橡膠籽油堿催化異構化合成共軛亞油酸的制備工藝研究

鄭云武,楊曉琴,黃元波,劉　燦,鄭志鋒,*

(1.云南省高校生物質化學煉制與合成重點實驗室,西南林業大學材料工程學院,云南昆明 650224;2.東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150040)

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橡膠籽油堿催化異構化合成共軛亞油酸的制備工藝研究

鄭云武1,2,楊曉琴1,黃元波1,劉燦1,鄭志鋒1,*

(1.云南省高校生物質化學煉制與合成重點實驗室,西南林業大學材料工程學院,云南昆明 650224;2.東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150040)

以橡膠籽油為原料,堿異構化合成共軛亞油酸(CLA),采用單因素實驗探討了反應溫度、反應時間、醇油比、催化劑KOH的用量等因素對 CLA 轉化率的影響,同時采用響應曲面法進行優化,結果表明:橡膠籽油堿異構制備共軛亞油酸的最佳異構條件是:采用聚乙二醇-400為溶劑,KOH為催化劑,當反應溫度148 ℃,反應時間2.6 h,醇油比:18∶1 mL/g,催化劑的用量6%,在此工藝條件下橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率為83.04%。

橡膠籽油,共軛亞油酸,堿法異構,合成工藝,響應曲面法

共軛亞油酸(CLA)是一種具有抗癌、減肥、抗動脈粥樣硬化等多種生理活性的脂肪酸,已經廣泛應用于醫藥、食品、保健品和化妝品等領域[1-2]。天然存在的共軛亞油酸數量極少,難以滿足人們生理保健的需求,目前人工合成共軛亞油酸主要是采用化學合成以及生物合成的方法[3]:如:油酸烯丙醇脫水法[4]、羥基脂肪酸脫水法[5]、過渡金屬催化異構化法[6]、光催化異構化法[7]、堿催化異構化法[8-9]、酶催化異構化法[10-11],其他幾種方法由于存在產率低、溶劑回收困難以及試劑昂貴等問題,限制其推廣,而堿催化異構化法由于其工藝簡單,產物純凈,無毒且溶劑回收及后處理容易而備受大家關注[12]。

橡膠籽油是重要的非食用植物油,橡膠在我國云南省和海南省均有大面積的種植,2013年全國橡膠種植面積約為108.2萬公頃,云南約占49%,每年我國的橡膠籽油約55.97萬噸,僅云南每年約產橡膠籽油27.42萬噸,產量相當可觀。橡膠籽油是一種富含高不飽和脂肪酸的油品,亞油酸含量為30%～40%,高含量的亞油酸為其共軛亞油酸的制備奠定了條件,目前,橡膠生產主要集中在海南以及云南,其橡膠籽的利用率極低,如何有效的利用,產生高附加值的產品成為研究的重點。本文就以云南本土的橡膠籽油為原料,以堿催化異構化法合成共軛亞油酸,探索工藝條件對共軛亞油酸得率的影響,為云南省橡膠籽高值化利用提供基本的理論數據,以期為后期規模化生產奠定基礎。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

橡膠籽油購于云南省西雙版納華坤生物科技有限公司(橡膠籽毛油、鮮榨);油酸、亞油酸、亞麻酸標樣、共軛亞油酸標樣Sigma公司,色譜純;氫氧化鉀、聚乙二醇-400、鹽酸、無水碳酸鈉、正己烷均為分析純,上海國藥集團。

Agilent 7890A氣相色譜儀安捷倫科技有限公司;UV 2550紫外可見分光光度計日本Shimadzu公司。

1.2實驗方法

1.2.1橡膠籽油理化性質分析水分及其可揮發物測定:采用GB/T 5528-1995法;雜質的測定:采用GB/T 5529-1985法;密度測定:按照GB/T 5526-1985比重法;酸價測定:采用GB/T 5530-1995法;碘值測定:采用GB/T 5532-1995法;皂化值測定:采用GB/T 5534-1995法;過氧化值的測定:采用GB/T 5538-1995法;黏度的測定:采用旋轉粘度儀測定。油脂的平均分子量按照下式計算。

根據原料油的酸值和皂化值可得原料油的平均分子量計算公式:

式(1)

式中:Mr-原料油的平均分子量,g/mol;56.11-氫氧化鉀摩爾質量;SV-原料油的皂化值,mg KOH/g油;AV-原料油的酸值,mg KOH/g油。

1.2.2橡膠籽油組成成分分析氣相色譜條件:色譜柱:DB-17(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛細管柱,柱溫:初始50 ℃,以10 ℃/min的速率升到250 ℃,高純氦氣,流速為1 mL/min,分流比:10∶1,進樣口溫度為250 ℃。

