無(wú)催化多不飽和脂肪酸甘油酯的合成和優(yōu)化

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)防和治療心血管疾病［1］、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(wú)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(zhǎng)，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(guò)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(duì)環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)．無(wú)催化合成法所得產(chǎn)品色澤清亮，無(wú)溶劑殘留，后續(xù)處理簡(jiǎn)單，不會(huì)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(yíng)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(cè)定 魚油酸值的測(cè)定方法及計(jì)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(jì)算 采用上步酸值的結(jié)果，計(jì)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(guò)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(guò)柱色譜分成三個(gè)樣品（2＃、3＃和4＃），通過(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)，出峰位置小于3 600 cm－1，隨締合程度的增大，峰越來(lái)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(dòng)區(qū)，可以確定4＃為甘一酯．譜圖表示，2＃樣品羥基伸縮振動(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(shí)間和醇酸比，對(duì)于評(píng)價(jià)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(guò)對(duì)回歸結(jié)果分析，剔除對(duì)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(shí)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(guò)偏微分求出極值，可以計(jì)算出x1＝0．603，x2＝0，x3＝－0．162

可以計(jì)算出極值對(duì)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(shí)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(duì)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(guò)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(duì)誤差為3．62%，證明利用二次回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)求得的溫度、時(shí)間和醇酸比三個(gè)因素對(duì)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(jià)值．

3 結(jié) 語(yǔ)

a．通過(guò)薄層色譜、紅外光譜和GC－MS對(duì)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(guò)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(shí)間 5 h，醇酸比 0．94，其轉(zhuǎn)化率為93．06%．

c．通過(guò)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(duì)擬合方程進(jìn)行驗(yàn)證，回歸值與實(shí)驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為3．62%，證明了設(shè)計(jì)求得的溫度、時(shí)間和醇酸比三個(gè)因素對(duì)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(jià)值．

致謝

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

［1］徐建國(guó)，潘婭靜，趙潔．ω－3多不飽和脂肪酸與心血管疾病［J］．臨床內(nèi)科雜志，2008，25（12）：855－856．

［2］李春香，劉永杰．DHA和EPA的生理功能及開發(fā)前景［J］．唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（5）：71－72．

［3］齊婕，尹桂香，羅紅．植物油多不飽和脂肪酸對(duì)機(jī)體健腦作用的研究［J］．北華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，8（4）：328－329．

［4］Larry D L，Bronwyn G H．Human absorption of fish oil fatty acids as triacylglycerol，free acids，or ethyl esters［J］．Biochemical and Biophysical Research Communication，1988，152（1）：328－335．

［5］Ikuo I，Eiji S，Haruko Y，et al．Digestion and lymphatic transport of eicosapentaenoic and docosahexaenoic acids given in the form of triacylglycerol，free acid and ethyl ester in rats［J］．Biochimica et Biophysica Acta，1995，1259（3）：297－304．

［6］吳可克．酶促魚油選擇性水解制備EPA、DHA甘油酯的研究［J］．中國(guó)油脂，2002，27（3）：91－93．

［7］王衛(wèi)飛，李行方，高紅娟，等．固定化脂肪酶催化合成共軛亞油酸的甘油酯［J］．中國(guó)油脂，2008，33（6）：33－36．

［8］張亞剛，吾滿江·艾力，文彬，等．酯交換法合成共軛亞油酸甘油酯［J］．精細(xì)化工，2003，20（6）：353－355．

［9］黃迎春，程?。?fù)載固體酸合成共軛亞油酸甘油酯研究［J］．長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然版理工卷，2007，4（2）：29－31．

［10］東營(yíng)廣元生物工程有限公司．無(wú)催化共軛亞油酸甘油酯的制備方法：中國(guó)，2007101151333［P］2007－11－23．

［11］何壽林，黃奠坤，張紅麗．多不飽和脂肪酸甘油酯的合成工藝研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：35－37．

［12］李桂華．油料油脂檢測(cè)與分析［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．