高温处理对漆蜡脂肪酸成分和晶体特性的影响

邵凤侠 王 森 王 佳 何丽兵 洪荣艳 赵天娇

(中南林业科技大学；经济林培育与保护教育部重点实验室；经济林育种与栽培国家林业局重点实验室；长沙 410004)

漆树(Toxicodendronvernicifluum)是漆树科(Anacarkiacea)漆树属(Toxicodendron)落叶乔木或灌木，是我国重要的经济林树种[1]。漆树果实为漆籽，其果皮和核中均富含油脂。从漆籽的果皮中提取的油脂因熔点较高(43～57 ℃)，常温下呈奶白色或浅黄色的固体状，故称为漆蜡[2]。漆蜡主要是由甘油三脂肪酸酯、游离酸及游离醇等组成[3]。漆蜡作为木本油料，其应用在我国由来已久。在云南怒江地区，漆蜡作为当地各民族群众的主食油料之一，已有上千年的历史[4]。在傈僳族，漆蜡油可用于炒菜、煎炸食物及制作漆蜡酒和漆蜡茶[5-7]。漆蜡作为产妇和外科手术后病人的滋补品，效果显著，用于治疗老年气喘、头晕亦有一定的效果[5-7]。此外漆蜡还具有降血脂、降胆固醇、抗菌消炎等功效[5-7]。

漆蜡作为一种天然植物源蜡，无毒无污染，是极好的加工原料，不仅广泛用于食品、化妆品等行业，还广泛用于家具、印刷、油漆以及医药制品等领域[8]。如漆蜡可与分散剂按照一定配比制成涂膜剂用于果蔬保鲜[9,10]；漆蜡经皂化、酯化反应等深加工可用于制皂工业、涂料工业及医药、食品等行业[11,12]；漆蜡加工制成的脂肪酸蔗糖脂、脂肪酸异丙酯等可用于高级化妆品[13]等。此外，作为重要的化工原料，漆蜡还可用于制备生物柴油[14]。

油脂具有同质多晶现象[15]，且晶型之间在一定条件下可以相互转化[16]。研究表明油脂的结晶特性对于油脂加工产品的品质有着重大的影响[17]。油脂晶型受温度、时间及油脂分子中脂肪酸结构及碳链的排列方式等多种因素的影响[18]。油脂结晶过程中结晶条件的改变，对其晶体三维网络结构的形成及宏观性质影响重大，关系到产品最终的品质[19]。因此，漆蜡作为固体油脂，其晶体特性对其所形成的产品的品质亦有着重要影响。目前关于漆蜡的研究大多在于其脂肪酸成分、提取和加工工艺方面，而专门针对漆蜡晶体特性的研究较少。本实验采用X-衍射技术[20]对高温处理下漆蜡晶体特性的变化规律进行研究，以期为漆蜡的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

漆蜡，石油醚、甲醇、苯、氢氧化钾等分析纯。

1.2 仪器与设备

Thermo Finnigan Trace DSQ气相色谱-质谱联用仪，D8 FOCUS X衍射仪，DZTW调温电热套，SHZ-D(III)循环水式真空泵，DL-1电子万用炉，FA2104N电子天平。

1.3 实验方法

1.3.1 高温处理

实验设置2种温度(120、150 ℃)和5种不同处理时间(1、2、3、4、5 h)，共计10个处理。具体处理方法为：取30 g漆蜡放入抽滤瓶中，在真空度为0.05～0.055 MPa条件下加热，定时取样。未经高温处理的漆蜡作为对照(CK)。

1.3.2 脂肪酸成分测定

样品甲酯化。取0.3 g样品于10 mL刻度试管中，加2 mL石油醚-苯(1∶1)、2 mL 0.4 mol/L氢氧化钾-甲醇溶液，振摇后静置10 min，加入蒸馏水至刻度，静置分层，取上层液体进行GC-MS分析。

