無催化多不飽和脂肪酸甘油酯的合成和優化

何壽林，徐 瑋，辛高峰，孫 成

（武漢工程大學湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

ω－3系列多不飽和脂肪酸作為一種功能性保健食品，具有預防和治療心血管疾病［1］、改善記憶力和益智［2－3］等功效，但其產品多以品質和安全得不到保證的游離脂肪酸型和乙酯型存在，研究證明甘油酯型是最好的產品形式［4－5］．

多不飽和脂肪酸甘油酯的合成主要有生物酶法［6－7］、化學催化法［8－9］和無催化合成法［10］．生物酶法的缺點為反應中有有機溶劑的存在，不可避免溶劑殘留在產物中，影響產物的品質且生產周期長，轉化率低．傳統化學方法合成甘油酯多采用強堿（KOH、NaOH）等作催化劑，存在反應溫度過高，產品色澤差，需要水洗、中和、干燥等后處理工序，并且設備腐蝕嚴重、有三廢排放、對環境造成污染等缺點．無催化合成法所得產品色澤清亮，無溶劑殘留，后續處理簡單，不會造成環境污染且易于擴大化生產．

1 實驗部分

1．1 主要藥品和儀器

KOH，分析純；丙三醇，分析純；多不飽和脂肪酸產自山東東營廣元生物工程有限公司．純SHB－Ⅲ循環水式多用真空泵；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；AR1140電子分析天平；GC－9790氣相色譜儀；HP6890GC／5973MSD氣質聯用色譜分析儀．

1．2 實驗步驟

實驗步驟在文獻［11］里已有詳細介紹，這里不再贅述．

1．3 分析方法

1．3．1 酸值的測定 魚油酸值的測定方法及計算公式詳見文獻［12］．

式中：v——中和滴定所耗 KOH 的體積，單位m L；

c——標準KOH溶液的濃度，單位mol／L．

1．3．2 轉化率的計算 采用上步酸值的結果，計算多不飽和脂肪酸的轉化率．

式中：A．V1．——產物的酸值，單位 mg（KOH）／g；

A．V0．——原料的酸值，單位 mg（KOH）／g．

2 結果與討論

2．1 多不飽和脂肪酸甘油酯的合成路線

多不飽和脂肪酸甘油酯的合成反應是在減壓條件下加熱進行的，因此可以假設為吸熱不可逆反應．多不飽和脂肪酸甘油酯的合成反應是復雜的連續反應，產物有甘一酯、甘二酯、甘三酯等，反應流程為：

流程圖中G為丙三醇，M1為1－甘一酯、M2為2－甘一酯、D1，2／D1，3為甘二酯、T為甘三酯．

2．2 合成產物的鑒定

2．2．1 薄層色譜法鑒定產物的組成 將紅花油標樣通過以硅膠G板為固定相、以氯仿／丙酮／甲醇（體積比為95／4．5／1．5）為展開劑的薄層板進行薄層色譜分析得到標樣的色譜圖（1＃），將合成的產物通過柱色譜分成三個樣品（2＃、3＃和4＃），通過薄層色譜分析分別得到色譜圖，結果見圖1．

圖1 合成產物的薄層色譜圖Fig．1 TLC of the synthetic products graph

以主要成分為甘三酯的紅花油作為標樣，通過對其薄層色譜圖（圖1 1＃）的位移與所合成產物的薄層色譜圖對比可知，2＃與1＃的位移最為接近，推斷其為甘油三酯．從合成反應路線可知，既然有三酯生成，產物中必定存在一酯和二酯，推斷3＃為甘二酯，4＃為單甘酯．為了進一步鑒定甘油酯的存在形式，對薄層色譜的2＃、3＃、4＃樣品進行了紅外吸收光譜的分析．

2．2．2 紅外光譜分析結果 圖2為薄層色譜分析2＃、3＃和4＃樣品以及5＃標準樣品的紅外吸收光譜圖．

由圖2可知，在3 670～3 230 cm－1區內，2＃、3＃和4＃譜圖的峰面積變化較大，因為游離的羥基產生的吸收峰尖銳，出峰位置大于3 600 cm－1；而氫鍵的形成又會導致吸收峰向低波數移動，出峰位置小于3 600 cm－1，隨締合程度的增大，峰越來越寬，越向低波數處靠近．4＃譜圖在3 350～3 250 cm－1處出現與標準樣5＃類似的較寬峰，即硬脂酸甘一酯分子中羥基的伸縮振動區，可以確定4＃為甘一酯．譜圖表示，2＃樣品羥基伸縮振動區的峰面積最小，根據前面的分析可推斷其為甘三酯，與薄層色譜分析結論一致．3＃的羥基伸縮振動區的峰面積介于2＃與4＃之間，推斷其為甘二酯．綜上分析，推斷2＃、3＃和4＃樣品分別為甘一酯、甘二酯和甘三酯．

