响应面法优化麦芽糖水解制备5-羟甲基糠醛

王永贵， 任淑芝， 耿庆保， 张伟钢， 葛秀涛

(1. 滁州学院 材料与化学工程学院， 安徽 滁州 239000； 2. 安徽金禾实业股份有限公司， 安徽 滁州 239000)

19世纪以来，人类以化石资源为物质基础，化学工业文明取得了辉煌成就，然而化石资源是储量有限的不可再生资源，会不可避免地走向衰竭，而且化石资源的长期开发和使用也给人类带来了空气污染、水污染、全球变暖等问题，因此寻找可代替化石资源的其他资源是当代主要任务，同时发展低碳经济成为全球关注的焦点。生物质资源是指可再生的有机物质，包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等，可通过工业加工转化，生产生物基产品和生物燃料以及获得生物能源。生物质数量庞大，价格低廉，可以被生物降解，是可持续资源，生物质资源的利用是解决全球能源危机的重要途径。相应的以可再生的生物质资源生产高附加值的化工产品成为研究的热点[1]。作为一种生物质转化过程中重要的平台化合物，5-羟甲基糠醛(5-HMF)分子中含有羟甲基和醛基，能够发生酯化、缩合、氧化等化学反应合成不同性能的产品，并广泛应用于医药、塑料、农药、香料等方面[2-4]。5-HMF可由常见的糖类经酸性催化剂催化脱水制备，由于糖类具有可再生性，以它作为“绿色化工”的原料逐渐成为合成工业研究的热点，并有望成为替代化石资源合成化学品的重要物质。但一般条件下，由糖转化为5-HMF的转化率不高，且一般都以有机物为溶剂，环境污染较高。本研究以生物质资源麦芽糖为原料，尝试以水为溶剂制备5-HMF，以减少有机溶剂污染，同时提高糖转化为5-HMF的转化率。首先对麦芽糖脱水闭环生成5-HMF的催化剂进行了筛选，然后研究各反应条件对产物5-HMF收率的影响，并通过响应面法[5-6]对反应条件进行优化，以提高转化率，使麦芽糖转化为5-HMF这一反应被赋予一定的经济意义。

1 实 验

1.1 原料和仪器

麦芽糖：食品级，北京奥博星生物科技有限公司；硫酸、乙酸锌、盐酸、氢氧化钠、二氯甲烷、乙醚均为市售分析纯。5-羟甲基糠醛标准品(纯度≥99.5%)，购于阿拉丁试剂公司。

752N型紫外可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司；红外光谱仪Nicolet 6700，美国Thermo公司。

1.2 5-羟甲基糠醛的制备

将10 g麦芽糖、 50 g水加入配有搅拌器、回流冷凝器的三口瓶中，在50 ℃左右加热，溶解后加入适量催化剂，在一定温度下搅拌反应一定时间。反应完毕，取一定体积的溶液，稀释500倍，用紫外可见分光光度法对产品的含量进行测定(λ=284 nm)[7]。反应结束后，加入二氯甲烷萃取，分离出混合物中的有机相，将所有有机相合并，再用饱和食盐水洗涤、无水硫酸镁干燥后，减压蒸馏除去有机溶剂，得到粗品为黏稠状褐色物质。采用柱层析(40～50m硅胶)分离粗品，洗脱液为体积比1∶4的石油醚与乙醚混合液，然后减压蒸馏去除有机溶剂后得到黄色固体，即为5-HMF。

1.3 5-羟甲基糠醛收率的计算

图1 5-羟甲基糠醛溶液标准曲线Fig. 1 Standard curve of 5-HMF solution

参照文献[8]的方法进行浓度和收率的计算，首先配制不同浓度的5-HMF溶液，在284 nm处测其吸光度值(A)，绘制 5-HMF的标准曲线如图1所示，经拟合得5-HMF浓度和吸光度的回归方程为C=0.07142A- 0.0067。取适量反应液，稀释不同倍数后用分光光度计测在284 nm处得吸光度值A，代入5-HMF标准曲线中计算出反应液中5-HMF的浓度。根据下式计算其收率(Y)：

Y=C1V/M0× 100%

式中:C1—反应液中5-HMF浓度，mmol/L;V—反应液体积，mL;M0—5-HMF理论产量，mmol。

2 结果与讨论

2.1 原理

麦芽糖是可再生资源，也是常见的食品添加剂，麦芽糖酸化水解生成一分子果糖和一分子葡萄糖，果糖进而转化为5-羟甲基糠醛，相关文献已经成功将果糖转化为5-羟甲基糠醛[9-12]。本研究拟利用麦芽糖的水解，在催化剂作用下，制备5-羟甲基糠醛，并对其进行提纯和表征，其机理是麦芽糖酸化水解生成果糖和葡萄糖，果糖和葡萄糖进而脱水闭环得5-羟甲基糠醛，其反应机理如图2所示。