GC-MS分析。GC条件为：DB-WAX弹性石英毛细管柱30 m×0.25 mm×0.25 μm；载气为高纯氦气，恒流模式，流速1.0 mL/min；起始柱温150 ℃(维持2 min)，以6 ℃/min升至230 ℃(维持15 min)，进样口230 ℃，传输线230 ℃；进样量1 μL，分流比80∶1。MS条件为：EI离子源，离子源温度250 ℃，电子能量70 eV，电流100 mA，电子倍增器1.4 kV，溶剂延迟20 min，以全扫方式进行扫描，扫描范围10～400 amu。

经随机NIST03版标准谱库检索并结合人工质谱图解析定性，采用峰面积归一化法定量。

1.3.3 晶体特性测定和结晶度计算

X-衍射仪测试条件为：特征射线CuKa，石墨单色器，管压40 kV，电流300 mA，衍射角度2θ=5°～55°，步长0.02(°)/步，扫描速度0. 075(°)/ s。本研究对漆蜡的晶体特性参考文献[21,22]中的方法，即在X-射线衍射曲线上确定背底、非晶、微晶和亚微晶衍射区，采用Origin9.0曲线拟合分峰计算法求出微晶相、亚微晶相和非晶的累积衍射强度，用式(1)计算晶相、微晶相和亚微晶相的结晶度。用Scherrer法[20]计算微晶尺寸，见式(2)。

Xc=Ic/(Ic+Ia)×100%

(1)

式中：Xc、Ic、Ia分别为结晶度、晶相的累积衍射强度、非晶相的累积衍射强度。

(2)

式中：Lhkl为微晶尺寸/nm；λ为射X射线的波长/mm；θ为Bragg角β为衍射线宽(用弧度表示)；k为Scherrer形状因子(当β取衍射峰宽的半高宽时，k=0.89)。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SPSS15.0进行数据分析；采用Origin9.0进行数据拟合。

2 结果与分析

2.1 高温处理漆蜡脂肪酸成分分析

采用GC-MS法对不同温度处理的漆蜡脂肪酸成分进行分析。对其进行全面质谱扫描分析得到色谱图，经与质谱库中标准质谱比对，得到其化学成分及含量(见表1)。由表1可知，不同温度处理漆蜡的色图谱基本相同，只有个别峰值高度有差异，说明不同温度、不同处理时间下漆蜡的脂肪酸组分基本相同，均含有十四酸、十五酸、棕榈酸、棕榈烯酸、十七酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、花生酸、二十二酸等10种脂肪酸成分。其中饱和脂肪酸为十四酸、十五酸、棕榈酸、十七酸、硬脂酸、花生酸和二十二酸；不饱和脂肪酸为棕榈烯酸、油酸和亚油酸。与未经处理漆蜡脂肪酸成分及含量进行比较可知，高温处理后漆蜡均未检测出花生烯酸、十六烷二酸，棕榈酸(异构)等。高温处理后漆蜡中棕榈酸、十七酸、花生酸、二十二酸以及未知脂肪酸含量升高，棕榈烯酸、油酸和亚油酸含量降低，十四酸和硬脂酸含量变化不大，十五酸含量略有降低。经统计，高温处理漆蜡中饱和脂肪酸含量占总脂肪酸含量的87.159%～87.637%，较处理之前升高；不饱和脂肪酸占总脂肪酸的10.554%～11.059%，较处理之前降低。

在对比不同高温处理时发现，150 ℃处理漆蜡所含硬脂酸、亚油酸、花生酸及棕榈酸整体上高于120 ℃处理，而所含油酸、棕榈烯酸和二十二酸整体低于120 ℃处理。不饱和脂肪酸减少的量和饱和脂肪酸增加的量不存在正相关的关系，在120 ℃时棕榈酸和棕榈烯酸的变化趋势基本相同，150 ℃时，硬脂酸、油酸和亚油酸含量同时下降。

表1 高温处理漆蜡脂肪酸成分

2.2 高温处理不同时间漆蜡晶体特性的变化

高温120 ℃处理漆蜡X-衍射图谱见图1。可知，不同处理时间，漆蜡X-衍射特征曲线存在差异。对X-衍射数据进行处理、计算、分析得X-衍射结果，见表2。120 ℃处理1～3 h的漆蜡和未经处理漆蜡(CK)在衍射角度2θ为11.79°、13.83°、18.17°处的衍射强度均为0，此时没有出现衍射峰，未表现出晶体特性，呈非晶体结构。在衍射角度2θ为20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°处，120 ℃处理1～3 h漆蜡衍射强度发生改变，与未处理漆蜡(CK)相比，其衍射强度降低，并随时间增加不断减小；但此时，高温处理1、2、3 h的漆蜡与未经处理漆蜡晶峰位置基本相同，只是衍射强度不同，说明此时晶体类型没有改变。

