α-亚麻酸的制备与分离技术研究进展

巩振虎,刘义章,周凯,王仕亮

(滁州职业技术学院 食品与环境工程学院,安徽 滁州 239000)

随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始注意到饮食的营养均衡性，其中α-亚麻酸(ALA)就是需要摄入的一种必需脂肪酸.α-亚麻酸是ω-3系列不饱和脂肪酸的一种，由18个碳原子和3个双键组成.ALA在人体内具有非常重要的作用，它不仅是构成细胞膜和皮肤的组成成分之一，还是一种重要的前体.在体内去饱和酶和碳链延长酶的作用下，它可以生成一系列代谢产物，其中最重要的就是我们所熟知的二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)[1].由于人和其他哺乳动物缺乏相应的脂肪酸去饱和酶，所以不能自主合成ALA,必须通过膳食的途径从体外获得.它主要来源于亚麻、紫苏等天然植物，不过在海洋的一些鱼类中也有存在.

近年来的一些研究发现，ALA除了提供必须的营养成分外，其在疾病预防和治疗方面都有较好的成效.例如，它可以增强青少年机体的免疫力，预防疾病的产生，促进身体的发育和成长；同时对于老年人，它还具有降低血脂、预防脑血栓和心肌梗塞、改善记忆力、防止老年痴呆症等作用[2].ALA保健和医药功能被越来越多的人所了解和认可，ALA的需求也在逐渐增加，高纯度的ALA产品更是具有广阔的市场前景.所以，关于高纯度ALA的分离提纯技术和工艺方面，受到很多学者的关注.随着研究的深入，ALA的分离提纯方法和工艺也越来越多样化、现代化.本文就对ALA的分离技术进行介绍，并对其原理和相应的问题进行分析.

1 α-亚麻酸

ALA的化学名称为全顺式-9、12、15-十八碳三烯酸，非共轭立体构型，分子式为C18H30O2.碱性条件下易发生异构反应；碳链中间带有3个碳碳双键，具有高度不饱和性[3].外观上为淡黄色油状液体，熔点为-11.3 ℃，沸点为230-232 ℃，常温下不溶于水，易溶于许多有机溶剂.

在自然界中，ALA多存在于紫苏籽、亚麻籽、杜仲、花椒等植物中，其中紫苏籽和亚麻籽中含量相对较高，含量比较高的动物有蚕蛹、林蛙等.一般而言，工艺上分离制备ALA采用的原料多为紫苏籽油和亚麻籽油.因为在上述原料中，ALA基本上是以甘油酯的形式存在，而且含有较多的其他类型脂肪酸.所以在制备提纯ALA时，需要两个过程：一是先将甘油酯水解成混合脂肪酸，二是将混合脂肪酸进行分离提纯得到ALA.其中第一步的制备中，先将原料加入到水-乙醇体系中，再在一定的温度下加入KOH与其进行皂化反应，得到相应的脂肪酸盐溶液.等到反应结束后，再利用一定量的石油醚进行溶解萃取，除去多余的不皂化物.然后再利用盐酸溶液进行调pH，并用KCl溶液进行清洗.最后再用石油醚进行多次萃取分离，得到混合的脂肪酸[4].

2 α-亚麻酸的常见分离方法

由于ALA原料的性质和实际的应用等因素影响，在分离提纯时会有以下特点：(1)原料中各种脂肪酸成分多，组成复杂；(2) α-亚麻酸分子中含有较高的不饱和度，容易受到光照 、加热等外界条件的影响而发生氧化反应，降低产品收率；(3)作为医药和保健食品中的成分，进行分离纯化时，必须慎重选择使用相关的提取溶剂，在精制纯化获得的产品内需全部去除分离过程中使用的有毒害作用的溶剂[5].受到上述的特点限制，所以ALA的分离提纯过程是整个工艺的关键技术.很多传统的方法不能够直接使用，需要进行一定的优化改进，以适应较高的技术要求.目前，比较常用的分离方法有尿素包合法、分子蒸馏法、超临界流体萃取法等.

