鲢鱼鱼油不饱和脂肪酸乙酯化工艺优化

何娜，涂宗财，*，王凡，石燕，王辉，沙小梅，黄涛

1(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌，330047)2(江西师范大学 生命科学学院，江西 南昌，330022)



鲢鱼鱼油不饱和脂肪酸乙酯化工艺优化

何娜1，涂宗财1，2*，王凡1，石燕1，王辉1，沙小梅2，黄涛1

1(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌，330047)2(江西师范大学 生命科学学院，江西 南昌，330022)

摘要以鲢鱼鱼油为原料，采用碱催化法对鱼油进行乙酯化，通过单因素实验和正交试验优化条件，确定鱼油乙酯化反应的最佳工艺参数组合为：催化剂NaOH添加量为鱼油质量的 0.2%、醇油摩尔比为 8∶1、反应温度为 75℃、反应时间为 1.5 h，该工艺下脂肪酸乙酯得率为 97.47%。

关键词鲢鱼鱼油；不饱和脂肪酸；乙酯化；碱催化法

鲢鱼，为四大家鱼之一，具有生长快、疾病少、产量高、价格低等特点，已成为淡水鱼加工的主要原料之一。鲢鱼的脂肪含量达 25% 左右，富含亚油酸，亚麻酸等多不饱和脂肪酸[1-2]。因此鲢鱼鱼油是一种附加值较高的功能性油脂。

鱼油中富含二十碳五烯酸 (EPA) 和二十二碳六烯酸 (DHA)，具有降血脂、预防动脉硬化和老年痴呆等功效，被广泛应用于保健品和医药品领域[3-5]。鱼油产品按 EPA 和 DHA 的存在形式分为甘油三酯型和非甘油三酯型(乙酯型和游离脂肪酸型)。甘油三酯型性质稳定，易吸收，但天然鱼油中甘油三酯型的含量较少不足以满足消费者的需求。因此，将甘油三酯型鱼油转换成乙酯型，通过不同的富集方法得到高含量不饱和脂肪酸乙酯型鱼油，再将它转换成甘油三酯型，已成为当今研究热点之一[6-7]。国内外对深海鱼油乙酯化的研究较多[8-11]，鲜见对淡水鱼油乙酯化的研究。然而，我国是淡水鱼养殖大国，对淡水鱼油进行乙酯化研究，并对其进行富集，有利于提高我国淡水鱼油的综合利用价值。

油脂乙酯化工艺按催化剂的不同主要分为3种：酸催化法、碱催化法以及酶催化法[12]。酸催化法催化速率较慢且多用于酸值高的甘油酯[13]，酶催化法乙酯得率不理想且价格昂贵，难以规模化生产[16]；碱催化法催化速率较快且温度较低，避免多不饱和脂肪酸的氧化分解[14-15]。因此，本研究以鲢鱼鱼油为原料，采用碱催化法对鲢鱼鱼油进行乙酯化，研究催化剂添加量、醇油比、反应温度和反应时间对乙酯得率的影响，确定最佳乙酯化工艺参数。

1材料和方法

1.1实验材料

鲢鱼鱼油(实验室自制)；无水乙醇，正戊烷(分析纯，天津市永大化学试剂有限公司)； NaOH(分析纯，西陇化工股份有限公司)； NaCl，无水Na2SO4(分析纯，天津大茂化学试剂厂)。

1.2仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，上海予正仪器设备有限公司； SHB-Ⅲ 循环水式多用真空泵，河南省予华仪器有限公司； HH-4 数显恒温磁力搅拌水浴锅，常州爱华仪器制造有限公司； N-1001 旋转蒸发仪，上海爱郎仪器有限公司。

1.3实验方法

1.3.1鱼油乙酯化

如图1所示，精确称取一定量的鲢鱼鱼油(记为m0)于250 mL三口烧瓶中，先置于恒温水浴锅中，机械搅拌下预热 30 min 至鱼油达到反应温度，按一定比例加入无水乙醇及NaOH固体，控制在反应温度下加热回流。反应结束后，将反应液倒入分液漏斗，趁热用饱和 NaCl 洗涤3次，静置分层。回收上层油相，减压旋转蒸发除去过量的乙醇，然后加入无水Na2SO4，静置过夜去除多余的水分。减压过滤除去Na2SO4晶体，得到粗乙酯产品，称量(记为m1)；将粗乙酯产品与同等体积的正戊烷混合，待液体完全互溶后，放置于-20 ℃ 冰箱中12 h ；减压抽滤去除未反应的甘油三酯，滤液通过旋转蒸发除去正戊烷，得到脂肪酸乙酯产品，称量(记为m2)。

(1)

1.恒温磁力搅拌器：2.三口烧瓶；3.冷凝管；4.温度计；5.磁力搅拌子；6.N2导管图1　乙酯化反应装置图Fig.1　Schematic diagram of esterification reacteror

1.3.2鱼油乙酯化工艺条件的选择

1.3.2.1乙酯化单因素实验

以醇油比、催化剂添加量、反应时间、反应温度为单因素，以乙酯得率为指标，通过单因素实验选出鱼油乙酯化的最佳工艺范围。参考其他乙酯化试验[9-10]，各因素试验范围设定如下：醇油比(无水乙醇与鱼油的摩尔比)为 4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1，催化剂NaOH添加量(占鱼油的质量)为： 0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50% ；反应时间为 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h ；反应温度为65、70、75、80、85 ℃。

1.3.2.2鱼油乙酯化工艺正交试验设计

根据上述单因素实验，选取催化剂添加量、醇油比、反应温度、反应时间这4个因素，每个因素取3个水平，制定 L9(34) 正交实验表进行正交试验分析，以乙酯得率为指标，确定最佳反应条件。

