（应用化学专业论文）近临界水中鱼肉蛋白水解制备氨基酸的工艺及动力学研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 全世界每年水产品的产量十分巨大，其中我国水产品产量占世界总产 量的3 0 5 ，居世界第一。由于水产品的营养十分齐全平衡，其所含蛋白 质、脂肪等物质的营养保健作用又相当突出，所以能从水产品中提炼出氨 基酸，d h a ，e p a 等物质将对我国的水产加工业发展具有积极的意义。但 是目前世界上对水产品的加工还比较落后，主要是将其制成鱼粉，鱼骨粉， 软罐头，液体鱼蛋白等产品。而目前鱼肉蛋白的工业水解方法主要包括化 学水解法和酶解法。但是化学水解存在反应条件剧烈，环境污染严重，生 产过程中部分氨基酸容易受损等缺点，酶水解又价格昂贵，生产周期长， 所以寻找和开发一种全新的水解方法来克服化学水解和酶解的缺点就显得 尤为重要。 本文阐述了一种全新的绿色化水解鱼肉蛋白的方法近临界水水解 法由于近临界状态是介于气体和液体之间的一种特殊状态，所以在此状 态下水的性质会发生变化，主要表现在粘性减小，扩散系数增大，对有机 物的溶解性增强等方面。除此之外，近临界水解法与传统生产方法相比， 具有无污染，无需催化剂，可以变多相反应为均相反应，反应产物易分离 等独特优势，所以近临界水已经逐渐成为一些氧化，水解反应的主要介质。 本实验以青鱼鱼肉为原料，采用h l - f ( 0 2 l + 1 5 m c ) 3 0 1 v l p a a 超临界水 反应装置，在无催化剂的条件下进行了水解反应的研究，在确定水解反应 最优化工艺的基础上，得到了鱼肉蛋白水解制各氨基酸的动力学方程和具 体参数a 为了使动力学研究能在最好的条件下进行，我们根据近临界水的特性 和水解反应的特点，确定了反应温度，反应压力，反应时问及反应氛围为 最优化工艺的条件参数。 首先实验在反应时间为3 0 分钟，反应压力为5 1 v i p a 的条件下对温度的 影响进行了研究。结果发现鱼肉蛋白在1 8 0 卜3 2 0 0 c 的温度内水解时， 各氨基酸的浓度在一定温度时会出现最大值，此温度的值一般在2 2 0 。c 到 2 8 0 0 c 的范围内。 i v 上海大学硕士学位论文 接着实验在反应温度为2 6 0 0 c ，反应时间为3 0 分钟的条件下对压力的 影响进行了研究。结果表明各氨基酸浓度的最大值会出现在特定的压力下， 此压力的值一般在5 m p a 左右。 ， 随后实验在反应温度为2 6 0 0 c ，反应压力5 m p a 的条件下对时间的影响 进行了研究。结果表明各氨基酸的浓度在一定时间点时会出现最大值，其 时间点一般出现在反应到3 0 至4 0 分钟的时间内。 最后实验比较了以空气、氮气、二氧化碳为反应氛围，水解所得氨基 酸浓度的变化。结果表明亮氨酸、组氨酸和异亮氨酸等氨基酸的产率会随 反应氛围的不同而有所变化。 实验表明不同种类氨基酸的最佳水解条件不尽相同，水解产物中不同 种类氨基酸的产率随反应温度、反应压力和反应时间的变化规律各不相同， 水解产物中含量较高、用途较广的七种氨基酸最佳工艺列于下表。 水解产物中部分氨基酸达到最大产率时的工艺参数 氨基酸异亮氨酸亮氨酸组氨酸苯丙氨酸酪氨酸精氨酸丙氨酸 温度 c 2 7 0 2 4 5 2 5 72 5 52 5 0 2 8 2 2 6 0 压力，a 2 62 0 1 65555 时间m i n1 74 33 63 43 74 61 2 气氛氦气氮气氮气空气空气 本文随后进行了水解动力学的研究。由于现有仪器很难直接对鱼肉中 的蛋白质进行定性定量测定，又因为酸水解蛋白所得产率比较高，盐酸反 应条件温，氧化性小，所以我们先用盐酸水解鱼肉蛋白得到鱼肉蛋白所含 氨基酸总浓度。结果表明当反应时间达到2 2 小时的时候，氨基酸总浓度达 到最大。鱼肉中所含氨基酸的浓度为4 4 ，7 6 1 ( m m o f l o o g 鱼肉1 。 最后实验选取反应温度为2 2 0 0 c 、2 4 0 0 c 、2 6 0 0 c 来进行动力学研究。我 们通过测量近临界水水解中不同时间点水解所得氨基酸的总浓度，将其与 鱼肉蛋白完全水解时氨基酸浓度的比值来表征鱼肉蛋白的永解率，建立了 动力学方程。结果表明鱼肉蛋白水解动力学的级数为1 6 1 4 7 ， 2 2 0 0 c 、 2 4 0 。c 、2 6 0 0 c 下的反应速率常数分别为0 0 0 1 7 、0 0 0 4 5 、0 0 0 9 7 ，活化能 v 上海大学硕士学位论文 为1 4 5 1 2 5 k j m o l ，前置因子 为9 4 7 5 7 x1 0 9 。 本实验为超( 近) 介质中的动力学研究提供了新方法，为工业化的生产提 供了理论依据。 