陳貴陽

（廈門歐米克生物科技有限公司，福建廈門 361000）

己酸烯丙酯又名菠蘿醛、鳳梨醛，具有強(qiáng)烈的菠蘿樣的果香香氣，并有朗姆酒似的風(fēng)味，天然品存在于菠蘿等中；廣泛用于調(diào)配菠蘿、蘋果、杏、桃子、甜橙、草莓等果香型香精，以及朗姆酒和白酒等酒用香精。在食品行業(yè)中，己酸烯丙酯經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)食用，我國GB 2760—1996規(guī)定為暫時(shí)允許使用的食用香料。

己酸烯丙酯通常由己酸和烯丙醇為原料，經(jīng)酸性催化酯化反應(yīng)制得，常用的制備方法存在以下問題：硫酸法對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，產(chǎn)生大量廢水[1]；固體超強(qiáng)酸或雜多酸催化反應(yīng)需通過加熱回流帶水，而烯丙醇受熱易聚合，需添加阻聚劑對(duì)苯二酚[2-3]，對(duì)甲苯磺酸法亦需要加熱回流，同樣易導(dǎo)致烯丙醇聚合；微波促進(jìn)活性炭負(fù)載四氯化錫催化法[4]較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本文選用固定化脂肪酶Novozym 435為催化劑，高效合成己酸烯丙酯，探討并確定了最佳制備工藝。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

Agilent 7890B氣相色譜儀，安捷倫科技（中國）有限公司；GC-Ms QP2010 Ultra氣-質(zhì)聯(lián)用儀，島津（香港）有限公司；JJ-1精密電動(dòng)攪拌器，常州市金壇新航儀器廠；RV8旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司。

己酸，AR，98%，阿拉丁試劑有限公司；烯丙醇，化學(xué)純，98%，國藥試劑公司；環(huán)己烷，GR，99%，阿拉丁試劑有限公司；固定化脂肪酶Novozym 435，10 000 PLU/g，諾維信（中國）生物科技有限公司。

1.2 合成路線

己酸和烯丙醇在環(huán)己烷溶劑中，經(jīng)脂肪酶Novozym 435催化酯化，室溫下制得己酸烯丙酯，合成路線如圖1所示。

圖1 合成路線圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 己酸烯丙酯的制備

在500 mL圓底燒瓶中加入己酸50 g（0.43 mol）、烯丙醇30 g（0.52 mol）、環(huán)己烷150 mL，加入脂肪酶Novozym 435（0.5 g，1%），裝上電動(dòng)攪拌器，室溫下反應(yīng)24 h。取樣1 mL，經(jīng)濾膜過濾后送氣相色譜檢測(cè)。待氣相色譜（GC）檢測(cè)己酸烯丙酯含量不再變化，停止反應(yīng)，靜置。

將下層含有脂肪酶的懸濁液分出，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮，40 ℃水浴加熱，除水后即可回收套用多次。上層清液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，加入飽和碳酸氫鈉溶液50 g洗，分出有機(jī)相，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮，30 ℃水浴加熱，回收環(huán)己烷60 mL，得粗品67 g；粗品經(jīng)減壓蒸餾，油浴95～105 ℃，頂溫81 ℃，得產(chǎn)品62.5 g，GC含量98.85%，收率92.9%。

所得產(chǎn)品的折光為1.4248（1.422～1.426），比重為0.8864 g/mL（25 ℃，0.884～0.890 g/mL）。氣-質(zhì)聯(lián)用儀分析結(jié)果：譜庫NIST08s.LIB，匹配度98%，分子式C9H16O2，Cas:123-68-2，摩爾質(zhì)量156；保留時(shí)間18.322 min處為產(chǎn)品峰（己酸烯丙酯），15.457min處為雜質(zhì)峰1（己酸乙酯），18.709 min處為雜質(zhì)峰2（己酸正丙酯），如圖2所示。

圖2 氣-質(zhì)聯(lián)用譜圖

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文從反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、烯丙醇用量、不同溶劑量和脂肪酶套用次數(shù)等因素進(jìn)行平行試驗(yàn)，研究了轉(zhuǎn)化率的變化情況，檢測(cè)條件如下。

（1）色譜分析條件。進(jìn)樣口溫度250 ℃，程序升溫：起始溫度70 ℃，保持3 min，接著以5 ℃/min升溫至230 ℃；以高純氮（純度＞99.99%）為載氣，流量1 mL/min。進(jìn)樣量0.2 μL，分流比50∶1；采用面積歸一法進(jìn)行定量分析。GC-酯為氣相色譜圖上扣除溶劑峰后己酸烯丙酯的含量，即反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。

