高溫處理對漆蠟脂肪酸成分和晶體特性的影響

邵鳳俠 王 森 王 佳 何麗兵 洪榮艷 趙天嬌

(中南林業科技大學；經濟林培育與保護教育部重點實驗室；經濟林育種與栽培國家林業局重點實驗室；長沙 410004)

漆樹(Toxicodendronvernicifluum)是漆樹科(Anacarkiacea)漆樹屬(Toxicodendron)落葉喬木或灌木，是我國重要的經濟林樹種[1]。漆樹果實為漆籽，其果皮和核中均富含油脂。從漆籽的果皮中提取的油脂因熔點較高(43～57 ℃)，常溫下呈奶白色或淺黃色的固體狀，故稱為漆蠟[2]。漆蠟主要是由甘油三脂肪酸酯、游離酸及游離醇等組成[3]。漆蠟作為木本油料，其應用在我國由來已久。在云南怒江地區，漆蠟作為當地各民族群眾的主食油料之一，已有上千年的歷史[4]。在傈僳族，漆蠟油可用于炒菜、煎炸食物及制作漆蠟酒和漆蠟茶[5-7]。漆蠟作為產婦和外科手術后病人的滋補品，效果顯著，用于治療老年氣喘、頭暈亦有一定的效果[5-7]。此外漆蠟還具有降血脂、降膽固醇、抗菌消炎等功效[5-7]。

漆蠟作為一種天然植物源蠟，無毒無污染，是極好的加工原料，不僅廣泛用于食品、化妝品等行業，還廣泛用于家具、印刷、油漆以及醫藥制品等領域[8]。如漆蠟可與分散劑按照一定配比制成涂膜劑用于果蔬保鮮[9,10]；漆蠟經皂化、酯化反應等深加工可用于制皂工業、涂料工業及醫藥、食品等行業[11,12]；漆蠟加工制成的脂肪酸蔗糖脂、脂肪酸異丙酯等可用于高級化妝品[13]等。此外，作為重要的化工原料，漆蠟還可用于制備生物柴油[14]。

油脂具有同質多晶現象[15]，且晶型之間在一定條件下可以相互轉化[16]。研究表明油脂的結晶特性對于油脂加工產品的品質有著重大的影響[17]。油脂晶型受溫度、時間及油脂分子中脂肪酸結構及碳鏈的排列方式等多種因素的影響[18]。油脂結晶過程中結晶條件的改變，對其晶體三維網絡結構的形成及宏觀性質影響重大，關系到產品最終的品質[19]。因此，漆蠟作為固體油脂，其晶體特性對其所形成的產品的品質亦有著重要影響。目前關于漆蠟的研究大多在于其脂肪酸成分、提取和加工工藝方面，而專門針對漆蠟晶體特性的研究較少。本實驗采用X-衍射技術[20]對高溫處理下漆蠟晶體特性的變化規律進行研究，以期為漆蠟的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

漆蠟，石油醚、甲醇、苯、氫氧化鉀等分析純。

1.2 儀器與設備

Thermo Finnigan Trace DSQ氣相色譜-質譜聯用儀，D8 FOCUS X衍射儀，DZTW調溫電熱套，SHZ-D(III)循環水式真空泵，DL-1電子萬用爐，FA2104N電子天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 高溫處理

實驗設置2種溫度(120、150 ℃)和5種不同處理時間(1、2、3、4、5 h)，共計10個處理。具體處理方法為：取30 g漆蠟放入抽濾瓶中，在真空度為0.05～0.055 MPa條件下加熱，定時取樣。未經高溫處理的漆蠟作為對照(CK)。

1.3.2 脂肪酸成分測定

樣品甲酯化。取0.3 g樣品于10 mL刻度試管中，加2 mL石油醚-苯(1∶1)、2 mL 0.4 mol/L氫氧化鉀-甲醇溶液，振搖后靜置10 min，加入蒸餾水至刻度，靜置分層，取上層液體進行GC-MS分析。

