α-亞麻酸的制備與分離技術研究進展

鞏振虎,劉義章,周凱,王仕亮

(滁州職業(yè)技術學院 食品與環(huán)境工程學院,安徽 滁州 239000)

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人開始注意到飲食的營養(yǎng)均衡性，其中α-亞麻酸(ALA)就是需要攝入的一種必需脂肪酸.α-亞麻酸是ω-3系列不飽和脂肪酸的一種，由18個碳原子和3個雙鍵組成.ALA在人體內具有非常重要的作用，它不僅是構成細胞膜和皮膚的組成成分之一，還是一種重要的前體.在體內去飽和酶和碳鏈延長酶的作用下，它可以生成一系列代謝產(chǎn)物，其中最重要的就是我們所熟知的二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)[1].由于人和其他哺乳動物缺乏相應的脂肪酸去飽和酶，所以不能自主合成ALA,必須通過膳食的途徑從體外獲得.它主要來源于亞麻、紫蘇等天然植物，不過在海洋的一些魚類中也有存在.

近年來的一些研究發(fā)現(xiàn)，ALA除了提供必須的營養(yǎng)成分外，其在疾病預防和治療方面都有較好的成效.例如，它可以增強青少年機體的免疫力，預防疾病的產(chǎn)生，促進身體的發(fā)育和成長；同時對于老年人，它還具有降低血脂、預防腦血栓和心肌梗塞、改善記憶力、防止老年癡呆癥等作用[2].ALA保健和醫(yī)藥功能被越來越多的人所了解和認可，ALA的需求也在逐漸增加，高純度的ALA產(chǎn)品更是具有廣闊的市場前景.所以，關于高純度ALA的分離提純技術和工藝方面，受到很多學者的關注.隨著研究的深入，ALA的分離提純方法和工藝也越來越多樣化、現(xiàn)代化.本文就對ALA的分離技術進行介紹，并對其原理和相應的問題進行分析.

1 α-亞麻酸

ALA的化學名稱為全順式-9、12、15-十八碳三烯酸，非共軛立體構型，分子式為C18H30O2.堿性條件下易發(fā)生異構反應；碳鏈中間帶有3個碳碳雙鍵，具有高度不飽和性[3].外觀上為淡黃色油狀液體，熔點為-11.3 ℃，沸點為230-232 ℃，常溫下不溶于水，易溶于許多有機溶劑.

在自然界中，ALA多存在于紫蘇籽、亞麻籽、杜仲、花椒等植物中，其中紫蘇籽和亞麻籽中含量相對較高，含量比較高的動物有蠶蛹、林蛙等.一般而言，工藝上分離制備ALA采用的原料多為紫蘇籽油和亞麻籽油.因為在上述原料中，ALA基本上是以甘油酯的形式存在，而且含有較多的其他類型脂肪酸.所以在制備提純ALA時，需要兩個過程：一是先將甘油酯水解成混合脂肪酸，二是將混合脂肪酸進行分離提純得到ALA.其中第一步的制備中，先將原料加入到水-乙醇體系中，再在一定的溫度下加入KOH與其進行皂化反應，得到相應的脂肪酸鹽溶液.等到反應結束后，再利用一定量的石油醚進行溶解萃取，除去多余的不皂化物.然后再利用鹽酸溶液進行調pH，并用KCl溶液進行清洗.最后再用石油醚進行多次萃取分離，得到混合的脂肪酸[4].

2 α-亞麻酸的常見分離方法

由于ALA原料的性質和實際的應用等因素影響，在分離提純時會有以下特點：(1)原料中各種脂肪酸成分多，組成復雜；(2) α-亞麻酸分子中含有較高的不飽和度，容易受到光照 、加熱等外界條件的影響而發(fā)生氧化反應，降低產(chǎn)品收率；(3)作為醫(yī)藥和保健食品中的成分，進行分離純化時，必須慎重選擇使用相關的提取溶劑，在精制純化獲得的產(chǎn)品內需全部去除分離過程中使用的有毒害作用的溶劑[5].受到上述的特點限制，所以ALA的分離提純過程是整個工藝的關鍵技術.很多傳統(tǒng)的方法不能夠直接使用，需要進行一定的優(yōu)化改進，以適應較高的技術要求.目前，比較常用的分離方法有尿素包合法、分子蒸餾法、超臨界流體萃取法等.

2.1 尿素包合法

簡單而言，尿素包合法就是利用尿素對不同脂肪酸的包合作用，從而進行分離提純的方法.包合作用是一種分子間的物理過程，指一種分子被包嵌于另一種分子的空穴結構內，形成非化學鍵絡合物的過程.這種非化學鍵絡合物又稱包合物，由主分子和客分子兩種組分加合構成，主分子具有較大的空穴結構，足以將客分子容納在內形成分子膠囊，如圖1所示.主客體之間主要以范德華力、氫鍵等分子間弱相互作用為主，同時受兩者的分子結構和大小影響.同時在一定條件下,它們還可以按原樣進行分離，所以非常適合于提純過程.

