分子蒸餾技術(shù)提取茶油脫臭餾出物中維生素E

付建平，韓曉丹，胡居吾，熊偉，吳磊

江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所（南昌 330096）

油茶籽油需經(jīng)脫膠、脫酸、脫色、脫臭等精煉工序才能達(dá)到消費(fèi)者食用要求。油脂脫臭時(shí)產(chǎn)生大量副產(chǎn)品——脫臭餾出物，其主要成分為游離脂肪酸、甘油酯、天然維生素E（生育酚）、甾醇、甾醇酯及氧化產(chǎn)物，其中最有開(kāi)發(fā)價(jià)值的是天然維生素E。天然維生素E是四種生育酚和四種生育三烯酚的混合體，根據(jù)苯環(huán)上被甲基化的位置序數(shù)不同分為α-、β-、γ-、δ-生育酚和α-、β-、γ-、δ-生育三烯酚[1-2]。維生素E具多種生理功能活性，被廣泛應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥、食品等行業(yè)[3-4]。油茶籽油中含有豐富的維生素E，然而在對(duì)毛油進(jìn)行精煉后發(fā)現(xiàn)維生素E等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失較大，直接導(dǎo)致茶油品質(zhì)的下降，其損耗大部分殘留于皂腳和脫臭餾出物中。綜合利用茶油加工過(guò)程中的副產(chǎn)物，將其中活性物質(zhì)提取出來(lái)，變廢為寶，具有重要的研究和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用油脂為原料制備天然高含量維生素E的方法主要有超臨界萃取法（SFE）和分子蒸餾法（MD）等[6-7]。超臨界CO2萃?。⊿CDE）具有萃取能力強(qiáng)、無(wú)毒、安全、來(lái)源廣泛、易于從產(chǎn)品中去除等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展較快的綠色提取技術(shù)。但脫臭餾出物中非揮發(fā)性組分和色素物質(zhì)含量高，這些非揮發(fā)性組分主要是不飽和脂肪酸，易發(fā)生自氧化，此外色素也會(huì)影響精油的儲(chǔ)藏，因此超臨界萃取物品質(zhì)惡化快。儲(chǔ)藏期較短[8-9]。分子蒸餾技術(shù)是依據(jù)混合物分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別，在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)的溫度下將其分離。因此，分子蒸餾技術(shù)特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物系的分離。此次試驗(yàn)采用多級(jí)分子蒸餾技術(shù)提取茶油脫臭餾出物中的天然維生素E，建立從原料到產(chǎn)品的維生素E含量分析方法，以期為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 儀器和試劑

KDL5型分子蒸餾儀（德國(guó)UIC公司）；HY-8（A）型振蕩器（常州市凱航儀器有限公司）；TDL-40B型臺(tái)式大容量離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；S-501型液相色譜儀（德國(guó)Sykam）；RE52CS-1旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；上DHG-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；KQ-2200超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；ALB-224分析天平（賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司）；等。

干氫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；球形5A型分子篩；乙醚、乙醇、氫氧化鉀以及無(wú)水硫酸鈉均為分析純；色譜級(jí)甲醇；分子篩；α-生育酚、β-生育酚標(biāo)準(zhǔn)品；茶油脫臭餾出物（江西萬(wàn)山油茶有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 酯化過(guò)程將脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸乙酯，可以拉大維生素E與游離脂肪酸的沸點(diǎn)差和溶解度，為下一步的分離提供較好的原料[10]。在對(duì)油茶籽油脫臭餾出物進(jìn)行酯化預(yù)處理時(shí)，按一定料液比將原料加入乙醇中，而后加入一定量催化劑陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和分子篩，反應(yīng)一定時(shí)間后洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，從而得到以維生素E和脂肪酸乙酯為主要成分的混合物，將混合物進(jìn)行超聲冷凍結(jié)晶從而進(jìn)一步得到分子蒸餾原料。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率定義為已轉(zhuǎn)化的羥基的摩爾數(shù)與脫臭餾出物中總羥基的摩爾數(shù)之比，可根據(jù)反應(yīng)物酸價(jià)的變化來(lái)計(jì)算。取3～4 g反應(yīng)物，用50 mL無(wú)水乙醇和無(wú)水乙醚的混合液（1∶1，V/V）溶解，以0.1 mol/L的氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行酸堿滴定，計(jì)算酸價(jià)[11]和轉(zhuǎn)化率。

