氣相色譜法分析生物潤滑油三羥甲基丙烷脂肪酸三酯的研究

王爾佩 汪 勇 蔡子哲 孫浩洋 唐書澤 Martin J.T.Reaney

(暨南大學食品科學與工程系1，廣州 510632)

(加拿大Saskatchewan大學農業與生物資源學院2，Saskatoon S7N5A8)

潤滑油在使用、儲存和運輸等過程中會因泄露、飛濺、蒸發、包裝用品中的殘留、拋棄不當等原因進入環境。據不完全統計，全世界每年約有500～1 000萬噸石油基化學品進入生物圈，即使在潤滑劑回收利用率較高(大于60%)的國家，仍有4%～10%的潤滑油進入環境［1］，僅歐盟每年約有60萬噸潤滑油進入環境［2］。進入環境的非環境友好型潤滑油造成的環境污染已不容忽視，特別是對水生植物和動物造成嚴重影響，甚至破壞生態平衡。礦物油對地下水的污染長達100年之久，0.1 μg/g的礦物油能降低海中小蝦的壽命達20%［3］。

三羥甲基丙烷(trimethylolpropane，TMP)脂肪酸酯不僅具有良好的熱穩定性能和低溫性能［4］，而且具有良好的生物降解性和低毒性等特點［5］，是一類環境友好的生物潤滑油，可應用于潤滑油基礎油，通過動植物油來源的脂肪酸甲酯和TMP酯交換反應得到［6－7］。在三羥甲基丙烷脂肪酸酯中，三羥甲基丙烷脂肪酸一酯(trimethylolpropane fatty acid monoester，TFAME)和三羥甲基丙烷脂肪酸二酯(trimethylolpropane fatty acid diester，TFADE)的游離羥基導致產品的熱穩定性下降［9］，三羥甲基丙烷脂肪酸三酯(trimethylolpropane fatty acid tiester TFATE)質量分數高的基礎油品質較高，為有效的監測產品質量，建立快速準確分析TFATE的方法尤為重要。

TFATE的分析可以用薄層色譜法(TLC)、高效液相色譜法(HPLC)和氣相色譜法(GC)等。TLC操作設備簡單，但是精度不高［8］;使用 HPLC分析TFATE操作比較復雜，分析成本較高，溶劑選擇非常困難，且出峰重疊［9］;GC具有靈敏度高、時間短、進樣量小、高效等優點。本研究選擇非極性二甲基聚硅氧烷固定相毛細管柱(DB－1ht)，采用高溫氣相色譜程序升溫法，不需要對樣品進行衍生化，通過自制TFATE標準樣品，建立TFATE的標準曲線，達到快速準確分析和檢測反應混合物及最終純化產品中TFATE的目的，為進一步研究合成反應，奠定分析檢測基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

GC－7820A氣相色譜儀(配7693A自動進樣器)、GC－5975C氣相色譜質譜聯用儀、毛細管柱(DB －1ht型，15 m × 250 μm × 0.1 μm)、毛細管柱(DB －Wax型，10 m ×100 μm ×0.2 μm):美國安捷倫公司;MD－80型分子蒸餾設備:廣州漢維有限公司;SIL GF254硅膠板:青島海洋化工有限公司;棕櫚油(熔點42℃):廣州市至潤油脂食品工業有限公司;三羥甲基丙烷:分析純。正己烷:色譜純;其他試劑均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 三羥甲基丙烷脂肪酸酯混合物的合成

以碳酸鉀為催化劑，催化劑與TMP物質的量比0.075∶1，FAME 與 TMP 物質的量比 4∶1，減壓至真空度0.095 MPa，128℃反應1 h，反應結束后使用過量磷酸中和碳酸鉀，用熱水(80℃)水洗2～3次，旋轉蒸發除去剩余水分得到酯交換產物。

