天然腰果殼油的精制工藝

劉兵　沈飛　萬忠民

摘要 [目的]研究天然腰果殼油脫羧的精制工藝。[方法]首先確立了以高效液相色譜（HPLC）分析腰果殼油各組分及含量的方法，之后進(jìn)一步研究了腰果殼油脫羧的精制工藝。[結(jié)果]研究發(fā)現(xiàn)，腰果殼油的精制工藝適宜條件為：先以5 ℃/min升溫速率加熱至80 ℃，保持20 min，繼續(xù)以5 ℃/min升溫速率加熱至110 ℃，保持60 min，再以約1 ℃/min升溫速率緩慢升溫至165 ℃，保持20 min。將反應(yīng)放大到800 g，精制腰果殼油的質(zhì)量收率可達(dá)86.0%，腰果酚總含量可達(dá)76.26%。[結(jié)論] 研究可為腰果殼油的加工生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞 腰果殼油；脫羧；精制；腰果酚；高效液相色譜

中圖分類號(hào) S609.9；TQ641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-270-04

天然腰果殼油（CNSL）是從熱帶漆科植物腰果果實(shí)的殼中提取的深棕色黏稠液體，在早期的開發(fā)中，由于其強(qiáng)烈的刺激性及腐蝕性，曾一度被廢棄不用。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，CNSL主要成分為槚如酸（約90%），此外還含有10%強(qiáng)心酚和少量聚合物[1-2]。在工業(yè)萃取過程中，槚如酸會(huì)發(fā)生脫羧作用，生成腰果酚，其結(jié)構(gòu)為具有不飽和或飽和長碳鏈（-C15H25-31）的單苯酚衍生物，包含飽和、單烯、雙烯和三烯等組分（圖1）[3-5]。腰果酚因其資源豐富、價(jià)格低廉等因素，在涂料、橡膠[1]及表面活性劑等領(lǐng)域[6]，有著十分重要的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值，是極具發(fā)展前景的綠色化工原材料。近期的研究還表明，腰果殼油在醫(yī)藥[7]、生物復(fù)合材料[8]、抑菌[9]等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)腰果殼油的加工萃取反應(yīng)溫度較高，所得精制腰果殼油黏度大，顏色深，后續(xù)蒸餾精制高純度腰果酚的成本較高，因此其應(yīng)用受到限制。腰果殼油的精制過程主要反應(yīng)見圖1。

筆者通過對(duì)比文獻(xiàn)報(bào)道的腰果殼油的定性定量分析方法，即GC-MS （氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)）[10-11]和HPLC-MS（ESI）（液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)、電噴霧質(zhì)譜）[12-14]，確定了適宜的分析條件，研究了天然腰果殼油脫羧的適宜工藝條件，為腰果殼油的加工生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料 天然腰果殼油及精制腰果殼油，越南產(chǎn)。Agilent 7890A氣相色譜儀，美國安捷倫公司；Agilent 5975C質(zhì)譜儀，美國安捷倫公司；Waters 1525液相色譜儀，美國沃特世公司。

1.2 方法

1.2.1 腰果殼油的精制。取一定量天然腰果殼油置于三口瓶中，安置冷凝管、干燥管和溫度計(jì)，加熱攪拌使天然腰果殼油發(fā)生脫羧反應(yīng)，溫度逐漸升高至體系開始回流，保持一定時(shí)間。采用TLC（薄層色譜法）檢測樣品，PE（石油醚）∶AcOEt（乙酸乙酯）= 4∶1，并同天然腰果殼油和精制腰果殼油進(jìn)行對(duì)比，直至腰果酸基本消失。反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾，得到精制腰果殼油，計(jì)算質(zhì)量收率。

1.2.2 分析方法的建立。主要包括定量和定性兩方面，即GC-MS和HPLC-MS（ESI）。其中以色譜（GC或者HPLC，混合外標(biāo)法）定量，以質(zhì)譜（EI或ESI）定性分析產(chǎn)物種類。

1.2.2.1 GC-MS分析。采用文獻(xiàn)[10-11]所報(bào)道的2種分析腰果酚的GC-MS方法。方法1[10]：Finnigan MAT 8230，GC/MS/DS聯(lián)用儀。GC參數(shù)：SE-54毛細(xì)管柱（20 m×0.25 mm），氣化室溫度：300 ℃，柱溫260 ℃。升溫速率4 ℃/min，載氣為He，線速度200 mm/min，分流比10∶1；MS參數(shù)： EI離子源，離子源溫度280 ℃。

