分子蒸馏技术提取茶油脱臭馏出物中维生素E

付建平，韩晓丹，胡居吾，熊伟，吴磊

江西省科学院应用化学研究所（南昌 330096）

油茶籽油需经脱胶、脱酸、脱色、脱臭等精炼工序才能达到消费者食用要求。油脂脱臭时产生大量副产品——脱臭馏出物，其主要成分为游离脂肪酸、甘油酯、天然维生素E（生育酚）、甾醇、甾醇酯及氧化产物，其中最有开发价值的是天然维生素E。天然维生素E是四种生育酚和四种生育三烯酚的混合体，根据苯环上被甲基化的位置序数不同分为α-、β-、γ-、δ-生育酚和α-、β-、γ-、δ-生育三烯酚[1-2]。维生素E具多种生理功能活性，被广泛应用于化妆品、医药、食品等行业[3-4]。油茶籽油中含有丰富的维生素E，然而在对毛油进行精炼后发现维生素E等营养物质的损失较大，直接导致茶油品质的下降，其损耗大部分残留于皂脚和脱臭馏出物中。综合利用茶油加工过程中的副产物，将其中活性物质提取出来，变废为宝，具有重要的研究和经济价值[5]。目前国内应用油脂为原料制备天然高含量维生素E的方法主要有超临界萃取法（SFE）和分子蒸馏法（MD）等[6-7]。超临界CO2萃取（SCDE）具有萃取能力强、无毒、安全、来源广泛、易于从产品中去除等优点，是近年来发展较快的绿色提取技术。但脱臭馏出物中非挥发性组分和色素物质含量高，这些非挥发性组分主要是不饱和脂肪酸，易发生自氧化，此外色素也会影响精油的储藏，因此超临界萃取物品质恶化快。储藏期较短[8-9]。分子蒸馏技术是依据混合物分子运动平均自由程的差别，在远低于其沸点的温度下将其分离。因此，分子蒸馏技术特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。此次试验采用多级分子蒸馏技术提取茶油脱臭馏出物中的天然维生素E，建立从原料到产品的维生素E含量分析方法，以期为工业化生产提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 仪器和试剂

KDL5型分子蒸馏仪（德国UIC公司）；HY-8（A）型振荡器（常州市凯航仪器有限公司）；TDL-40B型台式大容量离心机（上海安亭科学仪器厂）；S-501型液相色谱仪（德国Sykam）；RE52CS-1旋转蒸发器（上海亚荣生化仪器厂）；上DHG-9076A电热恒温鼓风干燥箱（海精宏实验设备有限公司）；KQ-2200超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；ALB-224分析天平（赛多利斯科学仪器北京有限公司）；等。

干氢强酸性阳离子交换树脂；球形5A型分子筛；乙醚、乙醇、氢氧化钾以及无水硫酸钠均为分析纯；色谱级甲醇；分子筛；α-生育酚、β-生育酚标准品；茶油脱臭馏出物（江西万山油茶有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 酯化过程将脂肪酸转化为脂肪酸乙酯，可以拉大维生素E与游离脂肪酸的沸点差和溶解度，为下一步的分离提供较好的原料[10]。在对油茶籽油脱臭馏出物进行酯化预处理时，按一定料液比将原料加入乙醇中，而后加入一定量催化剂阳离子交换树脂和分子筛，反应一定时间后洗涤反应产物，从而得到以维生素E和脂肪酸乙酯为主要成分的混合物，将混合物进行超声冷冻结晶从而进一步得到分子蒸馏原料。反应转化率定义为已转化的羟基的摩尔数与脱臭馏出物中总羟基的摩尔数之比，可根据反应物酸价的变化来计算。取3～4 g反应物，用50 mL无水乙醇和无水乙醚的混合液（1∶1，V/V）溶解，以0.1 mol/L的氢氧化钾标准溶液进行酸碱滴定，计算酸价[11]和转化率。

1.2.2 分子蒸馏分离

将500 g通过上述方法处理而得到的原料在不同温度、不同刮膜转速下，以不同的进料速率进入分子蒸馏装置。在此过程中考察分子蒸馏加热壁面温度、刮板转速以及进料速率对分离以维生素E和脂肪酸乙酯为主要成分的混合物中脂肪酸乙酯的影响。以产品中维生素E含量作为检测指标。在开启分子蒸馏前，应注意各排气阀的密封性并确保冷阱中充满液氮以更好地确保真空度及保护油扩散泵。

1.2.3 高效液相色谱法测定维生素E的含量

1.2.3.1α-生育酚标准溶液的制备

准确称量100 mgα-生育酚标准品放入100 mL容量瓶中，用乙醇溶液稀释至刻度值，配成质量浓度为1 mg/mL的标准溶液。用取样器分别取出一定量1 mg/mL的标准溶液，用乙醇稀释，配成质量浓度分别为10，20，30，40和50 μg/mL的生育酚标准溶液。

1.2.3.2 待测溶液的制备

称取1.0 g左右以上分离提取过程最后得到的样品，放入25 mL容量瓶中，用乙醇稀释至刻度，配成待测溶液，放入冰箱中。

1.2.3.3 HPLC分析

色谱条件：ODS C18色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流动相，甲醇-水溶液（98∶2，V/V）；检测波长，300 nm；流速，1 mL/min；柱温，30 ℃。