图1 120 ℃处理漆蜡X-衍射图谱

120 ℃处理4 h和5 h条件下，衍射角度2θ在11.79°、13.83°、18.17°处出现新的衍射峰，表现出晶体特性，呈晶体结构；在衍射角度2θ为20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°处的衍射强度较未经处理漆蜡较低，晶峰没有发生移动。因此，高温120 ℃处理4～5 h在一定程度上改变了漆蜡的晶体类型和结构。

为了进一步明确高温处理对漆蜡晶体特性的影响，经分析、计算，得出其结晶度，结果见表2。高温处理漆蜡的结晶度较未处理漆蜡整体较低。不同处理时间下，漆蜡的结晶度不相同，在处理3 h的条件下，漆蜡结晶度最低，为45.39%。对其变化趋势进一步分析和曲线拟合，结果见图2。漆蜡结晶度变化趋势符合模型：y=4.140 7x2-28.403x+99.948 (R2=0.810 9)。高温120 ℃处理条件下，随时间延长漆蜡的结晶度变化呈“V”形，先下降后升高。在处理1～3 h区间内，漆蜡结晶度随时间延长而降低，这是因为在衍射角度2θ为20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°处晶峰随处理时间增加衍射强度下降；在处理3 h之后，漆蜡结晶度随处理时间增加而增加，此时在衍射角度2θ为11.79°、13.83°、18.17°处产生了3个新的衍射峰，并随处理时间延长衍射强度增高，说明此时漆蜡晶体结构发生了改变，非晶结构向晶体结构转变。

表2 120 ℃处理漆蜡X-衍射结果

图2 120 ℃处理漆蜡的结晶度随时间变化

2.3 不同处理温度对漆蜡晶体特性的影响

对高温150 ℃处理漆蜡进行X-射线衍射分析，并与高温120 ℃处理的漆蜡的X射线衍射结果进行对比，结果见图3。高温150 ℃处理1 h漆蜡的X-衍射特征曲线中的晶峰处于高温120 ℃处理1 h到2 h之间，高温150 ℃处理2 h的X-衍射图谱中晶峰处于高温120 ℃处理2～3 h，说明提高温度可加快处理效果，也可以说当温度较低时，可通延长处理时间来弥补温度的不足。150 ℃相对120 ℃温度较高，使脂肪酸分子从无序的卷团移动到正在生长的晶体的表面，提高了漆蜡脂肪酸分子的活动性从而加快了结晶。

图3 不同温度处理漆蜡晶体特性变化规律

3 讨论与结论

有关漆蜡脂肪酸成分的研究较多，所得结果差异主要体现在相关成分的含量上。不同产地和不同品种的漆蜡脂肪酸成分及含量不同，不同提取方法对其化学成分和含量亦有一定影响[3,5,12,23]。本研究中，高温处理对脂肪酸成分及含量有一定影响。未经处理的漆蜡中含有花生烯酸、十六烷二酸、棕榈酸(异构)等成分，但经高温处理的漆蜡中均未检出这几种成分，与此同时，高温处理漆蜡所含未知脂肪酸的含量较未处理漆蜡高，推测其在高温处理过程中可能一些脂肪酸被氧化而转化为其他物质。高温处理漆蜡饱和脂肪酸总含量升高，不饱和脂肪酸含量降低。不同高温处理之间，所检测出的漆蜡脂肪酸成分基本相同，部分脂肪酸含量有差异，主要在于硬脂酸、亚油酸、花生酸、棕榈酸、油酸、棕榈烯酸和二十二酸等脂肪酸的含量上。在进行不同高温处理漆蜡脂肪酸分析时发现，不饱和脂肪酸减少的量和饱和脂肪酸增加的量不存在正相关的关系，120 ℃处理漆蜡中的棕榈酸和棕榈烯酸的变化趋势基本相同，在150 ℃处理的漆蜡中，二者的变化趋势虽不相同，但在棕榈烯酸减少时棕榈酸含量未见上升；又如，150 ℃时，硬脂酸、油酸和亚油酸含量出现同时下降的情况。油脂中不饱和脂肪酸氧化机理研究[24,25]表明油脂氧化主要发生在双键相连的α-CH2上，而不是在双键上，这与普遍认为天然油脂的氧化反应发生在双键上的观点不同，同时油脂氧化与其结构亦有关联。本研究中高温处理漆蜡脂肪酸含量变化的分析结果也说明：不饱和脂肪酸减少时不能证明是不饱和脂肪酸双键打开生成相应的饱和脂肪酸。而高温处理所生成的未知脂肪酸生成是否为不饱和油脂氧化的中间产物或者是生成新的脂肪酸有待进一步深入探讨。高温处理后饱和脂肪酸含量升高和不饱和脂肪酸含量降低的原因也要进一步研究。

