肉豆蔻酸單甘油酯的合成研究

黨云江，繆程平，2，杜國濤，張曉倩，沙夢婕，李金雨

（1．嘉興學院生物與化學工程學院，浙江 嘉興 314001；2．嘉興市化工清潔工藝重點實驗室，浙江 嘉興 314001）

脂肪酸單甘油酯，簡稱單甘酯，是一種重要的非離子型表面活性劑，其分子結構上兼有親水基團和親油基團，具有良好的乳化、分散、穩定作用，且安全無毒，被廣泛用于食品工業，特別是用于乳化劑和其它食品添加劑。除了在食品領域應用外，單甘酯還廣泛應用于化妝品、醫藥、精細化工、洗滌劑、塑料等工業中[1-2]。

目前，脂肪酸單甘油酯的合成方法主要有化學法和酶催化法兩種。其中酶催化法雖然反應條件溫和，能耗少，但是酶法還是存在生物酶價格高，使用量大，生產成本高，且反應速率低，反應時間長，工業化難度高的缺點。化學法主要包括直接酯化法和基團保護法。其中直接酯化法會得到單甘油酯、二甘油酯和三甘油酯的混合物，單甘油酯含量不超過50%，需通過分子蒸餾等方法提純，對設備要求高，副產物多，生產成本高。而基團保護法可以直接制備得到高純度的單甘酯，且反應容易、原料易得，生產成本低，易實現工業化生產[3-5]。

本文以甘油和丙酮為原料，采用基團保護法，通過縮合、酯化、水解三步反應合成食品乳化劑肉豆蔻酸單甘油酯。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

肉豆蔻酰氯（98%，阿拉丁試劑）；對甲苯磺酸（AR，山西西亞化學股份有限公司）；甘油、丙酮、二氯甲烷、石油醚、鹽酸、碳酸氫鈉，均為分析純試劑，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 肉豆蔻酸單甘油酯的合成

反應方程式如下：

1.2.1 縮合反應

稱取一定量的甘油、丙酮，催化劑對甲苯磺酸及帶水劑，加入帶有溫度計和分水器的三口圓底燒瓶中，開啟磁力攪拌，加熱至沸騰，反應至分水器中不再分出水時停止加熱，冷卻，旋轉蒸發蒸出過量的丙酮和帶水劑，得到第一步縮合反應產物異亞丙基甘油。1H-NMR（300 MHz，CDCl3）：δ=1.31（s，3H），1.38（s，3H），3.53（dd，1H），3.66（dd，1H），3.72（dd，1H），3.98（dd，1H），4.18（m，1H）。

1.2.2 酯化反應

稱取一定量的異亞丙基甘油、肉豆蔻酰氯、縛酸劑和溶劑，加入帶有溫度計和回流冷凝管的三口燒瓶中，開啟磁力攪拌，加熱升溫至回流，反應一定時間后，停止攪拌，冷卻，加入飽和碳酸氫鈉溶液洗滌，再水洗2～3次，有機層加入無水硫酸鎂干燥，過濾，旋轉蒸發蒸出溶劑，烘干后得到白色固體，即為第二步酯化產物異亞丙基甘油肉豆蔻酸酯。1H-NMR（300 MHz，CDCl3）：δ=0.87（t，3H），1.24（s，20H），1.36（s，2H），1.42（s，2H），1.61（t，3H），2.35（t，3H），3.74（dd，1H），4.06（m，2H），4.18（dd，2H），4.32（m，1H）。

1.2.3 水解反應

稱取一定量的酯化反應產物異亞丙基甘油肉豆蔻酸酯，加入稀鹽酸，在常溫下水解一定時間后，抽濾，水洗，烘干后得到肉豆蔻酸單甘油酯固體。1H-NMR（300 MHz，CDCl3）：δ=0.87（t，3H），1.21～1.5（s，24H），3.48（s，2H），4.07（m，1H），4.18（dd，2H）。

2 實驗結果與討論

2.1 帶水劑對縮合反應的影響

第一步縮合反應的本質是縮酮反應，其反應的關鍵是將產生的水帶出反應體系，使反應向正方向進行，選擇合適的帶水劑對反應影響較大。本文以對甲苯磺酸作為催化劑，對甲苯磺酸的質量為甘油質量的2%，原料配比為n甘油∶n丙酮=1∶2，升溫至回流反應4 h，其他條件不變，改變帶水劑的種類進行試驗，結果如表1所示。

表1 帶水劑種類對縮合反應的影響

由表1可知，用石油醚30～60作為帶水劑收率最高。石油醚60～90的沸點較高，反應時反應原料丙酮也會被蒸出，影響反應的收率，而氯仿由于密度比水大，在下層，無法在分水器中回流至反應體系，隨著反應的進行，氯仿將越來越少，需不時地補加，操作復雜。因此，本文選擇縮合反應的最佳帶水劑為石油醚30～60。

