高沸點(diǎn)溶劑脫除棉酚新工藝的研究

東世宏,馬瑞,王丹,焦慶慶,吳甜,朱明遠(yuǎn),代斌

(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子832002)

高沸點(diǎn)溶劑脫除棉酚新工藝的研究

東世宏,馬瑞,王丹,焦慶慶,吳甜,朱明遠(yuǎn),代斌

(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/新疆兵團(tuán)化工綠色過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子832002)

以高沸點(diǎn)溶劑環(huán)己酮對(duì)棉粕脫除棉酚的工藝,運(yùn)用正交試驗(yàn)優(yōu)化了萃取條件,確定了環(huán)己酮脫除棉酚的最佳工藝條件為:料液比1∶3.5,浸取時(shí)間24 h,磷酸濃度1.8 mol/L,環(huán)己酮濃度60%。并與以丙酮為溶劑的工藝進(jìn)行了對(duì)比,在浸取時(shí)間為25 h時(shí),與丙酮相比,環(huán)己酮的棉酚脫除率從59.6%提高到81%,沸點(diǎn)從56.48℃提高到155.65℃,低于國(guó)標(biāo)要求。棉粕脫酚工藝中采用高沸點(diǎn)的環(huán)己酮為溶劑,減輕了對(duì)環(huán)境的污染,提高了棉酚的提取率。

高沸點(diǎn);棉酚;脫除

棉粕中粗蛋白質(zhì)含量為30%～45%,可作為優(yōu)質(zhì)動(dòng)物飼料,但由于棉粕中含有活性醛基官能團(tuán)和活性羥基官能團(tuán)的游離棉酚(free gossypol,FG),對(duì)人和動(dòng)物具有毒害作用,因此棉粕在用作優(yōu)質(zhì)動(dòng)物飼料之前要經(jīng)過(guò)脫酚工藝處理。目前常采用的脫酚工藝包括:濕熱處理法[1]、化學(xué)處理法[2]、生物發(fā)酵法[3]及萃取法[4],其中萃取法因?yàn)榫哂休^好的脫毒效果近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。

R J Hron等[5]發(fā)現(xiàn)乙醇為萃取劑對(duì)棉粕具有較好的脫酚效果,他們以95%的乙醇水溶液對(duì)棉仁在室溫下浸泡3 h,連續(xù)提取3次,能夠?qū)⒚奕手?0%的棉酚脫除;J Qian等[6]則發(fā)現(xiàn)以60%的甲醇/石油醚為溶劑,采用雙液相提取法(TSE)進(jìn)行棉酚脫除,能夠使游離棉酚含量降低到0.014%。余虹宇等[7]發(fā)現(xiàn)用丙酮-苯胺法提取棉酚,提取率一般為理論產(chǎn)量的75%左右。K Gerasimidis等[8]發(fā)現(xiàn)用70%的丙酮,采用兩段提取法脫除棉酚,能夠使棉籽蛋白中棉酚的含量降低到331 ppm。K Gerasimidis等[9]發(fā)現(xiàn)用甲乙酮作為溶劑提取棉酚,能夠?qū)⒚奁芍?3%的棉酚脫除掉。上述乙醇、甲醇、丙酮、甲乙酮等幾種溶劑雖然對(duì)棉粕具有較好的脫酚效果,但這些溶劑沸點(diǎn)較低,在低溫下具有強(qiáng)烈的揮發(fā)性,不僅對(duì)環(huán)境造成污染,而且對(duì)溶劑的回收問(wèn)題造成了工藝成本的增加。

為了降低采用低沸點(diǎn)溶劑在棉粕脫酚工藝中的揮發(fā)性,本研究采用了高沸點(diǎn)、低揮發(fā)度的環(huán)己酮對(duì)棉粕進(jìn)行脫酚,以三水平、四因素正交試驗(yàn)優(yōu)化了環(huán)己酮溶劑對(duì)棉粕脫酚的實(shí)驗(yàn)條件,并與以丙酮為溶劑提取法對(duì)棉粕脫酚的正交試驗(yàn)優(yōu)化條件進(jìn)行了對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 材料與制備