表1　L9(34) 正交实验因素水平表

1.3.3数据处理

数据采用 SPSS 17.0 软件进行分析。Origin 7.5 软件作图。

2结论与讨论

2.1单因素实验结果与讨论

2.1.1醇油比对鱼油乙酯化反应的影响

如图 2 所示，随着醇油比的增大，乙酯得率也随之增大；之后继续增加醇油比，乙酯得率无明显增加并趋于平缓。在 7∶1 之前都没有明显的分层，这是因为反应未完全产生的甘油一酯和甘油二酯导致乳化现象使得分层不明显。7∶1 之后过量的乙醇则造成浪费，且甘油极性溶解使得后期产物分离困难。因此，确定最佳醇油比为 7∶1。

图2　醇油比对乙酯得率的影响Fig.2　Effect of alcohol oil ratio on the yield of ethyl

2.1.2催化剂添加量对鱼油乙酯化反应的影响

如图3所示，随着催化剂添加量增加，乙酯得率先增加后降低；当催化剂添加量达到鱼油质量的 0.2% 时，乙酯得率达到最大值；继续增加反而会使得NaOH和甘油三酯脂肪酸发生皂化反应，从而降低乙酯得率。因此，确定催化剂的最佳添加量为 0.2%。

图3　催化剂添加量对乙酯得率的影响Fig.3　Effects of catalyst concentration on the yield of ethyl

2.1.3反应时间对鱼油乙酯化反应的影响

如图 4 所示，随着反应时间的增加，乙酯得率先增加后降低，在 2.0 h 时乙酯得率达到最高；继续延长反应时间，使得部分乙酯型鱼油被皂化，乙酯得率反而呈下降趋势。考虑到时间的延长对乙酯得率的影响，因此本实验选择 2.0 h 作为鱼油乙酯化反应的最优时间。

图4　反应时间对乙酯得率的影响Fig.4　Effects of reaction time on the yield of ethyl

2.1.4反应温度对鱼油乙酯化反应的影响

如图 5 所示，随着反应温度的升高，乙醇在反应过程中以气液两相状态存在，使得无水乙醇与鱼油接触充分，乙酯得率呈上升趋势；当温度达到 75 ℃ 时，乙酯得率达到最大；然而继续升高温度，无水乙醇挥发速度加快，造成反应不完全，同时会加剧皂化反应速率，乙酯得率反而降低。因此，本实验确定最佳的反应温度为 75 ℃。

图5　反应温度对乙酯得率的影响Fig.5　Effects of reaction temperature on the yield of ethyl

2.2正交试验分析优化鲢鱼鱼油乙酯化反应

对表2进行分析，结果显示，这4个因素对鱼油乙酯得率的影响大小依次为，醇油比>反应时间>催化剂添加量>反应温度。由表 3 方差分析结果可知，醇油比和反应时间对鱼油乙酯得率的影响有极显著差异 (P<0.01)，而催化剂浓添加量和反应温度对乙酯得率的影响不显著 (P>0.05)。综合表 2、表 3 分析结果，显示出最佳工艺组合为A2B3C2D1，即催化剂添加量为鱼油质量的 0.2%，醇油比为 8∶1，反应温度为 75 ℃，反应时间为 1.5 h。

2.3最佳工艺验证

根据上面的分析，得到最佳工艺A2B3C2D1组合。按照优化的鱼油乙酯化的工艺条件，经行3次验证实验，结果得到鱼油乙酯得率平均值为 97.47%，高于正交试验结果中的最优值，表明正交设计实验可行。

表2　正交试验结果

表3　方差分析结果

3结论

本实验对鲢鱼鱼油预处理工艺——鱼油乙酯化制备工艺条件进行优化，通过单因素实验和正交试验研究催化剂添加量、醇油比、反应温度、反应时间4个因素对乙酯得率的影响，得到最佳工艺条件是A2B3C2D1，即催化剂添加量为鲢鱼鱼油含量的 0.2%，醇油摩尔比为 8∶1，反应温度为 75 ℃，反应时间为 1.5 h，鱼油乙酯化得率可以达到 97.47%。本实验结果可以用于富集鲢鱼鱼油中的多不饱和脂肪酸，以提高鲢鱼鱼油的产品附加值。

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Ethyl esterification for unsaturated fatty acids of fish oil from Silve Carp

HE Na1,TU Zong-cai1,2*,WANG Fan1,SHI Yan1,WANG Hui1,SHA Xiao-mei1,HUANG Tao1

1(State Key Laboratory of Food Scie1nce and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)2(College of Life Science,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

ABSTRACTIn this study, fish oil from Silver Carp was used as the raw material to study unsaturated acid esterification catalyzed by sodium hydroxide. By the single factor experiments and the orthogonal experiments, the best conditions for fish oil ethyl ester were obtained as following. The addition amount of sodium hydroxide was 0.2% (w/w) of fish oil weight. The molar ratio of methanol to oil was 8∶1. The reaction temperature was 75 ℃, and the reaction time was 1.5h. The yield of ethyl ester was 97.47%.

Key wordsfish oil from Silve Carp; unsaturated fatty acid; ethyl esterification; alkali catalysis

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606023

基金项目：国家高技术研究发展计划专项经费资助(863项目)(No.2011AA100803);江西省重大生态安全问题监控协同创新中心资助项目(No.JSX-EW-00);江西省现代农业产业技术体系建设专项资金资助(JXARS-04)

收稿日期：2015-10-11，改回日期：2015-11-17

第一作者：硕士研究生(涂宗财为通讯作者，E-mail:tuzc_mail@aliyun.com)。