双液相体系提取木质素转化香兰素

李 铁 南，魏 立 纲，马 英 冲,2，李 坤 兰，王 少 君，翟 滨，安 庆 大，平 清 伟，余 加 祐，魏 莉

( 1.大连工业大学 化工与材料学院， 辽宁 大连 116034;2.山东轻工业学院 制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室， 山东 济南 250353 )

0 引 言

香兰素(Vanillin)别名香兰醛或香草醛，化学结构为4-羟基-3-甲氧基苯甲醛(4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde)，可以作为食品和化妆品的定香剂、调味剂。香兰素又是一种重要的化学中间体和原料，在医药农药合成、电镀中都有广泛的应用，是使用量最大，也是应用价值比较高的一种化学品[2]。天然植物中提取的香兰素国际市场上售价为4 000～4 500美元每千克，而化学合成的香兰素由于生产过程中存在有毒物质限制了其应用，售价仅为8～12美元每千克。本文以离子液体/乙酸乙酯从白松中提取得到的木质素为原料，以CuSO4为催化剂氧化合成香兰素，水结晶的方法对其进行提纯，降低了工业产物毒性，提高了利用范围，具有一定的生产实际意义。

1 试 验

1.1 原 料

白松木屑(80～100目)；试验所用试剂均为分析纯；UV-VIS 8500型紫外可见分光光度计(上海天美科学仪器有限公司)；FTIR200傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司)。

1.2 试验过程

1.2.1 白松木粉(80～100目)用苯醇溶液抽提预处理备用

以Huddlestou[3]的方法合成氯代1-丁基-3-甲基咪唑离子液体。将[Bmim][Cl]离子液体配制为60%的乙酸乙酯溶液，将溶液及抽提后木屑以液固比10∶1放入反应釜中，并同时加入溶剂体积分数1%的去离子水。搅拌条件下150 ℃保温2 h后冷却至室温开釜。抽滤，并以200 mL去离子水淋洗滤饼5次，将抽滤所得滤液加去离子水约4～6倍体积析出粗木质素，低温真空蒸发滤液去除水及乙酸乙酯以回收离子液体。粗木质素用二氧六环抽提纯化，所得木质素为棕色粉末。

1.2.2 香兰素合成过程

以液固比为10∶1加木质素于pH 11～12的NaOH溶液中[4]，以CuSO4为催化剂，通入空气，90 ℃下回流反应3 h；待体系温度自然冷却至70 ℃后向反应体系中加入等体积pH值为1的H2SO4，回流反应0.5 h。

1.2.3 香兰素分离过程

以乙酸乙酯为萃取相，等体积萃取3次，每次15 min。合并萃取相，真空条件下蒸馏获得粗香兰素，并回收乙酸乙酯。以水结晶方法提纯所得粗香兰素。

1.2.4 紫外标准曲线制作

以乙醇为流动相，配成不同浓度的香兰素溶液。紫外光下310 nm测得标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 正交试验

以正交试验优选木质素提取工艺，根据预试验结果选取影响提取效果的因素和水平，试验方案见表1。按L9(34)正交表直观分析获得，由极差值大小可知影响提取效果的因素依次为离子液体质量分数(A)、提取温度(C)、反应时间(D)、液固比(B)，结果见表2。

表1 L9(34)正交试验的因素及水平

Tab.1 Factors and levels of L9(34) orthogonal experiment

Aw/%B液固比Cθ/℃Dt/h14010∶1130326012∶115013808∶11702

表2 L9(34)正交试验数据分析

由表2可以看出，提取过程中离子液体起到重要作用。得最优条件为A2B1C2D3，即离子液体质量分数为60%、温度150 ℃、保温2 h、液固比10∶1，此条件下木质素得率为26.74%。相同条件下以乙酸乙酯为溶剂提取木质素，得率仅为1.14%。