材料:棉粕,取自新疆新賽油脂有限公司;棉酚標(biāo)品購(gòu)自陜西西安慈緣生物有限公司;丙酮(西安化學(xué)試劑廠)和環(huán)己酮(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)均為分析純。

儀器:高效液相色譜(美國(guó)Waters公司);SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 棉酚的脫除

稱取一定質(zhì)量的棉粕原料,經(jīng)研缽研磨后置于具有毛塞瓶蓋的50 mL玻璃瓶中,加入適量的溶劑,靜置一段時(shí)間,真空抽濾,棄去濾渣,得濾液。將濾渣用50 mL的水沖洗3次,以除去溶劑的殘留。用0.45μm的有機(jī)濾膜對(duì)濾液進(jìn)行過(guò)濾,取20μL的濾液作為樣品進(jìn)行高效液相色譜分析,色譜條件為:C 18柱(4.6 mm ×150 mm,5μm),流動(dòng)相:甲醇:2%磷酸水溶液(90∶10),柱溫:40°C,流速:1 mL/min,檢測(cè)波長(zhǎng):235 nm[10]。游離棉酚的總含量參照國(guó)標(biāo) GB13806-91測(cè)定,根據(jù)棉酚的浸出量計(jì)算棉酚的脫除率,其計(jì)算公式為:

上式中:R為棉酚的脫除率;W1為棉酚的浸出量;W2為棉酚的總含量。

1.2.2 丙酮溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

稱取20 mg棉酚標(biāo)準(zhǔn)品,置于25 mL的燒杯中,加入丙酮溶解并轉(zhuǎn)移到25 mL棕色容量瓶中,用丙酮稀釋至刻度,得到0.4 mg/mL棉酚溶液。分別吸取2、4、6、8、10 mL 棉酚標(biāo)準(zhǔn)液 ,置于 25 mL 的棕色容量瓶中,加入純丙酮稀釋至刻度,混勻,靜置5 min,即得標(biāo)準(zhǔn)溶液,放入冰箱內(nèi)備用。通過(guò)高效液相色譜分析,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:Y=4.5977x-0.0113,R2=0.9997,標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 丙酮溶劑棉酚標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of acetone solvent of gossypol

1.2.3 丙酮溶劑正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室溫下以靜置法測(cè)定游離棉酚的含量,用70%的丙酮水溶液作為混合溶劑,加入適當(dāng)濃度的磷酸,采用浸取時(shí)間(A)、磷酸濃度(B)、丙酮濃度(C)以及丙酮水溶液的加入量(D)進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 丙酮正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 The factors and levels of acetone in the orthogonal experimental

1.2.4 環(huán)己酮溶劑標(biāo)曲的繪制

標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖2。稱取100 mg棉酚標(biāo)準(zhǔn)品,置于100 mL燒杯中,加入丙酮溶解并轉(zhuǎn)移到100 mL棕色容量瓶中,稀釋至刻度,得1 mg/mL棉酚溶液。

圖2 環(huán)己酮溶劑棉酚標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 The standard curve of cyclohexanone solvent of gossypol

分別吸取 5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mL 棉酚標(biāo)準(zhǔn)溶液,置于25 mL的容量瓶中,加入純環(huán)己酮稀釋至刻度,混勻,靜置5 min,即得標(biāo)準(zhǔn)溶液,放置于冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?通過(guò)高效液相色譜分析,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:Y=3.5049x-0.0037,R2=0.9997。

1.2.5 環(huán)己酮溶劑正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室溫下以靜置法測(cè)定游離棉酚的含量,用70%的環(huán)己酮水溶液作為混合溶劑,加入適當(dāng)濃度的磷酸,采用浸取時(shí)間(A)、磷酸濃度(B)、丙酮濃度(C)、環(huán)己酮水溶液的加入量(D)進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 環(huán)己酮正交因素水平Tab.2 The factors and levels of cyclohexanone in the orthogonal experimental