（2）柱條件。30 m×320 μm×0.25 μm毛細(xì)管柱（HP-5）和30 m×250 μm×0.25 μm毛細(xì)管柱（DB-WAX）。

（3）質(zhì)譜條件。進(jìn)口溫度250 ℃，離子源（EI）電壓350 V，溫度200 ℃，發(fā)射電流150 mA。掃描時(shí)間0.3 s/次，掃描范圍15～500 amu，掃描速度：1 666；檢測(cè)器增益0.9 kV，溶劑延遲時(shí)間0.2 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

采用己酸 50 g（0.43 mol）、烯丙醇 30 g（0.52 mol）、環(huán)己烷150 mL，脂肪酶0.5 g進(jìn)行酯化反應(yīng)，分別于6 h、12 h、24 h、36 h和48 h取樣，轉(zhuǎn)化率以GC-酯表示，結(jié)果如圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

由圖3可知，在該批投料情況下，酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間推移而增加，當(dāng)反應(yīng)24 h后，轉(zhuǎn)化率增加不明顯。由此可見，適宜的反應(yīng)時(shí)長是24 h。

2.2 催化劑用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

除脂肪酶Novozym 435外，其余投料量同上，根據(jù)不同脂肪酶用量（0.01 g、0.10 g、0.20 g、0.50 g和1.00 g）進(jìn)行平行試驗(yàn)，反應(yīng)24 h時(shí)統(tǒng)一取樣，結(jié)果如圖4。

圖4 脂肪酶用量與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

由圖4可知，脂肪酶用量對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化有較為明顯的作用，產(chǎn)品含量隨著脂肪酶用量的增加而增加，催化量為0.5 g（1%）較為適宜。

2.3 烯丙醇用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

除烯丙醇外，其余投料量同上，根據(jù)不同烯丙醇用量（醇酸摩爾比1.0、1.1、1.2、1.3和1.4）進(jìn)行平行試驗(yàn)，反應(yīng)24 h時(shí)統(tǒng)一取樣，氣相色譜檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 烯丙醇用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

由表1可知，隨著烯丙醇用量的增加，反應(yīng)平衡向產(chǎn)品方向移動(dòng)，但產(chǎn)品含量增加的同時(shí)，烯丙醇?xì)堄嗔恳裁黠@增加。由此表明，醇酸摩爾比為1.2較適宜。

2.4 不同溶劑量對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

酯化反應(yīng)是一個(gè)可逆的過程，副產(chǎn)物水需由溶劑分散或帶出反應(yīng)體系，才能提高轉(zhuǎn)化率。除環(huán)己烷外，其余投料量同上，根據(jù)不同溶劑用量（50 mL、100 mL、150 mL、200 mL和250 mL）進(jìn)行平行試驗(yàn)，反應(yīng)24 h時(shí)統(tǒng)一取樣，結(jié)果如圖5。

圖5 溶劑用量與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

由圖5可知，雖然溶劑可促進(jìn)平衡向產(chǎn)物進(jìn)行，但要考慮其用量成本，且溶劑量越大，安全系數(shù)越低。最佳溶劑用量為150 mL。

2.5 脂肪酶套用次數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

由上述反應(yīng)得出最佳反應(yīng)條件，考察催化劑回收套用次數(shù)。隨著反應(yīng)進(jìn)行，Novozym 435顆粒慢慢變小，形成白色懸濁液；待每批反應(yīng)結(jié)束后，靜置，將下層含有脂肪酶的懸濁液分出，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上除水，水浴加熱不超過40 ℃，濃縮至干，加入其余反應(yīng)物進(jìn)行下一批反應(yīng)。反復(fù)6批次，結(jié)果如圖6。

圖6 脂肪酶套用次數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響

由圖6可知，脂肪酶Novozym 435重復(fù)使用6次，對(duì)酯化反應(yīng)收率影響不明顯，說明該脂肪酶至少可回收套用6次。

3 結(jié)論

固定化脂肪酶廣泛被用于酯化反應(yīng)，反應(yīng)以室溫即可，尤其適用于反應(yīng)物中有熱不穩(wěn)定化合物的反應(yīng)。采用Novozym 435催化己酸和烯丙醇，通過單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)條件：脂肪酶用量為己酸質(zhì)量的1%（0.5 g），烯丙醇和己酸摩爾比為1.2，室溫下反應(yīng)24 h，己酸烯丙酯收率92.9%。該工藝高效可行，三廢少，符合節(jié)能減排政策，有著良好的工業(yè)應(yīng)用前景。