呂 微，蔣劍春，徐俊明

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210042)

植物油脂水解工藝及不飽和脂肪酸組成研究

呂 微，蔣劍春*，徐俊明

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210042)

研究了堿性水解小桐子油脂制備脂肪酸的較佳工藝條件:油水比(g/g)為2∶1，乙醇－水比(v/v)為2∶1，皂化時(shí)間1.5h、溫度70℃，在該條件下脂肪酸得率、酸值和碘值的平均值分別為:98.25%、203.67mgKOH/g和109.89g/100g。采用桐油、光皮油、棕櫚油和大豆油等植物油脂考察了該工藝的原料適用程度，該水解工藝條件下各種油脂制備所得的脂肪酸得率和酸值都接近98%和199mgKOH/g。采用GC－MS分析五種植物油脂脂肪酸組成和含量，其不飽和脂肪酸含量依次為:桐油(94.88%)＞大豆油(84.07%)＞光皮油(81.90%)＞小桐子油(77.84%)＞棕櫚油(77.19%);其中多價(jià)不飽和脂肪酸含量次序?yàn)橥┯?85.36%)＞大豆油(58.01%)＞棕櫚油(56.81%)＞光皮油(55.31%)＞小桐子油(42.16%)。大豆油、棕櫚油、光皮油和小桐子油四種植物油脂脂肪酸成分基本相同，主要是亞油酸、7，10－十八碳二烯酸、油酸。桐油中脂肪酸組成與其他植物油脂有較大區(qū)別，含大量三價(jià)不飽和脂肪酸，其主要成分有油酸(9－十八烯酸)13.83%、8，11－十八碳二烯酸 24.37%、亞麻酸(9，12，15－十八碳三烯酸和 6，9，15－十八碳三烯酸)60.01%。

小桐子油，光皮油，桐油，棕櫚油，大豆油，水解，脂肪酸

不飽和脂肪酸(Unsaturated Fatty Acids，PUFAs)是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，具有重要的生理功能［1］，不僅具有促進(jìn)身體發(fā)育和智力增長［2］，調(diào)節(jié)血脂、降低血中膽固醇和甘油三酯，改善血液微循環(huán)，提高免疫力，抗癌、抗腫瘤、預(yù)防心血管等疾病［3］的作用，而且對(duì)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、胃炎等的恢復(fù)保?。?］，延緩衰老和減肥、美容等方面也有重要的生理作用［5］。因此，其潛在的醫(yī)用藥用價(jià)值受到了廣泛的關(guān)注，引起了食品、醫(yī)藥甚至化妝品等行業(yè)的高度重視。天然油脂制備脂肪酸最常用方法可分為以下三種［6］:a.酶水解法:水解的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都很高、污染小，但酶成本高、來源少，生物活性不夠，我國還處于開發(fā)階段;b.高、中壓水解法:產(chǎn)量高，但投資大、能耗大、脂肪酸顏色深，在高壓條件下，部分脂肪酸易發(fā)生分解和重排;c.皂化酸化法:產(chǎn)量高、投資小、能耗低、脂肪酸顏色淺，脂肪酸一般不會(huì)發(fā)生分解氧化等副反應(yīng)，但耗酸、耗堿多。目前小桐子油脂應(yīng)用更多的是用于生物柴油制備［7－8］，而對(duì)其水解制備脂肪酸及對(duì)其中大量多不飽和脂肪酸深加工的利用鮮見報(bào)道。本文采用產(chǎn)量高，投資少，能保持脂肪酸生理活性成分的皂化酸化法對(duì)小桐子油脂水解工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，并考察該工藝條件對(duì)其他四種木本油脂皂化酸化的效果;通過分析各種油脂脂肪酸成分，研究其在醫(yī)藥和營養(yǎng)品等方面應(yīng)用的可實(shí)現(xiàn)性，為這幾種植物油脂脂肪酸制備及不飽和脂肪酸高附加值的開發(fā)利用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)原料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原料小桐子油、桐油、棕櫚油、光皮油和大豆油均為市售;氫氧化鈉、乙醇、甲醇、氯仿、硫代硫酸鈉、碘化鉀、冰醋酸、一氯化碘、鹽酸等試劑 均為分析純;四甲基氫氧化銨 25%水溶液。