2 結(jié)果與分析

2.1 丙酮溶劑正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)丙酮正交實(shí)驗(yàn)表對(duì)棉粕進(jìn)行棉酚脫除實(shí)驗(yàn),通過(guò)液相色譜儀器測(cè)定棉酚含量,并計(jì)算棉酚脫除量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 丙酮溶劑的正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果Tab.3 The acetone solvent orthogonal experimental design and the analysis of the result

由表3、表4可知:4種因素對(duì)于棉酚脫除量的影響程度依次為A>C>D>B,即浸取時(shí)間>丙酮濃度>溶劑加入量>磷酸濃度,其中時(shí)間因素對(duì)棉粕脫酚影響最大,磷酸濃度因素影響最小。隨著浸取時(shí)間的延長(zhǎng),丙酮的脫酚效果明顯增加,而磷酸濃度對(duì)丙酮進(jìn)行棉酚的脫除效果影響較小。由極差分析可得到4種因素的優(yōu)化組合為A3B1C3D1,即丙酮對(duì)棉粕萃取脫酚的最優(yōu)條件為浸取時(shí)間為24 h,磷酸濃度為1.0 mol/L,丙酮的濃度為80%,溶劑的加入量為25 mL。按此條件進(jìn)行3次試驗(yàn)驗(yàn)證,分別3次浸取,棉酚的平均脫除率是63.75%。80%濃度的丙酮具有最優(yōu)的脫酚效果,這可能是由于60%和70%2種低濃度的丙酮溶液,在浸取時(shí)間為24 h的條件下,丙酮易揮發(fā)而導(dǎo)致溶液中丙酮濃度降低,因而脫酚效果較差。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

2.2 環(huán)己酮溶劑正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)環(huán)己酮正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行棉粕脫毒實(shí)驗(yàn),通過(guò)高效液相色譜儀器測(cè)定棉酚含量,并計(jì)算棉酚脫除量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 環(huán)己酮溶劑的正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果Tab.5 The cyclohexanone solvent orthogonal experimental design and the analysis of the result

由表5、表6可知,4種因素對(duì)于棉酚脫除量的影響程度依次為A>B>C>D,即浸取時(shí)間>磷酸濃度>環(huán)己酮濃度>溶劑加入量。從以上結(jié)果可以看出,時(shí)間因素同樣是最主要的影響因素,而溶劑加入量對(duì)棉粕脫毒影響最小。隨著浸取時(shí)間的延長(zhǎng),環(huán)己酮的脫酚效果同樣明顯增加,但與丙酮相反的是,磷酸濃度對(duì)環(huán)己酮脫除棉酚的效果影響較大,主要原因是磷酸在水解的過(guò)程中有效地阻止了游離棉酚與磷脂的結(jié)合[11]。由于環(huán)己酮的沸點(diǎn)較高,不易揮發(fā),所以環(huán)己酮的濃度相對(duì)丙酮較低。4種因素的優(yōu)化組合為A3B3C1D3,即浸取時(shí)間為24 h,磷酸濃度為1.8 mol/L,環(huán)己酮的濃度為60%,溶劑的加入量為35 mL。按此條件進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),分別浸取3次,棉酚的平均脫除率為89.5%。環(huán)己酮的濃度相對(duì)于丙酮的濃度較低,其原因有可能為環(huán)己酮的沸點(diǎn)比丙酮的沸點(diǎn)要高,不易揮發(fā)造成溶劑的浪費(fèi)。

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

2.3 兩種溶劑的脫除棉酚效果比較

選用丙酮和環(huán)己酮的最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件即丙酮溶劑浸取時(shí)間為24 h,磷酸濃度為1.0 mol/L,濃度為80%,加入量為25 mL;環(huán)己酮溶劑浸取時(shí)間為24 h,磷酸濃度為1.8 mol/L,濃度為 60%,加入量為35 mL。分別在 5、10、16、20、25 h通過(guò)二次脫除考察不同的時(shí)間段脫酚效果,采用高效液相色譜儀進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 丙酮與環(huán)己酮對(duì)棉酚脫除效果對(duì)比Fig.3 The effect of gossypol removal of cyclohexanone comparing with acetone

