乙醇鉀催化紅花籽油乙酯制備共軛亞油酸乙酯及其產品結構表征

畢艷蘭，張飛鴻，徐廣維，劉 偉，楊國龍

（河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

共軛亞油酸（conjugated linoleic acid，CLA）是亞油酸（linoleic acid，LA）的同分異構體，主要有4 種（c9,t11-CLA、t10,c12-CLA、t9,t11-CLA、t10,t12-CLA），其中t10,c12-CLA和c9,t11-CLA具有較好的生理活性，如降低人體膽固醇含量[1-2]、抗癌[3-4]、抗動脈粥樣硬化[5]、提高人體免疫力[6-7]、減少體內脂肪和抗炎[8-10]等；而t9,t11-CLA與t10,t12-CLA等雙反式CLA可能對人體的免疫系統及心血管等方面具有不利影響[11-13]，因此衛生部規定（衛生部公告-2009年第12號）在CLA產品中雙反式CLA相對含量不得超過1%。以游離脂肪酸形式銷售的CLA產品易氧化，所以其在實際使用中受到一定的限制[14]。研究者發現共軛亞油酸乙酯（conjugated linoleic acid ethyl ester，CLAEE）和CLA具有同樣的生理功能，并且CLAEE較CLA更穩定，更易吸收，逐步得到人們的重視[15]。

堿催化法是工業上常用制備CLA產品的方法，具有污染少、成本低等優點。Wang Quanyi等[16]以毛葉山桐子油作為原料，在乙二醇溶劑體系下利用KOH對原料進行堿性異構化得到CLA產品，在最佳條件下CLA轉化率和得率分別僅為78.53%和30.84%。Yang Lin等[17]以KOH在乙二醇中催化脂肪酸（大豆油皂化酸解所制）制備CLA，雖然轉化率為90%，但得率只有18%。上述2 種方法都采用了乙二醇作為反應溶劑，這會對產品的品質及后續處理造成一定的影響和困難，在工業化生產中沒有廣泛的適用性。

徐廣維等[18]在無溶劑條件下利用乙醇鈉催化紅花籽油乙酯制備CLAEE，雖然在最優條件下CLAEE產品得率達到60%，但最終產物中活性CLAEE的總含量僅為70%，低于目前市場產品含量[19]，而造成這一結果的主要原因是乙醇鈉的催化活性不足。乙醇鉀和乙醇鈉是同類型堿性催化劑，其催化活性高于乙醇鈉，因此可以嘗試采用乙醇鉀代替乙醇鈉制備活性CLAEE含量更高的產品。姜偉等[20]通過乙醇鉀在無溶劑條件下催化紅花籽油乙酯制備CLAEE，發現所制備的產品中c9,t11-CLAEE與t10,c12-CLAEE為主要成分，但該研究只對產品的共軛轉化率進行計算，沒有對雙反式CLAEE進行分析，而且產品的得率也沒有給出。

紅花籽油來源于紅花的種子，紅花籽含油率高達24%以上[21-22]。紅花在我國新疆、西藏等地有大面積種植，來源十分廣泛[23]。紅花籽油是衛生部規定（衛生部公告-2009年第12號）的CLA來源的食品原料，也是目前已知LA含量最高的天然油脂，其LA質量分數為67.8%～83.2%（GB/T 22465—2008《紅花籽油》）。

因此，本研究將選用紅花籽油作為原料，在無溶劑條件下，優化乙醇鉀催化紅花籽油乙酯制備CLAEE的工藝條件并對CLAEE產品進行組成分析和結構表征。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅花籽油乙酯 自制；乙醇鉀 山東泰安康普司化工有限公司；CLAEE標準品（純度≥99%） 美國NU-CHEK有限公司。

正己烷（分析純、色譜純）、無水乙醇、95%乙醇、氫氧化鉀、酚酞、鄰苯二甲酸氫鉀、乙醚、氯仿、冰乙酸、淀粉，碘化鉀、無水硫酸鈉、硫代硫酸鈉、蒸餾水、溴化鉀、氘代氯仿，除特殊備注外，試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

LD5-10A高速離心機 北京京立離心機有限公司；DT電子天平（0.01 g） 常熟市金羊砝碼儀器有限公司；6890N型氣相色譜儀、7890B型氣相色譜儀 美國Agilent科技有限公司；BSA224S分析天平（0.000 1 g） 北京Sartorius科學儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；TU-1810紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；Avance 500MHz核磁共振儀 德國Bruker科技有限公司；WQF-510傅里轉換紅外線光譜分析儀 北京北分瑞利分析儀器（集團）公司；GC-2000/Trace氣相色譜-質譜聯用儀 美國Finnigan公司。

