1 前言

磷脂是一类存在于生物界的含磷脂类^[1]，其中植物磷脂主要存在于油料种子中，并与蛋白质、糖类、脂肪酸、菌醇、维生素等物质以结合状态存在，是一类重要的油脂伴随物^[2]。目前，以油料作物、藻类为原料制备航空燃油技术备受关注，该技术包括水解、脱氧和重整等多步工艺^[3~5]。原料油脂中除了甘油三酯，还有磷脂和糖脂等^[6]。甘油酯(磷脂)水解后水油分离，上层的游离脂肪酸可用于脱氧反应，下层水相中的磷酸可直接除去，避免了磷脂、磷酸在脱氧和重整反应中引起催化剂中毒失活^[7]。甘油三酯在高温液态水中的水解反应已有较多的研究，陈良等^[8]系统研究了高温液态水中大豆油的水解动力学，并采用二级自催化反应动力学模型对数据进行了拟合，得到大豆油在高温液态水中水解反应的活化能。孙辉等^[9]系统研究了碘值对油脂水解的影响。磷脂在高温液态水中的水解尚未见报道，因此须单独研究磷脂的水解动力学。高温液态水中生物质水解反应工艺简单，对环境友好^{[10, 11]}。因此，本文以高温液态水为反应介质，以磷脂中的主要成分卵磷脂作为模型物质，系统地研究其在高温液态水中的水解反应动力学，并对其水解机理进行探究。

2 实验部分 2.1 试剂与仪器

卵磷脂( ≥ 98%，PC)、磷酸( ≥ 85%(wt)水溶液)购自阿拉丁试剂(中国)公司；甘油( ≥ 99.5%)购自于美国Sigma-Aldrich 公司；硫酸( ≥ 98%)、无水甲醇( > 99.5%)购于国药集团化学试剂有限公司；甘油磷酸胆碱(99%，GPC)、胆碱(45%(wt)水溶液)购于百灵威科技有限公司。

反应釜由釜体、锥堵和压帽三部分组成，反应釜容积为12 mL、内径为10 mm、设计压力为22 MPa、设计温度为320℃，反应釜和加热炉购于大连科贸实验设备有限公司。

2.2 实验方法

称取一定量的卵磷脂加入12 mL反应釜中，然后加入6 mL去离子水，密封后放入已达到设定温度加热炉中。根据预先测试的升温曲线，升温时间为20 min，因此，本文实验数据均是在20 min后开始计时，达到预设反应时间后，将反应釜放入冷水中冷却以终止反应。反应釜冷却至室温后，将其中所有物质洗至容量瓶中，用无水甲醇定容至25 mL，经过0.45 μm的微孔滤膜过滤后用HPLC分析。本文所有实验点都是两次实验的平均值，并标出了误差棒。

2.3 分析方法

采用安捷伦科技有限公司的高效液相色谱仪(Agilent 1100) 分析。原料卵磷脂的色谱分析条件为^[12]：色谱柱为Luna 5u Silica(2) 100A(250 mm×4.6 mm)，流动相为乙腈:甲醇:水 = 65:25:10(v/v)，进样量为5 μL，流量1 mL⋅min^-1，柱温35℃，紫外检测器，检测波长212 nm。

产物甘油的色谱分析条件：色谱柱为Hi-Plex配体交换柱(安捷伦科技有限公司)，流动相为4×10^-3 mol·L^-1硫酸，流量为0.4 mL·min^-1，进样量为10 μL，柱温为75℃，检测器采用示差折光检测器，检测器温度35℃。

本文中卵磷脂水解转化率(X)、甘油收率(Y)和甘油选择性(S)定义如下：

$X=\frac{({{c}_{\text{a0}}}-{{c}_{\text{a}}})}{{{c}_{\text{a0}}}}\times 100\text{ }\!\!%\!\!\text{ }$

(1)

$Y=\frac{{{c}_{\text{s}}}}{{{c}_{\text{a0}}}}\times 100\text{ }\!\!%\!\!\text{ }$