由圖3可以看出,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)兩種溶劑對(duì)棉酚的脫除效果越來(lái)越好。兩種溶劑在浸取時(shí)間為5 h時(shí)對(duì)棉酚的脫除量最低且環(huán)己酮和丙酮的脫毒效果相差不大,在25 h時(shí)對(duì)棉酚的脫除量最大;在浸取時(shí)間為5、25 h時(shí),80%丙酮的棉酚殘留量分別是1.92、0.98 mg/g,60%環(huán)己酮的棉酚殘留量分別是1.75、0.46 mg/g;由此可以看出時(shí)間因素對(duì)脫毒的效果影響很大。根據(jù)棉粕中初始量為2.423 mg/g,25 h時(shí)兩種溶劑對(duì)棉酚的脫除率分別為59.6%、81.0%,在25 h時(shí),環(huán)己酮和丙酮對(duì)棉粕脫酚效果區(qū)別很大,環(huán)己酮比丙酮的脫酚效果提高了21.4%。國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) GB 13078-2001規(guī)定牲畜飼料產(chǎn)品中的有害物質(zhì)游離棉酚的含量不得超過(guò)1.2 mg/g,以環(huán)己酮為溶劑對(duì)棉粕脫毒的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到了良好的脫毒效果,提高了飼料的質(zhì)量。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示,通過(guò)環(huán)己酮水溶劑的正交試驗(yàn)得到了脫除棉酚的最佳工藝條件:浸取時(shí)間為24 h,磷酸濃度為1.8 mol/L,環(huán)己酮的濃度為60%,溶劑的加入量為35 mL。按上述條件,通過(guò)3次浸取棉酚的平均脫除率為89.5%,棉酚殘留量為0.34 mg/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)。

通過(guò)環(huán)己酮水溶液浸取法與傳統(tǒng)的丙酮水溶液浸取法的比較,在浸取時(shí)間為25 h的條件下,環(huán)己酮對(duì)棉粕的脫酚效果比丙酮提高了21.4%。

環(huán)己酮比文獻(xiàn)已報(bào)道的丙酮具有較好的脫酚效果;沸點(diǎn)從56.48℃提高到155.65℃。采用環(huán)己酮水溶液減輕了對(duì)環(huán)境的污染,達(dá)到了綠色化工的環(huán)保要求。

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A New Technology of the Removal of Gossypol by High Boiling Point Solvent

DONG Shihong,MA Rui,WANG Dan,J IAO Qingqing,WU Tian,ZHU Mingyuan,DAI Bin
(School of Chemical Engineering and Technology,Shihezi University/Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of the Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi 832002,China)

In this paper,the optimal conditions of the removal of gossypol by a high boiling point solvent-cyclohexanone is studied.The optimal processing conditions obtained by orthogonal experiment are as follows:the ratio of solid to liquid is 1∶3.5,the concentration of phosphate acid is 1.8 mol/L,and the concentration of cyclohexanone is 60%.Compared with acetone,the removing rate of gossypol of cyclohexanone rises from 59.6%to 81%,and boiling point rises from 56.48°C to 155.65°C,lower than the national requirements.With cyclohexanone as solvent,the new technology decreases the environmental pollution and improves the extraction rate of gossypol.

high boiling point;gossypol;removal

O69

A

1007-7383(2011)02-0236-04

2010-11-22

新疆兵團(tuán)博士基金項(xiàng)目(2010JC13)

東世宏(1985-),男,碩士生,專業(yè)方向?yàn)榇呋瘜W(xué)。

朱明遠(yuǎn)(1980-),男,副教授,從事催化化學(xué)方向研究;e-mail:zhumingyuan_shz@sina.com。