快速甲酯化-气相色谱法测试油脂组成
2014-12-27付骋宇吴兆美
付骋宇 李 莹 梁 靓 吴兆美 蒋 炜
(陕西出入境检验检疫局1，西安 710068)(四川大学化工学院2，成都 610065)
快速甲酯化-气相色谱法测试油脂组成
付骋宇1李 莹1梁 靓1吴兆美2蒋 炜2
(陕西出入境检验检疫局1，西安 710068)(四川大学化工学院2，成都 610065)
针对油脂脂肪酸成分的测定，建立了一套以四氢呋喃为共溶剂，经甲酯化后以气相色谱测定各甲酯含量，确定油脂中对应脂肪酸三酰甘油含量的快速甲酯化-气相色谱分析的的方法。该法可有效提高甲醇/油脂体系甲酯化反应速率和油脂转化率，提升分析测试速率和准确性，实现油脂成分快速测定。结果表明，本方法线性关系良好，精密度高，相对偏差RSD≤2.02%，四氢呋喃不影响气相色谱分析结果，3种典型组分3种不同浓度加标回收率在96.14%～103.45%之间，甲酯化过程三酰甘油转化率可达95%，可以准确的测定甲酯化反应液中各脂肪酸组成的含量。
生物柴油 共溶剂 四氢呋喃 气相色谱 脂肪酸甲酯
生物柴油是指以植物油、动物油脂等可再生生物资源与短链醇酯交换反应生产的一种新兴生物能源，其发展关键是原料油[1]。不同原料油由于来源和产地不同[2-4]，所得生物柴油甲酯组成含量均不相同，进而影响其理化性质和产品质量，导致产品储存、运输、使用上的差异。因此必须对生物柴油原料组分进行测试。
现阶段对油脂成分的检测手段，国标方法以GB/T 17376—2008的三氟化硼法或三甲基氢氧化硫法或酯交换法实现脂肪酸三酰甘油的甲酯化[5]，以GB/T 17377—2008气相色谱法对脂肪酸甲酯成分进行检测[6]，从而确定油脂中所含脂肪酸种类与含量。现有甲酯化方法测试过程繁琐且速度较慢，反应转化率低导致测量误差大，且使用的药品昂贵毒性大。而目前生物柴油制备方法发展迅速[7-8]，其中均相催化因反应速率相对较快而适合于脂肪酸甲酯的制备，国标采用酯交换法即基于此原理。但由生物柴油制备原理可知，在低温情况下，均相碱催化酯交换反应，反应耗时仍较多，反应转化率较低。若在反应体系中加入共溶剂[9-10]，可有效改善油脂与甲醇混合状况，大幅度提高反应速度和脂肪酸甲酯收率。
本研究以四氢呋喃和异辛烷为添加剂，对共溶剂提高油脂甲酯化速度的可行性进行系统研究，并在此基础上提出一种用于测试油脂组成的快速甲酯化-气相色谱结合的新方法，对该方法的精密度和再现性进行了系统考察，并与现有标准对比。
1 材料与方法
1.1 药品及设备
Agilent 7890A气相色谱仪、HP-88(100 m×0.25 mm×0.33 μm)毛细管柱： 美国Agilent公司；TGL—16G台式高速离心机：上海安亭科学仪器厂；AL204—IC电子天平：梅特勒-托利多；酸值0.53的鲤鱼牌菜籽油：市售；脂肪酸甲酯标准品(supelco)、棕榈酸甲酯标准品(AccuStandard)、硬脂酸甲酯标准品(AccuStandard)、油酸甲酯标准品(AccuStandard)、三油酸甘油酯(AR)、三棕榈酸甘油酯(AR)、三硬脂酸甘油酯(AR)：成都艾科试剂。
1.2 试验步骤
1.2.1 甲酯化反应试验
称取一定量的菜籽油置于带有冷凝管的500 mL三口烧瓶中，搅拌，水浴加热至一定温度后，加入一定量的甲醇/氢氧化钾溶液及共溶剂，并开始计时。反应一定时间后将反应产物倒入烧杯中冷却，再转入分液漏斗静置分层。上层为脂肪酸甲酯层即粗生物柴油，下层是甘油层。采用化学方法(GB/T 13216.6—1991)定量检测甲酯层和甘油层的甘油含量，确定甲酯化转化率。
1.2.2 油脂组分分析试验
将油脂溶解在四氢呋喃或异辛烷中，加入氢氧化钾甲醇溶液甲酯化；反应完全后，用硫酸氢钠中和剩余氢氧化钾以避免甲酯皂化；离心分离后将甲酯通过色谱进样，加入1.0 mL质量浓度为0.6 mg/mL的十三酸甲酯为内标。色谱条件：载气流量：2.0 mL/min，柱温升温程序：初始温度140 ℃，保持5 min，以2 ℃/min 速率升温到190 ℃，保持1 mim，再以4 ℃/min速率升温到240 ℃，保持10 min。进样口温度230 ℃分流比5∶1，进样量 1 uL。 FID检测器温度280 ℃，H2流速 40 mL/min，空气流速 450 mL/min。
模拟油品配置：将0.1 g硬脂酸三酰甘油，0.1 g棕榈酸三酰甘油和0.1 g油酸三酰甘油混合物分别溶解于100 mL四氢呋喃或100 mL异辛烷中，40 ℃水浴加热搅拌至完全溶解后静置，配置为总甘油酯浓度为3 mg/mL，不同三酰甘油浓度均为1 mg/mL的四氢呋喃或异辛烷模拟油品，用于分析方法对比试验。
2 结果与讨论
2.1 异辛烷对甲醇/油脂体系互溶性影响
图1是添加不同量的异辛烷后，甲醇/油体系的互溶情况，从左到右异辛烷的添加量分别是0%、1%、5%、10%、15%。
由图1可知，未添加异辛烷时原料油与甲醇呈现两相分层。添加1%异辛烷后形成浑浊的乳浊液；随着异辛烷添加量的增加，乳浊液逐渐澄清直至到添加15%异辛烷后呈现清澈的一相，证明在该添加量下，异辛烷能将不互溶的原料油和甲醇两相完全均匀互溶。
图1 不同异辛烷添加量下甲醇/油脂体系互溶性
2.2 四氢呋喃对甲醇/油脂体系互溶性影响
