（应用化学专业论文）不同催化剂催化羊毛脂转酯化反应制备胆固醇的工艺.pdf

浙江人学硕七学位论文( 2 0 0 7 ) 摘要 采用不同催化剂转酯化法从羊毛脂中获得游离胆固醇，分别研究了以甲醇 钠、甲酸及强碱阴离子树脂为催化剂的工艺方法。 以甲醇钠为催化剂，以甲醇为反应溶剂的转酯化工艺，考察了胆固醇的稳定 性，原料含水量、甲醇用量、甲醇钠用量、反应温度和时间等因素的影响。确定 最佳反应条件为：甲醇用量为原料( 羊毛脂) 的1 倍( v w t ) ，甲醇钠用量为总 胆固醇质量的6 4 ，反应温度6 0 。在该工艺条件下反应1h ，胆固醇产率为 9 9 。 在甲醇和乙醇两个近临界醇体系中以甲酸催化羊毛脂转酯化反应。在这两个 体系中，含水量对产率均有显著影响。当溶剂初始p h 值保持在2 5 3 5 时，甲 酸用量的改变对产率的影响不大。在1 4 0 2 0 0 范围内，产率随着反应温度的 升高而增加。在9 0 乙醇体系中，反应时间从4h 变化至8h ，产率没有增加。 而在无水甲醇体系( 2 0 0 ) 产率随着反应时间有明显增加。得到最优条件为： 无水甲醇体系，p h - 3 o ，甲醇羊毛脂( v 用t ) 为1 0 1 ，反应温度为2 0 0 ，1 2h ， 产率为8 1 7 。 以强碱阴离子交换树脂催化羊毛脂转酯化反应制取胆固醇的工艺过程选择 强碱5 群( 大孔吸附型) 和强碱3 ( 凝胶型) 两种树脂作为催化剂。首先考察了树 脂在反应温度下对胆固醇的静态吸附情况，实验结果表明两种树脂对胆固醇均无 吸附。在釜式反应研究结果的基础上，着重研究了影响固定床转酯化反应的各个 因素如进料流量、溶剂种类及配比、反应温度、接触时间对反应的影响。羊毛脂 固定床转酯化反应制取胆固醇的最佳工艺条件为：以强碱3 树脂为催化剂，反 应温度6 0 ，羊毛脂( w t ) 甲醇( v ) 石油醚( v ) 比例为1 2 1 ，流速1 5m l m i n ， 胆固醇产率可达6 3 1 。 关键词：羊毛脂；胆固醇；转酯化：甲醇钠；甲酸；近临界醇；强碱阴离子 树脂；固定床。 浙江大学硕上学位论文( 2 0 0 7 ) p r e p a r a t i o no fc h o l e s t e r o lb y7 r r a n s e s t e r i l f i c a t i o n o fl a n o nu s i n gd i f f e r e n tc a t a l y s t s a b s t r a c t h 1t h i sp 印e r ，p r 印a r a t i o no fc h o l e s t e r o lb yt r a n s e s t e r i f i c a t i o mo f1 a i l o l i nw i t h d i f r e r e n tc a t a l y s t s ，i e ，s o d i 啪m e t h o x i d e ，f o m i ca c i d ，锄d 细ok i n d so fb a s i ca n i o n e x c h a j l g er e s i n ，w a si n v e s t i g a t e d f i r s to fa 1 1 ，m el a n o l i nw a u st m s e s t e r i f i c a t e dt oy i e l dc h o l e s t e r 0 1 ，w i t hm e m a l l 0 1a s r e a c t i o ns o l v e n ta n ds o d i u mm e t h o x i d ea sc a t a l y s t t h es t a b i l i t yo fc h o l e s t e r o ld u r i n g t 1 1 er e a c t i o n ，t h ei n n u e i l c i n gf a c t o r ss u c ha st h ew a t e rc o n t e i l ti nr a w1 锄o l i n ，l er a t i o s o fm e t h a n o la i l ds o d i 啪m e t h o x i d et or a wm a t e r i a l ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e w e r ec o n s i d e r e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r e ：1 ：1o f m e t h a n o lt or a wl a n 0 1 i n ，6 4 o fs o d i u mm e t h o x i d et ot o t a lc h o l e s t e r 0 1 ，r e a c t i o n t e l l l p e r a t u r e6 0 a n dr e a c t i o nt i m e1h u n d e rs u c ho