1.3 方法

1.3.1 紅花籽油乙酯及CLAEE的制備

1.3.1.1 紅花籽油乙酯的制備

參照劉潤哲等[24]的方法。稱取0.5%（占原料質量）的NaOH于三口燒瓶中，按醇油物質的量比7.5∶1加入無水乙醇與紅花籽油，加熱反應60 min，反應溫度75 ℃，反應結束后通過分液除去甘油，再真空脫溶并水洗至中性，干燥制得紅花籽油乙酯。

1.3.1.2 CLAEE的制備

稱取20 g紅花籽油乙酯于100 mL三口燒瓶中，加入一定質量的乙醇鉀，同時放入梭形轉子并且抽真空（-0.1 MPa），調節轉子轉速（60 r/min）進行反應。反應結束后，用正己烷萃取反應產物，然后2 500 r/min離心分離，取上清液水洗除皂并通過旋轉蒸發脫去溶劑，得到CLAEE產品。下層皂用于制備CLA產品。反應同時進行工藝平行實驗。

1.3.2 CLA的制備

將離心分離回收的反應副產物皂利用過量濃鹽酸溶液進行酸解，后水洗除去殘留的鹽酸，再進行脫水干燥處理，得到CLA產品。

1.3.3 紅花籽油乙酯中乙酯和脂肪酸、甘油酯組成分析

取適量樣品，用正己烷（色譜純）充分溶解，除去痕量水分并過濾膜后進行氣相色譜分析，采用面積歸一化法計算各組分相對含量。

具體氣相色譜分析條件參考徐廣維等[25]的方法，由于氣相色譜不能將脂肪酸及脂肪酸乙酯分離，所以脂肪酸含量參照文獻[26]進行計算。

1.3.4 紅花籽油乙酯及自制產品（CLAEE、CLA）的脂肪酸組成分析

紅花籽油乙酯及自制CLAEE產品的脂肪酸組成分析：樣品處理及分析方法同1.3.3節。

自制CLA產品的脂肪酸組成分析：取適量樣品，進行甲酯化（具體方法參照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測定》）后取樣進行氣相色譜分析，采用面積歸一化法計算各脂肪酸相對含量。

CLAEE及CLA產品脂肪酸組成的具體色譜分析條件參考許慶炎等[27]的方法。

1.3.5 原料及產品（CLAEE、CLA）理化指標的測定

酸價的測定參照GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》；過氧化值的測定參照GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》；水分及揮發物含量的測定參照GB 5009.236—2016《動植物油脂水分及揮發物的測定》。

1.3.6 產品（CLAEE、CLA）得率的計算

產品制備后稱質量，按下式計算得率：

1.3.7 CLAEE產品的結構表征

1.3.7.1 紫外光譜分析

將適量樣品移至1 cm×1 cm石英比色皿中，在波長范圍為200～400 nm光譜條件下進行掃描。

1.3.7.2 紅外光譜分析

將適量樣品滴在溴化鉀薄片上，在波數范圍400～4 000 cm-1、分辨率8 cm-1條件下掃描。

1.3.7.3 氣相色譜-質譜分析

參照許慶炎等[27]的方法。用滴管吸取20 mg樣品于干凈試管中，加入1 mL正己烷（色譜純）充分溶解樣品，然后加入適量無水硫酸鈉除去痕量水分，靜置，進氣相色譜-質譜分析，使用面積歸一化法計算。

1.3.7.4 核磁共振分析

樣品制備：將50 μL樣品用450 μL CDCl3溶解，轉移至核磁管中進行測定。

分析條件：采用Bruker 500 MHz Avance進行采集，實驗溫度為30 ℃；一維氫譜采用30°小角度激發，空掃2 次，采樣掃描128 次；一維碳譜采用組合脈沖去耦，空掃4 次，采樣掃描次數1 024 次，使用脈沖序列均為Bruker自帶標準序列。

1.4 數據處理

所有測定進行工藝平行實驗，所得數據以 ±s表示，并通過SPSS進行顯著性分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 紅花籽油乙酯的組成及品質分析

2.1.1 紅花籽油乙酯的組成分析

圖 1 紅花籽油乙酯中乙酯及脂肪酸、甘油酯組成氣相色譜圖Fig. 1 Gas chromatograms of ethyl ester, fatty acid and glyceride in safflower seed oil ethyl ester

表 1 紅花籽油乙酯組成成分Table 1 Constituents of safflower seed oil ethyl ester

從表1和圖1可以看出，制備的原料中紅花籽油乙酯相對含量高達（98.61±0.10）%，只含有極少量的甘一酯（（1.34±0.01）%）和脂肪酸（（0.05±0.03）%），不含甘二酯和甘三酯，滿足實驗需求。

