鰱魚魚油不飽和脂肪酸乙酯化工藝優(yōu)化

何娜，涂宗財，*，王凡，石燕，王輝，沙小梅，黃濤

1(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌，330047)2(江西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 南昌，330022)

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鰱魚魚油不飽和脂肪酸乙酯化工藝優(yōu)化

何娜1，涂宗財1，2*，王凡1，石燕1，王輝1，沙小梅2，黃濤1

1(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌，330047)2(江西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 南昌，330022)

摘要以鰱魚魚油為原料，采用堿催化法對魚油進(jìn)行乙酯化，通過單因素實驗和正交試驗優(yōu)化條件，確定魚油乙酯化反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)組合為：催化劑NaOH添加量為魚油質(zhì)量的 0.2%、醇油摩爾比為 8∶1、反應(yīng)溫度為 75℃、反應(yīng)時間為 1.5 h，該工藝下脂肪酸乙酯得率為 97.47%。

關(guān)鍵詞鰱魚魚油；不飽和脂肪酸；乙酯化；堿催化法

鰱魚，為四大家魚之一，具有生長快、疾病少、產(chǎn)量高、價格低等特點，已成為淡水魚加工的主要原料之一。鰱魚的脂肪含量達(dá) 25% 左右，富含亞油酸，亞麻酸等多不飽和脂肪酸[1-2]。因此鰱魚魚油是一種附加值較高的功能性油脂。

魚油中富含二十碳五烯酸 (EPA) 和二十二碳六烯酸 (DHA)，具有降血脂、預(yù)防動脈硬化和老年癡呆等功效，被廣泛應(yīng)用于保健品和醫(yī)藥品領(lǐng)域[3-5]。魚油產(chǎn)品按 EPA 和 DHA 的存在形式分為甘油三酯型和非甘油三酯型(乙酯型和游離脂肪酸型)。甘油三酯型性質(zhì)穩(wěn)定，易吸收，但天然魚油中甘油三酯型的含量較少不足以滿足消費者的需求。因此，將甘油三酯型魚油轉(zhuǎn)換成乙酯型，通過不同的富集方法得到高含量不飽和脂肪酸乙酯型魚油，再將它轉(zhuǎn)換成甘油三酯型，已成為當(dāng)今研究熱點之一[6-7]。國內(nèi)外對深海魚油乙酯化的研究較多[8-11]，鮮見對淡水魚油乙酯化的研究。然而，我國是淡水魚養(yǎng)殖大國，對淡水魚油進(jìn)行乙酯化研究，并對其進(jìn)行富集，有利于提高我國淡水魚油的綜合利用價值。

油脂乙酯化工藝按催化劑的不同主要分為3種：酸催化法、堿催化法以及酶催化法[12]。酸催化法催化速率較慢且多用于酸值高的甘油酯[13]，酶催化法乙酯得率不理想且價格昂貴，難以規(guī)模化生產(chǎn)[16]；堿催化法催化速率較快且溫度較低，避免多不飽和脂肪酸的氧化分解[14-15]。因此，本研究以鰱魚魚油為原料，采用堿催化法對鰱魚魚油進(jìn)行乙酯化，研究催化劑添加量、醇油比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對乙酯得率的影響，確定最佳乙酯化工藝參數(shù)。

1材料和方法

1.1實驗材料

鰱魚魚油(實驗室自制)；無水乙醇，正戊烷(分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司)； NaOH(分析純，西隴化工股份有限公司)； NaCl，無水Na2SO4(分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠)。

1.2儀器與設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海予正儀器設(shè)備有限公司； SHB-Ⅲ 循環(huán)水式多用真空泵，河南省予華儀器有限公司； HH-4 數(shù)顯恒溫磁力攪拌水浴鍋，常州愛華儀器制造有限公司； N-1001 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海愛郎儀器有限公司。

