分子蒸餾法濃縮α－生育酚的工藝研究

丁朝中 林 文 陳樂清 王志祥

(中國藥科大學(xué)制藥工程教研室，南京 210009)

大豆油脫臭餾出物是豆油精餾過程中的副產(chǎn)物，含有大量游離脂肪酸、天然VE、甾醇、甾醇酯及甘油酯等［1］，其中天然VE是一種人體必需的脂溶性維生素，具有抗自由基、抗衰老、提高機(jī)體免疫力等多種生理功能［2－3］。天然 VE 主要由 α、β、δ、γ 共 4種生育酚及生育三烯酚組成，其中α－生育酚為右旋體，其生理活性最高，而合成VE主要指α－生育酚及其酯類衍生物，均為外消旋混合物。與合成VE相比，天然VE對人體無毒副作用，長期使用安全性更高［4］。

我國是世界四大豆油的主產(chǎn)國之一，每年精煉大豆油所得的脫臭餾出物可達(dá)0.52.5萬噸。天然VE在脫臭餾出物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%15%，若從中分離得到高純度的天然VE，不僅能夠滿足不斷增長的天然VE消費(fèi)需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，而且還能將餾出物變廢為寶，增大資源的利用率。

目前，從脫臭餾出物中提取天然VE的方法主要有萃取法［5］、脲包法［6］、超臨界 CO2萃取法［7］及分子蒸餾法［8］等。溶劑萃取法操作費(fèi)用低，但天然VE質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅從3.3%提高至9.48%，產(chǎn)品純度不高。脲包法不僅要消耗大量溶劑及尿素，且尿素不易包合甘油酯，對脂肪酸的包合也不完全，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原料的0.57%上升到1.62%，濃縮率不高。采用超臨界CO2萃取時，生育酚損失較少，天然VE質(zhì)量分?jǐn)?shù)可從20%提高至60%，濃縮率較高，但設(shè)備要求高、操作費(fèi)用大，因此很少用于低純度天然VE的濃縮。分子蒸餾法具有操作溫度低、分離程度高、無雜質(zhì)引入、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合高沸點(diǎn)、熱敏性物質(zhì)的分離［9］。在前人研究的基礎(chǔ)上，以大豆油脫臭餾出物為原料，經(jīng)甲酯化、冷析等步驟除去大部分甾醇，再采用三級分子蒸餾濃縮α－生育酚，為進(jìn)一步制備高純度的天然VE提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與設(shè)備

大豆油脫臭餾出物:浙江長興茂源物資貿(mào)易有限公司;DL－α－生育酚標(biāo)準(zhǔn)品:中國藥品生物制品檢定所;甲醇(HPLC):江蘇漢邦科技有限公司;純凈水:杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司。

KDL－5型刮膜式分子蒸餾器:德國UIC公司;RZ－2型一級真空泵、AX－65型二級真空泵、VAP－5型精密壓力表:德國Vacuumbrand公司;HPLC－10ATVP型高效液相色譜儀:日本島津;BT25S型分析天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 分析方法

α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用HPLC法。色譜條件為:ODS－2 HYPERSIL(150 mm ×4.6 mm，5 μm)色譜柱;柱溫:35 ℃;流動相:甲醇:水 =95∶5;流速:1 mL/min;檢測波長:292 nm;進(jìn)樣量:20 μL。大豆油脫臭餾出物HPLC色譜圖見圖1。

α－生育酚標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:精確稱取97.6 mg α－生育酚標(biāo)準(zhǔn)品，用甲醇定容至25 mL，配置成3.904 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)品溶液。分別取 250、500、750、1 000、1 250 μL標(biāo)準(zhǔn)品溶液，用甲醇定容至 10 mL，搖勻，經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾后進(jìn)樣，按上述色譜條件測定峰面積。以峰面積(Y)對α－生育酚濃度(X)進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程為Y=－24 296+8 811 810X，R2=0.999 71。結(jié)果表明，α － 生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.009 760.488 mg/mL范圍內(nèi)同峰面積線性關(guān)系良好。

酸價測定:參照GB/T 5530—2005執(zhí)行;水分及揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:參照GB/T 5528—2008執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的理化指標(biāo)測定結(jié)果

大豆油脫臭餾出物HPLC色譜圖見圖1。

圖1 大豆油脫臭餾出物HPLC色譜圖

酸價測定:參照GB/T 5530—2005執(zhí)行。

水分及揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:參照GB/T 5528—2008執(zhí)行。