2.1.2 紅花籽油乙酯的脂肪酸組成分析

表 2 紅花籽油乙酯的脂肪酸組成及含量Table 2 Fatty acid composition of safflower seed oil ethyl ester

由表2可知，制備的紅花籽油乙酯中亞油酸乙酯相對含量為（79.13±0.03）%，非常利于制備高純度的CLAEE產品。

2.1.3 紅花籽油乙酯的主要理化指標

制備的紅花籽油乙酯酸價為（0.10±0.06）mg/g，過氧化值為（2.68±0.10）mmol/kg，水分及揮發物質量分數為（0.08±0.02）%，品質較好。

2.2 乙醇鉀催化紅花籽油乙酯制備CLAEE單因素試驗

2.2.1 反應溫度對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響

乙醇鉀添加量5%（m/m），反應時間3 h，真空度-0.1 MPa，轉速60 r/min，測定反應溫度的影響。由圖2可知，當溫度由70 ℃升至110 ℃時，活性CLAEE相對含量隨著反應溫度升高呈線性增長，由（31.59±3.59）%顯著升高至（75.44±1.18）%（P＜0.05），增長趨勢方程為y=1.146 2x-48.666，R2=0.989 1（y為活性CLAEE相對含量/%，x為反應溫度/℃）；而在110～140 ℃溫度范圍內，由于共軛化反應進行得比較完全，活性CLAEE相對含量穩定在75%左右，溫度對其沒有顯著性影響（P＞0.05）。雖然在整個反應過程中，隨著反應溫度的升高，雙反式CLAEE相對含量顯著升高（P＜0.05），但其相對含量始終低于1%，符合市場產品要求。綜合考慮，選取110 ℃為較適宜反應溫度。

圖 2 反應溫度對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響Fig. 2 Effect of reaction temperature on the contents of active and inactive conjugated linoleate ethyl ester

2.2.2 乙醇鉀添加量對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響

圖 3 乙醇鉀添加量對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響Fig. 3 Effect of catalyst addition on the contents of active and inactive conjugated linoleate ethyl ester

反應溫度110 ℃，反應時間3 h，真空度-0.1 MPa，轉速60 r/min，測定乙醇鉀添加量的影響。由圖3可以看出，乙醇鉀添加量不大于2%時，在反應產物中幾乎檢測不到CLAEE；當乙醇鉀添加量達到3%時，活性CLAEE相對含量突然升高至（51.01±0.27）%；隨著乙醇鉀添加量增加至5%時，活性CLAEE相對含量有顯著性變化（P＜0.05），由（51.01±0.27）%增加至（75.44±1.18）%；乙醇鉀添加量繼續升高至9%時，活性CLAEE相對含量不發生顯著性變化（P＞0.05），為（75.55±0.28）%。在乙醇鉀添加量為1%～9%時，雙反式CLAEE相對含量無顯著性變化（P＞0.05），均小于1%，符合市場產品要求。綜合考察，選擇乙醇鉀添加量5%為較適宜添加量。

2.2.3 反應時間對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響

圖 4 反應時間對活性CLAEE及雙反式CLAEE含量的影響Fig. 4 Effect of reaction time on the contents of active and inactive conjugated linoleate ethyl ester

反應溫度110 ℃，乙醇鉀添加量5%，真空度-0.1 MPa，轉速60 r/min，測定反應時間的影響。由圖4可以看出，當反應時間不大于3 h時，隨著反應時間的延長，活性CLAEE相對含量顯著升高（P＜0.05），從0%（0 h）增加至（75.44±1.18）%（3 h）；當反應時間延長至7 h時，活性CLAEE相對含量保持在（77.17±0.00）%左右，沒有發生顯著性變化（P＞0.05）。同時，雙反式CLAEE含量在實驗探究的時間范圍內始終沒有發生顯著性變化（P＞0.05），一直小于1%，符合市場產品的要求。綜合考慮，選擇3 h為較適宜反應時間。

綜上所述，乙醇鉀催化紅花籽油乙酯制備CLAEE單因素研究的最佳反應條件為反應溫度110 ℃，乙醇鉀添加量5%，反應時間3 h。

2.3 CLAEE及CLA產品的得率

利用單因素試驗得到的最優工藝條件制備CLAEE產品，并將過程中產生的皂通過鹽酸酸解，水洗脫水后制得CLA產品。CLAEE產品得率為（69.50±3.09）%，遠高于CLA產品的得率（（20.70±2.19）%），同時綜合2 種產品的總得率可達到90%。

