脂肪酸甲酯的制备及其改性淀粉结构研究

刘晶晶，封禄田，孙剑飞，徐 爽，刘帅鹏

(沈阳化工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110142)

随着餐饮业的日益繁荣，由此而生的地沟油也有所增加.地沟油是指潲水油、油炸废油、食品及相关企业产生的废油.在精炼过程中，废油经污染后发生一系列化学变化，如酸败、氧化和分解，产生对人体致命的物质.一旦误食，将会对人体健康造成不可逆转的损害.中国自2013年起每年食用油消耗量达到3000万吨以上，其中15 %将成为废弃油脂，按此计算，全年至少产生450万吨地沟油[1].目前，实现地沟油资源综合利用的主要方向是加工制成生物柴油，即以地沟油为原料与甲醇(或乙醇)通过酯交换工艺制得生物柴油，又称混合脂肪酸甲酯或乙酯[2-3].与石化柴油相比，脂肪酸甲酯热值略低、密度和黏度略高，具有良好的燃料性能、环保特性，同时，使用生物柴油可以减少对石油的依赖，保障能源供应.据《油世界》报道，全球生物柴油产量从2004年的189万吨增长到2018年预计的3990万吨，年均复合增长率为27.36 %.目前中国总产能已超过350万吨.近年来，由于废油价格的制约，导致目前国内生物柴油产量呈逐年下滑态势，且生产每吨生物柴油亏损500～550元，相应企业主要依靠国家维持补贴.

淀粉是自然界来源最丰富的极具生物降解性的天然可再生聚合物资源[4-5]，但由于其加工困难、力学性能差、热稳定性低等不足，难以单独作为高分子材料使用，需要通过特定的方法进行改性，以使其适应各种应用并提高其经济价值[6-7].脂肪酸淀粉酯是变性淀粉中的一类，由于引入脂肪链的含量不同，需调控淀粉酯的羟基取代度，使其具有更多突出的理化性质，达到各种应用要求，提高其经济价值[8].国外多采用在均相DMAC/LiCl溶液中用长链脂肪酰氯制备淀粉酯.Fang等[9]研究了一系列具有不同取代度和侧链长度的淀粉酯在均相体系用适当的酰氯酰化多糖制备脂肪酸淀粉酯的方法.王政洋等[10]以植物油和化学法预处理后的淀粉为原料，利用脂肪酶通过微波辅助法和传统加热的方式下催化合成植物油淀粉酯.但脂肪酶价格昂贵，不利于工业化应用.赵伟学等[11]用微乳法对天然淀粉进行改性，并对乳化性能做出一定研究.此法需要真空操作，加大了设备成本.为克服工业化瓶颈问题，本文先对玉米淀粉进行非晶化处理，再与以地沟油为原料制备的脂肪酸甲酯进行酯交换反应制备脂肪酸淀粉酯.该反应无需加入其他溶剂，且过量的脂肪酸甲酯可回收利用，大大降低了反应成本.

1 实验材料与方法

1.1 仪器与试剂

ZNHW型电加热套，上海越众仪器设备有限责任公司；D-8401型多功能搅拌器，天津华兴科学仪器厂；NICOLET6700型傅里叶红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司；7890A/5975C型气质联动仪，安捷伦科技有限公司.

玉米淀粉,食品级，辽宁省军区宁官农副业基地淀粉厂；地沟油，自行收集；甲醇、无水乙醇、氢氧化钠、氢氧化锂、乙酸乙酯、酸性白土、对甲苯磺酸，均为分析纯，天津市博迪化工有限公司.

1.2 实验原理

以地沟油和甲醇为原料，经过酯交换反应生成脂肪酸甲酯.玉米淀粉的羟基与碱催化剂反应，继而被解离成阴离子，之后进攻带有部分正电荷的脂肪酸甲酯的羰基碳，进行亲核取代反应，生成脂肪酸淀粉酯.反应方程式如下：

1.3 实验方法

1.3.1 脂肪酸甲酯的制备

将计量好的地沟油倒入烧杯中，加入转子搅拌，加热到85 ℃，放入已烘好的酸性白土，搅拌1～2 h，离心取上层清液.将之置于装有温度计、直形冷凝管的四口烧瓶中，加入氢氧化钠(地沟油质量的0.6 %)和甲醇(地沟油质量的15 %)，反应温度为63 ℃，反应时间1～2 h.静置分层，对上层进行减压蒸馏，即得脂肪酸甲酯.

