脂肪酸甲酯制备工艺及尿素包埋降低饱和度的研究

仇宏图， 姜宏宇， 张 华

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

工业革命以后石油的需求量越来越大，同时伴随愈来愈严重的温室效应。为解决环境污染，许多国家都在寻找较低能耗的条件下最实用的石油替代品。利用延黄牛副产物牛脂制备脂肪酸甲酯，不但能够增加农民收入，还可以掀起广大农户饲养延边黄牛的新热潮，有利于推进新农村建设和小康社会的步伐，对稳定边疆少数民族地区有重要意义。但采用饱和脂肪酸含量在50%左右的延黄牛脂制备脂肪酸甲酯利用于生物柴油，其饱和度高，低温流动性随之减弱。目前，改善低温流动性的方法有石油柴油调和、添加降凝剂、结晶分馏、蒸馏等方法[1-4]。

降低饱和脂肪酸含量是改善低温流动性的重要方法之一。Schlenk等[5]报道，在油脂的分馏技术中有一种尿素包合法具有很好的应用价值，可通过分提的方法降低其饱和度，解决在低温中容易凝固的问题。尿素包合法具有投资少、成本低、操作简便且环境污染少等优点，国外多用于脂肪酸的分提[6-9]。在国内彭秦南等[10]以棉籽油为原料证明了尿素添加量以及包合次数增多，不饱和甲酯的纯度会提高，但得率会下降。王车礼等[11]以废弃的油脂为原料，甲酯化后通过尿素包合法，分提出不饱和脂肪酸甲酯。陶川东等[12]证实，尿素包合法能高效分提出不饱和甲酯，饱和脂肪酸包埋在尿素层，不饱和脂肪酸则在溶剂层。陈苗等[13]以尿素包合法分提出C16和C18的脂肪酸甲酯，作为原料合成农产品涂膜的保鲜新材料。由于尿素包合过程中的条件控制对分提效果影响非常大，而在以往的研究中都是分析讨论在较长时间和低温情况下尿素包合分提的效果[14]。

脂肪酸种类、碳链长度、脂肪酸不饱和程度和脂肪酸在甘油三酯中的分布都会影响油脂的性质，从而影响酯化反应的速度。因此，本试验首先优化了制备延黄牛脂脂肪酸甲酯的条件，其次利用饱和脂肪和尿素溶液易形成尿素复合物的原理，对饱和度较高的延黄牛酯进行分提，主要对尿素用量、分提方法进行研究，预期降低溶剂层饱和脂肪酸甲酯含量，从而改善延黄牛脂脂肪酸甲酯低温流动性，包埋层富集油酸，降低工业生产成本，提高副产物的利用率。

1 材料与方法

1.1 材料

延黄牛脂(自制)；氢氧化钾(KOH)，无水硫酸钠；甲醇，正己烷均为色谱纯；蒸馏水；尿素。

1.2 仪器与设备

HJ-4多头磁力加热搅拌器；直立式N-1100 D-W旋转蒸发仪；SI-0246漩涡混合器；氮气吹扫仪；气相色谱仪GC System 7890A(美国安捷伦公司)；恒温水浴锅；恒温干燥箱等。

1.3 方法

1.3.1 牛脂的制备

利用水提法制备延黄牛脂，先将延黄牛脂肪粉碎，100 ℃煮沸1 h，上层牛油溶于正己烷通过无水硫酸钠干燥、旋蒸得到牛脂。

1.3.2 脂肪酸甲酯的制备

延黄牛脂溶于氢氧化甲醇溶液置于圆底烧瓶中，放入搅拌子磁力搅拌，恒温水浴反应，将反应液加正己烷和蒸馏水，在分液漏斗中静置分层，取上层液体通过无水硫酸钠干燥、旋蒸得到脂肪酸甲酯[15-16]。

1.3.3 尿素包合法分提

尿素与甲醇按1∶5 (g∶mL)配制溶液，加热搅拌至尿素完全溶解后，取一定量尿素甲醇溶液加入到2 g脂肪酸甲酯血清瓶中，一定温度下放置一段时间进行包埋。包埋完成后，正己烷提取，取溶液层通过无水硫酸钠干燥、氮吹仪吹干有机溶剂，样品进行脂肪酸组成分析。包埋层继续分提油酸甲酯。

1.3.4 脂肪酸甲酯的分析

气相色谱分析条件： SPTM-2560毛细管柱(100 m×0.25 mm×0.20 μ m)；载气He流速为0.7 mL/min，H2流速30 mL/min，空气流速300 mL/min；柱温150 ℃，进样温度250 ℃，气化温度260 ℃，检测温度220 ℃，进样量3 μL[17]。

