微波輻射印楝油甲酯化響應(yīng)曲面模型研究

王有瓊，馬李一，張重權(quán)，段瓊芬

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南昆明 650224)

印楝油是楝科楝屬(Melia L.)殺蟲植物印楝(Azadirachta indica A.Juss)的種籽油，味苦，具有一種難聞的氣味，難以用來食用。其中的苦味物質(zhì)來源于印楝油中含有的少量非脂肪酸部分。Rukmini C［1］研究指出，印楝油中脂肪酸的組成與其它普通油脂無太大差別，沒有特殊脂肪酸的存在。印楝油含有33%的飽和脂肪酸和65%的不飽和脂肪酸，其中50%為油酸，15%為亞油酸，非常適合用作脂肪酸甲酯的原料。并且，印楝種仁中油脂的含量高達45%以上［2-3］，因此，印楝油是一種較佳的生物質(zhì)能源植物油，可以在催化劑作用下，通過甲酯化反應(yīng)制備生物柴油。目前，在生物柴油制備方面的相關(guān)研究成果較多，以印楝油為油料來源的研究，江文輝等以D-葡萄糖為原料，制備了磺化碳固體酸催化劑，催化印楝油與甲醇的酯交換反應(yīng)，酯交換率達95%［4］。

在酯交換新型催化劑的研究方面，孔潔等用固體超強酸TiO2/SO42－催化葵花籽油制備生物柴油，收率可以達到94.3%［5］。吳虹等在無溶劑系統(tǒng)中固定化脂肪酶Novozym 435催化餐飲業(yè)廢油脂生產(chǎn)生物柴油，產(chǎn)物中的甲酯含量達88.6%［6］。Jin G等用源自米根酶的全細胞生物催化劑生產(chǎn)生物柴油，并比較了乙醇代替甲醇的反應(yīng)結(jié)果，表明乙醇不能明顯提高生物柴油得率，但會生成更加穩(wěn)定的酯［7］。堿性離子液體也被用于生物柴油的合成，馬潔等合成［Bmim］OH催化蓖麻油與甲醇的酯交換，脂肪酸甲酯得率達到82.3%［8］。李雪菲等制備［Bmim］Im催化大豆油與甲醇的酯交換反應(yīng)，生物柴油的產(chǎn)率可達95.76%［9］。新型催化劑的使用使得酯交換反應(yīng)的選擇性增強了，酯交換率提高了，但催化劑的制備過程步驟多，工藝復(fù)雜。用堿催化的酯交換反應(yīng)對原料油的質(zhì)量要求相對較高，并且有副反應(yīng)皂化反應(yīng)發(fā)生，酯交換的選擇性相對較低。

微波在有機合成中的研究始于1986年，一直以來，對微波輔助有機合成“非熱效應(yīng)”的觀點都有爭論，但微波具有對物質(zhì)高效、均勻、無梯度、無滯后效應(yīng)的加熱特點。因此微波促進的有機化學(xué)反應(yīng)可提高分子平均能量，降低反應(yīng)活化能［10］，具有選擇性高、能耗低、對環(huán)境友好等優(yōu)點［11］。在化學(xué)領(lǐng)域用來提高化學(xué)反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間［12-14］，改變化學(xué)反應(yīng)機理［15］，提高反應(yīng)的產(chǎn)率［16］。

本文以堿為催化劑，并且在甲酯化反應(yīng)過程中引入微波輻射來作為提供反應(yīng)活化能的熱量來源，以此促進印楝油的甲酯化反應(yīng)，研究較佳的酯交換反應(yīng)條件，為拓展印楝油的利用途徑提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

印楝油(石油醚浸提法制取);甲醇、KOH均為分析純。

MAS-I常壓微波輔助合成/萃取儀;EYELE101旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;AB204-S分析天平。

1.2 印楝油的甲酯化反應(yīng)

