1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
{title}文 献 综 述1.异山梨醇酯生物基增塑剂的应用概况[12]1.1.异山梨醇简介异山梨醇是山梨醇的二次脱水产物，是一种白色、结晶、高亲水性固体。
异山梨醇是由二醇和含氧杂环组成的双环化合物，其中含有两个稠合的呋喃环。
该醇具有两个空间上不同的羟基，导致不同的化学反应性。
5-内羟基通常表现出比2-外羟基更具有亲核性并且更具反应性。
这种反应特性的增加归因于5位羟基与相邻呋喃环上的氧原子形成氢键的能力[1,2]。
由于该分子具有特殊结构四氢呋喃环上分别有内外两面的羟基，因此它对空间要求较高的反应物的攻击更加屏蔽[3]。
由于它是刚性分子，并且具有手性和无毒的特征，作为一种新型的生物基材料被广泛应用各个领域。
图1山梨醇脱水生成异山梨醇的过程异山梨醇是1,4:3,6-二脱水己糖醇的立体异构体，并且由于其易得且作用于的聚合物合成，它是用于解决环境问题的可再生单体中最受关注的。
其独特的分子结构和手性提高了所得聚合物的玻璃化转变温度和透明度。
且异山梨醇酯显示出非常高的热阻和高机械性能。
通过动物实验进行比较，实验对象为大鼠，异山梨醇的经口半数致死剂量为25.8gkg，与D-葡萄糖的经口半数致死剂量一样，同样无毒，美国食品和药物管理局FDA将其分类为GRAS（通常被认为是安全的）[4]。
异山梨醇的性质: (1)特殊的双环结构将有助于提高增塑剂的刚性并进一步增强其机械性能；(2)异山梨醇是具有良好生物相容性的天然小分子药物。
它对增塑剂的生物相容性产生无不利影响[5]。
图2异山梨醇的分子结构1.2异山梨醇的合成合成异山梨醇的原料是D-山梨糖醇，其通过D-葡萄糖的催化氢化获得，D-葡萄糖又通过淀粉水解产生。
异山梨醇被认为是可以获得各种功能的可生物降解衍生物的基于植物的平台化学品。
葡萄糖的氢化产生山梨糖醇，D-山梨醇通过酸催化脱水得到单环呋喃型脱水山梨糖醇[1],继而通过进一步脱水形成双环呋喃衍生物异山梨醇[2]。
图3合成异山梨醇的反应流程图1.3异山梨醇的应用用浓硫酸或盐酸加热山梨醇时，两个分子的水被消除而形成异山梨醇。
到目前为止，这些化合物一般也称作二脱水己糖醇(除异山梨醇外，还包括异构体异甘露糖醇和异艾杜糖醇)[6]。
目前，异山梨醇作为生物聚合物聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯和环氧化物的单体结构单元具有很大的科学和技术意义[6]。
异山梨醇由于其显著的吸湿性，被用作保湿剂，在医药领域被用作渗透利尿剂(用于治疗脑积水)和急性闭角型青光眼。
两个仲羟基使异山梨醇成为可再生资源获得的多功能平台化学品。
作为二醇，异山梨醇可以使用有机化学的标准方法如硝化、酯化、醚化、甲苯磺酰化等进行单或双离子化，转化为令人感兴趣的化合物或新型聚合物的单体单元[1]。
1.4异山梨醇酯的应用异山梨醇酯通过异山梨醇与脂肪酸的酯化作用使得可以获得异山梨醇单酯，由于其作为表面活性剂的性质，可用作家用清洁剂，洗碗洗涤剂和化妆品制剂中的清洁剂。
洗涤剂可以是固体，液体或凝胶状的。
它们可以含有水，也可以掺入无水组合物中。
异山梨醇单酯可以与其他表面活性剂一起配制，如阴离子、非离子、两性或阳离子表面活性剂[6]。
图4异山梨醇的反应杜永刚，史宫会[37]等人合成二丁酸异山梨酯（SDB）与二丁烯酸异山梨酯（SDBE）。
并试验表明：SDB、SDBE与PVC基体均具有相容性，SDB增塑效果优于SDBE。