1.3.2 非晶淀粉的制备

将质量比为1∶1的无水乙醇和水加入反应器中，边搅拌边加入一定量的玉米淀粉，使玉米淀粉的质量浓度为0.25 g/mL，搅拌加热到85 ℃，保温1 h，取出冷却至室温，取淀粉层，将所得淀粉样品用乙醇洗涤，抽滤，烘干备用[12].

1.3.3 脂肪酸淀粉酯的制备

将脂肪酸甲酯加入三口烧瓶中，边搅拌边加入一定量的非晶淀粉，加热至80 ℃时加入催化剂，恒温60 min，缓慢升温至150 ℃，维持6 h.反应结束后，室温冷却，放入分液漏斗中，静置分层，用乙酸乙酯对下层产品进行多次洗涤，直至无色，真空干燥50 ℃，待至烘干即得产品.

1.4 脂肪酸甲酯的GC-MS

为了确定所制备的脂肪酸甲酯中各组分的种类和数量，为脂肪酸甲酯的进一步深加工提供参考，采用以国标脂肪酸甲酯为基准，用Agilent 6890型气相色谱仪对自制脂肪酸甲酯中各组分含量进行分析.

GC条件：

色谱柱5 m×0.53 mm×0.15 μm.色谱柱温度：初温120 ℃，维持2 min；升温速率为5 ℃/min，升温至240 ℃，维持1 min；升温速率为3 ℃/min，升温至300 ℃，维持10 min.检测器(FID)温度310 ℃.检测器气体：氢气30 mL/min;空气350 mL/min;尾吹氮气25 mL/min.进样量1 μL[13].

MS条件：

以EI为离子源，电离能量70 eV，接口温度、离子源温度以及传输线温度分别为200 ℃、200 ℃和250 ℃，扫描范围40～350 amu.

1.5 脂肪酸淀粉酯的取代度测定

将50 mL蒸馏水放入锥形瓶中，边搅拌边加入2 g处理好的样品，记为m.均匀分散后，滴加1～2滴酚酞，混匀之后加入20 mL浓度为0.25 mol/L的NaOH溶液，此时溶液呈粉红色.加热至30 ℃，搅拌1 h，再用浓度c的盐酸标准溶液滴定，直至颜色消失，此时所消耗的体积记为V0.同时用玉米淀粉按照上述操作进行空白实验，记为V1.脂肪酸淀粉酯的取代度(DS)计算公式为

(1)

a 玉米原淀粉 b 脂肪酸淀粉酯 c 脂肪酸甲酯 图6 玉米原淀粉、脂肪酸淀粉酯和脂肪酸甲酯的 红外光谱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

每组平行测定3次，取DS的平均值[14-15].

1.6 X-射线衍射

采用德国Bruker公司D8型X射线粉末衍射仪对玉米淀粉、非晶处理淀粉及脂肪酸淀粉酯进行广角XRD分析.将样品经过干燥、粉碎过120目筛后进行测试.Cu-Kα射线，电压40 kV，电流40 mA； 扫描速度为2.4°/min， 扫描范围为5°～55°.

样品相对结晶度的计算公式为

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

(2)

式中：Xc为相对结晶度；A1、A2、A3为结晶面积；A4为非结晶面积.

2 结果与讨论

2.1 脂肪酸甲酯的GC-MS分析

以地沟油为原料，经过精制，与甲醇酯交换反应生成脂肪酸甲酯，减压蒸馏后，收率为92 %.采用GC-MS对脂肪酸甲酯进行组分分析，谱图如图1所示.由图1可以看出：由地沟油合成的脂肪酸甲酯含有5种成分，分离效果良好.选用NIST08.LIB和NIST08s谱库对主要的化学成分进行化学检索，结果列于表1.

图1 脂肪酸甲酯的GC-MS联用Fig.1 GC-MS combination diagram of biodiesel

表1 GC-MS结构解析结果Table 1 GC-MS structure analysis results

由表1可知:亚油酸甲酯质量分数(52.32 %)最高，其次是油酸甲酯(29.05 %)，质量分数较少的依次是棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯和豆蔻酸甲酯，生物柴油中脂肪酸甲酯的总质量分数是99.97 %.其中不饱和脂肪酸甲酯总质量分数为81.37 %，饱和脂肪酸甲酯质量分数为18.6 %，前者质量分数远远大于后者.由表1还可知脂肪酸甲酯组分保留时间随其碳原子数增大而延长，但在同一碳原子数下，随着不饱和键的增加其保留时间变小.