p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ey i e l do f c h o l e s t e r o l r e a c h e d9 9 t h e n ，t h ep 印e rs t u d i e dt h et r a i l s e s t 甜f i c a t i o np r o c e s so fl a l l o l i nw i t hf o n i l i ca c i d 硒 c a t a l y s ti ns u b c r i t i c a la l c o h o l ( m e t h a n 0 1a 1 1 de t h a i l 0 1 ) w es t u d i e dt h es t a b i l i t yo f c h o l e s t e r 0 1 i ti ss t a b l eb e t w e e n15 0 a l l d215 i nm es o l u t i o no fm e t h a n o lo r e m a l l 0 1 t h ep r o c e s so ft r a i l s e s t e r i f i c a t i o nw a sa f r e c t e db yw a t e rc o n t e n t ，t y p eo f a l c o h 0 1 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，a n d 锄o u n to fc a t a l y s t t h eo p t i m a l c o n d i t i o n sw e r e ：p h2 5 3 5 ，m e t h a n o l l a n o l i n ( v 矾) o f1 0 l ，t e m p e r a t u r e2 0 0 ， t i m e8h t h e 如e l do fc h o l e s t e m lr e a c h e d81 7 f i n a l l y ， t h ep r 印a r a t i o no fc h o l e s t e r o lb yt r a n s e s t e r i f i c a t i o no fl a n 0 1 i nw i t h m e t h a n 0 1o v e rb a s i ca n i o ne x c h a n g er e s i nw a si n v e s t i g a t e d t h ec a t a l y s t sw e r e5 j i s t r 0 n gb a s i cr e s i n ( m a c r o p o r o u sr e s i n ) a n d3 f j s t r o n gb a s i cr e s i n ( g e lr e s i n ) t h es t a t i c 浙江大学硕j ：学位论文( 2 0 0 7 ) a d s o 印t i o no fc h o l e s t e r o lo n 研or e s i n s a tr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt w or e s i n sd i dn o ta d s o r bc h 0 1 e s t e r 0 1 1 1 1 ei n n u e n c i n gf a c t o r st o t r a n s e s t 嘶f i c a t i o ni nf i x e db e dw e r ef o c u s e do nf e e dn o wr a t e ，t y p ea n dr a t i oo f s o l v e m ，r e a c t i o nt e m p e r 咖r ea n dc o n t a c tt i m e t 1 1 es u i t a b l ec o n d i t i o n sw e r ea s f 0 1 l o w s ：3 j f j s t r o n gb a s i cr e s i na sc a t a l y s t ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 0 ，t h er a t i oo f 1 a n o l i n ( 谢)m e t h a n o l ( v ) p e t r o l e u me m e r ( v ) 1 2 1 ，n o wr a t e1 5m i n ，m e c h o l e s t e r 0 1y i e l du pt o6 3 1 k e y w o r d s ：l a n o l i n ；c h 0 1 e s t e r 0 1 ；t r a i l s e s t e r i f i c a t i o n ；s o d i 啪m e t h o x i d e ；f o 肋i ca c i d ； b a s i ca n i o ne x c h a n g er e s i n ；f i x e db e d 浙江大学硕：l 学位论文( 2 0 0 7 ) 日! j舌 胆固醇又称胆箔醇，是最早发现的一个甾体化合物，存在于人及动物的血 液、脂肪、脑髓及神经组织中，它是组成动物器官特别是大脑和脊髓组织的重要 成分之一，人体内发现的胆结石9 0 是由胆甾醇所组成的，胆固醇的名称也是由 此而来的【。 