负载型催化剂的制备及其在电化学异构化 玉米油中的应用

隋玉林，王睿莹，姚 静，张 欣，于殿宇，王立琦,

（1.哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028；3.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

玉米油中亚油酸（linoleic acid，LA）的含量较高，约占总不饱和脂肪酸的60%，还含有VE、磷脂等生理活性成分，具有很高的营养价值[1]。LA经过异构化获得具有共轭双键的共轭亚油酸（conjugated linoleic acid，CLA），CLA是LA在位置或几何上的异构体。大量研究证明，CLA具备多种健康益处和生理效应，包括抗癌、抗动脉粥样硬化、抗肥胖、抗炎等[2-5]。天然来源的CLA主要存在于部分肉类与奶制品中，这是由于反刍动物中的LA被革兰氏阳性细菌（如纤维丁酸梭状芽孢杆菌、阿鲁米球菌和真细菌）转化为CLA[6]。CLA在结构上有54 种异构体，但是目前仅鉴定出约20 种[7]，即顺式,顺式、反式,反式、顺式,反式和反式,顺式的7,9、8,10、9,11、10,12位的异构体和11,13-十八碳二烯酸，其中c9,t11-和t10,c12-CLA异构体是最具生物活性的CLA形式[8-9]。 但是，由于人体无法合成CLA，因此国内外学者展开了对制备富含CLA植物油的相关研究。金属催化法是近几年较为常见的一种制备CLA的方法，其中均相金属催化是指催化剂跟所催化的反应物处于体系的同一相中[10-12]。Basu等[13]研究了在铑阳离子络合物存在下，亚油酸甲酯和红花油的异构化。研究表明在55～65 ℃的氮气环境和1 个大气压的非常温和条件下，该催化剂与油和亚油酸甲酯反应得到的共轭产物的回收率非常高。然而，均相金属催化虽然最终得到的CLA转化率较高，但是催化剂分离困难，重复使用性低。而将金属催化剂负载于载体上则可以很好地提高催化剂的重复使用性，并且负载后的催化剂更加易于分离。

近几年CLA制备使用的催化剂一般为金属，如Ru、Ni、Pt、Pd、Rh、Ir等。然而，单一的金属催化剂在催化过程中易团聚，且容易受到外界机械力的破坏。因此，需要通过疏松多孔、比表面积较大的载体如SBA-15、MCM-41、MCM-22、HY、ZSM-5、USY、CNTs等，将催化剂进行负载，达到改善催化剂的活性及稳定性的目的[14-15]。目前催化异构化反应的催化剂常用分子筛作为载体，分子筛是一类具备孔道结构的结晶化硅铝酸盐，其具有较高的比表面积，有序的孔道结构和出色的离子交换性能、水热稳定性、固定金属活性位点等化学性能，因而较常用于催化反应中。其中，ZSM-5是通过8 个五元硅（铝）环组成的沸石分子筛，具备二维孔道结构，稳定的晶体结构，较高的比表面积、较强的吸附能力、突出的离子交换性能和选择催化等能力，是金属催化剂的优良载体[16-17]。

电化学催化技术是一种较为新颖的油脂改性技术，其原理主要是在电场的作用下，电解液电解，促进电极发生电子转移反应，改变催化剂活性，从而达到油脂改性的目的。现阶段电化学催化技术主要应用在油脂氢化领域。Zheng Huanyu等[18]在固体聚合物电解质（solid polymer electrolyte，SPE）反应器中使用Pt/CNT作为阴极催化剂获得了具有较低反式脂肪酸的氢化大豆油。SPE反应器是一种电化学催化中较常用的反应装置，该反应装置以催化剂作为阴极，通过电解将氢质子还原成氢原子，并结合催化剂表面与不饱和脂肪酸反应。SPE反应器不需要特殊的电解液，产物易于分离与纯化，选择性良好，且所需的电解温度较低。电化学催化技术在油脂氢化领域取得了较好的成果。电化学催化反应温度低，通过外加溶剂改变体系的氢离子浓度，可以快速调控反应速度及催化产品结构，且需要的活化能量较低。因此，将电化学催化技术应用于CLA的制备领域，具有较好的发展前景。

