分子蒸馏法浓缩α－生育酚的工艺研究

丁朝中 林 文 陈乐清 王志祥

(中国药科大学制药工程教研室，南京 210009)

大豆油脱臭馏出物是豆油精馏过程中的副产物，含有大量游离脂肪酸、天然VE、甾醇、甾醇酯及甘油酯等［1］，其中天然VE是一种人体必需的脂溶性维生素，具有抗自由基、抗衰老、提高机体免疫力等多种生理功能［2－3］。天然 VE 主要由 α、β、δ、γ 共 4种生育酚及生育三烯酚组成，其中α－生育酚为右旋体，其生理活性最高，而合成VE主要指α－生育酚及其酯类衍生物，均为外消旋混合物。与合成VE相比，天然VE对人体无毒副作用，长期使用安全性更高［4］。

我国是世界四大豆油的主产国之一，每年精炼大豆油所得的脱臭馏出物可达0.52.5万吨。天然VE在脱臭馏出物中质量分数约为5%15%，若从中分离得到高纯度的天然VE，不仅能够满足不断增长的天然VE消费需求，具有较高的经济价值，而且还能将馏出物变废为宝，增大资源的利用率。

目前，从脱臭馏出物中提取天然VE的方法主要有萃取法［5］、脲包法［6］、超临界 CO2萃取法［7］及分子蒸馏法［8］等。溶剂萃取法操作费用低，但天然VE质量分数仅从3.3%提高至9.48%，产品纯度不高。脲包法不仅要消耗大量溶剂及尿素，且尿素不易包合甘油酯，对脂肪酸的包合也不完全，α－生育酚质量分数从原料的0.57%上升到1.62%，浓缩率不高。采用超临界CO2萃取时，生育酚损失较少，天然VE质量分数可从20%提高至60%，浓缩率较高，但设备要求高、操作费用大，因此很少用于低纯度天然VE的浓缩。分子蒸馏法具有操作温度低、分离程度高、无杂质引入、可连续生产等优点，特别适合高沸点、热敏性物质的分离［9］。在前人研究的基础上，以大豆油脱臭馏出物为原料，经甲酯化、冷析等步骤除去大部分甾醇，再采用三级分子蒸馏浓缩α－生育酚，为进一步制备高纯度的天然VE提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与设备

大豆油脱臭馏出物:浙江长兴茂源物资贸易有限公司;DL－α－生育酚标准品:中国药品生物制品检定所;甲醇(HPLC):江苏汉邦科技有限公司;纯净水:杭州娃哈哈集团有限公司。

KDL－5型刮膜式分子蒸馏器:德国UIC公司;RZ－2型一级真空泵、AX－65型二级真空泵、VAP－5型精密压力表:德国Vacuumbrand公司;HPLC－10ATVP型高效液相色谱仪:日本岛津;BT25S型分析天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 分析方法

α－生育酚质量分数测定采用HPLC法。色谱条件为:ODS－2 HYPERSIL(150 mm ×4.6 mm，5 μm)色谱柱;柱温:35 ℃;流动相:甲醇:水 =95∶5;流速:1 mL/min;检测波长:292 nm;进样量:20 μL。大豆油脱臭馏出物HPLC色谱图见图1。

α－生育酚标准曲线的绘制:精确称取97.6 mg α－生育酚标准品，用甲醇定容至25 mL，配置成3.904 mg/mL的标准品溶液。分别取 250、500、750、1 000、1 250 μL标准品溶液，用甲醇定容至 10 mL，摇匀，经0.22 μm微孔滤膜过滤后进样，按上述色谱条件测定峰面积。以峰面积(Y)对α－生育酚浓度(X)进行线性回归，得到回归方程为Y=－24 296+8 811 810X，R2=0.999 71。结果表明，α － 生育酚质量分数在0.009 760.488 mg/mL范围内同峰面积线性关系良好。

酸价测定:参照GB/T 5530—2005执行;水分及挥发物质量分数测定:参照GB/T 5528—2008执行。

2 结果与讨论

2.1 原料的理化指标测定结果

大豆油脱臭馏出物HPLC色谱图见图1。

图1 大豆油脱臭馏出物HPLC色谱图

酸价测定:参照GB/T 5530—2005执行。

水分及挥发物质量分数测定:参照GB/T 5528—2008执行。

大豆油脱臭馏出物的酸价为68.7 mg KOH/g，水分及挥发物质量分数为0.41%，α－生育酚质量分数为 0.49%。

2.2 大豆油脱臭馏出物甲酯化预处理

在250 mL四颈瓶中加入50 g大豆油脱臭馏出物，搅拌预热至65℃，再加入混合好的60 mL甲醇和1 g对甲苯磺酸溶液，回流80 min。反应完毕后旋蒸去除甲醇，残留物转移至分液漏斗，用6070℃的热水冲洗酯化样至pH 78，除去水层，得酯化产物，酯化率达97.53%。将酯化产物与丙酮以1∶1的比例置于锥形瓶中，冰箱中放置12 h后，析出甾醇晶体，经减压抽滤，滤液即为去甾醇酯化产物。原料经甲酯化及去甾醇处理后，α－生育酚回收率为99.96%，几乎没有损失。