表1 延黄牛酯尿素包合分提条件

续表1 延黄牛酯尿素包合分提条件

1.3.5 计算公式

脂肪酸甲酯得率/%=脂肪酸甲酯质量/原料油质量×100

脂肪酸甲酯回收率/%=原脂肪酸甲酯百分比-分体后脂肪酸甲酯百分比/原脂肪酸甲酯百分比×100

1.3.6 数据分析

采用F检验法以及SPSS 19.0软件中的Duncan检验法进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 制备脂肪酸甲酯的单因素试验

2.1.1 不同反应时间对延黄牛酯得率的影响

10 g延黄牛脂，0.1 g KOH，反应温度6 0 ℃，醇油摩尔比8∶1，反应时间为0.5、1、1.5和2 h时，随着反应时间的增加，延黄牛酯的得率呈先上升后下降趋势，在1.5 h时达到最高。

图1 不同反应时间对延黄牛酯得率的影响

甘油三酯和甲醇进行酯交换反应是连续可逆反应，结果表明，在上述条件1.5 h后，由于产物中H2O含量的增加开始进行逆反应。

2.1.2 不同反应温度对延黄牛酯得率的影响

10 g延黄牛脂，0.1 g KOH，反应时间1.5 h，醇油摩尔比8∶1，反应温度为50、60、70和80 ℃时，随着反应温度的增加，延黄牛酯得率呈先上升再下降的趋势，在70 ℃时达到最高(图2)。在80 ℃时趋于降低的原因是由于反应温度过高反应速率加快，在特定的反应时间内产生了逆反应的缘故。

图2 不同反应温度对延边黄牛酯得率的影响

2.1.3 不同醇油摩尔比对延黄牛酯得率的影响

10 g延黄牛脂，0.1 g KOH，反应时间1.5 h，反应温度70 ℃，测定不同醇油摩尔比(6∶1、8∶1、10∶1和12∶1)延黄牛酯得率的结果表明，随着醇油摩尔比的增加，延黄牛酯的得率呈上升的趋势，这可能是因为随着甲醇含量的增加，延黄牛脂溶解度增加反应更充分的原因。当醇油摩尔比达到10∶1之后，延黄牛酯得率增加缓慢(图3)。

2.2 制备脂肪酸甲酯正交试验

根据单因素试验，以延黄牛酯的得率为研究对象，依照单因素试验反应时间、反应温度和醇油摩尔比3个因素，并设置1个空列，每个因素3个水平进行L9(34)正交试验。正交试验研究因素和水平见表2，试验水平设计与结果见表3。

图3 不同醇油摩尔比对延黄牛酯得率的影响

表2 L9(34)正交试验因素水平表

表3 制备延黄牛酯正交试验

由表3的R值可知，温度对延黄牛酯的得率影响最大，其次是醇油摩尔比，时间影响最小，即各因素的影响大小顺序为B>C>A，由-k值可知,最优条件为A2B2C3，与表中最大得率值组合A3B2C3不一致。通过验证试验，得出最优条件为A2B2C3，即最优反应时间1 h，反应温度70 ℃，醇油摩尔比12∶1，此时延黄牛酯得率为87.61%，比Zhang等[18]在0.1 g KOH，反应时间0.5 h，醇油摩尔比15∶1，反应温度65 ℃时制备的牛脂脂肪酸甲酯得率(82%)提高了5.61百分点。

2.3 尿素包合法分提不饱和脂肪酸及油酸的回收

由表4可知,随着液料比的增大溶剂层总饱和脂肪酸含量降低，10L30饱和脂肪酸含量显著低于10L10和10L20样品(P<0.05)，使用相同溶剂的10L30，2 L，2 L(hex)，25 L样品比较中2 L，2 L(hex)饱和脂肪酸含量显著低于25 L(P<0.05)，这是因为包合温度的升高增加了分子的运动使得脂肪酸甲酯被包合不牢固易脱离包合物所致[19]。3次连续式包合结果使用35 ℃的尿素甲醇溶液的3 th(C)样品饱和脂肪酸含量显著高于使用60 ℃的尿素甲醇溶液的3 th(H)样品，使用60 ℃溶液包合效果更佳。2 L(hex)样品包合后饱和脂肪酸含量为3.74%，显著低于其它包埋组，最能改善低温流动性。