根據(jù)醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，準(zhǔn)確稱取印楝油、甲醇、KOH催化劑。將KOH與甲醇充分混合，然后和印楝油一起加入微波反應(yīng)瓶中，連接冷凝管，微波反應(yīng)(50℃反應(yīng)1 h)。反應(yīng)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收甲醇，剩余物于分液漏斗中靜置分層，分離出下層甘油層，上層甲酯層用水洗滌數(shù)次，干燥后得到印楝油甲酯產(chǎn)品。印楝油的轉(zhuǎn)化率通過測定印楝油甲酯中游離甘油和總甘油的含量來計算，其中甘油含量的測定參考賀平等［17-18］的方法，印楝油的轉(zhuǎn)化率按照下式計算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

m1——產(chǎn)物中未反應(yīng)的甘油酯對應(yīng)的甘油質(zhì)量，為甲酯中總甘油質(zhì)量-游離甘油質(zhì)量，g;

m0——原料油脂的總質(zhì)量，g。

1.3 印楝油平均分子量的測定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5530—1998、GB 5534—85方法，測定出原料印楝油的酸值為16.3 mgKOH/g，皂化值為196 mgKOH/g。平均分子量通過皂化值和酸值用下式計算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

S——皂化值，mgKOH/g;

A——酸值，mgKOH/g。

由此測得原料印楝油的平均分子量為936.56。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 醇油物質(zhì)的量比 固定以下反應(yīng)條件:催化劑KOH用量為1.5%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間60 min，改變醇油物質(zhì)的量比，進行單因素實驗。結(jié)果表明，當(dāng)醇油物質(zhì)的量比≥5∶1以后，印楝油的轉(zhuǎn)化率無明顯提高。因此，醇油物質(zhì)的量比選擇5∶1較為合適。

2.1.2 催化劑用量 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間60 min，改變催化劑用量，進行單因素實驗。結(jié)果表明，隨著催化劑用量的增加，印楝油的甲酯化率在提高，但當(dāng)催化劑用量增加到1.5%以后，印楝油的甲酯化率反而下降。這是因為過量的堿使印楝油中的脂肪酸甘油酯發(fā)生了皂化反應(yīng)，副反應(yīng)的發(fā)生降低了油脂的甲酯化率，反應(yīng)的選擇性降低。所以，催化劑KOH的用量以1.5%為佳。

2.1.3 反應(yīng)溫度 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，反應(yīng)時間60 min，改變反應(yīng)溫度，進行單因素實驗。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的升高，印楝油的轉(zhuǎn)化率提高，當(dāng)反應(yīng)溫度升至50℃時，印楝油的轉(zhuǎn)化率急劇上升至較高點，之后不再上升。這是因為油脂的甲酯化反應(yīng)需要一定的活化能，升高反應(yīng)溫度，有利于反應(yīng)物克服反應(yīng)活化能的壁壘，使甲酯化反應(yīng)得以進行，而較高的溫度可能產(chǎn)生副反應(yīng)，或者使部分甲醇和甲酯揮發(fā)，從而使印楝油的轉(zhuǎn)化率有下降趨勢。所以，選擇50℃為較佳的反應(yīng)溫度。

2.1.4 反應(yīng)時間 固定以下反應(yīng)條件:醇油物質(zhì)的量比5∶1，催化劑用量1.5%，反應(yīng)溫度50℃，改變反應(yīng)時間，進行單因素實驗。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)時間的延長，印楝油的轉(zhuǎn)化率升高，當(dāng)反應(yīng)進行至60 min以后，印楝油的轉(zhuǎn)化率提高程度不大，至90 min時，轉(zhuǎn)化率最高，之后開始下降。考慮到延長反應(yīng)時間會增加能源成本，所以選擇60 min作為反應(yīng)時間較為合適。

2.2 響應(yīng)曲面分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計與實驗結(jié)果 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選擇醇油物質(zhì)的量比、催化劑用量、微波反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間4個因素作為響應(yīng)變量，利用Design-Expert V8.0.6 軟件按照 Box-Behnken 中心組合實驗設(shè)計原理，以印楝油轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)曲面分析進行甲酯化反應(yīng)條件的優(yōu)化，實驗因素水平編碼設(shè)計見表1，結(jié)果見表2。共27個實驗點，其中24個為析因?qū)嶒烖c，3個為零點，零點實驗進行3次，用于估計實驗誤差。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平取值表Table 1 Factors and levels value used in response surface analysis

