高酸值魚油兩步法制備魚油乙酯的研究

程 楠，丁 輝

(天津大學(xué)化工學(xué)院，精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072)

深海魚油中富含多種人體必需的多不飽和脂肪酸(PUFA)，更是二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的唯一商業(yè)來源［1］。能夠有效預(yù)防心腦血管疾病，促進(jìn)視網(wǎng)膜的發(fā)育及延緩腦部衰老，在抗炎抗過敏方面也有良好功效［2－3］。魚油中的PUFA主要是以甘油酯的形式存在，無法直接測定其脂肪酸組成。而在產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常需要將其轉(zhuǎn)化為乙酯形態(tài)，以達(dá)到提純濃縮的目的，并可得到不同脂肪酸含量組成的魚油產(chǎn)品來適應(yīng)不同人群的需要。一般的魚油酸值較低，可直接用堿催化酯交換得到魚油乙酯［4］，但也有一些種類的魚油存在酸值偏高的問題，如金槍魚、魷魚等［5－6］。對于酸值偏高的魚油，傅紅［5］等采用濃硫酸催化一步法酯交換得到魚油乙酯，但最優(yōu)條件下需要反應(yīng)6小時(shí)，消耗9%的濃硫酸，耗時(shí)長，水洗過程消耗大量蒸餾水，且產(chǎn)品得率未知;Encinar J［7］等采用濃硫酸催化酯交換生產(chǎn)生物柴油，需在9%的濃硫酸存在下反應(yīng)48小時(shí)才能得到90%以上的生物柴油產(chǎn)品。李兆新［8］等采用皂化－酸化－酯化的方法制備魚油乙酯，該法步驟繁瑣，酯化過程也耗費(fèi)大量溶劑及濃硫酸。本文將國內(nèi)外利用高酸值油料制備生物柴油的兩步法工藝運(yùn)用到高酸值魚油乙酯化的實(shí)驗(yàn)中［9－11］，與上述兩種現(xiàn)有方法相比，節(jié)約了時(shí)間及能耗，且克服了濃硫酸催化酯化產(chǎn)品色澤深的問題，產(chǎn)品收率也較高。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魚油甘油酯 由某醫(yī)藥公司提供;無水乙醇、濃硫酸、氫氧化鉀、無水硫酸鈉 均為分析純。

DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市英峪儀器廠;LABOROTA 4000 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 德國海道爾夫公司;GC2060氣相色譜儀 山東魯南分析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魚油預(yù)酯化 將裝有機(jī)械攪拌、冷凝回流和溫度計(jì)的三頸燒瓶置于油浴鍋中，加入20g魚油并預(yù)熱至反應(yīng)溫度，然后將濃硫酸和10g無水乙醇加入三頸燒瓶中，在機(jī)械攪拌下冷凝回流一定時(shí)間。反應(yīng)完畢，用熱蒸餾水洗滌產(chǎn)物至中性，減壓旋蒸除去過量乙醇，并放入無水硫酸鈉干燥。

1.2.2 預(yù)酯化最優(yōu)條件的選擇 以預(yù)酯化后魚油的酸價(jià)為指標(biāo)，L9(34)正交設(shè)計(jì)對影響預(yù)酯化反應(yīng)的因素:反應(yīng)溫度、催化劑濃度、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化［11－12］。每次正交實(shí)驗(yàn)的油醇摩爾比為 1∶10。實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)置見表1。

表1 預(yù)酯化正交實(shí)驗(yàn)因子水平表Table1 Definition of factors and levels of pre－esterification

1.2.3 魚油酯交換 將裝有機(jī)械攪拌、冷凝回流和溫度計(jì)的三頸燒瓶置于油浴鍋中，加入20g魚油并預(yù)熱至反應(yīng)溫度，將KOH和9g無水乙醇配成溶液加入三頸燒瓶中，在機(jī)械攪拌下冷凝回流一定時(shí)間。反應(yīng)完畢，倒入分液漏斗靜置分層，分離出下層的KOH、甘油和皂，再用飽和NaCl溶液洗滌油層中殘留的皂，減壓旋蒸除去過量乙醇，并放入無水硫酸鈉干燥，即得魚油脂肪酸乙酯。

1.2.4 酯交換最優(yōu)條件的選擇 以魚油乙酯得率為指標(biāo)，采用L9(34)正交設(shè)計(jì)對影響酯交換反應(yīng)的因素:反應(yīng)溫度、催化劑濃度、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化［11－12］，每次正交實(shí)驗(yàn)的油醇摩爾比為1∶9。實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)置見表2。

表2 酯交換正交實(shí)驗(yàn)因子水平表Table2 Definition of factors and levels of transesterification

1.2.5 理化性質(zhì)分析［13－18］水分及揮發(fā)物測定:GBT5528－2008植物油脂水分及揮發(fā)物含量測定法;酸值測定:GB/T5530－2005動(dòng)植物油脂酸價(jià)和酸度測定;皂化值測定:GB/T5534－2008動(dòng)植物油脂皂化值的測定;不皂化物測定:GB/T5535.1－2008動(dòng)植物油脂不皂化物測定;碘值測定:GB－T5532－2008動(dòng)植物油脂碘值的測定;過氧化值測定:GB－T5538－2005動(dòng)植物油脂過氧化值測定。

