分子蒸餾富集亞麻籽油中α-亞麻酸的研究

劉金菊 楊震發(fā) 白巧霞 楊順義

摘要：亞麻籽油經(jīng)甲酯化后，采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)其中α-亞麻酸進(jìn)行分離純化，以α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率作為衡量純化效果的指標(biāo)。經(jīng)單因素試驗(yàn)確定蒸餾溫度、蒸餾壓力、進(jìn)料速度、刮膜轉(zhuǎn)速的操作范圍，并利用響應(yīng)曲面法Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了亞麻籽油中α-亞麻酸分離純化的工藝條件，即蒸餾溫度90 ℃、蒸餾壓力0.8 Pa、進(jìn)料速度0.87 mL/min、刮膜轉(zhuǎn)速287 r/min。在該工藝條件下，得到α-亞麻酸含量為81.15%，提取率為78.20%。

關(guān)鍵詞：亞麻籽油;α-亞麻酸;響應(yīng)曲面法;分子蒸餾;富集

中圖分類號(hào)：TS222? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1001-1463（2019）05-0016-06

Abstract：After linseed oil was methylated， the α-linolenic acid was separated and purified by molecular distillation technology. The content of α-linolenic acid and extraction rate were used as indicators to measure the purification effect. The operating range of distillation temperature， distillation pressure， feed rate and scraping speed was determined by single factor experiment. The optimized process conditions for purification of α-linolenic acid were obtained by Box-Behnken experimental design of response surface method： distillation temperature was 90 ℃， the distillation pressure was 0.8 Pa， the feed rate was 0.87 mL/min， and the scraping speed was 287 r/min. Under this process condition， the content of α-linolenic acid was 81.15%， and the extraction rate was 78.20%.

Key words：Flaxseed oil;α-linolenic acid;Response surface methodology;Molecular distillation; Enrichment

α-亞麻酸（全順-9，12，15-十二碳三烯酸）屬ω-3系列不飽和脂肪酸，為人體必需脂肪酸[1 ]，是人體轉(zhuǎn)化合成EPA（二十碳五烯酸）和DHA（二十二碳六烯酸）的前體物質(zhì)。EPA在體內(nèi)通過(guò)酶促反應(yīng)生成包括前列腺素在內(nèi)的多種活性物質(zhì)，DHA是構(gòu)成神經(jīng)、大腦、視網(wǎng)膜等組織膜磷脂的重要物 質(zhì)[2 ]。EPA、DHA具有開(kāi)發(fā)智力、保護(hù)視力、降血壓、降血脂[3 ]，預(yù)防腫瘤[4 ]、乳腺癌[5 - 6 ]、動(dòng)脈粥樣硬化[7 ]等作用。目前富集α-亞麻酸常見(jiàn)方法有尿素包合法[8 - 9 ]、銀離子絡(luò)合法[10 ]、低溫冷凍結(jié)晶法[11 ]、分子蒸餾法[12 ]等。尿素包合法主要利用脂肪酸的不飽和程度和碳鏈長(zhǎng)度分子純化脂肪酸。由于α-亞麻酸為多不飽和脂肪酸，含3個(gè)不飽和雙鍵，碳鏈具有一定的空間構(gòu)型，不易被尿素分子包合，尿素分子能夠與飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸形成較穩(wěn)定的晶體包合物，在低溫條件下包合物結(jié)晶析出。該方法的缺點(diǎn)是提取純度不高、有機(jī)溶劑殘留、包合時(shí)間長(zhǎng)等[13 ]。銀離子絡(luò)合法即根據(jù)脂肪酸雙鍵數(shù)目的不同而達(dá)到分離的效果。絡(luò)合作用的強(qiáng)弱與不飽和鍵的多少成正比，α-亞麻酸的3個(gè)雙鍵可與銀離子以配位共價(jià)鍵鍵合，形成穩(wěn)定的親水絡(luò)合物，甲酯化法常作為銀離子絡(luò)合法的前處理法，其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中有銀離子殘留，選擇性強(qiáng)，生產(chǎn)量小。冷凍結(jié)晶法即利用中短鏈脂肪酸較長(zhǎng)鏈脂肪酸在同一溶劑中溶解度低，飽和脂肪酸較不飽和脂肪酸在同一溶劑中溶解度低的特性進(jìn)行不飽和脂肪酸的富集，其缺點(diǎn)是產(chǎn)品中有溶劑殘留，需回收大量有機(jī)溶劑。分子蒸餾技術(shù)依據(jù)混合物組分中不同分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程的差異來(lái)進(jìn)行分離[14 ]，廣泛應(yīng)用于純化分離高熱敏性、高沸點(diǎn)、高粘度、低揮發(fā)度的物質(zhì)[15 - 16 ]，工序簡(jiǎn)單，分離效率高;其缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本較高。根據(jù)不同純化方法有缺點(diǎn)互補(bǔ)的原則，我們將甲酯化法與多級(jí)分子蒸餾相結(jié)合，α-亞麻酸甲酯化后，蒸餾溫度降低至90 ℃左右，能耗降低，也減少了α-亞麻酸的氧化分解。試驗(yàn)過(guò)程不用溶劑做分離劑，無(wú)溶劑殘留，多級(jí)蒸餾提高α-亞麻酸的純度，研究確定掛模式分子蒸餾裝置提純?chǔ)?亞麻酸的工藝條件，為高純度α-亞麻酸工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?供試材料與儀器

