羅麗萍，藍(lán)雅惠，胡冰峰，張 茜，郭夏麗

南昌大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，南昌 330031

白木通(Akebia trifoliata)為木通科木通屬纏繞木質(zhì)藤本植物，也稱三葉木通，在中國分布廣泛，多生長在氣候溫和濕潤，海拔300～2100 m的荒野山坡、灌叢及溝谷疏林中，栽培中不占用糧田，可利用現(xiàn)存丘陵山地，主要是森林砍伐后的跡地和墾荒后殘留的荒山草地開采利用［1-3］，一般畝產(chǎn)種子可達(dá)400 kg左右，且種子含油量高。

石化燃料是當(dāng)前人類使用的主要能源，但其日益消耗殆盡，同時造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，生物柴油以其優(yōu)越的環(huán)保性能受到了各國政府的重視。生物柴油是生物質(zhì)能的一種，它是生物質(zhì)利用熱裂解等技術(shù)得到的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯。世界各地發(fā)展生物柴油的原料有所差異。歐洲多用菜籽油和葵花籽油，美國為大豆油，巴西為蓖麻籽，東南亞等地用棕櫚油，日本是利用餐飲廢油和農(nóng)林廢棄物。中國是“貧油國”，食用油短缺，生物柴油的發(fā)展要做到“不與人爭糧、不與糧爭地”，目前主要發(fā)展方向是通過利用邊際土壤，種植含油脂的植物。但已有的油脂植物均為草本或木本油料植物，尚無藤本油料作物。

生物柴油的制備方法一般有物理法、化學(xué)法和生物酶法。其中化學(xué)法包括高溫?zé)崃呀夥ê王ソ粨Q法。酯交換反應(yīng)也稱為轉(zhuǎn)酯或醇解，是用一種醇置換甘油三酯(動植物油脂)中的甘油，即動植物油脂和醇在催化劑作用下進(jìn)行酯交換反應(yīng)生成脂肪酸酯和甘油。酯交換法制備生物柴油是用各種動物或植物油脂與甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低碳醇在催化劑的作用下反應(yīng)而成，是常用的生物柴油制備方法。

為開發(fā)新型油料植物，拓展我國生物柴油新資源，本文較為系統(tǒng)地評價了白木通種子油的理化特性，并采用響應(yīng)面分析法，優(yōu)化其制備生物柴油的工藝。研究結(jié)果可為白木通種子油的開發(fā)利用提供理論依據(jù)，為我國生物柴油生產(chǎn)提供新的資源。

1 材料與方法

1.1 材料

白木通種子:由九江市回歸生物科技發(fā)展有限公司提供。種子洗凈后放入真空干燥箱，40℃干燥24 h，粉碎后備用。

1.2 儀器

Agilent-6890N/5973i氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷侖公司):色譜柱:毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm);HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋(上海國華電器有限公司);RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠);GG-17索氏抽提器(四川蜀玻集團(tuán))。

1.3 方法

1.3.1 種子油的提取及脂肪酸甲酯化

將粉碎的種子用濾紙包好，放入索氏提取器抽提筒中，注入80 mL的無水乙醚回流浸提，6 h后過濾。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，無水硫酸鈉除水。整個回流浸提與蒸發(fā)除溶劑除水操作步驟重復(fù)3次［4］。得白木通種子油，得率(種子油重/種子重×100%)為32.76%。待用。

取0.5 mL白木通種子油于容量瓶中，加入2 mL正己烷，1 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液，70℃水浴10 min，冷卻后再加入10 mL蒸餾水，超聲、離心，取上層清夜，待測。

1.3.2 GC-MS測定種子油的脂肪酸組成［5］

GC條件:氣化室溫度280℃，柱溫70～270℃，進(jìn)樣口溫度280℃，載氣N2，進(jìn)樣量為1 μL，分流比為20∶1;升溫程序:從70℃開始，先以10℃/min升至200℃，再以2℃/min升至220℃，維持1 min，再以8℃/min升至270℃，維持5 min結(jié)束。

MS條件:加速電壓4 kV，EI離子源，離子源溫度200℃，電子能量70 eV，掃描范圍30～550 amu，掃描速度6℃/min。以峰面積歸一化法半定量。

1.3.3 其它理化指標(biāo)的測定

含水量:根據(jù) GB 260-77［6］測定;碘值:根據(jù)GB/T 5532-2008［7］測定;酸值:根據(jù) GB/T 5530-1998［8］測定;皂化值:根據(jù) GB/T 5534-1995［9］測定;過氧化值:根據(jù) GB/T 5538-1995［10］測定;凝固點:根據(jù) GB/T 510［11］測定;閃點:根據(jù) GB/T 261［12］測定;冷濾點:根據(jù) SH/T 0248［13］測定。