当增塑剂用量为10 g时，SDB增塑PVC的冲击强度较DBP增塑PVC提高了38%；增塑PVC的熔体流动性较好。
杨勇[38]以来源于可再生资源的异山梨醇为原料，设计和合成了四种具有不同烷基链长度的异山梨醇酯类增塑剂，即二丁酸异山梨醇酯(SDB)、二己酸异山梨醇酯(SDH)、二辛酸异山梨醇酯(SDO)和二癸酸异山梨醇酯(SDD)。
系统地研究了异山梨醇酯类增塑剂两侧烷基链长度的对称变化对PVC增塑性能的影响。
结果发现，随着两侧烷基链长度的变短，异山梨醇酯类增塑剂的增塑效率逐渐提高(SDD < sdb),具体表现为增塑pvc的玻璃化转变温度和弹性模量均逐渐降低。
然而，随着异山梨醇酯类增塑剂两侧烷基链长度的变短，对应增塑pvc的热稳定性和耐挥发性都随之变差。
="" 1.5二丁酸异山梨醇酯（sdb)的制备方法="" 1.5.1化学法合成[7]="" 在浸入冰水浴的圆底三口烧瓶中加入11.8="" g="" (0.08="" mol)异山梨醇，以100="" ml二氯甲烷作为溶剂，加入33.3="" ml="" (0.24="" mol)的三乙胺作为缚酸剂。
在圆底三口烧瓶中通入n2作为保护气，用恒压滴液漏斗将16.9="" ml="" (0.16="" mol)正丁酰氯缓慢滴加到圆底三口烧瓶中。
用磁力搅拌器搅拌2="" h后，将冰水浴移除。
在常温下继续反应2h。
此后，将反应温度升至45c并回流0.5h。
待反应结束后，过滤掉反应中生成的白色固体铵盐。
将所得滤液用饱和食盐水反复洗涤五次，最后分液并用旋转蒸发仪除去二氯甲烷而得到最终产物sdb,其合成路线见图5。
="" 图5="" 异山梨醇酯类增塑剂的合成路线图（r="C3H7,C5H11,C7H15,C9H19)" 1.5.2酶法合成="" 主要是通过酶催化酯化反应或者转酯反应，得到目标产物。
="" ①取酸和固定化酶一定比例放于圆底烧瓶，加热，流加醇，机械搅拌，每小时取样，用气相色谱仪监测反应[7-8]。
="" ②酯交换反应：酯的基团r被醇的基团r取代的过程，通常使用酸碱或酶进行催化。
="" 表1="" 一般情况下化学法与酶法催化工艺的比较="" 方法="" 原料要求="" 设备要求="" 废水量="" 能耗="" 催化剂成本="" 催化剂稳定性="" 碱法="" 低酸值="" 耐腐蚀，成本较高="" 高="" 高="" 低="" 高="" 酸法="" 不同酸值，低含水量="" 耐腐蚀，成本较高="" 高="" 高="" 低="" 高="" 酶法="" 不同酸值，低含水量="" 常规，成本低="" 低="" 低="" 高="" 低="" 生物基单体和酶催化剂是来源于生物质原料的可再生材料，酶促聚合清洁和节能过程，没有有毒残留物污染最终产品。
因此，通过生物基单体的酶促聚合合成可再生聚合物提供了一个实现绿色聚合物和未来可持续聚合物行业的机会最终为实现和维持一个生物和可持续社会发挥重要作用。
="" 酶法优点:="" (1)加工过程中的环境影响小;(2)产品的安全性高。
="" 由于化学法催化反应法存在温度高，耗能大，产生的废水多，产品纯度不高等缺点。
而使用固定化脂防酶催化酯化反应具有反应条件温和，选择性高，能耗低，副产物少等优点[9,10]。
酶催化作为绿色平台技术已被应用于制备精细化学品、食品和药物，在能源、材料、环境领域也得到广泛应用[11]。
近几年多酶生物催化开始逐渐取代单酶和细胞发酵，在生物转化、生物传感器、生物医学工程等领域正得到快速发展。
