亞臨界醋酸法水解皂腳提取脂肪酸的研究

李志平，鄒曉宇，王 玥，宋 鵬，于殿宇

（東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

脂肪酸是重要的化工基礎原料，廣泛應用于橡膠、塑料、紡織、洗滌、造紙醫(yī)藥和食品等工業(yè)中[1]。皂腳（Soapstock，SS）是油脂堿煉過程中產生的副產物，脂肪酸鈉鹽含量達30%以上，三甘油酯約為20%和較少的二甘油酯，成分非常復雜。低廉的大豆油皂腳，是生產脂肪酸的理想原料，因而從大豆油皂腳中分離提取脂肪酸，逐漸成為脂肪酸生產工業(yè)中的熱點。大豆油皂腳生產脂肪酸有3種方法：水解酸化法[2]，皂化酸解法[3-4]和酸化水解法[5-7]。本實驗利用亞臨界水對大豆油皂腳進行水解后提取脂肪酸。所謂亞臨界水也被稱為過熱水、高壓熱水或熱液態(tài)水。當水在374.2℃以上高溫和22.1MPa以上高壓條件下，可形成既非液體又非氣體的第4狀態(tài)，即所謂“超臨界狀態(tài)”。在此狀態(tài)下的水稱為“超臨界水”。在稍微低于此溫度和壓力下的水稱為“亞臨界水”[8]。超臨界水和亞臨界水都具有強烈的分解能力和強烈的溶解有機物等特性[9]，Holliday等[10]用微型間歇反應器研究了植物油在亞臨界和超臨界水中的無催化水解反應，證明了植物油脂可以在亞臨界條件下順利水解。陳良等[11]用間歇式高溫高壓反應裝置研究了大豆油在亞臨界水中水解反應特性；Pinto等[12]研究了玉米油的水解特性；孫輝等[13]采用間歇式高溫高壓反應裝置，系統(tǒng)地測定了170～240℃范圍內橄欖油、花生油、大豆油、紅花籽油的水解反應動力學數(shù)據(jù)。但他們所研究的溫度較低、反應時間較長且沒有人對亞臨界水解皂角進行過研究。本實驗采用亞臨界醋酸在提取溫度恒定的時間內幾乎沒有能耗，其作用效果迅速且能量消耗較少，還不會引入酸、催化劑等其他雜質，為后續(xù)產物的分離、純化帶來方便。作為一種新型提取技術，其具有提取時間短、效率高、良好的傳質性能及綠色環(huán)保等優(yōu)點，利用亞臨界水的以上特性水解皂角提取脂肪酸為大豆油皂角的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆脫膠油（酸值1.76mg KOH/g） 黑龍江龍江福糧油有限公司；醋酸溶液 5%；無水乙醇、酚酞、氫氧化鉀、濃鹽酸、乙醚 均為分析純。

LD4-2A型低速離心機 北京醫(yī)用離心機廠；高壓磁力攪拌反應釜 上海光譜儀器有限公司；旋轉蒸發(fā)儀 北京瑞成偉業(yè)儀器設備有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州金育科貿有限公司；HSY-2MB型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司；氮氣（純度≥99.9%） 哈爾濱黎明氣體有限公司。

1.2 理化指標的測定

酸價的測定：按GB/T 5530-1998規(guī)定進行測定；皂化價的測定：按GB/T 5534-1995規(guī)定進行測定。

水解率計算：豆油水解率（X）的計算公式如下所示[14]：

X（%）=AV/SV×100

式中，AV：油相的酸值，以KOH計，單位mg/g；原料油皂化值SV=195.2mg/g，以KOH計，單位mg/g。

1.3 亞臨界水解皂角提取脂肪酸原理及工藝

皂腳在亞臨界水中水解的化學方程式如下所示，在亞臨界條件下，不僅水自身電離出氫離子，而且亞臨界狀態(tài)促進了醋酸的電離，產生更多的氫離子，參與水解反應。而反應生成的氫氧化鈉又會被反應物的的醋酸中和，生成鹽，使得反應能夠更加充分的正向進行。反應方程式中R主要是指C11～C17的烷基鏈[14]。在高壓磁力攪拌反應釜中進行反應，通過錫浴對反應體系加熱控制反應溫度，水浴冷卻。冷卻結束后，加入兩倍于所得液體積的蒸餾水，在旋轉蒸發(fā)儀內蒸脫掉醋酸和多余的水，最后通過測定產物的酸值確定水解率[15]。