关键词：蛋白质；近临界水；水解；动力学；氨基酸 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e v e r yy e a rt h ey i e l do fa q u a t i cp r o c l u e t si sh u g ea n do u rc o u n t r yr a n k st h e f i r s ti nt h ew o r l d , c o v e - r i n ga b o u t3 0 5 a st h en o u r i s h i n ga q u a t i cp r o d u c t s e s p e c i a l l yt h es u b s t a n c e sc o n t a i n i n gp r o t c i na n df a t a r ev e r yi m p o r t a n tt ot h e h e a l t ho f h u m a nb e i n g , i tn l a k e ss e n s et 0g a i nt h ea m i n oa c i d s ，d h a ，e p af r o m l a wm a t e r i a l sf o rt h ep r o c e s s i n gi n d u s t r y n o w a d a y st h ea q u a t i cp r o d u c t sa r e ： j u s tf o rf i s hm e a l ，f i s h b o n em e a l ，f i s hc a l la n dl i q u i df i s hp r o t e i n i ni n d u s u i a l p r o c e s s i n g ，n e i t h e rt h ec h e m i c a lh y d r o l y s i sw h i c hh a sb a dr e a c t i o nc o n d i t i o n , t h ec h a n c eo fp o l l u t i n ge n v i r o n m e n ta n dd e s t r o y i n gt h el t n l i n oa c i d s ，1 3 0 1 t h e e n z y m a t i ch y d r o l y s i sw h i c hi se x p e n s i v ea n dh a sl o n gc y c l eo fp r o c e s si s s u i t a b l e s oa l lm e n t i o n e da b o v ea r et h er e a s o n sf o rd e v e l o p i n gan e ww a yo f h y d r o l y s i s t i f f sp a p e ri n t r o d u c e saf l e wg r e e nt e e l a n o l o g yf o rp r o t e i nh y d r o l y s i 9 一 h y d r o l y s i si nt h es u b c r i t i c a lw a t e r a st h es u b e r i t i c a lw a t e ri si nas p e c i a ls t a t e b e t w e e ng a sa n dl i q u i d s o m ep r o p e r t i e so fi tb e c o m et oc h a n g e v i s c o s i t yi s w e a k e r , d i f f i l s i v i t ya n ds o l u b i l i t yf o ro r g a n i cc o m p o u n d sa l es t r o n g e r b e s i d e s t h a t i th a st h ea d v a i l t a g eo fn o n e - - p o l l u t i o n , 1 1 0 1 3 e - c a t a l y z e r , t r - m s f o r m i n g m u l t i p b a s ei n t os i n g l e - p h a s ea n ds e p a r a t i n gp r o d u c t se a s i l ya sc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s d u et 0i t s u b e r i t i e a lw a t e ri sb e e o m i , gt h em a i n m e d i u mf o ro x i d a t i o na a dh y d r o l y s i sr e a c t i o n w i t h o u tc a t a l y z e r ，t h em e a to f h e r r i n gi sh y d r o l y z e di nt h ei - m - f ( o 2 l + 1 5 m g ) 3 0 m p a - i i as u b e r i t i c a lw a t e r r e c t o r o nt h eb a s i so fd e