氢氧化钡催化酯交换反应制备甘油磷脂酰胆碱的研究
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摘 要：以天然磷脂酰胆碱为原料，氢氧化钡为催化剂，通过酯交换反应制备甘油磷脂酰胆碱。主要研究了催化剂用量、反应温度、搅拌转速及反应时间对原料转化率和产物收率的影响。结果表明：当搅拌转速为400 r·min-1、催化剂投加量为1.65 g·L-1、反应温度40 ℃、原料液浓度为10 g·L-1、反应时间为180 min的条件下，磷脂酰胆碱转化率可达到100%，且催化剂稳定性良好。
关 键 词：甘油磷脂酰胆;磷脂酰胆碱;氢氧化钡
中图分类号：TQ032.41 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1584-04
Abstract： Glycerylphosphatidylcholine was prepared by transesterification with natural phosphatidylcholine as raw material and barium hydroxide as catalyst. The effect of catalyst dosage， reaction temperature， reaction time and stirring speed on the raw material conversion and product yield was studied. The results showed that， when the stirring speed was 400 r·min-1， the amount of catalyst added was 1.65 g·L-1， the reaction temperature was 40 ℃， the concentration of the raw material was 10 g·L-1， and reaction time was 180 min， the phosphatidylcholine conversion rate reached 100%， and the stability of catalyst was satisfying.
Key words： Glycerophosphocholine; Phosphatidylcholine; Barium hydroxide
甘油磷脂酰膽碱（GPC）是一种人类必需的营养物质，也是一种具有生理活性的磷脂水解产物，同时是细胞膜保护剂和渗透压保护剂[1]。GPC在人体内发挥着重要作用，它不仅可以提高健康青少年的记忆力和促进产生生长激素，而且对老年痴呆、中风等也有很好的预防效果，可广泛用于医药、美容、保健品等行业，对生命健康起着至关重要的作用[2-3]。随着人们生活质量的不断提高，人们对健康的关注度也越来越高。在这种需求度下，磷脂类保健品受到大众尤其老年人的追捧，这为磷脂类产品的研发和应用开辟了一条光明大道。
迄今为止，制备GPC的方法很多，最早是生物提取法，该法主要是以牛胰脏、狐狸和兔子的心肌等为原料，通过萃取提纯得到目标产物GPC[4-5]。但是由于原料来源受限，处理量小，且制备工艺复杂，成本高，不适合商业化生产。为克服生物提取法存在的问题，逐渐出现化学合成法制备GPC的报道[5]。Puricelli[6]利用D-亚异丙基甘油与对甲苯磺酰氯反应后再与磷酸胆碱四甲基铵盐缩合，最后水解得到GPC。Seok等[7]将2，3-环氧-1-丙醇与磷酸胆碱在异丙胺存在的条件下，进行亲核加成反应，得到纯度较高的GPC。陈新等[8]在碱性条件下，利用（S）-缩水甘油制备得到（2R）-缩水甘油对甲苯磺酸酯，再与磷酸胆碱四乙基铵盐进行缩合反应，后经处理得到甘油磷酸胆碱[5]。化学合成法虽然提高了产物甘油磷酸胆碱的收率，但是通常需要经过多步反应，过程复杂。因此以磷脂为原料通过酯交换法制备GPC的方法更受大家关注，课题组先后以天然磷脂为原料，自制树脂及低沸点胺为催化剂对催化酯交换反应制备GPC进行了系统的研究[9-12]，其副反应比较少、原料天然无毒、健康环保。
本研究以天然磷脂酰胆碱（PC）为原料，以便宜易得、催化活性好、稳定性高的氢氧化钡作为催化剂，考察了催化剂浓度、搅拌速率、反应温度这些影响因素对酯交换反应的影响，从而确定其最佳工艺条件。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
试剂：蛋黄磷脂（PC质量分数60%）购自北京美亚斯磷脂技术有限公司; 三氯甲烷、氢氧化钡、甲醇、乙醇、碘等均为分析纯。
