棉油皂腳飼料化的可行性研究

■羅 蘭陳紅莉 唐 輝*趙 滿彭鑫鑫

（1.石河子大學(xué)藥學(xué)院新疆特種植物藥資源省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832002；

2.新疆西部牧業(yè)股份有限公司，新疆石河子832099）

中國的棉花產(chǎn)量名列世界前茅，棉籽產(chǎn)量世界第一，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/4。根據(jù)德國漢堡以及美國相關(guān)部門分析：最近幾年中國每年的棉籽的產(chǎn)量超過1 000×104t，而拿來制油的棉籽約占600×104t，在中國人的食用油結(jié)構(gòu)中，棉籽油約占所有食用油的17%[1]。在棉籽制油的生產(chǎn)過程中，油腳、皂腳是油脂精煉產(chǎn)生的副產(chǎn)物，若以產(chǎn)生10%的皂腳計算，我國每年將產(chǎn)生60×104t的棉籽油皂腳，資源來源非常豐富，而目前大部分棉籽油加工廠并沒有將棉油皂腳很好地開發(fā)和利用，造成了資源的浪費(fèi)，有些邊遠(yuǎn)小企業(yè)因?yàn)椴痪邆鋵υ砟_的處理能力，也造成了一定的環(huán)境污染[2]。新疆是中國的棉花最大的產(chǎn)區(qū)，畜牧業(yè)也相對發(fā)達(dá)，飼料缺口較大。針對新疆的實(shí)際情況，如何利用好棉油皂腳，就地取材、變廢為寶已極為迫切，比如將棉油皂腳中的脂肪酸通過提取制備，就地取材實(shí)現(xiàn)飼料化等深度開發(fā)、具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用發(fā)展前景。

皂腳中脂溶性成分主要包括脂肪酸鈉鹽和中性油兩部分，其中不飽和的脂肪酸鹽含量約占30%～48%，中性油含量為15%～25%，總脂肪酸含量約占皂腳總量的40%～50%[3]。在皂腳中，脂肪酸通常以甘油脂或磷脂等結(jié)合態(tài)的形式存在，游離態(tài)含量很少，經(jīng)過酸化、水解及相關(guān)工序，則多以脂肪酸(游離態(tài))的形式存在。為了充分利用資源，可利用棉油皂腳為原料，經(jīng)過酸化、水解、蒸餾、分離等工序，制備混合脂肪酸進(jìn)而進(jìn)行其它工業(yè)原料進(jìn)一步的深加工。工業(yè)上皂腳提取制備脂肪酸的常見方法有3種[4-5]，分別為酸化水解法[6-7]、皂化酸解法[8]及水解酸化法。運(yùn)用GCMS對棉油皂腳使用酸化水解法制備的脂肪酸的組分進(jìn)行準(zhǔn)確定性定量分析[9-11]，進(jìn)而為棉油皂腳提取制備混合的脂肪酸的生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

棉油皂腳之所以沒有像大豆皂腳、菜籽油皂腳那樣直接用于飼料添加劑的主要原因是因?yàn)槊抻驮砟_中所特有的游離棉酚(FGP)、棉油或者棉粕如果不進(jìn)行脫酚處理，對人和動物的毒性都很大。一般來說，添加到日糧中的棉籽餅粕游離棉酚含量在200 mg/kg時無毒，在200～500 mg/kg時有輕微的毒性，高于1 500 mg/kg時具有強(qiáng)毒性。棉酚在體內(nèi)代謝比較慢，所以食用棉酚后的毒性是累積性的。國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在各種飼料中的安全使用限量棉粕小于1 200 mg/kg，動物日糧中游離棉酚小于125 mg/kg，世界衛(wèi)生組織建議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定棉酚含量小于400 mg/kg。本實(shí)驗(yàn)通過對棉油皂腳進(jìn)行提取制備，獲得高純度的粗脂肪酸，進(jìn)一步對產(chǎn)物進(jìn)行脫酚處理，達(dá)到世界衛(wèi)生組織建議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的游離棉酚含量，從而得到在飼料標(biāo)準(zhǔn)限度內(nèi)的高純度的粗脂肪酸。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

棉油皂腳（來自新疆石河子匯昌油脂廠），堿藍(lán)6B指示劑、硫酸、95%乙醇、無水乙醇、鹽酸、氯化鈉、氫氧化鈉、甲醇、硫酸銅、過氧化氫、三氟化硼等均為分析純，甲醇、乙腈為色譜純（Fisher Science），重蒸水。