t e r m i n i n gt h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rh y d r o l y s i s ，t h e f o r m u l ao f r e a c t i o nk i n e t i c sa n dp a r a m e t e r so f i ta r eo b t a i n e d i no r d e rt oc h o o s et h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rt h es t u d yo f r e a c t i o nk i n e t i c s ， w ei n v e s t i g a t et h ei m p a c to ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，r e a c t i o nt i m e ，c i r c u m s t a n c e 0 1 1h y d r o l y s i sa c e o r c t i n gt h ep r o p e r t i e so fs u b c r i t i c a lw a f e l - a n dl a y d r o | y s i s t h ei m p a c to ft e m p e r a t u r ei sf i r s ts t u d i e di nt h ec o n d i t i o n ：r e a c t i o nt i m ei s 3 0m i n u t e s ，p r e s s u r ei s5 m p a t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e di nt h et e m p e r a t u r e v 上海大学硕士学位论文 r a n g i n gf r o m18 0 0 ct o3 2 0 。c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e s tv a l u eo fa m i n o a c i dc o n c e n t r a t i o na p p e a r si nt h et e m p e r a t u r ef r o m2 2 0 0 ct o2 8 0 0 c s e c o n d l yt h ei m p a c to fp r e s s u r ei ss t u d i e di nt h ec o n d i t i o n ：t e m p e r a t u r ei s 2 6 0 0 c ，r e a c t i o nt i m ei s3 0m i n u t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e s tv a l u eo f a m i n oa c i dc o n c e n t r a t i o na p p e a r sa r o u n d5 m p a t h i r d l yt h ei m p a c to fr e a c t i o nt i m ei ss t u d i e di nt h ec o n d i t i o n ：t e m p e r a t u r e i s2 6 0 0 c ，p r e s s u r ei s5 m p & t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e s tv a l u eo f a m i n oa c i d c o n c e n t r a t i o na p p e a r sa tt h et i m ef r o m3 0t o4 0n x h a u t e s f i n a l l yt h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e di nt h ec i r c u m s t a n c eo f 啦n 2 c 0 2 t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ey i e l d so fl e u c i n e , h i s t i d i n ea n di s o l e u c i n ea r ed i f f e r e n ti n t h ed i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rd i f f e r e n ta m i n oa c i d s a r ed i f f e r e n t i ta l s os h o w st h ey i e l do fe a c ha m i n oa c i dw i l lc h a n g e 研也t h e