分子蒸餾純化亞麻籽油中α-亞麻酸的研究

陳樂清，林 文，丁朝中，王志祥

（中國藥科大學(xué)制藥工程教研室，江蘇南京210009）

α-亞麻酸（全順-9，12，15-十八碳三烯酸）屬ω-3系列不飽和脂肪酸，是人體構(gòu)成細(xì)胞膜和生物酶的基礎(chǔ)物質(zhì)，具有抑制血栓形成，抑制癌癥的發(fā)生及轉(zhuǎn)移，延緩衰老等作用[1]。α-亞麻酸還能在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成為對人體生長發(fā)育有重要作用的DHA（二十二碳六烯酸）及EPA（二十二碳五烯酸）[2]。α-亞麻酸是人體每天都需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但無法通過人體合成，必須依靠膳食獲得。據(jù)報道[3]，我國膳食中普遍缺乏α-亞麻酸，日攝入量不足世界衛(wèi)生組織推薦量的一半。目前我國正在積極推廣α-亞麻酸，市場上出現(xiàn)了大量含α-亞麻酸的保健品和藥品。α-亞麻酸主要以甘油三酯的形式存在于亞麻籽、沙棘籽等油料種子中。但甘油三酯中的脂肪酸除α-亞麻酸外，還可能是亞油酸或油酸等[4]，因此需將α-亞麻酸從甘油三酯中解離出來。目前解離的方法主要有皂化法、甲酯化法、乙酯化法等。皂化法得到的游離α-亞麻酸極易氧化變質(zhì)，不便保存。乙酯化法在分子蒸餾提純α-亞麻酸中廣泛應(yīng)用，但該法蒸餾溫度較高，通常在110℃以上[5]。目前文獻(xiàn)報道的甲酯化法主要是應(yīng)用在硝酸銀絡(luò)合法提純中，但硝酸銀絡(luò)合法存在銀離子殘留[6]。采用甲酯化法作為分子蒸餾技術(shù)提純α-亞麻酸的前處理方法，使蒸餾溫度降低至90℃左右，降低了能耗，也減少了α-亞麻酸的氧化分解。甲酯化結(jié)合分子蒸餾技術(shù)得到的亞麻酸甲酯不但可以制成α-亞麻酸酯脂肪乳靜脈注射劑[7]；還可通過加氫反應(yīng)得到亞麻醇，成為合成表面活性劑的重要中間體[8]。本實驗利用甲酯化和分子蒸餾相結(jié)合的方法，得到α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)80.27%的產(chǎn)品。據(jù)文獻(xiàn)報道[3]，目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的α-亞麻酸產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在70%左右，因此，工藝的研究成果對α-亞麻酸的工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

亞麻籽油 大同市華建油脂有限公司；α-亞麻酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品、α-亞麻酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)品 美國Nuchekprep公司；甲醇、石油醚、氫氧化鈉、無水硫酸鈉等 均為分析純；正己烷 色譜純。

PB-10 pH計 德國Sartorius公司；GC2010氣相色譜儀 日本島津公司；KLD-5分子蒸餾設(shè)備 德國UIC公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 亞麻籽油的理化性質(zhì)測定 酸價測定方法：GB/T 5530-2005；水分測定：GB/T 5528-2008；試劑配制：QB/T 2739-2005。α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定：GB/T 17376-2008、GB/T 17377-2008。

1.2.2 亞麻籽油甲酯化 往250mL三頸瓶中加入50g亞麻籽油，將其置于60℃的恒溫水浴鍋上，開動攪拌器，通入氮氣。瓶內(nèi)溫度穩(wěn)定后，加入溶有0.4g的NaOH的甲醇溶液20g，反應(yīng)1h后取出，再加入2mL冰醋酸破乳劑，分層后去除水相。有機相用60℃水洗滌至中性再經(jīng)無水硫酸鈉脫水處理，即得α-亞麻酸甲酯粗產(chǎn)品。

