垂序商陸種子油脂肪酸組成及其生物柴油制備工藝研究

廖 陽(yáng),閆榮玲,劉麗華,何福林,李 辰

(1.湖南科技學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 永州 425199； 2.湘南優(yōu)勢(shì)植物資源綜合利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 永州 425199； 3.湖南省銀杏工程技術(shù)中心，湖南 永州 425199； 4.五邑大學(xué) 生物科技與大健康學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020)

隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)石油資源的需求量及消耗速度不斷攀升，能源危機(jī)越來(lái)越凸顯。生物柴油是以動(dòng)植物油脂或廢餐飲油等為原料經(jīng)酯化后得到的一種清潔環(huán)保的可再生能源，是緩解能源危機(jī)的重要策略之一[1]。原料可占生物柴油生產(chǎn)總成本的70%甚至更高，因此尋求含油率高、再生周期短、能夠穩(wěn)定供給的原料是當(dāng)前生物柴油研究的重要課題。動(dòng)物油脂不飽和脂肪酸含量低，熔點(diǎn)和黏度高且與醇的互溶性差，回收油脂則往往雜質(zhì)及水分多，除雜與脫色等前處理復(fù)雜。因此，植物油脂是制備生物柴油的優(yōu)質(zhì)原料[2]。世界各國(guó)都選擇有自身優(yōu)勢(shì)的原料來(lái)發(fā)展生物柴油，歐洲多用菜籽油和葵花籽油，美國(guó)為大豆油，巴西為蓖麻籽油，東南亞等地用棕櫚油等。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，若以傳統(tǒng)食用油為原料進(jìn)行生物柴油制備不利于國(guó)家糧油安全。因此，利用非食用植物油脂進(jìn)行生物柴油制備更合理可行。

垂序商陸(PhytolaccaamericanaL.)為商陸科商陸屬的多年生草本植物，其根部由于含有商陸皂苷活性成分而作為一味中藥使用，近年人們還對(duì)其葉片皂苷[3-4]、漿果紅色素[5]等進(jìn)行了提取與應(yīng)用，但關(guān)注其種子開(kāi)發(fā)利用的研究十分少見(jiàn)[6]。垂序商陸的結(jié)籽量大，不是傳統(tǒng)食用油來(lái)源，因此考慮將其種子油作為生物柴油制備原料。需指出的是，原料油脂中脂肪酸的組成及含量是決定生物柴油品質(zhì)的重要因素，會(huì)影響所得生物柴油的十六烷值、流動(dòng)性、穩(wěn)定性等指標(biāo)[7]。因此，本研究對(duì)垂序商陸種子油的脂肪酸組成及含量進(jìn)行測(cè)定，以確定其作為生物柴油原料油的潛力。

各種動(dòng)植物油脂與甲醇等低碳醇類(lèi)物質(zhì)在催化劑作用下制備生物柴油是目前工業(yè)生產(chǎn)生物柴油的主要方法。根據(jù)使用的催化劑種類(lèi)不同又可以分為酸催化法、堿催化法、生物酶法等，其中堿催化法由于條件溫和、成本較低、可產(chǎn)生高附加值副產(chǎn)物甘油, 反應(yīng)速率快等而被廣泛采用[1-2]。用于制備生物柴油的醇類(lèi)有甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等，其中甲醇因?yàn)榫哂刑兼湺獭O性強(qiáng)和價(jià)格便宜的特點(diǎn)而最為常用[8]。因此，本研究以垂序商陸種子油和甲醇為原料，KOH為催化劑，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察了醇油摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、催化劑用量對(duì)生物柴油轉(zhuǎn)化率的影響，并在此基礎(chǔ)上采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了生物柴油制備工藝，為垂序商陸種子油在生物柴油制備領(lǐng)域的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

垂序商陸果實(shí)采自湖南科技學(xué)院周邊空地，采集到的垂序商陸果實(shí)揉搓破碎、多次洗滌與過(guò)濾去雜后獲得干凈的種子，于65℃下烘干24 h，粉碎機(jī)粉碎。石油醚(沸程60～90℃)、正己烷、氫氧化鉀、甲醇、濃硫酸、無(wú)水硫酸鈉、乙醚、乙醇、鹽酸等，均為分析純。

恒平AE124J分析天平，島津QP2010S GC-MS，RE-2000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵，WG-20電熱鼓風(fēng)干燥箱，DF-101S恒溫磁力攪拌器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 垂序商陸種子油提取[9]

取5.0 g垂序商陸種子粉末，加一定體積的石油醚，充分?jǐn)嚢韬箪o置12 h；之后進(jìn)一步借助微波進(jìn)行種子油提取，提取條件為料液比1∶10，微波時(shí)間70 min，微波功率300 W，微波溫度50℃；提取完成后，真空抽濾得澄清液再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收溶劑，最后置50℃干燥箱中2 h去除殘留溶劑后冷卻至室溫，得到垂序商陸種子油。

