基于紫外吸光度的生物柴油氧化降解程度分析

王霜，王友昊，李法社，2，王文超，隋猛

（1昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明650093；2冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心，云南昆明650093）

生物柴油是利用動植物油脂經(jīng)酯化反應(yīng)制取的可以替代化石燃料的新型清潔燃料，可以有效減少化石燃料燃燒造成的污染，以優(yōu)異的環(huán)保性和可再生性受到世界各國的重視，其市場前景非常廣闊[1]。小桐子學(xué)名麻瘋樹，又名膏桐、小油桐等，其種子含油量達(dá)40%～66%，是國際公認(rèn)的一種優(yōu)良的能源樹種[2-3]，常用于制備生物柴油。因小桐子油制備的生物柴油中不飽和脂肪酸甲酯的含量很高，其不飽和成分在運輸、儲存過程中會因高溫、氧、光、金屬離子、水的存在等因素而極易被氧化[4-8]，這不僅影響生物柴油的質(zhì)量，而且還會帶來引擎腐蝕、油路阻塞和引擎功率不穩(wěn)定等問題[9]。

生物柴油的氧化程度可以用氧化穩(wěn)定性、酸值、過氧化值等指標(biāo)進(jìn)行評估[10-11]，但氧化安定性測量所需的時間較長，酸值、過氧化值的滴定終點難以控制導(dǎo)致誤差較大。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究出一些替代方法，王寧等[12]利用食用油中的脂肪酸與鄰苯二甲酰亞胺鉀反應(yīng)生成在紫外光譜中有特征吸收峰的鄰苯二甲酰亞胺，從而建立了紫外光譜-酸值的檢測模型；秦小園等[13]利用氫過氧化物與三苯基磷快速反應(yīng)生成在紫外光譜中有特征吸收峰的三苯基氧磷，從而建立了過氧化值檢測模型。但上述方法都需要將樣品進(jìn)一步反應(yīng)，生成含有特征吸收峰的結(jié)構(gòu)，步驟繁瑣，還可能出現(xiàn)反應(yīng)不充分、過量的添加物對吸收光譜產(chǎn)生影響等問題。Zhou等[14]使用紅外光譜、紫外光譜、熱重分析、介電譜等方法分析生物柴油的氧化降解，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)良好的一致性，但未深入研究其內(nèi)在的聯(lián)系。通過對生物柴油氧化后的特征分析，發(fā)現(xiàn)生物柴油中的不飽和脂肪酸甲酯在氧化后生成在紫外光譜中有特征吸收峰的共軛結(jié)構(gòu)，利用紫外光譜法操作簡單、靈敏度高、快速、精密度和準(zhǔn)確度好的優(yōu)點，建立了紫外吸光度與酸值的線性關(guān)系，為生物柴油氧化降解中酸值的預(yù)測提供了一種簡便快捷的新方法，為研制快速、準(zhǔn)確測量酸值的便攜式儀器提供了一種新思路。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

小桐子油，云南神宇新能源有限公司；無水乙醇、甲醇、乙醚，均為分析純；正己烷，色譜純；酚酞試劑、KOH 乙醇溶液、去離子水、超純水，均為實驗室自制。

電子天平（AL204，梅特勒儀器公司），超聲波清洗器（SK5200HP，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司），恒溫干燥箱（101A-1，上海市崇明實驗儀器廠），數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-S 2s，金壇市大地自動化儀器廠），磁力攪拌器（DF-101s，鞏義市化學(xué)儀器有限公司），真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（R-215，瑞士BUCHI 公司），超純水儀器[ELGA PURELAB CLASSIC，威立雅水處理技術(shù)（上海）有限公司]，電吹風(fēng)機(jī)[HP4823，荷蘭皇家飛利浦電子公司（中國有限公司）]， 氧化穩(wěn)定性測定儀（Rancimat873，瑞士萬通中國有限公司），紫外-可見分光光度計（U-3900H，日本日立公司），氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Trace DSQ，美國Thermo公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 小桐子生物柴油的制備