1.2.3 單因素實驗 在冷凝面溫度5℃、操作壓力1Pa、進(jìn)料時間30min的條件下，依次研究蒸餾溫度（進(jìn)料速度51mL/h、刮膜轉(zhuǎn)速500r/min，預(yù)熱溫度80℃）、刮膜轉(zhuǎn)速（進(jìn)料速度51mL/h、蒸餾溫度88℃、預(yù)熱溫度80℃）、預(yù)熱溫度（進(jìn)料速度51mL/h、蒸餾溫度88℃、刮膜轉(zhuǎn)速300r/min）、進(jìn)料速度（預(yù)熱溫度60℃、蒸餾溫度88℃、刮膜轉(zhuǎn)速300r/min）對蒸餾效果的影響，確定分子蒸餾操作參數(shù)的范圍。

1.2.4 Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化實驗 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化法，選取蒸餾溫度、進(jìn)料速度、刮膜轉(zhuǎn)速三因素，以α-亞麻酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，利用Design Expert 7.0.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，篩選出分子蒸餾純化α-亞麻酸甲酯優(yōu)化工藝條件，并對該條件進(jìn)行驗證。因素水平見表1。

表1 響應(yīng)曲面因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface design

1.3 分析方法

1.3.1 色譜條件 色譜柱：Rtx-Wax毛細(xì)管柱（30m×0.25mm×0.25μm）；載氣：氮氣；進(jìn)樣口溫度：250℃；柱溫：195℃；檢測器溫度：230℃；分流比：40；載氣速度：1.53mL/min，氫氣：40mL/min，空氣：400mL/min；進(jìn)樣量：1μL。

1.3.2 α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率測定[9]將α-亞麻酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品和α-亞麻酸乙酯標(biāo)準(zhǔn)品分別配制成1mg/mL的正己烷溶液，各取1mL混合后，取樣進(jìn)氣相色譜分析，按下式求取相對質(zhì)量校正因子。

式中，f為相對質(zhì)量校正因子；A（i）為樣品的峰面積；A（s）為內(nèi)標(biāo)物峰面積。

將脂肪酸甲酯粗品和輕組分中樣品分別配成2mg/mL的正己烷溶液，各取1mL上述溶液與1mL的α-亞麻酸乙酯內(nèi)標(biāo)溶液（1mg/mL）混合，取樣進(jìn)氣相色譜分析。α-亞麻酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率按下式計算：

式中，f為相對質(zhì)量校正因子；A（I）為粗品峰面積；A（i）為輕組分樣品峰面積；A（s）為內(nèi)標(biāo)物峰面積；m（l）為輕組分質(zhì)量（g）；m（h）為重組分質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞麻籽油理化性質(zhì)測定結(jié)果

測得亞麻籽油酸價為0.58mg KOH/g，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.068%，α-亞麻酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.36%。油中游離的脂肪酸和水分含量極低，皂化副反應(yīng)的影響可以忽略[10]。

2.2 單因素實驗

2.2.1 蒸餾溫度對純化效果的影響 蒸餾溫度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率的影響，如圖1所示。

圖1 蒸餾溫度對純化效果的影響Fig.1 Effect of distillation temperature on the purification result

由圖1可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溫度升高先增大后減小，在88℃達(dá)到最大值，這是因為隨著溫度的升高，輕組分不斷逸出；但隨著溫度繼續(xù)升高，亞油酸甲酯、油酸甲酯等重組分也會被蒸出，從而使質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。α-亞麻酸甲酯的提取率隨著溫度升高一直呈現(xiàn)上升趨勢。溫度越高，從原料中蒸出的α-亞麻酸甲酯量就越多，使其提取率越來越高。因此，綜合比較，蒸餾溫度選擇在85～91℃較適合。

2.2.2 刮膜轉(zhuǎn)速對純化效果的影響 刮膜轉(zhuǎn)速對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率的影響，如圖2所示。

圖2 刮膜轉(zhuǎn)速對純化效果的影響Fig.2 Effect of agitating speed on the purification result

由圖2可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率均隨著刮膜轉(zhuǎn)速的提高先增大后減小，在300r/min時達(dá)到最大值。在低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速提高，引起液膜湍動加強，對流傳熱速度也隨之增大，傳熱的改善使得更多輕組分逸出。但是隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步的提高，熱量傳遞越多，重組分逸出也越多，加上料液被甩到冷凝管上幾率加大，導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率下降。因此，刮膜轉(zhuǎn)速選擇在300r/min附近比較適合。

