脂肪酸甲酯的制備及其改性淀粉結構研究

劉晶晶，封祿田，孫劍飛，徐 爽，劉帥鵬

(沈陽化工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110142)

隨著餐飲業的日益繁榮，由此而生的地溝油也有所增加.地溝油是指潲水油、油炸廢油、食品及相關企業產生的廢油.在精煉過程中，廢油經污染后發生一系列化學變化，如酸敗、氧化和分解，產生對人體致命的物質.一旦誤食，將會對人體健康造成不可逆轉的損害.中國自2013年起每年食用油消耗量達到3000萬噸以上，其中15 %將成為廢棄油脂，按此計算，全年至少產生450萬噸地溝油[1].目前，實現地溝油資源綜合利用的主要方向是加工制成生物柴油，即以地溝油為原料與甲醇(或乙醇)通過酯交換工藝制得生物柴油，又稱混合脂肪酸甲酯或乙酯[2-3].與石化柴油相比，脂肪酸甲酯熱值略低、密度和黏度略高，具有良好的燃料性能、環保特性，同時，使用生物柴油可以減少對石油的依賴，保障能源供應.據《油世界》報道，全球生物柴油產量從2004年的189萬噸增長到2018年預計的3990萬噸，年均復合增長率為27.36 %.目前中國總產能已超過350萬噸.近年來，由于廢油價格的制約，導致目前國內生物柴油產量呈逐年下滑態勢，且生產每噸生物柴油虧損500～550元，相應企業主要依靠國家維持補貼.

淀粉是自然界來源最豐富的極具生物降解性的天然可再生聚合物資源[4-5]，但由于其加工困難、力學性能差、熱穩定性低等不足，難以單獨作為高分子材料使用，需要通過特定的方法進行改性，以使其適應各種應用并提高其經濟價值[6-7].脂肪酸淀粉酯是變性淀粉中的一類，由于引入脂肪鏈的含量不同，需調控淀粉酯的羥基取代度，使其具有更多突出的理化性質，達到各種應用要求，提高其經濟價值[8].國外多采用在均相DMAC/LiCl溶液中用長鏈脂肪酰氯制備淀粉酯.Fang等[9]研究了一系列具有不同取代度和側鏈長度的淀粉酯在均相體系用適當的酰氯酰化多糖制備脂肪酸淀粉酯的方法.王政洋等[10]以植物油和化學法預處理后的淀粉為原料，利用脂肪酶通過微波輔助法和傳統加熱的方式下催化合成植物油淀粉酯.但脂肪酶價格昂貴，不利于工業化應用.趙偉學等[11]用微乳法對天然淀粉進行改性，并對乳化性能做出一定研究.此法需要真空操作，加大了設備成本.為克服工業化瓶頸問題，本文先對玉米淀粉進行非晶化處理，再與以地溝油為原料制備的脂肪酸甲酯進行酯交換反應制備脂肪酸淀粉酯.該反應無需加入其他溶劑，且過量的脂肪酸甲酯可回收利用，大大降低了反應成本.

1 實驗材料與方法

1.1 儀器與試劑

ZNHW型電加熱套，上海越眾儀器設備有限責任公司；D-8401型多功能攪拌器，天津華興科學儀器廠；NICOLET6700型傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；7890A/5975C型氣質聯動儀，安捷倫科技有限公司.

玉米淀粉,食品級，遼寧省軍區寧官農副業基地淀粉廠；地溝油，自行收集；甲醇、無水乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鋰、乙酸乙酯、酸性白土、對甲苯磺酸，均為分析純，天津市博迪化工有限公司.

1.2 實驗原理

以地溝油和甲醇為原料，經過酯交換反應生成脂肪酸甲酯.玉米淀粉的羥基與堿催化劑反應，繼而被解離成陰離子，之后進攻帶有部分正電荷的脂肪酸甲酯的羰基碳，進行親核取代反應，生成脂肪酸淀粉酯.反應方程式如下：

1.3 實驗方法

1.3.1 脂肪酸甲酯的制備

將計量好的地溝油倒入燒杯中，加入轉子攪拌，加熱到85 ℃，放入已烘好的酸性白土，攪拌1～2 h，離心取上層清液.將之置于裝有溫度計、直形冷凝管的四口燒瓶中，加入氫氧化鈉(地溝油質量的0.6 %)和甲醇(地溝油質量的15 %)，反應溫度為63 ℃，反應時間1～2 h.靜置分層，對上層進行減壓蒸餾，即得脂肪酸甲酯.

1.3.2 非晶淀粉的制備

將質量比為1∶1的無水乙醇和水加入反應器中，邊攪拌邊加入一定量的玉米淀粉，使玉米淀粉的質量濃度為0.25 g/mL，攪拌加熱到85 ℃，保溫1 h，取出冷卻至室溫，取淀粉層，將所得淀粉樣品用乙醇洗滌，抽濾，烘干備用[12].