(2)

$S=\frac{{{c}_{\text{s}}}}{({{c}_{\text{a0}}}-{{c}_{\text{a}}})}\times 100\text{ }\!\!%\!\!\text{ }$

(3)

式中：为卵磷脂的初始浓度，mol⋅L^-1；为反应后卵磷脂浓度，mol⋅L^-1；为反应后甘油浓度，mol⋅L^-1。

3 结果与讨论 3.1 初始浓度对卵磷脂水解反应的影响

在反应温度160℃、反应时间2 h下，考察了卵磷脂的初始浓度对卵磷脂水解转化率的影响，如图 1所示。从图 1可见，当加入反应釜内卵磷脂的初始浓度在0.01~0.06 mol·L^-1时，初始浓度对卵磷脂水解反应转化率基本没有影响。从卵磷脂的结构上看，甘油酰基Sn-3位上的磷酸胆碱是亲水基，因而卵磷脂比甘油三酯具有更好的亲水性，在高温液态水中有更高的溶解度，因而实验没定的初始浓度范围内，卵磷脂的初始浓度对其水解反应基本没有影响。为了甘油定量分析需要，本文以下实验采用卵磷脂的初始浓度为0.044 mol·L^-1。

3.2 温度和时间对卵磷脂水解反应的影响

在卵磷脂的初始浓度为0.044 mol·L^-1下，测定了不同反应温度(160、170、180和190℃)和反应时间(0.5、1、2、3、4 h)对卵磷脂转化率和甘油收率的影响，结果如图 2和3所示，计算的甘油选择性如图 4所示。从图 2~4可见，随着反应温度提高，卵磷脂转化速率显著加快，但甘油收率明显低于卵磷脂的转化率，说明反应过程存在中间产物。160、170、180、190℃下卵磷脂水解达到90% 转化率需要的反应时间分别约为3、2、1、0.5 h。

3.3 卵磷脂水解机理

反应温度为190℃ 时，比较了卵磷脂、大豆油(甘油酯)^[8]水解率数据。结果如图 5。从图 5可见，卵磷脂水解转化速率明显大于甘油酯，说明卵磷脂甘油酰基的Sn-3位侧链比Sn-1位、Sn-2位酯键更易水解断裂。图 6比较了卵磷脂、甘油磷酸胆碱(GPC)水解生成甘油收率，图 6表明卵磷脂与甘油磷酸胆碱的甘油生成速率接近，说明不可能是甘油磷酸键先水解，即卵磷脂水解第一步生成磷脂酸(1，2-二脂酰基-Sn-甘油-3-磷酸)、胆碱。第二步磷脂酸的酯键逐渐水解，最终生成甘油、游离脂肪酸、磷酸。

高温液态水自身具备酸碱催化能力，可电离出H⁺，卵磷脂的酯键均属于羧酸、磷酸与伯醇、仲醇形成的酯键，其在酸催化下的水解为酸性双分子酰氧断裂(A_ac2) 机理^[13]。卵磷脂甘油酰基Sn-3位上的季铵盐侧链基团带正电荷，具有强吸电子效应，可增强磷原子的正电性，有利于水分子进攻形成中间过渡态的磷正离子，因此磷酸胆碱键更易水解断裂。

根据以上结果，提出了高温液态水中卵磷脂的水解机理，如图 7所示。卵磷脂水解分为两步进行，第一步水解生成磷脂酸、胆碱，第二步中间产物磷脂酸进一步水解生成脂肪酸、甘油、磷酸。同时，胆碱与磷酸在水相中发生酸碱成盐反应。

3.4 卵磷脂水解动力学

假设卵磷脂在高温液态水中的水解反应为一级连串反应，并且水的浓度视为恒定不变，反应模型可表示为：

$卵磷脂\overset{{{k}_{1}}}{\mathop{\to }}\,磷脂酸\overset{{{k}_{2}}}{\mathop{\to }}\,甘油$