圖1 尿素包合法的包合過程[7]

當處于有機溶劑的環(huán)境下時，尿素分子在結晶過程中形成的結構具有較大的空腔，能夠與一些脂肪酸形成穩(wěn)定的六面結晶體.尿素與脂肪族化合物形成包合物的基本條件是碳鏈必須大于4個原子的直鏈脂肪酸，太小的話會因為作用力太弱不能形成穩(wěn)定的包合作用.此時的尿素包合物結構是以一個直鏈脂肪族化合物為軸心，尿素分子之間通過強大的氫鍵力繞著這根軸心以右手盤旋上升，將其緊緊包合住，從而形成正六棱柱[6].飽和脂肪酸分子則正好可以滿足條件，而不飽和度較高的脂肪酸由于雙鍵較多，分子上碳鏈彎曲，具有一定的空間構型，不易被尿素包合.同時，采用過濾的方法可以除去飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸與尿素形成的包合物，再經(jīng)過降低溫度就可以讓包合物解離，其中尿素可以循環(huán)使用.利用這一原理，就可以將混合脂肪酸中的飽和脂肪酸和低不飽和脂肪酸分離出去，達到分離提純ALA的目的.

王潤澤等[8]對尿素包合法純化紫蘇油中ALA進行了研究，對最佳分離條件進行探究.ALA的含量與尿素的含量成正比，當尿素的含量增加時，產(chǎn)物中的ALA的含量也隨之增加.但同時帶來其他問題，增加尿素用量，就會增加尿素溶解難度.而且當尿素含量過高時，會導致部分ALA溶解在甲醇中，導致最終收率降低.因此，只有將脂肪酸與尿素質量比控制在1∶2～1∶3之間，才可使ALA的產(chǎn)物的收率與含量都控制在最佳效用狀態(tài).這種利用不飽和度的差異進行分離的尿素包合法，既具有較高的分離效率，而且相對簡單易行、操作方便，所以被廣泛應用在ALA的提純分離上.不過，其最大的問題就是難將不飽和程度相同但碳鏈長度不同的脂肪酸分開.因此，當面對這種情況時，單純的尿素包合法是不夠的，還需要與其他的分離方法結合使用.

2.2 分子蒸餾法

根據(jù)分子運動理論，液體混合物受熱后分子運動會加劇，當接受到足夠能量時，就會從液面逸出成為氣相分子.在此過程中，根據(jù)分子平均自由程的定義，不同的分子由于其分子有效直徑不同，故其平均自由程也不同，即不同物質分子逸出液面后不與其他分子碰撞的飛行距離是不同的.當液體混合物沿加熱板流動并被加熱時，輕、重分子會逸出液面而進入氣相，由于輕、重分子的自由程不同，輕分子可以達到冷凝板被冷凝排出；而重分子達不到冷凝板，最終實現(xiàn)動態(tài)平衡.這樣,輕、重分子就可以達到分離的目的.基于上述分子平均自由程的差異而實現(xiàn)分離的方法，就是分子蒸餾法，不過一般需要高真空(通常絕對壓強為1.33～0.0133 Pa)的條件.

分子蒸餾是一種特殊的液—液分離技術,它不同于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點差分離原理，而是靠不同物質分子分子量大小的差別來實現(xiàn)分離.由其原理來看，分子蒸餾是一種非平衡狀態(tài)下的蒸餾，根本區(qū)別于常規(guī)蒸餾.因此，它具備許多常規(guī)蒸餾無法比擬的優(yōu)點，如：能夠在較低的溫度下進行操作、蒸餾壓低、受熱時間短、分離程度高和產(chǎn)品收率高等優(yōu)點[9].由于低溫高真空的環(huán)境，不會對物質本身造成破壞，所以分子蒸餾技術特別適合于分離低揮發(fā)度、高分子量、高沸點、高黏度、熱敏性和具有生物活性天然物質的物料.而這一點，恰恰符合ALA的工藝特點，可以有效防止ALA的受熱氧化，比較適合于混合脂肪酸中ALA的分離.短鏈的、分子量較小的脂肪酸會因分子自由程大隨著冷凝而排出，而分子量大的脂肪酸會被留下來，富集純化.通過多級操作，逐層設立不同的冷凝板，最終可實現(xiàn)ALA的分離提純.