胆甾醇可作为一种具有生物活性的多功能化妆品助剂，美国c t f a 化妆品原 料手册已经将胆甾醇列为可加入化妆品的天然活性物质。它还有表面活性及稳定 泡沫的作用，是有效的w o 乳化剂，也可作为o w 乳化剂使用加入到营养霜、 药用油膏及乳液中。胆甾醇可作为生产液晶状化妆品的乳化助剂。胆甾醇的另一 个重大应用是作为甾体药物( 如维生素d 3 、人造牛黄等) 的一种天然甾体。甾 体药物9 0 以上采用半合成生产，即利用天然甾体骨架进行结构改造，1 9 7 4 年 以前，世界上6 0 以上的甾体药物取材于薯蓣皂甙元。七十年代以后，由于不合 理的采掘，造成资源逐渐短缺，植物中皂甙含量下降，薯蓣价格猛涨，人工培植 量少、成本高，促使人们努力开拓新的甾体资源。而甾醇具有天然甾体基本骨架， 通过化学或微生物转化方法改造，可制得几乎所有甾体激素药物。我国的甾体药 物的生产原料至今仍依赖于资源濒于枯竭的薯蓣，甾醇资源开发已迫在眉睫【2 3 】。 胆甾醇作为一种广泛存在的甾醇，是重要的甾体药物前体。 国内生产胆甾醇的方法都是从动物脑组织和脊髓组织中提取，其过程干扰较 少，工艺简单，但原料成本较高且数量有限。随着人们对动物保护意识的增强， 这种做法日益受到限制。而洗羊毛废水得到的羊毛脂中胆固醇含量较高( 约1 0 1 5 ) ，逐渐成为提取胆固醇的主要来源，我国羊毛脂来源较丰富，并且以羊毛 脂为原料生产胆甾醇的同时还可以得到羊毛脂酸和羊毛脂醇。这两类物质同样具 有较高的使用价值，它们与普通脂肪酸和脂肪醇相比有很多独特的性能。 羊毛脂( 1 a j l o l i n 或w o o lw a ) ( ) ，是由羊皮脂腺分泌出而黏附于羊毛毛被中的 酯类物质的多组分混合物，从洗羊毛废水中回收而得。羊毛脂与普通动植物油脂 不同，它不含三甘油酯，更确切地说应为羊毛蜡。根据羊种、气候及饲养条件不 同，羊毛脂的成分也有所不同，主要是由多种羟基脂肪酸、脂肪酸与大致等量的 浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 脂肪醇、胆甾醇等所形成的酯和少量游离酸、游离醇以及烷烃所组成【4 】。 目前国内羊毛脂大部分是以低廉的价格被国外公司收购。国内由于羊毛脂利 用率低，销售不稳定。仅分离制备羊毛脂中的羊毛脂酸和羊毛脂醇，无明显经济 效益。综合利用羊毛脂还处于研究阶段，主要产品限于精制羊毛脂，缺乏羊毛酸、 羊毛醇和胆甾醇等羊毛脂深加工产品。从羊毛脂中提取胆甾醇技术可成为羊毛脂 综合利用的关键。通过这一途径，不仅解决了资源再利用问题，同时减少羊毛脂 对环境的污染。 在羊毛脂中胆固醇除了极少量以游离形式存在外，绝大部分是和羊毛酸结合 以酯的形式存在，与羊毛醇和羊毛酸形成的酯性质极为相近，不易分离。因此胆 固醇的提取需要分两个阶段，第一阶段必须先让胆固醇游离出来，通常有两种做 法，即皂化法和转酯化法；第二阶段是将游离出来的胆固醇从皂化物或转酯化物 中提取出来。本文重点研究第一阶段，尝试以不同催化剂通过转酯化法来获得游 离的胆固醇。 2 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 1 1 胆固醇 第一章文献综述 胆固醇又名胆甾醇、胆脂醇、异辛甾烯醇、胆甾一5 一烯一3b 一醇，英文名 为c h o l e s t e r o l ，c h o l e s t e r i n ，c h o l e s t 5 ，e n 一3 - o l 。其分子式为c 2 7 h 4 6 0 ，分子量为 3 8 6 6 7 。c a s ：5 7 8 8 5 。胆固醇是由甾体部分和一条长的侧链组成。其结构如下 图所示： 图1 1 胆甾醇的结构式 f i g 1 1 s t m c t u r a lf o n i l u l ao fc h o l e s t e r o l 1 1 1 胆固醇的理化性质 胆固醇为白色或淡黄色有珠光的片状结晶，m p 1 4 8 5 ，密度1 0 6 7 c m 3 ， 沸点3 6 0 ，在高真空度下可升华，在空气中缓慢氧化变黄，熔点和溶解度也随 之改变。一水合物c 2 7 h 4 6 0 h 2 0 为珍珠色叶状结晶或片状结晶( 稀乙醇) ，密度 1 0 3 c m 3 ，7 0 8 0 变为无水物。沸点2 3 3 0 5 m m h g ，3 6 0 7 6 0 m m h g ( 分 解) 。比旋度【口寡一3 1 5 。( c = 2 ，乙醚) ， 口寡一3 9 5 。( c = 2 ，氯仿) 。 胆甾醇易溶于胆汁酸盐溶液，可溶于醋酸、丙酮、乙醇、苯、氯仿( 1 鲋5 m l 氯仿) 、二氧杂环己烷、醚( 1 2 8 m l 乙醚) 、乙基醋酸盐、己烷、吡啶( 1 1 5 m l 吡啶) 、甲苯、石油和植物油中 9 】，微溶于冷醇( 2 0 ，1 2 9 1 0 0 9 乙醇) 中， 而热乙醇中可溶( 8 0 ，9 6 乙醇，2 8 1 0 0 9 ) ，几乎不溶于水( 约0 2 m 1 0 0 m l 水) 、酸或碱中。 