吴 令 帆， 崔 励， 徐 同 宽

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

氨基酸类表面活性剂是一类以氨基酸为亲水基、长碳链为疏水基的两亲性化合物，种类繁多且性质多样[1-2]。氨基酸类表面活性剂以可再生物质为原料，来源天然且结构简单，而且由于其具有酰胺基团和氨基酸结构，所以与一般的皂类表面活性剂相比，性质更加温和，生物降解性高，并且在使用过程中与人类的皮肤有更好的亲和性，它良好的生物相容性和复配性也引起大家的广泛关注，是食品、医药、日化等应用领域首选表面活性剂之一[3-5]。

目前，氨基酸类表面活性剂的工业化生产大多采用肖顿-鲍曼(Schotlen-Banmann)缩合法[6]，合成工艺流程简单，产率较高[7]。但是这种方法使用的原料具有很强的刺激性和腐蚀性，对设备要求高，并且严重污染环境。洗护市场的宏观趋势是更绿色、更天然，消费者也要求更温和、更高效的产品，所以对环境有危害的原料会被逐渐淘汰。徐宝才等[8]提出以脂肪酸甲酯代替酰氯为原料，在以水-丙酮(体积比3∶2)为溶剂的体系中与谷氨酸发生反应，生成脂肪酰基谷氨酸，并利用红外光谱验证了产品结构，证明了新工艺的可行性。此合成路线工艺简单，原料天然且廉价易得，但是产率较低，需进一步研究。目前虽然有以天然油脂为原料合成相应的油脂酰基氨基酸类化合物的相关研究，但常以椰子油、大豆油为主要原料[9]，选用的氨基酸种类也基本为肌氨酸、谷氨酸等。针对以花生油、甲醇为原料，通过固体碱催化合成花生油甲酯，花生油甲酯与丝氨酸钠反应生成花生油酰基丝氨酸及其钠盐的工艺研究未见报道。本研究以自制花生油甲酯为酰化原料，与丝氨酸钠反应生成花生油酰基丝氨酸及其钠盐，并利用单因素实验对合成工艺进行了优化。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

试剂：花生油甲酯，自制；L-丝氨酸，化学纯，山东玖胜生物科技有限公司；甲醇钠、无水甲醇、氢氧化钠、氢氧化钾、氧化锌、聚乙二醇-200等，化学纯；溴化钾、氘代氯仿等，色谱纯。

仪器：显微熔点仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司；EA3000元素分析仪，意大利Eurovertor公司；Bruker Advance Ⅲ型核磁共振波谱仪，布鲁克公司。

1.2 实验方法

1.2.1 花生油酰基丝氨酸钠的合成

称取一定质量的自制花生油甲酯于三口烧瓶(250 mL)中，按投料比例依次加入丝氨酸钠、甲醇钠、PEG-200以及无水甲醇，加热至原料完全溶解后换上分水器装置，除去溶剂甲醇并继续加热到120 ℃后开始计时，反应一定时间后得到花生油酰基丝氨酸钠反应液(棕黄色膏体)。用3 mol/L硫酸溶液调节反应液pH至1～2，析出白色固体后加入乙醚萃取，水洗乙醚层3～6次后蒸出乙醚，在75 ℃真空干燥12 h，得到白色固体即为花生油酰基丝氨酸。将产物用1 mol/L的NaOH溶液中和并干燥12 h，得到的白色固体即为花生油酰基丝氨酸钠(SASP)。

产率计算公式：

产率=(m/m0)×100%

式中：m为SASP实际生成的质量，g；m0为SASP理论生成的质量，g。

1.2.2 总活性物摩尔分数的测定

采用硫酸酸化、石油醚萃取、称重法对产物进行皂含量测定；采用溴甲酚绿染色-阳离子(海明溶液)两相滴定法测定合成的花生油酰基丝氨酸中总活性物摩尔分数。具体方法见文献[10]。