劉金菊[10]等用分子蒸餾法將亞麻籽油中ALA進行了富集，并對蒸餾工藝參數(shù)進行了優(yōu)化.通過設計Box- Benhnken 試驗設計，發(fā)現(xiàn)在分子蒸餾純化ALA的最佳工藝條件為蒸餾溫度90 ℃、蒸餾壓力0.8 Pa、進料速度0.87 mL/min、刮膜轉速287 r/min.在此工藝條件下，得到ALA質量分數(shù)為81.15%，提取率為78.20%.張運暉[11]采用四級分子蒸餾技術，利用刮膜式分子蒸餾設備對亞麻酸進行小試提純試驗，最后可以將原料中的ALA由原來的67.5%提純至82.3%.ALA的分子蒸餾法的優(yōu)點主要是其工藝簡單、分離效率高,可以進行連續(xù)化生產(chǎn)而更適宜實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).不過缺點就是當面對分子量相近的脂肪酸組分，其分離效果就不太明顯，需要進一步優(yōu)化.

2.3 超臨界流體(CO2)萃取法

超臨界流體是指物質本身狀態(tài)處于臨界溫度和臨界壓力以上的流體.在超臨界狀態(tài)下，流體的性質介于氣體與液體之間，同時兼有氣液兩重性的特點，既有與氣體相當?shù)母邼B透能力和低的粘度，又兼有與液體相近的密度和對許多物質優(yōu)良的溶解能力和傳質性能[12].在超臨界狀態(tài)下，將超臨界流體與待分離的物質接觸，把混合物中的成分有選擇性地萃取出來的方法即是超臨界流體萃取法(SFE).因此，在這種工藝中，超臨界流體必須穩(wěn)定、安全、易于操作，對待萃取物質有足夠大的溶解度，同時又有良好的選擇性.

目前，SFE選擇最常使用的超臨界流體是CO2，選擇CO2是因為它具有較好的臨界溫度和壓力，而且是成本低廉、環(huán)境友好、安全無毒.所以超臨界CO2萃取技術適合于提取分離熱敏物質、易氧化物質和常規(guī)蒸餾不易揮發(fā)的物質，常用于中藥和油脂中成分的分離.在萃取過程中CO2是非極性物質，對非極性化合物的溶解能力較好，所以比較適合脂肪酸這類弱極性的混合物[13].通過調節(jié)萃取參數(shù)，如：萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、CO2流量等，可以改變CO2對不同脂肪酸的溶解能力，進而對目標組分達到富集純化.萃取完成后將氣壓降低，CO2變成氣體狀態(tài)從混合物中分離出去，而溶質ALA繼續(xù)留在收集器.超臨界CO2萃取既不會對ALA的安全性產(chǎn)生危害，也可以防止ALA發(fā)生氧化反應性質改變，而且實際工藝中CO2還可以再循環(huán)使用.

2016年，王心怡[14]等以亞麻籽為原料，用超臨界CO2萃取法對ALA進行分離提純，考察了萃取壓力、萃取溫度、萃取時間等因素對分離效果的影響.不同的工藝對原料的出油率和產(chǎn)物中ALA的含量均有影響，可通過將產(chǎn)物中脂肪酸甘油酯的衍生化，用氣相色譜面積歸一化法定量分析得出.研究表明，超臨界CO2萃取亞麻籽中ALA的優(yōu)選工藝為:萃取壓力30 MPa、萃取溫度40 ℃、萃取時間2 h.在優(yōu)選工藝條件下進行了3次萃取實驗,最終的平均出油率與ALA的平均含量分別為 24.7%、12.5%.

3 結 語

α-亞麻酸是人體中重要的一種必需成分，而且在醫(yī)藥和保健品中具有較好的成效.然而由于成本高、工藝要求嚴格等原因，目前還不能用化學合成方法進行制備，只能從某些特殊的植物體上提取分離.提取的原料中組成復雜，且含有較多其他類型脂肪酸，所以其分離技術十分關鍵.隨著人們的不斷探索，分離提取方法也逐漸增多，且原理也不盡相同.目前常見的分離方法有：根據(jù)不飽和脂肪酸飽和度不同進行分離的尿素包合法；根據(jù)脂肪酸分子量的大小不同進行分離的分子蒸餾法；根據(jù)脂肪酸極性的差異和溶解能力不同進行分離的超臨界CO2萃取法等.這些方法雖然獲得的ALA產(chǎn)品純度和收率都較高，但仍然有許多需要改進的地方，而且大部分都還停留在實驗室研究階段，工業(yè)上大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)比較困難.不過隨著脂肪酸產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，市場潛力的不斷增大，脂肪酸的分離精制工藝一定會日趨成熟，ALA的分離純化技術水平也會逐漸提升.相信在不久的將來，ALA等脂肪酸類相關藥品及保健品一定會在更多的領域取得廣泛應用.