1 浙江大学硕上学位论文( 2 0 0 7 ) i r v 。c m 一：3 4 5 0 ，2 9 4 0 ，1 4 7 0 ，1 3 7 0 ，1 0 5 0 ，9 5 0 ，8 4 0 ，8 0 0 ：u v 【a 譬姗( ) ：1 9 1 ( 9 3 3 3 ) ； n m r ( c d c l 3 ) 6 ：0 7 ，0 9 ，0 9 ，1 0 ，3 5 ，5 4 ；1 3 c n m r ( 吡啶一d 5 ) 6 ：1 1 9 ，1 8 9 ，1 9 5 ， 2 1 3 ，2 2 6 ，2 2 8 ，2 4 1 ，2 4 4 ，2 8 1 ，2 8 4 ，3 2 1 ，3 2 3 ，3 6 o ，3 6 4 ，3 6 7 ，3 7 7 ，3 9 7 ，4 0 0 ， 4 2 4 ，4 3 2 ，5 0 4 ，5 6 4 ，5 6 9 ，7 1 0 ，1 2 0 9 ，1 4 1 7 ；m s 州e ( ) ：8 1 ( 1 0 0 ) ，1 0 7 ( 9 2 ) ，1 0 5 ( 9 1 ) ， 9 1 ( 8 7 ) ，9 5 ( 8 6 ) ，7 9 ( 7 8 ) ，9 3 ( 7 7 ) ，3 8 6 ( 5 6 ) 。 1 1 2 胆固醇的功能及用途 胆固醇是脊椎动物细胞的重要组成部分，它存在于人体的一切组织里，占体 重的0 2 。各组织中的含量差别很大，脑和神经组织中含量最高，每1 0 0 克组 织约含2 克，占大脑干重的1 7 ，其总量约占全身总量的1 4 。人体所必须的 维生素d 3 就是由皮肤表面分泌物中的胆甾醇经太阳光中的紫外线照射合成的。 胆甾醇在酶催化下氧化成7 脱氢胆甾醇。7 脱氢胆甾醇存在于皮肤组织中，在日 光照射下发生化学反应，转变为维生素d 3 。维生素d 3 是从小肠中吸收c a 2 + 离子过程中的关键化合物。体内维生素d 3 的浓度太低，会引起c a 2 + 离子缺乏， 不足以维持骨骼的正常生成而产生软骨病【5 1 。 胆固醇具有以下三个主要生理功能【6 】：形成胆酸；构成细胞膜；合成激素。 长期摄入过量胆固醇，会使体内胆固醇正常调节机能失效，造成血中胆固醇 浓度升高，容易发生血管硬化。美国心脏病学会建议，每天摄入胆固醇不宜超过 3 0 0m g ，对高血压、血管硬化、冠心病患者，限制在2 0 0m g 以下。 胆固醇可广泛用于化妆品、乳化剂、医药等各个方面【7 1 。 ( 1 ) 胆固醇在化妆品和表面活性剂中的应用 胆固醇可作为一种具有生物活性的多功能化妆品助剂，美国c t f a 化妆品原 料手册已经将胆固醇列为可加入化妆品的天然活性物质。该类物质具有柔滑和保 湿作用，对皮肤无刺激，也不光敏化，对于干性和粗糙皮肤是优良的润滑剂。胆 甾醇中具有一个叫甾核的四元碳骨架，并且环上还有三个侧链，因此它能够消除 偏振，起到防晒作用，可用于防晒化妆品中【8 1 。胆箔醇用于面霜配方中有形成薄 膜、收缩毛孔、减轻皱纹和使皮肤恢复弹性的作用。 4 浙江人学硕十学位论文( 2 0 0 7 ) 胆固醇还有表面活性及稳定泡沫的作用，是乳化剂的基础组 水或水包油型乳液，并证实它能改善阴离子乳化剂的性质和乳液 胆固醇与2 4m o l 环氧乙烷反应可得到一种水溶性的表面活性剂 液是非常优良的乳化剂和稳定剂，用于控制膏霜和乳液的粘度【9 ( 2 ) 胆固醇在医药中的应用 胆固醇的另一重大应用是作为甾体药物的一种天然甾体资湃 甾体药物是制药工业中极为重要的部分之一。1 9 7 4 年以前， 上的甾体药物取材于薯蓣皂甙元。七十年代以后，由于不合理的 逐渐短缺，植物中皂甙含量下降，薯蓣价格猛涨，人工培植量小 人们努力开拓新的甾体资源。而甾醇具有天然甾体基本骨架，通j 转化方法改造，可制得几乎所有的甾体激素药物。我国甾体药物i 仍然依赖于资源濒于枯竭的薯蓣，甾醇资源开发已迫在眉睫【2 1 。j 广泛存在的甾醇，是重要的甾体药物前体。 另外，胆固醇还可以作为合成维生素d 、人造牛黄的原料或 1 1 3 胆固醇的分析方法 1 ) 定性分析方法 有关胆固醇的测定，传统的分析方法是比色法：高氯酸铁显 醛比色法、磷硫铁比色法、硫酸铁铵比色法等【1 0 】。这些方法原； 便、现象直观，但存在着误差大、重现性差等问题，故一般用作： 用h u p p e r t s a l k o w s k i 反应【1 1 】进行的显色反应。该方法是基于用潍 可使胆甾醇分子进行脱水反应，得到红色胆甾烯。反应机理如匿 浙江大学硕- 上学位论文( 2 0 0 7 ) 胆甾醇 2 ) 定量分析方法 图1 2 反应机理 关于胆甾醇定量分析的研究很多。 胆甾烯 曾经有人提出利用毛地黄皂苷配合法来测定羊毛脂中的胆甾醇。但是，该配 合性质是3b 羟基甾族化合物所共有的，应用该方法可导致羊毛脂中羊毛甾醇、 羊毛甾三烯醇和胆甾醇的共沉淀，又由于羊毛脂中这三者并无定量的关系，所以 该法测定误差较大【1 2 ，13 1 。 波兰的f e l i k sm o d r z e j e w s l ( i 等【1 4 】公布了其对羊毛脂中甾族化合物的薄层色 谱法分析的研究结果：可在用滑石涂布的玻璃板上较好地分离出胆固醇、羊毛甾 醇及其氧化产物等。