反應中涉及的方程式如下：

RCOONa+H2O?RCOOH+NaOH

RCOONa+CH3COOH?RCOOH+CH3COONa

NaOH+CH3COOH?H2O+CH3COONa

大豆脫膠油→過量堿皂化→離心分離→皂腳→溫水水洗→亞臨界水解→冷卻→旋轉蒸發(fā)→粗脂肪酸

1.4 主要操作流程

1.4.1 原料皂腳制備 取一定量的大豆脫膠油，與已配制好的高濃度堿液混合后，放入轉子，在已預熱至85℃磁力攪拌器內，在攪拌的條件下加熱反應1～2h后，經過離心分離得到皂腳，把制得的皂腳在溫水中洗滌3～5次，去除超量的堿，之后進行烘干處理，這樣即可得到用于水解反應的皂腳原料。

1.4.2 亞臨界醋酸水解 稱取一定質量的皂腳，與適量的5%醋酸溶液混合，一同轉移到反應釜內，密封之后，沖入氮氣達到指定的壓力，放在已經預熱到指定溫度的無鉛錫熔爐上進行加熱反應。反應結束后經過冷卻處理，放出氮氣，打開反應釜既得到含脂肪酸的樣品。

1.4.3 水解率計算 將得到的樣品加入蒸餾水稀釋，之后旋轉蒸發(fā)，這樣反復3～5次，得到不含醋酸的脂肪酸樣品溶液后，進行酸價測定，每組測三次取其平均值作為最后結果，計算水解率。

1.4.4 重復性實驗 稱取皂腳10g，與22mL醋酸溶液混合后轉移到反應釜內，固定好沖入氮氣，在響應面優(yōu)化得到的整理值條件下再次進行亞臨界水解，并計算此時水解率。

1.5 在單因素實驗的基礎上采用中心組合設計（Box-Benhnken），以反應溫度（A）、料液比（B）、反應時間（C）為響應值設計響應面，因素水平表見表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Code of factors and levels

2 結果與分析

2.1 反應溫度對亞臨界水解率的影響

稱取皂腳10g，5%醋酸溶液20mL，反應壓力10MPa，反應時間30min，選擇不同的反應溫度分別為220、240、260、280、300、320℃，考察反應溫度對水解率的影響。

圖1 反應溫度對水解率的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on hydrolysis rate

由圖1可知，反應溫度對在亞臨界水中大豆皂腳水解反應速度有顯著的影響。在280℃之前隨著溫度的升高水解率提高，280℃之后隨著溫度的升高水解率趨于穩(wěn)定并稍有下降，這可能與高溫下不飽和脂肪酸的穩(wěn)定性較差、高溫將使其分解的緣故有關。因此選擇最適反應溫度為280℃。

2.2 反應壓力對亞臨界水解率的影響

稱取皂角10g，5%醋酸溶液水20mL，反應時間30min，反應溫度280℃，選擇不同的反應壓力分別為5、8、11、14、17、20MPa，考察反應壓力對水解率的影響。

由圖2可知，反應壓力對得率的影響較小。隨著壓力的升高，水解率逐漸升高，當壓力大于14MPa時，水解率趨于平穩(wěn)。這是因為在亞臨界水提取過程中，壓力只是用來使水處于液體狀態(tài)，它的變化對水的極性影響較小，所以壓力對提取效果影響不大。因此選擇最適反應壓力為14MPa。

圖2 反應壓力對水解率的影響Fig.2 Effect of reaction pressure on hydrolysis rate

2.3 反應時間對亞臨界水解率的影響

稱取皂角10g，5%醋酸溶液20mL，反應溫度280℃，反應壓力14MPa，選擇不同的反應時間分別為10、20、30、40、50、60min，考察反應時間對水解率的影響。

圖3 反應時間對水解率的影響Fig.3 Effect of reaction time on hydrolysis rate

從圖3可知，在反應開始的一段時間內，水解率隨著反應時間的增加而迅速增加，當反應時間超過40min后，水解率基本不變。這可能是由于隨著反應時間的延長，產物濃度的增加導致逆反應的發(fā)生所致。因此選擇最適反應時間為40min。