1.3.4 酯交換反應(yīng)制備生物柴油［5］

過量的游離脂肪酸和水會產(chǎn)生皂化反應(yīng)，使催化劑中毒，不利于酯交換反應(yīng)正常進(jìn)行。因此，必須對白木通種子油進(jìn)行降酸和除水處理。將1.3.1獲得的白木通種子油按醇油摩爾比6∶1加入甲醇，濃硫酸催化劑用量為油重的1%，在65℃下反應(yīng)1.5 h后，將反應(yīng)物靜置與分液漏斗一段時間后，分出下層油相，用減壓蒸餾除去殘余甲醇［14］，除水。取一定量進(jìn)行降酸處理后的種子油于250 mL錐形瓶中，加入催化劑KOH與甲醇的混合液(催化劑用量為1%)，置于60℃的恒溫?fù)u床中反應(yīng)一段時間，反應(yīng)結(jié)束后倒入分液漏斗中進(jìn)行靜置，分離出下層甘油，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將上層生物柴油粗品蒸餾脫除過量甲醇，用溫水洗滌數(shù)次至中性，減壓蒸餾除去殘存的水、甲醇、甘油單酸酯、甘油二酸酯、甘油三酸酯等雜質(zhì)，得淡黃、透明的脂肪酸甲酯，即生物柴油。

生物柴油轉(zhuǎn)化率由脂肪酸甲酯的轉(zhuǎn)化率表示［5］。

生物柴油轉(zhuǎn)化率(%)=(實際得到甲酯質(zhì)量÷理論應(yīng)得甲酯質(zhì)量)×100%

其中:實際得到甲酯質(zhì)量=色譜分析中甲酯含量×甲酯化所得甲酯質(zhì)量。色譜分析中甲酯含量由1.3.3中峰面積歸一化法半定量可得。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化生物柴油制備工藝

單因素試驗表明，醇油摩爾比、反應(yīng)時間及催化劑用量3個因素對白木通種子油生物柴油產(chǎn)品中脂肪酸甲酯含量的影響較大。在反應(yīng)溫度60℃條件下，運用Design Expert響應(yīng)面軟件采用Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計，考察了反應(yīng)時間(X1)、醇油摩爾比(X2)和催化劑用量(X3)對白木通種子油生物柴油產(chǎn)品中脂肪酸甲酯含量(Y)的影響。設(shè)計三因素三水平試驗，共15個試驗點。其中12個為分析因子，3個中心實驗點。試驗因素水平見表1。

表1 因素水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 白木通種子油的脂肪酸組成

通過GC-MS從白木通種子油中鑒定出5種脂肪酸(圖1)，其中不飽和脂肪酸油酸和亞油酸相對含量分別為43.39%和23.2%，占脂肪酸總量的66.59%;飽和脂肪酸硬脂酸、棕櫚酸和豆蔻酸的相對含量分別為3.22%、29.93%和0.26%，占脂肪酸總量的33.41%。德歐美的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于植物油脂質(zhì)量評價體系規(guī)定，植物油酯的碳鏈長度須在C12-C22之間才能保證所制備生物柴油的燃燒性能［15］，白木通種子油脂肪酸碳鏈長度范圍在C14-C18之間，符合上述標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 白木通種子油脂肪酸甲酯總離子流色譜圖Fig.1 GC-MS total ion chromatogram of A．trifoliata seed oil

2.2 白木通種子油的理化指標(biāo)

經(jīng)測定，白木通種子油的含水量、碘值、酸值、皂化值、過氧化值、凝固點、閃點和冷濾點分別為32.76%、0.36%、67.89 g/100 g、8.85 mg KOH/g、235.03 mg KOH/g、47.08 mmol/kg、-12 ℃、215 ℃和-7℃。

生物柴油的碘值、十六烷值等特性是由原料植油的特性決定的，酯化反應(yīng)前后的脂肪酸和脂肪酸甲酯也是對應(yīng)的，因此，可以通過對植物油理化性質(zhì)的分析，來評估其用于生物柴油生產(chǎn)的可能性［16-18］。

堿催化法制備生物柴油對原料的酸值和含水量要求比較高。以氫氧化鉀等堿催化劑時，常常要求油料酸值小于1.5 mg KOH/g，水分小于0.06%。白木通種子油含水量為0.36%，酸值為8.85 mg KOH/g，所以需要對白木通種子油進(jìn)行降酸和降水處理，才能進(jìn)一步制備生物柴油。

油脂平均相對分子質(zhì)量可由皂化值和酸值計算出［19］，計算式為:M=56.1 ×3 ×1000/(SV-AV)，SV為皂化值，AV為酸值。經(jīng)計算得其分子量為M=744.1 g/mol，偏大，油脂的平均相對分子質(zhì)量越小，則流動性越好，因而，該油流動性不是很好。