该方法操作简单，但在定量方面精度也不高。 现行的分析方法是气相色谱法【恪17 1 。气相色谱法是迄今为止测定误差最小 的方法之一。国际标准常规分析方法大全、a o a c ( 美国公职分析家协会) 分析方法手册对油脂中胆固醇分析有所规定，最后都用气相色谱法进行分析。 s i l v i aa p p r i c h 等人【1 8 1 定量分析胆固醇，填充的硅胶毛细管柱子( 标准尺寸： 直径0 。2 5 一o 3 2 m m ，长度2 5 _ 3 0 m ) 用非极性的固定相( 1 0 0 的二甲( 基) 甲硅烷或 5 的苯基甲硅烷和9 5 的二甲( 基) 甲硅烷) 包衣，用梯度洗脱，二乙醚一n 一( 正) 己烷从l o ：9 0 ，2 0 ：8 0 和4 0 ：6 0 ( v ) 。气相色谱法一般要将甾醇衍生化后再进行 测定，前处理比较繁琐。 液相色谱法是另外种比较可靠的分析方法。液相色谱测定胆甾醇具有简 单、快速、重现性好的特点。 黄岛平等建立了一种用高效液相色谱测定食品中胆固醇的方法：以c 1 8 反相柱为固定相，甲醇一水为流动相，检测波长为2 0 8m 。方法的检测限为o 8 8 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) m 1 0 0 9 ，回收率为9 8 7 ，r s d ( n = 7 ) 小于5 ，在o 0 5 0 6 0 m m l 范围内， 线性相关度为o 9 9 9 1 。 李琼等人拟提取精制海龙总甾醇，并采用外标法，用h p l c 法测定其中胆甾 醇的含量【2 0 1 。仪器采用美国s i 肿a 公司的h p l c 高效液相色谱系统色谱条件 h e w l e t t p a c k a r dc 1 8 色谱柱( o 4 c m 1 2 5 c m ，5 m ) ，流动相为乙腈异丙醇( 2 ：1 体积 比) ，流速为1 m l m i n ，检测波长为2 2 0 姗，进样量为2 0 “l ，柱温为4 0 。 朱京科等【2 1 】采用高效液相色谱蒸发光散射检测法分析。蒸发光散射检测 器( e l s d ) 是一种基于测定物质散射的新型液相色谱检测器。所用仪器为美国 a 西l e n t 公司1 1 0 0 型液相色谱仪、e l s d 2 0 0 0 型双模式蒸发光散射检测器。液相 色谱和检测器操作条件经实验确定的h p l c e l s d 操作条为色谱柱： 2 1 m m 1 0 0 i i l i i l ，3 mo d s 分析柱；流动相：v ( 乙腈) ：v ( 异丙醇) = 5 0 ：5 0 ，1 5m i n 内乙丙醇由5 0 线性变为8 0 ；流量：0 2m l m i n ；柱温：3 0 ；漂移管温度： 9 0 ；干燥氮气温度：9 0 ；干燥氮气流量：2l m i n 。该方法的优点是：可 用于任何挥发性的多溶剂流动相体系( 包括梯度洗脱) ；与u v 检测器不同，它 的响应与试样的光学特性无关，任何挥发性低于流动相的试样均能被检测而不受 官能团性质的影响；灵敏度高。 1 2 羊毛脂 以前工业上生产胆甾醇通常是从猪脑( 及脊髓) 或羊脑中提取。先用丙酮对 干脑粉或新鲜猪脑( 羊脑) 进行反复浸泡抽提；然后蒸除丙酮就得到浓缩粗胆甾 醇，再用乙醇结晶：然后依次用酸性、碱性乙醇处理，然后结晶干燥即得产品【2 2 2 3 】。其过程干扰较少，工艺简单，但原料成本较高且数量有限。随着人们对动物 保护意识的增强，从动物脑干、内脏等提取胆固醇的做法日益受到限制。洗羊毛 废水得到的羊毛脂中胆固醇含量较高( 约1 0 1 5 ) ，逐渐成为提取胆固醇的主 要来源。 1 2 1 羊毛脂的理化性质 羊毛脂( 1 a 1 1 0 l i n 或w o o lw a x ) 是绵羊皮脂腺的油性分泌物，附着在羊毛纤维 7 浙江人学硕i ：学位论文( 2 0 0 7 ) 表面，能够柔软羊毛并抵御外部环境不良因素的影响。羊毛脂不含三甘油酯，主 要是脂肪醇、甾醇和三萜烯醇等醇类化合物与大约等量的脂肪酸所形成的酯，其 含量约占9 5 。另外含有少量的游离醇、游离脂肪酸和烃类物质。羊毛脂中，醇 的烷基碳链长度为c 1 4 c 3 6 ，其中含胆甾醇约3 0 左右、三萜烯醇( 主要为羊毛 甾醇) 2 5 3 0 、脂肪醇约3 0 5 0 ：羊毛脂酸中约含有1 5 0 多种单体酸，碳链长 度为c 7 c 4 0 ，直链酸和支链酸分别占9 5 和6 0 左右，其中羟基酸占酸总量 的2 8 左右。 羊毛脂为淡黄色或棕黄色软膏状物，有粘性而滑腻；臭味奇特。羊毛脂的熔 点为3 8 4 2 ，它是熔点最低的固体蜡【2 4 1 ，几乎不溶于水，但能与2 倍重量的 水混合而不分层，易溶于醚、苯、氯仿、丙酮、石油醚和热乙醇，难溶于冷乙醇 【2 5 1 。纯羊毛脂具有很强的抗化学作用和微生物作用，不易酸败变质，对生物体 有很好的渗透性，可渗入皮肤作为天然营养剂【2 6 1 。 