響應(yīng)面優(yōu)化大豆粕合成N-椰子油酰基復(fù)合氨基酸工藝研究

程海濤，申獻(xiàn)雙(．衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水053000; ．衡水學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000)

響應(yīng)面優(yōu)化大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸工藝研究

程海濤1，申獻(xiàn)雙2
(1．衡水學(xué)院 化工學(xué)院，河北 衡水053000; 2．衡水學(xué)院 美術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000)

以大豆粕為原料，采用加壓酸解的工藝制備了復(fù)合氨基酸溶液，再與椰油酰氯反應(yīng)合成了N-椰子油酰基復(fù)合氨基酸表面活性劑。研究了復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比、pH、反應(yīng)溫度、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比、反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用響應(yīng)面法優(yōu)化了工藝條件，并對酰化產(chǎn)物的表面活性性能進(jìn)行了測定。結(jié)果表明，響應(yīng)面優(yōu)化大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸工藝條件為: 復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4.2∶1，pH 11.2，反應(yīng)溫度36℃，丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.7∶1，反應(yīng)時(shí)間2 h。在最優(yōu)工藝條件下產(chǎn)物產(chǎn)率為91.07%，產(chǎn)物表面活性性能良好。

大豆粕；N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸；響應(yīng)面法

大豆粕是大豆提油后的副產(chǎn)物，富含蛋白質(zhì)(48%)，同時(shí)也是氨基酸質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原料來源[1-2]。目前大豆粕主要作為動(dòng)物飼料，帶來的附加值有限，同時(shí)也造成植物蛋白資源浪費(fèi)[3-4]。大豆粕中蛋白質(zhì)水解可得到多種氨基酸混合液，氨基酸本身具有特殊結(jié)構(gòu)，包含可進(jìn)行酰化等多種化學(xué)反應(yīng)的官能團(tuán)，對氨基酸混合液進(jìn)行化學(xué)修飾，合成的表面活性劑混合物具有毒性低、性能優(yōu)越、環(huán)境影響小等特點(diǎn)[5-6]。其中長碳鏈N-?；被岬劝被峄瘜W(xué)修飾產(chǎn)物被廣泛應(yīng)用于肌膚用化妝品、生理活性藥品、自然療法食品等領(lǐng)域[7-8]。目前以氨基酸為基礎(chǔ)合成的氨基酸類表面活性劑，存在原料利用率低、合成工藝優(yōu)化不全面等缺點(diǎn)。雖然已經(jīng)有利用菜籽粕為原料，經(jīng)過水解、酰化制備長碳鏈N-?；被岜砻婊钚詣┑难芯浚谴嬖谒饴实?、酰化工藝優(yōu)化不全面等缺點(diǎn)[9]。利用大豆粕為原料，經(jīng)過外力加壓近乎徹底水解大豆粕，然后利用響應(yīng)面優(yōu)化合成長碳鏈N-酰基氨基酸工藝的研究尚未報(bào)道。

本文以大豆粕為原料，采用加壓酸解的工藝制備了復(fù)合氨基酸溶液，再與椰油酰氯反應(yīng)合成了N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸表面活性劑。研究了復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比、pH、反應(yīng)溫度、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比、反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用響應(yīng)面法優(yōu)化了工藝條件，并對?；a(chǎn)物的表面活性性能進(jìn)行了測定，以期為大豆粕的深度利用及產(chǎn)業(yè)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆粕、大豆油，市售; 椰油酰氯(含量≥99.5%)；氫氧化鈉、硫酸、氫氧化鈣、石油醚等，均為分析純。

WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；100LK高剪切混合乳化機(jī)，上海威宇機(jī)電制造有限公司；DT-102全自動(dòng)界面張力儀，淄博華坤電子儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合氨基酸溶液的制備

取除雜的大豆粕，粉碎過篩(100目)，稱取25 g，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硫酸250 g，在110℃、0.10 MPa下水解20 min，利用氫氧化鈣中和、離心、過濾得到復(fù)合氨基酸溶液。

1.2.2 N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸的合成

將1.2.1制備的復(fù)合氨基酸溶液與一定量的丙酮加入三口燒瓶中，保持一定溫度和攪拌速度，將一定量椰油酰氯緩慢滴加到三口燒瓶中，與此同時(shí)緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物用6.0 mol/L鹽酸調(diào)pH為 1～2，立即析出淺肉色沉淀[7]。粗產(chǎn)品經(jīng)過濾、水和石油醚充分洗滌后，在65℃下干燥24 h后得到目標(biāo)產(chǎn)物。