2 结果与讨论

2.1 酯化反应结果分析

通过对脱臭馏出物进行酯化处理，使其酸价降到3 mg KOH/g以下，大部分的脂肪酸转化为脂肪酸乙酯，为下一步的分子蒸馏提供比较好的原料。针对脱臭馏出物体系，从酯化结果来看，所采用的强酸性阳离子交换树脂具有较高的活性，是一种较为理想的酯化催化剂。酯化反应的适宜操作条件为：采用分子筛作为吸水剂，乙醇与脱臭馏出物的质量比为1.6∶1，催化剂质量分数20%，反应温度60 ℃，反应时间5 h，此时酯化率达到96.2%。由于采用了较温和的反应条件，酯化过程中维生素E的回收率较高。计算过程见表1。

表1 酯化过程维生素E的衡算

式中：m1为酯化产物中生育酚总量，mg；m2为原料中生育酚总量，mg。

采用热乙醇溶液，对树脂和分子筛进行洗涤抽虑，可以除去吸附的乙酯物，对树脂进行了有效的回收，可以重复使用3～4次。进一步去除甾醇可采用超声波处理后重结晶，得到的甾醇晶体抽滤去除，从而为分子蒸馏操作进一步减轻负担。

2.2 一二级分子蒸馏试验研究

酯化后的产物通过三次蒸馏进行生育酚的浓缩，其中前两次蒸馏主要是蒸去沸点比生育酚低的醛、酮、碳水化合物、脂肪酸甲酯等，而与生育酚沸点比较相近的甘油一酯不容易进行分离。

一级分子蒸馏：将500 g通过1.2.1的酯化方法预处理得到的原料进行第一次分子蒸馏，预热温度40～70℃，在系统压力0.1 Pa，80～100 ℃加热壁面温度、80～110 r/min刮板转速条件下，以5～7 mL/min的进料速率进入分子蒸馏装置中，获得一级分子蒸馏产物的重相，此步骤主要是除去醛、酮、碳水化合物等沸点较低的组分。

二级分子蒸馏：将一级分子蒸馏产物得到的的重相进行第二次分子蒸馏，进料速率3～5 mL/min，加热壁面温度120～150 ℃，刮板转速90～110 r/min，预热温度75～80 ℃，系统压力0.1 Pa，获得二级分子蒸馏产物。此过程收集重相组分，除去富含脂肪酸乙酯等沸点较低的轻相组分。

据文献[12-13]报道，预热温度越接近加热壁面温度，传质与传热效果越好，分离效果就越好。由于实际试验操作限制，采用预热温度不高于80 ℃。经过两次分子蒸馏而得到的重相产品中的维生素E含量由原料的0.007 2%提高到0.036 6%。

2.3 三级分子蒸馏试验条件优化

在二级分子蒸馏基础上，增大加热壁面的温度，将经过二级分子蒸馏得到的重相进行第三次分子蒸馏以分离维生素E和甘油三酯。采用L9(34)正交表，以蒸发温度、进料速率、刮膜转速为三因素建立正交试验，将得到的轻组分进行维生素E含量测定。因素水平见表2。

三级分子蒸馏正交试验结果见表3。RA＞RC＞RB，表明A、B、C三个因素对提取率影响的主次顺序为A＞C＞B；最佳提取条件为A2B2C2，即蒸发温度200℃，进料速率4 mL/min，刮膜转速150 r/min。在此条件下进行验证试验，分子蒸馏产物中维生素E含量达0.93%。

表2 正交因素水平表

表3 分子蒸馏试验正交试验结果

2.4 维生素E的含量测定

由试验可得，从油茶脱臭馏出物中得到的天然维生素E以活性最高的α-生育酚[8]为主，因此维生素E的含量测定以α-生育酚作为标准样品。

2.4.1 线性关系考察

按1.2.3小节方法，分别将5种溶度的对照品溶液进样20 μL，记录色谱峰面积。将对照品的峰面积设为纵坐标（Y），对照品的质量浓度设为横坐标（X），建立标准曲线方程，得回归方程Y=149 003X-30 209，r=0.999 5，线性关系良好。

图1 维生素E标样HPLC色谱图

2.4.2 样品含量测定及重复性试验

准确称取同一样品，共5份，在最佳提取条件下提取，按1.2.3.2小节制备5份待测溶液，测得维生素E含量平均值为0.927%，RSD为1.1%，表明方法重复性良好。

2.4.3 稳定性试验

对同一供试品溶液分别于制备后0，2，4，8和24 h测定维生素E峰面积。结果显示RSD为1.2%，表明样品在24 h内具有良好的稳定性。

3 结论

试验得出经过预处理的油茶脱臭馏出物进行三级分子蒸馏能够将原料α-生育酚含量提高近13倍，得到以天然α-生育酚为主的天然维生素E。所采用的干氢强酸性阳离子交换树脂具有较高的活性，是一种较为理想的酯化催化剂。酯化反应的适宜操作条件为：采用分子筛作为吸水剂，乙醇与脱臭流出物的质量比1.6∶1，催化剂质量分数20%，反应温度50 ℃，反应时间6 h，此时酯化率达到96.2%。由于采用了较温和的反应条件，甲酯化过程中生育酚的回收率较高。将酯化后的酯化产物进行三次分子蒸馏，逐步脱除脂肪酸和少量的其他杂质。三级蒸馏采用正交试验法对试验条件进行优化，当蒸发温度为200 ℃，进料速率为4 mL/min，刮膜转速为150 r/min时，维生素E的纯度达到最高，为0.93%。采用高效液相色谱法对原料成分进行分析，建立了从原料到产品生育酚含量的分析方法。应用高效液相色谱法分析生育酚含量，原料不需要预处理，操作简易，准确率高。虽然茶油脱臭馏出物原料本身维生素E的总含量不高，但其中生理活性最高的α-生育酚[14]含量很高，其脱臭馏出物具有很高的综合应用价值。