2.4 CLAEE及CLA產品的主要理化指標及脂肪酸組成分析

2.4.1 CLAEE及CLA產品的主要理化指標

由表3可以看出，CLAEE及CLA產品主要理化指標均符合GB 2716—2005《食用植物油衛生標準》中關于酸價和過氧化值的規定。

表 3 CLAEE及CLA產品理化指標Table 3 Physicochemical indicators of conjugated linoleic acid ethyl ester and conjugated linoleic acid

2.4.2 CLAEE及CLA產品的脂肪酸組成分析

圖 5 CLAEE標準品（A）、自制CLAEE產品（B）及自制CLA產品（C）氣相色譜圖Fig. 5 Gas chromatograms of CLAEE standard (A) and laboratory prepared CLAEE (B) and CLA (C)

表 4 紅花籽油乙酯、CLA和CLAEE產品的脂肪酸組成對比Table 4 Comparison of fatty acid composition between safflower seed oil ethyl ester and laboratory prepared CLA and CLAEE

在反應溫度140 ℃、催化劑添加量5%、反應時間40 min、真空度-0.1 MPa、轉速60 r/min條件下，測定CLAEE標準品、自制CLAEE產品及自制CLA產品氣相色譜。由圖5可知，CLAEE標準品主要為c9,t11-CLAEE和t10,c12-CLAEE 2 種構型，同時結合表4分析可以看出，CLAEE產品與CLA產品的脂肪酸組成基本相同，2 種產品的CLA轉化率都達到了95%以上，且CLA中99%以上都為活性CLA，反應效率較高。

2.5 CLAEE產品的結構表征

2.5.1 紫外光譜分析自制紅花籽油乙酯、CLAEE產品結構

圖 6 自制紅花籽油乙酯、CLAEE標準品及自制CLAEE產品紫外光譜圖Fig. 6 UV absorption spectra of laboratory prepared safflower seed oil ethyl ester, CLAEE standard and laboratory prepared CLAEE

由圖6對比可知，自制CLAEE產品及CLAEE標準品由于含有共軛雙鍵，能產生π-π共軛效應，在波長234 nm處均有強吸收峰，而紅花籽油乙酯因不含有共軛雙鍵，所以在波長234 nm處沒有強吸收峰[28-29]。雖然采用紫外光譜法能檢測出自制CLAEE產品中含有共軛雙鍵，但CLAEE各異構體種類與含量需要進一步分析。

2.5.2 紅外光譜分析自制紅花籽油乙酯、CLAEE產品結構

圖 7 紅花籽油乙酯（A）、CLA標準品（B）及自制CLAEE（C）紅外光譜圖Fig. 7 Infrared spectra of laboratory prepared safflower seed oil ethyl ester (A), CLA standard (B) and laboratory prepared CLAEE (C)

圖 8 樣品紅外光譜局部對比圖Fig. 8 Partial comparison of infrared spectra of samples

由圖7可以看出，在3 018 cm-1處的吸收峰為不飽和碳氫的伸縮振動峰，1 750～1 700 cm-1處的吸收峰為酯的特征吸收峰；由圖8對比可以看出，自制CLAEE在982 cm-1和946 cm-1處出現2 個＝C—H面外彎曲振動峰，分別對應順-反構型CLAEE和反-順構型CLAEE，CLA標準品在此處同樣也有明顯的振動峰，而紅花籽油乙酯沒有此特征峰。因此，通過紅外光譜分析可知自制CLAEE產品中含有反式共軛雙鍵。

2.5.3 氣相色譜-質譜聯用分析自制CLAEE產品結構

圖 9 自制CLAEE產品總離子流色譜圖Fig. 9 Total ion chromatogram of laboratory prepared CLAEE

圖 10 自制CLAEE產品氣相色譜-質譜圖Fig. 10 GC-MS profile of laboratory prepared CLAEE

圖 11 亞油酸乙酯標準品、CLAEE標準品及自制CLAEE產品1H-NMR圖Fig. 11 1H-NMR spectra of linoleic ethyl esters standard, CLAEE standard and laboratory prepared CLAEE

由圖9可以看出各脂肪酸的分離規律：在飽和度方面，飽和脂肪酸先于不飽和脂肪酸出峰；對于飽和脂肪酸來說，低碳數出峰先于高碳數；對于同碳數的不飽和脂肪酸來說，單不飽和比多不飽和優先出峰。這與義志忠等[30]的研究結論一致。

