氫氧化鈉催化紫蘇油酯交換制備脂肪酸乙酯

鄭永軍，王振，王云龍，張明千

（安陽工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南安陽455000）

α-亞麻酸是人體必需的脂肪酸，它在人體中轉(zhuǎn)化為代謝必要的生命活性因子—二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）[1-2]，具有預(yù)防心腦血管疾病、降血壓、調(diào)節(jié)血脂、抑制癌癥的發(fā)生和轉(zhuǎn)移、同時增強(qiáng)記憶力、保護(hù)視力和增強(qiáng)人體免疫力的功效[3]。然而，α-亞麻酸在人體內(nèi)不能合成，需要從日常飲食中獲得。紫蘇油是以紫蘇籽為原料提取的食用油，含α-亞麻酸56%～64%，是植物體內(nèi)含有α-亞麻酸較高的食用油之一。雖然紫蘇油中的α－亞麻酸含量較高，卻和其他脂肪酸一樣以甘油酯的形式存在的，不利于α－亞麻酸分離提純。而且，α－亞麻酸屬于多不飽和脂肪酸，不穩(wěn)定且易氧化。然而，α－亞麻酸乙酯具有與α－亞麻酸相同的生理功能，且穩(wěn)定性較高，抗氧化性較強(qiáng)，易被人體吸收、無毒副作用、沸點(diǎn)低、易于分離提純。所以，高純度的α－亞麻酸產(chǎn)品多為α－亞麻酸乙酯型面世。

以油脂為原料制備脂肪酸乙酯的主要方法有：利用油脂水解所得脂肪酸與乙醇反應(yīng)制備[4]；利用油酯與乙醇在催化劑作用下進(jìn)行酯交換反應(yīng)制備[5-6]。目前，許多由紫蘇油生產(chǎn)脂肪酸乙酯企業(yè)仍采用油脂水解的脂肪酸與乙醇反應(yīng)的方法，即紫蘇油在強(qiáng)堿作用下皂化生成脂肪酸鹽，再經(jīng)與強(qiáng)酸作用制得脂肪酸，最后用制得脂肪酸與乙醇在酶或酸催化下生成脂肪酸乙酯。該方法工藝流程長，能耗高，污染嚴(yán)重。由于油脂與乙醇在堿性催化劑作用下進(jìn)行酯交換而制得脂肪酸乙酯，工藝流程短，無腐蝕、能耗低之優(yōu)點(diǎn)[5-6]。然而，存在著油脂與堿性催化劑作用生成皂化物而造成脂肪酸乙酯分離困難，影響脂肪酸乙酯產(chǎn)率等問題。因此，本研究以紫蘇油為原料，與無水乙醇在NaOH 催化作用下經(jīng)酯交換制取備紫蘇油脂肪酸乙酯，通過考察加料方式、醇油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、后處理操作對紫蘇油轉(zhuǎn)化率的影響，達(dá)到減少皂化物產(chǎn)生，提高脂肪酸乙酯產(chǎn)率，為紫蘇油乙酯化工藝提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇油：河南利諾生化有限責(zé)任公司；無水乙醇、氫氧化鈉、可溶性淀粉（分析純）：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；濃鹽酸、濃硫酸（分析純）：洛陽市化學(xué)試劑廠；氯化鈣、高碘酸鉀、碘化鉀、硫代硫酸鈉（分析純）：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004B 電子分析天平：上海佑科儀器儀表有限公司；RE52A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；SHZD（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器廠；HWS-11電熱恒溫水浴鍋：上海合恒儀器設(shè)備有限公司；JJ-1精密定時電動攪拌器：上海澤生科技開發(fā)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫蘇油理化指標(biāo)測定

酸價參照GB 5009.229-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中酸價的測定》；皂化值參照GB/T 5534-2008《動植物油脂皂化值的測定》；水分及揮發(fā)物含量參照GB 5009.236-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)動植物油脂水分及揮發(fā)物的測定》測定；根據(jù)GB/T 17376-1998《動植物油脂脂肪酸甲酯制備》，紫蘇油的平均分子質(zhì)量可由皂化值和酸價計算得到。

