張鳳秀，張光先

(1.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715)

有機(jī)溶劑中脂肪酶催化辛酸辛酯的合成

張鳳秀1，張光先2,*

(1.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715)

以豬胰腺脂肪酶為催化劑合成辛酸辛酯。研究有機(jī)溶劑、反應(yīng)溫度、加水量、加酶量、反應(yīng)時(shí)間、底物濃度及底物物質(zhì)的量比7個(gè)因素對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響，優(yōu)化得到最佳合成條件。結(jié)果表明：最佳反應(yīng)溫度45℃、正己烷有機(jī)溶劑、加水量29μL、酶質(zhì)量濃度2.314g/L、反應(yīng)時(shí)間24h、辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2～1:1.5、辛酸濃度為0.23～0.33mol/L。在優(yōu)化條件下，辛酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.12%以上，并通過(guò)IR、1H NMR、13C NMR譜表征了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。酶催化法能在溫和的反應(yīng)條件下合成高產(chǎn)率的酯。

脂肪酶；合成；辛酸辛酯；有機(jī)溶劑；酯化反應(yīng)

Abstract ：The synthesis of caprylic caprylate catalyzed by lipase from porcine pancreas in an organic solvent was carried out to explore the effects of organic solvent type, reaction temperature, amount of added water, reaction time, lipase amount,substrate concentration and caprylic acid-to-caprylic alcohol ratio on caprylic acid conversion. The optimum organic solvent for caprylic caprylate synthesis was n-hexane. Reaction temperature of 45 ℃, amount of added water of 29 μ L, caprylic acid-tocaprylic alcohol ratio of 1:1.2－1:1.5, caprylic acid concentration of 0.23－0.33 mol/L, lipase concentration of 2.314 g/L were found optimum. Under these optimized conditions, the conversion ratio of caprylic acid was 98.12%. In addition, the structure of synthesized product was characterized by IR,1H NMR and13C NMR. This synthesis method can yield a high conversion ratio of caprylic acid under mild reaction conditions.

Key words：lipase；synthesis；caprylic caprylate；organic solvent；esterification

酯類化合物通常有一定的芳香味，廣泛應(yīng)用于配制各種果汁、食用香精、食品添加劑及化妝品中[1-2]。在工業(yè)上，酯類化合物常采用濃硫酸為催化劑的傳統(tǒng)方法合成。該合成方法存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、副反應(yīng)多、產(chǎn)率低以及對(duì)生產(chǎn)設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重腐蝕等缺點(diǎn)[3]。為此，許多學(xué)者在催化劑改進(jìn)方面開展較多研究工作，比如采用氨基磺酸、甲烷磺酸、芳基磺酸(鹽)(如苯磺酸和對(duì)甲苯磺酸)、樹脂以及無(wú)機(jī)鹽類(如高分子負(fù)載氯化鐵、硫酸鈦、三氯化鋁)等催化劑合成酯[4-9]。雖然這些催化劑引起的副反應(yīng)及對(duì)設(shè)備的腐蝕性比濃硫酸較小，且具有良好的催化性能，但仍存在一定的腐蝕性和環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)催化劑的回收利用率較低。

酶作為一種生物催化劑，它具有強(qiáng)的專一性、高的催化效率、反應(yīng)條件溫和、酶可回收利用、反應(yīng)耗能低、原料要求低、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種綠色催化劑[10-11]。因而，酶催化技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于油脂、化工、食品、化妝品等行業(yè)中[12-14]。

食用香料辛酸辛酯屬中、長(zhǎng)碳鏈酯，其沸點(diǎn)高，有似玫瑰和蘑菇香氣。目前，在工業(yè)上仍然采用濃硫酸為催化劑直接酯化法合成[15]。由于該合成方法需要的酯化溫度高，這樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物和反應(yīng)物炭化嚴(yán)重，產(chǎn)率低，且產(chǎn)物的分離提純需要的工藝條件較高。因此，本實(shí)驗(yàn)用豬胰腺脂肪酶為催化劑合成辛酸辛酯，考察底物濃度、底物物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、加酶量、加水量、有機(jī)溶劑和反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶催化合成辛酸辛酯的影響，探討并優(yōu)化最佳反應(yīng)條件，并用IR譜、1H NMR和13C NMR譜表征產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，以期得到辛酸辛酯高轉(zhuǎn)化率的最佳酶催化合成方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豬胰腺脂肪酶(lipase from porcine pancreas TypeⅡ)美國(guó)Sigma公司；辛酸 中國(guó)醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司；辛醇 寧波大川精細(xì)化工有限公司；以上或其他試劑均為分析純或化學(xué)純。所有試劑使用前用3A分子篩干燥24h，使其脫去水分。