Agilent GC－MS聯(lián)用儀 色譜型號(hào)Agilent technologies 6890N Network GC system，質(zhì)譜型號(hào)Agilent 5973 Network Mass Selective Detector，進(jìn)樣器型號(hào)7683 Series Injector;RE－52C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，SH2－Ⅲ循環(huán)水真空泵，DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，JA1003電子天平，KHG－9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 油脂堿性水解制備脂肪酸 將7.4g NaOH溶于25mL蒸餾水后與50mL乙醇一起轉(zhuǎn)入三口燒瓶中，油脂從分液漏斗恒速滴加到三口燒瓶，機(jī)械攪拌均勻，70℃下滴加反應(yīng)1.5h，保溫2h，冷卻到室溫后滴加鹽酸至pH3～4，室溫下繼續(xù)保溫1h后，靜置分層，下層為粗甘油相，上層為粗脂肪酸，上層水洗(50mL蒸餾水)1次，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去溶劑乙醇得粗脂肪酸?？疾旆磻?yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、醇水比對(duì)脂肪酸得率、酸值的影響，獲得較佳工藝條件。

1.2.2 脂肪酸成分和含量分析 脂肪酸甲酯化法及氣－質(zhì)聯(lián)用法參照文獻(xiàn)［9］。Agilent GC－MS聯(lián)用儀，氣相色譜條件:HP－5毛細(xì)管柱(30m×0.32mm×0.5μm);進(jìn)樣溫度250℃;檢測器溫度250℃;以氮?dú)鉃檩d氣;升溫程序?yàn)?00℃，保持2min后，以5℃/min升到250℃，然后保持5min;進(jìn)樣量1μL。質(zhì)譜條件:70eV;電子能量:燈絲發(fā)射電流200μA;離子源溫度200℃;接口溫度250℃。成分鑒定主要依據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫NIST02進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)完成，根據(jù)數(shù)據(jù)庫所提供的脂肪酸的相對(duì)豐度計(jì)算出各脂肪酸的相對(duì)含量。

1.2.3 脂肪酸得率及理化指標(biāo)測定

式中:Y－脂肪酸得率，%;m1－脂肪酸實(shí)驗(yàn)值，g;m2－脂肪酸理論值，g(理論脂肪酸得率按十八碳烯酸C18H34O2計(jì)算)。

酸值的測定:參照 GB/T5530－1998;碘值的測定:參照 GB9104.1－88。

2 結(jié)果與討論

2.1 小桐子油脂堿性水解制備脂肪酸

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)脂肪酸得率、酸值的影響 油相是油脂水解的主要場所，水在油相中的溶解度是主導(dǎo)反應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。溫度升高，油和水的互溶能力增強(qiáng)，相間界面張力減小，達(dá)到某一臨界溫度時(shí)，相間界面張力變?yōu)榱?，分界面消失，組分完全互溶，體系由非均相變?yōu)榫?，水解反?yīng)速度大大加快，同時(shí)還有利于水在油相中分散度的增加［10］。如表1所示，反應(yīng)溫度較低時(shí)，皂化不完全，脂肪酸的得率和酸值都偏低。水解率在80℃和70℃無較大差異，基本趨于平衡。原因是在70℃之前，隨著溫度的升高，皂化程度相應(yīng)加大，到70℃時(shí)水解已達(dá)平衡。