1.3.2 紫蘇油脂肪酸乙酯的制備

反應(yīng)原料紫蘇油與無水乙醇按一定配比量取，NaOH 的質(zhì)量按照其質(zhì)量占紫蘇油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱量，將稱量NaOH 立即與一定量的無水乙醇混合，以阻止NaOH 吸收空氣中的水分和二氧化碳，并通過攪拌和加熱至NaOH 完全溶解，制得NaOH-EtOH 溶液備用。

將一定量紫蘇油加入連接機(jī)械攪拌器、恒壓滴液漏斗、冷凝管和溫度計的四頸圓底燒瓶中，將配制好NaOH-EtOH 溶液加入恒壓滴液漏斗中，開啟機(jī)械攪拌器，用油浴將紫蘇油加熱到反應(yīng)所需溫度時，逐滴慢速加入一定量的NaOH-EtOH 溶液，攪拌反應(yīng)一定的時間后。停止反應(yīng)，先向反應(yīng)混合物中加入與催化劑NaOH 等摩爾鹽酸溶液中和，再利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸出過量乙醇，然后將所剩液體轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，靜置分層后，將下層甘油層收集于錐形瓶中。上層脂肪酸乙酯層用蒸餾水洗滌2 次，并合并于甘油層中，備用。上層再用無水氯化鈣干燥后過濾，得紫蘇油脂肪酸乙酯。

影響紫蘇油酯交換反應(yīng)的主要因素有：醇油比、催化劑投入質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等。為此，首先研究單因素對紫蘇油酯交換轉(zhuǎn)化率的影響，然后再進(jìn)行正交試驗(yàn)以確定較優(yōu)工藝參數(shù)。

1.3.3 紫蘇油酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分析

甘油含量的測定：甘油是紫蘇油皂化水解和紫蘇油與乙醇酯交換制備脂肪酸乙酯的副產(chǎn)物，根據(jù)甘油產(chǎn)率來計算酯交換的轉(zhuǎn)化率[7-9]，用高碘酸氧化法來測定原料紫蘇油中甘油含量和酯交換反應(yīng)產(chǎn)物中甘油含量[10]。

紫蘇油脂肪酸乙酯化轉(zhuǎn)化率/%=（酯交換后甘油總含量-原料油中甘油含量）/理論甘油含量×100

2 結(jié)果與分析

2.1 紫蘇油與乙醇制備脂肪酸乙酯原理

紫蘇油主要有α-亞麻酸、油酸、亞油酸、和棕櫚酸的甘油酯，還有少量的上述游離脂肪酸、水、甘油和不皂物等組成。紫蘇油與乙醇在堿性催化劑作用發(fā)生酯交換實(shí)際上主要是這些脂肪酸甘油酯與乙醇發(fā)生酯交換反應(yīng)，這是一個可逆反應(yīng)。具體反應(yīng)見式（1）。

在NaOH 催化下的油酯與乙醇酯交換中，真正起催化作用的是EtO-，首先乙醇與NaOH 生成EtO-，EtO-作為親核試劑進(jìn)攻甘油酯中羰基發(fā)生親核取代反應(yīng)生成脂肪酸乙酯[11]。具體反應(yīng)見式（2）。

這是一個反應(yīng)速率常數(shù)較大[k=3.1 L/（mol·s）]的可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)約為0.73[11]，為使生成較多的EtO-，要求乙醇過量。為此，在試驗(yàn)過程中應(yīng)將NaOH固體在攪拌或稍微加熱的條件下，將NaOH 溶解于過量的乙醇中，配成NaOH-EtOH 溶液。