2.4 料液比對亞臨界水解率的影響

5%醋酸溶液20mL，反應溫度280℃，反應壓力14MPa，反應時間40min，選擇不同的料液比分別為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，考察料液比對水解率的影響。

圖4 料液比對水解率的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on hydrolysis rate

由圖4可知，當料液比在2∶1～1∶3時，水解率逐漸增大，料液比在1∶3～1∶5時，水解率基本不變。理論上水解反應為可逆反應，料液比的減少會促使化學平衡向正方向進行，水解率會升高。因此確定最適料液比為1∶3。

2.5 回歸方程的建立與分析

由單因素實驗分析可知，反應溫度、反應時間、料液比對亞臨界水解效果影響顯著，而反應壓力影響效果較弱。所以選擇反應溫度280℃，反應時間40min，料液比1∶3，在此基礎上采用中心組合設計（Box-Benhnken），以反應溫度（A）、料液比（B）、反應時間（C）為響應值設計響應面，實驗設計方案及結果見表2。

表2 響應面設計方案及實驗結果Table 2 Design and results of response surface experiment

利用Design Expert 7.0軟件對實驗結果進行方差分析，結果見表3（p＜0.05為顯著）。

通過對實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到反應溫度（A）、料液比（B）、反應時間（C）的回歸方程為：

Y=95.94+2.35A+4.14B+4.19C-0.025AB-0.48AC+0.40BC-3.74A2-4.87B2-5.27C2

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，該模型回歸顯著（p＜0.0001），失擬項不顯著（p＞0.05），并且該模型R2=94.26%，R2Adj=97.56%，說明該模型與實驗擬合良好，僅有約5.74%的響應值的總變異不能用該模型表示。由表3還可以看出，亞臨界水解過程中的A、B、C、A2、B2和C2為顯著影響因素。圖5～圖7分別給出了個單因素之間交互作用關系對水解率影響的響應曲面圖。

表3 方差分析結果Table 3 The test results of variance analysis

由圖5可以看出，水解率和液料比都在選擇范圍內，水解率在94.45%以上。

圖5 反應溫度與料液比交互影響對水解率的響應面圖Fig.5 Reaction temperature and the solid-liquid ratio interaction effects on the hydrolysis rate of response surface diagram

由圖6可以看出，反應溫度和反應時間都在所選范圍內，水解率在94.22%以上。

圖6 反應溫度和反應時間交互影響對水解率的響應面圖Fig.6 Reaction temperature and reaction time interaction effects on the hydrolysis rate of the response surface map

由圖7可以看出，反應時間和料液比都出現(xiàn)在所選范圍內，水解率在94.41%以上。

圖7 料液比與反應時間交互影響對水解率的響應面圖Fig.7 Response time and interaction effects of solid-liquid ratio on the hydrolysis rate of response surface diagram

3 重復性實驗

按照1.4中方法，在響應面優(yōu)化結果整理值的條件下，即在反應溫度為290℃，反應料液比為1∶2.2，反應時間為45min條件下進行重復性實驗，最終得到水解率為96.5%。預測值與實驗值之間的良好擬合性證實了模型的有效性。表明所得出的回歸方程可以很好的反映反應溫度、料液比和反應時間與水解率的關系。因此響應面分析法所得到的固定化條件參數(shù)準確可靠，在實踐中具有可行性。表4為回歸方程得到結果與重復性實驗得到結果對比。

表4 響應面尋優(yōu)結果Table 4 Results of response surface optimization

4 結論

4.1 由單因素實驗和Box-Behnken實驗設計及其分析結果獲得的亞臨界水解皂角提取脂肪酸的最佳工藝參數(shù)為：料液比為1∶2.2，反應溫度為290℃，反應時間為45min，反應壓強為14MPa，在最優(yōu)條件下脂肪酸提取率為96.5%。

4.2 相比于傳統(tǒng)水解方法，亞臨界水解法在縮短水解時間的同時，水解率和脂肪酸品質也有所提高，且無化學催化劑，證實了亞臨界水水解具有高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，這為亞臨界水解皂角提取脂肪酸的產業(yè)化生產提供了一定的理論依據(jù)。

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