1.3.3 脂肪酸淀粉酯的制備

將脂肪酸甲酯加入三口燒瓶中，邊攪拌邊加入一定量的非晶淀粉，加熱至80 ℃時加入催化劑，恒溫60 min，緩慢升溫至150 ℃，維持6 h.反應結束后，室溫冷卻，放入分液漏斗中，靜置分層，用乙酸乙酯對下層產品進行多次洗滌，直至無色，真空干燥50 ℃，待至烘干即得產品.

1.4 脂肪酸甲酯的GC-MS

為了確定所制備的脂肪酸甲酯中各組分的種類和數量，為脂肪酸甲酯的進一步深加工提供參考，采用以國標脂肪酸甲酯為基準，用Agilent 6890型氣相色譜儀對自制脂肪酸甲酯中各組分含量進行分析.

GC條件：

色譜柱5 m×0.53 mm×0.15 μm.色譜柱溫度：初溫120 ℃，維持2 min；升溫速率為5 ℃/min，升溫至240 ℃，維持1 min；升溫速率為3 ℃/min，升溫至300 ℃，維持10 min.檢測器(FID)溫度310 ℃.檢測器氣體：氫氣30 mL/min;空氣350 mL/min;尾吹氮氣25 mL/min.進樣量1 μL[13].

MS條件：

以EI為離子源，電離能量70 eV，接口溫度、離子源溫度以及傳輸線溫度分別為200 ℃、200 ℃和250 ℃，掃描范圍40～350 amu.

1.5 脂肪酸淀粉酯的取代度測定

將50 mL蒸餾水放入錐形瓶中，邊攪拌邊加入2 g處理好的樣品，記為m.均勻分散后，滴加1～2滴酚酞，混勻之后加入20 mL濃度為0.25 mol/L的NaOH溶液，此時溶液呈粉紅色.加熱至30 ℃，攪拌1 h，再用濃度c的鹽酸標準溶液滴定，直至顏色消失，此時所消耗的體積記為V0.同時用玉米淀粉按照上述操作進行空白實驗，記為V1.脂肪酸淀粉酯的取代度(DS)計算公式為

(1)

a 玉米原淀粉 b 脂肪酸淀粉酯 c 脂肪酸甲酯 圖6 玉米原淀粉、脂肪酸淀粉酯和脂肪酸甲酯的 紅外光譜Fig.6 IR spectrums of corn raw starch，fatty acid starch ester and fatty acid methyl ester

a 玉米淀粉 c 玉米淀粉脂肪酸酯 b 非晶淀粉 d 非晶淀粉脂肪酸酯

每組平行測定3次，取DS的平均值[14-15].

1.6 X-射線衍射

采用德國Bruker公司D8型X射線粉末衍射儀對玉米淀粉、非晶處理淀粉及脂肪酸淀粉酯進行廣角XRD分析.將樣品經過干燥、粉碎過120目篩后進行測試.Cu-Kα射線，電壓40 kV，電流40 mA； 掃描速度為2.4°/min， 掃描范圍為5°～55°.

樣品相對結晶度的計算公式為

Xc=(A1+A2+A3)/(A1+A2+A3+A4).

(2)

式中：Xc為相對結晶度；A1、A2、A3為結晶面積；A4為非結晶面積.

2 結果與討論

2.1 脂肪酸甲酯的GC-MS分析

以地溝油為原料，經過精制，與甲醇酯交換反應生成脂肪酸甲酯，減壓蒸餾后，收率為92 %.采用GC-MS對脂肪酸甲酯進行組分分析，譜圖如圖1所示.由圖1可以看出：由地溝油合成的脂肪酸甲酯含有5種成分，分離效果良好.選用NIST08.LIB和NIST08s譜庫對主要的化學成分進行化學檢索，結果列于表1.

圖1 脂肪酸甲酯的GC-MS聯用Fig.1 GC-MS combination diagram of biodiesel

表1 GC-MS結構解析結果Table 1 GC-MS structure analysis results

由表1可知:亞油酸甲酯質量分數(52.32 %)最高，其次是油酸甲酯(29.05 %)，質量分數較少的依次是棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯和豆蔻酸甲酯，生物柴油中脂肪酸甲酯的總質量分數是99.97 %.其中不飽和脂肪酸甲酯總質量分數為81.37 %，飽和脂肪酸甲酯質量分數為18.6 %，前者質量分數遠遠大于后者.由表1還可知脂肪酸甲酯組分保留時間隨其碳原子數增大而延長，但在同一碳原子數下，隨著不飽和鍵的增加其保留時間變小.