本实验使用ZSM-5分子筛对金属钌（Ru）催化剂进行负载，负载后的催化剂利用电化学催化技术进行活化，将活化后的负载催化剂应用于油脂异构化反应中，并以CLA选择性为指标，探究反应体系中负载型催化剂添加量、异构化时间、搅拌速率及异构化温度对CLA选择性的影响，在最佳条件下研究负载催化剂的多次使用效果，及反应后得到的玉米油的主要成分与理化性质，旨在为食品工业提供富含CLA的健康油脂。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米油 哈尔滨九三惠康食品有限公司；CLA标准品（分析纯） 美国Sigma公司；ZSM-5（Si/Al=100） 美国Zeolyst公司；钌粉（≥99.9%） 上海麦克林生化科技有限公司；Nafion117质子交换膜 美国杜邦公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DF-101S集热式搅拌器 江苏科析仪器有限公司； FA1004高精度电子天平 上海千凯衡器有限公司； JH-800W直流调速电源（WK） 东莞市佳和科技有限公司； SP-6800A气相色谱仪 杭州瑞析科技有限公司； CP-Sil-88气相色谱柱 广州同谱实验仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 实验装置

如图1所示，其压力为18 MPa，体积为200 mL，主体材质为316 L型不锈钢，最高耐受温度为200 ℃。高压电化学反应釜主要由高压反应釜体、电解池和绝缘套筒等组成（图1a），高压反应釜的顶端装有连通内外的电极，电极下部连接铂片，且电极与反应釜中间设有绝缘套，通过Nafion117质子交换膜将反应电解池分隔成阴极室和阳极室（图1b），并且质子交换膜与阴阳极室接触处隔有绝缘垫片，两室通过套有绝缘管的螺栓连接，螺栓和螺母与反应釜接触处隔有绝缘套和绝缘垫片，连接好的电解池阴阳极室之间、反应釜体与电解池之间需用验电表对其绝缘性进行检验。电化学催化装置主要由供气系统及电化学反应系统组成，电化学催化装置的电化学反应系统由高压反应釜、直流电源及恒温磁力搅拌器组成。

图1 高压电化学反应装置结构图Fig. 1 Structural schematic diagram of high-pressure electrochemical reactor

1.3.2 催化剂载体的制备及负载

将一定量ZSM-5沸石粉末置于2.2 mol/L氯化铵溶液中（200 mL/g沸石），在30 ℃、搅拌速率250 r/min条件下进行离子交换16 h，使沸石粉末从质子变为NH4形式，然后过滤，并用蒸馏水洗涤，将剩余的固体在100 ℃下干燥过夜，然后每克用200 mL 1 mol/L NaCl溶液处理（250 r/min），并在30 ℃条件下进行离子交换步骤（16 h），获得Na-ZSM-5载体。每个交换步骤后，将浆液过滤，将固体用蒸馏水反复洗涤3 次，于100 ℃干燥箱中干燥，并重复以上交换步骤3 次。最后，将制得的载体粉末于550 ℃的电阻炉中焙烧5 h，即得到Na-ZSM-5载体。最后取6 g Na-ZSM-5载体浸入按照10%负载量配制的RuCl3溶液中，过程中以250 r/min搅拌，于室温浸渍24 h。浸渍完毕后过滤剩余浸渍液，并于110 ℃干燥3 h，干燥后置于450 ℃的高温电阻炉中焙烧4 h，将金属Ru负载于Na-ZSM-5载体上，得到Ru/Na-ZSM-5催化剂。

1.3.3 催化剂的表征

1.3.3.1 催化剂的透射电镜分析

将研制的Na-ZSM-5载体和负载后的Ru/Na-ZSM-5催化剂置于乙醇中，随后通过超声使其分散均匀，利用透射电子显微镜对样品进行观察。

1.3.3.2 催化剂的低温N2吸/脱附分析

分子筛的类型可以根据其孔道性质及大小进行初步判定。实验以相对压力作为等温曲线的横坐标，以吸附量为纵坐标，根据吕结[19]的方法进行测定。其中利用Barrett-Emmett-Tellter公式根据脱附数据获得载体比表面积[20]。