小桐子生物柴油采用循環(huán)氣相酯化-酯交換-甲醇蒸汽蒸餾精制連續(xù)制備工藝制備，制得粗制生物柴油，用蒸餾水多次洗滌，洗去其中的甘油和堿性催化劑，再經(jīng)過干燥、過濾便可以得到精制生物柴油。

1.2.2 成分分析

樣品用甲醇稀釋5倍后進(jìn)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）進(jìn)行分析。GC條件：HP-5MS石英毛細(xì)管柱（30mm×0.25mm×0.25μm）；柱溫80～260℃，程序升溫5℃/min；柱流量1.0mL/min；進(jìn)樣口溫度250℃；柱前壓100kPa；進(jìn)樣量0.40μL；分流比10∶1；載氣高純氦氣。MS條件：電離方式EI；電子能量70eV；傳輸線溫度250℃；離子源溫度230℃；四級桿溫度150℃；質(zhì)量掃描范圍35～500m/z；采用Wiley7n.1標(biāo)準(zhǔn)譜庫計算機(jī)檢索定性。

1.2.3 樣品加速氧化

實驗使用氧化穩(wěn)定性測定儀加速氧化，每個測試單元加熱至110℃，將其分別加熱2h、4h、6h、8h、10h、12h、18h、24h和48h，然后將處理后的樣品避光密封儲存用于后續(xù)分析。

1.2.4 酸值測量

根據(jù)《中國藥典》規(guī)定，將加速氧化后的各樣本進(jìn)行酸值測量。準(zhǔn)確稱量試樣的質(zhì)量（W，g），并溶解于配制的乙醇-乙醚（1∶1，體積比）混合液中，加入3 滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的酚酞指示劑，然后用0.1mol/L KOH 乙醇溶液滴定，邊滴定邊震蕩直至樣品變微紅色并且30s 不褪色，記下消耗的KOH 乙醇溶液的體積（A，mL）按照式(1)計算對應(yīng)的酸值（IA），多次測量求取平均值。

1.2.5 紫外-可見光譜分析

將樣品溶解于正己烷，稀釋至合適的濃度（3.33g/L），并置于10mm 光程長度的石英比色皿，以正己烷溶液做參比，對其進(jìn)行紫外-可見光譜分析，測出各樣本的紫外吸光度，并對其中的峰值進(jìn)行分析。

采集條件：采樣間隔1nm；掃描速度為中等；波長范圍200～800nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 成分分析

采用GC-MS 測量小桐子生物柴油中各脂肪酸甲酯的含量，結(jié)果如圖1所示。將所得的色譜圖對比標(biāo)準(zhǔn)譜庫，并進(jìn)行分析，得到小桐子生物柴油中各脂肪酸甲酯的含量，如表1所示。

數(shù)據(jù)表明，小桐子生物柴油中含有一個碳碳雙鍵的單不飽和油酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到41.89%，含有兩個碳碳雙鍵的多不飽和亞油酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到34.45%，含有3個碳碳雙鍵的多不飽和亞麻酸甲酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.56%，總不飽和成分達(dá)到76.90%。

表1 小桐子生物柴油的成分組成

2.2 光譜分析

生物柴油中的不飽和成分例如亞油酸甲酯中的碳碳雙鍵氧化后會形成共軛體系，如圖2所示。在兩個雙鍵之間的雙重烯丙式碳原子（C11）的C H鍵能很低，易被奪氫生成雙烯丙式自由基，然后在氧的作用下生成過氧自由基。過氧自由基可以從另一分子的雙重烯丙式碳原子奪氫生成C9氫過氧化物[15]。C10C13兩雙鍵之間由一條單鍵連接，為共軛體系。其體系內(nèi)的單鍵變短而雙鍵變長，單雙鍵長度差別縮小乃至消失，為一穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系[16]。