1.2.6 脂肪酸組成分析 氣相色譜分析條件:色譜柱:PC－88毛細(xì)管柱(60×0.25mm ×0.2μm);分流比50∶1;氣化室溫度250℃;FID檢測器溫度260℃;程序升溫:140℃保持2min，以5℃/min升至220℃，保持15min。

2 結(jié)果與討論

2.1 魚油的理化性質(zhì)

原料魚油脂肪酸甘油酯的理化性質(zhì)如表3所示。由表中酸值可以看出，原料魚油的酸值為9.83mg KOH/g，而油脂在進(jìn)行堿催化酯交換的過程中酸值必須盡可能低(＜2mg KOH/g)［19］，否則會(huì)生成大量的皂，影響后續(xù)分離過程和乙酯得率。因此該魚油原料不適用于直接堿催化乙酯化方法，需要先進(jìn)行一步預(yù)處理來降低魚油酸值。

表3 原料魚油理化性質(zhì)Table3 Physicochemical property of raw material of fish oil

2.2 魚油預(yù)酯化

魚油預(yù)酯化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由極差分析可知，RA＞RB＞RC，故影響預(yù)酯化反應(yīng)程度的因素依次是反應(yīng)溫度、催化劑濃度、反應(yīng)時(shí)間;由表中可以看出，隨著反應(yīng)溫度上升，酸值先減小后增大;隨著催化劑濃度的增大，酸值逐漸減小;隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，酸值逐漸增大。綜合以上分析，對于預(yù)酯化實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件是A2B3C1，即反應(yīng)溫度70℃，濃硫酸濃度1.5%，反應(yīng)時(shí)間1h。

表4 預(yù)酯化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table4 Results of orthogonal test for pre－esterification

2.3 魚油酯交換

魚油酯交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由極差分析可知，RB＞RA＞RC，影響酯交換反應(yīng)乙酯得率的因素依次是催化劑濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間。從表中可以看出，隨著催化劑濃度的增加，乙酯得率呈下降趨勢，說明催化劑含量過高，易發(fā)生皂化反應(yīng)，不利于酯交換的進(jìn)行;隨著反應(yīng)溫度的升高，乙酯得率先上升后下降;隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，乙酯得率變化不大，在0.5h得到乙酯得率最大值。綜合以上分析可知，酯交換實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)條件為A2B1C1，即反應(yīng)溫度70℃，催化劑濃度0.5%，反應(yīng)時(shí)間0.5h。

2.4 酯交換最優(yōu)條件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

取50g經(jīng)預(yù)酯化的魚油原料(酸值0.87mg KOH/g)，加入0.5%的KOH－乙醇溶液23g(油醇摩爾比約為1∶9)，在70℃下反應(yīng)0.5h，重復(fù)最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下的酯交換反應(yīng)過程，平行實(shí)驗(yàn)三次，乙酯平均得率為92.5%。

表5 酯交換正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table5 Results of orthogonal test for transesterification

2.5 魚油乙酯的脂肪酸組成

對經(jīng)預(yù)酯化－酯交換制備的魚油乙酯進(jìn)行氣相色譜分析，通過標(biāo)準(zhǔn)品對照法定性和面積歸一法定量，得到其主要脂肪酸組成如表6所示。由表中可見，飽和脂肪酸中含量最高的是 C16∶0，含量為15.99%，不飽和脂肪酸中含量最高的是魚油中有效成分EPA，含量為21.88%，而EPA和DHA含量總和約為29.5%，含量較高，說明該魚油適合于進(jìn)行后續(xù)的分離提純，以獲得高純度的EPA或DHA乙酯。

表6 魚油乙酯脂肪酸組成Table6 The fatty acid composition of fish oil ethyl esters

3 結(jié)論

本文借鑒了國內(nèi)外高酸值油脂制備生物柴油的兩步法工藝，研究了經(jīng)濃硫酸催化預(yù)酯化、KOH催化酯交換制備魚油乙酯的工藝路線。并采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化了反應(yīng)條件。其中預(yù)酯化反應(yīng)的最優(yōu)條件為:反應(yīng)溫度70℃，濃硫酸濃度1.5%，反應(yīng)時(shí)間1h;酯交換反應(yīng)的最優(yōu)條件為:反應(yīng)溫度70℃，KOH濃度0.5%，反應(yīng)時(shí)間0.5h。通過最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件得到的魚油乙酯得率為92.5%，腥味大大減輕且色澤較淺，適用于后續(xù)脂肪酸乙酯的分離精制過程。經(jīng)氣相色譜測定其脂肪酸組成，其中EPA和DHA含量共約29.5%。

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［14］GB－T5530－2005動(dòng)植物油脂酸值和酸度測定［S］.

［15］GB－T5534－2008動(dòng)植物油脂皂化值的測定［S］.

［16］GB－T5535－2－2008動(dòng)植物油脂不皂化物測定第2部分己烷提取法［S］.

［17］GB－T5532－2008動(dòng)植物油脂碘值的測定［S］.

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