仪器：数显集热式磁力搅拌器（DF-Ⅱ型，重庆吉祥教学实验设备有限公司）;扫描仪（LiDE110型，佳能公司）;鼓风干燥箱（DHG-9013A型，昆山-恒仪器有限公司）;高速医用离心机（G20型，北京白洋医疗有限公司）。
1.2 酯交换反应过程
准确称取质量为5.0 g的蛋黄磷脂，溶于500 mL甲醇中，滤去不溶物，得到浓度为10 g·L-1的原料液。移取20 mL原料液加入100 mL带冷凝回流的圆底烧瓶中，并置于带磁力搅拌的恒温水浴锅中，实验装置如图1所示，加热到设定温度后，加入一定量催化剂，开启搅拌进行反应。每隔0.5 h取样一次，每次取样0.1 mL于1.5 L离心管中，总共反应4 h。
1.3 分析方法
本实验反应液中PC的含量采取薄层色谱法进行检测，分析前对样品进行离心分离，所用展开剂为三氯甲烷∶甲醇∶蒸馏水=65∶25∶4（体积比）。展板结束后、干燥、碘缸中进行染色，直到显示出黄色斑点。用扫描仪扫描薄层板上的图像保存后，用photoshop软件进行处理，准确记录各个斑点的像素，将各个斑点的像素与原样PC像素进行比较，计算出PC转化率，具体计算分析如下： 反应液中GPC的含量也采用薄层色谱法分析，展开剂为正丙醇∶5 mol·L-1氨水=6.5∶3.5（体积比），在计算GPC收率时需要标准工作曲线进行对照[5]，GPC标准曲线如图2所示。
2 结果与讨论
2.1 催化剂用量对酯交换反应的影响
催化剂加入量的多少对催化反应过程有着显著的影响，不仅影响原料转化率和反应速度，同时也会影响后续产物的分离过程[13]。在反应温度为40 ℃，搅拌转速为400 r·min-1的条件下考查不同催化剂用量（1.45、1.55、1.65、1.75 g·L-1）对酯交换反应的影响情况，结果如图3和图4所示。
催化剂用量的增加使得其与PC的活性位点更加有效的接触，从结果可以看出，反应物的转化率和产物的收率都随之增加。可当催化剂用量高于1.65 g·L-1时，无论是PC转化率还是GPC的收率增加都不明显，而且此时PC转化率已可达到100%，所以在后面的实验过程中，将催化剂用量定为1.65 g·L-1。
2.2 反应温度对酯交换反应的影响
对于催化反应来说，反应温度会影响反应的速度、转化率、反应物的传质。根据阿伦尼乌斯方程，一般情况下，温度越高，反应速率越大，反应更彻底[14]。可是温度太高易引发副反应而且消耗的能量也多。在催化剂用量为1.65 g·L-1，搅拌速度为400 r·min-1，反应时间为4 h的情况下，进一步探究不同反应温度（30、40、50、60 ℃）对酯交换反应的影响，结果如图5和图6所示。
从实验结果可以看出，随着反应温度的提高，因为反应物能量增加，分子之间的碰撞变得频繁，增加了反应物与催化剂间的接触，所以PC转化率和GPC收率不断增加，但是反应温度高于40 ℃，温度对反应影响已经微乎其微，尤其是对GPC的收率几乎没有影响，所以在后续实验中反应温度定为40 ℃。
2.3 搅拌速度对酯交换反应的影响
在非均相催化反应体系中，加快搅拌有利于增大催化剂与反应物间的接触频率，从而促进反应过程中的传质传热，从而加快反应的进行。在催化剂用量为1.65 g·L-1，反应温度为40 ℃的条件下，改变搅拌转速，分别在200、300、400、500 r·min-1下考察不同搅拌转速对酯交换反应过程的影响，结果如图7和图8。
从图中可以看出，随着搅拌速度的增加，在相同的时间间隔里PC转化率随之增加，搅拌速度的增大加大了氢氧化钡与PC的接触机会，可以促进反应快速进行;但是当搅拌速度大于400 r·min-1的时候，继续加快搅拌速度的时候PC转化率的变化并不明显，当搅拌速度为400 r·min-1的时候，反应3 h PC转化率已经达到100%，搅拌速度对GPC收率的影响也有类似的规律，所以选择400 r·min-1为最适宜的搅拌速度。
2.4 催化剂稳定性研究
酯交换反应结束后，将催化剂过滤收集并用无水甲醇洗涤后重复使用，在催化剂用量为1.65 g·L-1，反应温度为40 ℃的条件下，搅拌转速为400 r·min-1的条件下考察催化剂多次回收循环使用下的情况，结果见图9和10。不难看出在相同的反应条件下，催化剂重复使用4次后，无论是PC转化率还是GPC收率变化都很小，催化剂活性几乎不变，说明在整个实验过程中催化剂稳定性良好。
3 结论
为了使GPC的制备更安全、高效，本实验对氢氧化钡做催化剂酯交换制备GPC的工艺条件进行了优化，结果显示：氢氧化钡做催化剂时，在搅拌速度为400 r·min-1、催化剂用量为1.65 g·L-1、反应温度40 ℃、磷脂酰胆碱质量浓度为10 g·L-1、反应时间为240 min的条件下，磷脂酰胆碱转化率可达到100%，反应效果最佳，且整个实验过程中催化剂稳定性良好。
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