由于紫蘇油中含有少量的水，以及分析純乙醇與氫氧化鈉中也含有微量水。所以，紫蘇油會NaOH 發(fā)生皂化反應(yīng)。同樣，紫蘇油中含有微量的游離脂肪酸，會與NaOH 發(fā)生中和反應(yīng)，這些副反應(yīng)生成的脂肪酸鈉鹽都是乳化劑，能夠在脂肪酸乙酯油相與甘油相界面形成乳化層，導(dǎo)致脂肪酸乙酯與甘油分離困難，使脂肪酸乙酯收率降低。另外，由于NaOH 參與這些副反應(yīng)，使得反應(yīng)（2）向逆反應(yīng)進(jìn)行，催化活性的EtO-減少，降低了紫蘇油酯交換的轉(zhuǎn)化率。

因此，為了充分發(fā)揮在堿性條件下酯交換優(yōu)點(diǎn)，提高酯交換轉(zhuǎn)化率，減少皂化物生成。從以下幾方面考慮：

1）對于紫蘇油需要進(jìn)行精煉，達(dá)到降低酸值和水分的目的。進(jìn)行堿催化的酯交換要求油脂原料的酸值不宜超過2 mgKOH/g[12]。水分含量最大不超過0.1%[13]。

2）NaOH-EtOH 溶液應(yīng)現(xiàn)用現(xiàn)配，以維持催化劑活性。為了使EtO-數(shù)量增多，乙醇一定要保持過量，且EtO-/NaOH 比值大小是催化活性大小的標(biāo)志，當(dāng)油脂與乙醇開始進(jìn)行時（大約6 s），EtO-/NaOH 比值達(dá)到最大值，介于93%～96%，此時催化活性最高[11]。為此，采用逐滴加入NaOH-EtOH 方式，使滴入油脂的NaOHEtOH 溶液中，局部EtO-/NaOH 維持最佳比例，盡可能介于93%～96%，讓EtO-在攪拌下充分與甘油三酯接觸，發(fā)生有效碰撞，一直處于催化狀態(tài)，提高甘油三酯的轉(zhuǎn)化率，而NaOH 因幾乎在無水條件下不與甘油三酯發(fā)生皂化反應(yīng)。這樣，減少皂化反應(yīng)的發(fā)生，從而達(dá)到提高紫蘇油轉(zhuǎn)化率，避免皂化之目的。若采用一次添加NaOH-EtOH 溶液，因分析純NaOH 和EtOH 中都有微量的水，大量的NaOH-EtOH 溶液中有一定量的水，雖然油脂與乙醇進(jìn)行酯交換的最初進(jìn)行時（大約6 s），EtO-/NaOH 也是達(dá)到最大值，其值介于93%～96%，最初催化活性也高，但由于體系中一定量水存在，使氫氧化鈉與紫蘇油的甘油酯發(fā)生皂化反應(yīng)和紫蘇油中脂肪酸發(fā)生中和反應(yīng)，這樣消耗氫氧化鈉，使反應(yīng)（2）向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，結(jié)果催化活性的EtO-離子數(shù)目減少，EtO-/NaOH 比值迅速減少，催化效率降低甚至可能因沒有EtO-而使反應(yīng)停止。這樣，使紫蘇油甘油酯轉(zhuǎn)化率降低且產(chǎn)生較多的皂化物導(dǎo)致分離上困難，影響脂肪酸乙酯的收率。

3）酯交換后，盡可能除掉堿性催化劑，避免進(jìn)行分離時加入含水的物質(zhì)，使未反應(yīng)的甘油酯與生成的脂肪酸乙酯與堿反應(yīng)生成皂，增加分離難度，使脂肪酸乙酯收率減少。

4）除掉堿性催化劑后，減壓蒸除過量乙醇，便于脂肪酸乙酯相與甘油相分離，提高乙酯收率。因脂肪酸乙酯與甘油都溶解于乙醇，不利于脂肪酸乙酯相與甘油相分離[14]。

根據(jù)國標(biāo)測定原料紫蘇油主要理化指標(biāo)為：酸值0.15 mgKOH/g，皂化值194.2 mg/g，水分及揮發(fā)物為0.05%，計算出紫蘇油的平均相對分子質(zhì)量為867.1。說明原料紫蘇油不需要脫酸脫水處理，可以進(jìn)行酯交換反應(yīng)。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 醇油摩爾比對紫蘇油乙酯化轉(zhuǎn)化率影響

