濃硫酸催化辛酸和椰子油酸解制備富含中鏈甘油三酯產品的工藝研究

梁少華，魏賢之，張 曼，孫 聰

河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

中鏈甘油三酯(Medium Chain Triglyceride，簡稱MCT)是指甘油骨架上連接3個中鏈脂肪酸(Medium Chain Fatty Acid，簡稱MCFA，C6～12)而構成的甘油三酯[1]。MCT因其良好的抗氧化性及對維生素類、殺菌劑和抗生素類物質良好的溶解性，可以在醫學領域用作藥物溶劑[2]。MCT能夠在很短的時間內供能，可作為需要快速補充能量的特殊人群的有效功能來源[3]。MCT具有中等碳鏈的結構，可作為奶制品、飲料制品等的乳化劑和穩定劑[4]。MCT與其他乳化劑混合使用時，互溶性和穩定性較好，可用作化妝品的保濕劑和穩定劑[5]。

目前MCT的制備方法主要分為化學法催化和酶法催化[6-7]。化學法催化采用的催化劑價格較低，工藝成熟，容易實現大規模生產，但其隨機性強，往往伴隨副反應[8]。酶法催化副產物較少，產品容易分離，缺點在于耗時長、價格高，無法實現大規模生產[9]。仝瑩瑩[10]利用酸性離子液體作為催化劑，催化MCFA和甘油酯化合成MCT，最優條件下甘油三酯得率達92.90%。Ghosh等[11]以椰子油和辛酸甲酯、癸酸甲酯為原料，分別用化學法催化和酶法催化制備MCT，結果表明化學法催化時產物中辛酸和癸酸含量較高，為25%～28.3%。

椰子油中MCFA含量遠超大豆油、花生油等，是制備MCT的優質原料[12]。因此，本研究以椰子油和辛酸為原料，在濃硫酸催化作用下進行酸解反應制備富含MCT的產品，并對其工藝條件進行探索和優化，對深度開發椰子油資源和MCT的制備具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

椰子油：印度尼西亞米南伽奧甘農業公司；辛酸(質量分數為99%)：連云港豐益油脂科技有限公司；濃硫酸：洛陽昊華化學試劑有限公司；三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯：西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；豬胰脂酶：實驗室自制。

正己烷、乙腈、異丙醇為色譜純；正己烷、乙醚、冰乙酸、酚酞、碘化鉀、硅膠GF254、2,7-二氯熒光素、羧甲基纖維素鈉等均為分析純。

1.2 主要儀器與設備

Sartorius BSA224S型分析天平：賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；DF-101 K集熱式恒溫磁力攪拌器：鄭州長城科工貿有限公司；SHZ-D(Ⅲ)型循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；7890 A型氣相色譜儀：美國Agilent 公司；E2695型高效液相色譜儀：美國Waters公司；ZF-4型四用紫外分析儀：上海嘉鵬科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 椰子油和辛酸酸解反應

在三口燒瓶中加入一定量的椰子油和辛酸，恒溫磁力攪拌油浴鍋內預熱，溫度穩定后添加一定量的催化劑，密閉反應容器，至預定時間結束反應，取樣水洗除去催化劑，真空干燥脫水，密封保存。

1.3.2 甘油三酯的分離

將產物進行薄層色譜分離，展開劑為正己烷-乙醚-冰乙酸 (體積比為80∶20∶2)，使用2,7-二氯熒光劑溶液噴霧并在紫外(254 nm)下顯色。刮下甘油三酯帶，乙醚萃取后用氮氣吹干，待進一步分析。

1.3.3 脂肪酸組成分析

按照GB/T 17376—2008制備脂肪酸甲酯；脂肪酸甲酯的氣相色譜分析按照GB/T 17377—2008方法分析。

測定條件：色譜柱為SGE BPX-70，進樣口溫度210 ℃，FID檢測器，檢測器溫度300 ℃，N2流速1.0 mL/min，H2流速40 mL/min，空氣流速400 mL/min。