方法2[11]：Finnigan VOYAGER GC/MS，進(jìn)樣量0.2 μl。GC參數(shù)：柱溫210 ℃，保持3 min，以1 ℃/min 的升溫速率升至230 ℃，保持3 min，氣化室250 ℃，接口250 ℃；MS參數(shù)：EI離子源，電離電壓70 eV，掃描范圍35～600 amu，其優(yōu)選條件下的其總離子流圖實(shí)現(xiàn)了一定程度的分離。

1.2.2.2 HPLC-MS（ESI）分析。文獻(xiàn)[12-15]報(bào)道了腰果酚的HPLC分析技術(shù)。其中文獻(xiàn)[12]和[13]報(bào)道的方法為：色譜分析條件為C18反相鍵合硅膠色譜柱，流動(dòng)相為甲醇，流量1.0 ml/min，柱溫25 ℃，二極管陣列（DAD）檢測器，紫外檢測波長為278 nm。4種腰果酚的出峰順序依次為三烯（4.180 min，C6H4OHC15H25）、二烯（4.644 min，C6H4OHC15H27）、單烯（5.286 min，C6H4OHC15H29）和飽和腰果酚（6.386 min， C6H4OHC15H31）。

文獻(xiàn)[14]采用類似的方法（紫外檢測波長為273 nm），結(jié)合電噴霧質(zhì)譜，得到了一種適宜的腰果酚HPLC-MS（ESI） 分析方法（圖2），其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ依次對(duì)應(yīng)于三烯、二烯、單

烯和飽和腰果酚（圖2a），其分子量依次為298、300、302和304，對(duì)應(yīng)的[M-H]-依次為297、299、301和303。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析方法的建立 綜合文獻(xiàn)報(bào)道，得到GC-MS的優(yōu)化分析方法為：Agilent公司7890A氣相色譜儀及5975C質(zhì)譜儀聯(lián)用，HP-5毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），升溫程序：

210 ℃（1 min）10 ℃/min225 ℃（1 min）0.5 ℃/min237 ℃（1 min）5 ℃/min250 ℃（1 min）

，載氣為He，體積分?jǐn)?shù)99.999%，流速1 ml/min，進(jìn)樣口溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，傳輸線溫度250 ℃， EI源電子能量70 eV，不分流，進(jìn)樣量2.0 μl，掃描范圍45～450 amu。

圖3為天然腰果殼油和精制腰果殼油總離子流圖，均以甲醇溶解進(jìn)樣分析。由圖3可以看出，即便在升溫速度非常慢的情況下（0.5 ℃/min），在HP-5柱上仍然不能實(shí)現(xiàn)天然腰果殼油中腰果酸的有效分離，也不能實(shí)現(xiàn)精制腰果殼油中腰果酚的有效分離。

天然腰果殼油中的腰果酸在GC-MS中會(huì)自動(dòng)脫羧，其分子離子峰極弱，難以檢測，在譜圖中可顯示單烯（分子量302）和飽和的腰果酚（分子量304），但無法顯示其他二烯、三烯；從精制腰果殼油的GC-MS圖可以顯示單烯（分子量302），但無法顯示飽和的腰果酚及二烯、三烯。綜上，文獻(xiàn)報(bào)道的GC-MS方法并不適用于腰果殼油的檢測。

綜合文獻(xiàn)報(bào)道，采用精制腰果殼油為混合外標(biāo)，以HPLC進(jìn)行定性和定量分析，得到適宜的分析腰果酚含量的HPLC條件為：液相色譜儀為waters 1525，檢測器為2487紫外檢測器，色譜柱為Symmmetry C18 （5 μm，4.6×150 mm），流動(dòng)相為甲醇，流速0.4 ml/min，進(jìn)樣量20 μl，檢測波長273 nm，柱溫20 ℃，面積歸一法定量。參照文獻(xiàn)[12-13]，在圖4中，8.882 min處為三烯，即C6H4OHC15H25，相對(duì)含量為34.01%；10.070 min處為二烯，即C6H4OHC15H27，相對(duì)含量為13.60%；11.764 min處為單烯，即C6H4OHC15H29，相對(duì)含量為26.72%；15.300 min 處為飽和腰果酚，即C6H4OHC15H31，相對(duì)含量為2.00%。腰果酚總含量為76.33%。