1.2.3 产品熔点、纯度测定

熔点：取少量合成样品干燥后置于载玻片上，用显微熔点仪测定产品的熔点。

纯度：通过元素分析法测出氮元素的质量分数来计算产品纯度[11]。

产品纯度=w(N)×Mr(SASP)/Ar(N)

式中：w(N)为样品中测得的氮元素的质量分数，%；Mr(SASP)为花生油酰基丝氨酸钠的平均相对分子质量；Ar(N)为氮元素相对原子质量。

1.2.4 结构分析

红外光谱：取少量样品进行干燥、压片，采用傅里叶变换红外光谱仪进行分析表征。

核磁共振氢谱：取少量合成的样品溶于氘代氯仿(CDCl3)溶剂中配成合适浓度的溶液，以四甲基硅氧烷(TMS)为内标物进行核磁共振氢谱的测定。

2 结果与讨论

2.1 花生油酰基丝氨酸钠合成反应的影响因素

采用单因素法，考察催化剂甲醇钠的投入量、花生油甲酯与丝氨酸钠的投料比、反应时间、反应温度、PEG-200的投入量对花生油酰基丝氨酸产率的影响。

2.1.1 催化剂甲醇钠用量对产物产率的影响

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(丝氨酸钠)=1∶1，PEG-200用量为花生油甲酯质量的1倍，反应温度110 ℃，反应时间4 h，考察催化剂甲醇钠的投入量对花生油酰基丝氨酸产率的影响，结果见图1。花生油酰基丝氨酸的产率随着催化剂甲醇钠用量的增加而增大，当催化剂的加入量较少时，反应物之间反应不够彻底。增加催化剂的使用量，产率增长迅速。当催化剂用量超过花生油甲酯质量的7.2%时，产率基本不再变化。此时若继续增加催化剂的用量，不仅会对资源造成浪费，对于合成出的产品来说，颜色也会加深，为产品的后续处理增加难度。所以实验中加入催化剂的质量为花生油甲酯质量的7.2%比较合适。

图1 催化剂用量对产物SASP产率的影响Fig.1 Effect of dosage of catalyst on the yield of SASP

2.1.2 反应物投料比对产物产率的影响

固定催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%，PEG-200用量为花生油甲酯的1倍，反应时间4 h，反应温度110 ℃，考察投料比的变化对花生油酰基丝氨酸产率的影响。由图2可知，随着丝氨酸钠用量的不断增加，生成物的产率也在不断增加。当投料比达到1∶1.2(摩尔比)以后，再增加丝氨酸钠的投入量产物产率不再增加。丝氨酸钠投入量的继续增加，阻碍了反应体系中分子相互接触[12]，从而降低产率。所以投料比控制在1∶1.2(摩尔比)较为适宜。

图2 投料比对产物SASP产率的影响Fig.2 Effect of feeding ratio on the yield of SASP

2.1.3 反应温度对产率的影响

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(丝氨酸钠)=1∶1.2，催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%，PEG-200用量为花生油甲酯质量的1倍，反应时间4 h，考察改变反应温度对花生油酰基丝氨酸产率的影响，如图3所示，随着反应温度的升高，花生油酰基丝氨酸的产率也增加。这是由于随着温度的升高，分子的运动速率也在加快。当温度达到120 ℃后，产率不再增加并有下降的趋势，这是由于产物在过高的温度下会发生分解[13]，并且过高的温度会使副产物生成过多从而造成产物的色泽加深，给产物的后处理过程增加了难度。综合考虑经济因素及产品质量因素，反应温度为120 ℃较合适。

图3 反应温度对产物SASP产率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on the yield of SASP

2.1.4 反应时间对产物产率的影响

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(丝氨酸钠)=1∶1.2，催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%，PEG-200用量为花生油甲酯质量的1倍，反应温度120 ℃，考察反应时间对花生油酰基丝氨酸产率的影响，结果见图4。当反应时间不足时，花生油甲酯与丝氨酸钠的反应不够充分，产率较低；在超过4 h后，产率趋于平稳，继续增加反应时间对产率的影响不大。因此反应时间为4 h较适宜。