1.3.4sn-2位脂肪酸組成分析

取約50 mg甘油三酯，加入Tris緩沖液(pH 8.0，1 mL)、膽酸鈉(質量分數為0.05%，0.25 mL)、CaCl2(質量分數為2.2%，0.1 mL)和豬胰脂酶(10 mg)。水浴(40 ℃)中劇烈振蕩3 min，然后加入1 mL HCl溶液(6 mol/L)和2 mL乙醚振蕩后離心。使用無水硫酸鈉干燥，用氮吹濃縮。在薄層色譜板上分離水解產物，展開劑為正己烷-乙醚-乙酸(體積比為50∶50∶1)，使用2,7-二氯熒光劑溶液噴霧并在紫外(254 nm)下顯色。刮下對應的sn-2位甘油一酯的條帶，用正己烷萃取，甲酯化后用氣相色譜儀分析。

1.3.5 甘油三酯組成分析

稱取50 mg甘油三酯于10 mL離心管內，加入3 mL異丙醇，漩渦振蕩溶解，過0.22 μm有機濾膜，采用高效液相色譜儀-蒸發光散射檢測器(HPLC-ELSD)分析甘油三酯組成。

HPLC-ELSD測定條件[13]：C18反相色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流動相為乙腈(A)-異丙醇(B)，柱溫30 ℃，流速0.8 mL/min，ELSD霧化室溫度55 ℃，氮氣流速1.8 L/min。A的梯度洗脫條件：0 min，70%；30 min，60%；70 min，55%；75 min，70%；76 min，70%。進樣量10 μL。

1.3.6 試驗設計

本研究首先對反應溫度、底物物質的量比(n辛酸∶n椰子油)、催化劑濃硫酸添加比例(按椰子油質量計)和反應時間進行單因素試驗，再根據單因素試驗結果，利用Box-Benhnken響應面設計軟件，以產物中MCFA含量為響應值，對工藝條件進行優化，因素與水平如表1所示。

表1 響應面分析因素與水平

1.3.7 數據處理

單因素試驗中各水平的試驗結果取2次平行試驗的均值。使用IBM SPSS Statistics 20軟件對單因素試驗獲得的所有數據進行統計分析，確定具有顯著性差異的水平。然后利用Design-Expert 8.0.6軟件進行回歸分析，得到與各評價指標相關的多項回歸方程和方差分析結果。

2 結果與討論

2.1 椰子油的組成分析

椰子油的脂肪酸組成及分布如表2所示，測定結果與之前的研究相近[14-15]。椰子油中MCFA含量為52.61%。在sn-2位脂肪酸分布中，月桂酸含量為73.95%，未檢測到辛酸，癸酸含量為2.58%，sn-2位MCFA總量高達76.53%。

采用HPLC-ELSD分析椰子油的甘油三酯組成，結果如表3所示。結合標準品出峰時間可知，椰子油甘油三酯的當量碳數在30～42之間，當量碳數30～36的甘油三酯既有可能為中鏈甘油三酯，也可能為中長鏈甘油三酯[13]。當量碳數38～42的甘油三酯為中長鏈甘油三酯。結合Bezard等[16]的研究，當量碳數為30、32、34和36的甘油三酯中MCT含量分別為84%、79%、30%和52%，因此試驗所用椰子油中MCT含量為33.07%。

表2 椰子油脂肪酸組成及位置分布

注：-表示未檢出；sn-1,3位脂肪酸組成根據1,3-隨機-2-隨機理論計算。

表3 椰子油甘油三酯組成及含量

綜上所述，椰子油是用于制備富含MCT油脂產品的優質原料。

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 反應時間對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

在反應溫度90 ℃、底物物質的量比4∶1、催化劑添加比例3%的條件下，考察反應時間對試驗的影響，結果見圖1。

圖1 反應時間對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

由圖1可知，在2～6 h，辛酸含量和MCFA含量增加較顯著，反應6 h時，基本達到平衡狀態，產物中辛酸含量為29.60%，相比椰子油增加了24.14個百分點；MCFA含量為64.37%，相比椰子油增加了11.76個百分點。產物中sn-2位辛酸含量的變化與辛酸含量變化趨勢相似，反應6 h時，sn-2位辛酸含量達到平衡(29.24%)，相比椰子油增加了29.24個百分點，此時sn-2位MCFA含量為66.25%，相比椰子油略有下降，sn-2位MCFA含量在整個反應階段變化不明顯。

造成這種現象的原因可能是反應開始時，底物濃度較高，反應速率較快，產物中辛酸、MCFA含量不斷增加，隨著反應時間的延長，底物濃度不斷降低，反應速率下降，反應達到平衡狀態[17]。sn-2位MCFA含量則在整個反應過程中略低于原料油中的含量，原因可能在于與酶法催化的專一性不同，化學法催化具有隨機性的特點[18]。考慮到試驗的經濟性和有效性，反應時間以6 h為宜。