1.2 儀器與設(shè)備

SHA-B恒溫振蕩器 常州國(guó)華電器有限公司；HH系列六孔恒溫水槽 江蘇金壇中大儀器廠；Speclmm GX型紅外光譜儀 美國(guó)PE公司；Av-300型核磁共振儀 瑞士Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 酯化反應(yīng)

取100mL的帶塞三角瓶，用微量取樣槍移取一定體積的辛酸和辛醇，然后再向瓶中加入5mL有機(jī)溶劑、一定量酶粉、適量pH7.9的磷酸緩沖溶液及27mg無(wú)水硅膠組成反應(yīng)體系，用帶蓋的橡膠塞子密閉。在一定溫度，120r/min旋轉(zhuǎn)振蕩反應(yīng)24h或設(shè)定一定時(shí)間，取樣檢測(cè)。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

1.3.2 酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的測(cè)定

辛酸辛酯的沸點(diǎn)高，采用液相色譜法測(cè)定辛酸轉(zhuǎn)化率與酸堿中和滴定法測(cè)定誤差僅在2%左右。因此，本實(shí)驗(yàn)采用酸堿中和滴定法測(cè)定辛酸轉(zhuǎn)化率以表示辛酸辛酯的產(chǎn)率。定時(shí)吸取一定量的反應(yīng)液，立即向反應(yīng)瓶中加入體積比2:1的乙醇-丙酮溶劑5mL終止反應(yīng)。加10mL蒸餾水稀釋，再加兩滴酚酞指示劑，用0.05mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定直至剛好出現(xiàn)粉紅色為止，計(jì)算辛酸的轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率按式(1)計(jì)算。所得數(shù)據(jù)為3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。

式中：V0為辛酸的初始體積/mL；144.24為辛酸的相對(duì)分子質(zhì)量；0.915為辛酸的相對(duì)密度/(g/mL)；V為消耗NaOH溶液的體積/mL；c為NaOH溶液的濃度/(mol/L)。

1.3.3 產(chǎn)物的分離提純

收集轉(zhuǎn)化率98%以上的反應(yīng)液，抽濾除去反應(yīng)液中的酶粉。將濾液轉(zhuǎn)入100mL分液漏斗中，加入飽和Na2CO3溶液30mL，搖勻，靜置、分層，除去下層溶液，保留上層液。這樣連續(xù)操作2～3次，除去殘余的辛酸。然后，用二次蒸餾水充分搖勻，洗滌2～3次。上層有機(jī)相轉(zhuǎn)入100mL干燥的三角瓶中，加入適量的無(wú)水硫酸鈉，干燥。在減壓蒸餾下收集138～140℃餾分。得淺黃色辛酸辛酯純品。

1.3.4 產(chǎn)物表征

用紅外光譜儀(直接用辛酸辛酯液體壓膜)測(cè)定IR譜。用核磁共振儀(TMS內(nèi)標(biāo)，CDCl3溶劑)測(cè)定1H NMR、13C NMR譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 底物濃度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

在辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1、酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、加水量29μL、正己烷溶劑、45℃反應(yīng)時(shí)間24h的反應(yīng)條件下，考察底物濃度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 不同底物濃度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Table 1 Effects of caprylic acid and caprylic alcohol concentrations on caprylic acid conversion