亞麻籽油[酸價(jià)0.89（KOH）/（mg/g），水分含量0.072%，α-亞麻酸含量57.11%]，青海福來(lái)喜得生物科技股份有限公司α-亞麻酸工程研究中心提供。α-亞麻酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%），中國(guó)食品藥品鑒定研究所提供。甲醇、氫氧化鉀、無(wú)水硫酸鈉均為分析純。正己烷為色譜純。GC7890B，安捷倫科技（中國(guó)）有限公司;FZL刮膜式分子蒸餾設(shè)備，天津君歌分子蒸餾設(shè)備有限公司。

1.2? ?試驗(yàn)方法

1.2.1? ? 亞麻籽油甲酯化? ? 稱取50 g經(jīng)檢驗(yàn)合格的亞麻籽油置于250 mL容量瓶中，加入定量正己烷輕搖使其完全溶解后定容，加入0.5 mol/L的KOH-甲醇溶液作催化劑，常溫下反應(yīng)30 min，靜置40 min，加入蒸餾水振搖、靜置分層，棄去下層液，沖洗至中性，再經(jīng)無(wú)水硫酸鈉脫水處理，得α-亞麻酸甲酯粗產(chǎn)品。

1.2.2? ? 單因素試驗(yàn)? ? 在冷凝循環(huán)水5 ℃，預(yù)熱溫度60 ℃，進(jìn)料時(shí)間30 min的條件下，依次研究蒸餾壓力（蒸餾溫度85 ℃、刮膜轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)料速度0.8 mL/min）、蒸餾溫度（蒸餾壓力0.8 Pa、刮膜轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)料速度0.8 mL/min）、刮膜轉(zhuǎn)速（蒸餾溫度85 ℃、蒸餾壓力0.8 Pa、進(jìn)料速度0.8 mL/min）、進(jìn)料速度（蒸餾溫度85 ℃、蒸餾壓力0.8 Pa、刮膜轉(zhuǎn)速200 r/min）4個(gè)因素對(duì)α-亞麻酸富集效果的影響，以確定蒸餾工藝參數(shù)。

1.2.3? ? Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)? ? 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取蒸餾溫度、蒸餾壓力、進(jìn)料速度、刮膜轉(zhuǎn)速4個(gè)因素，進(jìn)行通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。以α-亞麻酸含量為指標(biāo)，利用Desigh Expert7.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，篩選出富集α-亞麻酸的分子蒸餾優(yōu)化工藝條件，并進(jìn)行驗(yàn)證。因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.3? ?分析方法

1.3.1? ? 色譜條件? ? 色譜柱為DB-FFAP毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;進(jìn)樣口溫度為250 ℃;柱溫的起始溫度180 ℃，10 ℃/ min升溫至220 ℃，再以8 ℃/min升溫至250 ℃，保持13 min;檢測(cè)器溫度270 ℃;進(jìn)樣量1 μL，分流比20∶1;載氣為氮?dú)?、氫氣?/p>