X-衍射特征曲线可以反映漆蜡内部晶体结构情况。高温120 ℃处理1～3 h，晶体结构差异主要表现在X-衍射图谱不同峰位的峰强度上。在衍射角2θ为20.13°、21.12°、22.18°、23.76°、24.71°处的晶峰的强度均下降，这反映出120 ℃高温处理1～3 h虽不会改变晶体类型，但可能改变结晶区内碳链排列方式[26]。同时也说明高温处理对漆蜡结晶区的晶包结构和微晶排列有一定影响。高温120 ℃处理4 h和5 h在一定程度上改变了漆蜡的晶体类型，此时在衍射角度2θ为11.79°、13.83°、18.17°处出现了新的衍射峰。120 ℃高温处理使得漆蜡结晶度相对于处理之前下降，变化趋势呈“V”形，其变化规律符合y=4.1407x2-28.403x+99.948 (R2=0.810 9)曲线模型。在进行改变漆蜡结晶度时，温度的不足可以通过延长时间来补偿，时间不足时，可以通过提高温度来补偿。这一点与钟秋平等[27]对高压处理对橡实淀粉晶体特性的影响研究的结果相似，即淀粉结晶度随高压处理的保压时间增加而降低，在一定条件下压力不足时可以通过增加保压时间来补偿。对漆蜡或淀粉进行高温或高压处理，可以理解为对其施加外力，改变外力在一定程度上可以促进聚合物的结晶。

在天然油脂中95%以上为甘油三酯，其余少量成分为非甘油三酯成分，包括甘油一酯、甘油二酯、游离脂肪酸、游离甾醇等。甘油三酯分子由一个甘油和三个脂肪酸分子组成，由于3个脂肪酸分子在链长、饱和度上面的不同会可能导致组成油脂晶体的晶格不同，出现油脂晶体的同质多晶现象[26]。在晶体成核与生长的过程中，有诸多因素将会影响其结果，其中就包括脂肪酸种类、碳链长度、不饱和度、甘油三酯立体构型、甘油三酯分子间的相容性、温度等[28]。研究表明双倍链长的相同脂肪酸或对称分布的混合脂肪酸甘油三酯分子容易形成β型晶体[29]，双倍或三倍链长非对称分布的混合脂肪酸甘油三酯分子容易形成β′型晶体[30]。漆蜡主要是由甘油三脂肪酸酯、游离酸以及游离醇等组成。在高温处理过程中漆蜡脂肪酸种类没有发生变化，但脂肪酸含量发生了改变。推测在此过程中晶体类型和结晶度的改变可能在于其脂肪酸含量及碳链的排列方式发生改变。

油脂的晶体形态受外界条件的影响，如超声波干预[31,32]或不同复合物的添加[33,34]。油脂的不同晶型会对其结晶行为(结晶速率、晶体大小及形态等)产生影响，进而会影响其产品的品质和性能[35]。目前，漆蜡晶体特性相关的基础研究成果依然有限，因此需要更加深入的理论研究，为漆蜡的加工利用提供依据和指导。