1.2.2 分子蒸餾分離

將500 g通過(guò)上述方法處理而得到的原料在不同溫度、不同刮膜轉(zhuǎn)速下，以不同的進(jìn)料速率進(jìn)入分子蒸餾裝置。在此過(guò)程中考察分子蒸餾加熱壁面溫度、刮板轉(zhuǎn)速以及進(jìn)料速率對(duì)分離以維生素E和脂肪酸乙酯為主要成分的混合物中脂肪酸乙酯的影響。以產(chǎn)品中維生素E含量作為檢測(cè)指標(biāo)。在開(kāi)啟分子蒸餾前，應(yīng)注意各排氣閥的密封性并確保冷阱中充滿液氮以更好地確保真空度及保護(hù)油擴(kuò)散泵。

1.2.3 高效液相色譜法測(cè)定維生素E的含量

1.2.3.1α-生育酚標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

準(zhǔn)確稱量100 mgα-生育酚標(biāo)準(zhǔn)品放入100 mL容量瓶中，用乙醇溶液稀釋至刻度值，配成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。用取樣器分別取出一定量1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用乙醇稀釋，配成質(zhì)量濃度分別為10，20，30，40和50 μg/mL的生育酚標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2.3.2 待測(cè)溶液的制備

稱取1.0 g左右以上分離提取過(guò)程最后得到的樣品，放入25 mL容量瓶中，用乙醇稀釋至刻度，配成待測(cè)溶液，放入冰箱中。

1.2.3.3 HPLC分析

色譜條件：ODS C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動(dòng)相，甲醇-水溶液（98∶2，V/V）；檢測(cè)波長(zhǎng)，300 nm；流速，1 mL/min；柱溫，30 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 酯化反應(yīng)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)脫臭餾出物進(jìn)行酯化處理，使其酸價(jià)降到3 mg KOH/g以下，大部分的脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸乙酯，為下一步的分子蒸餾提供比較好的原料。針對(duì)脫臭餾出物體系，從酯化結(jié)果來(lái)看，所采用的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有較高的活性，是一種較為理想的酯化催化劑。酯化反應(yīng)的適宜操作條件為：采用分子篩作為吸水劑，乙醇與脫臭餾出物的質(zhì)量比為1.6∶1，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h，此時(shí)酯化率達(dá)到96.2%。由于采用了較溫和的反應(yīng)條件，酯化過(guò)程中維生素E的回收率較高。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 酯化過(guò)程維生素E的衡算

式中：m1為酯化產(chǎn)物中生育酚總量，mg；m2為原料中生育酚總量，mg。

采用熱乙醇溶液，對(duì)樹(shù)脂和分子篩進(jìn)行洗滌抽慮，可以除去吸附的乙酯物，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行了有效的回收，可以重復(fù)使用3～4次。進(jìn)一步去除甾醇可采用超聲波處理后重結(jié)晶，得到的甾醇晶體抽濾去除，從而為分子蒸餾操作進(jìn)一步減輕負(fù)擔(dān)。

2.2 一二級(jí)分子蒸餾試驗(yàn)研究

酯化后的產(chǎn)物通過(guò)三次蒸餾進(jìn)行生育酚的濃縮，其中前兩次蒸餾主要是蒸去沸點(diǎn)比生育酚低的醛、酮、碳水化合物、脂肪酸甲酯等，而與生育酚沸點(diǎn)比較相近的甘油一酯不容易進(jìn)行分離。

一級(jí)分子蒸餾：將500 g通過(guò)1.2.1的酯化方法預(yù)處理得到的原料進(jìn)行第一次分子蒸餾，預(yù)熱溫度40～70℃，在系統(tǒng)壓力0.1 Pa，80～100 ℃加熱壁面溫度、80～110 r/min刮板轉(zhuǎn)速條件下，以5～7 mL/min的進(jìn)料速率進(jìn)入分子蒸餾裝置中，獲得一級(jí)分子蒸餾產(chǎn)物的重相，此步驟主要是除去醛、酮、碳水化合物等沸點(diǎn)較低的組分。

二級(jí)分子蒸餾：將一級(jí)分子蒸餾產(chǎn)物得到的的重相進(jìn)行第二次分子蒸餾，進(jìn)料速率3～5 mL/min，加熱壁面溫度120～150 ℃，刮板轉(zhuǎn)速90～110 r/min，預(yù)熱溫度75～80 ℃，系統(tǒng)壓力0.1 Pa，獲得二級(jí)分子蒸餾產(chǎn)物。此過(guò)程收集重相組分，除去富含脂肪酸乙酯等沸點(diǎn)較低的輕相組分。