1.3.2? ?α-亞麻酸甲酯的含量和提取率測(cè)定

將α-亞麻酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品與α-亞麻酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)品分別配置成1 mg/mL的正己烷溶液，各取1 mL充分混合后取樣進(jìn)行色譜分析。相對(duì)質(zhì)量校正因子按下式得出[17 ]。

式中，f為相對(duì)質(zhì)量矯正因子;As、Ar分別為內(nèi)標(biāo)物和對(duì)照品的峰面積;ms、mr分別為加入內(nèi)標(biāo)物和對(duì)照品的量。

將脂肪酸甲酯粗品和輕組分中樣品分別配制成2 mg/mL的正己烷溶液，各取1 mL上述溶液與1 mL的α-亞麻酸乙酯內(nèi)標(biāo)溶液（1 mg/mL）混合，取樣進(jìn)氣相色譜分析。α-亞麻酸甲酯含量和提取率按下式計(jì)算。

式中，w為α-亞麻酸甲酯的含量（總），w（i）為α-亞麻酸甲酯的含量，Y為α-亞麻酸甲酯提取率，f為相對(duì)質(zhì)量矯正因子，A（l）為粗品峰面積，A（i）為輕組分樣品面積，A（s）為內(nèi)標(biāo)物峰面積;m（l）為輕組分質(zhì)量（g）; m（h）為重組分質(zhì)量（g）。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?單因素試驗(yàn)

2.2.1? ? 蒸餾溫度對(duì)α-亞麻酸甲酯富集效果的影響? ? 圖1表明，由于溫度逐漸升高，輕組分不斷溢出，α-亞麻酸甲酯在輕組分中的含量隨著溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，99 ℃時(shí)達(dá)到最大值。但隨著蒸餾溫度繼續(xù)升高，重組分也會(huì)被帶出，從而使輕組分中α-亞麻酸甲酯的含量降低。α-亞麻酸甲酯的提取率隨著溫度升高一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，溫度越高，提取率越來(lái)越高。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸餾溫度高于90 ℃時(shí)，輕組分顏色變暗，且變暗程度與溫度成向關(guān)系。綜合分析，蒸餾溫度應(yīng)該控制在90～95 ℃較為適宜。

2.2.2? ? 蒸餾壓力對(duì)α-亞麻酸甲酯富集效果的影響? ? 如圖2所示，隨著壓力的增大，α-亞麻酸甲酯的含量迅速增大，后呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，在0.8 Pa時(shí)達(dá)到最大值。α-亞麻酸甲酯的提取率隨著壓力的增大持續(xù)增大。綜合分析，蒸餾壓力應(yīng)該控制在0.8 Pa比較合適。

2.2.3? ? 進(jìn)料速度對(duì)α-亞麻酸甲酯富集效果的影響? ? 圖3表明，輕組分中α-亞麻酸甲酯的含量和提取率隨著進(jìn)料速度的增加先增大后減小，在1.1 mg/min時(shí)含量達(dá)到最大，提取率相應(yīng)的最高。這是由加熱器傳熱量與α-亞麻酸甲酯汽化熱之間平衡所決定的，低流量時(shí)加熱器傳熱量大于α-亞麻酸甲酯汽化熱，多余熱量用于重組分蒸出。在進(jìn)料速度為1.1 mL/min時(shí)兩者達(dá)到平衡，含量處于平衡狀態(tài)。隨著進(jìn)料速度加大，加熱器已不能夠提供足夠的熱量供α-亞麻酸甲酯揮發(fā)，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率開(kāi)始降低。綜合來(lái)看，1.1 mL/min為比較適宜的進(jìn)料速度。

2.2.4? ? 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)α-亞麻酸甲酯富集效果的影響? ? 圖4表明，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率均隨著刮膜轉(zhuǎn)速的提高先增大后減小，在280 r/min時(shí)達(dá)到最大值。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速提高，引起液膜湍動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)流傳熱速度也隨之增大，傳熱的改善使得更多輕組分逸出。但隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，熱量傳遞越多，重組分逸出也越多，加上料液被甩到冷凝管上幾率加大，導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率下降。因此，刮膜轉(zhuǎn)速選擇280 r/min比較合適。

2.3? ?響應(yīng)面試驗(yàn)

