馬尾松松脂中樹脂酸的分離和化學(xué)組成研究

陳叢瑾，黎 躍，梁麗萍，李林光

（1.廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西容縣宏旺樹脂有限公司，廣西容縣 537500）

松脂是松樹樹脂道內(nèi)分泌脂細(xì)胞分泌的樹脂，主要包括樹脂酸和萜烯，經(jīng)蒸餾加工分離可獲得松香和松節(jié)油[1-2]。中國松香產(chǎn)量世界第一[3]，出口量位居世界前列[4-5]，但松香的產(chǎn)品單一，嚴(yán)重影響松香產(chǎn)品附加值的提高，使產(chǎn)業(yè)難以形成長久的國際競爭力。松脂和松香中的樹脂酸包含左旋海松酸、海松酸、山達(dá)海松酸、長葉松酸、樅酸和新樅酸等成分。樅酸是天然松香的主要成分，含量為45%～54%，具有三環(huán)菲骨架結(jié)構(gòu)，有共軛雙鍵和多個手性碳原子，并含有親水基團(tuán)的羧基及1 個異丙基[1-2]。樅酸獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)使縱酸被廣泛應(yīng)用于日用化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥和其他精細(xì)化學(xué)品的合成[1-2]。

樹脂酸如含雜質(zhì)較少，可用其制備松香深加工的升級產(chǎn)品，附加值更高。目前，從松香中分離樹脂酸的研究較多[6-10]。獲得樹脂酸結(jié)晶的方法包括自然冷卻結(jié)晶法[8]、水冷卻結(jié)晶法[8]和有機(jī)溶劑（二氯甲烷、乙腈、丙酮和乙酸乙酯）溶解沉淀法[11-13]等。自然冷卻結(jié)晶法耗費的時間長，得到的結(jié)晶少、純度低，但能耗低[14]。水冷卻結(jié)晶法耗時較少，得到的結(jié)晶較多，但耗水且需要水冷卻設(shè)備，能耗和投資增大[15]。丙酮、二氯甲烷和乙腈等溶劑易揮發(fā)且具有一定毒性[16-18]，會污染環(huán)境，不利于工業(yè)推廣應(yīng)用。在乙酸乙酯中，松脂樹脂酸與丁醇胺反應(yīng)，生成粒徑大、粘度小、易于過濾和洗滌的聚針晶形胺鹽沉淀，過濾得到的胺鹽粗產(chǎn)物溶劑殘留量少、色澤淺和分散性好；但該方法步驟復(fù)雜、所需樣品和經(jīng)費多[13]。松脂不經(jīng)蒸餾直接獲取樹脂酸的研究很少[11]。本研究將松脂澄清脂液避光自然放置獲得樹脂酸粗晶體，用無水乙醇溶解，開展樹脂酸結(jié)晶分離與化學(xué)組成的研究，探討不同因素對樹脂酸結(jié)晶率的影響，找出適合工業(yè)化的工藝條件，提高樹脂酸結(jié)晶率，為大規(guī)模從松脂中分離樹脂酸晶體和后續(xù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬尾松松脂澄清脂液（松香60%～65%、松節(jié)油35% ～ 40%、水分≤0.5%、雜質(zhì)≤0.05 %）購于廣西容縣宏旺樹脂有限公司，無水乙醇、甲醇、四甲基氫氧化銨五水合物和酚酞等均為國產(chǎn)分析純。

稱取1.0 g 酚酞，用無水乙醇溶解并稀釋至100 mL，制成1%的酚酞指示劑。稱取6.0 g四甲基氫氧化銨置于94.0 g 甲醇中，充分搖勻后置于250 mL的容量瓶，制成6%四甲基氫氧化銨甲醇溶液，待用。

將馬尾松松脂澄清脂液在自然條件下避光密閉放置2個月后，抽濾，得到含有雜質(zhì)的樹脂酸粗晶體。除1.2.1試驗外，其他試驗材料均為樹脂酸粗晶體上下部分混合均勻后的樣品。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器為Clarus 500 氣相色譜儀（美國PerkinElmer 公司）和Finnigan TraceDSQ質(zhì)譜儀（美國ThermoElectron公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樹脂酸粗晶體含油率測定

?。?.0±0.05）g粗晶體置于稱量瓶，放入60 ℃恒溫真空干燥箱中干燥2 h，分別測定樹脂酸上部分酥松不結(jié)塊晶體的含油率和下部分結(jié)塊晶體的含油率。