大豆油脫臭餾出物的酸價為68.7 mg KOH/g，水分及揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.49%。

2.2 大豆油脫臭餾出物甲酯化預(yù)處理

在250 mL四頸瓶中加入50 g大豆油脫臭餾出物，攪拌預(yù)熱至65℃，再加入混合好的60 mL甲醇和1 g對甲苯磺酸溶液，回流80 min。反應(yīng)完畢后旋蒸去除甲醇，殘留物轉(zhuǎn)移至分液漏斗，用6070℃的熱水沖洗酯化樣至pH 78，除去水層，得酯化產(chǎn)物，酯化率達(dá)97.53%。將酯化產(chǎn)物與丙酮以1∶1的比例置于錐形瓶中，冰箱中放置12 h后，析出甾醇晶體，經(jīng)減壓抽濾，濾液即為去甾醇酯化產(chǎn)物。原料經(jīng)甲酯化及去甾醇處理后，α－生育酚回收率為99.96%，幾乎沒有損失。

2.3 分子蒸餾法濃縮α－生育酚

采用三級分子蒸餾濃縮α－生育酚，一、二級蒸餾旨在除去酯化產(chǎn)物中較輕的組分，如烴類、游離脂肪酸以及脂肪酸甲酯等。三級分子蒸餾主要是去除原料中的較重組分，以達(dá)到濃縮α－生育酚的目的。本級分子蒸餾采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析，分別考察刮膜器轉(zhuǎn)速、蒸餾溫度以及進(jìn)料速率3個因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，并得到濃縮生育酚的優(yōu)選工藝條件。

2.3.1 一級分子蒸餾

一級蒸餾為了除去沸點(diǎn)較低的組分，如:酮、醛、碳水化合物等。在真空度0.1 Pa，預(yù)熱溫度70℃，冷凝溫度5℃及進(jìn)料速度2 mL/min的條件下，考察蒸餾溫度及刮膜器轉(zhuǎn)速對α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率的影響，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可知，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而增大，而α－生育酚回收率隨溫度的升高先增大后減小。這是由于隨著溫度的升高，輕組分不斷逸出，導(dǎo)致重組分產(chǎn)品中生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增大;但隨著溫度的繼續(xù)上升，生育酚等較重的組分也會隨之逸出，從而導(dǎo)致生育酚的回收率下降。因此，蒸餾溫度選擇100℃較適宜。圖3顯示，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率隨刮膜轉(zhuǎn)速的提高先增大后減小，在400 r/min時達(dá)到最大值。進(jìn)料速率過小，會導(dǎo)致蒸發(fā)壁面上的液膜過薄，經(jīng)加熱，重組分也會一并從薄膜蒸發(fā)，混入輕組分中，導(dǎo)致產(chǎn)品中，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，回收率低;相反，如果進(jìn)料速度過快，原料液在蒸發(fā)面的停留時間過短，輕組分則來不及蒸發(fā)便從蒸發(fā)面流下，被收集到重組分接收瓶中，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.3.2 二級分子蒸餾

二級蒸餾是為了除去酯化反應(yīng)中生成的脂肪酸甲酯。在真空度0.1 Pa，預(yù)熱溫度90℃，冷凝溫度5℃及進(jìn)料速度2 mL/min的條件下，考察蒸餾溫度及刮膜器轉(zhuǎn)速對α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率的影響，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率隨溫度的升高先增大后減小，在115℃附近達(dá)到最大。這是由于隨著溫度的升高，輕組分不斷逸出，導(dǎo)致重組分產(chǎn)品中生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增大;但隨著溫度的繼續(xù)上升，生育酚等較重的組分也會隨之逸出，從而導(dǎo)致重組分產(chǎn)品中生育酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，回收率也下降。因此，蒸餾溫度選擇115℃較適宜。圖5顯示，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)及回收率隨刮膜轉(zhuǎn)速的提高先增大后減小，在300 r/min時達(dá)到最大值。進(jìn)料速率過小，會導(dǎo)致蒸發(fā)壁面上的液膜過薄，經(jīng)加熱，重組分也會一并從薄膜蒸發(fā)而混入輕組分中，導(dǎo)致產(chǎn)品中α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，回收率低;相反，如果進(jìn)料速度過快，原料液在蒸發(fā)面的停留時間過短，輕組分則來不及蒸發(fā)便從蒸發(fā)面流下，被收集到重組分接收瓶中，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.3.3 響應(yīng)曲面法優(yōu)化三級分子蒸餾