GC-MS分析。GC條件為：DB-WAX彈性石英毛細管柱30 m×0.25 mm×0.25 μm；載氣為高純氦氣，恒流模式，流速1.0 mL/min；起始柱溫150 ℃(維持2 min)，以6 ℃/min升至230 ℃(維持15 min)，進樣口230 ℃，傳輸線230 ℃；進樣量1 μL，分流比80∶1。MS條件為：EI離子源，離子源溫度250 ℃，電子能量70 eV，電流100 mA，電子倍增器1.4 kV，溶劑延遲20 min，以全掃方式進行掃描，掃描范圍10～400 amu。

經隨機NIST03版標準譜庫檢索并結合人工質譜圖解析定性，采用峰面積歸一化法定量。

1.3.3 晶體特性測定和結晶度計算

X-衍射儀測試條件為：特征射線CuKa，石墨單色器，管壓40 kV，電流300 mA，衍射角度2θ=5°～55°，步長0.02(°)/步，掃描速度0. 075(°)/ s。本研究對漆蠟的晶體特性參考文獻[21,22]中的方法，即在X-射線衍射曲線上確定背底、非晶、微晶和亞微晶衍射區，采用Origin9.0曲線擬合分峰計算法求出微晶相、亞微晶相和非晶的累積衍射強度，用式(1)計算晶相、微晶相和亞微晶相的結晶度。用Scherrer法[20]計算微晶尺寸，見式(2)。

Xc=Ic/(Ic+Ia)×100%

(1)

式中：Xc、Ic、Ia分別為結晶度、晶相的累積衍射強度、非晶相的累積衍射強度。

(2)

式中：Lhkl為微晶尺寸/nm；λ為射X射線的波長/mm；θ為Bragg角β為衍射線寬(用弧度表示)；k為Scherrer形狀因子(當β取衍射峰寬的半高寬時，k=0.89)。

1.4 數據處理

采用Excel 2016和SPSS15.0進行數據分析；采用Origin9.0進行數據擬合。

2 結果與分析

2.1 高溫處理漆蠟脂肪酸成分分析

采用GC-MS法對不同溫度處理的漆蠟脂肪酸成分進行分析。對其進行全面質譜掃描分析得到色譜圖，經與質譜庫中標準質譜比對，得到其化學成分及含量(見表1)。由表1可知，不同溫度處理漆蠟的色圖譜基本相同，只有個別峰值高度有差異，說明不同溫度、不同處理時間下漆蠟的脂肪酸組分基本相同，均含有十四酸、十五酸、棕櫚酸、棕櫚烯酸、十七酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、花生酸、二十二酸等10種脂肪酸成分。其中飽和脂肪酸為十四酸、十五酸、棕櫚酸、十七酸、硬脂酸、花生酸和二十二酸；不飽和脂肪酸為棕櫚烯酸、油酸和亞油酸。與未經處理漆蠟脂肪酸成分及含量進行比較可知，高溫處理后漆蠟均未檢測出花生烯酸、十六烷二酸，棕櫚酸(異構)等。高溫處理后漆蠟中棕櫚酸、十七酸、花生酸、二十二酸以及未知脂肪酸含量升高，棕櫚烯酸、油酸和亞油酸含量降低，十四酸和硬脂酸含量變化不大，十五酸含量略有降低。經統計，高溫處理漆蠟中飽和脂肪酸含量占總脂肪酸含量的87.159%～87.637%，較處理之前升高；不飽和脂肪酸占總脂肪酸的10.554%～11.059%，較處理之前降低。

在對比不同高溫處理時發現，150 ℃處理漆蠟所含硬脂酸、亞油酸、花生酸及棕櫚酸整體上高于120 ℃處理，而所含油酸、棕櫚烯酸和二十二酸整體低于120 ℃處理。不飽和脂肪酸減少的量和飽和脂肪酸增加的量不存在正相關的關系，在120 ℃時棕櫚酸和棕櫚烯酸的變化趨勢基本相同，150 ℃時，硬脂酸、油酸和亞油酸含量同時下降。

表1 高溫處理漆蠟脂肪酸成分

2.2 高溫處理不同時間漆蠟晶體特性的變化

高溫120 ℃處理漆蠟X-衍射圖譜見圖1。可知，不同處理時間，漆蠟X-衍射特征曲線存在差異。對X-衍射數據進行處理、計算、分析得X-衍射結果，見表2。120 ℃處理1～3 h的漆蠟和未經處理漆蠟(CK)在衍射角度2θ為11.79°、13.83°、18.17°處的衍射強度均為0，此時沒有出現衍射峰，未表現出晶體特性，呈非晶體結構。在衍射角度2θ為20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°處，120 ℃處理1～3 h漆蠟衍射強度發生改變，與未處理漆蠟(CK)相比，其衍射強度降低，并隨時間增加不斷減小；但此時，高溫處理1、2、3 h的漆蠟與未經處理漆蠟晶峰位置基本相同，只是衍射強度不同，說明此時晶體類型沒有改變。