1.2.2 冷卻方式對樹脂酸晶體結(jié)晶率的影響

?。?00 ± 0.1）g 粗晶體置于250 mL 燒杯中，加入120 mL 無水乙醇（固體液體比1∶1.2），加熱至50 ℃溶解后，均分成兩份，分別倒入250 mL 的錐形瓶中，一份放入0 ℃冰箱冷卻24 h結(jié)晶，另一份用流動自來水冷卻24 h結(jié)晶，抽濾。將晶體放入50 ℃恒溫真空干燥箱中干燥0.5 h，稱取質(zhì)量，計算冰箱冷卻和流動水冷卻的結(jié)晶率

1.2.3 加水量對樹脂酸晶體結(jié)晶率的影響

取5 個干燥的250 mL 錐形瓶，分別放入100 g粗晶體，加入120 mL無水乙醇（固體液體比1:1.2）溶解，分別加入0、15、30、45和60 mL水充分搖勻，放入0 ℃冰箱冷卻24 h 結(jié)晶，抽濾。將晶體放入50 ℃恒溫真空干燥箱中干燥0.5 h，稱取質(zhì)量，計算結(jié)晶率。

1.2.4 結(jié)晶時間對樹脂酸晶體結(jié)晶率的影響

分別稱取（50 ± 0.05）g 粗晶體置于4 個干燥的250 mL錐形瓶中，分別加入60 mL無水乙醇（固體液體比1∶1.2）溶解，再分別加入25 mL 蒸餾水搖勻，放入0 ℃冰箱分別靜置5、10、15、20 和25 h，抽濾。將晶體放入50 ℃恒溫真空干燥箱中干燥0.5 h，稱取質(zhì)量，計算結(jié)晶率。

樹脂酸結(jié)晶率（Y，%）的計算公式為[19]：

式中，Wa表示重結(jié)晶后樹脂酸的質(zhì)量（g）；W0表示重結(jié)晶前樹脂酸的質(zhì)量（g）。

1.2.5 正交試驗設(shè)計優(yōu)化樹脂酸粗晶體重結(jié)晶條件

稱?。?0 ± 0.05）g 粗晶體置于250 mL 錐形瓶中，加入60 mL無水乙醇溶解。采用3因素3水平正交試驗設(shè)計，設(shè)置水與乙醇體積比（A）、結(jié)晶溫度（B）和結(jié)晶時間（C）3 個因素，每個因素3 個水平，共9 個處理，每處理重復(fù)3 次（表1～2）。抽濾后，將晶體放入50 ℃恒溫真空干燥箱中干燥0.5 h，稱取晶體質(zhì)量，計算結(jié)晶率。

表1 重結(jié)晶的因素水平表Tab.1 Design factors and levels for recrystallization

1.2.6 樹脂酸組成成分測定

將正交試驗設(shè)計方法所獲得的晶體根據(jù)LY/T 3157-2019[20]所述的方法進(jìn)行甲酯化，用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用儀，測定樹脂酸的組成成分。

氣相色譜條件：色譜柱為毛細(xì)管柱HP-5MS（50 m×0.20 mm×0.33 μm）；載氣為高純氮氣，流速為30 mL/min；汽化室為260 ℃；一階升溫程序為初溫200 ℃（2 min），以10 ℃/min 升至250 ℃（5 min）；分流比為1∶5；進(jìn)樣量為1 μL。

質(zhì)譜條件：質(zhì)譜接口溫度為250 ℃；離子源溫度為250 ℃，EI離子源，離子能量為70 eV；燈絲電流為100 μA，電子倍增器電壓為1 400 V；掃描范圍為34～450 amu,掃描速度為2 s。

將所得質(zhì)譜圖直接與該機(jī)Nist質(zhì)譜庫檢出的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對比，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)[21-28]進(jìn)行定性分析，根據(jù)氣相色譜圖采用峰面積歸一法進(jìn)行定量分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松樹脂酸粗晶體含油率

樹脂酸粗晶體上部分和下部分晶體含油率分別為13.26%和6.22%。下部分晶體的含油率比上部分晶體的含油率小，可能是因為上部分晶體較分散，松節(jié)油吸附在樹脂酸粗晶體表面的面積較大，含油率高；下部分晶體結(jié)塊，松節(jié)油吸附面積小，含油率低。

2.2 冷卻方式對結(jié)晶率的影響

冰箱冷卻和流動水冷卻的結(jié)晶率分別為16.52%和14.70%，冰箱冷卻結(jié)晶率較高。冰箱冷卻獲得的晶體粗且多，水流動冷卻獲得的晶體較細(xì)且少，可能是因為0 ℃冰箱冷卻速度快，晶體析出時間較短，析出的晶體不斷長大。如果不考慮結(jié)晶產(chǎn)品的形狀，采用快速冷卻的方法，結(jié)晶率更高。

