脂肪酸甲酯制備工藝及尿素包埋降低飽和度的研究

仇宏圖， 姜宏宇， 張 華

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002)

工業(yè)革命以后石油的需求量越來越大，同時(shí)伴隨愈來愈嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。為解決環(huán)境污染，許多國家都在尋找較低能耗的條件下最實(shí)用的石油替代品。利用延黃牛副產(chǎn)物牛脂制備脂肪酸甲酯，不但能夠增加農(nóng)民收入，還可以掀起廣大農(nóng)戶飼養(yǎng)延邊黃牛的新熱潮，有利于推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)和小康社會(huì)的步伐，對(duì)穩(wěn)定邊疆少數(shù)民族地區(qū)有重要意義。但采用飽和脂肪酸含量在50%左右的延黃牛脂制備脂肪酸甲酯利用于生物柴油，其飽和度高，低溫流動(dòng)性隨之減弱。目前，改善低溫流動(dòng)性的方法有石油柴油調(diào)和、添加降凝劑、結(jié)晶分餾、蒸餾等方法[1-4]。

降低飽和脂肪酸含量是改善低溫流動(dòng)性的重要方法之一。Schlenk等[5]報(bào)道，在油脂的分餾技術(shù)中有一種尿素包合法具有很好的應(yīng)用價(jià)值，可通過分提的方法降低其飽和度，解決在低溫中容易凝固的問題。尿素包合法具有投資少、成本低、操作簡(jiǎn)便且環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，國外多用于脂肪酸的分提[6-9]。在國內(nèi)彭秦南等[10]以棉籽油為原料證明了尿素添加量以及包合次數(shù)增多，不飽和甲酯的純度會(huì)提高，但得率會(huì)下降。王車禮等[11]以廢棄的油脂為原料，甲酯化后通過尿素包合法，分提出不飽和脂肪酸甲酯。陶川東等[12]證實(shí)，尿素包合法能高效分提出不飽和甲酯，飽和脂肪酸包埋在尿素層，不飽和脂肪酸則在溶劑層。陳苗等[13]以尿素包合法分提出C16和C18的脂肪酸甲酯，作為原料合成農(nóng)產(chǎn)品涂膜的保鮮新材料。由于尿素包合過程中的條件控制對(duì)分提效果影響非常大，而在以往的研究中都是分析討論在較長(zhǎng)時(shí)間和低溫情況下尿素包合分提的效果[14]。

脂肪酸種類、碳鏈長(zhǎng)度、脂肪酸不飽和程度和脂肪酸在甘油三酯中的分布都會(huì)影響油脂的性質(zhì)，從而影響酯化反應(yīng)的速度。因此，本試驗(yàn)首先優(yōu)化了制備延黃牛脂脂肪酸甲酯的條件，其次利用飽和脂肪和尿素溶液易形成尿素復(fù)合物的原理，對(duì)飽和度較高的延黃牛酯進(jìn)行分提，主要對(duì)尿素用量、分提方法進(jìn)行研究，預(yù)期降低溶劑層飽和脂肪酸甲酯含量，從而改善延黃牛脂脂肪酸甲酯低溫流動(dòng)性，包埋層富集油酸，降低工業(yè)生產(chǎn)成本，提高副產(chǎn)物的利用率。

1 材料與方法

1.1 材料

延黃牛脂(自制)；氫氧化鉀(KOH)，無水硫酸鈉；甲醇，正己烷均為色譜純；蒸餾水；尿素。

1.2 儀器與設(shè)備

HJ-4多頭磁力加熱攪拌器；直立式N-1100 D-W旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；SI-0246漩渦混合器；氮?dú)獯祾邇x；氣相色譜儀GC System 7890A(美國安捷倫公司)；恒溫水浴鍋；恒溫干燥箱等。