共軛體系在紫外光譜中有較強(qiáng)的吸收峰，其紫外吸收峰峰值的大小及對應(yīng)的紫外波長可以識別出共軛體系的結(jié)構(gòu)及其含量的相對大小。利用這一原理，將9組加速氧化后的小桐子生物柴油進(jìn)行紫外吸光度測量，其吸收光譜如圖3所示。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)顯示出良好的規(guī)律性變化。在230nm處為共軛雙鍵的紫外吸收峰，在2～8h 加速氧化時氧化生成的共軛雙鍵較少，吸收峰不明顯，在經(jīng)10h后吸收峰開始逐漸形成，氧化逐漸加深。在270nm處為共軛三烯吸收峰，共軛三烯較共軛二烯更不穩(wěn)定，受熱后易氧化分解，隨著加熱時間增加共軛三烯逐漸減少。

圖1 小桐子生物柴油的GC-MS分析

圖2 亞油酸甲酯氧化過程

圖3 紫外吸收光譜

2.3 相關(guān)性分析

將230nm及270nm處的紫外吸光度與加熱氧化的時間分別作圖。吸光度與氧化時間之間的相關(guān)性見圖4。根據(jù)圖中的線性相關(guān)性表明，230nm 處的吸光度與氧化時間成正相關(guān)，擬合方程y=0.0627x+1.1351，擬合優(yōu)度R2=0.977，殘差平方和SSE=0.147；270nm 處的吸光度與氧化時間成負(fù)相關(guān)，擬合方程y=-0.0265x+3.4455，擬合優(yōu)度R2=0.986，殘差平方和SSE=0.016。

滴定法測量得出的酸值與加速氧化時間的線性關(guān)系如圖5 所示，酸值從2.67mg KOH/g 增長到5.33mg KOH/g，與氧化時間成正相關(guān)關(guān)系，擬合方程y=0.0567x+2.5213，擬合優(yōu)度R2=0.990，殘差平方和SSE=0.052，具有較好的擬合效果。

因此，數(shù)據(jù)表明，測量的吸光度、酸值均與加熱氧化時間成一次線性相關(guān)，均具有較高的擬合系數(shù)，說明本次加熱氧化得到的樣品有效；吸光度、酸值的測量方法誤差較小，本次實驗所得數(shù)據(jù)有效。

2.4 模型建立

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立小桐子生物柴油基于紫外吸光度的酸值預(yù)測模型。為了達(dá)到最佳的擬合效果，選用線性模型、指數(shù)模型、對數(shù)模型和乘冪模型共4 種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較分析[17]。由于樣本量較小，為了減小誤差，提高擬合精度，采用留一法交叉驗證[18-19]。

圖4 230nm、270nm吸光度與氧化時間的相關(guān)性

圖5 酸值與氧化時間的相關(guān)性

從9 組樣本中選出1 組作為驗證樣本，其余8組作為訓(xùn)練樣本，計算擬合公式，再利用驗證樣本檢驗擬合精度。例如，對230nm處紫外吸光度與酸值線性擬合時，將氧化2h 樣本作為驗證樣本，其余8 組進(jìn)行擬合，得擬合方程y=0.9038x+1.4852，將驗證樣本的吸光度（x=1.213）代入擬合方程，求得預(yù)測酸值（y=2.5815）。重復(fù)步驟求得其他組數(shù)據(jù)見表2和表3。

對交叉驗證的結(jié)果進(jìn)行分析，并計算出各個模型擬合值與實測值之間的擬合精度及相關(guān)系數(shù)。擬合精度用預(yù)測均方根誤差（RMSEP） 表示，RMSEP越小，表明模型越精確，按式(2)計算。

