垂序商陸種子油脂肪酸組成及其生物柴油制備工藝研究

廖 陽,閆榮玲,劉麗華,何福林,李 辰

(1.湖南科技學院 化學與生物工程學院，湖南 永州 425199； 2.湘南優勢植物資源綜合利用湖南省重點實驗室，湖南 永州 425199； 3.湖南省銀杏工程技術中心，湖南 永州 425199； 4.五邑大學 生物科技與大健康學院，廣東 江門 529020)

隨著全球人口的不斷增長，人類對石油資源的需求量及消耗速度不斷攀升，能源危機越來越凸顯。生物柴油是以動植物油脂或廢餐飲油等為原料經酯化后得到的一種清潔環保的可再生能源，是緩解能源危機的重要策略之一[1]。原料可占生物柴油生產總成本的70%甚至更高，因此尋求含油率高、再生周期短、能夠穩定供給的原料是當前生物柴油研究的重要課題。動物油脂不飽和脂肪酸含量低，熔點和黏度高且與醇的互溶性差，回收油脂則往往雜質及水分多，除雜與脫色等前處理復雜。因此，植物油脂是制備生物柴油的優質原料[2]。世界各國都選擇有自身優勢的原料來發展生物柴油，歐洲多用菜籽油和葵花籽油，美國為大豆油，巴西為蓖麻籽油，東南亞等地用棕櫚油等。根據我國國情，若以傳統食用油為原料進行生物柴油制備不利于國家糧油安全。因此，利用非食用植物油脂進行生物柴油制備更合理可行。

垂序商陸(PhytolaccaamericanaL.)為商陸科商陸屬的多年生草本植物，其根部由于含有商陸皂苷活性成分而作為一味中藥使用，近年人們還對其葉片皂苷[3-4]、漿果紅色素[5]等進行了提取與應用，但關注其種子開發利用的研究十分少見[6]。垂序商陸的結籽量大，不是傳統食用油來源，因此考慮將其種子油作為生物柴油制備原料。需指出的是，原料油脂中脂肪酸的組成及含量是決定生物柴油品質的重要因素，會影響所得生物柴油的十六烷值、流動性、穩定性等指標[7]。因此，本研究對垂序商陸種子油的脂肪酸組成及含量進行測定，以確定其作為生物柴油原料油的潛力。

各種動植物油脂與甲醇等低碳醇類物質在催化劑作用下制備生物柴油是目前工業生產生物柴油的主要方法。根據使用的催化劑種類不同又可以分為酸催化法、堿催化法、生物酶法等，其中堿催化法由于條件溫和、成本較低、可產生高附加值副產物甘油, 反應速率快等而被廣泛采用[1-2]。用于制備生物柴油的醇類有甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等，其中甲醇因為具有碳鏈短、極性強和價格便宜的特點而最為常用[8]。因此，本研究以垂序商陸種子油和甲醇為原料，KOH為催化劑，通過單因素實驗考察了醇油摩爾比、反應時間、反應溫度、催化劑用量對生物柴油轉化率的影響，并在此基礎上采用正交實驗優化了生物柴油制備工藝，為垂序商陸種子油在生物柴油制備領域的應用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

垂序商陸果實采自湖南科技學院周邊空地，采集到的垂序商陸果實揉搓破碎、多次洗滌與過濾去雜后獲得干凈的種子，于65℃下烘干24 h，粉碎機粉碎。石油醚(沸程60～90℃)、正己烷、氫氧化鉀、甲醇、濃硫酸、無水硫酸鈉、乙醚、乙醇、鹽酸等，均為分析純。

恒平AE124J分析天平，島津QP2010S GC-MS，RE-2000B旋轉蒸發儀，SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵，WG-20電熱鼓風干燥箱，DF-101S恒溫磁力攪拌器等。

1.2 實驗方法

1.2.1 垂序商陸種子油提取[9]

取5.0 g垂序商陸種子粉末，加一定體積的石油醚，充分攪拌后靜置12 h；之后進一步借助微波進行種子油提取，提取條件為料液比1∶10，微波時間70 min，微波功率300 W，微波溫度50℃；提取完成后，真空抽濾得澄清液再經旋轉蒸發儀回收溶劑，最后置50℃干燥箱中2 h去除殘留溶劑后冷卻至室溫，得到垂序商陸種子油。

