马尾松松脂中树脂酸的分离和化学组成研究

陈丛瑾，黎 跃，梁丽萍，李林光

（1.广西大学 化学化工学院，广西南宁 530004；2.广西容县宏旺树脂有限公司，广西容县 537500）

松脂是松树树脂道内分泌脂细胞分泌的树脂，主要包括树脂酸和萜烯，经蒸馏加工分离可获得松香和松节油[1-2]。中国松香产量世界第一[3]，出口量位居世界前列[4-5]，但松香的产品单一，严重影响松香产品附加值的提高，使产业难以形成长久的国际竞争力。松脂和松香中的树脂酸包含左旋海松酸、海松酸、山达海松酸、长叶松酸、枞酸和新枞酸等成分。枞酸是天然松香的主要成分，含量为45%～54%，具有三环菲骨架结构，有共轭双键和多个手性碳原子，并含有亲水基团的羧基及1 个异丙基[1-2]。枞酸独特的化学结构使纵酸被广泛应用于日用化工、农药、医药和其他精细化学品的合成[1-2]。

树脂酸如含杂质较少，可用其制备松香深加工的升级产品，附加值更高。目前，从松香中分离树脂酸的研究较多[6-10]。获得树脂酸结晶的方法包括自然冷却结晶法[8]、水冷却结晶法[8]和有机溶剂（二氯甲烷、乙腈、丙酮和乙酸乙酯）溶解沉淀法[11-13]等。自然冷却结晶法耗费的时间长，得到的结晶少、纯度低，但能耗低[14]。水冷却结晶法耗时较少，得到的结晶较多，但耗水且需要水冷却设备，能耗和投资增大[15]。丙酮、二氯甲烷和乙腈等溶剂易挥发且具有一定毒性[16-18]，会污染环境，不利于工业推广应用。在乙酸乙酯中，松脂树脂酸与丁醇胺反应，生成粒径大、粘度小、易于过滤和洗涤的聚针晶形胺盐沉淀，过滤得到的胺盐粗产物溶剂残留量少、色泽浅和分散性好；但该方法步骤复杂、所需样品和经费多[13]。松脂不经蒸馏直接获取树脂酸的研究很少[11]。本研究将松脂澄清脂液避光自然放置获得树脂酸粗晶体，用无水乙醇溶解，开展树脂酸结晶分离与化学组成的研究，探讨不同因素对树脂酸结晶率的影响，找出适合工业化的工艺条件，提高树脂酸结晶率，为大规模从松脂中分离树脂酸晶体和后续应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马尾松松脂澄清脂液（松香60%～65%、松节油35% ～ 40%、水分≤0.5%、杂质≤0.05 %）购于广西容县宏旺树脂有限公司，无水乙醇、甲醇、四甲基氢氧化铵五水合物和酚酞等均为国产分析纯。

称取1.0 g 酚酞，用无水乙醇溶解并稀释至100 mL，制成1%的酚酞指示剂。称取6.0 g四甲基氢氧化铵置于94.0 g 甲醇中，充分摇匀后置于250 mL的容量瓶，制成6%四甲基氢氧化铵甲醇溶液，待用。

将马尾松松脂澄清脂液在自然条件下避光密闭放置2个月后，抽滤，得到含有杂质的树脂酸粗晶体。除1.2.1试验外，其他试验材料均为树脂酸粗晶体上下部分混合均匀后的样品。

气相色谱-质谱联用仪器为Clarus 500 气相色谱仪（美国PerkinElmer 公司）和Finnigan TraceDSQ质谱仪（美国ThermoElectron公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 树脂酸粗晶体含油率测定

取（2.0±0.05）g粗晶体置于称量瓶，放入60 ℃恒温真空干燥箱中干燥2 h，分别测定树脂酸上部分酥松不结块晶体的含油率和下部分结块晶体的含油率。

1.2.2 冷却方式对树脂酸晶体结晶率的影响

取（100 ± 0.1）g 粗晶体置于250 mL 烧杯中，加入120 mL 无水乙醇（固体液体比1∶1.2），加热至50 ℃溶解后，均分成两份，分别倒入250 mL 的锥形瓶中，一份放入0 ℃冰箱冷却24 h结晶，另一份用流动自来水冷却24 h结晶，抽滤。将晶体放入50 ℃恒温真空干燥箱中干燥0.5 h，称取质量，计算冰箱冷却和流动水冷却的结晶率

1.2.3 加水量对树脂酸晶体结晶率的影响

取5 个干燥的250 mL 锥形瓶，分别放入100 g粗晶体，加入120 mL无水乙醇（固体液体比1:1.2）溶解，分别加入0、15、30、45和60 mL水充分摇匀，放入0 ℃冰箱冷却24 h 结晶，抽滤。将晶体放入50 ℃恒温真空干燥箱中干燥0.5 h，称取质量，计算结晶率。

1.2.4 结晶时间对树脂酸晶体结晶率的影响

分别称取（50 ± 0.05）g 粗晶体置于4 个干燥的250 mL锥形瓶中，分别加入60 mL无水乙醇（固体液体比1∶1.2）溶解，再分别加入25 mL 蒸馏水摇匀，放入0 ℃冰箱分别静置5、10、15、20 和25 h，抽滤。将晶体放入50 ℃恒温真空干燥箱中干燥0.5 h，称取质量，计算结晶率。

树脂酸结晶率（Y，%）的计算公式为[19]：

式中，Wa表示重结晶后树脂酸的质量（g）；W0表示重结晶前树脂酸的质量（g）。

1.2.5 正交试验设计优化树脂酸粗晶体重结晶条件

称取（50 ± 0.05）g 粗晶体置于250 mL 锥形瓶中，加入60 mL无水乙醇溶解。采用3因素3水平正交试验设计，设置水与乙醇体积比（A）、结晶温度（B）和结晶时间（C）3 个因素，每个因素3 个水平，共9 个处理，每处理重复3 次（表1～2）。抽滤后，将晶体放入50 ℃恒温真空干燥箱中干燥0.5 h，称取晶体质量，计算结晶率。

