葵花籽油堿異構(gòu)法合成共軛亞油酸的條件優(yōu)化

查夢吟， 盧志興， 吳 昊， 周 正， 陳存社

（北京工商大學(xué)食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

葵花籽油堿異構(gòu)法合成共軛亞油酸的條件優(yōu)化

查夢吟， 盧志興， 吳 昊， 周 正， 陳存社*

（北京工商大學(xué)食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

以葵花籽油為原料，堿法異構(gòu)化合成共軛亞油酸。通過單因素試驗以及三因素三水平正交試驗，研究了溶劑種類、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和催化劑用量對CLA生成量的影響，結(jié)果表明，當(dāng)以1，2-丙二醇為有機溶劑，溶劑的質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（丙二醇）=1∶3，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為2.5 h，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為2.2時，CLA的生成量可以達到較佳值。在較優(yōu)條件下重復(fù)實驗，得到較佳條件下的CLA產(chǎn)率為47.80%。

葵花籽油；共軛亞油酸；堿異構(gòu)化法；合成

共軛亞油酸（conjugated linoleic acid，CLA）是油脂必需脂肪酸亞油酸衍生物的共軛雙烯的多種位置與空間異構(gòu)體的總稱［1］。共軛亞油酸具有抗癌、抗動脈粥樣硬化、增強機體免疫力、調(diào)節(jié)血糖、參與脂肪分解與新陳代謝、改善骨組織代謝及防霉變等作用［2-5］，已引起藥物藥理學(xué)家、營養(yǎng)學(xué)家、油脂化學(xué)家的廣泛重視。它可以作為保健食品、功能食品，可以應(yīng)用于臨床、涂料工業(yè)，也可以用來制備高附加值產(chǎn)品及化工領(lǐng)域具有非常重要作用的多功能物C22三元酸［6-7］，為非食用油脂開辟一條全新的利用途徑，推動我國油脂精細(xì)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。

堿性異構(gòu)化法是以亞油酸為原料，在催化劑作用下使雙鍵共軛，得到CLA異構(gòu)體的混合物［8］。采用的催化劑為強堿，如KOH和NaOH等。1950年Schmidt等用NaOH作催化劑，乙二醇為溶劑，在200℃下將亞油酸（linoleic acid，LA）異構(gòu)化為CLA，此后，研究人員又對所用的催化劑、溶劑、溫度等條件進行了不斷的改進［9］。NaOH和KOH是最常用的堿催化劑，二者的催化能力相當(dāng)［10］，但KOH在反應(yīng)之后可作為化肥回收利用，因而最為常用。工業(yè)上多用異構(gòu)化法來生產(chǎn)CLA，所用原料為富含LA的種子油，如向日葵油（LA質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%）、玉米油（LA質(zhì)量分?jǐn)?shù)57%）、棉籽油（LA質(zhì)量分?jǐn)?shù)53%）、豆油（LA質(zhì)量分?jǐn)?shù)51%）等。將其中的LA富集后，即可用于生產(chǎn)。

本實驗選擇富含LA的葵花籽油為原料，以KOH-乙二醇為催化劑，在加熱及氮氣保護條件下，使葵花籽油轉(zhuǎn)化為共軛亞油酸，制備的共軛亞油酸產(chǎn)品，經(jīng)氣相色譜測定，共軛亞油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達47.80%。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 實驗材料

葵花籽油，市售，金龍魚食用油有限公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

DF101S型油浴鍋，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市杰瑞爾電器有限公司；LS-B35LⅢ型立式壓力蒸汽滅菌鍋，江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司；7890-5973型GC-MS色譜儀，美國安捷倫科技公司；UV2550型紫外分光光度計，日本島津公司；SHB-111A型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Jx5024型單相電容運轉(zhuǎn)電動機，上海申勝生物技術(shù)有限公司；R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海申勝生物技術(shù)有限公司。