羊毛脂的组成如表1 1 、表1 2 【2 5 】所示： 表1 1 羊毛脂的组成 浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 表1 2 羊毛脂脂肪酸与脂肪醇的组成 羊毛脂酸羊毛脂醇 含量含重 组成碳数组成碳数 ( )( ) 非羟基脂肪酸脂肪族单醇 正酸类c 日c j g 1 2 1 正醇类 c 1 c j 9 1 6 异酸类 c b c o 2 2 1异醇类 c 1 4 c 3 6 6 5 反舁酸类c 7 c 1 26 3 反异醇类c 1 7 c 3 j 9 0 口羟基脂肪酸脂肪族1 。2 二醇 正酸类c l o c 3 221 8 正醇类c 1 2 c 2 j 口4 异酸类c 1 2 c 3 4 5 异醇类c 1 c 3 0 5 9 反舁酸类c 1 1 c 3 j0 8反畀醇类c l j c 】-2 4 羟基脂肪酸c 2 7 甾醇类 正酸类 c 力c j 6 3 0胆固醇3 8 0 异酸类c 幻c j 6 0 g 二氢胆固醇痕量 反舁酸类 c 2 3 c 3 j 1 3 3 。5 二烯胆甾 7 硒同3 6 不饱和脂肪酸 4 5 c 3 0 三甲基胆甾醇 2 1 羊毛甾醇 1 4 8 多羟基脂肪酸 二氢羊毛甾醇 l 凸3 3 羟基宕羊毛甾烷7 酮 1 6 烷烃和不确定物 5 9 1 2 2 羊毛脂及其衍生物的应用 羊毛脂是历史悠久的天然油脂原料，早在古希腊时期人们就已经认识到了 羊毛脂的有用性，但由于其组成复杂、精制困难，又是毛纺行业的副产物，因 此作为工业原料不确定。据统计，全世界原毛年产量约2 5 0 万吨，其中羊毛脂约 2 5 万吨，但目前的利用率只有1 0 左右，而我国是产羊毛大国，每年洗毛约1 8 万吨，可回收的羊毛脂1 8 万余吨【2 。7 】为羊毛脂的深加工提供了丰富的原料保 障。由于羊毛脂的很多组成是难降解的物质，又因其使用价值较高，将其直接排 放，不仅浪费资源，同时污染环境。在回归大自然的趋势下，国内外对于羊毛脂 9 浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 及其衍生物的研究开发也越来越受到重视。 羊毛脂与普通动植物油脂不同，它有许多特性，如水合性大、成膜性好，在 温度较低时也不结副2 7 】，有很好的渗透性，可渗入皮肤，故可用作纯天然的化 妆品原料。羊毛脂不溶于水，但能吸收2 倍重量的水，对皮肤有良好的滋润作用， 又由于其具有带有支链的脂肪酸和支链醇的酯，而人的皮脂内也含分支脂肪酸 和奇数碳原子的脂肪酸，当涂抹于皮肤时，表面油膜呈多孔性，水蒸气可以顺 利通过皮肤而不妨碍皮肤正常的生理活动，故非常适宜作化妆品原料。在化妆品 中主要用作润湿剂、分散剂、乳化剂以及洗涤剂等【2 引。羊毛脂经提炼后还可得 到用于汽车底盘涂层的高酸脂肪。还可作为一种气相色谱弱极性固定液，用于非 极性化合物的分析。 羊毛脂裂解成羊毛酸和羊毛醇两部分；将羊毛酸或羊毛酸盐精制后即可用于 高级防锈油和润滑齐l j 等；将羊毛酸酯化变成羊毛酸异丙酯，其主要用于皮革助剂， 化妆品营养剂等；将羊毛酸聚氧乙烯化，生成羊毛酸聚氧乙烯醚，主要用作化妆 品等乳化剂；将羊毛醇精制用于高级化妆品、护肤剂添加剂等；将羊毛醇醚化生 成羊毛醇聚氧乙( 丙) 烯醚，主要用作纺织助剂等；提取、结晶羊毛醇可以得到 胆甾醇和羊毛甾醇，用作结晶材料、饲料添加剂、人造牛黄、维生素d 3 原料等【2 9 】。 羊毛脂衍生物在工业应用上主要用作抗静电剂、聚氯乙烯稳定剂、软化剂、金属 防护剂等助剂：在皮革中用作加脂剂：在墨水中用作润滑剂、增塑剂和填充剂： 在印刷业中用于增强抗磨性及提升性，在肥皂业中用作富脂剂等。另外，羊毛脂 及其衍生物也可用为纺织业中的柔软剂、匀染剂等【3 0 1 。 1 3 从羊毛脂中提取胆固醇的方法 1 3 1 从羊毛脂中提取胆固醇的预处理 在羊毛脂中胆固醇除了极少量以游离形式存在外，绝大部分是和羊毛酸结合 以酯的形式存在，与羊毛醇和羊毛酸形成的酯性质极为相近，不易分离。因此胆 固醇的提取需要分两个阶段，第一阶段必须先让胆固醇游离出来，通常有两种做 法：第二阶段是将游离出来的胆固醇从皂化物或转酯化物中提取出来。接下来重 1 0 浙江人学硕十学位论文( 2 0 0 7 ) 点介绍从羊毛脂中游离出胆固醇的方法 1 3 1 1 生物方法直接提取胆固醇 生物方法即通过微生物作用从羊毛脂中提取胆固醇。y a m a u c l l i 掣3 l 】用大豆 或稻草酶在p h 值6 5 的环境中对羊毛脂进行摇瓶培养，7 2h 以后用乙酸乙酯或 苯作溶剂萃取出胆固醇；或用煤油溶解羊毛脂作为碳源，介质p h 值为6 5 8 5 的条件下，对绿脓杆菌或假单细胞菌进行有氧培养，也能分离出胆固醇【3 2 1 。该 类方法需严格的生物化学环境及相应的生化设备，收率低，且不易于工业化。因 此本研究采用化学法提取胆固醇。 1 3 1 2 皂化法 羊毛脂中最主要的成分是羊毛醇和高级脂肪酸所形成的酯，通过皂化可得到 游离的醇和皂，胆固醇也游离出来【3 3 。4 1 。同油脂不同的是，羊毛脂性质比较稳定， 具有抗水性。它在酸性溶液中极难水解，在碱性介质中可进行水解和皂化。其皂 化通式与一般油脂类似： r c o o r + n 口o h r c o o n a + r o h 式中r 为羊毛酸长碳链，r 羊毛醇长碳链 其皂化过程同样分为诱导期、加速期和完成期三个阶段。