微波辐射印楝油甲酯化响应曲面模型研究

王有琼，马李一，张重权，段琼芬

(中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南昆明 650224)

印楝油是楝科楝属(Melia L.)杀虫植物印楝(Azadirachta indica A.Juss)的种籽油，味苦，具有一种难闻的气味，难以用来食用。其中的苦味物质来源于印楝油中含有的少量非脂肪酸部分。Rukmini C［1］研究指出，印楝油中脂肪酸的组成与其它普通油脂无太大差别，没有特殊脂肪酸的存在。印楝油含有33%的饱和脂肪酸和65%的不饱和脂肪酸，其中50%为油酸，15%为亚油酸，非常适合用作脂肪酸甲酯的原料。并且，印楝种仁中油脂的含量高达45%以上［2-3］，因此，印楝油是一种较佳的生物质能源植物油，可以在催化剂作用下，通过甲酯化反应制备生物柴油。目前，在生物柴油制备方面的相关研究成果较多，以印楝油为油料来源的研究，江文辉等以D-葡萄糖为原料，制备了磺化碳固体酸催化剂，催化印楝油与甲醇的酯交换反应，酯交换率达95%［4］。

在酯交换新型催化剂的研究方面，孔洁等用固体超强酸TiO2/SO42－催化葵花籽油制备生物柴油，收率可以达到94.3%［5］。吴虹等在无溶剂系统中固定化脂肪酶Novozym 435催化餐饮业废油脂生产生物柴油，产物中的甲酯含量达88.6%［6］。Jin G等用源自米根酶的全细胞生物催化剂生产生物柴油，并比较了乙醇代替甲醇的反应结果，表明乙醇不能明显提高生物柴油得率，但会生成更加稳定的酯［7］。碱性离子液体也被用于生物柴油的合成，马洁等合成［Bmim］OH催化蓖麻油与甲醇的酯交换，脂肪酸甲酯得率达到82.3%［8］。李雪菲等制备［Bmim］Im催化大豆油与甲醇的酯交换反应，生物柴油的产率可达95.76%［9］。新型催化剂的使用使得酯交换反应的选择性增强了，酯交换率提高了，但催化剂的制备过程步骤多，工艺复杂。用碱催化的酯交换反应对原料油的质量要求相对较高，并且有副反应皂化反应发生，酯交换的选择性相对较低。

微波在有机合成中的研究始于1986年，一直以来，对微波辅助有机合成“非热效应”的观点都有争论，但微波具有对物质高效、均匀、无梯度、无滞后效应的加热特点。因此微波促进的有机化学反应可提高分子平均能量，降低反应活化能［10］，具有选择性高、能耗低、对环境友好等优点［11］。在化学领域用来提高化学反应速度，缩短反应时间［12-14］，改变化学反应机理［15］，提高反应的产率［16］。

本文以碱为催化剂，并且在甲酯化反应过程中引入微波辐射来作为提供反应活化能的热量来源，以此促进印楝油的甲酯化反应，研究较佳的酯交换反应条件，为拓展印楝油的利用途径提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

印楝油(石油醚浸提法制取);甲醇、KOH均为分析纯。

MAS-I常压微波辅助合成/萃取仪;EYELE101旋转蒸发仪;AB204-S分析天平。

1.2 印楝油的甲酯化反应

根据醇油物质的量比5∶1，催化剂用量1.5%，准确称取印楝油、甲醇、KOH催化剂。将KOH与甲醇充分混合，然后和印楝油一起加入微波反应瓶中，连接冷凝管，微波反应(50℃反应1 h)。反应结束后，旋转蒸发回收甲醇，剩余物于分液漏斗中静置分层，分离出下层甘油层，上层甲酯层用水洗涤数次，干燥后得到印楝油甲酯产品。印楝油的转化率通过测定印楝油甲酯中游离甘油和总甘油的含量来计算，其中甘油含量的测定参考贺平等［17-18］的方法，印楝油的转化率按照下式计算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

m1——产物中未反应的甘油酯对应的甘油质量，为甲酯中总甘油质量-游离甘油质量，g;

m0——原料油脂的总质量，g。

1.3 印楝油平均分子量的测定

按照国家标准GB/T 5530—1998、GB 5534—85方法，测定出原料印楝油的酸值为16.3 mgKOH/g，皂化值为196 mgKOH/g。平均分子量通过皂化值和酸值用下式计算:

式中 M——印楝油的平均分子量;

S——皂化值，mgKOH/g;

A——酸值，mgKOH/g。

由此测得原料印楝油的平均分子量为936.56。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 醇油物质的量比 固定以下反应条件:催化剂KOH用量为1.5%，反应温度50℃，反应时间60 min，改变醇油物质的量比，进行单因素实验。结果表明，当醇油物质的量比≥5∶1以后，印楝油的转化率无明显提高。因此，醇油物质的量比选择5∶1较为合适。

2.1.2 催化剂用量 固定以下反应条件:醇油物质的量比5∶1，反应温度50℃，反应时间60 min，改变催化剂用量，进行单因素实验。结果表明，随着催化剂用量的增加，印楝油的甲酯化率在提高，但当催化剂用量增加到1.5%以后，印楝油的甲酯化率反而下降。这是因为过量的碱使印楝油中的脂肪酸甘油酯发生了皂化反应，副反应的发生降低了油脂的甲酯化率，反应的选择性降低。所以，催化剂KOH的用量以1.5%为佳。

2.1.3 反应温度 固定以下反应条件:醇油物质的量比5∶1，催化剂用量1.5%，反应时间60 min，改变反应温度，进行单因素实验。结果表明，随着反应温度的升高，印楝油的转化率提高，当反应温度升至50℃时，印楝油的转化率急剧上升至较高点，之后不再上升。这是因为油脂的甲酯化反应需要一定的活化能，升高反应温度，有利于反应物克服反应活化能的壁垒，使甲酯化反应得以进行，而较高的温度可能产生副反应，或者使部分甲醇和甲酯挥发，从而使印楝油的转化率有下降趋势。所以，选择50℃为较佳的反应温度。

2.1.4 反应时间 固定以下反应条件:醇油物质的量比5∶1，催化剂用量1.5%，反应温度50℃，改变反应时间，进行单因素实验。结果表明，随着反应时间的延长，印楝油的转化率升高，当反应进行至60 min以后，印楝油的转化率提高程度不大，至90 min时，转化率最高，之后开始下降。考虑到延长反应时间会增加能源成本，所以选择60 min作为反应时间较为合适。

2.2 响应曲面分析

2.2.1 响应面设计与实验结果 在单因素实验的基础上，选择醇油物质的量比、催化剂用量、微波反应温度及反应时间4个因素作为响应变量，利用Design-Expert V8.0.6 软件按照 Box-Behnken 中心组合实验设计原理，以印楝油转化率为响应值，通过响应曲面分析进行甲酯化反应条件的优化，实验因素水平编码设计见表1，结果见表2。共27个实验点，其中24个为析因实验点，3个为零点，零点实验进行3次，用于估计实验误差。

表1 响应面分析因素与水平取值表Table 1 Factors and levels value used in response surface analysis

表2 Box-Behnken实验设计及结果Table 2 Experimental design and corresponding results of Box-Behnken

2.2.2 建立模型方程与显著性检验 应用Design-Expert软件对表2中的数据进行多元回归拟合，得到印楝油转化率对醇油物质的量比(A)、催化剂用量(B)、反应温度(C)和反应时间(D)的二次多项回归方程:印楝油转化率(%)=93+0.406A+2.807 B+0.371C+2.268D+3.565AB － 1.438AC+0.19 AD+2.675BC+0.61BD+2.3CD －3.373A2－6.767 B2－5.386C2－5.39D2。