1.2.2 TFATE 標準樣品的制備

TFATE標準樣品通過分子蒸餾和柱層析制備，方法如下:將酯交換產物進分子蒸餾進料罐，脫水脫氣后在蒸餾柱溫165℃、壓力0.3 Pa、刮膜轉速250 r/min下分子蒸餾除去脂肪酸甲酯和TFAME，收集重相(主要成分為TFATE和TFADE)。取重相1.00 g溶解在20 mL的正庚烷/乙酸乙酯(95∶5，體積比)中，然后溶液上硅膠柱(＜1.5 cm ×30 cm)，用200 mL的正庚烷/乙酸乙酯(95∶5，體積比)洗脫收集TFATE，TFATE標準樣品用旋轉蒸發真空下脫溶劑，得到TFATE標準樣品。標準樣品的純度通過薄層色譜(TLC)和GC－MS鑒定純度。TLC展開劑為正庚烷/乙酸乙酯(95∶5，體積比)，通過紫外顯色。

1.2.3 棕櫚油脂肪酸甲酯的分析

棕櫚油脂肪酸甲酯通過GC－MS分析，分析條件為［10］:毛細 管柱(DB － Wax 型，10 m × 100 μm ×0.2 μm)，進樣器溫度240℃，FID檢測器溫度240℃，燃燒氣H2流量30 mL/min，空氣流量300 mL/min，進樣量為1.0 μL，載氣為氦氣。初始溫度100℃，以100℃/min的速率升溫至220℃，保持2 min;60℃/min升到 240 ℃，保持 4 min。進樣量 1.0 μL，分流比30∶1，恒速模式，總流量 139 mL/min，分流流量 132 mL/min，隔墊吹掃流量132.23 mL/min。質譜方法:四極桿質譜，離子源溫度:230℃。溶劑延遲時間:2 min;掃描方式:全掃描;掃描范圍:40～500 amu。

1.2.4 TFATE標準樣品的GC－MS分析

將 TFATE 標準樣品配成10.0 μg/μL 的樣品，使用GC－MS進行分析，GC－MS條件為:毛細管柱(DB －1ht型，15 m ×0.25 mm ×0.1 μm)，進樣器溫度380℃，FID檢測器溫度400℃，燃燒氣H2流量30 mL/min，空氣流量300 mL/min，載氣為氦氣。初始溫度50℃保持0 min，以50℃/min升至220℃保持0 min，以30℃/min升至290℃保持0 min，以40℃/min升至330℃保留2 min，以30℃/min升至370 ℃保留3 min;進樣量1.0 μL，分流比30∶1，恒速模式，總流量139 mL/min，分流流量132 mL/min，隔墊吹掃流量132.23 mL/min。質譜方法:四極桿質譜，離子源溫度:230℃。溶劑延遲時間:2 min;掃描方式:全掃描;掃描范圍:40～1 050 amu。

1.3 TFATE 分析

1.3.1 標準曲線繪制

將各標準品配成 20.0、10.0、5.0、2.5、1.0、0.5 μg/μL的標準溶液，用氣相色譜分析不同質量濃度的標準溶液，色譜條件為:色譜柱:DB－1ht(15 m×0.25 mm ×0.1 μm);進樣量 1 μL，進樣口:380 ℃，分流比20∶1;FID檢測器:400℃;柱溫:起始50℃以50℃/min升至220℃，以30℃/min升至290℃，以40℃/min升至330℃保留2 min，以30℃/min升至370℃保留3 min;載氣:高純氮氣，4.41 mL/min;空氣:300 mL/min;氫氣:30 mL/min。以標準溶液質量濃度為橫坐標，各物質特征峰面積為縱坐標做標準曲線。

1.3.2 樣品組成的分析測定

分別將酯交換產物、分子蒸餾重相配成10.0 μg/μL的樣品溶液，分析各樣品組成，通過標準曲線得到樣品中TFATE的質量分數，每個樣品測定3次求得平均值。

1.3.3 加樣回收

將酯化產物配成10.0 μg/μL的樣品溶液(A)，與其他一定質量濃度的標準溶液(B1、B2、B3、B4)分別按一定比例配成待測定樣品，測定各樣品中目標物質的質量濃度，分別計算加樣回收率和RSD。

2 結果與討論

2.1 標準曲線及加樣回收

通過GC－MS分析對棕櫚油脂肪酸甲酯組成進行定性，其主要成分有豆蔻酸甲酯，棕櫚酸甲酯，硬脂酸甲酯，油酸甲酯，以及亞油酸甲酯(見表1)。

TFATE標準樣品的GC圖譜見圖1。可以看出，標準樣品中都只有TFATE的峰。通過TLC展開分析，再經過紫外顯色也只能觀測到TFATE的斑點。再經過GC－MS檢測在標準樣品中沒有發現FAME、TFAME和TFADE的分子離子流，從而證明了制備的標準樣品的高純度。