图2是添加不同量的四氢呋喃后，甲醇/油体系的互溶情况。
注：从左到右四氢呋喃的添加量分别是0%、1%、5%、10%、15%。图2 不同四氢呋喃添加量下甲醇/油脂体系互溶性
从图2可知，四氢呋喃对甲醇/油脂体系互溶性的影响与异辛烷类似。未添加四氢呋喃时原料油与甲醇呈分层两相；逐渐添加四氢呋喃至10%，甲醇/油脂体系由不互溶到生成浑浊乳液直至完全互溶。由图2可清晰观测到上述过程。
2.3 共溶剂对甲酯化反应转化率影响
对不同异辛烷及四氢呋喃添加量条件下，测试甲醇和油脂甲酯化反应60 min后转化率，结果如图3所示。
由图3可知，当异辛烷添加量为1%时，菜籽油转化率与未添加共溶剂时相比基本没有影响，这可能是因为此时体系为乳浊液，传质效率低。当异辛烷添加量为5%时，菜籽油转化率增长为89.73%；异辛烷添加量继续增大时，转化率基本保持不变，可认为此时反应达到平衡。添加四氢呋喃对甲酯化反应转化率影响与异辛烷类似，添加1%四氢呋喃菜籽油转化率即增大至90.19%，继续增大四氢呋喃添加量，转化率基本保持不变。
试验证明，添加异辛烷或四氢呋喃均能有效提高甲醇/油脂甲酯化反应的转化率，四氢呋喃助溶效果优于异辛烷。当共溶剂添加量大于5%，继续增大共溶剂用量对甲酯化反应转化率无影响。
图3 异辛烷和四氢呋喃添加量对菜籽油转化率的影响
2.4 共溶剂对甲酯化反应时间的影响
分别对未添加共溶剂和添加了5%异辛烷及5%四氢呋喃的甲醇/油脂体系在不同反应时间的转化率进行了测定，结果如图4所示。
由图4可知，添加四氢呋喃或异辛烷对于甲酯化反应速率均有明显促进作用，而添加四氢呋喃效果优于异辛烷。当反应时间为6 min时，甲酯化反应即趋于稳定，转化率可达到89.42%，高于添加异辛烷时的58.22%和未加入共溶剂时的48.53%。当反应时间超过10 min后，添加异辛烷反应趋于稳定，转化率为85.98%，高于无共溶剂时68.95%，但低于添加四氢呋喃时的90.56%；当反应时间40 min时，添加四氢呋喃、异辛烷及无共溶剂情况下，甲酯化反应转化率分别为90.45%、89.73%和87.98%。
对比添加异辛烷、四氢呋喃以及未添加共溶剂的甲酯化反应的转化率随反应时间的变化情况，3种条件下转化率随反应时间的整体趋势是一致的。但添加共溶剂后，明显缩短了达到最大转化率的反应时间，证明共溶剂的添加确实能加快甲酯化反应的反应速度，且四氢呋喃作为共溶剂提高反应转化率和加快反应速度的效果均优于异辛烷。因此选择四氢呋喃作为快速甲酯化-气相色谱法测试油脂组分过程的添加剂。
图4 不同共溶剂对甲酯化反应时间的影响
2.5 共溶剂四氢呋喃分离度
利用四氢呋喃作为共溶剂促进甲酯化反应，反应后甲酯相为甲酯与四氢呋喃混合物，对助溶剂四氢呋喃与37种脂肪酸甲酯混合标准样品按GB/T 17377—2008测试条件进行测定，考察四氢呋喃与各脂肪酸甲酯的分离度，结果如图5所示。
由图5可知，共溶剂四氢呋喃与标准品中各组分甲酯组分均能达到基线分离，所得结果与标准分离图谱一致，证明共溶剂四氢呋喃不干扰甲酯组分测定。
注：* 四氢呋喃；1 棕榈酸甲酯；2硬脂酸甲酯；3 油酸甲酯。图5 四氢呋喃与脂肪酸甲酯标准色谱图
2.6 精密度测试
分别对菜籽油和麻风树籽油加入5%四氢呋喃后进行快速甲酯化反应，加入1.0 mL质量浓度为0.6 mg/mL的十三酸甲酯为内标，以GB/T 17377—2008测试条件对其组成进行5次测定，以油脂中常见组分棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯和油酸甲酯作为质控指标，确定其相对标准偏差( RSD) ，结果如表1、表2所示。
由表1、表2可知，测定结果最大RSD为2.02%，均小于3%，表明试样测定效果重复性好，测试方法精密度良好。
表1 麻风树籽油测试精密度试验(n=5)
表2 菜籽油测试精密度试验(n=5)
2.7 加标回收率测试
按2.6方法，在菜籽油中按线性范围内加入不同量的棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯标准样品后进行甲酯化反应，加入1.0 mL质量浓度为0.6 mg/mL的十三酸甲酯为内标，进行5次平行气相色谱分析，对其进行加标回收率分析，结果如表3所示。
由表3可知，使用该测试方法，棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯3种标准品的加标回收率均在93.52%～103.45%之间，表明本方法系统误差较小，回收率及重现性良好，试验测定的准确性能够满足试验需要。
表3 3种典型脂肪酸甲酯加标回收率的测定(n=5)
2.8 对比测试
分别以四氢呋喃模拟油品按2.6方法进行甲酯化反应，以异辛烷模拟油品按照GB/T 17376—2008进行甲酯化反应，对上述甲酯化标样中加入1.0 mL质量浓度为0.6 mg/mL的十三酸甲酯为内标，进行5次平行气相色谱分析，并根据甲酯质量浓度测试结果根据反应方程转化为对应三酰甘油质量浓度，确定不同三酰甘油在甲酯化过程中的转化率，结果如表4所示。
表4 分析方法对比试验(n=5)
由结果可知，该测试方法相比现有国标法，其甲酯化过程三酰甘油转化率可达95%，脂肪酸含量测试结果更为可信。
