響應(yīng)面法優(yōu)化微波輻射合成食用香料糠酸乙酯退修完成稿

1、響應(yīng)面法優(yōu)化微波輻射合成食用香料糠酸乙酯趙瑋，王大為*，曹勇，賈英偉，張?zhí)烊A，李松（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）摘 要： 以糠酸和乙醇為原料、HCl為催化劑，采用微波輻射合成食用香料糠酸乙酯。在微波輻射功率、輻射時間、HCl用量等單因素試驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理,應(yīng)用響應(yīng)面分析法研究各因素的顯著性和交互作用的強弱,對酯化反應(yīng)工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明微波輻射合成糠酸乙酯最佳工藝條件為微波功率360w、輻射時間12min、HCl用量1mL,酯化反應(yīng)產(chǎn)率為83.8%，的與理論預(yù)測值83.7679%的絕對誤差為0.0321%。關(guān)鍵詞： 響應(yīng)面分析法；糠酸乙酯；微

2、波輻射；合成中圖分類號：TQ656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：收稿日期：20120501基金項目：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技引導(dǎo)計劃基金項目（20091）作者簡介：趙瑋（1977），女，講師，博士在讀，研究方向為糧油化工產(chǎn)品研究與開發(fā)。Email:zw_0029通信作者：王大為（1960），男，教授，博士，研究方向為糧食、油脂與植物蛋白工程。 Email:xcpyfzxOptimization of Microwave Radiation for Synthesize Edible Spice Ethyl Furoate by Response Surface Meth

3、odologyZHAO Wei, WANG Da-wei*,CAO Yong,JIA Ying-wei,ZHANG Tian-hua,LI Song(College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University ,Changchun 130118,China )Abstract: Ethyl furoate was synthesized from furoic acid and ethanol under microwave radiation condition,HCl as a catalyst.On the

4、basis of single-factor experimental results and central composite design principle, the optimal synthetic parameters were explored by response surface experiments through evaluating the effects of microwave radiation power , microwave time and hydrochloric acid dosage on esterification reaction conv

5、ersion.Results indicated that the optimal synthetic parameters were microwave radiation power of 360w , microwave time of 12min and hydrochloric acid dosage of 1mL. The average conversation of esterification reaction was 83.8%,which was close to the predicted value of 83.7679% with an absolute error

6、 of 0.0321%.Key words: response surface method (RSM); Ethyl furoate; microwave irradiation; synthesis二十世紀(jì)六十年代以來,雜環(huán)化合物異軍突起,發(fā)展十分迅速。六十年代中期, 在美國、日本、瑞士等國開始合成出水果香型的呋喃衍生物,到了七十年代后期已經(jīng)到肉類型、海鮮型、烘、炸、烤香等各種香型呋喃類香料,目前國外已合成出用于食品的呋喃類香料已達(dá)一百余種,其中獲美國香料和萃取物制造者協(xié)會(FEMA)以及國際組織批準(zhǔn)可安全使用的有幾十種, 廣泛用于各種糖果、蜜餞、凝膠食品、奶制品、肉制品、糕點、飲料等,并

7、可用于煙草中加香, 還可用來制造各種化妝品乳劑、口紅基質(zhì)、香液等1,2。 糠酸乙酯化學(xué)名稱為- 呋喃甲酸乙酯，屬于呋喃衍生物，具有濃烈愉快的果香及青香,微有蘑菇、煙草樣氣息, 主要存在于花生、葡萄、咖啡、豬肝中。氣味柔和、留香持久，適用于加工甜香、果香韻的食用香精、日用香精3。近年來，隨著香精香料工業(yè)的發(fā)展，市場對糠酸乙酯的需求量逐年增加，但合成糠酸乙酯的相關(guān)報道卻不多。目前糠酸乙酯的合成主要是借助催化劑的作用來完成。研究合成糠酸乙酯的催化劑種類很多,其中最常用的是濃硫酸。但濃硫酸作為催化劑在高溫下易使反應(yīng)產(chǎn)生大量樹脂類化合物,使產(chǎn)品的產(chǎn)率低,顏色深,有異味,不適合于調(diào)制香精使用,同時濃硫酸還