1.2 儀器

BP211D電子天平(德國賽多利斯)、電子計價秤(上海永杰衡器有限公司)、TDL-40B離心機(jī)(上海安亭飛鴿)、SK5200HP超聲清洗器(KUDOS）、HJ-6磁力攪拌器（金壇市鑫鑫實(shí)驗(yàn)儀器廠)、6890N GC/5973MS型氣相色譜-四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Agilent公司)、電熱套、真空冷凍干燥器、日本島津LC-15C高效液相色譜儀(包括在線脫氣機(jī)、紫外檢測器、LC solution工作站等)、北京光明DKZW型電子恒溫水浴鍋、德國EYELA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

2 粗脂肪酸的制備與處理

皂腳中的脂肪酸主要是以脂肪酸鈉鹽和中性油的形式存在。以脂肪酸鈉鹽形式存在的脂肪酸可以通過硫酸酸化得到，中性油可以先皂化后再用硫酸分解，也可以直接水解得到脂肪酸。

2.1 酸價的測定方法

參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T5530─2005/ISO 660:1996）：動植物油脂酸值和酸度測定標(biāo)準(zhǔn)按規(guī)定方法測定。

2.2 皂化值的測定方法

參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T5534─2008/ISO 3657:2002）：動植物油脂皂化值的測定標(biāo)準(zhǔn)按規(guī)定方法測定。

2.3 酸化水解法制備脂肪酸

將皂腳中的脂肪酸鈉鹽先經(jīng)過硫酸酸化，得到脂肪酸與中性油的混合物，然后再進(jìn)一步水解其中的中性油得到粗脂肪酸。酸化水解法的工藝流程圖見圖1。

圖1 酸化水解法工藝

酸化水解法具體步驟：

①投料

100 g皂腳加入到等質(zhì)量的水中，充分?jǐn)嚢?、混合均勻轉(zhuǎn)移至三口燒瓶中，連接滴液漏斗及冷凝回流裝置。

②酸化除雜

85℃水浴加熱，在機(jī)械攪拌下，緩慢加入稀釋后的硫酸至pH值2～3酸化1.5 h，得到的酸化液轉(zhuǎn)移至分液漏斗、靜置分層，除去下層水相，上層液體經(jīng)熱水水洗到中性再經(jīng)過冷凍干燥之后得到酸化油。

③催化水解

取5 g上述酸化油置于平底燒瓶中，在5 ml蒸餾水中加入6%(與酸化油質(zhì)量體積比)的濃硫酸轉(zhuǎn)移至平底燒瓶再加入3%的十二烷基磺酸鈉。連接回流冷凝管，在溫度設(shè)定為100℃的磁力攪拌器上反應(yīng)5 h。

④收集脂肪酸

停止加熱，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至分液漏斗靜置分層，棄去下層水相，上層油相經(jīng)水洗、真空干燥得到粗脂肪酸。

2.4 粗脂肪酸的脫酚處理

稱取50 g酸化油(含F(xiàn)GP:4707.3 mg/kg)用0.5%CuSO4和雙氧水(分析純，取50 g粗脂肪酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的量)溶于2 ml水中制成脫毒劑，再將制備好的脫毒劑均勻噴灑于試樣中，置于三角燒瓶中密閉，在80℃下烘1 h，檢測FGP含量，計算脫毒率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 酸化水解法制備脂肪酸

表2 脂肪酸酸值的測定

3 檢測方法

3.1 混合脂肪酸的GC-MS分析

3.1.1 樣品脂肪酸甲酯化

精確稱量0.3 g油脂于100 ml燒瓶中，加入6 ml 0.5 mol/l NaOH-甲醇溶液，迅速連接冷凝管，將燒瓶放入水浴中加熱至油脂完全溶解后，加7 ml 15%BF3-甲醇溶液，持續(xù)煮沸3 min，連續(xù)以10 ml的石油醚萃取兩次，合并萃取液加入10 ml蒸餾水，以5 000 r/min的速度離心樣品10 min，取其中上清液10 ml，吹氮?dú)鉂饪s至2 ml，待GC-MS分析。

3.1.2 氣質(zhì)聯(lián)用條件

色譜條件：HP-5MS色譜柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣高純度氦（He），總流速16.87 ml/min，分流比50∶1，進(jìn)樣量：1 μl；進(jìn)樣溫度：250 ℃；檢測器溫度：300℃；升溫程序：柱溫150℃，以10℃/min升到180℃（保持5 min），然后以3℃/min升到230℃（保持15 min），再以3 ℃/min升到270 ℃（保持20 min）。

質(zhì)譜條件：GC-MS接口溫度：280℃；EI離子源，離子源溫度：230℃，電子能量70 eV，電子倍增器電壓1 950 V；四級桿溫度：150℃，質(zhì)量掃描范圍（m/z）50～550 amu。

