响应面优化大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸工艺研究

程海涛，申献双(．衡水学院 化工学院，河北 衡水053000; ．衡水学院 美术学院，河北 衡水053000)

响应面优化大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸工艺研究

程海涛1，申献双2
(1．衡水学院 化工学院，河北 衡水053000; 2．衡水学院 美术学院，河北 衡水053000)

以大豆粕为原料，采用加压酸解的工艺制备了复合氨基酸溶液，再与椰油酰氯反应合成了N-椰子油酰基复合氨基酸表面活性剂。研究了复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比、pH、反应温度、丙酮与复合氨基酸溶液体积比、反应时间对产物产率的影响，以单因素试验为基础，利用响应面法优化了工艺条件，并对酰化产物的表面活性性能进行了测定。结果表明，响应面优化大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸工艺条件为: 复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4.2∶1，pH 11.2，反应温度36℃，丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.7∶1，反应时间2 h。在最优工艺条件下产物产率为91.07%，产物表面活性性能良好。

大豆粕；N-椰子油酰基复合氨基酸；响应面法

大豆粕是大豆提油后的副产物，富含蛋白质(48%)，同时也是氨基酸质优价廉的原料来源[1-2]。目前大豆粕主要作为动物饲料，带来的附加值有限，同时也造成植物蛋白资源浪费[3-4]。大豆粕中蛋白质水解可得到多种氨基酸混合液，氨基酸本身具有特殊结构，包含可进行酰化等多种化学反应的官能团，对氨基酸混合液进行化学修饰，合成的表面活性剂混合物具有毒性低、性能优越、环境影响小等特点[5-6]。其中长碳链N-酰基氨基酸等氨基酸化学修饰产物被广泛应用于肌肤用化妆品、生理活性药品、自然疗法食品等领域[7-8]。目前以氨基酸为基础合成的氨基酸类表面活性剂，存在原料利用率低、合成工艺优化不全面等缺点。虽然已经有利用菜籽粕为原料，经过水解、酰化制备长碳链N-酰基氨基酸表面活性剂的研究，但是存在水解率低、酰化工艺优化不全面等缺点[9]。利用大豆粕为原料，经过外力加压近乎彻底水解大豆粕，然后利用响应面优化合成长碳链N-酰基氨基酸工艺的研究尚未报道。

本文以大豆粕为原料，采用加压酸解的工艺制备了复合氨基酸溶液，再与椰油酰氯反应合成了N-椰子油酰基复合氨基酸表面活性剂。研究了复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比、pH、反应温度、丙酮与复合氨基酸溶液体积比、反应时间对产物产率的影响，以单因素试验为基础，利用响应面法优化了工艺条件，并对酰化产物的表面活性性能进行了测定，以期为大豆粕的深度利用及产业化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大豆粕、大豆油，市售; 椰油酰氯(含量≥99.5%)；氢氧化钠、硫酸、氢氧化钙、石油醚等，均为分析纯。

WRS-1B数字熔点仪，上海精密科学仪器有限公司；100LK高剪切混合乳化机，上海威宇机电制造有限公司；DT-102全自动界面张力仪，淄博华坤电子仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 复合氨基酸溶液的制备

取除杂的大豆粕，粉碎过筛(100目)，称取25 g，加入质量分数为20%的硫酸250 g，在110℃、0.10 MPa下水解20 min，利用氢氧化钙中和、离心、过滤得到复合氨基酸溶液。

1.2.2 N-椰子油酰基复合氨基酸的合成

将1.2.1制备的复合氨基酸溶液与一定量的丙酮加入三口烧瓶中，保持一定温度和搅拌速度，将一定量椰油酰氯缓慢滴加到三口烧瓶中，与此同时缓慢滴加质量分数为20%的氢氧化钠溶液，调节反应体系的pH。反应结束后，产物用6.0 mol/L盐酸调pH为 1～2，立即析出浅肉色沉淀[7]。粗产品经过滤、水和石油醚充分洗涤后，在65℃下干燥24 h后得到目标产物。

1.2.3 游离氨基氮含量测定

大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸产物的产率计算，是以体系椰油酰氯酰化修饰前后游离氨基氮含量变化占椰油酰氯酰化修饰前体系游离氨基氮含量的百分比为产物产率。测定体系游离氨基氮含量采用甲醛滴定分析方法进行[10-11]。

1.2.4 产品表面活性测定

表面张力：利用DT-102型全自动界面张力仪测定。

乳化性能[12-13]：利用高速乳化设备在一定时间内充分乳化产物与油水混合物，通过具塞量筒确定乳化层和非乳化层体积，计算乳化层体积占总体积(乳化层和非乳化层体积之和)百分比，确定乳化性能。放置120 min计算乳化层占总体积的百分比，确定乳化稳定性。

起泡性能[14-15]：利用高剪切混合乳化机将一定质量浓度酰化产物溶液高速搅拌一定时间，利用具塞量筒测定泡沫体积和溶液体积，计算泡沫体积占总体积(泡沫体积与溶液体积之和)百分比，确定起泡性能。放置30 min计算泡沫占总体积的百分比，确定泡沫稳定性。

润湿性能：参照GB/T 11983—2008《表面活性剂 润湿力的测定 浸没法》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比对产率的影响

选取反应时间2 h、丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.5∶1、反应温度35℃、pH 11，根据复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比对产物产率的影响趋势，确定优化复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比的范围，结果见图1。