t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，r e a c t i o nt i m ea n dc i r c u m s t a n c ei ni t so w nw a y t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sf o rs e v e na l x l i i l oa c i d sw h i c ha r em o r eu s e f u la n dh i g h e r c o n t e n ti na q u a t i cp r o d u c t sa r el i s t e di nt h et a b l eb e l o w t h ep a r a m e t e r sf o rt h eb i g g e s ty i e l do f s o m ea n l i n oa c i d s a m i n oi l el e uh i sp h e t y ra r g a l a a c i d s t ，2 7 02 4 52 5 72 5 52 5 02 8 22 6 0 p 厅a2 62 01 6555 5 t r a i n1 74 33 63 43 74 61 2 c i r c u m s - n 2n 2n 2 t h ee x p e r i m e n tc a r r i e so u tt h es t u d yo fr e a c t i o nk i n e t i c sn e x t n o to n l yt h e i n s t r u m e n t sa r ed i f f i c u l tt od e t e r m i n et h ea m o u n to f p r o t e i ni nf i s hm e a t , b u ta l s o t h ey i e l do fa m i n oa c i df r o ma c i dh y d r o l y s i si sw e l l s ow eg a i nt h et o t a la n a o u n t o fa m i n oa c i di nf i s hp r o t e mt h r o u g hh y d r o c h l o r i ca c i dh y d r o l y s i sw h i c hi sm i l d a n dl o wa b i l i t yo fo x i d a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e s tv a l u eo fa l l x i l i o v l l l 上海大学硕士学位论文 a c i dc o n c e n t r a t i o ni sa tt w e n t y s e c o n dh o u r t h ea m i n oa c i dc o n c e n t r a t i o ni nt h e f i s hm e a ti s4 4 7 6 1 ( m m o l 1 0 0 9f i s hm e a t ) ht h ee n d , r e a c t i o nk i n e t i c ss t u d yi sc o n d u c t e da tt c m p e r a t u r e 2 2 0 。c ，2 4 0 0 c ， 2 6 0 0 c t h ea m o u n to f a m i n oa c i dh y d r o l y z e d 丘d mf i s hm e a ti ns u b c r i t i c a lw a t e r a td i f f e r e n tt i m ed i v i d e si n t ot h eo l l ef r o ma c i dh y d r o l y s i s t h i sr e s u l ti su s e dt o d e f i n et h er a t i oo fh y d r o l y z e x lf i s hp r o t e i na n do b t a i nt h ef o r m u l ao fr e a c t i o n k i n e t i c s t h er e a c t i o no r d e ri s1 6 1 4 7 t h ev e l o c i t yc o n s t a n to ft o t a la m i n o a c i d sa r e0 0 0 1 7 ，0 0 0 4 5 ，0 0 0 9 7a t2 2 0 。c ，2 4 0 c ，2 6 0 。