2.2.2 反應溫度對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

在底物物質的量比4∶1、催化劑的添加比例3%、反應時間6 h的條件下，考察反應溫度對試驗的影響，結果見圖2。

圖2 反應溫度對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

由圖2可知，在所選溫度范圍內，辛酸含量、MCFA含量隨溫度的升高而上升，反應溫度由70 ℃上升到90 ℃，辛酸含量增加到40.38%；MCFA含量增加到76.19%，基本達到平衡狀態。繼續升高反應溫度至120 ℃，辛酸及MCFA含量增長幅度較低。產物中sn-2位辛酸含量在所選溫度范圍內隨溫度的升高而呈現上升趨勢，在120 ℃時達到最大值41.40%，而sn-2位MCFA含量在所選溫度范圍內變化不大。

隨著反應溫度的升高，反應底物中脂質黏度降低，同時底物分子的熱運動加快，導致產物中MCFA含量增加。過高的反應溫度會增加酰基交換的速率，也會導致底物碳化等副反應的發生，所以濃硫酸催化辛酸酸解椰子油反應的適宜溫度選擇90 ℃[19-20]。

2.2.3 底物物質的量比對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

在反應溫度90 ℃、反應時間6 h、催化劑添加比例3%條件下，研究底物物質的量比對試驗的影響，結果如圖3所示。

圖3 底物物質的量比對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

由圖3可知，隨著底物物質的量比的增加，產物中辛酸、MCFA含量出現先升高后趨于穩定的趨勢，在底物物質的量比為4∶1時，反應基本達到平衡，產物中的辛酸、MCFA含量分別為25.04%和62.46%，相比椰子油依次增長了19.58個百分點和9.85個百分點。產物中sn-2位辛酸含量也在底物物質的量比為4∶1時達到平衡，其含量為23.02%，比椰子油增長了23.02個百分點，此時sn-2位MCFA含量為69.78%，略低于椰子油的76.53%。

底物物質的量比小于4∶1時，反應物中的辛酸含量相對較少，影響了濃硫酸的催化效果和目標產品的生成；底物物質的量比高于4∶1時，反應底物中的辛酸相對過量，導致了催化劑的飽和效應和底物抑制效應，目標產品含量不再增加[21]。綜合考慮，濃硫酸催化辛酸酸解椰子油反應的底物物質的量比選擇4∶1比較合適。

2.2.4 催化劑添加比例對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

在反應溫度90 ℃，反應時間6 h，底物物質的量比4∶1的條件下，考察催化劑的添加比例對試驗的影響，結果見圖4。

圖4 催化劑添加比例對產物中甘油三酯脂肪酸及sn-2位脂肪酸含量的影響

由圖4可知，隨著催化劑添加比例的增加，產物中辛酸、MCFA含量為先增加后平緩的趨勢，催化劑添加比例為3%時，產物中辛酸含量為28.80%，比原料油脂增加了23.34個百分點；MCFA含量為66.39%，相比椰子油增加了13.78個百分點；sn-2位辛酸含量為31.36%；sn-2位MCFA含量為74.95%，略低于椰子油中的76.53%；催化劑添加比例大于3%時，sn-2位辛酸含量增長幅度很小。當催化劑添加比例由5%增加至6%時，產物中辛酸含量和MCFA含量反而有所下降。

隨著催化劑添加比例的增加，催化劑與底物分子接觸面積增大，促使目標產物含量不斷增加，添加比例高于3%后，催化劑用量達到飽和，繼續添加催化劑對反應影響不顯著；濃硫酸用量過多將會引發副產物增加，從而導致目標產物含量下降，所以選擇催化劑添加比例為3%[22]。

2.3 響應面優化試驗

2.3.1 響應面試驗設計方案與結果分析

根據Box-Benhnken試驗設計原理，以產物中MCFA含量為響應值，設計并進行響應面優化試驗，試驗設計方案及結果見表4。

表4 Box-Behnken試驗設計及結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表4中29組MCFA含量的響應值進行多次擬合回歸分析，得到MCFA含量的多項回歸方程，方差分析如表5所示。