綜上，HPLC是適宜的腰果殼油的檢測手段，確定以此為腰果殼油定量分析的方法。

2.2 腰果殼油的精制工藝

2.2.1 小試工藝。 初步優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果如下：取70.0 g天然腰果殼油置于三口瓶中，安置干燥管、溫度計(jì)，加熱攪拌使其發(fā)生脫羧反應(yīng)；當(dāng)體系溫度升至120 ℃時(shí)，有大量白霧及泡沫出現(xiàn)，隨后逐漸消失，在干燥管中有水分冷凝；溫度逐漸升高至165 ℃，保持1.0 h。采用TLC（PE∶AcOET=4∶1）檢測樣品，并同天然腰果殼油、精制腰果殼油進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)腰果酸基本消失，初步判斷產(chǎn)物與精制腰果殼油在黏度、色度上基本沒有差別。

進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，延長反應(yīng)時(shí)間有利于產(chǎn)品中羧酸的轉(zhuǎn)化，在160～170 ℃條件下反應(yīng)3～4 h后體系黏度不再變化，可以判定脫羧反應(yīng)基本進(jìn)行完畢。延長反應(yīng)時(shí)間，會(huì)使所得精油顏色加深，并且導(dǎo)致更多的聚合物的出現(xiàn)，降低反應(yīng)的收率。

將反應(yīng)液質(zhì)量提高到180 g，進(jìn)一步優(yōu)化工藝為：以5 ℃/min升溫速率升溫至70 ℃，體系開始出現(xiàn)大量氣泡，保持30 min；待氣泡基本消失后，繼續(xù)以5 ℃/min升溫速率升溫至110 ℃，保持20 min；提高反應(yīng)溫度至165 ℃，反應(yīng) 4 h。反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾，得到129.8 g精制腰果殼油（質(zhì)量收率為72.1%）。

試驗(yàn)所得精制腰果殼油為深褐色澄清液體，由檢測結(jié)果（表1）可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足檢測規(guī)范，其黏度僅為93.8 cps，應(yīng)用范圍廣泛。根據(jù)精制腰果殼油的HPLC譜圖（圖5）

可知，各組分含量依次為：三烯35.86%，二烯14.19%，單烯26.65%，飽和腰果酚2.25%，腰果酚總含量78.95%。

2.2.2 初步放大試驗(yàn)。 以小試工藝為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)次初步放大試驗(yàn)，得到適宜的精制工藝為：將800 g天然腰果殼油邊攪拌邊加入1 000 ml三口瓶（在室溫低于10 ℃時(shí)，腰果酚較為黏稠，甚至為固態(tài)，應(yīng)緩慢加熱使其融解），安置溫度計(jì)和冷凝管，并在冷凝管上安置緩沖瓶。以5 ℃/min升溫速率升溫至80 ℃，此時(shí)出現(xiàn)少量氣泡，保持20 min；繼續(xù)以5 ℃/min升溫速率升溫至110 ℃，此時(shí)出現(xiàn)大量氣泡（泡沫最大量約為1 000 ml），保持60 min（取試樣1）；以約1 ℃/min升溫速率緩慢（耗時(shí)約1 h）升溫至165 ℃，其間每隔20 min 取樣分析，樣品依次記為2、3、4。當(dāng)物料溫度達(dá)到165 ℃時(shí)，繼續(xù)每隔20 min 取樣分析，依次記為5、6、…、16，共反應(yīng) 4 h。反應(yīng)結(jié)束后趁熱過濾，得到688.3 g精制腰果殼油（質(zhì)量收率為86.0%）。

試驗(yàn)所得精制腰果殼油為深褐色澄清液體，由檢測結(jié)果（表2）可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足檢測規(guī)范。