但是，由于羊毛脂 的酸及醇的碳链均很长，其皂化产物皂和醇在羊毛脂中的溶解度较大，且对羊毛 脂有一定的乳化作用，使得皂化很难彻底完成，这使得羊毛脂的皂化比普通油脂 困难得多。 根据皂化催化剂和溶解溶剂的不同，可将皂化分为四类： 1 ) 用二价金属( 氢) 氧化物皂化 该路线吲用二价金属氧化物或氢氧化物的浓缩水悬浊液在高温高压下皂化 羊毛脂，所得到的皂化产物用低级醇或酮可直接萃取，将羊毛醇和羊毛酸皂分离 开来。 1 l 浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 此类皂化方法的优点在于，可将皂化物直接分离得到二价金属皂，其中的 ( 氢) 氧化钙成本很低，在一定的条件下也可得到较高的收率。但是，由于钙和 镁的( 氢) 氧化物在水中的溶解度很小，必须用较苛刻的条件，在较高的温度( 一 般在1 0 0 以上) 和较高的压力( 3 5 个大气压) 下进行反应，这样就增大了 操作成本和设备投资。 2 ) 直接在碱水溶液中皂化 该路线【3 6 1 采用氢氧化钠或氢氧化钾的( 浓缩) 水溶液皂化羊毛脂，皂化产 物可先盐析再用低级醇、酮或酯萃取分离，也可用氯化钙先将羊毛酸钠皂或钾皂 转化为钙皂后萃取分离。 羊毛脂直接在碱水溶液中皂化，生产的羊毛酸盐为表面活性剂，可使羊毛脂 乳化，碱液不易与羊毛脂直接接触，尽管在较高的温度( 9 0 1 0 0 ) 下反应较 长的时间( 5 8h ) ，其皂化效果仍然不太理想。这种方法的皂化率一般低于9 0 ，因此相应的醇和皂的收率也比较低。在皂化分离方面，将钠、钾盐转化为钙 盐效果较好。 3 ) 在碱醇溶液中的皂化 该路线3 7 1 采用氢氧化钠( 或钾) 在低级醇( 通常为甲醇和乙醇) 中对羊毛 脂进行皂化，再用苯或石油醚等有机溶剂对皂化物进行萃取分离。 由于氢氧化钠( 或钾) 在低级醇中也有较高的溶解度，而羊毛脂也能溶解于 热的低级醇，这样皂化就可以在均相体系中进行，提高了皂化速度和皂化率。但 增加了溶剂用量、成本增加，而且在萃取分离过程中，乳化现象较严重，不易分 层。 4 ) 碱水溶液中加入助剂皂化 该路线【3 8 1 采用在碱水溶液中加入助剂来促使羊毛脂的皂化，然后用卤代烃 或石油醚对皂化物实现萃取分离。 与直接在碱水溶液中皂化相比，所加入的助剂对羊毛脂有一定的溶解，可 以缩短皂化反应的诱导期，从而加快皂化反应；所加入的助剂对羊毛酸钠盐或钾 盐有一定的溶解度，有利于皂膜破裂，促使皂化反应完全；所加入的助剂还能降 1 2 浙江人学硕 ：学位论文( 2 0 0 7 ) 低反应物粘度，有利于分子间的碰撞，从而加快反应的进行。因而，该路线的皂 化效果较好、成本也较低。但直接对羊毛酸钠盐或钾盐和羊毛醇的混合物进行萃 取分离，容易乳化，分离效果欠佳。 1 3 1 3 转酯化法 转酯化是用低级醇在碱性催化剂的作用下将羊毛酸和羊毛醇形成的酯变成 羊毛酸低级醇酯，使得羊毛醇( 胆固醇) 游离出来。羊毛脂经转酯化后，长的碳 链被打断，物料的粘度和沸点等都大大下降，便于后续提取胆固醇的操作。转酯 化的一般通式为： r 微+ 吗伽寸尺c d d 吗+ r 伽 ( 1 - 2 ) 式中r 为羊毛酸长碳链，r 、羊毛醇长碳链 转酯化也叫做醇解，可使用的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇以及戊醇，甲 醇由于其低廉的价格和物理化学优点，应用最为广泛。 1 3 2 胆固醇的提取 作为原料的羊毛脂成分复杂，除了含有胆固醇外，还含有较多二氢胆固醇、 羊毛甾醇、羊毛甾三烯醇及二氢羊毛甾醇等与胆固醇性质相近的物质，因此将游 离出来的胆固醇与其它成分分离较为困难，这方面的报导也较多。国内外对于羊 毛脂中胆固醇提取的相关研究大致可分为以下六类方法：溶剂选择结晶法【3 9 ，4 0 】， 柱层析、法【4 1 ，4 2 1 ，溴化法【4 3 1 ，络合法【4 4 4 6 1 ，溶剂萃取法，分子蒸馏法【4 7 1 。但由于本 文对胆固醇的提取不做研究，因此不一一详细介绍。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 1 4 课题研究的意义及国内外现状 1 4 1 国内外研究与生产现状 在国外，从二十世纪四、五十年代就已经开始羊毛脂及其相关产品的研究 工作。这些研究工作广泛涉及羊毛脂皂化、皂化产物分离、羊毛醇的分离与精制、 羊毛酸皂的分离及羊毛酸的回收、羊毛醇中胆固醇及异胆固醇、脂肪醇的提取等 方面的不同工艺，还包括了对前述各种物质进行分析测定的大量研究成果。迄今 为止，国外研制出的羊毛脂及其相关产品达1 0 0 多种，其中有1 0 余种已大规 模生产。 美国a m e r c h o l 公司、r i t a 公司、f 猢i n g 公司等几家专门生产羊毛脂 衍生物，如羊毛脂季铵盐、羊毛甾醇、羊毛脂酸等【4 8 】，p a r c h e m 公司的主要产 品则有羊毛脂、羊毛脂醇、羊毛脂酸及其衍生物【4 9 1 。 日本有吉川制油公司、高砂香料公司、新日本理化公司、第一克洛达( c r o d a ) 公司等。其中吉川制油公司从1 9 6 8 年起开始致力于羊毛脂及其相关产品的开发 研究，是最大的羊毛脂及相关产品的生产厂家，液态羊毛脂为该公司独有，其余 产品还有羊毛脂醇、羊毛脂酸以及胆甾醇。