3 结论
采用四氢呋喃为共溶剂，可有效提高甲醇/油脂体系甲酯化反应速率和转化率，实现油脂成分的快速测定。采用FID检测器，在优化色谱条件下，能将四氢呋喃与脂肪酸甲酯完全分离并进行准确定量测定。本方法线性关系良好，精密度高，相对偏差RSD≤2.02%，3种典型组分的3种不同浓度加标回收率均在96.14%～103.45%之间，甲酯化过程三酰甘油转化率可达95%，可以准确的测定甲酯化反应液中各脂肪酸组成的含量。
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[5]GB/T 17376—2008，动植物油脂脂肪酸甲酯制备[S]
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The Rapid Determination of the Aliphatic acid Content of Oil with Fast Methyl Esterification and Gas Chromatography
Fu Chengyu1Li Ying1Ling Liang1Wu Zhaomei2Jiang Wei2
(Shaanxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau1, Xi′an 710068)(School of Chemical Engineering, Sichuan University2, Chengdu 610065)
In the paper, a rapid analysis method combining with methyl esterification reaction of aliphatic acid and gas chromatography detection of aliphatic acid methyl ester (FAME)was established to determine the content of varied aliphatic acid triglyceride ingredient in oil with tetrahydrofuran (THF) as cosolvent in methyl esterification
process. The adding of cosolvent, THF, could enhance the intermiscibility between aliphatic acid and methanol during reaction; increase the reaction rate and oil conversion promote the reaction speed of methyl esterification process and accuracy of FAME analysis. The results showed that the new combined method had a good linear relationship and high degree of precision compared to traditional analysis method. The adding of THF had no affect on the analysis of FAME via gas chromatography. The relative standard deviations of such rapid combined method were no more than 2.02%, and the average addition standard recoveries of three typical aliphatic acid methyl esters, oleic acid methyl ester, stearic acid methyl ester, and palmitic acid methyl ester were from 96.14% to 103.45%. The conversion of three typical triglyceride, oleic acid triglyceride, stearic acid triglyceride and palmitic acid triglyceride could reach over 95% in methyl esterification process. The actual aliphatic acid ingredient could be determined rapidly and accurately via the combined analysis method.
biodiesel, cosolvent, tetrahydrofuran, gas chromatography, aliphatic acid methyl ester
TQ646.4
A
1003-0174(2014)06-0104-05
陕西省工业科技攻关(2011K08-29)
2013-07-01