1.2.2 垂序商陸種子油的脂肪酸組成分析

1.2.2.1 甲酯化處理

稱(chēng)取0.1 g樣品于25 mL容量瓶中，加入1 mol/L KOH-甲醇溶液2 mL，45℃水浴45 min，之后利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀水浴蒸干，并加入2 mL的5%硫酸-甲醇溶液，70℃水浴60 min后，向樣品中滴加2 mL飽和氯化鈉溶液，搖勻，再加入2 mL正己烷，振搖，靜置10 min，分層。取0.1 mL上清液，稀釋100倍后，加入少量無(wú)水硫酸鈉脫水，于氣質(zhì)聯(lián)用儀中進(jìn)行脂肪酸組成分析。

1.2.2.2 GC-MS分析條件

采用石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×25 μm)；載氣為He，流量2 mL/min；升溫程序?yàn)槌跏紲囟?50℃，保持3.5 min，以20℃/min的速度升溫至200℃，保持5 min，以5℃/min的速度升溫至280℃，保持20 min;進(jìn)樣量0.5 μL；離子源為EI，溫度為200℃；電子能量70 eV；掃描周期0.5 s；界面溫度250℃，溶劑切除時(shí)間3 min。采用與質(zhì)譜圖庫(kù)檢索比較，取最優(yōu)匹配者進(jìn)行脂肪酸定性鑒定，采用峰面積歸一化法進(jìn)行脂肪酸相對(duì)含量的確定。

1.2.3 生物柴油制備

稱(chēng)取一定量垂序商陸種子油置于錐形瓶中，加入一定量催化劑KOH與甲醇的混合液，置于恒溫加熱磁力攪拌器中開(kāi)始計(jì)時(shí)并持續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間，后倒入分液漏斗中靜置，分離出下層甘油，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將上層生物柴油粗品在常壓下蒸餾脫除過(guò)量甲醇，用溫水洗至中性，再減壓蒸餾除去殘存的水等雜質(zhì)，最終得到顏色淡黃、比較清亮的脂肪酸甲酯即生物柴油[10-11]。參照文獻(xiàn)[11-12]測(cè)定原料油和產(chǎn)物中的總甘油含量，按下式計(jì)算生物柴油轉(zhuǎn)化率。

生物柴油轉(zhuǎn)化率=(原料油中理論甘油含量-生物柴油中甘油含量)/原料油中理論甘油含量×100%

1.2.4 生物柴油制備的單因素實(shí)驗(yàn)與正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

分別考察了醇油摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度4個(gè)因素對(duì)垂序商陸種子油制備生物柴油轉(zhuǎn)化率的影響。單因素實(shí)驗(yàn)時(shí)分別設(shè)置醇油摩爾比4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1，催化劑用量0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、1.7%、2.0%，反應(yīng)時(shí)間20、40、60、80、100、120 min，反應(yīng)溫度30、40、50、60、70、80℃各6個(gè)梯度水平。

進(jìn)行某一單因素實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他3個(gè)因素維持不變，分別固定為醇油摩爾比6∶1、催化劑用量1.1%、反應(yīng)時(shí)間40 min、反應(yīng)溫度50℃。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取3個(gè)因素各自生物柴油轉(zhuǎn)化率較高的3個(gè)較佳水平，按照L9(34)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化生物柴油制備工藝。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)經(jīng)Excel2003、SPSS19.0以及Sigmaplot10.0等軟件進(jìn)行整理、分析與作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 垂序商陸種子油脂肪酸組成

垂序商陸種子油經(jīng)GC-MS分析得到的總離子流圖如圖1所示。經(jīng)與NIST05質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)檢索后，確定垂序商陸種子油脂肪酸組成及相對(duì)含量見(jiàn)表1。

圖1 垂序商陸種子油總離子流圖

保留時(shí)間/min脂肪酸相對(duì)含量/%15.194軟脂酸12.6618.074硬脂酸29.9218.217油酸55.0018.720亞油酸1.0522.792花生酸1.0127.422芥酸0.36

由圖1及表1可知，垂序商陸種子油含6種脂肪酸，分別為軟脂酸(12.66%)、硬脂酸(29.92%)、油酸(55.00%)、亞油酸(1.05%)、花生酸(1.01%)、芥酸(0.36%)，不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的占比分別為56.41%與43.59%，前者約為后者含量的1.3倍。