则卵磷脂水解速率(r₁)方程可表示为：

${{r}_{1}}={{k}_{1}}{{c}_{\text{a}}}$

甘油生成速率(r₂)可表示为：

${{r}_{2}}={{k}_{2}}{{c}_{\text{p}}}$

式中：r₁——卵磷脂水解速率；k₁——卵磷脂水解速率常数；r₂——甘油生成速率；k₂——磷脂酸水解速率常数；c_p——磷脂酸浓度，mol·L^-1。

在反应体系中，卵磷脂水解速率方程、磷脂酸净生成、甘油生成速率方程的微分式分别为：

$\frac{d{{c}_{\text{a}}}}{dt}=-{{k}_{1}}{{c}_{\text{a}}}$

(4)

$\frac{d{{c}_{\text{p}}}}{dt}={{k}_{1}}{{c}_{\text{a}}}-{{k}_{2}}{{c}_{\text{p}}}$

(5)

$\frac{d{{c}_{\text{s}}}}{dt}={{k}_{2}}{{c}_{\text{p}}}$

(6)

${{c}_{\text{a}}}={{c}_{\text{a0}}}{{e}^{-{{k}_{1}}t}}$

(7)

积分上式可得：

${{c}_{\text{p}}}=\frac{{{k}_{1}}}{{{k}_{1}}-{{k}_{2}}}{{c}_{\text{a0}}}({{e}^{-{{k}_{2}}t}}-{{e}^{-{{k}_{1}}t}})$

(7)

${{c}_{\text{s}}}={{c}_{\text{a0}}}\left( 1+\frac{{{k}_{2}}}{{{k}_{1}}-{{k}_{2}}}{{e}^{-{{k}_{1}}t}}-\frac{{{k}_{1}}}{{{k}_{1}}-{{k}_{2}}}{{e}^{-k_{2}^{{}}t}} \right)$

(9)

故卵磷脂的转化率()可表示为：

$X=1-{{e}^{-{{k}_{1}}t}}$

(10)

甘油的产率()可表示为：

$Y=1+\frac{{{k}_{2}}}{{{k}_{1}}-{{k}_{2}}}{{e}^{-{{k}_{1}}t}}-\frac{{{k}_{1}}}{{{k}_{1}}-{{k}_{2}}}{{e}^{-{{k}_{2}}t}}$

(11)

根据动力学模型(10) ，利用Origin软件拟合不同时间和温度下的卵磷脂水解转化率数据，可求出。根据动力学模型(11) ，基于MATLAB非线性数据拟合函数lsqcurvefit，可进一步求出，结果如表 1所示，从结果可见第一步的反应速率远大于第二步。

对于一般的化学反应，其速率与温度之间的关系遵循Arrhenius方程：

$k={{A}_{0}}{{e}^{-{{E}_{\text{a}}}/RT}}$

(12)

即

$\ln k=\ln {{A}_{0}}-{{E}_{\text{a}}}/RT$

(13)

式中：${{A}_{0}}$— 指前因子，min^-1；— 表观活化能，kJ·mol^-1；R — 气体常数，取8.314J·(mol·K)^-1；T — 温度，K。

由此可知与1/T为线性关系，用Arrhenius方程关联表 1中的数据，如图 8所示，所得直线的斜率即为、。 图 8可知= 68.3 kJ·mol^-1，= 131.4 kJ·mol^-1。

图 2~4中标出了拟合结果，从图可见，拟合良好。

4 结论

本文研究了不同条件对卵磷脂水解的影响，探究了高温液态水中卵磷脂的水解机理，给出卵磷脂水解的动力学数据，并得到以下结论：

(1) 高温液态水中卵磷脂的水解反应分两步进行，第一步水解生成磷脂酸、胆碱，第二步磷脂酸水解为脂肪酸、甘油、磷酸。同时，磷酸、胆碱在水中发生酸碱成盐反应。

(2) 采用一级连串反应动力学方程，得到卵磷脂水解的表观活化能为68.3 kJ·mol^-1，磷脂酸水解生成甘油的表观活化能为131.4 kJ·mol^-1。