硫酸氫鈉催化魷魚油脂肪酸乙酯制備工藝研究

曾慶友，吳 帥，潘 偉

(華僑大學(xué)化工學(xué)院，廈門 福建 361021)

魷魚，別稱槍烏賊、柔魚，屬于軟體動(dòng)物門、頭足綱、十腕目、槍烏賊科,主要分布于大西洋、印度洋和太平洋等海域，是我國重要的遠(yuǎn)洋漁業(yè)和水產(chǎn)加工品種。魷魚加工過程中產(chǎn)生的下腳料(內(nèi)臟、皮、墨囊等),一般加工成低值飼料或直接廢棄掩埋，這不僅浪費(fèi)資源，還易造成環(huán)境污染。因此有效利用和開發(fā)魷魚下腳料，將為魷魚綜合利用提供新途徑。

魷魚油，是以新鮮的魷魚內(nèi)臟等下腳料為原料，經(jīng)液化、過濾、油分離、脫膠、脫酸、脫臭等工藝提煉而成。由于魷魚油具有低溫不凝結(jié)的特性,在飼料、醫(yī)藥和食品工業(yè)中應(yīng)用較廣泛[1]。研究表明，包括魷魚油在內(nèi)的深海魚油中含有較多的 ω-3 系多烯不飽和脂肪酸( PUFA)，主要包括二十碳五烯酸( EPA)和二十二碳六烯酸( DHA)。大量實(shí)驗(yàn)和臨床研究表明，DHA 具有健腦作用，EPA 具有降血脂、抗血小板聚集、延緩血栓形成的作用。魷魚油脂肪酸中，二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸含量之和約30%，具有很高的利用價(jià)值[2-4]。因此,利用魷魚加工下腳料提取魷魚油并進(jìn)一步加工成具有保健功能的魚油產(chǎn)品,具有極其可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值 。

本研究用硫酸氫鈉為催化劑，魷魚粗提油與無水乙醇通過酯化反應(yīng)和酯交換反應(yīng)制得魷魚油乙酯，為利用魷魚粗提油制備具有保健功能的深海魚油產(chǎn)品提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

分析天平，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，Agilent氣質(zhì)聯(lián)用儀，Bruker核磁共振儀。

魷魚油(福建閩南水產(chǎn)有限公司)，正己烷，正十四烷，無水乙醇，一水硫酸氫鈉，硫酸氫鉀，碳酸氫鈉，氫氧化鉀，無水硫酸鈉。

1.2 魷魚油脂肪酸乙酯的制備

向裝有回流冷凝管的三口燒瓶中加入原料魷魚油、無水乙醇、內(nèi)標(biāo)物正十四烷和催化劑，開啟攪拌，當(dāng)油浴升溫到一定溫度后反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)完成后，減壓蒸餾脫除乙醇，冷卻至室溫后加入一定量的碳酸氫鈉飽和溶液洗滌，再用一定量的蒸餾水洗滌，最后用無水硫酸鈉干燥并過濾得到魷魚油脂肪酸乙酯。

1.3 分析方法

1.3.1 原料魷魚油核磁共振分析

取總脂20 mg，加0.6 mL氘代氯仿，轉(zhuǎn)移至核磁管中用于核磁共振分析，以四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)，采用標(biāo)準(zhǔn)的一維氫譜脈沖程序和氫去耦的碳譜脈沖程序分別采集氫譜和碳譜。

1.3.2 原料魷魚油和魷魚油乙酯的氣質(zhì)聯(lián)用分析

對(duì)于原料魷魚粗提油，稱取1 g魷魚油溶于10 mL正己烷，超聲震蕩5 min，使其充分溶解。期間準(zhǔn)確稱取氫氧化鈉0.2 g溶于10 mL甲醇溶液，氫氧化鈉溶解完全后取2 mL進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)條件：超聲震蕩30 min，水浴溫度60 ℃。反應(yīng)結(jié)束，取2 mL魚油過有機(jī)濾膜，進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用分析[5]。

魷魚油脂肪酸乙酯的分析，直接取2 mL乙酯化產(chǎn)物過有機(jī)濾膜后進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原料魷魚油的組成

原料魷魚油核磁共振氫譜和碳譜分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 原料魷魚油的核磁共振氫譜

圖2 原料魷魚油核磁共振碳譜

按文獻(xiàn)方法[5]對(duì)原料魷魚油的核磁共振氫譜和碳譜進(jìn)行分析，原料魷魚油中多不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸質(zhì)量比為9∶5，其中二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸大部分都是游離脂肪酸。正是因?yàn)轸滛~油中的脂肪酸以游離脂肪酸為主，魷魚油的加工利用首先需要將游離脂肪酸催化轉(zhuǎn)化為脂肪酸酯?？紤]到市售魚油產(chǎn)品通常是脂肪酸乙酯，本文將原料魷魚油與乙醇反應(yīng)制備成魷魚油脂肪酸乙酯。

