何壽林，徐 瑋，辛高峰，孫 成

（武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

ω－3系列多不飽和脂肪酸作為一種功能性保健食品，具有預(yù)防和治療心血管疾?。?］、改善記憶力和益智［2－3］等功效，但其產(chǎn)品多以品質(zhì)和安全得不到保證的游離脂肪酸型和乙酯型存在，研究證明甘油酯型是最好的產(chǎn)品形式［4－5］．

多不飽和脂肪酸甘油酯的合成主要有生物酶法［6－7］、化學(xué)催化法［8－9］和無催化合成法［10］．生物酶法的缺點(diǎn)為反應(yīng)中有有機(jī)溶劑的存在，不可避免溶劑殘留在產(chǎn)物中，影響產(chǎn)物的品質(zhì)且生產(chǎn)周期長，轉(zhuǎn)化率低．傳統(tǒng)化學(xué)方法合成甘油酯多采用強(qiáng)堿（KOH、NaOH）等作催化劑，存在反應(yīng)溫度過高，產(chǎn)品色澤差，需要水洗、中和、干燥等后處理工序，并且設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、有三廢排放、對環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)．無催化合成法所得產(chǎn)品色澤清亮，無溶劑殘留，后續(xù)處理簡單，不會造成環(huán)境污染且易于擴(kuò)大化生產(chǎn)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要藥品和儀器

KOH，分析純；丙三醇，分析純；多不飽和脂肪酸產(chǎn)自山東東營廣元生物工程有限公司．純SHB－Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；AR1140電子分析天平；GC－9790氣相色譜儀；HP6890GC／5973MSD氣質(zhì)聯(lián)用色譜分析儀．

1．2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟在文獻(xiàn)［11］里已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述．

1．3 分析方法

1．3．1 酸值的測定 魚油酸值的測定方法及計算公式詳見文獻(xiàn)［12］．

式中：v——中和滴定所耗 KOH 的體積，單位m L；

c——標(biāo)準(zhǔn)KOH溶液的濃度，單位mol／L．

1．3．2 轉(zhuǎn)化率的計算 采用上步酸值的結(jié)果，計算多不飽和脂肪酸的轉(zhuǎn)化率．

式中：A．V1．——產(chǎn)物的酸值，單位 mg（KOH）／g；

A．V0．——原料的酸值，單位 mg（KOH）／g．

2 結(jié)果與討論

2．1 多不飽和脂肪酸甘油酯的合成路線

多不飽和脂肪酸甘油酯的合成反應(yīng)是在減壓條件下加熱進(jìn)行的，因此可以假設(shè)為吸熱不可逆反應(yīng)．多不飽和脂肪酸甘油酯的合成反應(yīng)是復(fù)雜的連續(xù)反應(yīng)，產(chǎn)物有甘一酯、甘二酯、甘三酯等，反應(yīng)流程為：

流程圖中G為丙三醇，M1為1－甘一酯、M2為2－甘一酯、D1，2／D1，3為甘二酯、T為甘三酯．

2．2 合成產(chǎn)物的鑒定

2．2．1 薄層色譜法鑒定產(chǎn)物的組成 將紅花油標(biāo)樣通過以硅膠G板為固定相、以氯仿／丙酮／甲醇（體積比為95／4．5／1．5）為展開劑的薄層板進(jìn)行薄層色譜分析得到標(biāo)樣的色譜圖（1＃），將合成的產(chǎn)物通過柱色譜分成三個樣品（2＃、3＃和4＃），通過薄層色譜分析分別得到色譜圖，結(jié)果見圖1．

圖1 合成產(chǎn)物的薄層色譜圖Fig．1 TLC of the synthetic products graph

以主要成分為甘三酯的紅花油作為標(biāo)樣，通過對其薄層色譜圖（圖1 1＃）的位移與所合成產(chǎn)物的薄層色譜圖對比可知，2＃與1＃的位移最為接近，推斷其為甘油三酯．從合成反應(yīng)路線可知，既然有三酯生成，產(chǎn)物中必定存在一酯和二酯，推斷3＃為甘二酯，4＃為單甘酯．為了進(jìn)一步鑒定甘油酯的存在形式，對薄層色譜的2＃、3＃、4＃樣品進(jìn)行了紅外吸收光譜的分析．

2．2．2 紅外光譜分析結(jié)果 圖2為薄層色譜分析2＃、3＃和4＃樣品以及5＃標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外吸收光譜圖．

由圖2可知，在3 670～3 230 cm－1區(qū)內(nèi)，2＃、3＃和4＃譜圖的峰面積變化較大，因?yàn)橛坞x的羥基產(chǎn)生的吸收峰尖銳，出峰位置大于3 600 cm－1；而氫鍵的形成又會導(dǎo)致吸收峰向低波數(shù)移動，出峰位置小于3 600 cm－1，隨締合程度的增大，峰越來越寬，越向低波數(shù)處靠近．4＃譜圖在3 350～3 250 cm－1處出現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)樣5＃類似的較寬峰，即硬脂酸甘一酯分子中羥基的伸縮振動區(qū)，可以確定4＃為甘一酯．譜圖表示，2＃樣品羥基伸縮振動區(qū)的峰面積最小，根據(jù)前面的分析可推斷其為甘三酯，與薄層色譜分析結(jié)論一致．3＃的羥基伸縮振動區(qū)的峰面積介于2＃與4＃之間，推斷其為甘二酯．綜上分析，推斷2＃、3＃和4＃樣品分別為甘一酯、甘二酯和甘三酯．