由表1可知，當(dāng)辛酸、辛醇的濃度低于0.28mol/L時(shí)，酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率隨底物濃度的增加而增加。而高于0.28mol/L時(shí)，則轉(zhuǎn)化率隨底物濃度的增加而降低。酯化反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，為了提高產(chǎn)率，通常采用增加反應(yīng)物的濃度方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于酶催化酯化反應(yīng)，已有大量研究表明底物濃度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)雙底物的抑制作用[16-18]。因此，辛酸和辛醇底物濃度不宜過(guò)高，否則會(huì)起抑制作用，轉(zhuǎn)化率下降。所以底物濃度為0.23～0.33mol/L最佳。

2.2 底物物質(zhì)的量比對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

在酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、加水量29μL、正己烷溶劑、反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時(shí)間24h的條件下，考察底物物質(zhì)的量比對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，當(dāng)辛酸濃度為0.30mol/L時(shí)，且辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1.2:1，即辛酸過(guò)量時(shí)轉(zhuǎn)化率最低。表明辛酸對(duì)酶的抑制作用較大，這可能是因?yàn)樾了徇^(guò)量，降低了反應(yīng)體系的pH值，從而對(duì)酶的活性起抑制作用。當(dāng)辛酸濃度為0.25mol/L時(shí)，底物辛醇過(guò)量，辛酸與辛醇物質(zhì)的量比在1:1.2～1:1.5范圍，轉(zhuǎn)化率最大，達(dá)到98%以上。但辛醇的濃度繼續(xù)增加時(shí)，其物質(zhì)的量比由1:1.7增加到1:3.0時(shí)，轉(zhuǎn)化率明顯遞減。因此，辛酸與辛醇的物質(zhì)的量比在1:1.2～1:1.5適宜。辛酸與辛醇的物質(zhì)的量比為1:1.5最佳。但在實(shí)際生產(chǎn)上，綜合考慮成本和經(jīng)濟(jì)效益，所以選擇辛酸與辛醇的物質(zhì)的量比為1:1.2為宜。

表2 底物物質(zhì)的量比對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Table 2 Effect of caprylic acid-to-caprylic alcohol ratio on caprylic acid conversion

當(dāng)辛酸濃度比辛醇過(guò)量20%時(shí)，轉(zhuǎn)化率大幅度降低；而辛醇濃度比辛酸過(guò)量20%時(shí)，轉(zhuǎn)化率不但沒(méi)有下降，反而還升高。這表明辛酸濃度對(duì)酶的催化活力影響程度比辛醇大。脂肪酶的催化活力對(duì)羧酸濃度高低更為敏感。當(dāng)然，辛醇濃度太高，也直接影響酶的催化活力，使轉(zhuǎn)化率下降。可見，辛酸和辛醇對(duì)酶催化有雙底物抑制作用。這是因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中有可能形成一種三元絡(luò)合物酶-辛醇-辛酸，反應(yīng)速率則由三元絡(luò)合物的濃度確定。只有當(dāng)兩底物取合適的比例時(shí)，酶-辛醇-辛酸絡(luò)合物的濃度最大，反應(yīng)速率最快，轉(zhuǎn)化率高。理論上當(dāng)兩底物物質(zhì)的量比為1:1時(shí)，三元絡(luò)合物的濃度最大，反應(yīng)速率應(yīng)最快。但本實(shí)驗(yàn)體系中轉(zhuǎn)化率最高值時(shí)的酸醇物質(zhì)的量比為1:1.2～1:1.5。這是因?yàn)樵谏甚サ倪^(guò)程中，存在著脂肪酸進(jìn)入酶的底物結(jié)合部位并與酶形成酯化酶復(fù)合物，而辛醇接近酶的活性位點(diǎn)，會(huì)阻礙酯化酶復(fù)合物形成酯的關(guān)鍵步驟。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度對(duì)酶促酯化反應(yīng)影響很大。溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)直接影響酶的催化活力。在辛酸0.25mol/L、辛醇0.30mol/L、辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2、加水量29μL、酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、反應(yīng)時(shí)間24h、正己烷溶劑的反應(yīng)條件下，考察35～60℃不同溫度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，在低溫階段(35～45℃)，隨著反應(yīng)溫度的升高轉(zhuǎn)化率逐漸增加；當(dāng)反應(yīng)到一個(gè)臨界溫度即最適溫度(45℃)時(shí)，酶的活力出現(xiàn)最佳狀態(tài)，轉(zhuǎn)化率最大。當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)最適溫度(＞45℃)時(shí)，隨著溫度逐漸升高，轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì)；當(dāng)反應(yīng)溫度高于50℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率下降幅度越來(lái)越大。這是因?yàn)槊阜肿拥臉?gòu)象對(duì)反應(yīng)溫度的變化十分敏感。低溫時(shí)酶分子的柔性不夠，因而催化活力不夠高。隨著溫度的逐漸升高，酶分子的柔性也逐漸增加；當(dāng)增加到45℃時(shí)，酶分子的柔性達(dá)到最佳狀態(tài)，此時(shí)表現(xiàn)出最佳的催化活力。繼續(xù)增加溫度，酶分子的柔性增加過(guò)大，其催化活力會(huì)逐漸下降。在較高的反應(yīng)溫度下，有部分酶分子出現(xiàn)變性現(xiàn)象，已經(jīng)喪失了其催化能力。因而辛酸的轉(zhuǎn)化率急劇下降。由此可知，豬胰腺脂肪酶催化辛酸辛酯合成的最佳溫度為45℃。