1.3實驗方法

1.3.1魚油乙酯化

如圖1所示，精確稱取一定量的鰱魚魚油(記為m0)于250 mL三口燒瓶中，先置于恒溫水浴鍋中，機械攪拌下預(yù)熱 30 min 至魚油達(dá)到反應(yīng)溫度，按一定比例加入無水乙醇及NaOH固體，控制在反應(yīng)溫度下加熱回流。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液倒入分液漏斗，趁熱用飽和 NaCl 洗滌3次，靜置分層?；厥丈蠈佑拖啵瑴p壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去過量的乙醇，然后加入無水Na2SO4，靜置過夜去除多余的水分。減壓過濾除去Na2SO4晶體，得到粗乙酯產(chǎn)品，稱量(記為m1)；將粗乙酯產(chǎn)品與同等體積的正戊烷混合，待液體完全互溶后，放置于-20 ℃ 冰箱中12 h ；減壓抽濾去除未反應(yīng)的甘油三酯，濾液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去正戊烷，得到脂肪酸乙酯產(chǎn)品，稱量(記為m2)。

(1)

1.恒溫磁力攪拌器：2.三口燒瓶；3.冷凝管；4.溫度計；5.磁力攪拌子；6.N2導(dǎo)管圖1　乙酯化反應(yīng)裝置圖Fig.1　Schematic diagram of esterification reacteror

1.3.2魚油乙酯化工藝條件的選擇

1.3.2.1乙酯化單因素實驗

以醇油比、催化劑添加量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度為單因素，以乙酯得率為指標(biāo)，通過單因素實驗選出魚油乙酯化的最佳工藝范圍。參考其他乙酯化試驗[9-10]，各因素試驗范圍設(shè)定如下：醇油比(無水乙醇與魚油的摩爾比)為 4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1，催化劑NaOH添加量(占魚油的質(zhì)量)為： 0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50% ；反應(yīng)時間為 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h ；反應(yīng)溫度為65、70、75、80、85 ℃。

1.3.2.2魚油乙酯化工藝正交試驗設(shè)計

根據(jù)上述單因素實驗，選取催化劑添加量、醇油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間這4個因素，每個因素取3個水平，制定 L9(34) 正交實驗表進(jìn)行正交試驗分析，以乙酯得率為指標(biāo)，確定最佳反應(yīng)條件。

表1　L9(34) 正交實驗因素水平表

1.3.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 SPSS 17.0 軟件進(jìn)行分析。Origin 7.5 軟件作圖。

2結(jié)論與討論

2.1單因素實驗結(jié)果與討論

2.1.1醇油比對魚油乙酯化反應(yīng)的影響

如圖 2 所示，隨著醇油比的增大，乙酯得率也隨之增大；之后繼續(xù)增加醇油比，乙酯得率無明顯增加并趨于平緩。在 7∶1 之前都沒有明顯的分層，這是因為反應(yīng)未完全產(chǎn)生的甘油一酯和甘油二酯導(dǎo)致乳化現(xiàn)象使得分層不明顯。7∶1 之后過量的乙醇則造成浪費，且甘油極性溶解使得后期產(chǎn)物分離困難。因此，確定最佳醇油比為 7∶1。

圖2　醇油比對乙酯得率的影響Fig.2　Effect of alcohol oil ratio on the yield of ethyl

2.1.2催化劑添加量對魚油乙酯化反應(yīng)的影響

如圖3所示，隨著催化劑添加量增加，乙酯得率先增加后降低；當(dāng)催化劑添加量達(dá)到魚油質(zhì)量的 0.2% 時，乙酯得率達(dá)到最大值；繼續(xù)增加反而會使得NaOH和甘油三酯脂肪酸發(fā)生皂化反應(yīng)，從而降低乙酯得率。因此，確定催化劑的最佳添加量為 0.2%。

圖3　催化劑添加量對乙酯得率的影響Fig.3　Effects of catalyst concentration on the yield of ethyl

2.1.3反應(yīng)時間對魚油乙酯化反應(yīng)的影響

如圖 4 所示，隨著反應(yīng)時間的增加，乙酯得率先增加后降低，在 2.0 h 時乙酯得率達(dá)到最高；繼續(xù)延長反應(yīng)時間，使得部分乙酯型魚油被皂化，乙酯得率反而呈下降趨勢?？紤]到時間的延長對乙酯得率的影響，因此本實驗選擇 2.0 h 作為魚油乙酯化反應(yīng)的最優(yōu)時間。