表1 小桐子油水解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 醇水比對(duì)脂肪酸得率、酸值的影響 小桐子油皂化過程中生成的脂肪酸鈉是一種表面活性物質(zhì)，與反應(yīng)體系中的水接觸時(shí)，親水性的一端會(huì)溶于水中，疏水基的一端則會(huì)脫離并排在水面上，攪動(dòng)水時(shí)空氣將會(huì)進(jìn)入水中，此時(shí)疏水基會(huì)包住空氣成為氣泡，出現(xiàn)起泡的現(xiàn)象。乙醇是較好的消泡劑，使用乙醇作為皂和水的互溶劑，能夠減少脂肪酸鈉形成的泡沫，避免起泡。因?yàn)樵黾哟妓饶茉鰪?qiáng)水與皂的互溶能力，使體系由非均相變?yōu)榫啵瑥亩鴾p少兩相間的界面張力，提高水解度，加快油脂皂化速度，使反應(yīng)體系均勻穩(wěn)定。如表1所示，當(dāng)醇水比為0∶1和1∶1時(shí)，雖然得率和酸值都很高，但在實(shí)驗(yàn)滴加反應(yīng)過程中，液體粘稠，攪拌困難，反應(yīng)生成的脂肪酸鈉形成了豐富的泡沫，出現(xiàn)比較嚴(yán)重的起泡現(xiàn)象。隨著乙醇/水比例增加，反應(yīng)體系均勻穩(wěn)定，皂化充分，脂肪酸酸值和油得率都很高。但是隨著乙醇/水比例由4∶1增加到6∶1時(shí)，酸值和得率都呈現(xiàn)下降趨勢，原因可能是隨著乙醇/水比例的增加，NaOH溶解度減小，導(dǎo)致NaOH與油的接觸不充分，皂化不完全，使得酸值下降。同時(shí)，過多的醇和水會(huì)降低設(shè)備的利用率。綜合考慮實(shí)驗(yàn)確定乙醇/水(v/v)的比為2∶1。

表3 五種植物油脂脂肪酸組成及含量

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脂肪酸得率、酸值的影響 在一定程度范圍內(nèi)，脂肪酸的酸值和得率隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增加，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，水解程度具有一恒定值。如表1所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在0.5h時(shí)，油脂皂化不完全，導(dǎo)致中和時(shí)獲得脂肪酸減少，酸值偏低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1.5h時(shí)，得率為97.30%，酸值為200.85mgKOH/g，反應(yīng)時(shí)間增加到 2h時(shí)，得率為98.66%，酸值為196.80mgKOH/g;即隨著皂化時(shí)間的延長，油的水解率先上升，而后趨于平緩態(tài)勢。這是因?yàn)殡S著皂化時(shí)間的增加，油的皂化程度加深，但是隨著皂化時(shí)間的進(jìn)一步延長，油已皂化完全，對(duì)得率和酸值的影響都不大。所以，再延長皂化反應(yīng)時(shí)間只會(huì)造成能源消耗增加，設(shè)備利用率降低，對(duì)提高水解程度沒有意義。總體來看，選擇皂化時(shí)間為1.5h，在水解達(dá)到較高水平的同時(shí)還可以獲得相對(duì)較高的酸值和得率。

綜上所述，堿性水解小桐子油脂制備脂肪酸的較佳工藝條件為:皂化時(shí)間1.5h，皂化溫度70℃，乙醇/水比例(v/v)為2∶1，皂化后保溫2h，鹽酸中和后常溫下攪拌保持1h。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)方案重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，重現(xiàn)性好。所得脂肪酸得率、酸值和碘值的平均值分別為:98.25%、203.67mgKOH/g和109.89g/100g。

2.2 不同油脂堿性水解制備脂肪酸

將大豆油、桐油、棕櫚油、光皮油按小桐子油脂水解的較佳工藝條件提取脂肪酸，考察該水解工藝條件對(duì)不同原料的適用情況。在該較佳工藝條件下，這四種油脂制備脂肪酸的情況如表2所示，脂肪酸得率約98.66%、酸值約199.32mgKOH/g，特別是光皮油，脂肪酸得率接近100%，比桐油脂肪酸的顏色相對(duì)深些，這與其脂肪酸甘油酯的組成有關(guān)，脂肪酸中桐油不飽和度含量很高，熱穩(wěn)定性相對(duì)差些。但當(dāng)桐油皂化的其他條件都不變只將溫度調(diào)為60℃時(shí)，所得脂肪酸保持了很高的得率和酸值，脂肪酸顏色也變?yōu)闇\黃色?？梢姡摴に嚄l件對(duì)這五種植物油脂的水解具有較高的可行性和有效性。

