堿催化異構(gòu)化制備共軛亞麻酸的研究

馬 紅 超 ，初 婷 婷，張 銳，馬 春，董 曉 麗，劉 明，吳 文 忠

（1.大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連醫(yī)諾生物有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

生物化學(xué)、藥理學(xué)和營養(yǎng)學(xué)的研究表明，多烯不飽和脂肪酸具有有益的生理功能。比如，亞油酸能夠保護血管和心臟；亞麻酸和二十碳戊烯酸（EPA）具有降低血脂、預(yù)防心血管疾??；而二十二碳六烯酸（DHA）對大腦發(fā)育有著重要促進作用［1］。和非共軛的不飽和脂肪酸相比，共軛不飽和脂肪酸對氧化敏感，并且很容易發(fā)生聚合反應(yīng)［2］，特別是對惡性腫瘤細(xì)胞具有更為強烈的殺傷作用［3］。

共軛亞麻酸（conjugated linolenic acid，CLN）是共軛十八碳三烯酸的一組位置和幾何異構(gòu)體的混合物［4］，是主要以甘油酯形式存在于植物種子油中的天然成分。近年來的研究表明，CLN（共軛亞麻酸）和CLA（共軛亞油酸）類似，具有有益的生理功能，主要包括抗癌、降血脂、抗致癌、減肥等，且比CLA 的活性更強［5］。

制備共軛不飽和脂肪酸可采用化學(xué)法、生物酶催化和天然物提取3種方法。這3種方法中，生物酶促合成的產(chǎn)率較低，研究有待突破；天然物提取雖是制備CLN 的一個有效方法，但缺點是原料來源不豐富。相對生物酶催化產(chǎn)率低和天然物提取來源不足的缺點，化學(xué)法可以大量合成共軛不飽和脂肪酸，且易于工業(yè)化生產(chǎn)［6］，特別是堿異構(gòu)化法是目前合成共軛不飽和脂肪酸的較為有效的方法。

目前，關(guān)于共軛亞麻酸制備方面的報道較少［7-8］。本實驗以亞麻油為反應(yīng)底物，通過堿催化異構(gòu)化制備共軛亞麻酸，系統(tǒng)地考察了反應(yīng)溫度、時間、堿油比及溶劑用量對亞麻油異構(gòu)化的影響，并獲得了較為理想的共軛亞麻酸收率，為其大規(guī)模生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 原料與試劑

亞麻油（含53.5%亞麻酸），乙二醇、氫氧化鉀、硫酸、鹽酸、甲醇鉀、正己烷、石油謎等均為分析純。

1.2 方 法

1.2.1 CLN 的制備方法

將確定數(shù)量的亞麻油、溶劑（乙二醇）和堿催化劑（KOH）置于圓底燒瓶中，在氮氣保護下加熱至確定溫度回流一定時間后，取下反應(yīng)物，經(jīng)酸中和、蒸餾水洗至中性后，用正己烷萃取，制得含CLN 的混合脂肪酸。將所得產(chǎn)物甲酯化后采用氣相色譜分析測定［9］。

1.2.2 氣相色譜分析條件和檢測方法

氣相色譜使用日本島津GC-2010型氣相色譜儀，檢測器為FID，毛細(xì)管色譜柱（50 m×0.25mm ID-BPX70，澳大利亞SGE公司）。色譜條件為：汽化室溫度260 ℃，柱溫205 ℃，檢測器溫度260 ℃；柱前壓（載氣）15 MPa；氫氣體積流量40mL/min；空氣體積流量400mL/min；載氣體積流量3 mL/min；分流流量1∶30；尾吹29mL/min；進樣量0.4μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對亞麻油異構(gòu)化的影響

在堿油比（mA∶mO）=3∶1、溶劑油比（VS∶mO）=10∶1和反應(yīng)時間為40min條件下，考察反應(yīng)溫度對亞麻油異構(gòu)化的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著溫度的不斷升高，亞麻油轉(zhuǎn)化率不斷增加，在溫度為180 ℃時基本達到100%；溫度繼續(xù)升高，其轉(zhuǎn)化率基本保持不變。共軛亞麻酸的產(chǎn)率在溫度為180℃時達到最高值49.60%，繼續(xù)升高溫度共軛亞麻酸的產(chǎn)率則開始下降，共軛亞麻酸的選擇性隨反應(yīng)溫度的變化與其產(chǎn)率變化相似。這可能是因為提高溫度有利于共軛化進行；但溫度過高，亞麻酸容易發(fā)生熱聚合和分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，對共軛亞麻酸的轉(zhuǎn)化不利。