图4 反应时间对产物SASP产率的影响Fig.4 Effect of reaction time on the yield of SASP

2.1.5 PEG-200的用量对产率的影响

固定投料比n(花生油甲酯)∶n(丝氨酸钠)=1∶1.2，催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%，反应温度120 ℃，反应时间4 h，改变PEG-200的用量，产物产率的变化如图5所示。加入PEG-200可以提高产物的产率，但是当加入量超过花生油甲酯的1.15倍时产率反而降低。这是因为此反应的生成物粗花生油酰基丝氨酸钠在反应体系中呈棕黄色的膏状液体，并且质地黏稠、不易搅拌。随着反应的进行，生成物含量逐渐增多，反应物在反应体系中相互黏结，不利于反应的继续发生。适量加入PEG-200会调节反应物黏度，使反应正常进行，且不用分离提纯。但是，当PEG-200的加入量过大时反而会稀释反应液浓度，从而降低花生油酰基丝氨酸钠的产率。

图5 PEG-200用量对产物SASP产率的影响Fig.5 Effect of PEG-200 dosage on the yield of SASP

综合单因素实验，在n(花生油甲酯)∶n(丝氨酸钠)=1∶1.2、催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%、PEG-200的用量为花生油甲酯质量的1.15倍、反应温度120 ℃、反应时间4 h的条件下，重复实验，合成的花生油酰基丝氨酸的平均产率可达87.58%。

2.2 活性物含量测定及结构表征

2.2.1 总活性物含量的测定

采用溴甲酚绿染色-阳离子(海明溶液)两相滴定法进行粗产品中总活性物含量的测定，结果见表1。产品中皂的质量摩尔浓度为0.77 mmol/g，总活性物质量摩尔浓度为2.6 mmol/g。

表1 总活性物摩尔分数的测定Tab.1 Determination of molar fraction of total active substances

2.2.2 熔点测定

取1 mg样品干燥后置于载玻片上，用显微熔点仪测定，产品的熔程为127～129 ℃。

2.2.3 元素分析

使用元素分析仪测定产品中N元素的质量分数，结果如表2所示。由实验结果可知，合成的花生油酰基丝氨酸钠中氮元素的平均质量分数为产品的2.430%。产品的纯度大于67.12%。

表2 产物的元素分析结果Tab.2 Elemental analysis results of the product

2.2.4 红外光谱

图6 产物红外光谱图Fig.6 Infrared spectrum of the product

2.2.5 核磁共振氢谱

以四甲基硅烷(TMS)为内标物，CDCl3为氘代溶剂，对合成的样品进行1H-NMR分析，结果见图7，溶剂峰位移为7.26，其余峰值见表3。

图7 花生油酰基丝氨酸的1H-NMR谱图Fig.7 1H-NMR spectrum of sodium fatty acyl serine of peanut oil

表3 花生油酰基丝氨酸的1H-NMR谱图解析Tab.3 Analysis of 1H-NMR spectrum of sodium fatty acyl serine of peanut oil

3 结 论

以自制花生油甲酯和丝氨酸钠为原料，通过酰化反应合成花生油酰基丝氨酸钠。经单因素实验，在花生油甲酯与丝氨酸钠的投料摩尔比为1∶1.2，催化剂甲醇钠投入量为花生油甲酯质量的7.2%，PEG-200用量为花生油甲酯质量的1.15倍，120 ℃反应4 h，产物产率可达 87.58%，产品纯度大于67.12%，产品总活性物质量摩尔浓度可达2.6 mmol/g，溶程为127～129 ℃。通过红外光谱、核磁共振氢谱对产品结构进行鉴定，证明产物为目标化合物。

以天然油脂花生油合成的花生油甲酯为原料，通过酰化反应合成的花生油酰基丝氨酸钠表面活性剂，原料天然，工艺简单，绿色环保，产品性能温和，具有较大的研发潜力。