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on caprylic acid conversion

2.4 加水量對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

在有機(jī)溶劑中維持脂肪酶催化活性的構(gòu)象需要微量的水分，因此，在反應(yīng)體系中加入一定量的水是必需的[13-14]。由于加水量的多少會(huì)直接影響酶的構(gòu)象變化，從而影響酶的催化活力。在辛酸0.25mol/L、辛醇0.30mol/L，辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2、酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、溫度為45℃、反應(yīng)時(shí)間為24h、正己烷溶劑的反應(yīng)條件下，考察加水量對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 加水量對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of amount of added water on caprylic acid conversion

由圖2可知，隨反應(yīng)體系加水量的遞增，辛酸的轉(zhuǎn)化率呈鐘形曲線。在10～29μL范圍，隨著加水量的增加，轉(zhuǎn)化率也隨之增加。而加水量在27～29μL范圍，酶的活力最佳，轉(zhuǎn)化率高。繼續(xù)增加水量，轉(zhuǎn)化率則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榫S持酶蛋白分子結(jié)構(gòu)的幾種非共價(jià)鍵相互作用(靜電引力、范德華力、氫鍵和疏水間作用力)都與水有關(guān)。當(dāng)水量低于最適水量時(shí)，酶構(gòu)象過(guò)于“剛性”，失去催化活力。過(guò)多的水量會(huì)導(dǎo)致酶的柔性增加程度過(guò)大，引起其熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)的變化，不利于維持酶分子活性的三維立體空間構(gòu)象，使酶的活性下降。只有適量的水量才使酶結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)“剛性”和熱力學(xué)穩(wěn)定性之間達(dá)到最佳平衡點(diǎn)，酶的催化活性處于最佳狀態(tài)[19]。因此，本實(shí)驗(yàn)中適宜的加水量為29μL。

2.5 有機(jī)溶劑對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

脂肪酶在有機(jī)溶劑中的活性與溶劑的疏水性大小有關(guān)[14]。有機(jī)溶劑的疏水性與酶活力之間的關(guān)系用一個(gè)參數(shù)lgP作為衡量指標(biāo)。lgP表示一種有機(jī)溶劑在正辛醇-水兩相溶液中的分配系數(shù)的對(duì)數(shù)，其中P為分配系數(shù)。lgP值越大，溶劑的疏水性越高。有機(jī)介質(zhì)中生物催化一般遵守以下規(guī)律[19-20]：lgP＜2的極性溶劑不適合生物催化系統(tǒng)；2＜1gP＜4的溶劑對(duì)酶表面水層的干擾不大；lgP＞4的溶劑不干擾酶的必需水層，酶能保持活性構(gòu)象。在辛酸0.25mol/L、辛醇0.30mol/L、辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2、酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、加水量為29μL、溫度為45℃、反應(yīng)時(shí)間為24h的反應(yīng)條件下，考察4種有機(jī)溶劑：苯、甲苯、正己烷、吡啶對(duì)酶酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 有機(jī)溶劑對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of organic solvent type on caprylic acid conversion