圖4　反應(yīng)時間對乙酯得率的影響Fig.4　Effects of reaction time on the yield of ethyl

2.1.4反應(yīng)溫度對魚油乙酯化反應(yīng)的影響

如圖 5 所示，隨著反應(yīng)溫度的升高，乙醇在反應(yīng)過程中以氣液兩相狀態(tài)存在，使得無水乙醇與魚油接觸充分，乙酯得率呈上升趨勢；當(dāng)溫度達(dá)到 75 ℃ 時，乙酯得率達(dá)到最大；然而繼續(xù)升高溫度，無水乙醇揮發(fā)速度加快，造成反應(yīng)不完全，同時會加劇皂化反應(yīng)速率，乙酯得率反而降低。因此，本實驗確定最佳的反應(yīng)溫度為 75 ℃。

圖5　反應(yīng)溫度對乙酯得率的影響Fig.5　Effects of reaction temperature on the yield of ethyl

2.2正交試驗分析優(yōu)化鰱魚魚油乙酯化反應(yīng)

對表2進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，這4個因素對魚油乙酯得率的影響大小依次為，醇油比>反應(yīng)時間>催化劑添加量>反應(yīng)溫度。由表 3 方差分析結(jié)果可知，醇油比和反應(yīng)時間對魚油乙酯得率的影響有極顯著差異 (P<0.01)，而催化劑濃添加量和反應(yīng)溫度對乙酯得率的影響不顯著 (P>0.05)。綜合表 2、表 3 分析結(jié)果，顯示出最佳工藝組合為A2B3C2D1，即催化劑添加量為魚油質(zhì)量的 0.2%，醇油比為 8∶1，反應(yīng)溫度為 75 ℃，反應(yīng)時間為 1.5 h。

2.3最佳工藝驗證

根據(jù)上面的分析，得到最佳工藝A2B3C2D1組合。按照優(yōu)化的魚油乙酯化的工藝條件，經(jīng)行3次驗證實驗，結(jié)果得到魚油乙酯得率平均值為 97.47%，高于正交試驗結(jié)果中的最優(yōu)值，表明正交設(shè)計實驗可行。

表2　正交試驗結(jié)果

表3　方差分析結(jié)果

3結(jié)論

本實驗對鰱魚魚油預(yù)處理工藝——魚油乙酯化制備工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，通過單因素實驗和正交試驗研究催化劑添加量、醇油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間4個因素對乙酯得率的影響，得到最佳工藝條件是A2B3C2D1，即催化劑添加量為鰱魚魚油含量的 0.2%，醇油摩爾比為 8∶1，反應(yīng)溫度為 75 ℃，反應(yīng)時間為 1.5 h，魚油乙酯化得率可以達(dá)到 97.47%。本實驗結(jié)果可以用于富集鰱魚魚油中的多不飽和脂肪酸，以提高鰱魚魚油的產(chǎn)品附加值。

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Ethyl esterification for unsaturated fatty acids of fish oil from Silve Carp

HE Na1,TU Zong-cai1,2*,WANG Fan1,SHI Yan1,WANG Hui1,SHA Xiao-mei1,HUANG Tao1

1(State Key Laboratory of Food Scie1nce and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)2(College of Life Science,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

ABSTRACTIn this study, fish oil from Silver Carp was used as the raw material to study unsaturated acid esterification catalyzed by sodium hydroxide. By the single factor experiments and the orthogonal experiments, the best conditions for fish oil ethyl ester were obtained as following. The addition amount of sodium hydroxide was 0.2% (w/w) of fish oil weight. The molar ratio of methanol to oil was 8∶1. The reaction temperature was 75 ℃, and the reaction time was 1.5h. The yield of ethyl ester was 97.47%.

Key wordsfish oil from Silve Carp; unsaturated fatty acid; ethyl esterification; alkali catalysis

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606023

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃專項經(jīng)費資助(863項目)(No.2011AA100803);江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心資助項目(No.JSX-EW-00);江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助(JXARS-04)

收稿日期：2015-10-11，改回日期：2015-11-17

第一作者：碩士研究生(涂宗財為通訊作者，E-mail:tuzc_mail@aliyun.com)。