="" 图5="" 酶法合成异山梨醇酯反应图="" 2.脂肪酶催化酯合成研究进展="" 2.1="" 脂肪酶的简介="" 脂肪酶是目前市场上最重要的工业酶制剂之一，在不同的体系条件下分别可以催化酯分解、酯交换、酯的合成等反应。
己经被广泛用于食品、油脂、医药等行业。
特别是脂肪酶用于合成高级脂肪酸酯类化合物也就是生物柴油己经得到了广泛研究，并且在部分地区实现了工业化生产。
="" 2.2="" 脂肪酶催化酯合成过程的优化研究进展="" 2.2.1脂肪酶的种类="" (1)南极假丝酵母(candida="" antartica)型脂肪酶="" 在脂肪酸甲酯合成的研究中，应用最广泛的脂肪酶品种为南极假丝酵母(candida.antarctica)生产的脂肪酶b(calb),该酶可高效催化酯化反应和转酯化反应，并且具有良好的热稳定性。
在此基础上，丹麦诺维信公司以酚醛树脂为载体对该酶进行固定化，制备出商业脂肪酶novozym435,进一步提高了该酶的催化效率和稳定性。
="" watanabe="" y[13]等人采用甲酯化和醇解偶联的方法，对含有85%脂肪酸的酸化油进行催化，在48h内得到了含量91.1%的脂肪酸甲酯，novozym435="" 的重复使用批次高达100批。
="" lai="" c[14]等人在50℃、甲醇与含85%脂肪酸的米糠油摩尔比为3.6:1的条件下，以叔丁醇预处理后的novozym435为催化剂，通过6h的反应得到了含量96%的脂肪酸甲酯，固定化酶可以连续使用14批。
="" 除可制备成为固定化酶外，calb脂肪酶还可以以全细胞的存在形式进行脂肪酸甲酯的催化，以降低脂肪酶的使用成本。
="" yan="" y[15]等人通过表面展示技术在毕赤酵母表面共表达了calb和疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶(tll),并以酵母细胞作为催化剂对大豆油进行甲酯化，在甲醇与油脂摩尔比4.2:1,叔丁醇为溶剂的条件下，脂肪酸甲酯的含量在12.6h内可达到95.4%。
="" 尽管calb脂肪酶具有最高的催化效率，但在大规模的生物柴油生产中，由于剪切力的提高，novozym435脂肪酶会表现出机械性能差，易破碎的缺点。
此外，该脂肪酶的生产成本过高，通常仅用于实验室规模的研究或精细化学品的制备。
="" (2)candida="" sp.="" 99-125型脂肪酶="" 假丝酵母生产的sp.99-125型脂肪酶是另一种在脂肪酸甲酯的生产中具有良好应用效果的脂肪酶。
该脂肪酶与calb相比，具有生产成本低的优点，更适宜用于大宗化学品的合成。
="" candida="" sp.99-125同样具有良好的催化效率。
根据li="" x[16]等人的研究，在甲醇与小球藻藻油摩尔比为3:1、温度38℃、添加正己烷和10%的水的条件下，该脂肪酶可在12h内使油脂转化为含量98.1%的脂肪酸甲酯。
="" 在固定化方面，该酶具有多项应用实例，lu[17]等人以纺织物膜作为固定化载体，对candida="" sp.99-125进行固定化，并将其用于生物柴油的催化。
在水含量10%的条件下，脂肪酸甲酯的得率可高于87%，固定化脂肪酶可连续使用210h。
="" nie[18]等人利用填充有固定化candida="" sp.="" 99-125脂肪酶的填充床反应器进行植物油和餐厨废油的甲酯化反应，在以石油醚为溶剂、流速15l/h,甲醇分3次添加的条件下，植物油和餐厨废油的甲酯得率分别达到了93%和92%，脂肪酶可连续使用240h。