c ，r e s p e c t i v e l y t h e a c t i v ee n e r g yi s1 4 5 1 2 5 k j m o la n dt h ep r e - e x p o n e n t i a lf a c t o ri s9 4 7 5 7 x1 0 9 t h i se x p e r i m e n ti n t r o d u c e sa ni n n o v a t i v ew a yf o rk i n e t i c ss t u d ya n d p r o v i d e st h ei n d u s t r i e sw i t ht h e o r e t i c a lp a r a m e t e r k e y w o r d s ：p r o t e i n ；s u b c r i t i c a lw a t e r ；h y d r o l y s i s ；r e a c t i o nk i n e t i c s ；a m i n o a c i d s 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 本课题以低值鱼肉为原料，采用近临界水解技术，使鱼肉蛋白在无催 化剂的条件下水解得到高附加值的多种氨基酸，并开展了近临界水中水解 反应动力学的研究。此研究实现了低值鱼肉的无污染资源化，并为工业化 生产提供了基础数据。 1 。2 淡水低值鱼的加工利用现状 目前，世界水产养殖总产量中，淡水鱼占4 2 ，其产值占总产值的 3 4 【”。水产品具有营养齐全平衡的特点，其所含蛋白质、脂肪的营养保健 作用更为突出；蛋白质的氨基酸构成比例好，一般含有8 种人体不能合成 的氨基酸。水产品的脂肪多为不饱和脂肪酸，其中d h a ( 二十二碳六烯酸) 和e p a ( - - 十碳五烯酸) 的作用已得到广泛的认识【2 1 。但是淡水鱼产品上市 期比较集中，水分含量高，鱼体内组织酶活跃，所以容易腐败。受贮藏加 工条件的限制而造成的淡水鱼类腐败率在3 0 以上，所以淡水鱼加工技术 的落后已经严重制约了淡水渔业的发展1 3 1 。 近几十年来，随着我国水产养殖业的发展，水产品产量大幅攀升。1 9 8 0 年我国的水产品产量仅为4 5 0 万吨，1 9 9 0 年为1 2 3 7 万吨，1 9 9 6 年己超过 2 0 0 0 万吨，并跃居世界第一位1 4 。2 0 0 0 年我国水产品总产量达4 2 7 8 9 9 万 吨，占世界水产品总产量的3 0 5 ，其中海水养殖产量1 0 6 1 2 8 万吨，淡水 养殖产量1 5 1 6 9 3 万吨【”。虽然我国水产品产量近年来迅速猛增，但淡水鱼 的；b n 7 - 业起步较晚，加工工艺比较落后，与发达国家差距很大。特别是对 占淡水鱼产量6 0 以上的低值鱼类( 如鲢、鳙鱼等) ，还缺少定型的产品， 所以基本上以鲜活形式销售。有关调查资料显示f 6 】，我国的水产加工企业规 模普遍较小，加工能力不高，有的企业仍然是依靠手工操作，冷冻卫生设 备差，这些先天性的不足，必然导致其产品加工率低，致使加工产品附加 值低。调查还显示 7 1 ：我国的水产品加工企业尤其是淡水水产品高精深的加 工企业少，因此在加工过程中造成了相当大的资源浪费。 上海大学硕士学位论文 对低值淡水鱼，目前的常见处理方法有以下几种： ( 1 ) 鱼粉 鱼粉生产一直是开发利用低值鱼蛋白的主要手段，如今，鱼粉已经成 为配合饲料中动物蛋白质的主要来源。尽管鱼粉最初是以海水鱼为原料， 但是通过研究探索，淡水鱼同样可以被利用。作为饲料，鱼粉蛋白比植物 蛋白优越，因为构成鱼粉蛋白的某些氨基酸是植物蛋白所缺乏的，如赖氨 酸、蛋氨酸和胱氨酸，这些氮基酸都是家禽、家畜和鱼类生长所必需的， 甚至被认为是补充人类所需动物性蛋白质最有效廉价的产品之一【5 1 。 ( 2 ) 鱼糜及其制品 以低值鱼类为原料，通过去内脏，采肉，漂洗，滤水，精滤以除去皮、 筋等结蹄组织，螺旋压榨等过程而制成鱼糜，作为进一步制作鱼糜制品的 原料。其特点是原料不受限制，通过添加不同的调味料、香料可迎合南北 口味。鱼糜制品具有高蛋白、低脂肪、食用方便、便于携带等特点。现有 的鱼糜制品主要有鱼圆、鱼糕、鱼卷、鱼香肠等。鲢鱼产量大，肉色白， 具有较好的凝胶形成能力，是加工鱼糜及其制品的较理想原料嗍。最近，东 北农业大学以鲢鱼为原料，成功地研制出模拟虾饼、模拟蟹饼、模拟蟹腿 的工艺及配方；湖北农业科学院以鲢、鳙鱼为原料研制出淡水鱼香肠。 ( 3 ) 鱼骨粉 目前市场上的朴钙产品，如柠檬酸钙、碳酸钙、葡萄酸钙等多为化学 制备，而仅通过物理方法制成的纯天然钙剂较少。鱼骨粉则是以加工剩余 的鱼骨为原料，经高温、皂化脱脂、脱胶、脱猩、干燥粉碎等过程而制成 的一种天然孙钙产品。上海水产大学以青鱼脊椎骨为主要原料，研制了一 种含钙1 0 9 3 的淡水鱼骨粉，该品为无腥无味的白色粉末。生物利用和临 床试用的结果表明，具有较好的钙吸收和存留率，是一种利用率较高的优 质天然钙剂。 ( 4 ) 软罐头水产食品 罐头食品的特点就是耐贮藏，携带使用方便。它是利用小型淡水杂鱼 为原料，经盐水浸溃、沥水、油炸、调味、真空包装后，加热杀菌而制成 2 上海大学硕士学位论文 产品。但是，由于水产罐头的加热杀菌过程需要一段时间，会对水产品的 营养和风昧造成破坏，所以这还有待进一步研究。 ( 5 ) 液体鱼蛋白 其基本原理是，加酸以抑制原料中的腐败细菌生长繁殖，利用酶或微生 物的分解消化作用，将蛋白质降解成低分子肽类和部分氨基酸等。 为了充分利用低值鱼中的蛋白质资源，国内不少研究者已探索鱼肉蛋白 水解的工艺【蚓】，其中最普遍的方法是化学水解法和酶水解法f 。 ( 1 ) 化学水解法【1 3 】 化学法就是利用酸、碱水解蛋白质，一般比较多的是酸水解。酸水解 的主要步骤为：将原料绞碎加入适量的酸( 无机酸如硫酸、盐酸等，或 有机酸如甲酸、丙酸等，也可用无机酸与有机酸混合液) 放置于耐酸容 器中液化，贮存，并定期搅拌产品。 一般如使用硫酸、盐酸，产品p h 值为2 时，可获得较好的保藏效果， 如使用有机酸，可以用甲酸、醋酸、丙酸，甲酸效果比醋酸好，而丙酸效 果虽好，但价格较贵，因此常用甲酸。甲酸除了能加速液化外还有杀菌作 用，一般使产品p h 达到4 ，此时产品对容器的腐蚀性较小，且产品贮藏性 好，使用方便，不需预先中和。因此，许多国家生产液体鱼蛋白都采用甲 酸。使用无机酸的优点是价格比有机酸便宜，但对容器的耐腐蚀性要求较 高，而且投喂前必须预先中和。 虽然化学水解简单，易操作，但是由于使用酸或碱，生产过程中部分氨 基酸受损，对环境污染严重。如碱水解法会使色氨酸、丝氨酸破坏，而且难 以按规定的水解程度控制水解，故目前较少采用。 ( 2 ) 酶水解法 酶水解法可分两个阶段：第一阶段是蛋白质萃取：目的是在于使蛋白 质充分溶出，以利于酶解，杨萍0 4 t 等人研究表明采用碱萃取，在温度为 3 0 - 5 0 0 c ，p h = 9 o ，固液比为1 ：5 条件下，萃取5 0 分钟，蛋白质萃取率高于 9 0 。第二阶段是酶解与精制：i r i n e ub a t i s t a l l5 】研究表明萃取液经过滤离心 去渣后，进行酶解，采用中性蛋白酶，酶解条件是酶浓度2 o ，温度3 5 。c ， 上海大学硕士学位论文 p h = 7 5 ，原料：水为l ：5 ，水解时间5 h ，蛋白水解率为7 0 一8 0 。酶解后 经过滤、脱腥、脱臭、真空浓缩、喷雾干燥可制得水解鱼蛋白。 国内对鱼蛋白酶水解也有相关研究。洪江f 16 】在研究鳗鱼头水解蛋白粉 末的加工工艺时，确定了制各鳗鱼头水解蛋白的最佳工艺条件：将鳗鱼头 洗净绞碎，按l ：1 ( w v ) 加入水混合均匀，再加入0 2 木瓜蛋白酶，4 9 0 c 恒温水解7 h ，升温至5 4 0 c 再恒温水解1 7 h 。 杨萍【1 4 j 等人确定了青鳞鱼蛋白酶水解的最佳条件：原料：水= l ： 5 ( w v ) ，p h9 0 ，温度6 0 ，酶2 0 ，水解时间3 0m i n ；但是其中各种 氨基酸均有所损失，以赖氨酸、谷氨酸、亮氨酸的损失率比较大。 段振华【l ”等人对如何降低鳙鱼酶法水解过程中产生的苦味进行了研 究，发现n f c 复合酶的水解物，水解度最高，苦味分低，其水解条件为 p h8 o ，温度5 0 0 c ，复合酶中的两种组分( e l ：e 2 ) 质量比为1 ：2 且同时 加入，酶的总量为0 7 。同时他们还研究了加热和脱脂两种预处理对水解 度的影响，结果表明这两种方法均不利于酶的水解。 赵玉红等人通过用h l c a l a s e 水解脱脂前后的鲢鱼，比较了脂肪的抽提 对水解过程及蛋白水解物的影响，研究证明除去月肪，蛋白水解物的d h ( 水 解度) 、n r ( 氮回收率) ，水解物的质量有很大改善。 以上这些方法，在一定程度上深化了水产品的加工，使得一些低值鱼 类得到了利用。但是处理的量只能占一小部分，而且有的深加工带来了薪 的污染，随着工业化生产水平和经济发达程度的提高，人们在不断的寻找 新的方法和途径，对水产品进行深加工和综合利用，来提高水产品的利用 率和附加值。近临赛水( n c w ) 具有反应速度快、能溶解有机物、对环境友好、 自身具有酸催化和碱催化功能、能抑制由热分解产生的焦化等特性，是一 种极具应用前景的绿色技术，已引起国内外专家的高度重视和关注。最近， 有研究表明，在近临界水中，鱼肉可以水解生成多种氨基酸和有机酸，如 胱氨酸，丙氨酸，甘氨酸，亮氨酸、d h a 、e p a 等，而其他的有机物在超临 界水中则被氧化成二氧化碳，氮气等d s 。这样既能变废为宝，又能避免环 境污染，这也是本课题研究的意义所在。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 超( 近) 临界水的性质及其中反应动力学的研究 1 3 1 超( 近) 临界水 水是我们最熟悉也是最常用的溶剂之一。大部分化学反应都是在水溶 液中进行的，所以水也是化学中应用最普遍的反应介质之一我们都知道 水有气、液、固三个状态，而知道水的超临界态的人就很少了。而正是这 个陌生的超临界水，由于有着与水的常态迥然不同的表现，已被开发成为 一种有神奇性质的反应介质n 9 - 2 0 j 。 气态和液态之间的区别在于它们的密度不同。如果给一个气液共存的 平衡体系不断升温并加压的话，热膨胀会使液体密度不断减小，而同时气 体密度却随着压强的增大而不断增大；当温度和压强升高到一定程度时， 气态和液态的密度趋于相等，它们之间的分界线也就消失了，物质的这种 状态就是它的临界状态。