1.1.3 試劑

CLA標(biāo)準(zhǔn)品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，NU-CHEK-PREP公司；鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)38%），乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%），北京化工廠；1，2-丙二醇，酚酞，PEG400，正己烷，無水乙醇，甲醇，均為分析純，北京化工廠；KOH，分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；無水硫酸鈉，分析純，天津市化學(xué)試劑三廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 葵花籽油皂化值的測定

葵花籽油皂化值的測定參照GB/T 5534—2008動植物油脂皂化值的測定。

稱取樣品2 g（精確到0.005 g）、25 mL KOH-乙醇溶液和少量碎石（助沸物），維持煮沸狀態(tài)60 min，加入0.5～1 mL酚酞溶液于熱溶液中，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，到酚酞溶液的粉色剛好消失為止。

每個樣品做3個平行實驗，取平均值，測定結(jié)果保留到小數(shù)點后一位，確定在堿異構(gòu)化實驗中的KOH用量。

1.2.2 堿異構(gòu)化法制備CLA

將葵花籽油、溶劑和KOH按照一定比例放入三口燒瓶后置于油浴鍋中，在一定溫度下加熱進行反應(yīng)，反應(yīng)過程通入氮氣進行保護，反應(yīng)一定時間。

反應(yīng)結(jié)束后，取出三口燒瓶冷卻到50～60℃左右，加入一倍體積水，加入鹽酸溶液酸化至pH值為2～3，水洗分離，直到水層清澈、pH值大于6.5為止，最后使用500 mL分液漏斗進行分液，取出油相旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除水分，再使用無水硫酸鈉進一步除水，去除無水硫酸鈉后，獲得含有CLA的混合脂肪酸產(chǎn)物.

1.2.3 脂肪酸甲酯化方法

提取的脂肪酸溶液中加入2 mL KOH-甲醇（0.5 mol/mL）溶液，混合均勻，65℃水浴加熱30 min，冷卻至室溫。加入2 mL 10%鹽酸-甲醇溶液，70℃水浴5 min。反應(yīng)結(jié)束后加入5 mL正己烷，振蕩后靜置1～3 min，收集有機層，于20℃保藏待測。

1.2.4 GC-MS條件

毛細(xì)管色譜柱DM-35ms（30 m×0.25 mm× 0.25 μm，Dikma公司），升溫程序為初始溫度150℃，平衡3 min，4℃/min升到250℃，平衡10 min。進樣口溫度250℃，檢測器溫度250℃，分流比20∶1，進樣量1 μL，載氣為高純氦氣，流速1 mL/min。質(zhì)量檢測范圍30～350 u。

2 結(jié)果與分析

2.1 葵花籽油皂化值

按照1.2.1節(jié)方法測定葵花籽油皂化值為196.0 mg KOH/g。以此為基礎(chǔ)，確定在堿異構(gòu)化實驗中的KOH用量。

2.2 堿異構(gòu)化反應(yīng)前后脂肪酸的成分含量分析

將脂肪酸甲酯化后，通過GC-MS分析，測定堿異構(gòu)化反應(yīng)前后脂肪酸的成分［11-12］。圖1為堿異構(gòu)化反應(yīng)前葵花籽油脂肪酸成分的GC-MS圖譜，圖2為堿異構(gòu)化反應(yīng)后產(chǎn)物脂肪酸成分的GC-MS圖譜.

通過對比圖1和圖2，可以看到經(jīng)過葵花籽油和KOH的堿異構(gòu)化反應(yīng)，在圖2中出現(xiàn)了圖1中沒有的很明顯的峰，在18～20 min間的Rt=18.31、18.60、19.02、19.69 min四個峰為共軛亞油酸。因此，以葵花籽油為原料，通過堿異構(gòu)化法可以制備較高含量的CLA，相比其他方法，此方法成本比較低廉，操作過程相對簡單，不需要十分昂貴和復(fù)雜的儀器設(shè)備。