油脂不飽和度由碘值度量，碘值高，則油脂中不飽和脂肪酸的含量高。但是不飽和程度太高，所制備的生物柴油在燃燒過程中會使甘油三酯發(fā)生聚合反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生沉積物，阻塞發(fā)動機。因此在德國和歐盟的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定了碘值的最大值分別為115 g/100 g 和120 g/100 g［15］。白木通種子油的碘值為67.89 g/100 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述標(biāo)準(zhǔn)。

十六烷值是評價燃料油點火性能、白煙影響及燃燒強度的重要指標(biāo)。十六烷值高的燃料自燃點低、燃燒發(fā)熱均勻，生物柴油在發(fā)動機中運行更流暢，噪音更小，可降低發(fā)動機機械負(fù)荷。我國柴油機燃料調(diào)和用生物柴油(BD100)中規(guī)定，十六烷值不得小于49。十六烷值可通過以下公式估算:十六烷值=46.3+(5458÷SV)-(0.225×IV)，SV為皂化值，IV為碘值［20］。計算得白木通種子油十六烷值約為84.8，高于49。

2.3 響應(yīng)面分析

試驗分析結(jié)果見表2。對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果見表3。

從表4中可以看出，模型P=0.0001＜0.01，表明回歸模型極顯著;失擬項P=0.0678＞0.05，不顯著;回歸模型的決定系數(shù)R2=0.9937，說明該模型的擬合度良好，試驗誤差比較小，可以以該模型對生物柴油中脂肪酸甲酯的含量進(jìn)行預(yù)測和分析。經(jīng)回歸擬合后，以上3個試驗因素對響應(yīng)值的影響可用回歸方程表示為:Y=98.61+4.35X1+3.29X2+6.49X3-0.21X1X2-0.78X1X3+0.20X2X3-3.69-2.32-7.68。該回歸方程中，X1、X2、X3的一次項系數(shù)比較大，且X3＞X1＞X2。說明這3個因素中，對反應(yīng)進(jìn)程影響最大的是催化劑用量，其次是反應(yīng)時間，最后是醇油摩爾比。

表2 響應(yīng)面分析試驗結(jié)果Table 2 Response surface analysis of the testing results

表3 回歸分析表Table 3 Results of regression analysis

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化

利用Design Expert響應(yīng)面軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合。所得響應(yīng)面見圖2。

圖2 響應(yīng)面關(guān)系圖:(1)A:反應(yīng)時間(X1)和B:醇油摩爾比(X2);(2)A:反應(yīng)時間(X1)和C:催化劑用量(X3);(3)B:醇油摩爾比(X2)和C:催化劑用量(X3)Fig.2 Response Surface Mapping:(1)A:Reaction time(X1)and B:Methanol/oil molar ratio(X2);(2)A:Reaction time(X1)and C:Amount of catalyst(X3);(3)B:Methanol/oil molar ratio(X2)，and C:Amount of catalyst(X3)

從圖2可以看出，脂肪酸甲酯含量和反應(yīng)時間呈正相關(guān)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到80 min左右時，脂肪酸甲酯含量非常高，隨著時間的后移，脂肪酸甲酯的含量增加并不明顯;當(dāng)醇油摩爾比增加，脂肪酸甲酯含量也不斷增加，當(dāng)醇油摩爾比達(dá)到6.7∶1時，脂肪酸甲酯含量達(dá)到最大，此時，繼續(xù)增大醇油摩爾比效果不顯著，且甲醇過量，會使后期甘油分離更加困難，增加分離和回收的成本;催化劑用量的增加，肯定有利于脂肪酸甲酯含量的提高，當(dāng)催化劑用量超過1.3%后，脂肪酸甲酯的含量達(dá)到最高，繼續(xù)增加催化劑用量，脂肪酸甲酯的含量反而是降低的，且在反應(yīng)過程中皂化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不利于后期處理。綜上分析，最優(yōu)生產(chǎn)工藝為:反應(yīng)時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。

2.5 模型驗證

為了驗證生物柴油中脂肪酸甲酯含量的模型方程的合適性和有效性，將生物柴油制備的最適工藝條件定為:反應(yīng)時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)實驗，產(chǎn)物中脂肪酸甲酯含量最終所得值為99.21%。因此，采用響應(yīng)面分析得到的工藝指數(shù)可靠，有較強的實用價值。

3 結(jié)論

白木通種子油含量高，其理化特性符合柴油機燃料調(diào)和用生物柴油的標(biāo)準(zhǔn)。響應(yīng)面法優(yōu)化出白木通種子油制備生物柴油的工藝為:反應(yīng)時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。在此條件下，轉(zhuǎn)化的生物柴油中脂肪酸甲酯含量實測值為99.21%，達(dá)到法國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。驗證實驗表明實際測量值與預(yù)測值之間具有良好的擬合度。白木通可充分利用邊際土壤，綜合效益高，本研究表明，其可作為藤本新型油料作物開發(fā)利用。

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