流体的临界点在相图上是气体一液体共存曲线的 终点，它由一个具有固定不变的温度和压力的点来表示的，在该点气相和 液相之间的差别刚好消失，成为一个均相体系。水的临界温度是3 7 4 3 0 c ， 临界压力是2 2 0 5 m p a p “。当此体系的温度和压力超过临界点值时，就被称 为“超临界的”水，是介于气体和液体之间的一种特殊的状态。由于水的 临界点是相图上气液共存曲线的终点，是所谓的二级相变之一，这决定了 任何水的状态方程的比偏微分都要在临界点发散到正的或负的无穷大。所 以在临界、超临界条件下，水的性质与常温、常压下水的性质相比有了很 大变化阱2 4 】。 近年来超临界水以其独特的性质，作为溶剂和反应介质在许多领域( 如 环境治理、材料科学、分析化学等方面) 有着诸多的应用。在超临界状态下 进行的化学反应，通过控制压力、温度以操纵反应环境，具有增强反应物 和产物的溶解度，提高反应转化率，加快反应速率，没有二次污染产生等 显著的优点【2 5 。7 】。因此，弄清超 临界水的热力学、动力学和静电性质对进 一步深入研究反应体系是非常必要的【2 8 j 。 1 3 2 超( 近) 临界水的性质 上海大学硕士学位论文 1 3 2 1 超( 近) 临界水的热导率 液体热导率在一般情况下随温度的升高略有减少，常温常压下水的热 导率为0 5 9 8 w ( m k ) ，临界时为热导率约为0 4 1 8w ( m k ) ，变化不是 很大【2 9 j 。熟导率与动力粘度具有相似的函数形式，随温度的变化比较明显， 但热导率的发散特征比动力粘度强，并且热导率缺少局部最小值。 1 3 2 2 超( 近) 临界水的扩散系数和粘度 超临界水的扩散系数虽然比过热蒸汽小，但比常态水大得多。如表1 一i p o 所示： 表i - i ：常压水、过热蒸汽、和超临界水的扩散系数的比较 常态水过热蒸汽 超临界水 ( 2 5 0 c 、0 i m p a ) ( 4 5 0 0 c 、1 3 5 m p a )( 4 5 0 0 c 、2 7 o m p a ) 扩散系数 7 7 4 x 1 0 1c 2 s 11 7 9 x i 0 一c m 2 s 17 6 7 x 1 0 一e m 2 s 1 在超临界区域，超临界水的粘度仅为常态水的十分之一。水在临界点附 近区域的动态粘度变得很小，大约只有普通水的十分之一至二十分之一。在 高密度区域，粘度随温度升高而降低，而在低密度区域则随温度升高而升高。 超( 近) 临界水的低粘度和较高的扩散系数使超临界水分子和溶质分子具有 较高的分子迁移率，溶质分子很容易在超临界水中扩散，从而使超( 近) 临界 水成为一种很好的反应媒介，有利于多相催化反应中传质阻力的消除。水的 粘度随温度压力的变化规律如图i - i f 3 l 】所示： 6 上海大学硕士学位论文 图卜1 水的粘度随温度压力变化规律 1 3 2 3 超( 近) 临界水的密度 超临界水的密度可以通过改变其压力、温度控制在气态和液态之间，如 图卜2 圈变化。临近临界点时，水的密度随温度和压力的变化而迅速在液态 水( 密度l g c m 3 ) 和低压水蒸汽( 密度 上海大学硕士学位论文 1 。3 。2 。4 超( 近) 临界水的介电常数 水的介电常数随压力的增大而增大，随温度的升高而减小，如图卜3 。 在低密度的超临界区域内，介电常数降低了一个数量级，如在3 0 m p a 的等压 线上，从3 0 0 0 c 到5 0 0 同，超临界水的介电常数扶2 2 o ( 中等极性) 变到1 7 ( 无极性) ，这时的超临界水类似于非极性的有机溶剂。水在近临界条件下， 介电常数和密度介于过热蒸汽和液态水之间，使它和常温下丙酮的性质相 近，大多数有机物和氧在近临界水中是可溶解的。据文献报道，甲苯和氧在 3 0 8 0 c 近临界水中可以完全互溶1 3 3 1 。 图1 - 3 水的介电常数随温度压力变化规律 i 3 2 5 超( 近) 临界水的氢键 水的许多独特性质与水分子之间氢键的键合密切相关，并且温度升高能 快速降低氢键的总数，因此破坏了水在室温下存在的氧四方有序结构；在室 温下，压力增加只能稍微增加氢键的数量及降低氢键的线性度。当温度达到 临界温度时，水中的氢键相比亚临界和超临界区有一个显著的降低【3 叼：当温 度上升到i 临界温度时，饱和水蒸汽中的氢键的增加值等于液相中氢键的减少 值，此时液相中的氢键约占总量的1 7 。南京大学陆小华【3 5 j 等人采用分子动 力学( 皿) 模拟的方法对超l 临界条件下水的结构及扩散性质进行了研究。模拟 上海大学硕士学位论文 结果表明超临界条件下水分子之间的氢健作用明显减弱，分子极性大大降 低。扩散性质与常温下相比，其大小约上升了两个数量级。g o r b u t y 3 6 等利 用l r 光谱研究了高温水中氢键与温度的关系，并得出了氢键度( x ，表征形 成氢键的相对强度) 与温度的关系式：x = ( - 8 6 8 1 0 ) t k + o 8 5 1 。该式表征 了氢键对温度的依赖性，适用范围为( 7 0 c - 5 2 7 0 c ) 。在2 9 8 k 一7 7 3 k 范围内，温 度和x 大致呈线性关系，x 随温度的升高而减小。 由于氢键的作用，水的许多性质与其它液体大楣径庭。