表2 Box-Behnken實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and corresponding results of Box-Behnken

2.2.2 建立模型方程與顯著性檢驗 應(yīng)用Design-Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到印楝油轉(zhuǎn)化率對醇油物質(zhì)的量比(A)、催化劑用量(B)、反應(yīng)溫度(C)和反應(yīng)時間(D)的二次多項回歸方程:印楝油轉(zhuǎn)化率(%)=93+0.406A+2.807 B+0.371C+2.268D+3.565AB － 1.438AC+0.19 AD+2.675BC+0.61BD+2.3CD －3.373A2－6.767 B2－5.386C2－5.39D2。

對其進行顯著性檢驗，結(jié)果見表3、表4。

表3 回歸方程偏回歸系數(shù)的估計值Table 3 Estimated values of the partial regression coefficients of the regression model

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗結(jié)果，模型的殘差和純誤差均較小，決定系數(shù)為92.79%，校正決定系數(shù)為84.38%，說明該模型擬合程度較好，可信度較高，表明該方程較好的反映了醇油物質(zhì)的量比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間與印楝油甲酯化率的關(guān)系，可用此模型對微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)進行分析和預(yù)測。交互作用項的BC、CD對反應(yīng)影響程度顯著(P＜0.05)，線性項中的D因素、交互作用項的AB、二次項的A2對反應(yīng)影響高度顯著(P＜0.01)，線性項 B、二次項 B2、C2、D2對反應(yīng)影響極顯著(P＜0.001)。由此可知，各因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 根據(jù)回歸模型繪出了微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)4個因素交互作用的響應(yīng)曲面圖和等值線圖，見圖1～圖6。

響應(yīng)曲面的彎曲弧度越大，該因素對響應(yīng)值的影響越顯著，根據(jù)這個原理，從圖1～圖6可知，催化劑用量對印楝油甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響最為顯著，沿催化劑用量軸向，轉(zhuǎn)化率響應(yīng)值變化較大;其次為反應(yīng)時間對甲酯化轉(zhuǎn)化率的影響;醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響較弱。等值線的形狀反映了因素之間交互效應(yīng)的強弱。在3D圖里，等值線越圓兩因素交互作用越顯著。圖1、圖4和圖6中等值線的形狀呈圓形，表明醇油物質(zhì)的量比和催化劑用量之間、催化劑用量和反應(yīng)溫度之間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間之間的交互效應(yīng)較顯著。圖2、圖3、圖5中等值線的形狀呈橢圓形，表明醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度之間、醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)時間之間、催化劑用量和反應(yīng)時間之間的交互作用不顯著。以上結(jié)果與表3、表4中方差分析結(jié)果一致。

通過回歸模型預(yù)測的微波輻射印楝油甲酯化反應(yīng)的最佳工藝條件為:醇油物質(zhì)的量比5.383 8∶1，催化劑用量1.358 6%，反應(yīng)溫度50.656 6℃，反應(yīng)時間67.575 8 min，印楝油轉(zhuǎn)化率的最高理論值為93.78%。考慮到實際應(yīng)用情況，將上述印楝油甲酯化工藝條件修正為:醇油物質(zhì)的量比5.4∶1，催化劑用量1.36%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間68 min，在此工藝條件下做驗證實驗3次，得到的印楝油轉(zhuǎn)化率平均值為93.17%，實驗值與理論預(yù)測值相對誤差為0.65%，證明利用響應(yīng)面法分析優(yōu)化得到的微波促進印楝油甲酯化工藝條件準(zhǔn)確可靠，具有實際指導(dǎo)意義。

圖1 醇油物質(zhì)的量比和催化劑用量對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.1 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and catalyst amount

圖2 醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.2 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction temperature

圖3 醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)時間對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.3 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction time

圖4 催化劑用量和反應(yīng)溫度對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.4 Response surface and contour of catalyst amount and reaction temperature