表2 不同植物油脂水解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 不同植物油脂脂肪酸的組成和含量

五種油脂的脂肪酸經(jīng)甲酯化處理及GC－MS檢測后，鑒定出9～10種脂肪酸甲酯(桐油14種)，并經(jīng)面積歸一化法確定它們的含量，結(jié)果如表3所示。

由表3可看出，五種油脂中多不飽和脂肪酸含量次序?yàn)橥┯?85.36%)＞大豆油(58.01%)＞棕櫚油(56.81%)＞光皮油(55.31%)＞小桐子油(42.16%)，這也正與表3反映不飽和度的碘值的高低次序一致。其中，大豆油、棕櫚油、光皮油和小桐子油四種植物油脂脂肪酸各組分的出峰時(shí)間基本一致，所含成分基本相同，一般都含有9～10種脂肪酸。且油脂中脂肪酸主要成分都是亞油酸、亞油酸異構(gòu)體7，10－十八碳二烯酸、油酸。亞油酸(光皮油:28.44%、大豆油:24.95%、小桐子:25.15%、棕櫚油:36.72%)為人體內(nèi)不能合成而又必需的生理活性物質(zhì)，它通過EPA途徑可生成γ－亞麻酸，并最終生成前列腺素，從而參與調(diào)節(jié)人體的各種基本生理過程，包括調(diào)節(jié)血壓、膽固醇合成、細(xì)胞增生等，它具有增強(qiáng)細(xì)胞膜通透性，阻止心肌組織和動(dòng)脈硬化等功能，對(duì)機(jī)體有多方面的作用［11］。油酸(光皮油:26.40%、大豆油:25.21%、小桐子:35.68%、棕櫚油:20.39%)可促進(jìn)人體生長發(fā)育，降低低密度脂蛋白膽固醇的效果，可預(yù)防動(dòng)脈硬化，且不降低對(duì)人體有益的高密度脂蛋白膽固醇水平［11］。同時(shí)，在烹飪和色拉油成分中的作用極為重要［12］。桐油中脂肪酸主要成分與其他四種相差較大，主要是油酸(13.83%)及亞油酸(5.71%)含量較低。亞油酸異構(gòu)體8，11－十八碳二烯酸24.37%、α－亞麻酸(9，12，15－十八碳三烯酸)52.77%、γ－亞麻酸(6，9，12－十八碳三烯酸)7.24%、6－丁基－1，4－環(huán)庚二烯9.78%。亞麻酸是 EPA和DHA的前體，與EPA和DHA一樣都具有降血脂、降血壓、促進(jìn)脂肪代謝、抑制血小板凝集、減少血栓的形成、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、提高記憶力、抗炎、抗過敏、抗腫瘤等作用［13－14］。另外，五種植物油脂中具有生物活性脂肪酸成分(油酸、亞油酸及亞麻酸)含量次序?yàn)橥┯?79.55%)＞小桐子油(60.83%)＞棕櫚油(57.11%)＞光皮油(54.84%)＞大豆油(50.11%)，可見五種植物油脂中具有生理活性的脂肪酸成分或多不飽和脂肪酸成分含量都很高，可在營養(yǎng)品和藥物方面的開發(fā)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)人類醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展也將具有非常重要的研究及應(yīng)用價(jià)值。

而對(duì)于目前未證明的具有生物活性的亞油酸異構(gòu)體7，10－十八碳二烯酸(光皮油:21.23%、大豆油:22.99%、小桐子:15.05%、棕櫚油:18.59%)及桐油中亞油酸異構(gòu)體8，11－十八碳二烯酸(24.37%)可應(yīng)用于制取礦石浮選劑、油田化學(xué)品、合成脂肪胺、脂肪醇等表面活性劑中，生產(chǎn)涂料中的二聚酸、三聚酸、聚酰胺樹脂及淺色醇酸樹脂等［15］。