2.1 尿素包合法

简单而言，尿素包合法就是利用尿素对不同脂肪酸的包合作用，从而进行分离提纯的方法.包合作用是一种分子间的物理过程，指一种分子被包嵌于另一种分子的空穴结构内，形成非化学键络合物的过程.这种非化学键络合物又称包合物，由主分子和客分子两种组分加合构成，主分子具有较大的空穴结构，足以将客分子容纳在内形成分子胶囊，如图1所示.主客体之间主要以范德华力、氢键等分子间弱相互作用为主，同时受两者的分子结构和大小影响.同时在一定条件下,它们还可以按原样进行分离，所以非常适合于提纯过程.

图1 尿素包合法的包合过程[7]

当处于有机溶剂的环境下时，尿素分子在结晶过程中形成的结构具有较大的空腔，能够与一些脂肪酸形成稳定的六面结晶体.尿素与脂肪族化合物形成包合物的基本条件是碳链必须大于4个原子的直链脂肪酸，太小的话会因为作用力太弱不能形成稳定的包合作用.此时的尿素包合物结构是以一个直链脂肪族化合物为轴心，尿素分子之间通过强大的氢键力绕着这根轴心以右手盘旋上升，将其紧紧包合住，从而形成正六棱柱[6].饱和脂肪酸分子则正好可以满足条件，而不饱和度较高的脂肪酸由于双键较多，分子上碳链弯曲，具有一定的空间构型，不易被尿素包合.同时，采用过滤的方法可以除去饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸与尿素形成的包合物，再经过降低温度就可以让包合物解离，其中尿素可以循环使用.利用这一原理，就可以将混合脂肪酸中的饱和脂肪酸和低不饱和脂肪酸分离出去，达到分离提纯ALA的目的.

王润泽等[8]对尿素包合法纯化紫苏油中ALA进行了研究，对最佳分离条件进行探究.ALA的含量与尿素的含量成正比，当尿素的含量增加时，产物中的ALA的含量也随之增加.但同时带来其他问题，增加尿素用量，就会增加尿素溶解难度.而且当尿素含量过高时，会导致部分ALA溶解在甲醇中，导致最终收率降低.因此，只有将脂肪酸与尿素质量比控制在1∶2～1∶3之间，才可使ALA的产物的收率与含量都控制在最佳效用状态.这种利用不饱和度的差异进行分离的尿素包合法，既具有较高的分离效率，而且相对简单易行、操作方便，所以被广泛应用在ALA的提纯分离上.不过，其最大的问题就是难将不饱和程度相同但碳链长度不同的脂肪酸分开.因此，当面对这种情况时，单纯的尿素包合法是不够的，还需要与其他的分离方法结合使用.

2.2 分子蒸馏法

根据分子运动理论，液体混合物受热后分子运动会加剧，当接受到足够能量时，就会从液面逸出成为气相分子.在此过程中，根据分子平均自由程的定义，不同的分子由于其分子有效直径不同，故其平均自由程也不同，即不同物质分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不同的.当液体混合物沿加热板流动并被加热时，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，轻分子可以达到冷凝板被冷凝排出；而重分子达不到冷凝板，最终实现动态平衡.这样,轻、重分子就可以达到分离的目的.基于上述分子平均自由程的差异而实现分离的方法，就是分子蒸馏法，不过一般需要高真空(通常绝对压强为1.33～0.0133 Pa)的条件.

分子蒸馏是一种特殊的液—液分离技术,它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子分子量大小的差别来实现分离.由其原理来看，分子蒸馏是一种非平衡状态下的蒸馏，根本区别于常规蒸馏.因此，它具备许多常规蒸馏无法比拟的优点，如：能够在较低的温度下进行操作、蒸馏压低、受热时间短、分离程度高和产品收率高等优点[9].由于低温高真空的环境，不会对物质本身造成破坏，所以分子蒸馏技术特别适合于分离低挥发度、高分子量、高沸点、高黏度、热敏性和具有生物活性天然物质的物料.而这一点，恰恰符合ALA的工艺特点，可以有效防止ALA的受热氧化，比较适合于混合脂肪酸中ALA的分离.短链的、分子量较小的脂肪酸会因分子自由程大随着冷凝而排出，而分子量大的脂肪酸会被留下来，富集纯化.通过多级操作，逐层设立不同的冷凝板，最终可实现ALA的分离提纯.