1.2.3 游離氨基氮含量測定

大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸產(chǎn)物的產(chǎn)率計(jì)算，是以體系椰油酰氯?；揎椙昂笥坞x氨基氮含量變化占椰油酰氯?；揎椙绑w系游離氨基氮含量的百分比為產(chǎn)物產(chǎn)率。測定體系游離氨基氮含量采用甲醛滴定分析方法進(jìn)行[10-11]。

1.2.4 產(chǎn)品表面活性測定

表面張力：利用DT-102型全自動(dòng)界面張力儀測定。

乳化性能[12-13]：利用高速乳化設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)充分乳化產(chǎn)物與油水混合物，通過具塞量筒確定乳化層和非乳化層體積，計(jì)算乳化層體積占總體積(乳化層和非乳化層體積之和)百分比，確定乳化性能。放置120 min計(jì)算乳化層占總體積的百分比，確定乳化穩(wěn)定性。

起泡性能[14-15]：利用高剪切混合乳化機(jī)將一定質(zhì)量濃度?；a(chǎn)物溶液高速攪拌一定時(shí)間，利用具塞量筒測定泡沫體積和溶液體積，計(jì)算泡沫體積占總體積(泡沫體積與溶液體積之和)百分比，確定起泡性能。放置30 min計(jì)算泡沫占總體積的百分比，確定泡沫穩(wěn)定性。

潤濕性能：參照GB/T 11983—2008《表面活性劑 潤濕力的測定 浸沒法》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比對產(chǎn)率的影響

選取反應(yīng)時(shí)間2 h、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.5∶1、反應(yīng)溫度35℃、pH 11，根據(jù)復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響趨勢，確定優(yōu)化復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比的范圍，結(jié)果見圖1。

圖1 復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比對產(chǎn)率的影響

由圖1可以看出，復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比影響產(chǎn)率的總體趨勢是首先逐步提高，達(dá)到最大值后逐步下降，復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比為4∶1時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)率最大。因此，選擇復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比3∶1～5∶1進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.2 pH對產(chǎn)率的影響

選取復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4∶1、反應(yīng)時(shí)間2 h、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.5∶1、反應(yīng)溫度35℃，根據(jù)pH對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響趨勢，確定優(yōu)化pH的范圍，結(jié)果見圖2。

圖2 pH對產(chǎn)率的影響

由圖2可以看出，pH影響產(chǎn)率的總體趨勢是首先逐步提高，達(dá)到最大值后逐步下降，pH為11時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)率最大。因此，選擇pH 10～12進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

選取復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4∶1、反應(yīng)時(shí)間2 h、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.5∶1、pH 11，根據(jù)反應(yīng)溫度對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響趨勢，確定優(yōu)化反應(yīng)溫度的范圍，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)溫度逐步升高產(chǎn)物產(chǎn)率也逐步增大，在35℃時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)率達(dá)到最大值，之后反應(yīng)溫度再升高產(chǎn)物產(chǎn)率逐步下降。因此，選擇反應(yīng)溫度30～40℃進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率的影響

選取復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4∶1、pH 11、反應(yīng)溫度35℃、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.5∶1，根據(jù)反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響趨勢，確定最適反應(yīng)時(shí)間，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，在反應(yīng)時(shí)間0.5～2 h范圍內(nèi)產(chǎn)物產(chǎn)率逐漸增大，之后隨反應(yīng)時(shí)間延長，產(chǎn)率沒有明顯的變化。因此，反應(yīng)時(shí)間2 h最適合大豆粕合成N-椰子油酰基復(fù)合氨基酸。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率的影響

2.1.5 丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比對產(chǎn)率的影響

選取復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4∶1、pH 11、反應(yīng)溫度35℃、反應(yīng)時(shí)間2 h，根據(jù)丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比對產(chǎn)物產(chǎn)率的影響趨勢，確定優(yōu)化丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比的范圍，結(jié)果見圖5。

圖5 丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比對產(chǎn)率的影響

由圖5可以看出，隨著丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比的增加，產(chǎn)物產(chǎn)率逐步增加，丙酮的加入有利于產(chǎn)物產(chǎn)量的增加，當(dāng)丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比達(dá)到1.5∶1后，產(chǎn)率隨著體積比增加不再有較明顯的提高。因此，選擇丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1∶1～2∶1進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，固定反應(yīng)時(shí)間為2 h，以N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸產(chǎn)率為響應(yīng)值(Y)，復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比(X1)、pH(X2)、反應(yīng)溫度(X3)、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比(X4)為影響因素，根據(jù)Box-Behnken 的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過SAS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定最佳工藝。響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2，回歸方程方差分析見表3。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表3可以看出，函數(shù)模型R2=99.19%，說明模型預(yù)測值和試驗(yàn)值擬合度高，模型極顯著(Plt;0.000 1)，方程預(yù)測N-椰子油酰基復(fù)合氨基酸產(chǎn)率是可信的。X1(復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比)、X2(pH)、X3(反應(yīng)溫度)、X4(丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比)影響因素程度為X2gt;X1gt;X3gt;X4，