最具代表性的就 是水的极高的导热性能，它的等压温度系数在1 0 0 0 c 一2 0 0 0 c 时仍为正值，并 出现最大值 3 7 1 。而其它液体的温度系数则为负值。 1 。3 2 6 超( 近) 临界水的离子积 由于水合作用易于在高密度下进行，所以温度和压力升高的联合作用 会引起很强的离解作用。例如，在温度为1 0 0 0 0 c ，密度为l g c m 3 的条件下， k w 增大到接近于1 0 0 1 2 d m ，增大了1 一l 矿倍。而在1 0 0 0 0 c 以上，当密 度为2 9 c m 3 时，水则变为高导性离子流体，类似于熔融的盐。即便是在中 等温度和密度下，超临界水的离子积也比标准状态下水的离子积高出几个 数量级。这种特性对于高温超临界水中的水解及其它反应是非常重要的 f 3 s 】 在超i 临界区，随温度、压力的升高，k w 急剧降低，图1 - 4 给出了水的 离子积与温度和压力的关系。如在恒定压力2 5 m p a 条件下，2 5 0 0 c 时k w 达 到最大值1 0 1 1 “，而在2 5 0 。c 时降低至1 0 4 “。因而在n c w 中，水本身高解 释放出相当浓度的和| r 和o h r ，在没有其他外加催化剂的情况下，即能催化 酸和( 或) 碱催化反应的进行。调节水的温度和密度，可以改变水的k w ，从 而可以使水在一定条件下适合于均裂反应，而在另一条件下更适合于异裂 反应。 9 上海大学硕士学位论文 2 8 2 4 2 0 奄 6 一1 6 1 2 譬 2 l _ i 【) = ；i 蛐1 u d5c 儿j 删j ，e 图i - 4 水的离子积 1 3 2 7 超( 近) 临界水的溶解度 重水的r a l i l a l l 光谱结果表明在超临界状态下水中只剩下少部分氢键， 这些结果意味着水的行为与非极性压缩气体相近，而其溶剂性质与低极性 有机物近似，因而碳氢化合物在水中通常有很高的溶解度。例如在临界点 附近，有机化合物在水中的溶解度随水的介电常数减小而增大。同理，在 3 7 5 0 c 以上，超临界水可与气体( 如氮气、氧气或空气) 及有机物以任意比例 互溶。无机盐在超临界水中的溶解度与有机物的高溶解度相比非常低，随 水的介电常数减小而减小，当温度大于4 7 5 0 c 时，无机物在超临晃水中的溶 解度急剧下降，里盐类析出或以浓缩盐水的形式存在。并且在超临界水中 溶解的无机盐溶质具有不同于常温常压下的特殊性。 1 3 2 8 超临界溶液的性质 ( 1 ) 偏摩尔性质 偏摩尔体积表征了在恒温和恒压条件下由于某一组分的加入而引起的 系统体积的变化。溶质的偏摩尔体积是可用来分析超临界溶解现象的最基本 的宏观热力学性质，它常在溶液的临界点附近出现反常现象。它是通过溶质 在流体相中的逸度系数来与溶解度直接相关的。如果加入溶质后系统的总体 0 上海大学硕士学位论文 积减少，则溶质的偏摩尔体积就为负值。在超临界水中，系统体积的减小程 度可能会很大，有时溶质的偏摩尔体积的绝对值比其摩尔体积要高出一、两 个数量级。表明水分子紧密簇集在溶质分子周围，导致溶液总体积下降。 ( 2 ) 超临界溶液中成簇 溶剂分子对超临界流体中的溶质的吸引，破坏了超临界流体溶剂的结 构，并导致了溶质分子周围局部组成和局部密度出现异常，即导致了不同 于其整个流体的密度值的空间区域产生【2 6 j 。这个现象称作“成簇”，“局 部密度增强”或“分子魔”这个现象是相当重要的，因为它能够促使溶 质分子周围的局部环境不同于全环境。实验和模拟研究的结果表明，在稀 溶液中，溶质分子周围的超临界溶剂的局部密度会提高。簇一般用来描述 特殊的短距离效应，不同于近临界流体中与长距离的效应有关的偏摩尔性 质的临界行为，它一般与短距离的效应有关。溶质分子周围的溶剂簇被认 为是一个动力过程的结果，簇组成与全溶剂分子的交换频率为p s ( 肛) 秒数 量级，簇可以存在到l o o p s 。簇中较高的局部溶剂密度可以改变与密度有关 的性质的局部值，例如可改变介电常数，因而影响到反应速率【蚰】，而且溶 剂分子簇还可以围绕反应物和过渡态种类形成“笼”，并因此而改变了一 些反应的进程。 ( 3 ) 溶质的电离和缔合 溶质的电离和缔合受到水介电常数的变化和电致缩作用的控制。对于 等压条件下温度的上升，水的介电常数会降低，有利于溶质的缔合；相反， 等温条件下压力的上升有利于溶质的分解。在高温低压的超临界条件下， 当水的介电常数小于1 5 时，水中溶解的溶质会发生大规模的缔合作用，对 于1 ：1 的电解质，在稀薄条件下，水中溶质的种类主要是中性的离子对， 随浓度的升高，多原子体( 包括三离体、四离子体、五离子体和六离子体) 可以在溶液中大量存在。常温常压下的强电解质在高温低压的超l 临界条件 下会变为弱电解质。而室温下的弱电解质则形成中性的缔合的配合物。 1 3 3 超( 近) 临界水中化学反应动力学的研究 作为自然界最普遍、最清洁的溶剂，使用s c w 和n c w 作为有机反应的 上海大学硕士学位论文 介质，除了具有来源广泛、价格低廉等优点外，还具有如下优势：( 1 ) 通过 改变压力和温度，可以获得物理性质的较大改变且反应条件易于操作，反 应后随着压力和温度降低到常态，以近临界水为介质