1.3.4 催化剂的活化

取一定量的催化剂放入反应釜阴极电解池，再向阴极电解池中加入60 mL 0.5 mol/L甲酸钠溶液及1.0 g十二烷基乙基二甲基溴化铵，向阳极电解池中加入60 mL的0.5 mol/L氯化钠溶液。密闭反应釜，将反应釜放入恒温磁力搅拌器内，向该反应釜内通入12.0 MPa N2，静置30 min，如果压力没有变化，打开出气口将系统内的N2排出，并抽至真空，静置30 min。开启磁力搅拌器 300 r/min，连接直流电源200 mA、70 ℃，进行电化学活化1.5 h。活化完成后，关闭电源，将反应釜静置至室温，排出其中的气体，通过过滤取出阴极中的催化剂，进行后续实验。

1.3.5 油脂异构化

将电化学活化得到的催化剂放入装有150 mL玉米油的另一个反应釜中，密闭反应釜，将反应釜放入恒温磁力搅拌器内开启磁力搅拌器，提高反应温度，调节搅拌速率，进行玉米油的异构化反应制备富含CLA的油脂。反应结束后，将反应釜静置至常温后打开，取出油脂样品，以5 000 r/min离心20 min，得到上层清液为产物油，下层沉淀为催化剂。催化剂经正己烷充分洗涤后干燥，再次活化并重新用于催化新的底物。

1.3.5.1 催化剂添加量对CLA选择性的影响

异构化温度180 ℃，调节催化剂添加量分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，以600 r/min的搅拌速率，反应3 h，反应后测定CLA选择性。

1.3.5.2 异构化时间对CLA选择性的影响

异构化温度180 ℃，按1.3.5.1节得到的最佳催化剂添加量，以600 r/min的搅拌速率，分别反应1、2、3、4 h和5 h，反应后测定CLA选择性。

1.3.5.3 搅拌速率对CLA选择性的影响

异构化温度180 ℃，按1.3.5.1节和1.3.5.2节得到最佳催化剂添加量和异构化时间，调节搅拌速率分别为400、500、600、700 r/min和800 r/min，反应后测定CLA选择性。

1.3.5.4 异构化温度对CLA选择性的影响

得到最佳催化剂添加量、异构化时间和搅拌速率后，调节异构化温度分别为120、140、160、180 ℃和200 ℃，反应后测定CLA选择性。

1.3.6 催化剂活性评价

催化剂活性用LA转化率表示，按式（1）计算：

式中：XLA为LA转化率/%；LA0为原料玉米油中LA的摩尔分数/%；LA1为反应后红玉米油中LA的摩尔分数/%。

1.3.7 催化剂重复使用性

将催化剂在最佳条件下进行异构化反应制备CLA，并反复使用7 次，对每次使用后催化剂的相对活性进行测定分析，若其相对活性低于70%，则不再继续使用该催化剂。催化剂相对活性为第n次LA转化率与第1次LA转化率之比。

1.3.8 脂肪酸成分分析

油样中脂肪酸成分通过气相色谱法进行测定。首先，根据吴纯洁[21]和刘瑞阳[22]等的方法将油样和脂肪酸标样进行甲酯化。使用CP-Sil-88毛细管柱（100 m×0.25 mm，0.2 μm），起始柱温180 ℃，保持50 min，接着按10 ℃/min升温至225 ℃，并在此保持15 min。使用的氢火焰离子检测器保持280 ℃。氮气载气，流速1 mL/min，分流进样，分流比100∶1，样品进样量1 μL。各脂肪酸成分通过气相色谱进行定性和定量分析，通过不同成分相应峰的峰面积比换算成摩尔分数，即某种脂肪酸化合物与总脂肪酸含量之比。