影響因素之間的交互作用除X1X3影響不顯著、X3X4影響顯著外，其余交互項(xiàng)影響極顯著。

表3 回歸方程方差分析

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

對經(jīng)過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)回歸方程進(jìn)行求極大值，得到X1為4.2∶1、X2為11.2、X3為36℃、X4為1.7∶1，產(chǎn)率最大值為91.02%。根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果和綜合因素影響得到大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸最優(yōu)工藝條件為：復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4.2∶1，pH 11.2，反應(yīng)溫度36℃、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.7∶1，反應(yīng)時(shí)間2 h。在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到產(chǎn)率分別為91.06%、91.07%、91.08%，平均值為91.07%，與模型預(yù)測值91.02%相差很小，同時(shí)證明得到的數(shù)學(xué)回歸擬合模型可信度很高。

2.3 產(chǎn)品表面活性性能

測定了以大豆粕為原料合成的N-椰子油酰基復(fù)合氨基酸產(chǎn)物表面活性性能，同時(shí)與陰離子表面活性劑月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉表面活性進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4。

表4 產(chǎn)物表面活性性能對比

由表4可以看出，所得產(chǎn)物表面活性性能優(yōu)越，并且在一些方面超過月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉。

3 結(jié) 論

本研究以影響大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸產(chǎn)率因素的單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用SAS軟件，根據(jù) Box-Behnken 的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過響應(yīng)面優(yōu)化及對回歸方程方差分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比、pH、反應(yīng)溫度、丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比對大豆粕合成N-椰子油?；鶑?fù)合氨基酸產(chǎn)率都有極顯著影響。通過回歸數(shù)學(xué)模型得到最優(yōu)工藝條件為：復(fù)合氨基酸溶液與椰油酰氯體積比4.2∶1，pH 11.2，反應(yīng)溫度36℃，丙酮與復(fù)合氨基酸溶液體積比1.7∶1，反應(yīng)時(shí)間2 h。在最優(yōu)工藝條件下產(chǎn)率為91.07%，與模型預(yù)測值91.02%相差很小。與陰離子表面活性劑月桂酸鉀、十二烷基硫酸鈉表面活性性能進(jìn)行了比較，所得產(chǎn)物表面活性性能優(yōu)越。

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OptimizationofsynthesisofN-coconutoilacylcompositeaminoacidsfromsoybeanmealbyresponsesurfacemethodology

CHENG Haitao1，SHEN Xianshuang2
(1.Department of Applicative Chemistry，Hengshui University，Hengshui 053000，Hebei，China; 2. Department of Art，Hengshui University，Hengshui 053000，Hebei，China)

With soybean meal as raw material, composite amino acids solution was prepared by acid hydrolysis under pressure, and N-coconut oil acyl composite amino acids surfactant were synthesized from cocoyl chloride and composite amino acids solution. The effects of volume ratio of composite amino acids solution to cocoyl chloride, pH, reaction temperature, volume ratio of acetone to composite amino acids mixed solution, and reaction time on the product yield were studied. Based on single factor experiment, the process conditions were optimized using response surface methodology, and the surface activity of the acylated product was determined. The results showed that the optimal process conditions of synthesis of N-coconut oil acyl composite amino acids from soybean meal were obtained as follows: volume ratio of composite amino acids solution to cocoyl chloride 4.2∶1, pH 11.2, reaction temperature 36℃, volume ratio of acetone to composite amino acids solution 1.7∶1, and reaction time 2 h. Under the optimal conditions, the product yield was 91.07% and the surface activity of the product was superior.

soybean meal; N-coconut oil acyl composite amino acids; response surface methodology

2017-02-10

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Z2015205)；衡水市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016011007Z)；衡水學(xué)院2016年度院級課題(2016L003)；衡水學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(jg2016050、jg2016073)；衡水市2016年度社會(huì)科學(xué)(重點(diǎn))研究課題(2016047)

程海濤(1981)，男，講師，碩士，主要從事精細(xì)化工產(chǎn)品綠色合成、分析及性能研究工作(E-mail)chenghaitao123456@163.com。

油料蛋白

TQ645.9;TQ423

A

1003-7969(2017)10-0058-05