图1 复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比对产率的影响

由图1可以看出，复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比影响产率的总体趋势是首先逐步提高，达到最大值后逐步下降，复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比为4∶1时产物产率最大。因此，选择复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比3∶1～5∶1进行优化试验。

2.1.2 pH对产率的影响

选取复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4∶1、反应时间2 h、丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.5∶1、反应温度35℃，根据pH对产物产率的影响趋势，确定优化pH的范围，结果见图2。

图2 pH对产率的影响

由图2可以看出，pH影响产率的总体趋势是首先逐步提高，达到最大值后逐步下降，pH为11时产物产率最大。因此，选择pH 10～12进行优化试验。

2.1.3 反应温度对产率的影响

选取复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4∶1、反应时间2 h、丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.5∶1、pH 11，根据反应温度对产物产率的影响趋势，确定优化反应温度的范围，结果见图3。

图3 反应温度对产率的影响

由图3可以看出，随着反应温度逐步升高产物产率也逐步增大，在35℃时产物产率达到最大值，之后反应温度再升高产物产率逐步下降。因此，选择反应温度30～40℃进行优化试验。

2.1.4 反应时间对产率的影响

选取复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4∶1、pH 11、反应温度35℃、丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.5∶1，根据反应时间对产物产率的影响趋势，确定最适反应时间，结果见图4。

由图4可以看出，在反应时间0.5～2 h范围内产物产率逐渐增大，之后随反应时间延长，产率没有明显的变化。因此，反应时间2 h最适合大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸。

图4 反应时间对产率的影响

2.1.5 丙酮与复合氨基酸溶液体积比对产率的影响

选取复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4∶1、pH 11、反应温度35℃、反应时间2 h，根据丙酮与复合氨基酸溶液体积比对产物产率的影响趋势，确定优化丙酮与复合氨基酸溶液体积比的范围，结果见图5。

图5 丙酮与复合氨基酸溶液体积比对产率的影响

由图5可以看出，随着丙酮与复合氨基酸溶液体积比的增加，产物产率逐步增加，丙酮的加入有利于产物产量的增加，当丙酮与复合氨基酸溶液体积比达到1.5∶1后，产率随着体积比增加不再有较明显的提高。因此，选择丙酮与复合氨基酸溶液体积比1∶1～2∶1进行优化试验。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面试验设计及结果

以单因素试验为基础，固定反应时间为2 h，以N-椰子油酰基复合氨基酸产率为响应值(Y)，复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比(X1)、pH(X2)、反应温度(X3)、丙酮与复合氨基酸溶液体积比(X4)为影响因素，根据Box-Behnken 的试验设计原理，通过SAS软件对试验数据进行回归分析，确定最佳工艺。响应面试验因素水平见表1，响应面试验方案及结果见表2，回归方程方差分析见表3。

表1 响应面试验因素水平

表2 响应面试验方案及结果

由表3可以看出，函数模型R2=99.19%，说明模型预测值和试验值拟合度高，模型极显著(Plt;0.000 1)，方程预测N-椰子油酰基复合氨基酸产率是可信的。X1(复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比)、X2(pH)、X3(反应温度)、X4(丙酮与复合氨基酸溶液体积比)影响因素程度为X2gt;X1gt;X3gt;X4，

影响因素之间的交互作用除X1X3影响不显著、X3X4影响显著外，其余交互项影响极显著。

表3 回归方程方差分析

2.2.2 验证试验

对经过响应面试验优化得到的数学回归方程进行求极大值，得到X1为4.2∶1、X2为11.2、X3为36℃、X4为1.7∶1，产率最大值为91.02%。根据响应面优化结果和综合因素影响得到大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸最优工艺条件为：复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4.2∶1，pH 11.2，反应温度36℃、丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.7∶1，反应时间2 h。在最优工艺条件下进行3次验证试验，得到产率分别为91.06%、91.07%、91.08%，平均值为91.07%，与模型预测值91.02%相差很小，同时证明得到的数学回归拟合模型可信度很高。

2.3 产品表面活性性能

测定了以大豆粕为原料合成的N-椰子油酰基复合氨基酸产物表面活性性能，同时与阴离子表面活性剂月桂酸钾、十二烷基硫酸钠表面活性进行了比较，结果见表4。

表4 产物表面活性性能对比

由表4可以看出，所得产物表面活性性能优越，并且在一些方面超过月桂酸钾、十二烷基硫酸钠。

3 结 论

本研究以影响大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸产率因素的单因素试验为基础，利用SAS软件，根据 Box-Behnken 的试验设计原理，通过响应面优化及对回归方程方差分析，发现复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比、pH、反应温度、丙酮与复合氨基酸溶液体积比对大豆粕合成N-椰子油酰基复合氨基酸产率都有极显著影响。通过回归数学模型得到最优工艺条件为：复合氨基酸溶液与椰油酰氯体积比4.2∶1，pH 11.2，反应温度36℃，丙酮与复合氨基酸溶液体积比1.7∶1，反应时间2 h。在最优工艺条件下产率为91.07%，与模型预测值91.02%相差很小。与阴离子表面活性剂月桂酸钾、十二烷基硫酸钠表面活性性能进行了比较，所得产物表面活性性能优越。

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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

河北省高等学校科学技术研究项目(Z2015205)；衡水市科技计划项目(2016011007Z)；衡水学院2016年度院级课题(2016L003)；衡水学院教育教学改革与研究项目(jg2016050、jg2016073)；衡水市2016年度社会科学(重点)研究课题(2016047)

程海涛(1981)，男，讲师，硕士，主要从事精细化工产品绿色合成、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