2.3 分子蒸馏法浓缩α－生育酚

采用三级分子蒸馏浓缩α－生育酚，一、二级蒸馏旨在除去酯化产物中较轻的组分，如烃类、游离脂肪酸以及脂肪酸甲酯等。三级分子蒸馏主要是去除原料中的较重组分，以达到浓缩α－生育酚的目的。本级分子蒸馏采用响应曲面法进行试验设计和分析，分别考察刮膜器转速、蒸馏温度以及进料速率3个因素对试验结果的影响，并得到浓缩生育酚的优选工艺条件。

2.3.1 一级分子蒸馏

一级蒸馏为了除去沸点较低的组分，如:酮、醛、碳水化合物等。在真空度0.1 Pa，预热温度70℃，冷凝温度5℃及进料速度2 mL/min的条件下，考察蒸馏温度及刮膜器转速对α－生育酚质量分数及回收率的影响，结果如图2、图3所示。

由图2可知，α－生育酚质量分数随温度的升高而增大，而α－生育酚回收率随温度的升高先增大后减小。这是由于随着温度的升高，轻组分不断逸出，导致重组分产品中生育酚质量分数逐步增大;但随着温度的继续上升，生育酚等较重的组分也会随之逸出，从而导致生育酚的回收率下降。因此，蒸馏温度选择100℃较适宜。图3显示，α－生育酚质量分数及回收率随刮膜转速的提高先增大后减小，在400 r/min时达到最大值。进料速率过小，会导致蒸发壁面上的液膜过薄，经加热，重组分也会一并从薄膜蒸发，混入轻组分中，导致产品中，α－生育酚质量分数下降，回收率低;相反，如果进料速度过快，原料液在蒸发面的停留时间过短，轻组分则来不及蒸发便从蒸发面流下，被收集到重组分接收瓶中，导致产品质量分数降低。

2.3.2 二级分子蒸馏

二级蒸馏是为了除去酯化反应中生成的脂肪酸甲酯。在真空度0.1 Pa，预热温度90℃，冷凝温度5℃及进料速度2 mL/min的条件下，考察蒸馏温度及刮膜器转速对α－生育酚质量分数及回收率的影响，结果如图4、图5所示。

由图4可知，α－生育酚质量分数及回收率随温度的升高先增大后减小，在115℃附近达到最大。这是由于随着温度的升高，轻组分不断逸出，导致重组分产品中生育酚质量分数逐步增大;但随着温度的继续上升，生育酚等较重的组分也会随之逸出，从而导致重组分产品中生育酚的质量分数降低，回收率也下降。因此，蒸馏温度选择115℃较适宜。图5显示，α－生育酚质量分数及回收率随刮膜转速的提高先增大后减小，在300 r/min时达到最大值。进料速率过小，会导致蒸发壁面上的液膜过薄，经加热，重组分也会一并从薄膜蒸发而混入轻组分中，导致产品中α－生育酚质量分数下降，回收率低;相反，如果进料速度过快，原料液在蒸发面的停留时间过短，轻组分则来不及蒸发便从蒸发面流下，被收集到重组分接收瓶中，导致产品质量分数降低。

2.3.3 响应曲面法优化三级分子蒸馏

第3次蒸馏提高蒸发温度，可以除去沸点比较高的二酰甘油、三酰甘油，而生育酚在轻相中得到富集。根据Box－Behnken中心组合试验设计原理［10］，依据单因素试验结果，在真空度0.1 Pa，预热温度90℃，内冷温度65℃条件下，以蒸馏温度、刮膜器转速和进料速度为影响因素，设计三因素三水平响应曲面分析试验。因素水平如表1所示，试验方案及结果如表2所示。

表1 中心组合试验因素水平表

表2 中心组合试验方案及结果

以α－生育酚质量分数为响应值，通过Design－Expert 8.05b软件对表2数据进行分析，建立α－生育酚质量分数的二次响应曲面回归模型，回归方程为:

对回归方程进行方差分析，结果见表3。由表3可知，模型的P=0.000 1，表明该模型极显著，失拟项P=0.879 6＞0.05不显著，表明该模型拟合程度良好。在所选取的各因素水平范围内，按照对结果的影响排序，蒸馏温度的影响大于刮膜器转速，进料速度的影响不显著;二次项X32对响应值的曲面效应显著;交互项X1X3、X2X3对响应值的曲面效应显著。

