化工学报 ›› 2020, Vol. 71 ›› Issue (S1): 282-292.DOI: 10.11949/0438-1157.20190795
毛海涛1(),王璐1,许志颖2,解万翠2,都健1,张磊1()
收稿日期:
2019-07-10
修回日期:
2019-09-13
出版日期:
2020-04-25
发布日期:
2020-04-25
通讯作者:
张磊
作者简介:
毛海涛(1994—),男,硕士研究生,基金资助:
Haitao MAO1(),Lu WANG1,Zhiying XU2,Wancui XIE2,Jian DU1,Lei ZHANG1()
Received:
2019-07-10
Revised:
2019-09-13
Online:
2020-04-25
Published:
2020-04-25
Contact:
Lei ZHANG
摘要:
由于混合物性能的可调控性,当前市场对其关注与日俱增。对于这类产品,基于模型的设计方法由于具有高效性以及普适性,相较于其他产品设计方法得到了更快的发展。但是对于很多性质,如气味、颜色等,准确且普适的模型尚不可得。因此,本文提出了一种基于分子表面电荷密度分布描述符(S描述符)和机器学习模型的混合物设计方法,采用描述符表征产品、再通过机器学习模型将其与性质关联,直接用于混合物产品设计。具体地,根据给定的产品性质需求,机器学习模型直接预测/设计混合物产品的S描述符;然后以欧几里德距离为指标,在给定的数据库中筛选出S描述符满足要求的候选混合物组成。最后,对候选混合物及其组分性质进行实验验证,完成设计。本文以香精的混合替代物设计作为算例,设计得到丙酸叶醇酯的两种混合香精替代物,通过实验对混合物进行了验证。结果表明,混合替代物的气味及其组分的各理化性质均与丙酸叶醇酯相近,证实本文所提出方法的有效性。
中图分类号:
毛海涛, 王璐, 许志颖, 解万翠, 都健, 张磊. 基于分子表面电荷密度分布与机器学习的混合物设计方法研究[J]. 化工学报, 2020, 71(S1): 282-292.
Haitao MAO, Lu WANG, Zhiying XU, Wancui XIE, Jian DU, Lei ZHANG. Mixture product design based on molecular surface charge density distribution and machine learning[J]. CIESC Journal, 2020, 71(S1): 282-292.
图1 分子表面电荷密度分布谱图以及对其极性区域积分得到的S描述符
Fig.1 Molecular surface charge density distribution spectrum and S descriptors integrated from the polar area of spectrum
组分性质 | 基团贡献法公式 | 阈值 |
---|---|---|
表1 基团贡献法以及阈值
Table 1 Group contribution method and corresponding thresholds
组分性质 | 基团贡献法公式 | 阈值 |
---|---|---|
传感器名称 | 检测气味类型 | 检出限/ (mg/kg) |
---|---|---|
W1C | 有机化合物 | 10 |
W5S | 氮氧化物 | 1 |
W3C | 氨类 | 10 |
W6S | 氢气 | 0.1 |
W5C | 烷烃与非极性有机化合物 | 1 |
W1S | 甲烷 | 100 |
W1W | 含硫有机化合物 | 1 |
W2S | 酒精 | 100 |
W2W | 无机硫 | 1 |
W3S | 有机化合物以及脂肪族有机化合物 | 10 |
表2 PEN3电子鼻的检测对象以及检出限
Table 2 Detected objections and detection limits of PEN3 E-nose
传感器名称 | 检测气味类型 | 检出限/ (mg/kg) |
---|---|---|
W1C | 有机化合物 | 10 |
W5S | 氮氧化物 | 1 |
W3C | 氨类 | 10 |
W6S | 氢气 | 0.1 |
W5C | 烷烃与非极性有机化合物 | 1 |
W1S | 甲烷 | 100 |
W1W | 含硫有机化合物 | 1 |
W2S | 酒精 | 100 |
W2W | 无机硫 | 1 |
W3S | 有机化合物以及脂肪族有机化合物 | 10 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
可食用 | 32.42 | 馊味 | 25.93 |
烘焙味 | 43.00 | 愉悦度 | 60.19 |
甜味 | 34.37 | 蒸气压/Pa | 53.86 |
水果味 | 31.54 | 扩散系数/(m2/h) | 0.16 |
花香味 | 29.95 |
表3 丙酸叶醇酯的物性需求
Table 3 First consumer needs of cis-3-hexenyl propionate
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
可食用 | 32.42 | 馊味 | 25.93 |
烘焙味 | 43.00 | 愉悦度 | 60.19 |
甜味 | 34.37 | 蒸气压/Pa | 53.86 |
水果味 | 31.54 | 扩散系数/(m2/h) | 0.16 |
花香味 | 29.95 |
图6 IML模型预测结果与Keller数据库中组合的替代混合物之间的S描述符欧氏距离差