1.2.2 垂序商陸種子油的脂肪酸組成分析

1.2.2.1 甲酯化處理

稱取0.1 g樣品于25 mL容量瓶中，加入1 mol/L KOH-甲醇溶液2 mL，45℃水浴45 min，之后利用旋轉蒸發儀水浴蒸干，并加入2 mL的5%硫酸-甲醇溶液，70℃水浴60 min后，向樣品中滴加2 mL飽和氯化鈉溶液，搖勻，再加入2 mL正己烷，振搖，靜置10 min，分層。取0.1 mL上清液，稀釋100倍后，加入少量無水硫酸鈉脫水，于氣質聯用儀中進行脂肪酸組成分析。

1.2.2.2 GC-MS分析條件

采用石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×25 μm)；載氣為He，流量2 mL/min；升溫程序為初始溫度150℃，保持3.5 min，以20℃/min的速度升溫至200℃，保持5 min，以5℃/min的速度升溫至280℃，保持20 min;進樣量0.5 μL；離子源為EI，溫度為200℃；電子能量70 eV；掃描周期0.5 s；界面溫度250℃，溶劑切除時間3 min。采用與質譜圖庫檢索比較，取最優匹配者進行脂肪酸定性鑒定，采用峰面積歸一化法進行脂肪酸相對含量的確定。

1.2.3 生物柴油制備

稱取一定量垂序商陸種子油置于錐形瓶中，加入一定量催化劑KOH與甲醇的混合液，置于恒溫加熱磁力攪拌器中開始計時并持續反應一段時間，后倒入分液漏斗中靜置，分離出下層甘油，再用旋轉蒸發儀將上層生物柴油粗品在常壓下蒸餾脫除過量甲醇，用溫水洗至中性，再減壓蒸餾除去殘存的水等雜質，最終得到顏色淡黃、比較清亮的脂肪酸甲酯即生物柴油[10-11]。參照文獻[11-12]測定原料油和產物中的總甘油含量，按下式計算生物柴油轉化率。

生物柴油轉化率=(原料油中理論甘油含量-生物柴油中甘油含量)/原料油中理論甘油含量×100%

1.2.4 生物柴油制備的單因素實驗與正交優化實驗

分別考察了醇油摩爾比、催化劑用量、反應時間、反應溫度4個因素對垂序商陸種子油制備生物柴油轉化率的影響。單因素實驗時分別設置醇油摩爾比4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1，催化劑用量0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、1.7%、2.0%，反應時間20、40、60、80、100、120 min，反應溫度30、40、50、60、70、80℃各6個梯度水平。

進行某一單因素實驗時，其他3個因素維持不變，分別固定為醇油摩爾比6∶1、催化劑用量1.1%、反應時間40 min、反應溫度50℃。根據單因素實驗結果，選取3個因素各自生物柴油轉化率較高的3個較佳水平，按照L9(34)正交實驗優化生物柴油制備工藝。

1.2.5 數據處理

所有實驗均重復3次，數據經Excel2003、SPSS19.0以及Sigmaplot10.0等軟件進行整理、分析與作圖。

2 結果與討論

2.1 垂序商陸種子油脂肪酸組成

垂序商陸種子油經GC-MS分析得到的總離子流圖如圖1所示。經與NIST05質譜數據庫比對檢索后，確定垂序商陸種子油脂肪酸組成及相對含量見表1。

圖1 垂序商陸種子油總離子流圖

保留時間/min脂肪酸相對含量/%15.194軟脂酸12.6618.074硬脂酸29.9218.217油酸55.0018.720亞油酸1.0522.792花生酸1.0127.422芥酸0.36

由圖1及表1可知，垂序商陸種子油含6種脂肪酸，分別為軟脂酸(12.66%)、硬脂酸(29.92%)、油酸(55.00%)、亞油酸(1.05%)、花生酸(1.01%)、芥酸(0.36%)，不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的占比分別為56.41%與43.59%，前者約為后者含量的1.3倍。