2.2 反應配比對縮合反應的影響

理論上，第一步縮合反應只需要等摩爾的甘油和丙酮反應即可，實際上由于甘油沸點高，不容易除去，為了反應完全，往往使丙酮過量。本試驗采用石油醚30～60為帶水劑，其他條件不變改變不同的甘油和丙酮的摩爾比進行縮合，所得結果如表2所示。

表2 反應配比對縮合反應的影響

從表2知，甘油與丙酮的反應配比對縮合反應的影響較大，丙酮用量較少時，反應收率低，在甘油與丙酮的反應摩爾配比為1∶2時收率達到最大，再增加丙酮的用量，收率變化不大，從經濟的角度考慮選擇甘油與丙酮的最佳摩爾比為1∶2。

2.3 反應時間對縮合反應的影響

反應時間也是影響第一步縮合反應較大的因素之一。本試驗以石油醚30～60為帶水劑，反應配比n甘油∶n丙酮=1∶2，改變不同的時間在回流下進行縮合反應，所得結果如表3所示。

表3 反應時間對縮合反應的影響

從表3知，水分的存在可以抑制反應的進行，只有不停地把反應產生的水分移除反應體系，反應才能不斷地進行。縮合反應共沸帶水需要一定的時間，所以反應時間較短時，反應收率很低，當反應時間達到4 h，反應基本完全，收率最大；再增加反應時間，影響不大。所以，本文確定縮合反應的最佳時間為4 h。

2.4 縛酸劑對酯化反應的影響

在第二步酯化反應中，本文采用肉豆蔻酰氯為酯化試劑，合適的縛酸劑對反應有較大的影響。在n肉豆蔻酰氯：n異亞丙基甘油=1∶1.2，二氯甲烷做為溶劑，分別用吡啶、三乙胺、NaHCO3、Na2CO3做縛酸劑，回流反應4 h，試驗結果如表4所示。

表4 不同縛酸劑對酯化反應的影響

從表4可知，選擇不同的縛酸劑試驗結果差別很大，其中三乙胺和吡啶做縛酸劑的效果好，而NaHCO3和Na2CO3作為縛酸劑，收率明顯下降，這主要是由于在二氯甲烷溶劑中，NaHCO3和Na2CO3溶解度低，反應為非均相，不容易進行。因此，本文選擇三乙胺為酯化反應的縛酸劑。

2.5 反應配比對酯化反應的影響

反應原料的配比對酯化反應最為重要，本試驗不管從反應后處理，還是原料成本上，都選擇異亞丙基甘油過量。在三乙胺為縛酸劑，二氯甲烷為溶劑，分別選擇不同的反應配比，回流反應4 h，所得結果如表5所示。

表5 不同反應配比對酯化反應的影響

從表5可知，隨著反應配比中異亞丙基甘油用量的增加，反應收率也逐漸增加，當n肉豆蔻酰氯：n異亞丙基甘油=1∶1.2時，收率達到最大，再增加用量，影響不大。在試驗時，在配比為1∶1.05時，后處理乳化現象嚴重，影響分液，收率低，這可能是由于肉豆蔻酰氯反應不完全，在后處理時水解成肉豆蔻酸鈉，它是一個表面活性劑，具有很強的乳化能力。因此，本試驗酯化反應的最佳反應配比為n（肉豆蔻酰氯：異亞丙基甘油）=1∶1.2。

2.6 反應時間對酯化反應的影響

在n肉豆蔻酰氯∶n異亞丙基甘油=1∶1.2， 二氯甲烷做為溶劑，三乙胺為縛酸劑，改變不同的時間進行回流反應，得到試驗結果如表6所示。

表6 反應時間對酯化反應的影響

從表6可知，反應時間較短時，收率低，這是因為反應時間短，肉豆蔻酰氯反應不完全，后處理乳化嚴重，分液困難，產品損失大。隨著反應的進行，收率逐漸增大，當反應時間達到4 h，收率最大。因此，本試驗酯化反應的最佳反應時間為4 h。

3 結論

（1）本文以甘油和丙酮為初始原料，采用基團保護法分縮合、酯化、水解三步合成肉豆蔻酸單甘油酯，方法可行，原料易得，反應容易，易實現工業化生產。

（2）對縮合反應進行工藝優化，最優化工藝為：以對甲苯磺酸作為催化劑，石油醚30～60為帶水劑，n甘油∶n丙酮=1∶2，回流反應，反應時間為4 h，收率98.29%。

（3）對酯化反應進行工藝優化，最優化工藝條件為：n肉豆蔻酰氯：n異亞丙基甘油=1∶1.2，二氯甲烷為溶劑，三乙胺為縛酸劑，回流反應，反應時間4 h，收率94.37%。