图2 麦芽糖脱水关环为5-HMF的机理Fig. 2 Mechanism of maltose degradation for 5-hydroxymethylfurfural

2.2 催化剂选择

图3 催化剂种类及用量对产物吸光度的影响Fig. 3 Effect of types and dosage of catalysts on absorbance

为了选择合适的催化剂及其用量，在反应温度95 ℃、反应时间6 h、麦芽糖10 g、水50 g的条件下，分别用磷酸、硫酸、乙酸锌及氢氧化钠作为催化剂进行实验，结果如图3所示。

由图3容易看出在反应温度、反应时间一定时，硫酸的催化性能最低，氢氧化钠的催化能力远高于其他催化剂，且用量比较少，这是由于催化体系的碱性强有利于麦芽糖的分解和羟基的质子化反应，更有利于反应过程中质子和水的脱除，同时对产物5-HMF具有良好的稳定作用，故选用氢氧化钠作为反应的催化剂。随着NaOH用量的增加，催化性能先增强后有所降低，当用量为2 g时，反应达到最佳效果，因此适宜的催化剂氢氧化钠的用量2.0 g。

2.3 反应条件的优化

2.3.1单因素试验 影响麦芽糖转化为5-羟甲基糠醛反应的主要因素除了催化剂用量外，还有反应温度和反应时间，考察反应温度、反应时间对收率的影响(考察反应温度影响时，反应时间6 h，考察反应时间影响时，反应温度90 ℃,催化剂用量统一为2 g，其他条件同2.2节)，结果如图4所示。

图4 反应温度(a)和反应时间(b)对收率的影响Fig. 4 Effect of temperature(a) and time(b) on yield

从图4(a)和(b)可以看出，随着反应温度的升高和时间的延长，收率先升高后降低，这是因为温度升高有利于麦芽糖的分解和羟基的质子化反应，反应时间延长有利于反应过程中质子和水的脱除，但是，温度过高和时间过长，反而对反应不利，主要是副产物生成过多。反应温度95 ℃时，收率达到最大，为67.5%；反应时间6 h时，收率达到最大，为69.2%。因此，适宜的反应温度和时间分别为95 ℃和6 h。

2.3.2响应面优化法 结合单因素试验的结果，选取影响反应的 3 个主要因素: 反应温度(X1)、反应时间(X2)和催化剂氢氧化钠用量(X3)，以5-羟甲基糠醛收率(Y) 为响应值，利用 Design-expert 8.06软件的Box-Benhnken实验设计原理设计3因素3水平响应面分析试验方案。试验设计及结果如表1所示。通过 Design-expert 8.06软件对试验数据进行回归分析，利用响应曲面图分析各因素相互作用及对收率的影响，最后在相应的水平范围内求出制备5-HMF的最佳工艺条件，并通过验证实验对预测结果进行检验。

表1 响应曲面设计方案及实验结果

通过3因素互相影响收率的回归方程，用Design-expert软件分析后建立三维响应曲面图，结果如图5所示。对该组图的任意2个因素交互对收率的影响进行响应面的分析，得到麦芽糖脱水合成5-HMF的最佳条件。

图5 两交互因素影响的响应面图Fig. 5 Response surface plots of the reciprocal effect of two factors

通过对图5各因素两两相互作用的响应曲面图观察，曲线越陡，响应越显著。随反应时间的延长，反应程度先增后减；而随催化剂用量的增大，反应程度逐渐减小，同时出现炭化现象，所以催化剂用量不能过大；反应温度的增加使反应程度先增后减，且温度超过100 ℃时，反应程度减小。根据Design-expert软件分析与回归方程的圆整，得出最佳反应条件为温度95.20 ℃，催化剂氢氧化钠2.25 g，反应时间6.17 h。在此反应条件下，5-羟甲基糠醛的收率达61.13%。

2.4 红外光谱分析

图6 5-HMF标准品(a)与产品(b)的红外谱图Fig. 6 FT-IR spectra of standard of 5-HMF(a) and sample(b)

3 结 论

以生物质资源麦芽糖为原料，水为溶剂，通过考察磷酸、硫酸、乙酸锌和氢氧化钠为催化剂对5-羟甲基糠醛制备的催化效果，结果表明氢氧化钠的催化能力远高于其他催化剂，且用量较少，在常压下成功制备了5-羟甲基糠醛。采用响应面分析法对麦芽糖水解关环合成5-羟甲基糠醛的工艺进行优化，确定出最佳工艺条件为反应温度95.20 ℃、催化剂氢氧化钠用量2.25 g、反应时间6.17 h。在此反应条件下，5-羟甲基糠醛的收率达61.13 %。由红外数据及5-羟甲基糠醛标准品谱图和产品的红外谱图一致可知麦芽糖可成功制备5-HMF。采用可降解的生物质材料麦芽糖为主要原料，以水为溶剂，减少对环境的污染，具有一定的应用前景。