由圖9、10可知，在38.82、39.27、39.87 min和40.60 min的位置處出現了4 個相同的質譜峰圖，表示4 種組分具有相同的分子片段，即4 種組分為同分異構體。由圖9～13可以看出，4 種物質m/z均為308，說明其為亞油酸乙酯的4 種同分異構體。同時，圖10～13均出現2 個雙鍵的基峰離子m/z67，且順反異構體質譜碎片基本一致，進一步對比質譜庫可以推測得到的4 種物質為CLAEE的4 種同分異構體（c9,t11-CLAEE、t10,c12-CLAEE、t9,t11-CLAEE、t10,t12-CLAEE）。

圖 12 CLAEE產品二維氫譜圖Fig. 12 Two-dimensional hydrogen spectrum of laboratory prepared CLAEE

圖 13 亞油酸乙酯標準品、CLAEE標準品及自制CLAEE產品13C-NMR圖Fig. 13 13C-NMR spectra of linoleic ethyl esters standard, CLAEE standard and laboratory prepared CLAEE

2.5.4 核磁共振分析亞油酸乙酯標準品、CLAEE標準品及自制CLAEE產品結構

結合圖11、12可以看出，δ0.8處為疏水端甲基氫；δ1.0～1.5處為分子中亞甲基氫；δ1.6處為連接離酯基碳最近的碳上的氫；δ2.0～2.2為兩側連接共軛雙鍵的亞甲基上的氫；δ2.3～2.5處為離羧甲基碳最近的碳上的氫；而親水端上的乙基中亞甲基氫化學位移為δ4.1，甲基氫化學位移在δ1.2處。在亞油酸乙酯標準品中，δ5.28為碳碳雙鍵中氫的化學位移，在CLAEE產品中分裂為δ5.0～6.5之間的4 組峰，而δ5.0～6.5正是共軛雙鍵上氫的化學位移。在亞油酸乙酯標準品氫譜中，δ2.768為亞油酸乙酯中連接2 個碳碳雙鍵的亞甲基氫，此處氫在CLAEE產品1H-NMR測定（圖11）中消失，可以看出自制的產物中含有CLAEE的4 種異構體。

由圖13可以看出，δ14.2為分子結構上甲基碳的化學位移；δ22.0為離疏水端甲基最近的碳的化學位移；δ25.0為連接離酯基碳最近的碳的化學位移；δ25.0～40.0處為分子中亞甲基上碳的化學位移；δ60.0為親水端上的乙基碳的化學位移；溶劑CDCl3上碳的化學位移在約δ80.0處；在亞油酸乙酯標準品中，δ130.0附近的2 個峰為碳碳雙鍵上的碳化學位移，而在自制CLAEE產品中，此處分裂為4 個峰，對應共軛雙鍵上的4 種碳；在δ175.0則為酯基碳的化學位移。結合3 種物質的碳譜，可以看出自制的CLAEE產物中含有CLAEE的4 種異構體。

綜合3 種物質的氫譜和碳譜，并結合2.5.3節分析，可以確定自制CLAEE產品中的4 種同分異構體（c9,t11-CLAEE、t10,c12-CLAEE、t9,t11-CLAEE、t10,t12-CLAEE）。

綜上所述，通過結構表征可以確定CLAEE產品中有4 種主要同分異構體，分別為c9,t11-CLAEE、t10,c12-CLAEE、t9,t11-CLAEE、t10,t12-CLAEE。

3 結 論

通過單因素試驗對無溶劑條件下乙醇鉀催化紅花籽油乙酯制備CLAEE的工藝條件進行優化，并對CLAEE產品的主要理化指標和脂肪酸組成進行分析，同時進行結構表征，結果表明：在真空度-0.1 MPa、轉速60 r/min條件下，通過最優工藝條件（反應溫度110 ℃，乙醇鉀添加量5%，反應時間3 h）可制得含有4 種同分異構體的CLAEE產品，其中活性CLAEE（c9,t11-CLAEE、t10,c12-CLAEE）相對含量為（75.44±1.18）%，雙反式CLAEE（t9,t11-CLAEE、t10,t12-CLAEE）相對含量為（0.24±0.09）%，產品得率為（69.50±3.09）%。同時回收處理反應副產物皂得到的CLA產品得率為（20.70±2.19）%，且CLA產品脂肪酸組成與CLAEE產品的基本相同，兩產品的主要理化指標都符合相關標準要求，綜合兩產品整體得率可達到90%。通過紫外、紅外、氣相色譜-質譜聯用以及核磁共振等結構表征方法驗證了制得的CLAEE產品中存在的4 種同分異構體，分別為c9,t11-CLAEE、t10,c12-CLAEE、t9,t11-CLAEE和t10,t12-CLAEE。