2.3 不同反應(yīng)條件對產(chǎn)率的影響

2.3.1 溶劑的影響

以PEG400、1，2-丙二醇、水為溶劑，在氮氣保護下，選擇溶劑的質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（溶劑）=1∶3，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為1.7，反應(yīng)溫度為150℃，反應(yīng)時間為1.5 h，通過實驗研究不同溶劑下反應(yīng)產(chǎn)物中CLA含量的高低。實驗結(jié)果表明，以PEG400作為溶劑，產(chǎn)物OD值為1.137，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.72%；以1，2-丙二醇為溶劑，產(chǎn)物OD值為1.081，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.31%；以水做溶劑，沒有檢測到反應(yīng)產(chǎn)物。

因此，使用PEG400和1，2-丙二醇作為反應(yīng)溶劑比較適宜，其中PEG400效果要好于丙二醇，但PEG400成本較高，價格將近丙二醇的兩倍，其效果并沒有高出丙二醇特別多，因此，在后續(xù)實驗中，采用1，2-丙二醇作為反應(yīng)溶劑。

圖1 堿異構(gòu)化反應(yīng)前脂肪酸的TICFig.1 TIC of fatty acids without alkali isomerization reaction

圖2 堿異構(gòu)化反應(yīng)后脂肪酸的TICFig.2 TIC of fatty acids with alkali isomerization reaction

2.3.2 反應(yīng)溫度的影響

在氮氣保護下，溶劑的質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（丙二醇）=1∶3，反應(yīng)時間為1.5 h，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為1.7，研究120～170℃溫度條件下溫度對產(chǎn)物CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖3。

由圖3可知，反應(yīng)產(chǎn)物中CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溫度上升而呈現(xiàn)增加趨勢。在120～170℃范圍內(nèi)，溫度越高，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加越明顯，但由于1，2-丙二酮的沸點約為187.3℃，而且當(dāng)使用超過180℃以上的溫度進行反應(yīng)時，受實驗條件和實驗儀器等因素限制，反應(yīng)過程不易控制，因此，在反應(yīng)過程中反應(yīng)溫度保持在170～180℃之間比較適宜。

2.3.3 堿用量的影響

在氮氣保護下，質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（丙二醇）=1∶3，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時間為1.5 h，研究不同加堿量對反應(yīng)產(chǎn)物中CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，實驗結(jié)果見圖4。

圖3 反應(yīng)溫度對CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of reaction temperatures on conjugate linoleic acid（CLA）content

圖4 堿用量對CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effects of catalyst dosages on conjugate linoleic acid（CLA）content

由圖4可知，當(dāng)加堿量與皂化值的質(zhì)量比為1.3時，CLA生成量很低，隨著比值不斷增大，反應(yīng)產(chǎn)物中的CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇增加，當(dāng)達到一定程度后，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加趨勢明顯放緩，這說明催化劑用量到達一定量以后，與反應(yīng)分子的有效碰撞機會不會產(chǎn)生很大的變化。而且如果堿量過多，會使反應(yīng)過程中起沫過多，反應(yīng)產(chǎn)物在進行后續(xù)處理時會變得很困難，反應(yīng)產(chǎn)物的顏色也會明顯加深，因此，合適的堿用量與皂化值的質(zhì)量比維持在1.8～2.2之間為宜。

2.3.4 反應(yīng)時間的影響

在氮氣保護下，質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（丙二醇）=1∶3，反應(yīng)溫度為170℃，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為1.7，研究不同反應(yīng)時間對反應(yīng)產(chǎn)物中CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，實驗結(jié)果見圖5。