圖2 合成產(chǎn)物的紅外吸收光譜Fig．2 Infrared absorption spectrum（IR）of the synthetic products graph

2．2．3 通過GC－MS分析鑒定產(chǎn)物的成分 取一定量的樣品，用GC－MS儀分析產(chǎn)物中脂肪酸的成分．見圖3及表1．

圖3 魚油的總離子流圖Fig．3 Total ion flow diagram of fish oil graph

表1 魚油脂肪酸成分分析Table 1 Component analysis of the fatty acids of fish oil

通過GC－MS分析可知產(chǎn)物中含有多種ω系列多不飽和脂肪酸，包括二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）．

2．2．4 氣相色譜分析產(chǎn)物中脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

取一定量的樣品，用氣相色譜儀分析魚油中主要脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，色譜圖見圖4，用面積歸一法得出脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2．

圖4 合成產(chǎn)物色譜圖Fig．4 GC graph of the synthetic products

表2 合成產(chǎn)物中主要脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 The content of primary fatty acids of the synthetic products

通過氣相色譜分析，可知產(chǎn)物中EPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34．91%，DHA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22．83%．

通過前面的分析，可以判斷出多不飽和脂肪酸甘油酯合成的產(chǎn)物主要是由多不飽和脂肪酸為碳鏈的甘一酯、甘二酯和甘三酯組成．

表3 試驗(yàn)因素和水平Table 3 Factors and levels

2．2 回歸方程的建立

本實(shí)驗(yàn)在前期研究單因素多水平和一次正交實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對多不飽和脂肪酸甘油酯合成工藝［11］進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，分別取用x1、x2和x3表示溫度、時間和醇酸比，對于評價指標(biāo)多不飽和脂肪酸的轉(zhuǎn)化率用y表示，做二次回歸正交試驗(yàn)．試驗(yàn)因素水平表見表3．二次正交回歸矩陣及結(jié)果見表4，采用Fortran程序?qū)Χ握辉囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，并進(jìn)行方差分析，得出回歸方程的回歸系數(shù)及各項(xiàng)回歸方程方差分析的各項(xiàng)值，見表5和表6．

表4 二次正交回歸矩陣及結(jié)果Table 4 The results of quadratic orthogonal combination design

表5 回歸方程的回歸系數(shù)值Table 5 Regression coefficient value of regression equation

通過對回歸結(jié)果分析，剔除對結(jié)果的很不顯著項(xiàng)，可以得出回歸方程：

式中：y－多不飽和脂肪酸的轉(zhuǎn)化率，%；

x1－溫度，℃；

x2－時間，h；

x3－醇酸比．

表6 多不飽和脂肪酸甘油酯合成回歸模型方差分析表Table 6 Range analysis of regression model of the synthesis of PUFAs glyceride

通過偏微分求出極值，可以計算出x1＝0．603，x2＝0，x3＝－0．162

可以計算出極值對應(yīng)的各因素的值：

A＝194．28，B＝5，C＝0．94

即多不飽和脂肪酸甘油酯合成的最優(yōu)工藝條件為：溫度為194．28℃，時間5 h，醇酸比0．94，其轉(zhuǎn)化率為93．06%．

2．3 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

從表4中隨意選取8組數(shù)據(jù)，在對應(yīng)條件下用回歸方程求出回歸值y，與多不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化率的實(shí)驗(yàn)值相比較，結(jié)果見表7．

表7 實(shí)驗(yàn)值與回歸值的比較Table 7 Comparison between experimental value and regression value

從表7可知，通過回歸方程得出的回歸值與實(shí)驗(yàn)值的比較得出其平均相對誤差為3．62%，證明利用二次回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計求得的溫度、時間和醇酸比三個因素對多不飽和脂肪酸甘油酯合成影響的數(shù)學(xué)模型是可行的，具有一定的實(shí)用價值．

3 結(jié) 語

a．通過薄層色譜、紅外光譜和GC－MS對產(chǎn)品進(jìn)行分析，得出多不飽和脂肪酸甘油酯合成的主要產(chǎn)物是由多不飽和脂肪酸為碳鏈的甘一酯、甘二酯和甘三酯．

b．通過二次回歸正交試驗(yàn)研究得出，多不飽和脂肪酸甘油酯合成的最優(yōu)工藝條件為：溫度為194．28 ℃，時間 5 h，醇酸比 0．94，其轉(zhuǎn)化率為93．06%．

c．通過二次回歸數(shù)據(jù)，擬合多不飽和脂肪酸甘油酯合成的回歸方程為：y＝0．920＋0．035x1＋對擬合方程進(jìn)行驗(yàn)證，回歸值與實(shí)驗(yàn)值平均相對誤差為3．62%，證明了設(shè)計求得的溫度、時間和醇酸比三個因素對多不飽和脂肪酸甘油酯合成影響的數(shù)學(xué)模型的可靠性，具有一定的實(shí)用價值．

致謝

感謝研究生黃奠坤對實(shí)驗(yàn)過程給予的幫助，感謝研究生張紅麗在論文寫作中的貢獻(xiàn)．

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