圖5 催化劑用量和反應(yīng)時間對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.5 Response surface and contour of catalyst amount and reaction time

圖6 反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面和等值線Fig.6 Response surface and contour of reaction temperature and reaction time

3 結(jié)論

應(yīng)用響應(yīng)曲面法設(shè)計和優(yōu)化微波輻射印楝油甲酯化工藝實驗結(jié)果表明，催化劑用量對印楝油的轉(zhuǎn)化率影響極顯著，反應(yīng)時間次之，醇油物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度的影響較弱。通過綜合分析回歸模型，確定最佳工藝條件為醇油物質(zhì)的量比5.4∶1，催化劑用量1.36%，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間68 min。驗證實驗得到印楝油的平均轉(zhuǎn)化率為93.17%，與理論值相符。

［1］Rukmini C.Chemical and nutritional evaluation of neem oil［J］.Food Chemistry，1987，26(2):119-124.

［2］Chinnasamy N，Harishankar N，Kumar P U，et al.Toxicological studies on debitterized neem oil.(Azadirachta indica)［J］.Food Chem Toxicol，1993，31(4):297-301.

［3］羅喜榮，楊軍.印楝籽油脂肪酸組成的分析［J］.中國油脂，2002，27(4):78.

［4］江文輝，文鶴林.碳基固體酸催化印楝樹油與甲醇的酯交換反應(yīng)［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，23(3):46-49.

［5］孔潔，韓雪峰，陳樂培，等.微波輻射下固體超強酸TiO2/S催化葵花籽油制備生物柴油［J］.廣州化工，2009，37(2):116-118.

［6］吳虹，宗敏華，婁文勇.無溶劑系統(tǒng)中固定化脂肪酶催化廢油脂轉(zhuǎn)酯生產(chǎn)生物柴油［J］.催化學(xué)報，2004，25(11):903-908.

［7］Jin G，Bierma T J，Hamaker C G，et al.Producing biodiesel using whole-cell biocatalysts in separate hydrolysis and methanolysis reactions［J］.J Environ Sci Health A Tox Hazard Subst Environ Eng，2008，43(6):589-595.

［8］馬潔，顧俊，夏曉莉，等.堿性離子液體在制備生物柴油中的應(yīng)用［J］.廣東化工，2012，39(11):36-37.

［9］李雪菲，王瑤，趙輝，等.新型堿性離子液體的合成及其在催化制備生物柴油中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報，2012，28(2):200-206.

［10］趙瑋，王大為，曹勇，等.響應(yīng)面法優(yōu)化微波輻射合成食用香料糠酸乙酯［J］.食品科學(xué)，2012，33(20):132-137.

［11］薛萍，陳欲，歐燦賢，等.微波輻射大孔樹脂催化合成肉桂酸正丁酯的放大工藝研究［J］.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，7(4):15-17，34.

［12］王建勛，陳洸艟，陳錦章.K2SiO3/C顆粒催化大豆油酯交換制備生物柴油［J］.催化學(xué)報，2011，32(10):1592-1596.

［13］石德芝，施召才，李碩凡，等.酯化反應(yīng)在微波條件下的特征［J］.實驗室研究與探索，2011，30(4):35-38.

［14］Da Rós P C，F(xiàn)reitas L，Perez V H，et al.Enzymatic synthesis of biodiesel from palm oil assisted by microwave irradiation［J］.Bioprocess Biosyst Eng，2013，36(4):443-451.

［15］Roy I，Gupta M N.Non-thermal effects of microwaves on protease-catalyzed esterification and transesterification［J］.Tetrahedron，2003，59(29):5431-5436.

［16］Bao K，Zhang W，Zhang C，et al.Synthesis of ring-contracted erythromycin A derivatives via microwaves-assisted intramolecular transesterification［J］.Molecules，2007，12(9):2123-2129.

［17］賀平，彭紅星，曠申昌.生物柴油中游離甘油、總甘油的測定［J］.河北化工，2008，31(5):60-61.

［18］郭萍梅，黃慶德.生物柴油中游離甘油和總甘油測定方法研究［J］.糧食與油脂，2003(8):41-42.