1.3 方法

1.3.1 牛脂的制備

利用水提法制備延黃牛脂，先將延黃牛脂肪粉碎，100 ℃煮沸1 h，上層牛油溶于正己烷通過無水硫酸鈉干燥、旋蒸得到牛脂。

1.3.2 脂肪酸甲酯的制備

延黃牛脂溶于氫氧化甲醇溶液置于圓底燒瓶中，放入攪拌子磁力攪拌，恒溫水浴反應(yīng)，將反應(yīng)液加正己烷和蒸餾水，在分液漏斗中靜置分層，取上層液體通過無水硫酸鈉干燥、旋蒸得到脂肪酸甲酯[15-16]。

1.3.3 尿素包合法分提

尿素與甲醇按1∶5 (g∶mL)配制溶液，加熱攪拌至尿素完全溶解后，取一定量尿素甲醇溶液加入到2 g脂肪酸甲酯血清瓶中，一定溫度下放置一段時(shí)間進(jìn)行包埋。包埋完成后，正己烷提取，取溶液層通過無水硫酸鈉干燥、氮吹儀吹干有機(jī)溶劑，樣品進(jìn)行脂肪酸組成分析。包埋層繼續(xù)分提油酸甲酯。

1.3.4 脂肪酸甲酯的分析

氣相色譜分析條件： SPTM-2560毛細(xì)管柱(100 m×0.25 mm×0.20 μ m)；載氣He流速為0.7 mL/min，H2流速30 mL/min，空氣流速300 mL/min；柱溫150 ℃，進(jìn)樣溫度250 ℃，氣化溫度260 ℃，檢測(cè)溫度220 ℃，進(jìn)樣量3 μL[17]。

表1 延黃牛酯尿素包合分提條件

續(xù)表1 延黃牛酯尿素包合分提條件

1.3.5 計(jì)算公式

脂肪酸甲酯得率/%=脂肪酸甲酯質(zhì)量/原料油質(zhì)量×100

脂肪酸甲酯回收率/%=原脂肪酸甲酯百分比-分體后脂肪酸甲酯百分比/原脂肪酸甲酯百分比×100

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用F檢驗(yàn)法以及SPSS 19.0軟件中的Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備脂肪酸甲酯的單因素試驗(yàn)

2.1.1 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)延黃牛酯得率的影響

10 g延黃牛脂，0.1 g KOH，反應(yīng)溫度6 0 ℃，醇油摩爾比8∶1，反應(yīng)時(shí)間為0.5、1、1.5和2 h時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，延黃牛酯的得率呈先上升后下降趨勢(shì)，在1.5 h時(shí)達(dá)到最高。

圖1 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)延黃牛酯得率的影響

甘油三酯和甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)是連續(xù)可逆反應(yīng)，結(jié)果表明，在上述條件1.5 h后，由于產(chǎn)物中H2O含量的增加開始進(jìn)行逆反應(yīng)。

2.1.2 不同反應(yīng)溫度對(duì)延黃牛酯得率的影響

10 g延黃牛脂，0.1 g KOH，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，醇油摩爾比8∶1，反應(yīng)溫度為50、60、70和80 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的增加，延黃牛酯得率呈先上升再下降的趨勢(shì)，在70 ℃時(shí)達(dá)到最高(圖2)。在80 ℃時(shí)趨于降低的原因是由于反應(yīng)溫度過高反應(yīng)速率加快，在特定的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了逆反應(yīng)的緣故。

圖2 不同反應(yīng)溫度對(duì)延邊黃牛酯得率的影響

2.1.3 不同醇油摩爾比對(duì)延黃牛酯得率的影響

10 g延黃牛脂，0.1 g KOH，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，反應(yīng)溫度70 ℃，測(cè)定不同醇油摩爾比(6∶1、8∶1、10∶1和12∶1)延黃牛酯得率的結(jié)果表明，隨著醇油摩爾比的增加，延黃牛酯的得率呈上升的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殡S著甲醇含量的增加，延黃牛脂溶解度增加反應(yīng)更充分的原因。當(dāng)醇油摩爾比達(dá)到10∶1之后，延黃牛酯得率增加緩慢(圖3)。