2.2.3 預(yù)熱溫度對純化效果的影響 預(yù)熱溫度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率的影響，如圖3所示。

圖3 預(yù)熱溫度對純化效果的影響Fig.3 Effect of preheat temperature on the purification result

由圖3可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率的曲線都比較平緩，說明預(yù)熱溫度對純化效果影響較小。這是因為進(jìn)料速度很慢，料液剛到達(dá)加熱壁面就立刻被加熱到與壁面相同的溫度，因此預(yù)熱溫度的差異對實驗效果影響較小。從圖3可知，預(yù)熱溫度選擇在60～68℃比較適合。

2.2.4 進(jìn)料速度對純化效果的影響 進(jìn)料速度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率的影響，如圖4所示。

圖4 加料速度對純化效果的影響Fig.4 Effect of feeding rate on the purification result

由圖4可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率隨著進(jìn)料速度的增加先增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45～57mL/h時趨于穩(wěn)定；隨著進(jìn)料速度加大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率開始下降，這是由加熱器傳熱量與α-亞麻酸甲酯汽化熱之間平衡所決定的。在低流量時，加熱器傳熱量大于α-亞麻酸甲酯汽化熱，多余熱量用于重組分蒸出；在進(jìn)料速度為45～57mL/h時，兩者達(dá)到平衡，質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于平穩(wěn)狀態(tài)；隨著進(jìn)料速度加大，加熱器已不能夠提供足夠的熱量供α-亞麻酸甲酯揮發(fā)，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取率開始降低。因此，綜合比較，進(jìn)料速度選擇在45～57mL/h比較適合。

2.3 響應(yīng)曲面實驗

2.3.1 數(shù)學(xué)模型建立 根據(jù)Box-Benhnken中心組合實驗設(shè)計原理，依據(jù)單因素實驗結(jié)果，以蒸餾溫度、刮膜器轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度作為主要因素，設(shè)計三因素三水平響應(yīng)曲面分析實驗。實驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)曲面實驗及結(jié)果Table 2 Experiment and result of response surface design

應(yīng)用Design Expert 7.0.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到線性回歸方程為：Y=74.62+0.54×A+2.23×B-3.19×C。

對該模型進(jìn)行顯著性檢驗，方差分析結(jié)果見表3，分析得到該模型的p＜0.05，表明回歸模型顯著；失擬項p=0.6957，不顯著，表明該模型擬合程度良好；其中蒸餾溫度、刮膜轉(zhuǎn)速一次項均顯著。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression equation

2.3.2 優(yōu)化與驗證 通過軟件優(yōu)化，得到分子蒸餾純化α-亞麻酸甲酯優(yōu)化工藝條件為進(jìn)料速度57mL/h、蒸餾溫度91℃、刮膜轉(zhuǎn)速250r/min，模型預(yù)測α-亞麻酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值為80.6%。在此實驗條件下，進(jìn)行三次驗證實驗，得到α-亞麻酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80.43%、79.6%、80.79%，平均值為80.27%；提取率分別為76.50%、74.15%、77.96%，平均值為76.20%。此結(jié)果與模型的預(yù)測值相近，說明建立的模型能較好地反映實際的純化過程。

3 結(jié)論

本實驗使用雙重的濃縮技術(shù)，首先采用甲酯化技術(shù)將α-亞麻酸從甘油三酯中解離出來，接著采用分子蒸餾技術(shù)進(jìn)一步純化其中的α-亞麻酸。通過研究，得到分子蒸餾純化α-亞麻酸優(yōu)化工藝條件：進(jìn)料速度57mL/h、蒸餾溫度91℃、刮膜轉(zhuǎn)速250r/min。該工藝顯著降低蒸餾的溫度，減少能量消耗和產(chǎn)品氧化變質(zhì)率；并且使α-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到了80.27%，與目前工業(yè)化生產(chǎn)70%的α-亞麻酸相比，有了顯著提高。

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