天然維生素E油中PAH4連續(xù)脫除工藝研究

關(guān)國華,武文華,曹玉平,蔣一鳴,周學(xué)晉,宋蓮芳, 徐逍然,童 強(qiáng),史金柱,梁廣震

(1.中糧天科生物工程(天津)有限公司，天津 300457； 2.中糧生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010)

多環(huán)芳烴(PAHs)是一類具有兩個(gè)或多個(gè)苯環(huán)互相鍵結(jié)的芳香族有機(jī)化合物，是最早發(fā)現(xiàn)具有致癌、致畸、致突變作用的有機(jī)污染物。PAHs的種類很多，且多數(shù)具有致癌性，在目前已知的500種致癌化合物中，有200多種為PAHs及其衍生物[1]。PAHs主要是由碳?xì)浠衔镌诟邷叵虏煌耆紵a(chǎn)生的，由于其具有較強(qiáng)的親脂性，因此油料作物中的PAHs會(huì)轉(zhuǎn)移到油脂產(chǎn)品中。

天然維生素E是一種混合生育酚，主要由d-α-生育酚、d-β-生育酚、d-γ-生育酚和d-δ-生育酚4種同系物組成，是淺黃色至棕紅色的澄清油狀液體。天然維生素E油作為抗氧化劑和營養(yǎng)促進(jìn)劑，越來越多被人們所了解和接受，在歐美等發(fā)達(dá)國家已成為日常消費(fèi)品，目前天然維生素E油主要以植物油精煉過程中的脫臭餾出物作為原料進(jìn)行提取[2-3]，經(jīng)過一系列的精制過程，最終產(chǎn)品中PAHs會(huì)不可避免地因濃縮而殘留[4-5]。國內(nèi)外對(duì)食品中PAHs的限量要求不同。我國GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》規(guī)定，油脂及其制品中苯并(a)芘含量小于或等于10 μg/kg，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EU 1881-2006規(guī)定食品中苯并(a)芘含量小于或等于2 μg/kg，PAH4(苯并(a)芘、苯并(a)蒽、苯并(b)熒蒽、)含量小于或等于10 μg/kg。PAH4是一類極其微量的污染物，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成一定的負(fù)面影響。國內(nèi)天然維生素 E廠家產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)基本滿足國標(biāo)限量標(biāo)準(zhǔn)，但不能滿足出口歐盟的產(chǎn)品要求，為此，開發(fā)一種高效脫除PAH4的工藝方法具有重要意義。

目前，國內(nèi)針對(duì)PAHs的脫除方法有生物降解法、吸附法、萃取法、絡(luò)合法等[6-7]，大部分以間歇方式操作，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。本文研究建立一種以顆?；钚蕴繛槲絼8-9]的連續(xù)脫除天然維生素E油中PAH4的工藝方法，首先對(duì)料液比、體系溫度、吸附時(shí)間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，得到連續(xù)脫除天然維生素E油中PAH4的最佳工藝條件，以期為天然維生素E油生產(chǎn)中PAHs的脫除提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然維生素E油(VE總含量50%，其中α-VE相對(duì)含量9.68%，植物甾醇含量8.95%，PAH4含量154.2 μg/kg，苯并(a)芘含量40.0 μg/kg)，中糧天科生物工程(天津)有限公司。95%乙醇；顆?；钚蕴?，江南活性炭廠。

TD5002(0.01 g)電子天平，天津天馬衡基儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；玻璃層析柱，天津市天玻玻璃儀器有限公司；Agilent 1260高效液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 天然維生素E油中PAH4的連續(xù)脫除

取500 g天然維生素E油溶解到95%乙醇中，以一定流速泵入填裝70%顆?；钚蕴康奈街鶅?nèi)，柱體積為900 mL，并控制體系溫度在25～50℃，利用活性炭對(duì)PAHs的吸附特性進(jìn)行脫除實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)AB柱輪流切換的方式連續(xù)進(jìn)出料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作。收集流出液經(jīng)蒸發(fā)濃縮，得到目標(biāo)產(chǎn)品，測定原料及產(chǎn)品中PAH4含量、苯并(a)芘含量，計(jì)算PAH4脫除率。

1.2.2 指標(biāo)檢測

維生素E含量的測定參照ISO 9936-2006《動(dòng)植物油脂 高效液相色譜法測定維生素E和三烯甘油酯含量》，PAH4及苯并(a)芘含量的測定委托歐陸檢測技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司進(jìn)行外檢。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)PAH4脫除效果的影響

為考察溶劑使用比例的影響，選取天然維生素E油與95%乙醇質(zhì)量體積比(料液比)為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6，在體系溫度室溫(25℃)、吸附時(shí)間2 h條件下，考察料液比對(duì)PAH4脫除效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)PAH4脫除效果的影響

料液比影響混合后溶液的黏度，從而影響吸附效率。由圖1可知，增加料液比，溶液的黏度降低，可提高PAH4吸附效率，料液比1∶3時(shí)PAH4的脫除效果最好，脫除后天然維生素E油中PAH4含量為15.8 μg/kg(苯并(a)芘含量為3.1 μg/kg)，PAH4脫除率達(dá)到89.75%。因此，選擇料液比為1∶3。