圖1 120 ℃處理漆蠟X-衍射圖譜

120 ℃處理4 h和5 h條件下，衍射角度2θ在11.79°、13.83°、18.17°處出現新的衍射峰，表現出晶體特性，呈晶體結構；在衍射角度2θ為20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°處的衍射強度較未經處理漆蠟較低，晶峰沒有發生移動。因此，高溫120 ℃處理4～5 h在一定程度上改變了漆蠟的晶體類型和結構。

為了進一步明確高溫處理對漆蠟晶體特性的影響，經分析、計算，得出其結晶度，結果見表2。高溫處理漆蠟的結晶度較未處理漆蠟整體較低。不同處理時間下，漆蠟的結晶度不相同，在處理3 h的條件下，漆蠟結晶度最低，為45.39%。對其變化趨勢進一步分析和曲線擬合，結果見圖2。漆蠟結晶度變化趨勢符合模型：y=4.140 7x2-28.403x+99.948 (R2=0.810 9)。高溫120 ℃處理條件下，隨時間延長漆蠟的結晶度變化呈“V”形，先下降后升高。在處理1～3 h區間內，漆蠟結晶度隨時間延長而降低，這是因為在衍射角度2θ為20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°處晶峰隨處理時間增加衍射強度下降；在處理3 h之后，漆蠟結晶度隨處理時間增加而增加，此時在衍射角度2θ為11.79°、13.83°、18.17°處產生了3個新的衍射峰，并隨處理時間延長衍射強度增高，說明此時漆蠟晶體結構發生了改變，非晶結構向晶體結構轉變。

表2 120 ℃處理漆蠟X-衍射結果

圖2 120 ℃處理漆蠟的結晶度隨時間變化

2.3 不同處理溫度對漆蠟晶體特性的影響

對高溫150 ℃處理漆蠟進行X-射線衍射分析，并與高溫120 ℃處理的漆蠟的X射線衍射結果進行對比，結果見圖3。高溫150 ℃處理1 h漆蠟的X-衍射特征曲線中的晶峰處于高溫120 ℃處理1 h到2 h之間，高溫150 ℃處理2 h的X-衍射圖譜中晶峰處于高溫120 ℃處理2～3 h，說明提高溫度可加快處理效果，也可以說當溫度較低時，可通延長處理時間來彌補溫度的不足。150 ℃相對120 ℃溫度較高，使脂肪酸分子從無序的卷團移動到正在生長的晶體的表面，提高了漆蠟脂肪酸分子的活動性從而加快了結晶。