圖1 反應(yīng)溫度對亞麻油異構(gòu)化的影響Fig.1 Effect of temperature on isomerization of linseed oil

2.2 催化劑的用量對亞麻油異構(gòu)化的影響

確定反應(yīng)溫度為180 ℃，溶劑油比（VS∶mO）=10∶1和反應(yīng)時間為40min，考察加堿量對亞麻油異構(gòu)化的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著堿油比的不斷增加，亞麻油的轉(zhuǎn)化率基本不變，說明在此條件下，即使較少的堿量也能使反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化。但堿料比增加對共軛亞麻酸的產(chǎn)率和選擇性則影響較大。共軛亞麻酸的產(chǎn)率隨著堿料比的增加而增加，當(dāng)堿油比達到3∶1時，其產(chǎn)率達到最高值為38.61%，此后繼續(xù)增加堿油比，對其產(chǎn)率影響不大。實驗結(jié)果說明在反應(yīng)的最初必須有足夠多的堿量，提高堿催化劑與反應(yīng)物的作用幾率，才能保證提高共軛亞麻酸的產(chǎn)率。本研究中合適的堿油比應(yīng)選擇3∶1。

圖2 催化劑的用量對亞麻油共軛化的影響Fig.2 Effect of catalyst amount on isomerization of linseed oil

2.3 反應(yīng)時間對亞麻油異構(gòu)化的影響

在堿油比mA∶mO=3∶1、溶劑油比（VS∶mO）=10∶1、反應(yīng)溫度180 ℃條件下，考察反應(yīng)時間對亞麻油共軛化的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時間對亞麻酸共軛化的影響Fig.3 Effect of reaction time on isomerization of linseed oil

由圖3可知，隨著反應(yīng)時間的延長，亞麻油轉(zhuǎn)化率變化不明顯。共軛亞麻酸的產(chǎn)率和選擇性隨著反應(yīng)時間的延長而增加，當(dāng)反應(yīng)時間超過20min后，共軛亞麻酸產(chǎn)率增長平緩，當(dāng)反應(yīng)進行40min時共軛亞麻酸產(chǎn)率可達49.30%。這是因為延長反應(yīng)時間有利于亞麻酸共軛化，但共軛亞麻酸不穩(wěn)定，長時間反應(yīng)極容易發(fā)生氧化和聚合反應(yīng)，導(dǎo)致副產(chǎn)物的增加，使得產(chǎn)率提高變慢。

2.4 溶劑量對亞麻油異構(gòu)化的影響

在堿油比mA∶mO=3∶1、反應(yīng)溫度180 ℃、反應(yīng)時間為40min條件下，考察溶劑量對亞麻油共軛化的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著溶劑量的不斷增加，亞麻油異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化率不斷增加，當(dāng)溶劑油比（VS∶mO）=20∶1時，轉(zhuǎn)化率達到最大值，增加溶劑油比，其值基本保持不變。共軛亞麻酸的產(chǎn)率隨溶劑油比的增加而增加，當(dāng)溶劑油比（VS∶mO）=20∶1時，產(chǎn)率已經(jīng)達到最高值為52.70%。繼續(xù)增加溶劑油比，共軛亞麻酸產(chǎn)率開始減小，這是因為溶劑量過少，反應(yīng)物體系的黏度過大，反應(yīng)在不均勻的體系中進行，導(dǎo)致共軛化不完全，共軛化速度相對較低；而溶劑過多，催化劑濃度降低，分子間的有效碰撞機會減少，共軛化率也低。

圖4 溶劑的量對亞麻酸共軛化的影響Fig.4 Effect of solvent amount on isomerization of linseed oil

3 結(jié)論

由以上研究表明，亞麻油堿催化異構(gòu)化法是制備共軛亞麻酸的一種有效方法，可以得到較高產(chǎn)率的共軛亞麻酸。通過考察各工藝參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時間及溶劑用量是決定亞麻油共軛化率的主要因素，即反應(yīng)要求足夠高的熱力學(xué)轉(zhuǎn)化溫度、足夠大的碰撞幾率（催化劑與反應(yīng)物）及適宜的反應(yīng)時間。本實驗最佳條件是堿油比mA∶mO=3∶1、溶劑油比（VS∶mO）=20∶1、反應(yīng)溫度180 ℃及反應(yīng)時間為40min，此條件下共軛亞麻酸的產(chǎn)率可達52.70%。