高酸值魚油兩步法制備魚油乙酯的研究

程 楠，丁 輝

(天津大學化工學院，精餾技術國家工程研究中心，天津 300072)

深海魚油中富含多種人體必需的多不飽和脂肪酸(PUFA)，更是二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的唯一商業來源［1］。能夠有效預防心腦血管疾病，促進視網膜的發育及延緩腦部衰老，在抗炎抗過敏方面也有良好功效［2－3］。魚油中的PUFA主要是以甘油酯的形式存在，無法直接測定其脂肪酸組成。而在產品的實際生產過程中，通常需要將其轉化為乙酯形態，以達到提純濃縮的目的，并可得到不同脂肪酸含量組成的魚油產品來適應不同人群的需要。一般的魚油酸值較低，可直接用堿催化酯交換得到魚油乙酯［4］，但也有一些種類的魚油存在酸值偏高的問題，如金槍魚、魷魚等［5－6］。對于酸值偏高的魚油，傅紅［5］等采用濃硫酸催化一步法酯交換得到魚油乙酯，但最優條件下需要反應6小時，消耗9%的濃硫酸，耗時長，水洗過程消耗大量蒸餾水，且產品得率未知;Encinar J［7］等采用濃硫酸催化酯交換生產生物柴油，需在9%的濃硫酸存在下反應48小時才能得到90%以上的生物柴油產品。李兆新［8］等采用皂化－酸化－酯化的方法制備魚油乙酯，該法步驟繁瑣，酯化過程也耗費大量溶劑及濃硫酸。本文將國內外利用高酸值油料制備生物柴油的兩步法工藝運用到高酸值魚油乙酯化的實驗中［9－11］，與上述兩種現有方法相比，節約了時間及能耗，且克服了濃硫酸催化酯化產品色澤深的問題，產品收率也較高。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魚油甘油酯 由某醫藥公司提供;無水乙醇、濃硫酸、氫氧化鉀、無水硫酸鈉 均為分析純。

DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市英峪儀器廠;LABOROTA 4000 旋轉蒸發儀 德國海道爾夫公司;GC2060氣相色譜儀 山東魯南分析儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油預酯化 將裝有機械攪拌、冷凝回流和溫度計的三頸燒瓶置于油浴鍋中，加入20g魚油并預熱至反應溫度，然后將濃硫酸和10g無水乙醇加入三頸燒瓶中，在機械攪拌下冷凝回流一定時間。反應完畢，用熱蒸餾水洗滌產物至中性，減壓旋蒸除去過量乙醇，并放入無水硫酸鈉干燥。

1.2.2 預酯化最優條件的選擇 以預酯化后魚油的酸價為指標，L9(34)正交設計對影響預酯化反應的因素:反應溫度、催化劑濃度、反應時間進行優化［11－12］。每次正交實驗的油醇摩爾比為 1∶10。實驗因素和水平設置見表1。

表1 預酯化正交實驗因子水平表Table1 Definition of factors and levels of pre－esterification

1.2.3 魚油酯交換 將裝有機械攪拌、冷凝回流和溫度計的三頸燒瓶置于油浴鍋中，加入20g魚油并預熱至反應溫度，將KOH和9g無水乙醇配成溶液加入三頸燒瓶中，在機械攪拌下冷凝回流一定時間。反應完畢，倒入分液漏斗靜置分層，分離出下層的KOH、甘油和皂，再用飽和NaCl溶液洗滌油層中殘留的皂，減壓旋蒸除去過量乙醇，并放入無水硫酸鈉干燥，即得魚油脂肪酸乙酯。

1.2.4 酯交換最優條件的選擇 以魚油乙酯得率為指標，采用L9(34)正交設計對影響酯交換反應的因素:反應溫度、催化劑濃度、反應時間進行優化［11－12］，每次正交實驗的油醇摩爾比為1∶9。實驗因素和水平設置見表2。

表2 酯交換正交實驗因子水平表Table2 Definition of factors and levels of transesterification

1.2.5 理化性質分析［13－18］水分及揮發物測定:GBT5528－2008植物油脂水分及揮發物含量測定法;酸值測定:GB/T5530－2005動植物油脂酸價和酸度測定;皂化值測定:GB/T5534－2008動植物油脂皂化值的測定;不皂化物測定:GB/T5535.1－2008動植物油脂不皂化物測定;碘值測定:GB－T5532－2008動植物油脂碘值的測定;過氧化值測定:GB－T5538－2005動植物油脂過氧化值測定。