8、存在腐蝕設(shè)備,污染環(huán)境等問題；有報道使用過氧化氫溶液催化合成糠酸乙酯,效果不錯,但過氧化氫價格高,貯藏和使用具有一定危險；也有報道用固體超強酸作催化劑合成糠酸乙酯,但固體超強酸制備困難,工藝復(fù)雜3,4,5；近年來，有報道采用水合硫酸氫鈉作為催化劑合成糠酸酯類香料，取得一定進(jìn)展6，7，8。微波輻射技術(shù)可加劇分子運動、提高分子平均能量、降低反應(yīng)活化能，在化學(xué)領(lǐng)域主要用來提高化學(xué)反應(yīng)速度、改變化學(xué)反應(yīng)機理、提高反應(yīng)收率，開辟新的反應(yīng)途徑，近年來，在有機合成領(lǐng)域得到了廣泛而迅速的發(fā)展9。本研究以糠酸（- 呋喃甲酸）和乙醇為原料，濃鹽酸作為酯化反應(yīng)的催化劑，利用微波輻射的方法合成糠酸乙酯。濃鹽酸作為催化

9、劑，具有成本低廉、腐蝕性小等優(yōu)點。該法反應(yīng)時間短、產(chǎn)率較高，取得了較好的結(jié)果。本研究采用響應(yīng)面分析法，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計原理，對糠酸乙酯合成工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。1 材料與方法1.1 材料與試劑糠酸（按文獻(xiàn)1自制）;無水乙醇、濃鹽酸、氫氧化鈉、乙醚 、蒸餾水、氯化鈉、硫酸鎂等均為分析純。1.2 儀器與設(shè)備EM- GF628型三洋微波爐（1100W，2450MHz） 合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司；HH-S2數(shù)顯雙孔恒溫水浴鍋 金壇市瑞華儀器有限公司；JB-90S電動攪拌器 江蘇金壇儀器有限公司 ；傅立葉紅外光譜儀（FTIR-8900） 日本島津公司；WAY2S阿貝折射儀

10、上海精誼儀器有限公司；X4數(shù)字顯微熔點測定儀 北京泰克儀器有限公司。1.3 方法1.3.1 工藝流程 在三頸瓶中加入5.6g（0.05mol）純化后的糠酸晶體和11.5ml(0.25mol)無水乙醇，醇酸物質(zhì)的量比為5:1，以及1.2ml的濃鹽酸。將配以冷凝管、電動攪拌器的三頸瓶置于恒溫水浴中，水浴溫度為50，將混合物加以攪拌。將溶解后混合物置于25mL圓底燒瓶中，加入幾粒沸石，裝上回流冷凝管，冷凝管上口接一氣體吸收裝置，用5%NaOH溶液作吸收液。將反應(yīng)瓶置于微波爐內(nèi)裝有400mL熱水（水溫93）的1000mL燒杯中水浴加熱，將微波爐火力調(diào)至相應(yīng)功率，進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)一段時間后，冷卻、取樣，將

11、反應(yīng)產(chǎn)物倒入100ml的冷水中，用60ml乙醚分三次萃取有機相，合并萃取液。用飽和食鹽水洗滌,無水硫酸鎂干燥。將產(chǎn)物置于加熱套內(nèi)進(jìn)行蒸餾，所得粗產(chǎn)品用乙醇重結(jié)晶,得糠酸乙酯淡黃色晶體7。1.3.2 結(jié)果計算1.3.3 單因素試驗對糠酸產(chǎn)率的影響利用單因素試驗分別考察了反應(yīng)物配比、微波輻射功率、輻射時間及HCl用量等因素對酯化反應(yīng)產(chǎn)率的影響。1.3.4 微波輻射合成糠酸乙酯工藝優(yōu)化試驗設(shè)計 在單因素試驗的基礎(chǔ)上,確定Box-Behnken設(shè)計的自變量,以酯化反應(yīng)產(chǎn)率為響應(yīng)值,通過響應(yīng)面曲面分析(response surface analysis),對糠酸乙酯合成工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。1.3.5 產(chǎn)