表1 棕櫚油脂肪酸甲酯GC－MS分析的成分及質量分數

圖1 棕櫚油TFATE標準樣品的GC圖譜

圖2 棕櫚油TFATE標準樣品組分的總離子流圖和質譜圖

通過GC－MS按照出峰時間以及分子離子峰的質荷比數值可以準確有效地分析酯交換反應產物及其分子蒸餾產物中TFATE的成分。四極桿質譜靈敏度高，通過選擇適當的離子可使干擾組分不被采集，實現檢測的特異性。由圖1可以看出，標樣TFATE保留時間在9～11 min，GC根據三羥甲基丙烷脂肪酸三酯中脂肪酸基團的碳原子數量分離不同脂肪酸組成的TFATE，碳原子總數相同的TFATE分子同時出峰，例如，TMP與三分子棕櫚酸甲酯(C16)反應產生TFATE 48，TMP與兩分子棕櫚酸甲酯(C16)和一分子油酸甲酯(18∶1)反應為TFATE 50，如TFATE的離子流圖如圖2a所示，大部分集中在9 min以后，這與GC的出峰一致。與文獻［9］對比，保留時間在9～11min的成分是碳數在46～54的 TFATE，其中TFATE50和TFATE52為主要成分，選取的各組分的質譜圖如圖2b所示，由于TFATE分子量較大，未發現分子離子峰，但是可以觀測到m/z為281的油酸的碎片峰。

建立了TFATE標準物的標準曲線，利用外標法對各標準物進行定量分析，在進樣量為1 μL時，質量濃度0.5～20.0 mg/μL范圍內均具有很好的線性關系(線性方程 y=6 773 975.895x－72 570 283.654，線性系數 R2=0.997 5)。酯交換產物溶液(A)與一定質量濃度的標準溶液(B)按一定比例配成不同質量濃度的溶液，通過分析測定得到不同質量濃度TFATE標準品平均加樣回收率分別在96.64%～98.06% 之間，RSD(相對標準偏差)在0.20%～0.45%之間，具體分析測定結果見表2。RSD和加樣回收率數據表明，本方法對TFATE分析有良好的精密度和重復性。

表2 TFATE標準品加樣回收率

2.2 酯交換產物中TFATE質量分數的測定

通過以上建立的方法分別測定酯交換產物、分子蒸餾分離酯交換產物的重相中的TFATE的質量分數，結果見表3，GC色譜圖見圖3～圖4。

表3 本方法測定的不同樣品TFATE質量分數

研究結果表明，FAME和TMP的酯交換反應主要生成了TFADE和TFATE，在蒸餾柱溫165℃、壓力0.3 Pa、刮膜轉速250 r/min的條件下分子蒸餾后，TFATE和TFADE主要存在于重相中，其中TE質量分數為95.22%，ME和酯交換反應體系中過量的FAME主要存在于輕相。可見，分子蒸餾能夠除去TMP脂肪酸酯混合物中的FAME和TFAME，得到純度較高TFATE，本研究建立的方法能夠準確測定酯交換反應合成目標產物TFATE，可望應用于監控新型生物潤滑油中的酯交換反應。

3 結論

3.1 采用分子蒸餾和柱層析的方法制備了棕櫚油TFATE的標準樣品，通過GC－MS和TLC分析該標準樣品中無FAME、TFAME和 TFADE組分，TFATE純度高。

3.2 TFATE的標準曲線和加樣回收試驗表明，在質量范圍0.5～20.0 μg內峰面積與被測物質量濃度線性關系良好，平均加樣回收率在96.64%～98.06%之間，RSD在0.20%～0.45%之間，該方法對TFATE分析有較好的精密度和重復性。

3.3 建立的氣相色譜分析方法可以準確測定酯交換反應合成的TMP脂肪酸酯混合物中TFATE質量分數的變化，可測定酯交換反應產物及其分子蒸餾產物的組成從而達到監測產品質量的目的。

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