2.2 反應條件對脂肪酸淀粉酯取代度的影響

2.2.1 催化劑種類對脂肪酸淀粉酯取代度的影響

淀粉葡萄糖單元羥基與脂肪酸甲酯的物質的量的比為1∶4，反應時間6 h，反應溫度150 ℃時，催化劑種類對脂肪酸淀粉酯取代度的影響如圖2所示.由圖2可知:氫氧化鋰做催化劑時產物取代度略低于氫氧化鈉，但高于氫氧化鉀且遠遠高于氧化鈣和氧化鎂；氫氧化鈉易與脂肪酸甲酯中的游離脂肪酸發生皂化反應，產生副產物，對產品的純度產生一定影響，所以不選用其作為催化劑.淀粉與脂肪酸甲酯的極性相差大，難互溶，從而形成兩相體系.而堿金屬離子進攻淀粉葡萄糖單元中的羥基，使其轉變成氧負離子，提高了淀粉的活性，使其能更充分與脂肪酸甲酯進行反應.在本實驗的催化劑選擇中，氫氧化鋰的堿溶性最強，可促使淀粉顆粒膨脹，有利于脂肪酸甲酯滲透到淀粉顆粒并進行反應，實現相轉移催化作用.同時還要注意催化劑用量，該反應需在微堿條件下進行，堿性太低時，羥基活化度不夠，堿性過強時，導致淀粉降解，影響取代度.通過多次實驗得到適宜反應條件為：以氫氧化鋰為主催化劑，用量為淀粉質量的6 %，對甲苯磺酸(TsOH)為助催化劑，用量為淀粉質量的3 %.

圖2 催化劑種類對脂肪酸淀粉酯取代度的影響Fig.2 Effect of catalyst type on DS of fatty acid starch ester

2.2.2 原料物質的量的比對脂肪酸淀粉酯取代度的影響

固定催化劑種類及用量，反應時間6 h，溫度150 ℃時，淀粉葡萄糖單元羥基(OH)與脂肪酸甲酯(COO)的物質的量的比對脂肪酸淀分酯取代度的影響見圖3.

圖3 原料物質的量的比對脂肪酸淀粉酯取代度的影響Fig.3 Effect of molar ratio on DS of fatty acid starch ester

由圖3可知：增加脂肪酸甲酯的量，取代度增大，但增加幅度逐漸變小.由于玉米淀粉與脂肪酸甲酯發生的酯交換反應屬于可逆反應，增加脂肪酸甲酯的用量反應朝生成淀粉酯的方向進行，所以脂肪酸淀粉酯的取代度隨脂肪酸甲酯用量的增多而增大.而淀粉葡萄糖單元與酯基物質的量的比為1∶4之后取代度上升不明顯，說明淀粉的酯化反應和淀粉酯的分解反應趨于平衡.因此從經濟方面考慮，實驗采用淀粉葡萄糖單元與脂肪酸甲酯物質的量的比為1∶4進行反應.

2.2.3 反應溫度對脂肪酸淀粉酯取代度的影響

固定催化劑種類及用量，原料物質的量的比為1∶4，反應時間6 h時，反應溫度對脂肪酸淀粉酯取代度的影響如圖4所示.

圖4 反應溫度對脂肪酸淀粉酯取代度的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on DS of fatty acid starch ester

由圖4可以看到：產品的取代度隨反應溫度的上升呈先升后降趨勢.110～150 ℃的溫度區間內，加大反應溫度時，體系能量提高，促使淀粉顆粒膨化，加劇脂肪酸甲酯分子的熱運動，使其與淀粉顆粒的有效碰撞概率大大增加，有利于正反應方向進行，因而取代度不斷增加.當溫度超過150 ℃時，產品顏色開始加深，且取代度升高趨勢減弱，可能是溫度過高時，不僅促進了主反應的速度，同時也導致了淀粉發生降解甚至焦糖化，從而影響最終的取代度.為了酯化反應的順利進行，降低焦糖化等副反應的發生，實驗選擇的適宜溫度為150 ℃.

2.2.4 反應時間對脂肪酸淀粉酯取代度的影響

固定催化劑種類及用量，原料物質的量的比為1∶4，反應溫度150 ℃時，反應時間對脂肪酸淀粉酯取代度的影響如圖5所示.由圖5可知：隨著反應時間的延長和氫氧化鋰的催化作用下，在反應體系中脂肪酸甲酯過量，脂肪酸淀粉酯的含量較低，且在反應的過程中生成的副產物甲醇也會被及時蒸出，有利于向生成淀粉酯的方向進行.當反應時間超過6 h后，取代度變化不大，且反應液中顏色開始加深.這是由于部分脂肪酸甲酯已成功與脫水葡萄糖中的羥基完成酯交換反應，同時裸露在外的羥基數量減少，空間位阻相對增大，使脂肪酸甲酯更加難以進攻葡萄糖單元上的羥基，此時該可逆反應已達到平衡狀態，導致取代度變化不明顯.因此實驗中反應時間宜控制在6 h左右，羥基取代度達到0.061 1.