高砂香料公司是以医药用品和化妆品 等级产品为主的公司，新日本理化公司只生产还原羊毛脂，而第一克洛达公司承 担了羊毛脂的精制与销售【5 0 】。 在意大利也有类似的公司进行羊毛脂的研究与生产，而在澳大利亚这个产毛 大国，有庞大的洗毛公司，并有先进的精制羊毛脂厂家提供优质的羊毛脂原料。 印度，r o l e x 羊毛脂有限公司在羊毛脂衍生物的生产方面也享有很高的声 望，该公司成立于1 9 6 7 年，其产品通过i s 0 9 0 0 2 质量认证，主要产品有无水 羊毛脂、无水精制羊毛脂、含水羊毛脂、工业用羊毛脂、超纯医用羊毛脂和羊毛 脂酸等，这些产品应用于化妆品、医药、纺织、机械润滑等多个行业中。 新加坡的n k 化学私人有限公司虽然于1 9 9 4 年才成立，但现在每年处理 羊毛脂有约1 万吨，其产品也通过了i s 0 9 0 0 2 认证，在羊毛脂及相关产品领 域拥有先进和能同步生产的生产流水线，该公司的整个生产线都是由自动化控制 的，具有高科技水平，无论从投资还是从占地规模来讲都是很庞大的。其主要产 品是各种等级的羊毛脂、羊毛脂醇、羊毛脂酸、胆甾醇以及羊毛脂的其他衍生物， 1 4 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 主要应用于化妆品、医药等行业。 新西兰贸易有限公司成立于1 9 6 2 年，该公司主要产品有羊毛脂、羊毛脂醇、 羊毛脂酸及它们的衍生物。该公司的产品销往全球各地，该公司的设备和工艺流 程都非常先进，生产规模很大。 现在各国越来越重视对羊毛脂衍生物的综合利用，研究向着环保型生产、低 成本、高纯度产品方向发展，对产品的检测技术也日趋先进和自动化。对于羊毛 脂中胆甾醇的提取，还出现了对羊毛脂醇采用分子蒸馏或先从羊毛脂中分离出胆 甾醇酯等新型分离方法。 在国内，我国的羊毛脂资源非常丰富，但对羊毛脂的研究工作还处于起步阶 段，对于羊毛脂的加工技术以及羊毛脂衍生物的品种开发也很有限，有很多工作 有待开展和深入。同时高档化妆品所需的羊毛脂衍生物需通过进口来解决。除此 之外，国外化妆品厂家低价进口我国生产的羊毛脂，再向我国大量输出高档化妆 品，即利用我们廉价的资源生产高附加值的化妆品，回头再大量赚取外汇。由此 看来，羊毛脂出口也并非最佳利用羊毛脂的途径。 我国对于其它羊毛脂相关产品的研究则已有了一定成果：对于羊毛脂的精 制，除了四元精制剂法之外5 1 1 ，还出现了用无机陶瓷膜进行过滤精制的新型方 法；乙酰化羊毛脂的研制技术已日趋成熟，通过实验手段，找到了乙酰化羊毛脂 合成的最佳工艺条件，且产品羟基值的转化率以及产率都较高，产品质量达到国 内外同类产品的各项质量标准【5 2 】；对于聚氧乙烯羊毛脂衍生物的研究，采用气 液接触反应，建成了年产2 5 0 t 系列产品的中试装置【5 3 】；制取羊毛脂醇，采用了 催化加氢的办法，用一步法代替了传统的五步法，此法催化剂的用量减少，副产 物少【5 4 1 。此外还有年产l o o t 羊毛脂衍生物l a d 0 1 【5 5 1 中试装置以及在工业 中的应用研究。但对于羊毛脂的皂化及其胆甾醇的提取，国内研究较少，尤其是 胆甾醇的提取工艺，还没有实现工业化生产的报道。因此，我国的研究水平与国 际上相比，还有很大的差距，大力发展对羊毛脂及相关产品的研究和开发势在必 行。 浙江大学硕上学位论文( 2 0 0 7 ) 1 4 2 课题意义 国内目前为止对羊毛脂的开发研究多集中在羊毛脂的回收、精制方面，而关 于羊毛脂中提取和精制胆甾醇的研究极少，对于羊毛脂的其它深加工技术研发也 远远不够。随着对工业生产的环保性要求日益提高，寻求成本较低、操作简便、 收率高、质量好、可综合利用副产品、具有良好经济效益及环保的工艺路线，已 成为研究工作的重点。在我国粗羊毛脂资源非常丰富，但其价格低廉，只有1 万 元吨左右，而胆甾醇价格可达3 5 万元吨左右。因此从羊毛脂中提取胆固醇的 研究具有较大的经济价值和应用前景。因此，深入研究从粗羊毛脂中提取胆甾醇 的工艺过程具有较大的现实意义。 该课题的研究也是环保和能源综合利用的需要。目前，世界上羊毛脂的利用 率只有1 0 左右，我国利用率更低，除一小部分精制后作为药用或用于化妆品工 业外，大部分羊毛脂或以低廉的价格被国外公司收购，或以洗毛污水排放，这不 仅是资源的巨大浪费，也对环境造成严重污染。长期以来高达6 0 万c o d ( 化学 耗氧量) 的洗毛污水既是我国纺织工业产生的巨大污染源，同时也是分离提取羊 毛脂的丰富资源。研究不仅在于解决了洗毛厂的污染问题，而且最重要的是对我 国环保产业的借鉴以及出口动物产品结构调整将产生积极的影响。 迄今为止，国外关于羊毛脂及其衍生物的研究与开发日趋完善，而我国对 于羊毛脂的研究起步较晚，且对羊毛脂的加工技术以及羊毛脂衍生物的品种开 发也有限。目前我国除工业和药用羊毛脂外，还不能为高档化妆品提供所需的羊 毛脂衍生物，需通过进口来解决。进一步开发羊毛脂具有重要意义。 1 5 研究内容的选择 从羊毛脂中提取胆固醇是一个非常复杂的工艺过程，步骤繁杂，涉及的提取 方法有多种多样。在羊毛脂中胆固醇除了极少量以游离形式存在外，绝大部分是 和羊毛酸结合以酯的形式存在，与羊毛醇和羊毛酸形成的酯性质