2.3 加水量對結(jié)晶率的影響

加水量為15 mL 時，樹脂酸的結(jié)晶量少，晶體結(jié)塊，顏色暗且含有雜質(zhì)；加水量為45 mL 時，樹脂酸晶體為淺白色，晶體細(xì)且酥松，結(jié)晶率較高；加水量> 45 mL 時，結(jié)晶率提高幅度不大，晶體顏色更白，細(xì)且酥松，主要是因為隨著水量增加，乙醇帶著更多的色素等雜質(zhì)進(jìn)入水中，使樹脂酸中的雜質(zhì)減少（圖1）。從經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備利用率等方面考慮，加水量為45～60 mL，即水與乙醇體積比為3∶8～1∶2 時較適宜。

圖1 加水量對樹脂酸結(jié)晶率的影響Fig.1 Effect of different water volumes on crystallization rate

2.4 結(jié)晶時間對結(jié)晶率的影響

隨著靜置時間的增加，析出的晶體增多；15 h后，結(jié)晶率趨于穩(wěn)定，溶液中的樹脂酸含量減少，晶體析出的速率減緩，增幅變小（圖2）。結(jié)晶時間為15～25 h為宜。

圖2 結(jié)晶時間對結(jié)晶率的影響Fig.2 Effects of crystallization time on crystallization rate

2.5 優(yōu)化樹脂酸粗晶體重結(jié)晶條件正交試驗設(shè)計結(jié)果

極差分析可知，各因素對結(jié)晶率的影響表現(xiàn)為水與乙醇體積比＞結(jié)晶時間＞結(jié)晶溫度；T7 處理（A3B1C3）樹脂酸的結(jié)晶率為92.93%，為最優(yōu)組合（表2）。方差分析表明，水與乙醇體積比對樹脂酸重結(jié)晶影響顯著（P<0.05），可知水與乙醇體積比是析出晶體的主要影響因素，可通過改變水與乙醇體積比獲得想要的樹脂酸晶體（表3）。

表2 正交試驗設(shè)計結(jié)果Tab.2 Results of L9(34)orthogonal experimental design

表3 方差分析表Tab.3 Variance analysis on L9(34)orthogonal experimental design

2.6 化學(xué)成分分析

樹脂酸主要成分為海松酸、異海松酸、左旋海松酸、脫氫樅酸、樅酸和新樅酸，相對質(zhì)量百分比分別為10.56%、2.87%、52.16%、5.73%、10.00% 和11.95%。結(jié)晶法獲得的樹脂酸含有較多的左旋海松酸，明顯不同于水蒸氣蒸餾的松香樹脂酸（幾乎不含左旋海松酸）[1-2,29]，這是因為結(jié)晶法獲得樹脂酸時幾乎不受熱，基本保持松脂中樹脂酸的構(gòu)型，而水蒸氣蒸餾松脂液制備松香時，溫度可高達(dá)200 ℃以上，松脂中的左旋海松酸等樅酸型樹脂酸受熱異構(gòu)成樅酸或新樅酸，且左旋海松酸幾乎完全異構(gòu)轉(zhuǎn)化，脫氫樅酸、樅酸和新樅酸也相互異構(gòu)轉(zhuǎn)化[1-2,30-31]。

表4 重結(jié)晶的樹脂酸主要成分Tab.4 Main components of recrystallized resin acid

3 結(jié)論

馬尾松澄清脂液上部分晶體含油率13.26%，下部分晶體含油率6.22%。在影響樹脂酸重結(jié)晶的各因素中，加水量對結(jié)晶率的影響顯著，隨著加水體積的增加，析出晶體更快，形態(tài)更好；結(jié)晶溫度和時間對結(jié)晶率影響不顯著。當(dāng)樹脂酸粗晶體與乙醇的固液比為1∶1.2 時，溫度為0 ℃，水和乙醇的體積比為1∶2，靜置時間為24 h 時，樹脂酸的結(jié)晶率最高（92.93%）。結(jié)晶法獲得的樹脂酸主要成分為海松酸、異海松酸、左旋海松酸、脫氫樅酸、樅酸和新樅酸，相對質(zhì)量百分比分別為10.56%、2.87%、52.16%、5.73%、10.00%和11.95%。本研究方法可以免去蒸餾過程，簡單快速；采用的無水乙醇環(huán)保無污染、價格低廉，具有很好的應(yīng)用前景。