1.3.9 异构化选择性

通过对异构化反应后玉米油的定性和定量分析，其异构化选择性按式（2）～（4）计算：

式中：SCLA为总CLA的选择性转化率/%；Sct为c9,t11-CLA+t10,c12-CLA的选择性转化率；Stt为t9,t11-CLA+t10,t12-CLA的选择性转化率/%。CLA0、（c,t-CLA）0、（t,t-CLA）0分别为原料玉米油中总CLA、c9,t11-CLA+t10,c12-CLA、t9,t11-CLA+t10,t12-CLA的摩尔分数/%。CLA1、（c,t-CLA）1、（t,t-CLA）1分别为反应后产物中总CLA、c9,t11-CLA+t10,c12-CLA、t9,t11-CLA+t10,t12-CLA的摩尔分数/%。

1.3.10 玉米油理化指标的测定

过氧化值测定：根据GB 5009.227—2016《食品中过氧化值的测定》方法；酸值测定：采用GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定》方法，结果以KOH计；碘值测定：采用GB/T 5532—2008《动植物油脂 碘值的测定》方法，结果以I2计；皂化值测定：依据GB/T 5534—2008《动植物油脂 皂化值的测定》方法；不皂化物含量测定：采用GB/T 5535.1—2008《动植物油脂 不皂化物测定》方法；Ru残留量参考王淑志[23]的方法进行测定。

1.4 数据处理

重复测定所有指标3 次，分析测试结果选取平均值与标准误差，并使用Origin 8.5软件和Design Expert 8.0.6软件记录并分析数据。使用SPSS 17.0软件进行方差分析，其中选用Duncan检验（P＜0.05）对数据差异的显著性进行验证。

2 结果与分析

2.1 负载型催化剂及载体的透射电镜分析

如图2a所示，载体表观较为平整，团聚现象不明显，并且载体分布较为均匀。这可能是由于金属阳离子的加入降低了载体的电负性，改变了载体的性质，从而降低了载体粒子间的相互作用。如图2b所示，载体上含有一些非常小的Ru-簇，呈絮状和小块分布，这表明金属已经成功负载到载体上。此外，Ru粒子呈絮状分布但是较为均匀，分散性较好，表明金属Na的加入使催化剂活性成分分布更为均匀，而金属在载体上的分散程度通常决定了催化剂的催化选择性[24-25]。

图2 Na-ZSM-5（a）、Ru/Na-ZSM-5（b）的透射电镜图Fig. 2 TEM images of Na-ZSM-5 (a) and Ru/Na-ZSM-5 (b)

2.2 负载型催化剂及载体的低温N2吸/脱附分析

由图3可知，Na-ZSM-5载体与Ru/Na-ZSM-5的N2吸/ 脱附等温线相似，均属于典型的微孔材料I型，其主要特征：当相对压力（p/p0）＜0.1时，氮气吸附达到饱和，具有较高的氮气吸附量；而在0.1＜p/p0＜0.8时，等温线趋势较为平缓；当p/p0＞0.8时，等温线明显上翘，并且有H4型滞后环出现，表明样品内部含有许多的孔道结构，且经过改性后的Na-ZSM-5载体内部孔道结构没有发生明显改变[26]。通过表1可以看出，负载Ru后的催化剂其孔径和孔容较未负载的Na-ZSM-5载体小，这可能是因为部分金属Ru分布于Na-ZSM-5载体的孔道四周，从而使负载后的催化剂孔径发生变化。进一步说明了金属Ru成功负载到了载体上。这一结果也与上述透射电镜观察结果相吻合。

图3 Na-ZSM-5和Ru/Na-ZSM-5的低温N2吸附脱附等温曲线Fig. 3 N2 adsorption and desorption isotherm curves of Na-ZSM-5 and Ru/Na-ZSM-5