表3 方差分析表

从典型值分析(表4)中可以看出，三因素的特征值有正有负，表明此二次响应曲面是鞍面，没有唯一最佳值，因此还需作岭嵴分析，进一步确定最佳响应值。

表4 典型分析表

岭嵴分析的原理是以原始设计中心点Xi=0(i=1，2，3，…，i)为球心，r为半径的超球面与响应曲面的交点(即嵴点)形成的轨迹范围内找出最佳响应值，即最佳工艺条件。每个坐标的编码值从零点开始不断扩大，半径r可以由试验者自行规定，但不能超出试验范围［11］。为便于分析，本试验选取r在0、0.1、0.2、…、1.0 上计算嵴点。表5 为岭嵴寻优分析结果，从表5中可以看出，编码半径为1.0时，响应值最大，为3.44%，此时蒸馏温度172.24℃，刮膜器转速 595.94 r/min，进料速度 2.73 mL/min。考虑到生产实际，选择蒸馏温度 172℃，刮膜器转速596 r/min，进料速度2.7 mL/min为优选工艺条件。

表5 岭嵴分析

2.4 验证试验

取1 L大豆油脱臭馏出物，经甲酯化、冷析脱甾醇，得到α－生育酚质量分数为0.48%的甲酯化产物。酯化产物按优选的工艺条件进行三级分子蒸馏，三级蒸馏产物平行测定三次，α－生育酚质量分数分别为3.40%、3.40%和3.42%，平均质量分数为3.41%，与岭嵴分析结果3.43%相近，说明响应曲面法分析所得模型是可靠的。取三级蒸馏产物10 g，加入20 mL乙醇溶液，于冰箱中放置12 h后取出，室温放置2 h，溶液分层，过滤析出甾醇晶体，上清液旋蒸去除乙醇，得到质量分数为3.59%的α－生育酚粗品。

3 结论

本试验采用刮膜式分子蒸馏器从大豆油脱臭馏出物中浓缩α－生育酚，根据单因素试验以及响应曲面分析，得到优选工艺条件为一级分子蒸馏，预热温度70℃，内冷温度5℃，真空度0.1 Pa，蒸馏温度100℃，刮膜器转速400 r/min，进料速度2 mL/min;二级分子蒸馏，预热温度90℃，内冷温度5℃，真空度0.1 Pa，蒸馏温度115℃，刮膜器转速300 r/min，进料速度2 mL/min;三级分子蒸馏，预热温度90℃，内冷温度65℃，真空度0.1 Pa，蒸馏温度172℃，刮膜器转速596 r/min，进料速度2.7 mL/min。三级蒸馏后重结晶脱甾醇，α－生育酚质量分数由原来的0.48%提高至 3.59%。

［1］Setiyo Gunawan，Novy S.Kasim，Yi－ Hsu Ju.Separation and purification of squalene from soybean oil deodorizer distillate［J］.Separation and Purification Technology 2008，60(2):128－135

［2］邵斌.天然 d－ α － 维生素 E［J］.中国食品添加剂，2000(2):78－83

［3］尤新.天然维生素E的功能和开发前景［J］.食品工业科技，2000，21(4):5 －6

［4］郭永红，张维农.天然维生素E的分离纯化研究进展［J］.粮油加工，2007(5):85－87

［5］胡小泓，刘文涛，刘昌伟.从大豆油脱臭馏出物中制备维生素 E 的工艺研究［J］.中国油脂，2002，27(2):78－80

［6］樊明涛，吴守一，马海乐.尿素包接法预浓缩α－维生素E的试验研究［J］.农业工程学报，2002，18(2):106 －109

［7］Hongtao Wang，Motonobu Goto，Mitsuru Sasaki，etal.Separation of α－tocopherol and squalene by pressure swing adsorption in supercritical carbon dioxide［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，2004，43(11):2753 －2758

［8］S T Jiang，P Shao1，L J Pan，et al.Molecular Distillation for recovering tocopherol and fatty acid methyl esters from rapeseed oil deodorizer distillate［J］.Biosystems Engineering，2006，93(4):383 －391

［9］林文，史益强，王志祥.分子蒸馏提取高纯度天然α－生育酚的研究［J］.中国粮油学报，2009，24(12):91－94

［10］George E P Box，J Stuart Hunter，William G Hunter.Statistics for experiments:an introduction to design，data analysis and model building［M］.New Nork:John Wiley＆ Sons Inc，1990

［11］黄燕，吴平.SAS统计分析及应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.