實(shí)驗(yàn)所用4種有機(jī)溶劑的疏水性大小(lgP)次序?yàn)椋赫和?lgP=3.5)＞甲苯(lgP=2.5)＞苯(lgP=2.0)＞吡啶(lgP=1.04)。正己烷的疏水性最好，而吡啶的親水最強(qiáng)。由圖3可以看出，酯化反應(yīng)在4種溶劑中辛酸的轉(zhuǎn)化率由高到低的次序?yàn)椋赫和椋炯妆剑颈剑具拎ぁ＿@與溶劑的疏水性大小一致。這可能是由于吡啶溶劑親水性較強(qiáng)，易剝奪酶分子表面的必需水層，使酶容易失活。而疏水性強(qiáng)的正己烷溶劑不會(huì)干擾酶分子表面的必需水層，也不會(huì)干擾底物向酶表面擴(kuò)散，從而使脂肪酶很好地發(fā)揮催化作用。

2.6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

在辛酸0.25mol/L、辛醇0.30mol/L、辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2、酶質(zhì)量濃度為2.314g/L、溫度為45℃、加水量為29μL、正己烷溶劑的反應(yīng)條件下，一定時(shí)間取樣測(cè)定轉(zhuǎn)化率，得酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of reaction time on caprylic acid conversion

從圖4可以看出，在反應(yīng)10h內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，反應(yīng)速度加快，轉(zhuǎn)化率幾乎成呈線性上升。在反應(yīng)10h時(shí)，轉(zhuǎn)化率已達(dá)到82.38%。10h以后，反應(yīng)速度開始減慢，轉(zhuǎn)化率提高幅度不大。在反應(yīng)24h，其轉(zhuǎn)化率為97.8%。24h以后，轉(zhuǎn)化率幾乎沒(méi)有提高。這是因?yàn)轷セ磻?yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，在反應(yīng)開始時(shí)(10h內(nèi))，由于反應(yīng)物的濃度高，正反應(yīng)速度加快，轉(zhuǎn)化率大幅度提高。當(dāng)反應(yīng)到達(dá)一定時(shí)間(10h)以后，隨著產(chǎn)物酯濃度的增加，正反應(yīng)速度逐漸減小，而逆反應(yīng)速度逐漸增大，轉(zhuǎn)化率提高幅度不大。在24h以后酯化反應(yīng)基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因此轉(zhuǎn)化率提高幅度更小。所以反應(yīng)時(shí)間確定24h為宜。

2.7 加酶量對(duì)酶促酯化反應(yīng)的影響

在辛酸0.25mol/L、辛醇0.30mol/L、辛酸與辛醇物質(zhì)的量比為1:1.2、溫度為45℃、加水量為29μL、反應(yīng)時(shí)間為24h、正己烷溶劑的反應(yīng)條件下，考察不同加酶量對(duì)酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 不同加酶量對(duì)酯化反應(yīng)的影響Fig.5 Effects of lipase amount on esterification

由圖5可以看出，當(dāng)酶質(zhì)量濃度較低(低于2.314g/L)時(shí)，隨著酶質(zhì)量濃度的增加，轉(zhuǎn)化率逐漸增高。在酶質(zhì)量濃度為2.314g/L時(shí)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大。繼續(xù)增加酶質(zhì)量濃度，其轉(zhuǎn)化率幾乎沒(méi)有增加。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)體系中酶以酶-底物絡(luò)合物的形式存在。當(dāng)酶質(zhì)量濃度較低時(shí)，這種酶-底物絡(luò)合物的質(zhì)量濃度不高，因此辛酸的轉(zhuǎn)化率不高。隨著酶質(zhì)量濃度的增加，酶-底物絡(luò)合物的質(zhì)量濃度增加，其轉(zhuǎn)化率也增加。而酶質(zhì)量濃度過(guò)高，則過(guò)剩的酶沒(méi)有被充分利用，導(dǎo)致酶浪費(fèi)，所以酶質(zhì)量濃度為2.314g/L為宜。

2.8 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

產(chǎn)物經(jīng)分離提純后，分別經(jīng)過(guò)紅外光譜(IR)、核磁共振氫譜(1H NMR)和核磁共振碳譜(13C NMR)表征，見圖6～8。