2.2 制備脂肪酸甲酯正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)，以延黃牛酯的得率為研究對(duì)象，依照單因素試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和醇油摩爾比3個(gè)因素，并設(shè)置1個(gè)空列，每個(gè)因素3個(gè)水平進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)研究因素和水平見表2，試驗(yàn)水平設(shè)計(jì)與結(jié)果見表3。

圖3 不同醇油摩爾比對(duì)延黃牛酯得率的影響

表2 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表

表3 制備延黃牛酯正交試驗(yàn)

由表3的R值可知，溫度對(duì)延黃牛酯的得率影響最大，其次是醇油摩爾比，時(shí)間影響最小，即各因素的影響大小順序?yàn)锽>C>A，由-k值可知,最優(yōu)條件為A2B2C3，與表中最大得率值組合A3B2C3不一致。通過驗(yàn)證試驗(yàn)，得出最優(yōu)條件為A2B2C3，即最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間1 h，反應(yīng)溫度70 ℃，醇油摩爾比12∶1，此時(shí)延黃牛酯得率為87.61%，比Zhang等[18]在0.1 g KOH，反應(yīng)時(shí)間0.5 h，醇油摩爾比15∶1，反應(yīng)溫度65 ℃時(shí)制備的牛脂脂肪酸甲酯得率(82%)提高了5.61百分點(diǎn)。

2.3 尿素包合法分提不飽和脂肪酸及油酸的回收

由表4可知,隨著液料比的增大溶劑層總飽和脂肪酸含量降低，10L30飽和脂肪酸含量顯著低于10L10和10L20樣品(P<0.05)，使用相同溶劑的10L30，2 L，2 L(hex)，25 L樣品比較中2 L，2 L(hex)飽和脂肪酸含量顯著低于25 L(P<0.05)，這是因?yàn)榘蠝囟鹊纳咴黾恿朔肿拥倪\(yùn)動(dòng)使得脂肪酸甲酯被包合不牢固易脫離包合物所致[19]。3次連續(xù)式包合結(jié)果使用35 ℃的尿素甲醇溶液的3 th(C)樣品飽和脂肪酸含量顯著高于使用60 ℃的尿素甲醇溶液的3 th(H)樣品，使用60 ℃溶液包合效果更佳。2 L(hex)樣品包合后飽和脂肪酸含量為3.74%，顯著低于其它包埋組，最能改善低溫流動(dòng)性。

表4 延黃牛酯尿素包合溶劑層脂肪酸組成

注：∑SFA：總飽和脂肪酸含量；a-f：同一行不同字母表示差異顯著(P<0.05)；hex：正己烷，C：35 ℃的尿素甲醇溶液，H：60 ℃的尿素甲醇溶液。

由表5可知，包埋層油酸包埋率也較高，平均達(dá)到36.71%，因此，選取幾組樣品進(jìn)行油酸甲酯回收率研究。

表5 延黃牛酯尿素包合層脂肪酸組成

注：∑SFA：總飽和脂肪酸含量；∑C18∶1：總油酸含量；hex：正己烷，C：35 ℃的尿素甲醇溶液，H：60 ℃的尿素甲醇溶液。

由表6可知，原料∶尿素∶甲醇比例為1∶2∶12，在25 ℃，包合2 h的油酸回收率最佳，為53.47%，原料與尿素比例為1∶4時(shí)，在相同溫度下不如1∶2，這是由于使用大量尿素包埋的同時(shí)，不僅增加了對(duì)飽和脂肪酸等包埋量，也會(huì)增加油酸的包埋量，從而導(dǎo)致油酸的回收率相對(duì)降低。在常溫(25 ℃)和-5 ℃條件下進(jìn)行尿素包合，常溫條件下油酸回收率更好，這是因?yàn)榘蠝囟鹊纳呤沟弥舅峒柞グ纤俣染徛?。在相同溫度條件下使用甲醇溶劑比使用乙醇溶劑油酸回收率更佳。