3.2 HPLC法測定酸化油中游離棉酚含量

3.2.1 對照品溶液

精密稱取棉酚對照品12.50 mg，置25 ml量瓶中，用乙腈溶解并稀釋至刻度，再精密吸取5 ml至25 ml量瓶中，加乙腈稀釋至刻度，搖勻，即得。

3.2.2 供試品溶液的制備

精密稱取酸化油10 g置圓底燒瓶中，以50 ml的1.4 mol/l磷酸及84%的丁酮水溶液溶解，80℃水浴回流2 h后移至分液漏斗中靜置分層，萃取丁酮層，水層分兩次以少許丁酮萃取，合并丁酮液于50 ml量瓶，丁酮稀釋至刻度，移取0.5 ml置10 ml量瓶，乙腈稀釋至刻度，再移取1 ml至10 ml量瓶，乙腈稀釋至刻度，即得供試品總棉酚(TGP)溶液。

精密稱取酸化油10 g置錐形瓶中，以50 ml丙酮(HCl調(diào)節(jié)pH=2)溶解，45℃攪拌1 h后移至離心管中(3 000 r/min，15 min)離心，將上清液轉(zhuǎn)移至50 ml量瓶，丙酮稀釋至刻度，移取2 ml至10 ml量瓶中，乙腈稀釋至刻度，再移取1 ml至10 ml量瓶中，乙腈稀釋至刻度，即得供試品FGP溶液。

3.2.3 色譜條件

色譜柱：Waters TccQ·Tag Amino Acid Analysis C18 Column(3.9 mm×150 mm,4 μm)；流動相：乙腈∶0.7%磷酸水=80∶20；檢測波長：238 nm；柱溫：25 ℃；流速：1.0 ml/min；進(jìn)樣量：20 μl。

4 結(jié)果及分析

4.1 GC-MS定性分析和定量分析

通過氣質(zhì)聯(lián)用儀按以上的條件和步驟對其組分及其含量進(jìn)行檢測分析，由工作站給出脂肪酸檢測的總離子流圖，如圖2所示。

圖2 酸化水解法提取脂肪酸甲酯總離子圖

各色譜峰相對應(yīng)的質(zhì)譜圖經(jīng)人工解析、Wiley質(zhì)譜庫和NIST14質(zhì)譜庫進(jìn)行檢索定性，采用面積歸一化法確定棉油皂腳中各脂肪酸成分的相對百分含量，見表3。

表3 酸化水解法制備混合脂肪酸中脂肪酸甲酯的組成及相對含量

棉油皂腳中的脂肪酸用酸化水解法制備得到，通過GC-MS分析經(jīng)計算機(jī)質(zhì)譜化合物庫Nist05a的檢索比對，其中提取的樣品中共鑒定出9種脂肪酸成分(其中編號10為二十四烷酸，是皂化水解法制備所得)，含量最高的是亞油酸（百分比66.84%），其中直鏈飽和脂肪酸（SFA）5種，包括棕櫚酸、硬脂酸、肉豆蔻酸、花生酸及山俞酸，共占17.71%；單不飽和脂肪酸（MUFA）3種，包括順9-十八碳烯酸、順9-十六碳烯酸和反10-十九碳烯酸，占15.44%；多不飽和脂肪酸（PUFA）1種為亞油酸（百分比66.84%）。

4.2 HPLC測定游離棉酚的含量

通過HPLC按以上的條件和步驟對其組分及其含量進(jìn)行檢測分析，由工作站給出游離棉酚的檢測圖，如圖3所示。

圖3 HPLC法測定酸化油中游離棉酚含量

脫毒前后結(jié)果見表4。棉油皂腳中游離棉酚的含量較高，經(jīng)脫酚后，含量為383.2 mg/kg，脫毒率達(dá)81.41%。世界衛(wèi)生組織建議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FGP＜400 mg/kg。由于棉酚具有毒性，把棉油皂腳中游離棉酚的含量控制在安全限度內(nèi)，對棉油皂腳進(jìn)一步飼料化具有重要意義。

表4 酸化油脫酚前后游離棉酚含量及脫毒率

5 結(jié)論

以棉油皂腳為原料用酸化水解法制備酸化油，在實(shí)際生產(chǎn)中酸化水解法經(jīng)濟(jì)環(huán)保節(jié)能、工藝簡單、操作簡便。制備得到的酸化油棉酚含量依然很高，經(jīng)過脫毒處理后，酸化油的棉酚含量從4 707.3 mg/kg降到了383.2 mg/kg，達(dá)到世界衛(wèi)生組織對建議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定游離棉酚含量，從而得到在飼料標(biāo)準(zhǔn)限度內(nèi)的高純度的粗脂肪酸，為棉油皂腳的充分利用開辟了一條新的道路，從而使棉油皂腳在飼料化方面有了可能。