乙醇與紫蘇油的摩爾比是影響紫蘇油轉(zhuǎn)化率、脂肪酸乙酯產(chǎn)率的最重要的因素之一，醇油摩爾比增大可以增加油與醇的互溶性、增加甘油酯與乙醇的接觸。在反應(yīng)溫度75 ℃，催化劑用量為紫蘇油質(zhì)量的0.5%，反應(yīng)時間2 h 條件下，考察醇油摩爾比對紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 醇油摩爾比對乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.1 Effect of EtOH to oil molar ratio on conversion

從圖1 可知，當(dāng)醇油摩爾比在 3 ∶1～7 ∶1 范圍時，紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率先增加后趨于平衡。由紫蘇油乙酯化反應(yīng)化學(xué)方程式可知，1 moL 紫蘇油完全反應(yīng)需要3 moL 的乙醇，因?yàn)樵摲磻?yīng)為可逆反應(yīng)，當(dāng)醇油摩爾比為3 ∶1 時，只有30%的轉(zhuǎn)化率，由于存在著NaOH＋EtOH 與 NaOEt+H2O 可逆反應(yīng)，當(dāng)醇油比為 4 ∶1時，也只有39%的轉(zhuǎn)化率，因過量乙醇能使NaOH 向具有催化活性的EtO-方向移動，同時也使酯交換反應(yīng)向脂肪酸乙酯方向移動，提高紫蘇油轉(zhuǎn)化率。所以，當(dāng)醇油摩爾比為5 ∶1，轉(zhuǎn)化率明顯增大到70%，當(dāng)醇油摩爾比是6 ∶1 時，轉(zhuǎn)化率為75%。當(dāng)醇油摩爾比繼續(xù)增加，即無水乙醇進(jìn)一步增加時，紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加不明顯。根據(jù)上述結(jié)果，選用乙醇與紫蘇油摩爾比為6 ∶1 最好，這樣既提高紫蘇油轉(zhuǎn)化率又降低生產(chǎn)成本。因?yàn)槭褂脽o水乙醇的增加，反應(yīng)結(jié)束后回收沒有反應(yīng)乙醇，生產(chǎn)成本也會增加。

2.2.2 反應(yīng)時間對紫蘇油乙酯化轉(zhuǎn)化率的影響

在反應(yīng)溫度75 ℃，乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1，NaOH 為紫蘇油質(zhì)量的0.5%條件下，考察反應(yīng)時間對紫蘇油反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時間對乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 Effect of reaction time on conversion

從圖2 可知，反應(yīng)時間在0.5 h～2 h 范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)時間的增加，紫蘇油乙酯化轉(zhuǎn)化率先增加后趨于不變，當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到2 h 時，轉(zhuǎn)化率73.0%，再延長時間，紫蘇油轉(zhuǎn)化率沒有明顯提高，這說明此時反應(yīng)已達(dá)到平衡，所以，本試驗(yàn)選擇反應(yīng)時間為2 h。

2.2.3 反應(yīng)溫度對酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

在乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1，NaOH 為紫蘇油質(zhì)量的0.5%，反應(yīng)時間為2h 條件下，考察反應(yīng)溫度對紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on conversion

由圖3 可知，隨著溫度的升高，紫蘇油乙酯化轉(zhuǎn)化率也隨著增大，說明增加溫度有利于反應(yīng)朝著生成物的方向進(jìn)行。在75 ℃時，紫蘇油乙酯轉(zhuǎn)化率達(dá)75.0%，繼續(xù)升溫到80 ℃時，轉(zhuǎn)化率反而降低。這是因?yàn)橛椭c乙醇在強(qiáng)堿催化下的酯交換反應(yīng)為可逆反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度高于乙醇沸點(diǎn)時，反應(yīng)體系中大量乙醇揮發(fā)至氣相中，使液相中乙醇濃度減少，從而導(dǎo)致酯交換反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，使紫蘇油轉(zhuǎn)化率降低。因此，本試驗(yàn)選擇乙酯化溫度為75 ℃。