表6 尿素包合法回收油酸甲酯脂肪酸組成

Table 6 Fatty acid composition of emrichment of methyl oleac from YanbianYellow Cattle attle fatmethyl esters solid part by urea fractionation

C14∶0C14∶1C16∶0C16∶1C18∶0C18∶1C18∶1n7C18∶2∑C18∶1回收率1∶1∶5,2 h,25 ℃包合前5.23±0.090.47±0.6740.77±0.911.77±0.2323.81±0.6126.81±1.331.13±0.160.00±0.0027.94%包合后4.97±0.250.62±0.0343.44±2.171.45±0.0729.03±1.4519.16±0.960.83±0.040.49±0.0219.96%28.56%1∶2∶12,2 h,25 ℃包合前4.62±0.060.91±0.3435.45±4.162.38±0.0321.81±3.4232.17±6.201.59±0.571.07±0.4433.76%包合后4.15±0.210.43±0.0242.13±2.111.37±0.0735.83±1.7915.09±0.750.62±0.030.38±0.0215.71%53.47%1∶1∶5,10 min,25 ℃包合前3.85±0.261.15±0.0427.64±0.274.09±0.3616.57±0.3642.91±0.422.06±0.251.73±0.1145.05%包合后4.96±0.25 1.01±0.04 35.78±1.783.17±0.15 23.94±1.1928.70±1.471.27±0.06 1.16±0.06 29.97%33.47%1∶4∶24,2 h,-5 ℃(EtOH)包合前4.24±0.133.16±2.4936.67±1.913.13±0.7520.60±1.9929.60±4.961.41±0.131.19±0.4231.01%包合后5.02±0.250.28±0.0138.77±1.941.56±0.0824.08±1.2028.55±1.431.38±0.070.37±0.0229.94%3.45%1∶4∶24,2 h,-5 ℃(MeOH)包合前4.54±0.270.89±0.3132.51±3.783.27±0.8320.18±2.9935.47±5.381.69±0.181.45±0.3337.16%包合后5.17±0.260.00±0.0038.53±1.930.00±0.0022.90±1.1533.40±1.670.00±0.000.00±0.0033.40%10.12%1∶4∶24,2 h,25 ℃包合前4.18±0.080.85±0.0932.72±0.843.26±0.0822.07±0.3333.93±1.041.68±0.321.31±0.0535.61%包合后4.87±0.240.00±0.0043.33±2.170.00±0.0027.63±1.3824.17±1.210.00±0.000.00±0.0024.17%32.12%

注：EtOH：乙醇，MeOH：甲醇；∑C18∶1：總油酸含量；原料：尿素：甲醇比例1∶1∶5,1∶2∶12,1∶4∶24。

2.4 延黃牛脂分提前后氣相色譜圖

圖4為延黃牛脂脂肪酸甲酯分提前后脂肪酸組成氣相色譜圖。由圖可知，延黃牛脂主要包含肉豆蔻酸(C14∶0)、 棕櫚酸(C16∶0)、 硬脂酸(C18∶0)等飽和脂肪酸，C14∶0含量從4.49%降到1.59%， C16∶0含量從29.39%降到2.15%， C18∶0則全部被去除。

圖4 延黃牛脂分提前后脂肪酸組成

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)化學(xué)法制備脂肪酸甲酯的優(yōu)化條件表明，制備延黃牛酯的最優(yōu)條件為反應(yīng)溫度70℃，醇油摩爾比12∶1，反應(yīng)時(shí)間1 h，此時(shí)脂肪酸甲酯得率最高，為87.61%，采用尿素包合法對(duì)延黃牛酯分提，液料比1∶15(g∶mL)，包埋溫度25 ℃，包埋時(shí)間20 h時(shí)，延黃牛酯溶劑層中飽和脂肪酸含量達(dá)3.74%，肉豆蔻酸(C14∶0)甲酯含量從4.49%降到1.59%，棕櫚酸(C16∶0)甲酯含量從29.39%降到2.15%，硬脂酸(C18∶0)甲酯則被全部去除。尿素層再次分提，油酸回收率在53%以上。