雖然垂序商陸種子油中的不飽和脂肪酸含量較飽和脂肪酸高，但相對其他植物油脂，其不飽和脂肪酸含量明顯偏低。尤其是人體不能合成，具有降低血液膽固醇、預防動脈粥樣硬化、提高腦細胞活力、增強免疫力等生理活性的亞油酸含量極低，亞麻酸更是未被檢出。同時，垂序商陸種子與其葉片以及根部一樣含有可引發溶血及產生細胞毒性等不良生理效應的皂苷類物質[4,9]，在油脂提取過程中存在少量商陸皂苷同步釋出進入油中從而產生不利于人體健康的可能性。因此，垂序商陸種子油作為新型食用油資源開發的潛力和優勢不明顯。

垂序商陸種子油與幾種制備生物柴油常用植物油脂肪酸組成及含量比較見表2。

表2 垂序商陸種子油與幾種生物柴油制備常用植物油脂肪酸組成及含量比較 %

由見表2可知，垂序商陸種子油的總不飽和脂肪酸含量、單不飽和脂肪含量高于棕櫚油。同時，垂序商陸種子油多不飽和脂肪酸含量極低(<2%)，且單不飽和脂肪酸含量高、碳鏈長度在12～22區間，可見其具有作為制備生物柴油原料油的潛力。

2.2 生物柴油制備工藝及優化

2.2.1 單因素實驗(見圖2)

由圖2可知，隨著醇油摩爾比、催化劑用量、反應時間、反應溫度的增加，生物柴油轉化率均呈現出先增加后減少的總體變化趨勢，且分別在醇油摩爾比7∶1、催化劑用量1.1%、反應時間60 min、反應溫度60℃時達到最大值。

一定范圍內，垂序商陸種子油制備生物柴油的轉化率隨醇油摩爾比、催化劑用量、反應溫度、反應時間的增加而增加，是因為各因素分別通過提高底物濃度(增加分子間碰撞概率)、增加反應體系中活化分子數、保證底物充分反應等途徑對反應體系起到了積極影響；但當各因素在超過某一水平后，則會由于過多的醇增加了體系極性、過量的催化劑增加了皂化等副反應、過高的溫度使甲醇蒸發、過長的時間打破了反應平衡(使逆反應快于正反應)等從而導致生物柴油轉化率不增反降[11,16]。需指出的是，過多的醇以及催化劑KOH還會增加后續回收以及產品分離的難度，因此從生物柴油轉化率與成本兩方面綜合考慮，確定醇油摩爾比6∶1、7∶1、8∶1，催化劑用量0.8%、1.1%、1.4%，反應時間40、60、80 min，反應溫度40、50、60℃各3個水平進行后續正交優化實驗。

2.2.2 正交優化實驗

在單因素實驗基礎上，以醇油摩爾比、催化劑用量、反應時間、反應溫度為因素，生物柴油轉化率為指標進行L9(34)正交優化實驗，正交實驗設計及結果如表3所示。

表3 垂序商陸種子油制備生物柴油正交實驗設計及結果

由表3可知，各因素對垂序商陸種子油制備生物柴油轉化率的影響順序為催化劑用量>反應溫度>醇油摩爾比>反應時間，最佳制備工藝組合為A2B2C3D2，即醇油摩爾比7∶1，催化劑用量1.1%，反應時間80 min，反應溫度50℃。在最佳制備工藝條件下進行3次驗證實驗，生物柴油轉化率為94.6%。

3 結 論

垂序商陸種子油中含有軟脂酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、花生酸、芥酸6種脂肪酸，含量分別為12.66%、29.92%、55.00%、1.05%、1.01%、0.36%；垂序商陸種子油中單不飽和脂肪酸含量高，多不飽和脂肪酸含量極低、碳鏈長度在12～22區間、且飽和脂肪酸含量低于棕櫚油等原料油，因此較適于進行生物柴油的制備。單因素實驗及正交實驗優化得到垂序商陸種子油制備生物柴油最佳條件為反應時間80 min、反應溫度50℃、醇油摩爾比7∶1、催化劑用量1.1%，此條件下生物柴油轉化率為94.6%。結果表明，垂序商陸種子油成分多樣、單不飽和脂肪酸含量高并且制備生物柴油可行性強、工藝溫和、轉化率高，是一種具有顯著開發潛質的優質植物油脂資源，研究結果為垂序商陸的深度開發利用提供了實驗依據。