圖2 合成產物的紅外吸收光譜Fig．2 Infrared absorption spectrum（IR）of the synthetic products graph

2．2．3 通過GC－MS分析鑒定產物的成分 取一定量的樣品，用GC－MS儀分析產物中脂肪酸的成分．見圖3及表1．

圖3 魚油的總離子流圖Fig．3 Total ion flow diagram of fish oil graph

表1 魚油脂肪酸成分分析Table 1 Component analysis of the fatty acids of fish oil

通過GC－MS分析可知產物中含有多種ω系列多不飽和脂肪酸，包括二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA）．

2．2．4 氣相色譜分析產物中脂肪酸的質量分數

取一定量的樣品，用氣相色譜儀分析魚油中主要脂肪酸的質量分數，色譜圖見圖4，用面積歸一法得出脂肪酸的質量分數見表2．

圖4 合成產物色譜圖Fig．4 GC graph of the synthetic products

表2 合成產物中主要脂肪酸的質量分數Table 2 The content of primary fatty acids of the synthetic products

通過氣相色譜分析，可知產物中EPA的質量分數為34．91%，DHA的質量分數為22．83%．

通過前面的分析，可以判斷出多不飽和脂肪酸甘油酯合成的產物主要是由多不飽和脂肪酸為碳鏈的甘一酯、甘二酯和甘三酯組成．

表3 試驗因素和水平Table 3 Factors and levels

2．2 回歸方程的建立

本實驗在前期研究單因素多水平和一次正交實驗分析的基礎上，對多不飽和脂肪酸甘油酯合成工藝［11］進行進一步優化，分別取用x1、x2和x3表示溫度、時間和醇酸比，對于評價指標多不飽和脂肪酸的轉化率用y表示，做二次回歸正交試驗．試驗因素水平表見表3．二次正交回歸矩陣及結果見表4，采用Fortran程序對二次正交試驗結果進行運算，并進行方差分析，得出回歸方程的回歸系數及各項回歸方程方差分析的各項值，見表5和表6．

表4 二次正交回歸矩陣及結果Table 4 The results of quadratic orthogonal combination design

表5 回歸方程的回歸系數值Table 5 Regression coefficient value of regression equation

通過對回歸結果分析，剔除對結果的很不顯著項，可以得出回歸方程：

式中：y－多不飽和脂肪酸的轉化率，%；

x1－溫度，℃；

x2－時間，h；

x3－醇酸比．

表6 多不飽和脂肪酸甘油酯合成回歸模型方差分析表Table 6 Range analysis of regression model of the synthesis of PUFAs glyceride

通過偏微分求出極值，可以計算出x1＝0．603，x2＝0，x3＝－0．162

可以計算出極值對應的各因素的值：

A＝194．28，B＝5，C＝0．94

即多不飽和脂肪酸甘油酯合成的最優工藝條件為：溫度為194．28℃，時間5 h，醇酸比0．94，其轉化率為93．06%．

2．3 數學模型的驗證

從表4中隨意選取8組數據，在對應條件下用回歸方程求出回歸值y，與多不飽和脂肪酸轉化率的實驗值相比較，結果見表7．

表7 實驗值與回歸值的比較Table 7 Comparison between experimental value and regression value

從表7可知，通過回歸方程得出的回歸值與實驗值的比較得出其平均相對誤差為3．62%，證明利用二次回歸正交實驗設計求得的溫度、時間和醇酸比三個因素對多不飽和脂肪酸甘油酯合成影響的數學模型是可行的，具有一定的實用價值．

3 結 語

a．通過薄層色譜、紅外光譜和GC－MS對產品進行分析，得出多不飽和脂肪酸甘油酯合成的主要產物是由多不飽和脂肪酸為碳鏈的甘一酯、甘二酯和甘三酯．

b．通過二次回歸正交試驗研究得出，多不飽和脂肪酸甘油酯合成的最優工藝條件為：溫度為194．28 ℃，時間 5 h，醇酸比 0．94，其轉化率為93．06%．

c．通過二次回歸數據，擬合多不飽和脂肪酸甘油酯合成的回歸方程為：y＝0．920＋0．035x1＋對擬合方程進行驗證，回歸值與實驗值平均相對誤差為3．62%，證明了設計求得的溫度、時間和醇酸比三個因素對多不飽和脂肪酸甘油酯合成影響的數學模型的可靠性，具有一定的實用價值．

致謝

感謝研究生黃奠坤對實驗過程給予的幫助，感謝研究生張紅麗在論文寫作中的貢獻．

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