Fig.6 Euclidean distance differences between S descriptors predicted by IML models and screened ingredients from Keller database for cis-3-hexenyl propionate substitution
参数 | 丙酸叶醇酯 | 替代混合物1 | 替代混合物2 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
4-异丙基苯甲醇 | 左旋香芹酮 | 混合物偏差 | 2-甲基戊酸 | 2-乙基丁酸烯丙酯 | 混合物偏差 | ||
CAS No. | 33467-74-2 | 536-60-7 | 6485-40-1 | — | 97-61-0 | 7493-69-8 | — |
体积分数 | 1 | 0.2 | 0.8 | — | 0.4 | 0.6 | — |
溶解度 | 158.9 | 1687 | 367.1 | 472.18 | 15000 | 157.3 | 5935.48 |
沸点Tb①(101.325 kPa) /K | 453-455 | 512.66 | 499.47 | 47.11-49.11 | 468.36 | 449.96 | 2.32-4.32 |
闪点Tf①/K | 333 | 498.15 | 465.15 | 138.75 | 364.26 | 327.59 | 9.258 |
Ko/w① | 2.909 | 2.37 | 2.71 | -0.267 | 1.8 | 2.972 | -0.4058 |
LC50②/(mol·L-1) | 3.36 | 3.25 | 3.39 | 0.002 | 2.45 | 4.03 | 0.038 |
表4 丙酸叶醇酯替代香精的设计结果
Table 4 Results for substitution design of cis-3-hexenyl propionate
参数 | 丙酸叶醇酯 | 替代混合物1 | 替代混合物2 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
4-异丙基苯甲醇 | 左旋香芹酮 | 混合物偏差 | 2-甲基戊酸 | 2-乙基丁酸烯丙酯 | 混合物偏差 | ||
CAS No. | 33467-74-2 | 536-60-7 | 6485-40-1 | — | 97-61-0 | 7493-69-8 | — |
体积分数 | 1 | 0.2 | 0.8 | — | 0.4 | 0.6 | — |
溶解度 | 158.9 | 1687 | 367.1 | 472.18 | 15000 | 157.3 | 5935.48 |
沸点Tb①(101.325 kPa) /K | 453-455 | 512.66 | 499.47 | 47.11-49.11 | 468.36 | 449.96 | 2.32-4.32 |
闪点Tf①/K | 333 | 498.15 | 465.15 | 138.75 | 364.26 | 327.59 | 9.258 |
Ko/w① | 2.909 | 2.37 | 2.71 | -0.267 | 1.8 | 2.972 | -0.4058 |
LC50②/(mol·L-1) | 3.36 | 3.25 | 3.39 | 0.002 | 2.45 | 4.03 | 0.038 |
图7 不同温度下丙酸叶醇酯及其替代混合物组分的蒸气压与扩散系数
Fig.7 Vapor pressure and diffusion coefficient for cis-3-hexenyl propionate and its substituted mixtures’ components of diverse temperatures
试剂 | 说明 |
---|---|
丙酸叶醇酯 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>98% |
2-甲基戊酸 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>98% |
2-乙基丁酸烯丙酯 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>97% |
4-异丙基苯甲醇 | 河南郑州阿尔法化工有限公司,纯度>99% |
左旋香芹酮 | 河南郑州阿尔法化工有限公司,纯度>97% |
95%乙醇 | 天津市富宇化工有限公司 |
表5 丙酸叶醇酯替代混合物的测试实验设备以及试剂
Table 5 Equipment and materials for substitution of cis-3-hexenyl propionate
试剂 | 说明 |
---|---|
丙酸叶醇酯 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>98% |
2-甲基戊酸 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>98% |
2-乙基丁酸烯丙酯 | 北京迈瑞达科技有限公司,纯度>97% |
4-异丙基苯甲醇 | 河南郑州阿尔法化工有限公司,纯度>99% |
左旋香芹酮 | 河南郑州阿尔法化工有限公司,纯度>97% |
95%乙醇 | 天津市富宇化工有限公司 |
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