12、物的檢測分析 利用阿貝折射儀測定反應(yīng)產(chǎn)物折射率；，采用KBr壓片對乙醇重結(jié)晶后的反應(yīng)物糠酸（按文獻(xiàn)1自制）及產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析10；利用X4數(shù)字顯微熔點測定儀測定產(chǎn)物糠酸乙酯熔點。2 結(jié)果與分析2.1 單因素試驗結(jié)果分析2.1.1 反應(yīng)物配比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響 按1.3.1工藝條件，微波功率為360w，輻射時間10min，HCl用量為1mL，改變醇酸摩爾比，所得結(jié)果見圖1。圖1 醇酸摩爾比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of alcohol-acid molar ratio on reaction conversion乙醇與糠酸進(jìn)行酯化反應(yīng)，二者理論摩爾比應(yīng)為1：1，乙醇既是反應(yīng)物，

13、又是溶劑。實際反應(yīng)中，為使著眼組份糠酸獲得最大的轉(zhuǎn)化率，通常使乙醇過量。由圖1可知，當(dāng)醇酸摩爾比小于5：1時，反應(yīng)產(chǎn)率較低，隨著醇酸摩爾比的增加，反應(yīng)產(chǎn)率呈上升趨勢；當(dāng)醇酸摩爾比大于5：1時，反應(yīng)產(chǎn)率上升不明顯。分析原因，因為酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)物乙醇的量，有利于反應(yīng)物糠酸的轉(zhuǎn)化，但當(dāng)乙醇的量超過一定比例后，反應(yīng)進(jìn)度己達(dá)最大值，反應(yīng)產(chǎn)物糠酸乙酯的產(chǎn)率不再上升；另外，過高的醇酸摩爾比，會增大乙醇間發(fā)生脫水反應(yīng)的機率，也會影響到酯化反應(yīng)的產(chǎn)率11。綜上所述，本研究選定醇酸摩爾比為5：1。2.1.2 微波輔射功率對反應(yīng)產(chǎn)率的影響 按1.3.1工藝條件，醇酸摩爾比為5：1，輻射時間10min，

14、HCl用量1mL，改變微波功率，所得結(jié)果見圖2。圖2 微波輻射功率對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of microwave radiation power on reaction conversion微波輻射是一種內(nèi)加熱方式，溶液中的極性分子，在高頻電磁場的作用下，發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振動、擺動等運動，極性分子間的摩擦生成熱量，使體系升溫。由圖2可知，微波功率對反應(yīng)產(chǎn)率的影響較大。隨著微波功率的增大反應(yīng)產(chǎn)率逐漸增大，微波功率超過360W后，反應(yīng)產(chǎn)率隨微波功率變大而逐漸下降。分析原因為，微波功率較低時，體系溫度達(dá)不到反應(yīng)分子活化要求，所以反應(yīng)產(chǎn)率很低。微波功率的增大使得反應(yīng)體系溫度上升，有利于反

15、應(yīng)進(jìn)行，故反應(yīng)產(chǎn)率呈上升趨勢；微波功率大于360W時，體系溫度上升過快，積炭及副反應(yīng)增加，反應(yīng)物系易因爆沸而噴濺，造成產(chǎn)物損失，故產(chǎn)率下降12,13。因此，本研究選定240W、360W、480W作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗的3個水平。2.1.3 微波輻射時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響按1.3.1工藝條件，醇酸摩爾比為5：1，輻射功率為360w，HCl用量1mL，改變微波輻射時間，所得結(jié)果見圖3。圖3 微波輻射時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of microwave time on reaction conversion由圖3可知，當(dāng)微波輻射時間小于12min時，酯化反應(yīng)產(chǎn)率隨輻射時間的增長而增加，在

16、輻射時間為12min時達(dá)到最大值；當(dāng)微波輻射時間大于12min時，產(chǎn)率有所下降。分析原因為在一定范圍內(nèi)，輻射時間的延長可有利于提高酯化反應(yīng)產(chǎn)率；隨著輻射時間的延長，炭化等副反應(yīng)增加，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)率下降14，15。因此，本研究選定10min、12min、14min作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗的3個水平。2.1.4 HCl用量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響按1.3.1工藝條件，醇酸摩爾比為5：1，輻射功率為360w，微波輻射時間為10min，改變HCl用量，所得結(jié)果見圖4。圖4 HCl用量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of hydrochloric acid dosage on reaction convers