1.2.6 脂肪酸組成分析 氣相色譜分析條件:色譜柱:PC－88毛細管柱(60×0.25mm ×0.2μm);分流比50∶1;氣化室溫度250℃;FID檢測器溫度260℃;程序升溫:140℃保持2min，以5℃/min升至220℃，保持15min。

2 結果與討論

2.1 魚油的理化性質

原料魚油脂肪酸甘油酯的理化性質如表3所示。由表中酸值可以看出，原料魚油的酸值為9.83mg KOH/g，而油脂在進行堿催化酯交換的過程中酸值必須盡可能低(＜2mg KOH/g)［19］，否則會生成大量的皂，影響后續分離過程和乙酯得率。因此該魚油原料不適用于直接堿催化乙酯化方法，需要先進行一步預處理來降低魚油酸值。

表3 原料魚油理化性質Table3 Physicochemical property of raw material of fish oil

2.2 魚油預酯化

魚油預酯化正交實驗結果見表4。由極差分析可知，RA＞RB＞RC，故影響預酯化反應程度的因素依次是反應溫度、催化劑濃度、反應時間;由表中可以看出，隨著反應溫度上升，酸值先減小后增大;隨著催化劑濃度的增大，酸值逐漸減小;隨著反應時間的增加，酸值逐漸增大。綜合以上分析，對于預酯化實驗的最優條件是A2B3C1，即反應溫度70℃，濃硫酸濃度1.5%，反應時間1h。

表4 預酯化正交實驗結果表Table4 Results of orthogonal test for pre－esterification

2.3 魚油酯交換

魚油酯交換實驗結果見表5。由極差分析可知，RB＞RA＞RC，影響酯交換反應乙酯得率的因素依次是催化劑濃度、反應溫度、反應時間。從表中可以看出，隨著催化劑濃度的增加，乙酯得率呈下降趨勢，說明催化劑含量過高，易發生皂化反應，不利于酯交換的進行;隨著反應溫度的升高，乙酯得率先上升后下降;隨著反應時間的進行，乙酯得率變化不大，在0.5h得到乙酯得率最大值。綜合以上分析可知，酯交換實驗的最優條件為A2B1C1，即反應溫度70℃，催化劑濃度0.5%，反應時間0.5h。

2.4 酯交換最優條件實驗驗證

取50g經預酯化的魚油原料(酸值0.87mg KOH/g)，加入0.5%的KOH－乙醇溶液23g(油醇摩爾比約為1∶9)，在70℃下反應0.5h，重復最優實驗條件下的酯交換反應過程，平行實驗三次，乙酯平均得率為92.5%。

表5 酯交換正交實驗結果表Table5 Results of orthogonal test for transesterification

2.5 魚油乙酯的脂肪酸組成

對經預酯化－酯交換制備的魚油乙酯進行氣相色譜分析，通過標準品對照法定性和面積歸一法定量，得到其主要脂肪酸組成如表6所示。由表中可見，飽和脂肪酸中含量最高的是 C16∶0，含量為15.99%，不飽和脂肪酸中含量最高的是魚油中有效成分EPA，含量為21.88%，而EPA和DHA含量總和約為29.5%，含量較高，說明該魚油適合于進行后續的分離提純，以獲得高純度的EPA或DHA乙酯。

表6 魚油乙酯脂肪酸組成Table6 The fatty acid composition of fish oil ethyl esters

3 結論

本文借鑒了國內外高酸值油脂制備生物柴油的兩步法工藝，研究了經濃硫酸催化預酯化、KOH催化酯交換制備魚油乙酯的工藝路線。并采用正交實驗設計優化了反應條件。其中預酯化反應的最優條件為:反應溫度70℃，濃硫酸濃度1.5%，反應時間1h;酯交換反應的最優條件為:反應溫度70℃，KOH濃度0.5%，反應時間0.5h。通過最優實驗條件得到的魚油乙酯得率為92.5%，腥味大大減輕且色澤較淺，適用于后續脂肪酸乙酯的分離精制過程。經氣相色譜測定其脂肪酸組成，其中EPA和DHA含量共約29.5%。

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