="" (3)其它类型的脂肪酶="" 除上述种类外，还有多种来源不同脂肪酶被应用于脂肪酸甲酯合成的研究中，不同的脂肪酶种类或固定化方法，都会影响甲酯化反应的效率和转化率。
表2列举了部分常见的脂肪酶来源及其催化甲酯化反应的效果。
="" 表2="" 不同来源的脂肪酶及其在脂肪酸甲酯合成中的应用="" 2.2.2="" 反应体系的优化="" （１）底物优化="" 脂肪酸甲酯的合成原料来源广泛，油脂来源可以是植物、动物以及微生物[17]。
在以往的研究中，生物柴油的生产是脂肪酸甲酯合成的主要目标，其主要生产原料包括大豆油、棕菜籽油和麻风果油等植物油和从餐厨垃圾和工业生产中提取的废油。
在中国，通常采用地沟油等废油作为生物柴油的生产原料。
="" 地沟油等原料通常同时含有甘油酯和游离脂肪酸，在反应过程中，脂肪酶需同时催化酯化反应和醇解反应。
其中，酯化反应的产物水可以通过脱水剂等方法在线脱除，从而提高反应转化率[19]。
在多级反应中，水也可利用闪蒸的方法除去。
但醇解反应的产物甘油粘度大，不易在线脱除，即使在离心后，依然会部分残留于油脂中，限制了脂肪酸酯的平衡转化率。
因此，在生物柴油的酶法合成中，高酸值的原料更易实现高转化率。
原料的组成除了会影响反应的平衡转化率外，也会影响反应速率。
例如，candida="" sp.99-125脂肪酶在催化地沟油生成生物柴油时，其反应速率会随原料中甘油酯的增加而降低。
在生物柴油的实际生产中，考虑到原料的成本，无法采用游离脂肪酸作为原料，但可选取游离脂肪酸较高的原料以提高反应速率，并采用酶法-化学法结合的方式，提高甲酯的平衡转化率。
="" 与生物柴油不同，在增塑剂的生产中，由于产品对安全性的要求更加严格，产品的售价相应提高，因此生产工艺对原料质量、种类的选择也具有更高的标准，以高质量脂肪酸作为原料具有更大的优势。
这是由于:="" ①在增塑剂的配方中，脂肪酸的种类和比例会对增塑剂的性能造成较大影响，采用脂肪酸作为底物，有利于严格控制产物中脂肪酸的比例并保证反应工艺的稳定性。
="" ②采用脂肪酸作为底物，反应的平衡转化率更高，可省去化学法转化的工段，在简化工艺的同时减少废水的排放，更加绿色环保。
="" ③增塑剂可应用于食品包装、医疗器械等对卫生要求高的行业，采用地沟油等餐厨垃圾中的油脂作原料，安全性不能保证，易造成不良的社会影响。
="" （2）甲醇对脂肪酶活力的影响="" 甲醇、乙醇等短链醇是蛋白变性剂，会造成酶蛋白失活，这一问题是脂肪酸甲酯酶法合成的主要难点之一。
="" 由于具有强极性，且在油脂中溶解度低，甲醇极易与脂肪酶表面的水分子作用，导致脂肪酶失水而无法维持天然构象[20]。
="" jos[21]等人发现，乙醇可以减少calb脂肪酶中的a螺旋结构，同时增加β折叠结构。
而xue="" xun="" fang[22]等人发现，在calb催化的甲酯化反应中，当甲醇浓度低于1.2mol/l，由于底物浓度的提高，脂肪酶的催化速度有所提高，但当甲醇浓度高于1.2mol/l时，甲醇则表现出对酶活力的抑制作用。
当甲醇浓度高于6mol/l时，脂肪酶会由于构象改变而大量沉淀，导致催化无法进行。
目前，针对甲醇引起的脂肪酶失活问题，主要可采取以下几种方法:="" ①甲醇的流加:甲醇的流加工艺是防止脂肪酶失活的最常见方法，逐步添加的方式，可使反应体系中的甲醇维持在较低浓度。
shimada[23]等人发现，将甲醇分3次逐步添加，反应可在无溶剂体系内达到96%以上的脂肪酸甲酯转化率，calb脂肪酶可在酶活力无明显下降的条件下连续使用30个批次。