17、ion鹽酸作為酯化反應(yīng)的催化劑。由圖4可知，HCl用量過少，對反應(yīng)催化效率不高；HCl用量過多時，對糠酸的有機結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用，并會增加聚合等副反應(yīng)，影響反應(yīng)的產(chǎn)率16,17。因此，本研究選定0.8mL、1mL、1.2mL作為響應(yīng)面優(yōu)化試驗的3個水平。2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果2.2.1 Box-Behnken實驗結(jié)果與方差分析 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，按照Box-Behnken中心組合實驗方案進(jìn)行了三因素三水平的實驗，實驗結(jié)果見表1。表1 響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 1 Results of response surface experiments試驗號ABC反應(yīng)產(chǎn)率%1360.0014.00

18、0.8072.42240.0010.001.0064.253360.0012.001.0083.24240.0012.001.2067.55360.0010.000.8069.66360.0012.001.0082.17360.0010.001.2074.48240.0014.001.0065.739480.0010.001.0076.410480.0012.001.2073.411360.0012.001.0082.312360.0012.001.0083.113360.0014.001.2077.514360.0012.001.0086.615240.0012.000.8062.45164

19、80.0012.000.8071.317480.0014.001.0068.3由表1可知，本次Box-Behnken試驗設(shè)計的試驗方案，共有17個試驗點的響應(yīng)面分析實驗，其中，12個為析因試驗，其余5個為中心試驗，析因點為自變量取值在A、B、C所構(gòu)成的三維定點，零點區(qū)域為中心點，零點區(qū)域重復(fù)5次，用于估計實驗誤差。將表1的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表2。表2 方差分析表Table 2 Results of variance analysis方差來源平方和自由度均方F值Pr>F模型845.88993.9919.470.0004A108.561108.5622.490.0021*B0.

20、06510.0650.0130.9110C36.34136.347.5130.0288*AB22.94122.944.750.0656AC2.1812.180.450.5235BC0.02310.0234.661E-0030.9475A2404.481404.4883.79<0.0001*B2104.791104.7921.710.0023*C2105.111105.1121.770.0023*殘差33.7974.83失擬20.5436.852.070.2474純誤差13.2543.31總和879.6716決定系數(shù)R20.9616R2Adj0.9122信噪比12.670變異系數(shù)CV%2.

21、96注：*表示差異極其顯著（P<0.001），*表示差異高度顯著（P<0.01），*表示差異顯著（P<0.05）由表2可以看出，A、B2、C2對反應(yīng)產(chǎn)率的影響高度顯著（P<0.01），A2對反應(yīng)產(chǎn)率的影響極顯著（P<0.001），C對反應(yīng)產(chǎn)率的影響顯著（P<0.05）。還可以看出，殘差、純誤差都非常小，決定系數(shù)R2=0.9616，信噪比=12.670，這表明方程的擬合度和可信度均很高；C、V表示實驗本身的精確度，C、V值越小，實驗的可靠性越高。本實驗中，C、V值較低，為2.96%，說明實驗操作可信度高，具有一定的實踐意義。各因素對酯化反應(yīng)產(chǎn)率的影響程度強弱的

22、次序為輻射功率HCl用量輻射時間。各試驗因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，試驗因素讀響應(yīng)值影響的回歸方程為：Y=83.46+3.58*A0.90*B+2.13*C2.40*A*B0.74*A*C+0.075*B*C9.8* A24.99* B25.00* C2。2.2.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化根據(jù)回歸模型做出了微波輻射酯化反應(yīng)三個因素交互作用的響應(yīng)曲面，見圖5。 A.微波功率和輻射時間 B.微波功率和HCl用量 C.輻射時間和HCl用量圖5 各因素交互作用對糠酸乙酯產(chǎn)率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface and contour plots for the effe