由圖5可知，反應(yīng)產(chǎn)物中CLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨反應(yīng)時間的增加而不斷上升。反應(yīng)時間在1.5～2.5 h，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加比較快，反應(yīng)時間超過2 h，CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加趨勢趨于平緩，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始緩慢提升。根據(jù)動力學(xué)原理，當(dāng)溫度一定時，反應(yīng)時間如果越長，反應(yīng)產(chǎn)物就越多；而根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)，反應(yīng)達到平衡后，反應(yīng)時間的延長對產(chǎn)率沒有貢獻［13］。因此，考慮到反應(yīng)時間越長，發(fā)生副反應(yīng)的概率越大，而對產(chǎn)率的貢獻也有限，如果以1，2-丙二醇作為有機溶劑，堿異構(gòu)化反應(yīng)的反應(yīng)時間應(yīng)該控制在2～3 h之間為宜。

圖5 反應(yīng)時間對CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of reaction time on conjugate linoleic acid（CLA）content

2.4 正交試驗優(yōu)化反應(yīng)條件

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，采用三因素三水平正交設(shè)計，選取溫度、時間、加堿量3個因素，每個因素選取3個水平，正交試驗結(jié)果見表1。

表1 正交試驗設(shè)計直觀分析Tab.1 Orthogonal test analysis

由表1可知，影響CLA生成的影響因素主次為溫度＞加堿量＞時間。3個影響因素的較優(yōu)水平為溫度170℃，反應(yīng)時間2.5 h，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為2.2。根據(jù)實驗得出的最佳條件進行多次驗證實驗，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過樣品處理，測定分析，產(chǎn)物中CLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.80%，且樣品的顏色較淺，不渾濁。

3 結(jié) 論

以無毒無害、水溶性好的1，2-丙二醇為有機溶劑，以含有85%以上不飽和脂肪酸的葵花籽油為原料，通過堿異構(gòu)化反應(yīng)，在適宜的溫度和適宜的時間內(nèi)合成共軛亞油酸（CLA），研究了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和堿催化劑用量等3個影響CLA產(chǎn)率的因素，得出了反應(yīng)的較優(yōu)條件為在氮氣保護下，1，2-丙二醇作為有機溶劑，葵花籽油為原料，溶劑的質(zhì)量比m（葵花籽油）∶m（溶劑）=1∶3，反應(yīng)溫度170℃，反應(yīng)時間為2.5 h，加堿量與皂化值的質(zhì)量比為2.2。以此條件制備的CLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.80%，且樣品的顏色較淺，不渾濁。

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Optimization of Process Conditions for Synthesis of Conjugate Linoleic Acid by Alkali Isomerization

ZHA Mengyin， LU Zhixing， WU Hao， ZHOU Zheng， CHEN Cunshe*
（Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

The conjugate linoleic acid（CLA）was prepared by the alkali isomerization with sunflower oil as raw material.Effects of solvent varieties，reaction time，reaction temperatures，and catalyst dosages on the yield of CLA were analyzed by the single factor experiment and orthogonal experiment with three factors and three levels.The results showed that optimized conditions were as following，1，2-propylene glycol as solvent，the ratio of sunflower oil and solvent 1∶3，the reaction temperature 170℃，the reaction time 2.5 h，and the ratio of alkali and saponification equivalent 2.2.The yield of CLA was 47.80%under the optimized conditions.

sunflower oil；conjugated linoleic acid；alkali isomerization method；synthesis

李 寧）

TS222

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.02.012

2095-6002（2015）02-0062-05

查夢吟，盧志興，吳昊，等.葵花籽油堿異構(gòu)法合成共軛亞油酸的條件優(yōu)化［J］.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2015，33（2）：62-66.

ZHA Mengyin，LU Zhixing，WU Hao，et al.Optimization of process conditions for synthesis of conjugate linoleic acid by alkali isomerization［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（2）：62-66.

2013-11-18

北京市教委科技發(fā)展計劃項目（KZ20110011013）；學(xué)科與研究生教育—重點學(xué)科—應(yīng)用化學(xué)資助項目（PXM2012_014213_ 000038）。

查夢吟，女，碩士研究生，研究方向為食品新技術(shù)；

*陳存社，男，教授，主要從事食品新技術(shù)方面的研究。

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