1.2.3共軛亞油酸的制備將一定量的溶劑(PEG-400)和催化劑(KOH)混合置于三口瓶中,在油浴中預熱,當催化劑溶解后加入橡膠籽油,在高純N2的保護下進行加熱攪拌,高溫反應一定時間,反應結束后泠卻至室溫,加入鹽酸調節pH至2～3,將反應液轉移到分液漏斗中,然后水洗除去溶劑,剩余液加少量正己烷充分萃取,旋轉蒸發去除溶劑,得到異構反應后的混合脂肪酸樣品,備用[13-15]。

1.2.4單因素實驗設計分別考察反應溫度、反應時間、醇油比以及催化劑的用量對CLA轉化率的影響,以CLA的轉化率為考察目標進行評價與分析,確定最佳工藝參數。

1.2.4.1反應溫度對CLA的轉化率的影響當反應時間為2.5 h,醇油比為20∶1,催化劑的用量為6%,考察120、130、140、150、160 ℃的溫度對CLA轉化率的影響。

1.2.4.2反應時間對CLA轉化率的影響當反應溫度為150 ℃,醇油比為20∶1,催化劑的用量為6%,考察1、1.5、2、2.5、3 h的時間對CLA轉化率的影響。

1.2.4.3醇油比對CLA轉化率的影響當反應溫度為150 ℃,反應時間為2.5 h,催化劑的用量為6%,考察5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1的醇油比對CLA轉化率的影響。

1.2.4.4催化劑的用量對CLA轉化率的影響當反應溫度為150 ℃,反應時間為2.5 h,醇油比為20∶1,考察3%、4%、5%、6%、7%的催化劑用量對CLA轉化率的影響。

1.2.5響應面實驗設計在單因素的基礎上,選取反應溫度、反應時間、醇油比及催化劑的用量為自變量,CLA的轉化率為響應值,采用Design-Expert 8.0.6統計分析軟件,根據Box-Behnken中心組合設計原理,采用四因素三水平的響應面分析法進行實驗設計,因素水平設計見表1。

表1　因素水平編碼表

1.3標準曲線的繪制

1.3.1CLA標準曲線繪制準確稱取0.025 g標準樣品CLA,溶解于50 mL正己烷溶液中,分別移取50、100、200、300、400、500 μL體積的溶液用正己烷稀釋到25 mL備用,以正己烷為參比液,在234 nm處測其吸光度,以吸光度為縱坐標,CLA標準樣品的質量濃度為橫坐標,繪制標準曲線。

1.3.2共軛亞油酸的測定采用紫外光分光光度計,稱取一定量的待測試樣溶于正己烷溶液中,以正己烷為參比液,測其在233 nm處的吸光度,利用標準曲線計算其含量,計算公式如下[16]:

式(2)

CLA的含量(%)=m1×CLA的轉化率×100

式(3)

式中:Y:為吸光度;B:為直線的截距;A:為直線的斜率;V:為正己烷的體積;N:為稀釋倍數;m:反應物中亞油酸的質量;m1:反應原料中油酸的含量。

1.4數據處理

采用Origin 8.5軟件繪制,因素實驗折線圖;采用Design-Expert 8.0.6軟件進行實驗設計及響應面分析,得到方差分析表,繪制響應面分析圖,所有數據均為3次重復實驗平均值。

2　結果與分析

2.1CLA標準曲線的繪制

以吸光度為縱坐標,CLA標準樣品的質量濃度為橫坐標,繪制標準曲線。曲線如圖1所示,得到回歸方程y=0.8848+0.01468(R2=0.9929)。

圖1　CLA標準曲線圖Fig.1　CLA standard curve

2.2橡膠籽油的基本理化特性及其脂肪酸組成

表2　橡膠籽油的理化指標

表3　橡膠籽油的脂肪酸組成

2.3不同工藝參數對共軛亞油酸轉化率的影響

2.3.1反應溫度對CLA的轉化率的影響圖2為反應溫度對橡膠籽油CLA轉化率的影響,由圖2明顯看出,溫度對于異構化反應的影響顯著。在150 ℃之前轉化率和收率均是隨著溫度的升高而升高,但在溫度高于150 ℃時,溫度升高時,轉化率增長緩慢。這可能是因為提高溫度有利于共軛反應的進行;但溫度過高,亞油酸容易發生熱聚合和分解反應,產生大量的副產物,對共軛亞油酸的轉化不利[17]。同時,雖然高溫增加了體系反應的速率,但過高的溫度致使產物顏色過深,增加了后期脫膠、脫色的難度[18],因此,選取反應溫度為150 ℃,此時CLA的轉化率達到81.22%,CLA的含量為30.90%。