圖5 反應時間對脂肪酸淀粉酯取代度的影響Fig.5 Effect of reaction time on DS of fatty acid starch ester

2.3 FT-IR分析

玉米原淀粉、脂肪酸甲酯及脂肪酸淀粉酯的紅外光譜如圖6所示.由圖6可知：與玉米原淀粉相比，脂肪酸淀粉酯在2928 cm-1處和2876 cm-1處出現的C—H對稱和不對稱伸縮振動峰顯然加強，并且多了3007 cm-1和720 cm-1的吸收峰，主要是因為引進了脂肪酸酰基使亞甲基的數量明顯增多；1209 cm-1處對應的是葡萄糖苷中C—O—C結構的C—O的不對稱伸縮振動特征峰，脂肪酸淀粉酯的紅外吸收峰明顯加強；1743 cm-1處對應的是酯基中C===O的特征峰，是證明合成淀粉酯的有力證據，由于取代度比較低，吸收峰不是很強； 3200～3500 cm-1處對應的—OH的伸縮振動吸收峰與玉米淀粉相比，強度明顯減弱，峰帶變窄，這是因為玉米淀粉葡萄糖單元中含有3個—OH，其中有2個—OH由于氫鍵的作用而締合成五元環，而脂肪酸甲酯的加入使五元環遭到破壞，進而部分—OH被取代，進一步說明了玉米淀粉與脂肪酸甲酯發生酯化反應生成了脂肪酸淀粉酯.

2.4 X射線衍射分析

玉米原淀粉、非晶淀粉及其淀粉脂肪酸酯的X射線衍射如圖7所示.由圖7可知：玉米淀粉的XRD衍射曲線由尖峰衍射曲線和彌散衍射曲線兩部分組成，分別代表結晶區和非結晶區.依據晶體結構，淀粉可以分為A型、B型和C型[17-19].根據公式(2)計算相對結晶度，結果如表2所示.

表2 玉米淀粉、非晶淀粉及其淀粉脂肪酸酯的 相對結晶度Table 2 Relative crystallinity of corn starch,amorphous starch and its starch fatty acid ester

玉米淀粉在15.247°、17.303°、18.105°和23.204°處分別有較強的衍射峰，表現出典型的A型晶體特征[18].經非晶化處理后，淀粉的衍射峰的位置沒有發生變化，但強度有較大程度的降低，逐漸彌散化.這是由于玉米淀粉在非晶化處理過程中，顆粒內部結晶部分遭到一定程度的破壞，轉化為無定型結構，相對結晶度由原來的24.17 %下降到10.36 %，說明用乙醇對玉米原淀粉進行非晶化處理效果明顯.

用玉米淀粉和非晶淀粉為原料制備的脂肪酸酯與原料比較，其4處特征衍射峰仍存在，且特征峰的位置無明顯變化，說明改性淀粉中仍然存在A型晶體結構特征，但強度明顯減弱，相對結晶度分別由24.17 %降至15.26 %，10.36 %降至4.89 %.說明淀粉結晶區由于酯交換的改性而遭到了一定的破壞，轉化為無定形區.而2θ為6.602°和20.845°處卻出現了2個新的衍射峰，可能是引入的規整脂肪鏈結構與淀粉中結構單元的交互作用，打破了原有的淀粉空間結構形成新的結晶形態的結果.

3 結 論

以地溝油為主要原料合成了脂肪酸甲酯，收率為92 %，采用GC-MS進行組分分析，包含5種組分，總的脂肪酸甲酯質量分數為99.97 %；玉米淀粉經過非晶化處理，過量的脂肪酸甲酯為酯交換試劑和分散介質，以氫氧化鋰為主催化劑，用量為淀粉質量的6 %，對甲苯磺酸為助催化劑，用量為淀粉質量的3 %，反應溫度150 ℃，反應時間6 h，制得脂肪酸淀粉酯，羥基取代度達0.061 1.通過FT-IR確定了酯基的生成；通過XRD確定了淀粉酯與原料相比，衍射峰位置無變化，強度明顯降低，逐漸彌散化，結晶度大幅下降，由玉米淀粉的24.17 %降至非晶淀粉脂肪酸酯的4.89 %.采用該方法制備脂肪酸淀粉酯工藝生產流程簡單，為淀粉、地溝油的綜合利用和生物柴油的深加工提供了一條適宜的途徑，符合綠色環保主題，具有一定的研究價值和應用前景.