2.2.4 催化劑用量對酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

在反應(yīng)溫度為75 ℃，酯化時間為2 h，乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1 條件下，考察催化劑用量對紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 催化劑用量對乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 Effect of catalyst amount on conversion

從圖4 可以看出，催化劑用量在0.3%～1.1%時，隨著催化劑用量的增加，紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加達(dá)到最高點(diǎn)后又減少，當(dāng)NaOH 的用量從0.3%～0.7%，紫蘇油的轉(zhuǎn)化率從55%～81%，當(dāng)NaOH 用量為0.8%時，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到96%。這是因?yàn)樵贜aOH 催化的油脂酯交換，其催化活性是EtO-離子，由于過量的乙醇如乙醇與紫蘇油摩爾比為6 ∶1 時，使NaOH 與EtO-的平衡移向EtO-，使催化活性的EtO-數(shù)目增多，在一定范圍內(nèi)，氫氧化鈉的濃度增加，EtO-與NaOH 濃度比增加，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加。但當(dāng)NaOH 用量為0.9%和1.1%時，紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率卻分別減少為90.0%和81.0%，紫蘇油轉(zhuǎn)化率反而降低，這是因?yàn)镹aOH 用量過多，與甘油三酯發(fā)生皂化反應(yīng)，生成副產(chǎn)物皂化物，導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)束后，乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，不易分離，從而影響脂肪酸乙酯的收率[15]。因此，本試驗(yàn)選用NaOH 用量為紫蘇油的0.8%。

2.3 正交試驗(yàn)

為了找出制備紫蘇油乙酯化的最佳反應(yīng)條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出正交試驗(yàn)因素水平表1，按照表1 進(jìn)行正交試驗(yàn)，制備紫蘇油脂肪酸乙酯。測定紫蘇油乙酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)分析表Table 2 Orthogonal experimental analysis

從表2 的極差R 值可以看出，4 個因素對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響因素大小分別是：催化劑用量＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間＞醇油摩爾比。紫蘇油脂肪酸乙酯制備的最佳工藝條件組合為A2B3C2D2，即催化劑氫氧化鈉的用量為紫蘇油的0.8%時，醇油摩爾比為6 ∶1，反應(yīng)溫度始終在控制在75 ℃，反應(yīng)時間為2 h。按此條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在此條件下重復(fù)試驗(yàn)3 次，紫蘇油乙酯轉(zhuǎn)化率分別為95.6%、96.3%、96.0%，平均值為96.0%。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以精煉紫蘇油為原料，在NaOH 催化下與乙醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)制備紫蘇油脂肪酸乙酯，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出紫蘇油脂肪酸乙酯化較佳工藝是：催化劑為紫蘇油質(zhì)量的0.8%，醇油摩爾比為6 ∶1，反應(yīng)溫度 75 ℃，反應(yīng)時間為 2 h，采用滴加溶有催化劑的無水乙醇溶液方式與紫蘇油進(jìn)行酯交換，并在反應(yīng)結(jié)束后加入等摩爾鹽酸來中和堿性催化劑等方式，這樣可減少皂化物的生成，便于脂肪酸乙酯與甘油分離，使紫蘇油脂肪酸乙酯轉(zhuǎn)化率達(dá)到96%。該工藝對于油酯進(jìn)行乙酯化生產(chǎn)工藝和生物柴油制備提供很好的借鑒作用，并將得到紫蘇油脂肪酸乙酯用于α-亞麻酸乙酯的富集和提純，進(jìn)一步提高紫蘇油附加值。