圖6 產(chǎn)物的紅外吸收光譜Fig.6 IR spectrum of the synthesized product

由圖6可知，在3600cm-1附近沒(méi)有辛醇的羥基(—OH)特征吸收峰，同時(shí)在1680cm-1與3200cm-1附近也沒(méi)有辛酸的羰基(C＝O)及羥基(—OH)的特征吸收峰，可以判斷辛酸、辛醇已經(jīng)被除去。在2856.57～2958.41cm-1處出現(xiàn)甲基(—CH3)和亞甲基(—CH2)的強(qiáng)伸縮振動(dòng)吸收峰，并在1378.58～1464.74cm-1出現(xiàn)甲基(—CH3)和亞甲基(—CH2)碳?xì)滏I(C—H)的彎曲振動(dòng)峰；723.98cm-1為亞甲基(—CH2)面內(nèi)搖擺振動(dòng)峰。在1739.74cm-1處出現(xiàn)飽和脂肪酸酯羰基(C＝O)的強(qiáng)伸縮振動(dòng)吸收峰，并在1106.22～1299.95cm-1處出現(xiàn)脂肪酯碳氧鍵(C—O)的強(qiáng)伸縮吸收峰，這個(gè)區(qū)域的吸收峰又與亞甲基(—CH2)的彎曲振動(dòng)峰重合。因此，可以判斷產(chǎn)物是酯類化合物。

IR譜從產(chǎn)物結(jié)構(gòu)基團(tuán)角度，確認(rèn)產(chǎn)物有酯基、甲基和亞甲基的存在。為了進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)定1H NMR譜和13C NMR譜來(lái)確定產(chǎn)物中氫原子、碳原子的種類和個(gè)數(shù)。其1H NMR譜和13C NMR譜圖的結(jié)果見圖7、8。

由圖7、8可以得到產(chǎn)物中各種氫原子和碳原子的化學(xué)位移(δ)，其數(shù)據(jù)如下：1H NMR(CDCl3，300MHz)δ：0.86～0.88(d, J=6.28Hz, 6H, 2CH3)；1.28 (s, 18H,9CH2)；1.594～1.638(t, J=6.52Hz, 4H, 2CH2)；2.265～2.316(t, J=6.79Hz, 2H, CH2)；4.034～4.079(t, J=7.13Hz, 2H,CH2)。13C NMR(CDCl3，300MHz)δ：14.05、14.07、22.59、22.65、25.03、25.9、28.64、28.93、29.11、29.18、29.20、31.66、31.77、34.41、64.39、172.9。

圖7 產(chǎn)物核磁共振氫譜(1H NMR)Fig.71H NMR spectrum of the synthesized product

圖8 產(chǎn)物核磁共振碳譜(13C NMR)Fig.813C NMR spectrum of the synthesized product

根據(jù)1H NMR、13C NMR數(shù)據(jù)分析，可以推測(cè)出產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及相關(guān)數(shù)據(jù)歸屬，結(jié)果見圖9。

圖9 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)式及1H NMR、13C NMR譜數(shù)據(jù)歸屬Fig.9 Structure of the synthesized product and1H NMR and13C NMR spectral assignment

通過(guò)IR、1H NMR、13C NMR譜表征，證實(shí)了辛酸辛酯產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

采用豬胰腺脂肪酶催化辛酸與辛醇的酯化反應(yīng)，優(yōu)化得到最佳反應(yīng)條件：正己烷溶劑、反應(yīng)溫度45℃、加水量29μL、酶質(zhì)量濃度2.314g/L、反應(yīng)時(shí)間24h、辛酸濃度為0.23～0.33mol/L、辛酸與辛醇的物質(zhì)的量比為1:1.2～1:1.5。在優(yōu)化條件下，辛酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.12%以上，并通過(guò)IR、1H NMR、13C NMR譜表征了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。酶催化法能在溫和的反應(yīng)條件下合成得到高產(chǎn)率的酯，可為中、長(zhǎng)碳鏈的生物合成實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] 濟(jì)南市輕工業(yè)研究所. 合成食用香料手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1985: 364-521.