2.2 反应条件对脂肪酸淀粉酯取代度的影响

2.2.1 催化剂种类对脂肪酸淀粉酯取代度的影响

淀粉葡萄糖单元羟基与脂肪酸甲酯的物质的量的比为1∶4，反应时间6 h，反应温度150 ℃时，催化剂种类对脂肪酸淀粉酯取代度的影响如图2所示.由图2可知:氢氧化锂做催化剂时产物取代度略低于氢氧化钠，但高于氢氧化钾且远远高于氧化钙和氧化镁；氢氧化钠易与脂肪酸甲酯中的游离脂肪酸发生皂化反应，产生副产物，对产品的纯度产生一定影响，所以不选用其作为催化剂.淀粉与脂肪酸甲酯的极性相差大，难互溶，从而形成两相体系.而碱金属离子进攻淀粉葡萄糖单元中的羟基，使其转变成氧负离子，提高了淀粉的活性，使其能更充分与脂肪酸甲酯进行反应.在本实验的催化剂选择中，氢氧化锂的碱溶性最强，可促使淀粉颗粒膨胀，有利于脂肪酸甲酯渗透到淀粉颗粒并进行反应，实现相转移催化作用.同时还要注意催化剂用量，该反应需在微碱条件下进行，碱性太低时，羟基活化度不够，碱性过强时，导致淀粉降解，影响取代度.通过多次实验得到适宜反应条件为：以氢氧化锂为主催化剂，用量为淀粉质量的6 %，对甲苯磺酸(TsOH)为助催化剂，用量为淀粉质量的3 %.

图2 催化剂种类对脂肪酸淀粉酯取代度的影响Fig.2 Effect of catalyst type on DS of fatty acid starch ester

2.2.2 原料物质的量的比对脂肪酸淀粉酯取代度的影响

固定催化剂种类及用量，反应时间6 h，温度150 ℃时，淀粉葡萄糖单元羟基(OH)与脂肪酸甲酯(COO)的物质的量的比对脂肪酸淀分酯取代度的影响见图3.

图3 原料物质的量的比对脂肪酸淀粉酯取代度的影响Fig.3 Effect of molar ratio on DS of fatty acid starch ester

由图3可知：增加脂肪酸甲酯的量，取代度增大，但增加幅度逐渐变小.由于玉米淀粉与脂肪酸甲酯发生的酯交换反应属于可逆反应，增加脂肪酸甲酯的用量反应朝生成淀粉酯的方向进行，所以脂肪酸淀粉酯的取代度随脂肪酸甲酯用量的增多而增大.而淀粉葡萄糖单元与酯基物质的量的比为1∶4之后取代度上升不明显，说明淀粉的酯化反应和淀粉酯的分解反应趋于平衡.因此从经济方面考虑，实验采用淀粉葡萄糖单元与脂肪酸甲酯物质的量的比为1∶4进行反应.

2.2.3 反应温度对脂肪酸淀粉酯取代度的影响

固定催化剂种类及用量，原料物质的量的比为1∶4，反应时间6 h时，反应温度对脂肪酸淀粉酯取代度的影响如图4所示.

图4 反应温度对脂肪酸淀粉酯取代度的影响Fig.4 Effect of reaction temperature on DS of fatty acid starch ester

由图4可以看到：产品的取代度随反应温度的上升呈先升后降趋势.110～150 ℃的温度区间内，加大反应温度时，体系能量提高，促使淀粉颗粒膨化，加剧脂肪酸甲酯分子的热运动，使其与淀粉颗粒的有效碰撞概率大大增加，有利于正反应方向进行，因而取代度不断增加.当温度超过150 ℃时，产品颜色开始加深，且取代度升高趋势减弱，可能是温度过高时，不仅促进了主反应的速度，同时也导致了淀粉发生降解甚至焦糖化，从而影响最终的取代度.为了酯化反应的顺利进行，降低焦糖化等副反应的发生，实验选择的适宜温度为150 ℃.

2.2.4 反应时间对脂肪酸淀粉酯取代度的影响

固定催化剂种类及用量，原料物质的量的比为1∶4，反应温度150 ℃时，反应时间对脂肪酸淀粉酯取代度的影响如图5所示.由图5可知：随着反应时间的延长和氢氧化锂的催化作用下，在反应体系中脂肪酸甲酯过量，脂肪酸淀粉酯的含量较低，且在反应的过程中生成的副产物甲醇也会被及时蒸出，有利于向生成淀粉酯的方向进行.当反应时间超过6 h后，取代度变化不大，且反应液中颜色开始加深.这是由于部分脂肪酸甲酯已成功与脱水葡萄糖中的羟基完成酯交换反应，同时裸露在外的羟基数量减少，空间位阻相对增大，使脂肪酸甲酯更加难以进攻葡萄糖单元上的羟基，此时该可逆反应已达到平衡状态，导致取代度变化不明显.因此实验中反应时间宜控制在6 h左右，羟基取代度达到0.061 1.