对其进行显著性检验，结果见表3、表4。

表3 回归方程偏回归系数的估计值Table 3 Estimated values of the partial regression coefficients of the regression model

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis for the regression model

回归模型系数的显著性检验结果，模型的残差和纯误差均较小，决定系数为92.79%，校正决定系数为84.38%，说明该模型拟合程度较好，可信度较高，表明该方程较好的反映了醇油物质的量比、催化剂用量、反应温度和反应时间与印楝油甲酯化率的关系，可用此模型对微波辐射印楝油甲酯化反应进行分析和预测。交互作用项的BC、CD对反应影响程度显著(P＜0.05)，线性项中的D因素、交互作用项的AB、二次项的A2对反应影响高度显著(P＜0.01)，线性项 B、二次项 B2、C2、D2对反应影响极显著(P＜0.001)。由此可知，各因素对响应值的影响不是简单的线性关系。

2.2.3 响应面分析与优化 根据回归模型绘出了微波辐射印楝油甲酯化反应4个因素交互作用的响应曲面图和等值线图，见图1～图6。

响应曲面的弯曲弧度越大，该因素对响应值的影响越显著，根据这个原理，从图1～图6可知，催化剂用量对印楝油甲酯化反应转化率的影响最为显著，沿催化剂用量轴向，转化率响应值变化较大;其次为反应时间对甲酯化转化率的影响;醇油物质的量比和反应温度对反应的影响较弱。等值线的形状反映了因素之间交互效应的强弱。在3D图里，等值线越圆两因素交互作用越显著。图1、图4和图6中等值线的形状呈圆形，表明醇油物质的量比和催化剂用量之间、催化剂用量和反应温度之间、反应温度和反应时间之间的交互效应较显著。图2、图3、图5中等值线的形状呈椭圆形，表明醇油物质的量比和反应温度之间、醇油物质的量比和反应时间之间、催化剂用量和反应时间之间的交互作用不显著。以上结果与表3、表4中方差分析结果一致。

通过回归模型预测的微波辐射印楝油甲酯化反应的最佳工艺条件为:醇油物质的量比5.383 8∶1，催化剂用量1.358 6%，反应温度50.656 6℃，反应时间67.575 8 min，印楝油转化率的最高理论值为93.78%。考虑到实际应用情况，将上述印楝油甲酯化工艺条件修正为:醇油物质的量比5.4∶1，催化剂用量1.36%，反应温度50℃，反应时间68 min，在此工艺条件下做验证实验3次，得到的印楝油转化率平均值为93.17%，实验值与理论预测值相对误差为0.65%，证明利用响应面法分析优化得到的微波促进印楝油甲酯化工艺条件准确可靠，具有实际指导意义。

图1 醇油物质的量比和催化剂用量对转化率的响应面和等值线Fig.1 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and catalyst amount

图2 醇油物质的量比和反应温度对转化率的响应面和等值线Fig.2 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction temperature

图3 醇油物质的量比和反应时间对转化率的响应面和等值线Fig.3 Response surface and contour of ratio of methanol to neem oil and reaction time

图4 催化剂用量和反应温度对转化率的响应面和等值线Fig.4 Response surface and contour of catalyst amount and reaction temperature

图5 催化剂用量和反应时间对转化率的响应面和等值线Fig.5 Response surface and contour of catalyst amount and reaction time

图6 反应温度和反应时间对转化率的响应面和等值线Fig.6 Response surface and contour of reaction temperature and reaction time

3 结论

应用响应曲面法设计和优化微波辐射印楝油甲酯化工艺实验结果表明，催化剂用量对印楝油的转化率影响极显著，反应时间次之，醇油物质的量比和反应温度的影响较弱。通过综合分析回归模型，确定最佳工艺条件为醇油物质的量比5.4∶1，催化剂用量1.36%，反应温度50℃，反应时间68 min。验证实验得到印楝油的平均转化率为93.17%，与理论值相符。

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