23、ct of crossinteraction of any two factors on reaction conversion分析圖5可知，微波功率對酯化反應(yīng)產(chǎn)率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，沿微波功率軸向，反應(yīng)產(chǎn)率響應(yīng)值變化較大； 其次為HCl用量對酯化反應(yīng)產(chǎn)率的影響；輻射時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響最弱，表現(xiàn)為曲線較平滑，沿輻射時間軸向，響應(yīng)值變化較小。圖5A中等高線的形狀呈橢圓形，表明輻射功率和輻射時間兩因素之間的交互效應(yīng)較顯著；圖5B中等高線圖顯示，微波功率和HCl用量兩因素間的交互有一定的顯著性；圖5C中等高線為圓形，表明輻射時間和HCl用量兩因素間的交互作用不顯著。以上結(jié)果與方差分析的

24、結(jié)果一致。由圖可知，在兩兩因素交互作用的響應(yīng)面圖中，每兩種因素交互的響應(yīng)面均存在最高點，也是等高線最小橢圓的中心點，即產(chǎn)率在所選范圍內(nèi)均存在最大值18。回歸模型預(yù)測的糠酸乙酯合成的最佳工藝條件為微波功率390.79W、輻射時間12.07min、HCl用量1.07mL,酯化反應(yīng)產(chǎn)率的最高理論值為83.7679%。將合成工藝條件修正為微波功率360W、輻射時間12min、HCl用量1mL,酯化反應(yīng)的平均產(chǎn)率為83.8%，與理論預(yù)測值基本一致。因此，基于響應(yīng)面法分析所得的優(yōu)化提取工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實用價值19，20。2.3 產(chǎn)物檢測分析結(jié)果圖5 原料糠酸紅外光譜圖Fig.6 Infra-red

25、spectrogram of 2-furoic acid 圖6 合成產(chǎn)品紅外光譜圖 Fig.6 Infra-red spectrogram of synthetic product圖5、圖6分別為糠酸和產(chǎn)品的IR圖譜。對兩圖進(jìn)行比較可以看出，產(chǎn)品在955 cm-1、855cm-1出現(xiàn)的振動峰為甲基、亞甲基的彎曲振動特征,與原料糠酸譜圖相比這些峰顯著增強,這是因為在原料糠酸上引入一個甲基和一個亞甲基,使得它們的相關(guān)振動峰增強;在3300 cm-1處的強吸收峰，證明有CCH的存在；在1850cm-1處的強吸收峰為酯基中的CO的伸縮振動,1 240cm-1處的強吸收峰為酯基中的CO伸縮振動,已不見原

26、料糠酸在2950和1050cm-1處的羧基特征峰。紅外光譜圖的這些特征證明了產(chǎn)物中糠酸乙酯的存在10。測定所得產(chǎn)品折射率為 1.4800, 測定值與文獻(xiàn)值基本相符；測得產(chǎn)物M.P.34.135.6。3 結(jié)論響應(yīng)面優(yōu)化微波合成糠酸乙酯工藝試驗結(jié)果表明，微波輻射功率顯著影響酯化反應(yīng)的產(chǎn)率。綜合分析回歸模型確定最佳工藝條件為微波功率360W、輻射時間12min、HCl用量1mL,酯化反應(yīng)的平均產(chǎn)率為83.8%，與理論預(yù)測值較好的擬合，實現(xiàn)了工藝條件的優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：1 楊彪.以糠醛為原料合成一種新香料糠酸乙酯J.廣西師院學(xué)報，1998，15（2）：87-90.2 崔力，李洪仁.新型香料糠酸乙酯的合成J.沈陽化工，1997,02：37-38.3 王學(xué)松，紀(jì)延光.糠酸乙酯合成的初步探討J.淮海工學(xué)院學(xué)報，2002,11（1）：42-44.4 劉慧娟，李先紅.固體超強酸 SO42-/TiO2/Nd3+催化合成糠酸乙酯J.天津化工.2006,20(1):45-46.5 孟祥福. 硫酸氫鈉催化合成糠酸異戊酯的工藝研究J.食品科技,2008.5:138-140.6 孟祥福,王冠蕾,王爾新.香料糠酸乙酯的合成研究J.中國食品添加劑，2010，06：152-154.7 陳鋼,周玲妹,徐翠蓮等.微波輻射合成糠酸甲酯