2.2 木质素紫外图谱及红外谱图

如图1所示，产物在250 nm左右有强吸收峰，在275 nm处有肩峰，这些都是芳香环的吸收特征，证明所提取的产物为芳香族化合物，符合木质素的特征吸收。

图1 木质素的紫外谱图

由图2及表3可以看出，木质素的主体结构由芳香族的苯环及其上的脂肪族侧链构成，其上还包含酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基等多种功能基团[5]。

图2 离子液体木质素及红外谱图

σ/cm-1基团振动说明3 389—OH伸缩振动1 717共轭羰基1 599苯环振动1 514苯环振动1 421醚基上的C—H振动1 263愈疮木基上甲氧基C—O振动1 226紫丁香基上甲氧基C—O振动1 029愈疮木酚型伯醇、醚850天然芳香物C—H

2.3 木质素合成香兰素反应机理

木质素在碱性条件下以CuSO4为催化剂，通入空气氧化；然后在酸性条件下酸化制得香兰素。反应方程式如下：

2.4 香兰素产品的紫外及红外谱图

以乙醇为溶剂，在200～300 nm波长对产品进行紫外光谱扫描，结果如图3所示，产物分别在206、231、279、309 nm处有较强吸收，其中231 nm处吸收最强，符合香兰素的紫外特征吸收谱图[6]。

图3 香兰素紫外谱图

图4 香兰素红外谱图

2.5 紫外标准曲线

分别吸取已配制好的不同浓度的香兰素乙醇溶液，以峰面积y对质量浓度x进行回归，得到线性方程：y=76.786x-0.014 8，R2=0.998 8(n=6)，线性范围为0.002～0.010 mg/mL。

2.6 水结晶法对香兰素产品提纯

利用香兰素在不同温度热水中溶解度不同对香兰素进行结晶提纯[7]。此提纯方法简便，分离效果好并减少设备，节省能源，所得香兰素产品纯度为99.4%。

3 结 论

(1)氯代丁基咪唑盐离子液体与乙酸乙酯构成的双液相溶解相体系可以在较为温和的条件下提取白松中的木质素。提取得到的木质素经UV-VIS、FTIR表征，验证了木质素的芳香结构。

(2)经正交试验得到体系对木质素最佳提取条件为：离子液体质量分数为60%，提取温度150 ℃，液固质量比为10∶1及保温时间2 h的条件。此条件下粗木质素得率可达26.74%，离子液体质量分数和提取温度为提取的主要影响因素。

(3)以木质素为原料，以CuSO4为催化剂，通过2步氧化合成香兰素。UV-VIS、FTIR表明所得产物为香兰素。通过水结晶的方法对产物进行提纯，产品香兰素纯度可达99.4%。熔点为81～82 ℃。产品为淡黄色结晶，有类似香荚兰豆香气，香气浓郁持久。合成的整个过程避开了传统化学合成中必须的苯及甲苯等有毒物质，使所得香兰素更加安全、绿色，增加了产物可利用范围。

[1] 季卫刚,赵先英,覃军,等. 香兰素的合成方法综述[J]. 河北工业科技, 2003, 20(2):43-47.

[2] PRIEFERT H, JRABENHORST J, STERBUCHEL A. Biotechnological production of vanillin[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2001, 56(3/4):296-314.

[3] HUDDLESTON J G, WILLAUER H D. Characterization and comparison of hydrophilic and hydrophobic room temperature ionic liquids incorporating the imidazolium cation[J]. Green Chemistry, 2001(3):156-164.

[4] 罗廉,李杰,余世袁. 木质素磺酸盐制取香兰素的氧化反应[J]. 化学反应工程与工艺, 1990(4):53-59.

[5] 李云雁,罗渊,宋光森,等. 乙酸乙酯法分离板栗壳木质素的研究[J]. 林业科技, 2007, 32(4):41-44.

[6] 张国文,倪永年. 多元校正-光度法同时测定食品中的香兰素和乙基麦芽酚[J]. 分析科学学报, 2005, 21(1):20-23.

[7] 王立兴. 香兰素合成产物的精制新法[J]. 陕西师范大学学报:自然科学版, 1997, 25(2):119-120.