腰果酚含量測定結(jié)果見表3，腰果酚總含量變化見圖6。當(dāng)體系加熱到110 ℃并保持60 min后，體系中腰果酚含量為20.18%（試樣1）；提高溫度至165 ℃，其間每隔20 min取樣，當(dāng)體系溫度為165 ℃時(shí)，體系中腰果酚的含量已經(jīng)高達(dá)66.73%（試樣4），相比試樣1提高了約46個(gè)百分點(diǎn)；在165 ℃下保持20 min后，體系中腰果酚含量提高到76.22%；進(jìn)一步延長反應(yīng)時(shí)間，體系中腰果酚的含量一直維持在76%左右，并沒有提高。由于延長反應(yīng)時(shí)間會(huì)帶來腰果酚的氧化、聚合等諸多副反應(yīng)，并且會(huì)極大地增加能耗，因此，當(dāng)體系溫度達(dá)到165 ℃后，適宜的繼續(xù)加熱時(shí)間為20 min。綜上所述，得到優(yōu)化的精制工藝為：將天然腰果殼油邊攪拌邊加項(xiàng)目外觀水分∥% 密度（25 ℃）∥g/L灰分∥%黏度（25 ℃）∥cps腰果酚含量入三口瓶，冷凝管上安置緩沖瓶。以5 ℃/min升溫速率升溫至80 ℃，保持20 min；繼續(xù)以5 ℃/min升溫速率升溫至110 ℃，保持60 min；以約1 ℃/min升溫速率緩慢（耗時(shí)約1 h）升溫至165 ℃，保持20 min。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大，需考慮體系體積的增加帶來的攪拌不均勻、受熱不均等因素，可以適當(dāng)延長加熱至165 ℃后的保溫時(shí)間，但不宜過久。

3 結(jié)論

試驗(yàn)建立了以液相色譜分析精制腰果殼油成分的方法，腰果酚在液相色譜圖中出峰的順序依次為三烯、二烯、單烯和飽和腰果酚。

通過程序升溫的方式獲得了腰果殼油脫羧的精制工藝，即：先以5 ℃/min升溫速率加熱至80 ℃，保持20 min；繼續(xù)以5 ℃/min升溫速率加熱至110 ℃，保持60 min；以約1 ℃/min升溫速率緩慢升溫至165 ℃，保持20 min。精制腰果殼油的質(zhì)量收率可高達(dá)86.0%，腰果酚總含量為76.26%。

腰果殼油成分分析的方法及精制工藝的建立，可為工業(yè)生產(chǎn)提供重要的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] IZZO P T，DAWSON C R.Cashew nut shell liquid.Vi.The olefinic nature of anacardic acid[J].Journal of Organic Chemistry，1949，14（6）：1039-1047.

[2] 胡家朋，熊聯(lián)明，沈震.腰果殼油的蒸餾及餾分成分研究[J].應(yīng)用化學(xué)，2007，36（4）：345-347，351.

[3] MADHUSDHAN V，金啟娥.腰果殼油[J].世界熱帶農(nóng)業(yè)信息，1986，6（2）：31-34.

[4] BHUNIA H P，JANA R N，BASAK A，et al.Synthesis of polyurethane from cashew nut shell liquid（CNSL），a renewable resource[J].Journal of Polymer Science，Part A：Polymer Chemistry，1998，36：391-400.

[5] 胡應(yīng)模，郭明高.腰果殼液的組成、化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用[J].中國生漆，1990（1）：33-42.

[6] PHULKERD P，THONGCHUL N，BUNYAKIAT K，et al.Coal water slurry using dispersant synthesized from cashew nut shell liquid （CNSL）[J].Fuel Processing Technology，2014，119：256-262.

[7] RIBEIRO V G P，BARRETO A C H，DENARDIN J C，et al.Magnetic nanoparticles coated with anacardic acid derived from cashew nut shell liquid[J].Journal Materials Science，2013，48（22）：7875-7882.

[8] QUIRINO R L，GARRISON T F，KESSLER M R.Matrices from vegetable oils，cashew nut shell liquid，and other relevant systems for biocomposite applications[J].Green Chemistry，2014，16：1700-1715.

[9] REDDY N S，RAO A S，CHARI M A，et al.Synthesis and antibacterial activity of urea and thiourea derivatives of anacardic acid mixture isolated from a natural product cashew nut shell liquid （CNSL）[J].International Journal of Organic Chemistry，2012，2：267-275.

[10] 林金火，胡炳環(huán)，陳文定.腰果殼液的蒸餾及其餾分的色-質(zhì)譜聯(lián)用分析[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1991，11（1）：33-39.

[11] 陳穎怡，譚朝勤.腰果酚有效成分的定性分析[J].廣東化工，2009，36（6）：169-171，267.

[12] 毛治博.腰果酚催化加氫研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[13] 毛治博，雒廷亮，王鈺，等.腰果酚催化加氫工藝及產(chǎn)品的純化和表征[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2010，30（2）：52-56.

[14] 張玉玲.腰果油中腰果酚的提取及其抗氧化性研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2009.

[15] 劉兵，敖汪偉，楊楊，等.左旋β-蒎烯選擇性氧化合成右旋諾蒎酮的研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，34（2）：89-94.