图5 反应时间对脂肪酸淀粉酯取代度的影响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红外光谱如图6所示.由图6可知：与玉米原淀粉相比，脂肪酸淀粉酯在2928 cm-1处和2876 cm-1处出现的C—H对称和不对称伸缩振动峰显然加强，并且多了3007 cm-1和720 cm-1的吸收峰，主要是因为引进了脂肪酸酰基使亚甲基的数量明显增多；1209 cm-1处对应的是葡萄糖苷中C—O—C结构的C—O的不对称伸缩振动特征峰，脂肪酸淀粉酯的红外吸收峰明显加强；1743 cm-1处对应的是酯基中C===O的特征峰，是证明合成淀粉酯的有力证据，由于取代度比较低，吸收峰不是很强； 3200～3500 cm-1处对应的—OH的伸缩振动吸收峰与玉米淀粉相比，强度明显减弱，峰带变窄，这是因为玉米淀粉葡萄糖单元中含有3个—OH，其中有2个—OH由于氢键的作用而缔合成五元环，而脂肪酸甲酯的加入使五元环遭到破坏，进而部分—OH被取代，进一步说明了玉米淀粉与脂肪酸甲酯发生酯化反应生成了脂肪酸淀粉酯.

2.4 X射线衍射分析

玉米原淀粉、非晶淀粉及其淀粉脂肪酸酯的X射线衍射如图7所示.由图7可知：玉米淀粉的XRD衍射曲线由尖峰衍射曲线和弥散衍射曲线两部分组成，分别代表结晶区和非结晶区.依据晶体结构，淀粉可以分为A型、B型和C型[17-19].根据公式(2)计算相对结晶度，结果如表2所示.

表2 玉米淀粉、非晶淀粉及其淀粉脂肪酸酯的 相对结晶度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°处分别有较强的衍射峰，表现出典型的A型晶体特征[18].经非晶化处理后，淀粉的衍射峰的位置没有发生变化，但强度有较大程度的降低，逐渐弥散化.这是由于玉米淀粉在非晶化处理过程中，颗粒内部结晶部分遭到一定程度的破坏，转化为无定型结构，相对结晶度由原来的24.17 %下降到10.36 %，说明用乙醇对玉米原淀粉进行非晶化处理效果明显.

用玉米淀粉和非晶淀粉为原料制备的脂肪酸酯与原料比较，其4处特征衍射峰仍存在，且特征峰的位置无明显变化，说明改性淀粉中仍然存在A型晶体结构特征，但强度明显减弱，相对结晶度分别由24.17 %降至15.26 %，10.36 %降至4.89 %.说明淀粉结晶区由于酯交换的改性而遭到了一定的破坏，转化为无定形区.而2θ为6.602°和20.845°处却出现了2个新的衍射峰，可能是引入的规整脂肪链结构与淀粉中结构单元的交互作用，打破了原有的淀粉空间结构形成新的结晶形态的结果.

3 结 论

以地沟油为主要原料合成了脂肪酸甲酯，收率为92 %，采用GC-MS进行组分分析，包含5种组分，总的脂肪酸甲酯质量分数为99.97 %；玉米淀粉经过非晶化处理，过量的脂肪酸甲酯为酯交换试剂和分散介质，以氢氧化锂为主催化剂，用量为淀粉质量的6 %，对甲苯磺酸为助催化剂，用量为淀粉质量的3 %，反应温度150 ℃，反应时间6 h，制得脂肪酸淀粉酯，羟基取代度达0.061 1.通过FT-IR确定了酯基的生成；通过XRD确定了淀粉酯与原料相比，衍射峰位置无变化，强度明显降低，逐渐弥散化，结晶度大幅下降，由玉米淀粉的24.17 %降至非晶淀粉脂肪酸酯的4.89 %.采用该方法制备脂肪酸淀粉酯工艺生产流程简单，为淀粉、地沟油的综合利用和生物柴油的深加工提供了一条适宜的途径，符合绿色环保主题，具有一定的研究价值和应用前景.