第3次蒸餾提高蒸發(fā)溫度，可以除去沸點(diǎn)比較高的二酰甘油、三酰甘油，而生育酚在輕相中得到富集。根據(jù)Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［10］，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，在真空度0.1 Pa，預(yù)熱溫度90℃，內(nèi)冷溫度65℃條件下，以蒸餾溫度、刮膜器轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度為影響因素，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)曲面分析試驗(yàn)。因素水平如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表1 中心組合試驗(yàn)因素水平表

表2 中心組合試驗(yàn)方案及結(jié)果

以α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值，通過Design－Expert 8.05b軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二次響應(yīng)曲面回歸模型，回歸方程為:

對回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，模型的P=0.000 1，表明該模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.879 6＞0.05不顯著，表明該模型擬合程度良好。在所選取的各因素水平范圍內(nèi)，按照對結(jié)果的影響排序，蒸餾溫度的影響大于刮膜器轉(zhuǎn)速，進(jìn)料速度的影響不顯著;二次項(xiàng)X32對響應(yīng)值的曲面效應(yīng)顯著;交互項(xiàng)X1X3、X2X3對響應(yīng)值的曲面效應(yīng)顯著。

表3 方差分析表

從典型值分析(表4)中可以看出，三因素的特征值有正有負(fù)，表明此二次響應(yīng)曲面是鞍面，沒有唯一最佳值，因此還需作嶺嵴分析，進(jìn)一步確定最佳響應(yīng)值。

表4 典型分析表

嶺嵴分析的原理是以原始設(shè)計(jì)中心點(diǎn)Xi=0(i=1，2，3，…，i)為球心，r為半徑的超球面與響應(yīng)曲面的交點(diǎn)(即嵴點(diǎn))形成的軌跡范圍內(nèi)找出最佳響應(yīng)值，即最佳工藝條件。每個坐標(biāo)的編碼值從零點(diǎn)開始不斷擴(kuò)大，半徑r可以由試驗(yàn)者自行規(guī)定，但不能超出試驗(yàn)范圍［11］。為便于分析，本試驗(yàn)選取r在0、0.1、0.2、…、1.0 上計(jì)算嵴點(diǎn)。表5 為嶺嵴尋優(yōu)分析結(jié)果，從表5中可以看出，編碼半徑為1.0時，響應(yīng)值最大，為3.44%，此時蒸餾溫度172.24℃，刮膜器轉(zhuǎn)速 595.94 r/min，進(jìn)料速度 2.73 mL/min?？紤]到生產(chǎn)實(shí)際，選擇蒸餾溫度 172℃，刮膜器轉(zhuǎn)速596 r/min，進(jìn)料速度2.7 mL/min為優(yōu)選工藝條件。

表5 嶺嵴分析

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

取1 L大豆油脫臭餾出物，經(jīng)甲酯化、冷析脫甾醇，得到α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%的甲酯化產(chǎn)物。酯化產(chǎn)物按優(yōu)選的工藝條件進(jìn)行三級分子蒸餾，三級蒸餾產(chǎn)物平行測定三次，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.40%、3.40%和3.42%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.41%，與嶺嵴分析結(jié)果3.43%相近，說明響應(yīng)曲面法分析所得模型是可靠的。取三級蒸餾產(chǎn)物10 g，加入20 mL乙醇溶液，于冰箱中放置12 h后取出，室溫放置2 h，溶液分層，過濾析出甾醇晶體，上清液旋蒸去除乙醇，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.59%的α－生育酚粗品。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用刮膜式分子蒸餾器從大豆油脫臭餾出物中濃縮α－生育酚，根據(jù)單因素試驗(yàn)以及響應(yīng)曲面分析，得到優(yōu)選工藝條件為一級分子蒸餾，預(yù)熱溫度70℃，內(nèi)冷溫度5℃，真空度0.1 Pa，蒸餾溫度100℃，刮膜器轉(zhuǎn)速400 r/min，進(jìn)料速度2 mL/min;二級分子蒸餾，預(yù)熱溫度90℃，內(nèi)冷溫度5℃，真空度0.1 Pa，蒸餾溫度115℃，刮膜器轉(zhuǎn)速300 r/min，進(jìn)料速度2 mL/min;三級分子蒸餾，預(yù)熱溫度90℃，內(nèi)冷溫度65℃，真空度0.1 Pa，蒸餾溫度172℃，刮膜器轉(zhuǎn)速596 r/min，進(jìn)料速度2.7 mL/min。三級蒸餾后重結(jié)晶脫甾醇，α－生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的0.48%提高至 3.59%。

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