圖2　反應溫度對CLA的轉化率的影響Fig.2　Effect of reaction temperature on the yield of CLA

2.3.2反應時間對CLA的轉化率的影響圖3為反應時間對CLA轉化率的影響,由圖3可知,隨著反應時間的增加,其轉化率明顯增加,當反應時間為2.5 h時,其轉化率最高為81.22%,即反應在1～2.5 h之間,轉化率從46.01%增加到81.22%,變化較為顯著;而在2.5～3 h時,轉化率隨反應時間的增加而呈現緩慢降低的趨勢,達到相對穩定的水平。這是由于隨著反應時間的增加,體系反應達到動態平衡,致使CLA轉化率的增加相對遲緩,同時,延長反應時間,致使體系易發生聚合反應和分子內環化反應而產生副產物,降低反應的選擇性,副產物增多,產物顏色增加[19],產品品質下降。因此,反應時間選擇2.5 h較為合適。

圖3　反應時間對CLA的轉化率的影響Fig.3　Effect of reaction time on the yield of CLA

2.3.3醇油比對CLA的轉化率的影響圖4為醇油比對體系CLA的轉化率的影響,由圖4可知,隨著溶劑量的不斷增加,共軛亞油酸的轉化率隨溶劑的增加而增加,當醇油比為20∶1(mL/g)時,產率已經達到最高值為81.22%。繼續增加醇油比,共軛亞油酸轉化率開始減小,這是因為溶劑量過少,反應物體系的黏度過大,產生的泡沫過多,反應在不均勻的體系中進行,體系傳質阻力過大,導致共軛化不完全[13],共軛化速度相對較低;而溶劑過多,催化劑濃度降低,分子間的有效碰撞機會減少,隔離雙鍵生成共扼雙鍵的機率減少,共軛化效率也低[18],而且增加了后期溶劑回收與處理的難度,增大了能耗,因此選取醇油比為20∶1為宜。

圖4　醇油比對CLA轉化率的影響Fig.4　Effect of the ratio of solvent to oil on the yield of CLA

2.3.4催化劑的用量對CLA的轉化率的影響圖5為催化劑的用量對CLA轉化率的影響,由圖5可知，隨著催化劑KOH用量的不斷增加,CLA的轉化率隨之增加,當催化劑的用量達到6%時,其產率達到最高值為81.22%,此后繼續增加催化劑,對其產率影響不大。這是由于,在強堿的作用下,僅碳原子上的氫容易失去,生成碳負離子中間體,該碳負離子的負電荷在2個碳碳雙鍵間離域,增加了體系分子的有效碰撞,有利于共軛化進行[20-21],因此CLA的含量增加,但催化劑用量到達一定量后,與反應分子有效碰撞機會基本不在發生變化,同時會使反應過程中起沫過多,造成分離困難,CLA的損失嚴重,產物的顏色也明顯加深,因此宜采用合適堿量,本研究中合適的催化劑用量為6%。

圖5　催化劑的用量對CLA轉化率的影響Fig.5　Effect of the amount of catalyst on the yield of CLA

2.4響應面實驗優化

2.4.1模型的建立根據實驗因素與水平的設計,選取反應溫度、反應時間、醇油比、催化劑的用量為自變量進行實驗。以共軛亞油酸的轉化率為響應值,利用Design-Expert 8.0.6軟件進行回歸擬合,分別得到轉化率與各個因素之間的關系回歸方程。實驗結果如表4所示。

表4　響應曲面設計方案與實驗結果

2.4.2方差分析回歸模型的方差分析如表5所示。

表5　回歸方程模型方差分析

圖6　不同因素對轉化率的交互影響的響應面分析圖Fig.6　Response surface plot of different factors on the CLA yield

橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率的回歸方程的顯著性檢驗及方差分析見表5所示。根據p值(p≤0.05表示顯著水平)判斷,CLA的回歸模型方程為顯著水平(p<0.0001),失擬項F值為不顯著(p>0.05),擬合度R2=0.9195,CV%=4.04%,信噪比S/N=11.196(S/N>4表示可信度較高),表明該模型響應效果良好,計算值與實測值能夠很好的擬合,實驗結果可靠。同時,由表5可以看出,一次項C、交互項BC以及二次項A2、B2、C2為顯著水平,一次項的影響順序為:C>D>B>A,交互作用下,各因素對橡膠籽油共軛亞油酸轉化率的影響順序是:BC>AC>CD>BD>AD>AB,因此,得出其多元回歸方程如下:

轉化率=81.74-0.44A-0.55B-7.37C-0.98D-0.050AB+2.21AC+0.25AD-3.47BC+0.96BD-2.14CD-4.50A2-3.01B2-9.72C2-1.31D2

同時,由設計軟件進行優化,得出最佳的工藝條件為:提取溫度148.46 ℃,提取時間2.58 h,醇油比:17.86∶1 mL/g,催化劑用量:6.03%,在此工藝條件下橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率為83.30%。

2.4.3響應曲面分析等高線的形狀可以反應交互效應的強弱,橢圓形表示兩因素交互影響顯著,圓形則與之相反。由圖6可知BC的交互作用是相當顯著的,圖像呈現橢圓形,而其他因素的影響則不顯著。由圖可知,在反應溫度為150 ℃,催化劑的用量為6%的條件下,當醇油比為定值時,一定范圍內的反應時間有助于提高轉化率,但轉化率增加到一定程度后呈下降趨勢,時間的增加,加速了體系分子內環化及其副反應才生成;在2.40～2.60 h的范圍內存在極大值,同時,當反應時間一定時,隨著醇油比的增加,轉化率呈現先升高后降低的趨勢,分子間的有效碰撞機會減少,轉化率降低,從等高線的變化趨勢可知,反應時間在2.4～2.6 h及醇油比為17∶1～19∶1 mL/g范圍內存在最大值,以上分析結果表明,反應時間、醇油比及其交互作用對CLA的轉化率有很大的影響,影響效果顯著。

為了驗證實驗的可靠性,按照優化的工藝條件:提取溫度148 ℃,提取時間2.6 h,醇油比:18∶1 mL/g,催化劑的用量6%,進行了三次重復性的實驗,得出橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率為83.04%,與預測值83.30%相吻合,其中,相對誤差為0.32%,表明了BBD設計方法的可行性,同時也證明了該統計學設計與分析方法在橡膠籽油提取過程中的準確性與可靠性而且,在此條件下,CLA的含量為31.59%。余雄偉等[14]以橡膠籽油為原料,KOH為催化劑,堿異構化合成CLA,通過正交實驗,得到橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率為85.67%;陳麗敏等[13]利用響應曲面法優化了山核桃油堿異構化制備CLA的工藝,得到CLA質量分數為62.87%,劉瑞陽等[22]以甲醇為溶劑,通過均勻設計方法優化了紅花籽油CLA的工藝條件,得出高轉化率的CLA為87.1%。

3　結論

在單因素實驗的基礎上,通過二次回旋正交旋轉(BBD)實驗,得出橡膠籽油共軛亞油酸的最佳制備工藝條件:反應溫度148 ℃,反應時間2.6 h,醇油比:18∶1 mL/g,催化劑的用量:6%,在此工藝條件下橡膠籽油共軛亞油酸的轉化率為83.04%,CLA的含量為31.59%。

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Study on preparation technology of conjugated linolenic acid of rubber seed oil by alkali catalytic isomerization

ZHENG Yun-wu1,2,YANG Xiao-qin1,HUANG Yuan-bo1,LIU Can1,ZHENG Zhi-feng1,*

(1.University Key Laboratory of Biomass Chemical Refinery & Synthesis,Yunnan Province;College of Materials Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;2.College of Materials Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Using rubber seed oil as material,conjugated linolenic acid was prepared by alkali catalytic isomerization,study the effect of reaction temperature,reaction time,the ratio of solvent to oil on as well as the amount of catalyst on the yield of CLA,meanwhile,the response surface methodology was employed to optimize the process for the maximum yield of CLA,the results showed that:the optimal conditions for the yield of CLA were reaction temperature 148 ℃,reaction time 2.6 h,the ratio of solvent to oil 18∶1 ml/g,the amount of catalyst 6%,at the same time using polyethylene glycol-400 as solvent and potassium hydrate as catalyst. At these conditions,the yield of CLA could reach 83.04%.

rubber seed oil;conjugated linolenic acid;alkali catalytic isomerization;preparation technology;response surface methodology

2015-12-29

鄭云武(1983-), 男，博士研究生，講師，研究方向：生物質功能材料與生物質能源，E-mail：zyw85114@163.com。

鄭志鋒(1975-), 男，教授,研究方向：生物質能源以及生物質材料，E-mail：zhengzhifeng666@163.com。

國家自然科學基金項目(31200452)；云南省教育廳科學研究基金項目(2014Y319)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)16-0253-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.042