表1 重结晶的因素水平表Tab.1 Design factors and levels for recrystallization

1.2.6 树脂酸组成成分测定

将正交试验设计方法所获得的晶体根据LY/T 3157-2019[20]所述的方法进行甲酯化，用气相色谱-质谱（GC-MS）联用仪，测定树脂酸的组成成分。

气相色谱条件：色谱柱为毛细管柱HP-5MS（50 m×0.20 mm×0.33 μm）；载气为高纯氮气，流速为30 mL/min；汽化室为260 ℃；一阶升温程序为初温200 ℃（2 min），以10 ℃/min 升至250 ℃（5 min）；分流比为1∶5；进样量为1 μL。

质谱条件：质谱接口温度为250 ℃；离子源温度为250 ℃，EI离子源，离子能量为70 eV；灯丝电流为100 μA，电子倍增器电压为1 400 V；扫描范围为34～450 amu,扫描速度为2 s。

将所得质谱图直接与该机Nist质谱库检出的标准图谱进行对比，并查阅相关文献[21-28]进行定性分析，根据气相色谱图采用峰面积归一法进行定量分析。

1.3 数据处理

采用Excel软件进行分析与作图。

2 结果与分析

2.1 马尾松树脂酸粗晶体含油率

树脂酸粗晶体上部分和下部分晶体含油率分别为13.26%和6.22%。下部分晶体的含油率比上部分晶体的含油率小，可能是因为上部分晶体较分散，松节油吸附在树脂酸粗晶体表面的面积较大，含油率高；下部分晶体结块，松节油吸附面积小，含油率低。

2.2 冷却方式对结晶率的影响

冰箱冷却和流动水冷却的结晶率分别为16.52%和14.70%，冰箱冷却结晶率较高。冰箱冷却获得的晶体粗且多，水流动冷却获得的晶体较细且少，可能是因为0 ℃冰箱冷却速度快，晶体析出时间较短，析出的晶体不断长大。如果不考虑结晶产品的形状，采用快速冷却的方法，结晶率更高。

2.3 加水量对结晶率的影响

加水量为15 mL 时，树脂酸的结晶量少，晶体结块，颜色暗且含有杂质；加水量为45 mL 时，树脂酸晶体为浅白色，晶体细且酥松，结晶率较高；加水量> 45 mL 时，结晶率提高幅度不大，晶体颜色更白，细且酥松，主要是因为随着水量增加，乙醇带着更多的色素等杂质进入水中，使树脂酸中的杂质减少（图1）。从经济性、设备利用率等方面考虑，加水量为45～60 mL，即水与乙醇体积比为3∶8～1∶2 时较适宜。

图1 加水量对树脂酸结晶率的影响Fig.1 Effect of different water volumes on crystallization rate

2.4 结晶时间对结晶率的影响

随着静置时间的增加，析出的晶体增多；15 h后，结晶率趋于稳定，溶液中的树脂酸含量减少，晶体析出的速率减缓，增幅变小（图2）。结晶时间为15～25 h为宜。

图2 结晶时间对结晶率的影响Fig.2 Effects of crystallization time on crystallization rate

2.5 优化树脂酸粗晶体重结晶条件正交试验设计结果

极差分析可知，各因素对结晶率的影响表现为水与乙醇体积比＞结晶时间＞结晶温度；T7 处理（A3B1C3）树脂酸的结晶率为92.93%，为最优组合（表2）。方差分析表明，水与乙醇体积比对树脂酸重结晶影响显著（P<0.05），可知水与乙醇体积比是析出晶体的主要影响因素，可通过改变水与乙醇体积比获得想要的树脂酸晶体（表3）。

表2 正交试验设计结果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 化学成分分析

树脂酸主要成分为海松酸、异海松酸、左旋海松酸、脱氢枞酸、枞酸和新枞酸，相对质量百分比分别为10.56%、2.87%、52.16%、5.73%、10.00% 和11.95%。结晶法获得的树脂酸含有较多的左旋海松酸，明显不同于水蒸气蒸馏的松香树脂酸（几乎不含左旋海松酸）[1-2,29]，这是因为结晶法获得树脂酸时几乎不受热，基本保持松脂中树脂酸的构型，而水蒸气蒸馏松脂液制备松香时，温度可高达200 ℃以上，松脂中的左旋海松酸等枞酸型树脂酸受热异构成枞酸或新枞酸，且左旋海松酸几乎完全异构转化，脱氢枞酸、枞酸和新枞酸也相互异构转化[1-2,30-31]。

表4 重结晶的树脂酸主要成分Tab.4 Main components of recrystallized resin acid

3 结论

马尾松澄清脂液上部分晶体含油率13.26%，下部分晶体含油率6.22%。在影响树脂酸重结晶的各因素中，加水量对结晶率的影响显著，随着加水体积的增加，析出晶体更快，形态更好；结晶温度和时间对结晶率影响不显著。当树脂酸粗晶体与乙醇的固液比为1∶1.2 时，温度为0 ℃，水和乙醇的体积比为1∶2，静置时间为24 h 时，树脂酸的结晶率最高（92.93%）。结晶法获得的树脂酸主要成分为海松酸、异海松酸、左旋海松酸、脱氢枞酸、枞酸和新枞酸，相对质量百分比分别为10.56%、2.87%、52.16%、5.73%、10.00%和11.95%。本研究方法可以免去蒸馏过程，简单快速；采用的无水乙醇环保无污染、价格低廉，具有很好的应用前景。