據(jù)文獻(xiàn)[12-13]報(bào)道，預(yù)熱溫度越接近加熱壁面溫度，傳質(zhì)與傳熱效果越好，分離效果就越好。由于實(shí)際試驗(yàn)操作限制，采用預(yù)熱溫度不高于80 ℃。經(jīng)過(guò)兩次分子蒸餾而得到的重相產(chǎn)品中的維生素E含量由原料的0.007 2%提高到0.036 6%。

2.3 三級(jí)分子蒸餾試驗(yàn)條件優(yōu)化

在二級(jí)分子蒸餾基礎(chǔ)上，增大加熱壁面的溫度，將經(jīng)過(guò)二級(jí)分子蒸餾得到的重相進(jìn)行第三次分子蒸餾以分離維生素E和甘油三酯。采用L9(34)正交表，以蒸發(fā)溫度、進(jìn)料速率、刮膜轉(zhuǎn)速為三因素建立正交試驗(yàn)，將得到的輕組分進(jìn)行維生素E含量測(cè)定。因素水平見(jiàn)表2。

三級(jí)分子蒸餾正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。RA＞RC＞RB，表明A、B、C三個(gè)因素對(duì)提取率影響的主次順序?yàn)锳＞C＞B；最佳提取條件為A2B2C2，即蒸發(fā)溫度200℃，進(jìn)料速率4 mL/min，刮膜轉(zhuǎn)速150 r/min。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，分子蒸餾產(chǎn)物中維生素E含量達(dá)0.93%。

表2 正交因素水平表

表3 分子蒸餾試驗(yàn)正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4 維生素E的含量測(cè)定

由試驗(yàn)可得，從油茶脫臭餾出物中得到的天然維生素E以活性最高的α-生育酚[8]為主，因此維生素E的含量測(cè)定以α-生育酚作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。

2.4.1 線性關(guān)系考察

按1.2.3小節(jié)方法，分別將5種溶度的對(duì)照品溶液進(jìn)樣20 μL，記錄色譜峰面積。將對(duì)照品的峰面積設(shè)為縱坐標(biāo)（Y），對(duì)照品的質(zhì)量濃度設(shè)為橫坐標(biāo)（X），建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，得回歸方程Y=149 003X-30 209，r=0.999 5，線性關(guān)系良好。

圖1 維生素E標(biāo)樣HPLC色譜圖

2.4.2 樣品含量測(cè)定及重復(fù)性試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取同一樣品，共5份，在最佳提取條件下提取，按1.2.3.2小節(jié)制備5份待測(cè)溶液，測(cè)得維生素E含量平均值為0.927%，RSD為1.1%，表明方法重復(fù)性良好。

2.4.3 穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)同一供試品溶液分別于制備后0，2，4，8和24 h測(cè)定維生素E峰面積。結(jié)果顯示RSD為1.2%，表明樣品在24 h內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

試驗(yàn)得出經(jīng)過(guò)預(yù)處理的油茶脫臭餾出物進(jìn)行三級(jí)分子蒸餾能夠?qū)⒃夕?生育酚含量提高近13倍，得到以天然α-生育酚為主的天然維生素E。所采用的干氫強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂具有較高的活性，是一種較為理想的酯化催化劑。酯化反應(yīng)的適宜操作條件為：采用分子篩作為吸水劑，乙醇與脫臭流出物的質(zhì)量比1.6∶1，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h，此時(shí)酯化率達(dá)到96.2%。由于采用了較溫和的反應(yīng)條件，甲酯化過(guò)程中生育酚的回收率較高。將酯化后的酯化產(chǎn)物進(jìn)行三次分子蒸餾，逐步脫除脂肪酸和少量的其他雜質(zhì)。三級(jí)蒸餾采用正交試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)蒸發(fā)溫度為200 ℃，進(jìn)料速率為4 mL/min，刮膜轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，維生素E的純度達(dá)到最高，為0.93%。采用高效液相色譜法對(duì)原料成分進(jìn)行分析，建立了從原料到產(chǎn)品生育酚含量的分析方法。應(yīng)用高效液相色譜法分析生育酚含量，原料不需要預(yù)處理，操作簡(jiǎn)易，準(zhǔn)確率高。雖然茶油脫臭餾出物原料本身維生素E的總含量不高，但其中生理活性最高的α-生育酚[14]含量很高，其脫臭餾出物具有很高的綜合應(yīng)用價(jià)值。