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Synthesis of phytosteryl oleate using composite catalysts

ZHANG Shuo, YANG Yiwen, XING Huabin, SU Baogen, ZHANG Zhiguo, BAO Zongbi,YANG Qiwei, REN Qilong

Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of EducationCollege of Chemical and Biological EngineeringZhejiang UniversityHangzhouZhejiangChina

Phytosteryl oleate synthesized from stigmasterol and oleic acid using the composite catalysts of potassium bisulfate and metal oxide was investigated. By comparing with other sulfates, potassium bisulfate was proved to be more suitable for the esterification of oleic acid and stigmasterol in an efficient and safe way. Taking into account the high catalytic efficiency of metal oxide, the combination of potassium bisulfate and different metal oxides as a kind of composite catalyst may be promising. The catalyst comparative experiments suggested that the composite catalyst of KHSO4-ZnO was the best catalyst in terms of the esterification yields. When the esterification reaction was carried out at 150℃ for 7 h with oleic acid and stigmasterol in a molar ratio of 1.8:1 and 3.0% KHSO4+ 1.0% ZnO catalyst (based on the mass of stigmasterol) under the protection of nitrogen, the highest esterification yield was 92.17%. In the presence ofthe composite catalyst of KHSO4-ZnO, a new process for the synthesis of stigmasterol oleate with high esterification yield is acquired.

composite catalyst; metal oxide; potassium bisulfate; esterification; phytosteryl oleate

2013-05-24.

Prof.YANG Yiwen, ceywyang@zju.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150552

TQ 645.9+8

A

0438—1157（2015）08—3078—06

楊亦文。

張碩（1990—），女，碩士。

國家自然科學(xué)基金項目（21222601）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃（NCET-13-0524）；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊計劃(2011R50002)。

2015-05-04收到初稿，2015-05-30收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21222601), Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (NCET-13-0524), and Zhejiang Key Scientific and Technological Innovation Team (2011R50002).