在candida="" sp.99-125、萤光假单胞菌和米根霉等脂肪酶催化的反应中，甲醇的流加同样可显著提高脂肪酶的使用稳定性。
="" ②溶剂的使用:甲醇在油脂中的低溶解度，导致其易富集于酶分子表面的水相，采用溶剂提高甲醇在体系中的溶解度，可降低酶分子附近甲醇的浓度，从而缓解酶的失活现象。
根据royon[24]等人的研究，采用叔丁醇作为溶剂，可显著降低甲醇的毒性，同时提高脂防酸酯的得率。
在含有32.5%丁醇、13.5%甲醇和54%油脂的体系中，于50℃、calb脂防酶0.17g/g油脂的条件下反应24h,油脂的醇解转化率可达97%，脂肪酶可连续使用500h。
="" 由于甲醇在游离脂肪酸中的溶解度远大于在甘油酯中的溶解度，因此游离脂肪酸也可作为溶剂，起到对甲醇的稀释作用。
根据veras="" ic[25]等人的研究，与精炼油脂相比，脂肪酶在高游离脂肪酸含量的体系中可表现出更高的活力和稳定性。
="" ③脂肪酶的预处理:预处理可以在脂肪酶表面构建保护层，从而将短链醇对脂肪酶的毒性控制在较低的范围内。
根据jike="" lu[26]等人的研究，利用10-20%体积分数的甲醇溶液对candida="" sp.99-125脂肪酶进行预处理，可以提高其酶活力和对甲醇的耐受性。
此外，1mol/l的(nh4)2so4,="" k2so4和mgcl2等盐溶液也可以起到类似的作用。
watanabe[27]等人发现，采用油酸甲酯或大豆油对novozym脂肪酶进行预处理，可以使反应底物更易进入固定化酶的载体中，而水相则更难进入，导致脂肪酶的活力在连续反应中逐步提高。
="" （3）水对酯化反应的影响="" 脂肪酶需要一定的水含量来维持其界面面积，故少量的水是保证酯化反应发生的必要条件。
但另一方面，在酯化反应或醇解反应中，高水含量会导致水解反应的发生，限制脂肪酸酯的转化率，脂肪酶也容易由于高水含量而聚集失活[28]。
因此，控制反应体系中的水含量，是调控酯化反应的重要方法。
在理想条件下，反应体系中的水含量应在保证脂肪酶具有有效界面面积的前提下尽可能减少。
="" ①吸附剂的添加:在反应体系中添加硅胶或分子筛等水的吸附剂，是最常见的控制体系水含量的方法。
对于高游离脂肪酸含量的原料，水的移除可以解除产物抑制，提高反应的平衡转化率。
根据azocar[29]等人的研究，在novozym435催化的餐饮业废油脂的醇解反应中，添加3的分子筛可以使甲酯的得率提高20%。
除常见的分子筛等吸附剂外，="" 甘油等亲水性物质也可以作为吸附剂，辅助酯化/醇解反应的进行。
木耳粉、海带粉等天然多糖也可以作为吸水剂使用。
天然多糖类吸水倍率可达到自身质量的600%-900%，且再生过程能耗低，仅在室温风干即可。
根据淳于媛等人的研究，在50ml的生物柴油催化体系中，加入大豆油质量5%的海带，以40℃、160rpm="" 的条件反应24h,大豆油的甲酯化率达到93%，海带可重复使用7次[30]。
="" ②干空气带水:相比于水，油脂具有挥发性低的特点，利用这一原理，可以在反应过程中采用通入干空气的方法，使部分水分挥发，从而控制体系中的水活度。
yifeng="" tao[31]等人将这一原理应用于三羟甲基丙烷和辛酸的酯化反应中，通过通气，三羟甲基丙烷辛酸酯的转化率从30%提高至90%。
然而，由于甲醇、乙醇均具有高挥发性，目前通气脱水的工艺在甲酯化反应中的应用，还需要进一步探索。