2.3.1? ?響應(yīng)面回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的前提下，根據(jù)Box- Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，對(duì)自變量A、B、C、D進(jìn)行回歸分析，由Design-Expert7.0擬合出二次多項(xiàng)式方程為：Y=79.59+4.44A+1.37B+1.43C+1.30D-0.95AB+0.30AC-0.17AD+0.10BC+0.15BD-0.30CD-5.98A2-2.89B2-3.88C2-2.10D2

由表3的方差分析結(jié)果看出，方程中的因素A、B、C、D、A2、B2、C2、D2對(duì)亞麻籽油中α-亞麻酸含量影響極顯著（P < 0.01）;AC、AD、BC、BD、CD對(duì)α-亞麻酸含量影響不顯著;AB對(duì)α-亞麻酸含量影響顯著。根據(jù)二次多項(xiàng)式回歸方程的一次項(xiàng)系數(shù)大小，可以判斷出對(duì)提取亞麻籽油α-亞麻酸影響最大的因素是蒸餾溫度。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.988 3，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有98.83%來(lái)源于所選變量，且模型P值遠(yuǎn)小于0.01，表示模型方程極顯著，失擬性在0.05水平上不顯著（P = 0.1381 > 0.05），故模型的選取是適合的。RAdj2為0.976 7，說(shuō)明建立模型能夠解決97.67%的響應(yīng)值變化，能較好的描述分子蒸餾提取α-亞麻酸工藝條件的變化規(guī)律。

2.3.2? ? 模型的驗(yàn)證性? ?利用Design-Expert7.0軟件對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)化預(yù)測(cè)，得到最優(yōu)化工藝組合A為90.98 ℃、B為0.79 Pa、C為0.87 mL/min、D為287.13 r/min，此時(shí)可得到最大響應(yīng)值為81.00%。為了檢驗(yàn)此方法的可靠性，同時(shí)考慮操作的便利性，將α-亞麻酸提取最佳條件修正為蒸餾溫度A為90 ℃、蒸餾壓力B為0.8 Pa、進(jìn)料速度C為0.87 mL/min、刮膜轉(zhuǎn)速D為287 r/min。按修正后的條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，得到α-亞麻酸的含量為81.15%，與理論值相差0.15%;提取率3次平行試驗(yàn)平均值為78.2%。此結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)值相近，說(shuō)明建立的模型能較好地反映實(shí)際的純化過(guò)程。雖然優(yōu)化后的工藝明顯提高α-亞麻酸的純度，但要工業(yè)化生產(chǎn)還需做大量中試試驗(yàn)，同時(shí)也需要改進(jìn)。

3? ?結(jié)論與討論

將α-亞麻酸甲酯化后從甘油三酯中解離出來(lái)，然后采用分子蒸餾技術(shù)進(jìn)一步純化，通過(guò)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選出分子蒸餾純化α-亞麻酸的最佳工藝條件為蒸餾溫度90 ℃、蒸餾壓力0.8 Pa、進(jìn)料速度0.87 mL/min、刮膜轉(zhuǎn)速287 r/min。在此工藝條件下，得到α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.15%，提取率為78.20%。

陳樂(lè)清等[12 ]利用分子蒸餾技術(shù)純化亞麻籽α-亞麻酸，分析了蒸餾溫度、刮膜轉(zhuǎn)速、預(yù)熱溫度、進(jìn)料速度4個(gè)因素對(duì)純化結(jié)果的影響，并利用響應(yīng)曲面法的Box- Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到提純?chǔ)?亞麻酸的優(yōu)化工藝條件，在該工藝條件下，α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從53.36%提高至80.27%，提取率為76.20%。張運(yùn)暉[18 ]采用四級(jí)分子蒸餾技術(shù)，將原料中的α-亞麻酸由原來(lái)的67.5%提純至82.3%。本試驗(yàn)首次將蒸餾壓力作為考察因素進(jìn)行試驗(yàn)，所得最佳工藝條件均為考慮接近工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上得到，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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（本文責(zé)編：陳? ? 偉）

收稿日期：2018 - 09 - 17;修訂日期：2019 - 04 - 10

基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2016B188）。

作者簡(jiǎn)介：劉金菊（1988 — ），女，四川南部人，講師，碩士，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與工藝。Email：839584172@qq.com。