圖3 不同溫度處理漆蠟晶體特性變化規律

3 討論與結論

有關漆蠟脂肪酸成分的研究較多，所得結果差異主要體現在相關成分的含量上。不同產地和不同品種的漆蠟脂肪酸成分及含量不同，不同提取方法對其化學成分和含量亦有一定影響[3,5,12,23]。本研究中，高溫處理對脂肪酸成分及含量有一定影響。未經處理的漆蠟中含有花生烯酸、十六烷二酸、棕櫚酸(異構)等成分，但經高溫處理的漆蠟中均未檢出這幾種成分，與此同時，高溫處理漆蠟所含未知脂肪酸的含量較未處理漆蠟高，推測其在高溫處理過程中可能一些脂肪酸被氧化而轉化為其他物質。高溫處理漆蠟飽和脂肪酸總含量升高，不飽和脂肪酸含量降低。不同高溫處理之間，所檢測出的漆蠟脂肪酸成分基本相同，部分脂肪酸含量有差異，主要在于硬脂酸、亞油酸、花生酸、棕櫚酸、油酸、棕櫚烯酸和二十二酸等脂肪酸的含量上。在進行不同高溫處理漆蠟脂肪酸分析時發現，不飽和脂肪酸減少的量和飽和脂肪酸增加的量不存在正相關的關系，120 ℃處理漆蠟中的棕櫚酸和棕櫚烯酸的變化趨勢基本相同，在150 ℃處理的漆蠟中，二者的變化趨勢雖不相同，但在棕櫚烯酸減少時棕櫚酸含量未見上升；又如，150 ℃時，硬脂酸、油酸和亞油酸含量出現同時下降的情況。油脂中不飽和脂肪酸氧化機理研究[24,25]表明油脂氧化主要發生在雙鍵相連的α-CH2上，而不是在雙鍵上，這與普遍認為天然油脂的氧化反應發生在雙鍵上的觀點不同，同時油脂氧化與其結構亦有關聯。本研究中高溫處理漆蠟脂肪酸含量變化的分析結果也說明：不飽和脂肪酸減少時不能證明是不飽和脂肪酸雙鍵打開生成相應的飽和脂肪酸。而高溫處理所生成的未知脂肪酸生成是否為不飽和油脂氧化的中間產物或者是生成新的脂肪酸有待進一步深入探討。高溫處理后飽和脂肪酸含量升高和不飽和脂肪酸含量降低的原因也要進一步研究。

X-衍射特征曲線可以反映漆蠟內部晶體結構情況。高溫120 ℃處理1～3 h，晶體結構差異主要表現在X-衍射圖譜不同峰位的峰強度上。在衍射角2θ為20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°處的晶峰的強度均下降，這反映出120 ℃高溫處理1～3 h雖不會改變晶體類型，但可能改變結晶區內碳鏈排列方式[26]。同時也說明高溫處理對漆蠟結晶區的晶包結構和微晶排列有一定影響。高溫120 ℃處理4 h和5 h在一定程度上改變了漆蠟的晶體類型，此時在衍射角度2θ為11.79°、13.83°、18.17°處出現了新的衍射峰。120 ℃高溫處理使得漆蠟結晶度相對于處理之前下降，變化趨勢呈“V”形，其變化規律符合y=4.1407x2-28.403x+99.948 (R2=0.810 9)曲線模型。在進行改變漆蠟結晶度時，溫度的不足可以通過延長時間來補償，時間不足時，可以通過提高溫度來補償。這一點與鐘秋平等[27]對高壓處理對橡實淀粉晶體特性的影響研究的結果相似，即淀粉結晶度隨高壓處理的保壓時間增加而降低，在一定條件下壓力不足時可以通過增加保壓時間來補償。對漆蠟或淀粉進行高溫或高壓處理，可以理解為對其施加外力，改變外力在一定程度上可以促進聚合物的結晶。

在天然油脂中95%以上為甘油三酯，其余少量成分為非甘油三酯成分，包括甘油一酯、甘油二酯、游離脂肪酸、游離甾醇等。甘油三酯分子由一個甘油和三個脂肪酸分子組成，由于3個脂肪酸分子在鏈長、飽和度上面的不同會可能導致組成油脂晶體的晶格不同，出現油脂晶體的同質多晶現象[26]。在晶體成核與生長的過程中，有諸多因素將會影響其結果，其中就包括脂肪酸種類、碳鏈長度、不飽和度、甘油三酯立體構型、甘油三酯分子間的相容性、溫度等[28]。研究表明雙倍鏈長的相同脂肪酸或對稱分布的混合脂肪酸甘油三酯分子容易形成β型晶體[29]，雙倍或三倍鏈長非對稱分布的混合脂肪酸甘油三酯分子容易形成β′型晶體[30]。漆蠟主要是由甘油三脂肪酸酯、游離酸以及游離醇等組成。在高溫處理過程中漆蠟脂肪酸種類沒有發生變化，但脂肪酸含量發生了改變。推測在此過程中晶體類型和結晶度的改變可能在于其脂肪酸含量及碳鏈的排列方式發生改變。

油脂的晶體形態受外界條件的影響，如超聲波干預[31,32]或不同復合物的添加[33,34]。油脂的不同晶型會對其結晶行為(結晶速率、晶體大小及形態等)產生影響，進而會影響其產品的品質和性能[35]。目前，漆蠟晶體特性相關的基礎研究成果依然有限，因此需要更加深入的理論研究，為漆蠟的加工利用提供依據和指導。