表1 载体及催化剂的结构参数Table 1 Structural parameters of support and catalyst

2.3 催化剂添加量对CLA选择性的影响

在异构化温度180 ℃、异构化时间3 h、搅拌速率600 r/min条件下，考察催化剂添加量对CLA选择性的影响，如图4所示。随着催化剂添加量的增加，SCLA、Sct和Stt呈先上升后逐渐平缓的趋势。当催化剂添加量较低时，玉米油中脂肪酸与催化剂上活性位点接触有限，异构化反应效率较低，CLA选择性较低；随着催化剂添加量从4.0%逐渐增加，油脂可以接触到催化剂并吸附在其表面上的量增加，促进异构化反应的进行，CLA选择性逐渐升高；但当催化剂添加量增加到5.0%时，CLA选择性上升趋势变缓，可能是当催化剂添加至一定量后，体系中催化剂的量处于相对饱和状态，其与油分子间有效碰撞概率基本不变。因此，异构化反应中催化剂添加量应控制在5.0%。

图4 催化剂添加量对CLA选择性的影响Fig. 4 Effect of catalyst dosage on CLA selectivity

2.4 异构化时间对CLA选择性的影响

在催化剂添加量5.0%、异构化温度180 ℃、搅拌速率600 r/min条件下，考察异构化时间对CLA选择性的影响，如图5所示。随着异构化时间的延长，总CLA选择性SCLA先上升后趋于平稳，而Sct先上升后下降，Stt则逐渐上升。在异构化反应刚开始时，油脂中LA含量较高，有利于异构化反应的进行，SCLA和Sct上升速度较快；当异构化时间达到3 h后，总CLA选择性上升趋势有所减缓，这是因为随着异构化反应的进行，结合于催化剂表面的有效氢量逐渐减少，伴随着产生了一定量反式油酸和其他异构体，使CLA在产物中所占比例不再增加，表现为SCLA上升趋势减缓。此时，Sct逐渐降低，Stt逐渐升高，这是因为异构化反应是可逆的，如长时间反应，会使CLA最终转变为热力学上最稳定的t,t-CLA异构体[27-28]，造成油脂中对人体有益的c9,t11-CLA和t10,c12-CLA损失。因此，选择异构化反应时间为3 h。

图5 异构化时间对CLA选择性的影响Fig. 5 Effect of isomerization time on CLA selectivity

2.5 搅拌速率对CLA选择性的影响

在催化剂添加量5.0%、异构化温度180 ℃、异构化时间3 h条件下，研究搅拌速率对CLA选择性的影响，如图6所示。随着异构化反应搅拌速率的增加，SCLA和Sct先上升后上升趋势减缓，Stt变化趋势不明显。当搅拌速率较低时，会减弱反应外扩散过程[29]，使催化剂与油脂接触较少，CLA选择性较低；搅拌速率的增加改善了溶液的传质和传热效果，使附着于催化剂上的有效氢与油中不饱和键的接触概率增大，从而加快异构化速度；当搅拌速率高于600 r/min时，部分与催化剂结合的有效氢同催化剂分离，使催化剂上的氢浓度下降，并且过高的转速降低了催化剂与油脂的接触时间，进而导致CLA选择性上升趋势减缓。因此，搅拌速率600 r/min 为最佳条件。

图6 搅拌速率对CLA选择性的影响Fig. 6 Effect of stirring rate on CLA selectivity

2.6 异构化温度对CLA选择性的影响

在催化剂添加量5.0%、异构化时间3 h、搅拌速率600 r/min条件下，研究异构化温度对CLA选择性的影响，如图7所示。随着异构化反应温度的升高，SCLA和Stt呈逐渐上升的态势，Sct表现出先上升后下降的态势。随着温度的不断提升，各分子在系统中的运动速度增加，油中不饱和脂肪酸与催化剂上有效氢的反应速率增加，LA向着更有利于异构化生成CLA的方向进行，CLA选择性提高；当温度高于160 ℃时，催化剂上结合有效氢的量减少[30]，反应效率减缓，使SCLA仍继续上升，但上升趋势略有减缓。另外，当温度过高时，有益于人体健康的c,t-CLA异构体会转化成在热力学上更为稳定的t,t-CLA异构体，使Sct逐渐下降而Stt急速上升。因此，考虑到共轭产物的营养价值及经济效益，选择异构化温度为160 ℃。