表2 230nm處吸光度與酸值留一法交叉驗證

表3 270nm處吸光度與酸值留一法交叉驗證

式中，xi為第i個實測值；yi為第i個預(yù)測值；n為總樣本數(shù)。

Pearson相關(guān)系數(shù)按式(3)計算。

式中，xi為第i個實測值；為n組實測值的平均值；yi為第i個預(yù)測值；為n組預(yù)測值的平均值；n為總樣本數(shù)。

按式(2)、式(3)計算4種模型留一法交叉驗證后的預(yù)測均方根誤差和預(yù)測值與實測值之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，對230nm、270nm處吸光度與酸值的關(guān)系建立的4種模型中，線性擬合模型的擬合效果都是最好的。在230nm處留一法交叉驗證的線性相關(guān)系數(shù)r=0.9910，預(yù)測均方根誤差RMSEP=0.1037；在270nm 處的線性相關(guān)系數(shù)r=0.9953，預(yù)測均方根誤差RMSEP=0.0758。因此，線性模型更適合反應(yīng)紫外吸光度與酸值的關(guān)系。

表4 預(yù)測均方根誤差和相關(guān)系數(shù)

利用最小二乘法分別對酸值與230nm、270nm處的吸光度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖6 所示，酸值與兩吸光度的線性關(guān)系良好。酸值與230nm 處的吸光度成正相關(guān)，擬合方程y=0.8920x+1.5196，擬合優(yōu)度R2=0.987，殘差平方和SSE=0.070；酸值與270nm 處的吸光度成負(fù)相關(guān)，擬合方程y=-2.1246x+9.8462，擬合優(yōu)度R2=0.993，殘差平方和SSE=0.037。

圖6 酸值與230nm、270nm吸光度的相關(guān)性

2.5 模型驗證

圖7 230 nm紫外吸光度實測值與預(yù)測值的相關(guān)性

選取230nm處的吸光度與酸值的擬合模型，并驗證該擬合方程的準(zhǔn)確性。隨機(jī)取不同氧化程度的小桐子生物柴油樣品，滴定法測量每個樣品的酸值（IA）以及其紫外吸光度，將230nm 處紫外吸光度帶入擬合方程求得預(yù)測酸值（I*A），實測酸值與預(yù)測酸值的關(guān)系如圖7所示。

由圖7 可知，擬合方程y=1.0665x-0.1523，方程截距接近于0，斜率接近于1，擬合優(yōu)度R2=0.980，殘差平方和SSE=0.066，說明預(yù)測值與實測值線性相關(guān)性良好，兩組數(shù)值非常接近。該預(yù)測模型的相對誤差（RE）按式(4)計算。

經(jīng)計算，該組樣品實測酸值與擬合方程預(yù)測酸值的最大相對誤差為5.27%，說明該擬合方程具有較高的準(zhǔn)確性，在誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為預(yù)測值與實際值相等，模型預(yù)測性好。由此可見，紫外光譜法可以替代滴定法快速、準(zhǔn)確的預(yù)測酸值。

3 結(jié)論

對小桐子生物柴油進(jìn)行成分分析，測得其總不飽和成分高達(dá)76.90%，極易被氧化。利用氧化后生成的共軛結(jié)構(gòu)在紫外光譜中有特定吸收峰的原理，建立線性、指數(shù)、對數(shù)和乘冪這4種模型，對測得的吸光度與酸值進(jìn)行留一法交叉驗證。結(jié)果如下。

（1）在4種擬合模型中，線性模型的擬合效果最好；波長230nm處線性模型的預(yù)測均方根誤差為0.1037，擬合值與實測值的相關(guān)系數(shù)為0.9910，模型預(yù)測精度較高。

（2）利用最小二乘法對波長230nm的酸值與吸光度進(jìn)行線性擬合，酸值預(yù)測模型y=0.8920x+1.5196，殘差平方和為0.070，擬合優(yōu)度R2=0.987。

（3）對230nm處吸光度的擬合方程進(jìn)行模型驗證，實測值與預(yù)測值的擬合方程的斜率接近于1，截距接近于0，R2為0.980；實測值與預(yù)測值的最大相對誤差為5.27%，預(yù)測方法可行性較高。