刘金菊[10]等用分子蒸馏法将亚麻籽油中ALA进行了富集，并对蒸馏工艺参数进行了优化.通过设计Box- Benhnken 试验设计，发现在分子蒸馏纯化ALA的最佳工艺条件为蒸馏温度90 ℃、蒸馏压力0.8 Pa、进料速度0.87 mL/min、刮膜转速287 r/min.在此工艺条件下，得到ALA质量分数为81.15%，提取率为78.20%.张运晖[11]采用四级分子蒸馏技术，利用刮膜式分子蒸馏设备对亚麻酸进行小试提纯试验，最后可以将原料中的ALA由原来的67.5%提纯至82.3%.ALA的分子蒸馏法的优点主要是其工艺简单、分离效率高,可以进行连续化生产而更适宜实现工业化生产.不过缺点就是当面对分子量相近的脂肪酸组分，其分离效果就不太明显，需要进一步优化.

2.3 超临界流体(CO2)萃取法

超临界流体是指物质本身状态处于临界温度和临界压力以上的流体.在超临界状态下，流体的性质介于气体与液体之间，同时兼有气液两重性的特点，既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力和传质性能[12].在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，把混合物中的成分有选择性地萃取出来的方法即是超临界流体萃取法(SFE).因此，在这种工艺中，超临界流体必须稳定、安全、易于操作，对待萃取物质有足够大的溶解度，同时又有良好的选择性.

目前，SFE选择最常使用的超临界流体是CO2，选择CO2是因为它具有较好的临界温度和压力，而且是成本低廉、环境友好、安全无毒.所以超临界CO2萃取技术适合于提取分离热敏物质、易氧化物质和常规蒸馏不易挥发的物质，常用于中药和油脂中成分的分离.在萃取过程中CO2是非极性物质，对非极性化合物的溶解能力较好，所以比较适合脂肪酸这类弱极性的混合物[13].通过调节萃取参数，如：萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量等，可以改变CO2对不同脂肪酸的溶解能力，进而对目标组分达到富集纯化.萃取完成后将气压降低，CO2变成气体状态从混合物中分离出去，而溶质ALA继续留在收集器.超临界CO2萃取既不会对ALA的安全性产生危害，也可以防止ALA发生氧化反应性质改变，而且实际工艺中CO2还可以再循环使用.

2016年，王心怡[14]等以亚麻籽为原料，用超临界CO2萃取法对ALA进行分离提纯，考察了萃取压力、萃取温度、萃取时间等因素对分离效果的影响.不同的工艺对原料的出油率和产物中ALA的含量均有影响，可通过将产物中脂肪酸甘油酯的衍生化，用气相色谱面积归一化法定量分析得出.研究表明，超临界CO2萃取亚麻籽中ALA的优选工艺为:萃取压力30 MPa、萃取温度40 ℃、萃取时间2 h.在优选工艺条件下进行了3次萃取实验,最终的平均出油率与ALA的平均含量分别为 24.7%、12.5%.

3 结 语

α-亚麻酸是人体中重要的一种必需成分，而且在医药和保健品中具有较好的成效.然而由于成本高、工艺要求严格等原因，目前还不能用化学合成方法进行制备，只能从某些特殊的植物体上提取分离.提取的原料中组成复杂，且含有较多其他类型脂肪酸，所以其分离技术十分关键.随着人们的不断探索，分离提取方法也逐渐增多，且原理也不尽相同.目前常见的分离方法有：根据不饱和脂肪酸饱和度不同进行分离的尿素包合法；根据脂肪酸分子量的大小不同进行分离的分子蒸馏法；根据脂肪酸极性的差异和溶解能力不同进行分离的超临界CO2萃取法等.这些方法虽然获得的ALA产品纯度和收率都较高，但仍然有许多需要改进的地方，而且大部分都还停留在实验室研究阶段，工业上大规模连续生产比较困难.不过随着脂肪酸产业的迅速发展，市场潜力的不断增大，脂肪酸的分离精制工艺一定会日趋成熟，ALA的分离纯化技术水平也会逐渐提升.相信在不久的将来，ALA等脂肪酸类相关药品及保健品一定会在更多的领域取得广泛应用.