MCFA含量/%=66.73+4.60A+0.85B+4.83C+5.26D-1.95AB-0.16AC-4.60AD+1.37BC+4.12BD+2.24CD+0.87A2-0.79B2-1.58C2+3.17D2。

由表5可知，回歸方程模型高度顯著(P<0.01)，失擬項不顯著(P>0.05)，回歸方程的R2為0.906 5，說明該模型擬合較好，可用于預測產物中MCFA含量變化。對MCFA含量影響顯著因素的影響力由大到小依次為D、A、C、AD、D2、BD。

表5 MCFA含量的方差分析

注：P<0.01，差異高度顯著，用**表示；P<0.05，差異顯著，用*表示。

2.3.2 各因素交互作用對MCFA含量的影響

根據回歸方程結果，利用響應面優化得出各因素間交互作用的3D圖，反應時間、反應溫度和底物物質的量比的交互作用對MCF含量的影響如圖5和圖6所示。

圖5 反應時間和反應溫度的交互作用對MCFA含量的影響

圖6 底物物質的量比和反應溫度的交互作用對MCFA含量的影響

由圖5可知，反應溫度為70 ℃時，隨反應時間的延長，MCFA含量不斷增加；反應溫度為110 ℃時，增長趨勢不明顯，這可能是由于高溫引發了更多的副反應，導致酸解反應中MCFA含量增長緩慢。當反應時間較短(3 h)時，MCFA含量隨反應溫度的增加而增加，而當反應時間較長(9 h)時，增長趨勢不太明顯，原因在于隨著反應時間的延長，反應底物濃度不斷下降，從而導致反應變緩。在不同的反應溫度下，反應時間的變化對MCFA含量的影響不相同，說明時間和溫度之間存在交互作用，兩者共同影響反應中MCFA含量的增加。

由圖6可知，當反應溫度處于較低水平時，MCFA含量隨著底物物質的量比的增大變化不大，這可能是因為在較低溫度下，分子熱運動較慢，分子之間相互碰撞概率較小，所以不利于反應的進行；當反應溫度為110 ℃時，MCFA含量隨著底物物質的量比的增加而增加。兩者交互作用顯著。

2.3.3 最優工藝條件的確定與驗證

由響應面軟件得到的最佳工藝條件水平為反應時間3.02 h，底物物質的量比6.00∶1，催化劑添加比例5.00%，反應溫度110.00 ℃，在此條件下所得產物中MCFA的理論預測含量為84.82%。

考慮到實際操作的可行性，修正工藝條件為反應時間3 h，底物物質的量比6∶1，催化劑添加比例5%，反應溫度110 ℃，此條件下進行3次平行試驗，得到的產品中MCFA含量為82.13%，與預測值接近，相比椰子油增加了29.52個百分點。此外，產品中辛酸和sn-2位辛酸含量分別為56.42%和43.17%，相比原料油分別增加了50.96個百分點和43.17個百分點，產品中sn-2位MCFA含量為76.17%，與椰子油相比無明顯變化。

2.4 產品中甘油三酯組成分析

由表6可知，產品中甘油三酯的當量碳數在22～34之間。當量碳數22～24的甘油三酯確定為MCT，含量總和為50.87%。而當量碳數26～34的甘油三酯既可能為MCT,也可能是中長鏈甘油三酯，暫且不算作中鏈甘油三酯。因此可以確定產品中MCT的總含量至少為50.87%。

表6 產品甘油三酯組成及含量

3 結論

通過單因素和響應面優化試驗確定了酸解椰子油制備富含MCT產品的最佳工藝條件：反應時間3 h，底物物質的量比6∶1，催化劑添加比例5%，反應溫度110 ℃，在此條件下進行3次平行驗證試驗，得到的產品中MCFA含量為82.13%，與預測值接近，相比椰子油增加了29.52個百分點。此外，產品中辛酸和sn-2位辛酸含量分別為56.42%和43.17%，相比原料油分別增加了50.96個百分點和43.17個百分點，產品中sn-2位MCFA含量為76.17%，與椰子油相比無明顯變化。通過HPLC-ELSD測定最終產品中甘油三酯當量碳數在22～34之間，其中MCT的總含量至少為50.87%。椰子油富含中鏈脂肪酸，是一種用于制備中鏈甘油三酯很好的原料。本研究為利用椰子油制備中鏈甘油三酯提供了理論依據，為中鏈甘油三酯的工業化生產及椰子油資源的深度開發利用提供了參考。