2.1.2 體系溫度對(duì)PAH4脫除效果的影響

在料液比1∶3、吸附時(shí)間2 h條件下，考察體系溫度對(duì)PAH4脫除效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，活性炭對(duì)PAH4吸附效果在體系溫度低時(shí)略差，分析原因在于低溫下天然維生素E油中植物甾醇容易結(jié)晶析出，從而附著在活性炭表面減少活性炭比表面積，不利于PAH4的吸附；而體系溫度升高使得分子運(yùn)動(dòng)加速，有利于PAH4進(jìn)入活性炭內(nèi)部充分接觸，提高活性炭的吸附效果，但超過一定溫度后，吸附效果沒有明顯變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，40℃時(shí)PAH4脫除效果最優(yōu)，脫除后天然維生素E油中PAH4含量為10.0 μg/kg(苯并(a)芘含量為2.5 μg/kg)，PAH4脫除率為93.51%?？紤]到乙醇的揮發(fā)性，選擇體系溫度為40℃。

圖2 體系溫度對(duì)PAH4脫除效果的影響

2.1.3 吸附時(shí)間對(duì)PAH4脫除效果的影響

在料液比1∶3、體系溫度40℃條件下，考察吸附時(shí)間對(duì)PAH4脫除效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)PAH4脫除效果的影響

由圖3可知，吸附時(shí)間對(duì)天然維生素E油中PAH4的脫除效果影響較大，吸附時(shí)間越短，吸附效果越差，吸附時(shí)間越長吸附效果越好，但吸附時(shí)間達(dá)到4 h后，PAH4脫除率無明顯變化。吸附時(shí)間4 h時(shí)，天然維生素E油中PAH4含量為4.7 μg/kg(苯并(a)芘含量為1.1 μg/kg)，PAH4脫除率為96.95%?？紤]到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況，選擇吸附時(shí)間為4 h。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步優(yōu)化PAH4脫除工藝，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交表對(duì)料液比、體系溫度、吸附時(shí)間進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，以PAH4脫除率為指標(biāo)確定最佳的PAH4脫除工藝條件。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果見表3。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果

由表2可知，3個(gè)因素的極差大小順序?yàn)锳>B>C，3個(gè)因素對(duì)PAH4脫除率影響的大小順序?yàn)榱弦罕?體系溫度>吸附時(shí)間，最優(yōu)的脫除工藝條件為A2B2C2，即料液比1∶3，體系溫度40℃，吸附時(shí)間4 h。由表3可知，料液比、體系溫度對(duì)PAH4脫除影響顯著，吸附時(shí)間影響不顯著。最終確定PAH4脫除工藝條件為料液比1∶3、體系溫度40℃、吸附時(shí)間4 h，在此條件下PAH4脫除率為97.79%。

通過分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)將70%的顆?；钚蕴刻钛b至固定床內(nèi)，確定脫除工藝條件：以95%乙醇為溶劑，天然維生素E油與溶劑比為1∶3，體系溫度40℃，調(diào)節(jié)進(jìn)料流速使吸附時(shí)間為4 h。經(jīng)過10次吸附實(shí)驗(yàn)，PAH4脫除率在94.53%～96.78%范圍內(nèi)，PAH4平均含量為6.9 μg/kg，脫除效果沒有明顯下降。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中連續(xù)脫除工藝的效果，進(jìn)行3組共30次的重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，PAH4的脫除率見表4。

表4 連續(xù)脫除PAH4的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由表4可看出，PAH4平均脫除率為95.29%，脫除后天然維生素E油中PAH4含量為7.3 μg/kg(苯并(a)芘含量為1.8 μg/kg)，符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)EU 1881-2006中PAH4含量小于或等于10 μg/kg，苯并(a)芘含量小于或等于2 μg/kg的要求，與正交實(shí)驗(yàn)所得最優(yōu)脫除率97.79%的相對(duì)誤差為2.56%，且實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好，證明了連續(xù)脫除工藝具有可行性。

2.3 PAH4脫除過程對(duì)維生素E含量的影響

對(duì)優(yōu)化工藝條件下脫除PAH4前后的天然維生素E油樣品進(jìn)行維生素E含量分析，考察PAH4脫除過程中活性炭對(duì)天然維生素E含量的影響，結(jié)果見表5。

表5 PAH4脫除過程對(duì)維生素E含量的影響 %

由表5可知，PAH4脫除前后維生素 E含量未發(fā)生明顯變化，表明活性炭雖然對(duì)維生素 E有一定吸附作用，但在可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文建立了一種連續(xù)脫除天然維生素E油中PAH4的方法，并對(duì)關(guān)鍵條件進(jìn)行了優(yōu)化，最終建立一套連續(xù)脫除工藝：用3倍體積的95%乙醇將天然維生素E油充分溶解后，在保持體系溫度40℃條件下，通過裝填顆粒活性炭的固定床，并保證4 h的吸附時(shí)間對(duì)PAH4進(jìn)行吸附，之后收集流出液，蒸發(fā)除去乙醇后，得到低PAH4含量的天然維生素E油產(chǎn)品。該方法可以在不影響維生素E含量的前提下脫除天然維生素E油中微量的PAH4，使其殘留量符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求，提高產(chǎn)品附加值和市場競爭力。