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)過單因素實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化得到堿性水解小桐子油脂的較佳工藝條件:皂化時(shí)間1.5h，皂化溫度70℃，乙醇/水比例(v/v)為2∶1，皂化后保溫2h，降溫至常溫并鹽酸中和后攪拌保持1h。該條件下，所得脂肪酸得率、酸值和碘值的平均值分別為:98.25%、203.67mgKOH/g和109.89g/100g。

3.2 將桐油、光皮油、棕櫚油和大豆油對(duì)堿性水解小桐子油脂的工藝條件進(jìn)行適用性考察，得出該水解工藝條件對(duì)這四種植物油脂的適用性都很高，脂肪酸得率約98.66%，酸值約199.32mgKOH/g。

3.3 通過GC－MS分析五種植物油脂脂肪酸組成和含量，五種油脂中多不飽和脂肪酸含量次序?yàn)橥┯停敬蠖褂停咀貦坝停竟馄び停拘⊥┳佑?。大豆油、棕櫚油、光皮油和小桐子油四種植物油脂脂肪酸成分基本相同，主要成分都是亞油酸、亞油酸異構(gòu)體7，10－十八碳二烯酸、油酸。桐油中脂肪酸與其他四種油脂成分區(qū)別較大，含有大量三價(jià)不飽和脂肪酸。其主要成分有油酸13.83%、亞油酸異構(gòu)體8，11－十八碳二烯酸24.37%、亞麻酸60.01%、6－丁基－1，4－環(huán)庚二烯9.78%。

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Study on the hydrolysis processing of different vegetable oil and compositions of unsaturated fatty acid

LV Wei，JIANG Jian－chun*，XU Jun－ming

(Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF;Key and Open Lab on Forest Chemical Engineering，SFA;Key Lab of Biomass Energy and Material，Nanjing 210042，China)

The preferable condition of basic hydrolysis for Jatropha curcas L.seed oil was oil－water of mass ratio 2∶1，ethanol－water of volume fraction 2∶1，1.5h for saponification at 70℃.The average of yield，acid value and iodine value of fatty acid were 98.25%，203.67mgKOH/g and 109.89g/100g.The applicability of the process conditions of hydrolysis was investigated through applicable experiments using cornus wilsoniana seed oil，tung oil，palm oil and soybean oil.The experimental results indicated that the yield and acid value of fatty acid in different vegetable fat were about 98%and 199mgKOH/g.After esterification the fatty acid was analyzed by GC－MS，components and contents have been identified.Large numbers of unsaturated fatty acids were found in these five vegetable oil，whose contents were tung oil(94.88%)＞soybean oil(84.07%)＞cornus wilsoniana seed oil(81.90%)＞Jatropha curcas L.seed oil(77.84%)＞palm oil(77.19%).The contents of these polyunsaturated fatty acids of five vegetable oil were tung oil(85.36%)＞soybean oil(58.01%)＞palm oil(56.81%)＞cornus wilsoniana seed oil(55.31%)＞Jatropha curcas L.seed oil(42.16%).The main components of fatty acid of Jatropha curcas L.seed oil，cornus wilsoniana seed oil，palm oil and soybean oil were oleic acid，linoleic acid and 7，10－octadecaienoic acid.While the main components of fatty acid of tung oil were significant different from other vegetable oil，including a mass of an unsaturated fatty acid whose carbon chain had triple valence bond per molecule.The main components were oleic acid(9－octadecenoic acid)，8，11－octadecaienoic acid and linolenic acid(9，12，15－octadecatrienoic acid，6，9，15－octadecatrienoic acid)，whose contents were 13.83%，24.37%and 60.01%.

Jatropha curcas L.seed oil;cornus wilsoniana seed oil;tung oil;palm oil;soybean oil;hydrolysis;fatty acid

TS221

A

1002－0306(2011)09－0076－04

2010－08－18 *通訊聯(lián)系人

呂微(1984－)，女，碩士生，從事生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的研究。

國家林業(yè)局公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(200904008，CAFYBB2008028);國家863計(jì)劃(2009AA05Z437);國家自然基金(30700634);江蘇省基金(BK2009545)。