2.2 催化劑對(duì)魷魚油乙酯收率的影響

天然油脂甲酯化制備生物柴油既可以用堿催化也可以用酸催化。本文選用常見的氫氧化鈉(0.2%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、氫氧化鉀(0.2%)、一水硫酸氫鈉(6.0%)和硫酸氫鉀(6.0%)催化魷魚油與乙醇制備魷魚油脂肪酸乙酯，其它條件相同下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同催化劑對(duì)魷魚油乙酯化的影響

從表1看出，固體硫酸氫鈉和硫酸氫鉀的催化效果明顯好于氫氧化鈉和氫氧化鉀，其中硫酸氫鈉的效果最好。氫氧化鈉和氫氧化鉀催化效果差的原因，可能是魷魚油酸值偏高游離脂肪酸較多，魷魚油與堿發(fā)生了皂化反應(yīng)。硫酸氫鈉與硫酸氫鉀相比，不僅催化效果更好，而且還不會(huì)發(fā)生乳化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，硫酸氫鉀造成體系比較嚴(yán)重的乳化，給后續(xù)的分離帶來麻煩。因此，對(duì)于魷魚油乙酯化，硫酸氫鈉是比較合適的催化劑。

2.3 原料質(zhì)量比對(duì)魷魚油乙酯收率的影響

用硫酸氫鈉作催化劑，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間 5 h，硫酸氫鈉的用量為魚油質(zhì)量的8.0%，油醇質(zhì)量比分別取1.50，1.75，2.00，2.25，2.50，魷魚油與乙醇反應(yīng)的結(jié)果如表2所示。

表2 原料質(zhì)量比對(duì)魷魚油乙酯化的影響

從表2看出，隨著油醇質(zhì)量比的增大，乙酯化率先升高后降低，當(dāng)油醇質(zhì)量比為2.00時(shí)到達(dá)最大值85.3%；這一方面可能是因?yàn)殡S著油量增加，魷魚油與乙醇的有效碰撞降低所致[6-7]；另一方面可能由于乙醇用量增加，催化劑硫酸氫鈉的有效濃度偏低所致。

2.4 催化劑用量對(duì)魷魚油乙酯收率的影響

用硫酸氫鈉作催化劑，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h，油醇質(zhì)量比2.00，硫酸氫鈉的用量為魚油質(zhì)量的6.0%、7.0%、8.0%、9.0%和10.0%，魷魚油與乙醇反應(yīng)的結(jié)果如表3所示。

表3 催化劑用量對(duì)魷魚油乙酯化的影響

由表3可見，隨著催化劑用量的增加，魷魚油乙酯化率先增加后降低，在硫酸氫鈉用量為8.0 %時(shí)乙酯化效果最好，收率達(dá)到85.3 %。這一結(jié)果，與催化劑用量有最佳值的一般性結(jié)論相符。

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)魷魚油乙酯收率的影響

用硫酸氫鈉作催化劑，反應(yīng)溫度80 ℃，油醇質(zhì)量比2.00，催化劑用量為魚油質(zhì)量的8.0%，反應(yīng)時(shí)間4.0 h、5.0 h、6.0 h、7.0 h和8.0 h，魷魚油與乙醇反應(yīng)的結(jié)果如表4所示。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)魷魚油乙酯化的影響

由表4可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，最初乙酯化效果增加明顯，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過5 h后，酯化率基本保持不變。因此，可以認(rèn)為5 h后乙酯化反應(yīng)已經(jīng)接近平衡。這與高登征[6]用硫酸氫鈉催化高酸值油脂制備生物柴油的研究結(jié)論一致。

2.6 反應(yīng)溫度對(duì)魷魚油乙酯收率的影響

用硫酸氫鈉作催化劑，油醇質(zhì)量比2.00，催化劑用量為魚油質(zhì)量的8.0%，反應(yīng)時(shí)間5.0 h，反應(yīng)溫度40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃，魷魚油與乙醇反應(yīng)的結(jié)果如表5所示。

表5 反應(yīng)溫度對(duì)魷魚油乙酯化的影響

由表5可見，隨著反應(yīng)溫度的增加，乙酯化率增加明顯，當(dāng)反應(yīng)溫度80 ℃時(shí)達(dá)到85.3%。因此，反應(yīng)溫度80 ℃是合適的，更高的反應(yīng)溫度會(huì)因?yàn)橐掖嫉钠瘜?dǎo)致反應(yīng)體系壓力增加，對(duì)設(shè)備提出更高要求。

3 結(jié)論

本文選用固體硫酸氫鈉做催化劑，高酸值的魷魚油與無水乙醇反應(yīng)制備魷魚油脂肪酸乙酯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸氫鈉是魷魚油乙酯化的良好催化劑，用量少，反應(yīng)時(shí)間短，EPA&DHA 乙酯收率高，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。