表4 延黄牛酯尿素包合溶剂层脂肪酸组成

注：∑SFA：总饱和脂肪酸含量；a-f：同一行不同字母表示差异显著(P<0.05)；hex：正己烷，C：35 ℃的尿素甲醇溶液，H：60 ℃的尿素甲醇溶液。

由表5可知，包埋层油酸包埋率也较高，平均达到36.71%，因此，选取几组样品进行油酸甲酯回收率研究。

表5 延黄牛酯尿素包合层脂肪酸组成

注：∑SFA：总饱和脂肪酸含量；∑C18∶1：总油酸含量；hex：正己烷，C：35 ℃的尿素甲醇溶液，H：60 ℃的尿素甲醇溶液。

由表6可知，原料∶尿素∶甲醇比例为1∶2∶12，在25 ℃，包合2 h的油酸回收率最佳，为53.47%，原料与尿素比例为1∶4时，在相同温度下不如1∶2，这是由于使用大量尿素包埋的同时，不仅增加了对饱和脂肪酸等包埋量，也会增加油酸的包埋量，从而导致油酸的回收率相对降低。在常温(25 ℃)和-5 ℃条件下进行尿素包合，常温条件下油酸回收率更好，这是因为包合温度的升高使得脂肪酸甲酯包合速度缓慢。在相同温度条件下使用甲醇溶剂比使用乙醇溶剂油酸回收率更佳。

表6 尿素包合法回收油酸甲酯脂肪酸组成

Table 6 Fatty acid composition of emrichment of methyl oleac from YanbianYellow Cattle attle fatmethyl esters solid part by urea fractionation

C14∶0C14∶1C16∶0C16∶1C18∶0C18∶1C18∶1n7C18∶2∑C18∶1回收率1∶1∶5,2 h,25 ℃包合前5.23±0.090.47±0.6740.77±0.911.77±0.2323.81±0.6126.81±1.331.13±0.160.00±0.0027.94%包合后4.97±0.250.62±0.0343.44±2.171.45±0.0729.03±1.4519.16±0.960.83±0.040.49±0.0219.96%28.56%1∶2∶12,2 h,25 ℃包合前4.62±0.060.91±0.3435.45±4.162.38±0.0321.81±3.4232.17±6.201.59±0.571.07±0.4433.76%包合后4.15±0.210.43±0.0242.13±2.111.37±0.0735.83±1.7915.09±0.750.62±0.030.38±0.0215.71%53.47%1∶1∶5,10 min,25 ℃包合前3.85±0.261.15±0.0427.64±0.274.09±0.3616.57±0.3642.91±0.422.06±0.251.73±0.1145.05%包合后4.96±0.25 1.01±0.04 35.78±1.783.17±0.15 23.94±1.1928.70±1.471.27±0.06 1.16±0.06 29.97%33.47%1∶4∶24,2 h,-5 ℃(EtOH)包合前4.24±0.133.16±2.4936.67±1.913.13±0.7520.60±1.9929.60±4.961.41±0.131.19±0.4231.01%包合后5.02±0.250.28±0.0138.77±1.941.56±0.0824.08±1.2028.55±1.431.38±0.070.37±0.0229.94%3.45%1∶4∶24,2 h,-5 ℃(MeOH)包合前4.54±0.270.89±0.3132.51±3.783.27±0.8320.18±2.9935.47±5.381.69±0.181.45±0.3337.16%包合后5.17±0.260.00±0.0038.53±1.930.00±0.0022.90±1.1533.40±1.670.00±0.000.00±0.0033.40%10.12%1∶4∶24,2 h,25 ℃包合前4.18±0.080.85±0.0932.72±0.843.26±0.0822.07±0.3333.93±1.041.68±0.321.31±0.0535.61%包合后4.87±0.240.00±0.0043.33±2.170.00±0.0027.63±1.3824.17±1.210.00±0.000.00±0.0024.17%32.12%

注：EtOH：乙醇，MeOH：甲醇；∑C18∶1：总油酸含量；原料：尿素：甲醇比例1∶1∶5,1∶2∶12,1∶4∶24。

2.4 延黄牛脂分提前后气相色谱图

图4为延黄牛脂脂肪酸甲酯分提前后脂肪酸组成气相色谱图。由图可知，延黄牛脂主要包含肉豆蔻酸(C14∶0)、 棕榈酸(C16∶0)、 硬脂酸(C18∶0)等饱和脂肪酸，C14∶0含量从4.49%降到1.59%， C16∶0含量从29.39%降到2.15%， C18∶0则全部被去除。

图4 延黄牛脂分提前后脂肪酸组成

3 结论

通过设计单因素试验和正交试验对化学法制备脂肪酸甲酯的优化条件表明，制备延黄牛酯的最优条件为反应温度70℃，醇油摩尔比12∶1，反应时间1 h，此时脂肪酸甲酯得率最高，为87.61%，采用尿素包合法对延黄牛酯分提，液料比1∶15(g∶mL)，包埋温度25 ℃，包埋时间20 h时，延黄牛酯溶剂层中饱和脂肪酸含量达3.74%，肉豆蔻酸(C14∶0)甲酯含量从4.49%降到1.59%，棕榈酸(C16∶0)甲酯含量从29.39%降到2.15%，硬脂酸(C18∶0)甲酯则被全部去除。尿素层再次分提，油酸回收率在53%以上。