="" （4）反应介质的优化="" 反应介质不仅对酶的活性、选择性、稳定性和酶的动力学特征产生影响，还对底物及产物的扩散和分配产生影响。
不改变酶本身，只改变反应介质就可以改变酶的特性。
="" ①无溶剂体系="" 纯底物作溶剂，避免溶剂利用与回收，降低成本，简化分离公益。
由于没有溶剂的稀释作用，底物浓度较高，反应速度快，生产效率高。
脂肪酶催化的无溶剂体系越来越受亲睐[32]。
脂肪酶的无溶剂体系催化在生物柴油中应用很成功，以麻疯树油为原料，生物柴油转化率可达到98%[33]。
="" ②超临界流体="" 超临界流体如二氧化碳、氟利昂等具有黏度小，易扩散，溶解性好，产物易分离等特点，被用作非水相介质。
rathore等[34]对超临界流体介质中食用油(棕榈油和花牛油)和非食用油(麻疯树油)转化生物柴油进行了研究。
在无任何催化剂的情况下，在超临界甲醇或乙醇中，反应40分钟转化率就达到100％；而在超临界co2中，novozym-435脂肪酶催化8小时仅达到60％~70％。
表明适宜的超临界流体介质，在一定程度上能缩短反应时间或避免(减少)酶催化剂的使用，这对工业催化极其有利。
="" ③离子液体="" 离子液体无蒸气压，安全性和溶解性好，热稳定温度范围宽，可与多种溶剂组成双相体系，不仅是单项离子液体，含有离子液体的双相体系以及离子液体/超临界流体混合体系在脂肪酶催化中都有应用[35]。
="" ④助溶剂="" 以乙二醇、甘油、甲酰胺等部分替代有机溶剂中的溶剂水，能提高脂肪酶的催化活性。
助溶剂具有高介电常数和多点形成氢键的能力，在有机溶剂中对脂肪酶的活化机制与水相同。
用助溶剂代替水的意义在于可以控制和消除由水而引起的逆反应和副反应[36]，从而开发新的催化酶反应介质。
="" 3.课题意义="" 生物基材料的综合利用是促进碳中和的重要方面，选用来自生物基材料的异山梨醇为出发原料，酶法制备二丁酸异山梨醇酯具有重要的潜在应用价值。
课题以环境友好型增塑剂的合成为目标，开展脂肪酶催化合成二丁酸异山梨醇酯的合成研究，建立优化的酶法合成路线，研究不同脂肪酶类型、不同反应溶剂及吸水剂对产物合成收率的影响，为该新型增塑剂的制备奠定实验基础。
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可采用聚乙二醇、聚乙烯醇。
3）脂肪酶活性测定取PVA 溶液、橄榄油作为底物溶液脂肪酶，配置pH为5.5-8的0.5mg/ml的酶溶液，使用三氯乙酸或乙醇使酶变性终止反应。
向三个锥形瓶中各滴加 3 ～ 5 滴酚酞作为指示剂 ,用 NaOH 标准溶液滴定水解产生的游离脂肪酸。
4）对底物、酶的用量、温度、反应时间进行优化，通过响应面分析法得到合适的反应体系。
使用的原料为异山梨醇。
异山梨醇和丁酸摩尔比从1:2到1：3进行选择，计算酯交换率；酶的用量从1%-10%添加，计算反应转化率；反应温度从30℃到60℃进行选择，计算反应转化率；反应时间从6h到24h，定时取样并补足试剂，计算反应转化率。
然后通过响应面分析法，固定反应物摩尔比，通过酶用量，反应温度，反应时间进行三因素三水平响应面分析法，对酯交换反应进行优化。
5）产物进行分离及定性定量分析。
分离纯化：反应产物相对分子质量较低，可采用柱层析法进行纯化。
结构表征：可采用红外色谱仪进行FTIR测试，采用核磁共振波谱仪进行1HNMR分析产物的定性定量测定：采用气相色谱法进行测定。
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