雖然垂序商陸種子油中的不飽和脂肪酸含量較飽和脂肪酸高，但相對(duì)其他植物油脂，其不飽和脂肪酸含量明顯偏低。尤其是人體不能合成，具有降低血液膽固醇、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、提高腦細(xì)胞活力、增強(qiáng)免疫力等生理活性的亞油酸含量極低，亞麻酸更是未被檢出。同時(shí)，垂序商陸種子與其葉片以及根部一樣含有可引發(fā)溶血及產(chǎn)生細(xì)胞毒性等不良生理效應(yīng)的皂苷類(lèi)物質(zhì)[4,9]，在油脂提取過(guò)程中存在少量商陸皂苷同步釋出進(jìn)入油中從而產(chǎn)生不利于人體健康的可能性。因此，垂序商陸種子油作為新型食用油資源開(kāi)發(fā)的潛力和優(yōu)勢(shì)不明顯。

垂序商陸種子油與幾種制備生物柴油常用植物油脂肪酸組成及含量比較見(jiàn)表2。

表2 垂序商陸種子油與幾種生物柴油制備常用植物油脂肪酸組成及含量比較 %

由見(jiàn)表2可知，垂序商陸種子油的總不飽和脂肪酸含量、單不飽和脂肪含量高于棕櫚油。同時(shí)，垂序商陸種子油多不飽和脂肪酸含量極低(<2%)，且單不飽和脂肪酸含量高、碳鏈長(zhǎng)度在12～22區(qū)間，可見(jiàn)其具有作為制備生物柴油原料油的潛力。

2.2 生物柴油制備工藝及優(yōu)化

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖2)

由圖2可知，隨著醇油摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的增加，生物柴油轉(zhuǎn)化率均呈現(xiàn)出先增加后減少的總體變化趨勢(shì)，且分別在醇油摩爾比7∶1、催化劑用量1.1%、反應(yīng)時(shí)間60 min、反應(yīng)溫度60℃時(shí)達(dá)到最大值。

一定范圍內(nèi)，垂序商陸種子油制備生物柴油的轉(zhuǎn)化率隨醇油摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，是因?yàn)楦饕蛩胤謩e通過(guò)提高底物濃度(增加分子間碰撞概率)、增加反應(yīng)體系中活化分子數(shù)、保證底物充分反應(yīng)等途徑對(duì)反應(yīng)體系起到了積極影響；但當(dāng)各因素在超過(guò)某一水平后，則會(huì)由于過(guò)多的醇增加了體系極性、過(guò)量的催化劑增加了皂化等副反應(yīng)、過(guò)高的溫度使甲醇蒸發(fā)、過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間打破了反應(yīng)平衡(使逆反應(yīng)快于正反應(yīng))等從而導(dǎo)致生物柴油轉(zhuǎn)化率不增反降[11,16]。需指出的是，過(guò)多的醇以及催化劑KOH還會(huì)增加后續(xù)回收以及產(chǎn)品分離的難度，因此從生物柴油轉(zhuǎn)化率與成本兩方面綜合考慮，確定醇油摩爾比6∶1、7∶1、8∶1，催化劑用量0.8%、1.1%、1.4%，反應(yīng)時(shí)間40、60、80 min，反應(yīng)溫度40、50、60℃各3個(gè)水平進(jìn)行后續(xù)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以醇油摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度為因素，生物柴油轉(zhuǎn)化率為指標(biāo)進(jìn)行L9(34)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

表3 垂序商陸種子油制備生物柴油正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表3可知，各因素對(duì)垂序商陸種子油制備生物柴油轉(zhuǎn)化率的影響順序?yàn)榇呋瘎┯昧?反應(yīng)溫度>醇油摩爾比>反應(yīng)時(shí)間，最佳制備工藝組合為A2B2C3D2，即醇油摩爾比7∶1，催化劑用量1.1%，反應(yīng)時(shí)間80 min，反應(yīng)溫度50℃。在最佳制備工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，生物柴油轉(zhuǎn)化率為94.6%。

3 結(jié) 論

垂序商陸種子油中含有軟脂酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、花生酸、芥酸6種脂肪酸，含量分別為12.66%、29.92%、55.00%、1.05%、1.01%、0.36%；垂序商陸種子油中單不飽和脂肪酸含量高，多不飽和脂肪酸含量極低、碳鏈長(zhǎng)度在12～22區(qū)間、且飽和脂肪酸含量低于棕櫚油等原料油，因此較適于進(jìn)行生物柴油的制備。單因素實(shí)驗(yàn)及正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到垂序商陸種子油制備生物柴油最佳條件為反應(yīng)時(shí)間80 min、反應(yīng)溫度50℃、醇油摩爾比7∶1、催化劑用量1.1%，此條件下生物柴油轉(zhuǎn)化率為94.6%。結(jié)果表明，垂序商陸種子油成分多樣、單不飽和脂肪酸含量高并且制備生物柴油可行性強(qiáng)、工藝溫和、轉(zhuǎn)化率高，是一種具有顯著開(kāi)發(fā)潛質(zhì)的優(yōu)質(zhì)植物油脂資源，研究結(jié)果為垂序商陸的深度開(kāi)發(fā)利用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。