图7 异构化温度对CLA选择性的影响Fig. 7 Effect of isomerization temperature on CLA selectivity

2.7 催化剂重复使用性分析

在催化剂添加量5%、异构化时间3 h、搅拌速率600 r/min、异构化温度160 ℃条件下，使用Ru/Na-ZSM-5催化剂制备富含CLA的玉米油，待反应完全后分离催化剂，清洗干净后重新进行电化学活化并用于催化异构化反应，并分析其重复利用次数，结果如图8所示。随着循环次数的增多，催化剂Ru/Na-ZSM-5的相对活性逐渐降低，当催化剂循环使用5 次时的相对活性为75.2%。Ru/Na-ZSM-5能够多次使用可能是因为Ru在该载体上的分布较为均匀，避免了金属的团聚，减慢了催化剂的失活速度。另外，通过Na离子改性的ZSM-5载体可以有效减少催化剂上碳的沉淀堆积，提高了循环利用效果。而经过6 次异构化实验后，催化剂相对活性降为66.4%，低于70%。因此负载型Ru/Na-ZSM-5催化剂的最佳使用次数为5 次。相对活性的降低可能是因为底物中含有一部分杂质，会吸附于催化剂表面，阻碍催化剂与油脂接触并反应。此外，在反应过程中使用机械搅拌达到使催化剂与油脂接触的目的，然而机械搅拌产生的剧烈碰撞会使金属催化剂与载体分离，影响催化剂的相对活性。负载后的催化剂经过5 次循环使用依然保持较高的催化活性，表明负载后的金属催化剂拥有良好的活性与操作稳定性能。

图8 催化剂的重复性Fig. 8 Reusability of the catalyst

2.8 富含CLA的玉米油主要成分及理化性质分析

以玉米油为原料，Ru/Na-ZSM-5为催化剂，在最佳异构化条件下进行富含CLA油脂的制备，得到产物油和原料油的主要成分组成和理化指标如表2所示。LA是玉米油中主要的成分，其相对含量高达56.87%，异构化后的油脂中油酸的含量略有升高，反式油酸相对含量仅为1.63%，结果表明经过异构化反应后，部分LA被转化成CLA，其中c9,t11-CLA相对含量为12.32%，t10,c12-CLA相对含量为8.45%。经过电化学异构化后的玉米油其酸值为1.17 mg/g，碘值为103.08 g/100 g，过氧化值为4.31 mmol/kg，符合国家对植物油的质量标准[31]，其酸值和过氧化值与原料玉米油相比变化不大，可能是由于异构化反应过程中油脂的分解与氧化程度缓慢。另外，反应后产物皂化值为198.74 mg/g，不皂化物含量为 18.27 g/kg，表明油脂中杂质含量较少，纯度较高，电化学异构化方法不会对油的品质产生影响。经过电化学异构后，催化剂Ru的残留量为8.57×10－3‰，符合EMEA/CHMP在2008年颁布的金属催化剂或金属试剂残留量限度规定的指导文件要求。

表2 玉米油的主要成分及理化性质Table 2 Major components and physicochemical properties of corn oil

3 结 论

本实验将金属Ru负载于Na-ZSM-5载体上，制得负载型Ru/Na-ZSM-5催化剂，通过对载体和催化剂的表征发现，金属Ru均匀地分布在Na-ZSM-5载体上，具备较好的分散性，且负载后催化剂的比表面积、孔径与孔容都有所降低，表明金属Ru催化剂已负载在Na-ZSM-5载体上。然后通过电化学方法进行了活化，并将其应用于油脂异构化反应中，制得富含CLA的玉米油，具有较好的功能性，将反应后分离的催化剂反复应用于油脂异构化反应中，5 次后催化剂依然保持较高的催化活性，表明催化剂具备较优异的催化性能与操作稳定性。并且制得富含CLA的玉米油中反式油酸含量低，各项理化指标仍在国家食用油脂规定范围内，还增加了油脂中有益共轭异构体的比例，有助于为食品工业提供优质健康的原料玉米油。