[2] 許戈文, 李布青. 合成香料產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)商業(yè)出版社, 1996: 284-285.

[3] 章思規(guī). 精細(xì)有機(jī)化學(xué)品技術(shù)手冊(cè): 上冊(cè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992:149.

[4] 趙汝琪. 氨基磺酸催化合成丁酸異戊酯的研究[J]. 化工科技, 2000,5(5): 30-32.

[5] 勒通收, 楊軍紅. 以甲磺酸為催化劑合成苯甲酸乙酯[J]. 化學(xué)試劑,1993, 15(3): 180; 185.

[6] 王敏, 姜恒, 宮紅, 等. 甲烷磺酸銅催化合成丁酸酯的性能[J]. 應(yīng)用化學(xué), 2004, 21(6): 617-620.

[7] 翁文, 許麗華, 李國(guó)平, 等. 四氯化錫催化合成乙酸異戊酯的合成[J].應(yīng)用化學(xué), 2001, 18(3): 244-245.

[8] 平偉軍, 俞善信, 張魯西. 氯化鐵催化合成羧酸異戊酯[J]. 湖南化工,1998, 28(6): 26-27.

[9] 吳曉松, 楊志成, 林享應(yīng). 樹脂催化合成丁酸異戊酯的研究[J]. 華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 23(1): 45-48.

[10] 劉海洲, 劉均洪, 張媛媛, 等. 微生物脂肪酶的最新應(yīng)用研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā), 2009, 30(1): 141-143.

[11] 曾家豫, 周興輝, 張繼, 等. 有機(jī)介質(zhì)中酶催化合成己酸乙酯的研究[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(6): 123-127.

[12] ZAKS A, KLIBANOV A M. Enzymatic catalysis in organic media at 100 degrees[J]. Science, 1984, 224(15): 1249-1251.

[13] 吳小梅, 辛嘉英, 張穎鑫, 等. 無(wú)溶劑體系中的脂肪酶催化反應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 分子催化, 2006, 20(6): 597-603.

[14] 陳惠黎, 李文杰. 分子酶學(xué)[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 1983: 232.

[15] 化學(xué)工業(yè)出版社組織. 中國(guó)化工產(chǎn)品大全[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1998: 759.

[16] SUN Shuyang, XU Yan, WANG Dong. Novel minor lipase from Rhizopus chinensis during solid-state fermentation: Biochemical characterization and its esterification potential for ester synthesis[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(9): 2607-2612.

[17] 趙天濤, 張麗杰, 高靜, 等. 脂肪酶催化乳酸與乙醇合成乳酸乙酯的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J]. 催化學(xué)報(bào), 2008, 29(2): 141-144.

[18] GAO Yinyu, CHEN Wenwei, LEI Hanwu, et al. Optimization of transesterification conditions for the production of fatty acid methyl ester(FAME) from Chinese tallow kernel oil with surfactant-coated lipase[J].Biomass and Bioenery, 2009, 33(2): 277-282.

[19] 曹淑桂. 有機(jī)溶劑中酶催化研究的新進(jìn)展: 酶催化活性和選擇性的控制與調(diào)節(jié)[J]. 化學(xué)通報(bào), 1995(5): 5-12; 17.

[20] 曹淑桂, 劉占斌, 馮雁丁, 等. 脂肪酶在有機(jī)溶劑中催化酯合成和酯交換反應(yīng)[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 1991, 12(11): 1555-1557.

Enzymatic Synthesis of Caprylic Caprylate in an Organic Solvent

ZHANG Feng-xiu1，ZHANG Guang-xian2,*
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. College of Textile and Garment, Southwest University, Chongqing 400715, China)

TS225 3

A

1002-6630(2010)15-0044-06

2009-12-23

重慶市科委自然基金項(xiàng)目(CSTC，2008BB4250)；西南大學(xué)博士基金項(xiàng)目(swu109052)

張鳳秀(1965—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)樯镉袡C(jī)合成。E-mail：zhangfx656472@sina.com

*通信作者：張光先(1965—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樯镉袡C(jī)合成。E-mail：zgx656472@sina.com