白木通種子油的理化特性及制備生物柴油的研究

羅麗萍，藍雅惠，胡冰峰，張 茜，郭夏麗

南昌大學生命科學與食品工程學院，南昌 330031

白木通(Akebia trifoliata)為木通科木通屬纏繞木質藤本植物，也稱三葉木通，在中國分布廣泛，多生長在氣候溫和濕潤，海拔300～2100 m的荒野山坡、灌叢及溝谷疏林中，栽培中不占用糧田，可利用現存丘陵山地，主要是森林砍伐后的跡地和墾荒后殘留的荒山草地開采利用［1-3］，一般畝產種子可達400 kg左右，且種子含油量高。

石化燃料是當前人類使用的主要能源，但其日益消耗殆盡，同時造成了嚴重的溫室效應和環境污染問題。進入20世紀90年代，生物柴油以其優越的環保性能受到了各國政府的重視。生物柴油是生物質能的一種，它是生物質利用熱裂解等技術得到的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯。世界各地發展生物柴油的原料有所差異。歐洲多用菜籽油和葵花籽油，美國為大豆油，巴西為蓖麻籽，東南亞等地用棕櫚油，日本是利用餐飲廢油和農林廢棄物。中國是“貧油國”，食用油短缺，生物柴油的發展要做到“不與人爭糧、不與糧爭地”，目前主要發展方向是通過利用邊際土壤，種植含油脂的植物。但已有的油脂植物均為草本或木本油料植物，尚無藤本油料作物。

生物柴油的制備方法一般有物理法、化學法和生物酶法。其中化學法包括高溫熱裂解法和酯交換法。酯交換反應也稱為轉酯或醇解，是用一種醇置換甘油三酯(動植物油脂)中的甘油，即動植物油脂和醇在催化劑作用下進行酯交換反應生成脂肪酸酯和甘油。酯交換法制備生物柴油是用各種動物或植物油脂與甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低碳醇在催化劑的作用下反應而成，是常用的生物柴油制備方法。

為開發新型油料植物，拓展我國生物柴油新資源，本文較為系統地評價了白木通種子油的理化特性，并采用響應面分析法，優化其制備生物柴油的工藝。研究結果可為白木通種子油的開發利用提供理論依據，為我國生物柴油生產提供新的資源。

1 材料與方法

1.1 材料

白木通種子:由九江市回歸生物科技發展有限公司提供。種子洗凈后放入真空干燥箱，40℃干燥24 h，粉碎后備用。

1.2 儀器

Agilent-6890N/5973i氣相色譜/質譜聯用儀(美國安捷侖公司):色譜柱:毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm);HH-6數顯恒溫水浴鍋(上海國華電器有限公司);RE-52旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠);GG-17索氏抽提器(四川蜀玻集團)。

1.3 方法

1.3.1 種子油的提取及脂肪酸甲酯化

將粉碎的種子用濾紙包好，放入索氏提取器抽提筒中，注入80 mL的無水乙醚回流浸提，6 h后過濾。旋轉蒸發除去溶劑，無水硫酸鈉除水。整個回流浸提與蒸發除溶劑除水操作步驟重復3次［4］。得白木通種子油，得率(種子油重/種子重×100%)為32.76%。待用。

取0.5 mL白木通種子油于容量瓶中，加入2 mL正己烷，1 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液，70℃水浴10 min，冷卻后再加入10 mL蒸餾水，超聲、離心，取上層清夜，待測。

1.3.2 GC-MS測定種子油的脂肪酸組成［5］

GC條件:氣化室溫度280℃，柱溫70～270℃，進樣口溫度280℃，載氣N2，進樣量為1 μL，分流比為20∶1;升溫程序:從70℃開始，先以10℃/min升至200℃，再以2℃/min升至220℃，維持1 min，再以8℃/min升至270℃，維持5 min結束。

MS條件:加速電壓4 kV，EI離子源，離子源溫度200℃，電子能量70 eV，掃描范圍30～550 amu，掃描速度6℃/min。以峰面積歸一化法半定量。

1.3.3 其它理化指標的測定

含水量:根據 GB 260-77［6］測定;碘值:根據GB/T 5532-2008［7］測定;酸值:根據 GB/T 5530-1998［8］測定;皂化值:根據 GB/T 5534-1995［9］測定;過氧化值:根據 GB/T 5538-1995［10］測定;凝固點:根據 GB/T 510［11］測定;閃點:根據 GB/T 261［12］測定;冷濾點:根據 SH/T 0248［13］測定。

1.3.4 酯交換反應制備生物柴油［5］

過量的游離脂肪酸和水會產生皂化反應，使催化劑中毒，不利于酯交換反應正常進行。因此，必須對白木通種子油進行降酸和除水處理。將1.3.1獲得的白木通種子油按醇油摩爾比6∶1加入甲醇，濃硫酸催化劑用量為油重的1%，在65℃下反應1.5 h后，將反應物靜置與分液漏斗一段時間后，分出下層油相，用減壓蒸餾除去殘余甲醇［14］，除水。取一定量進行降酸處理后的種子油于250 mL錐形瓶中，加入催化劑KOH與甲醇的混合液(催化劑用量為1%)，置于60℃的恒溫搖床中反應一段時間，反應結束后倒入分液漏斗中進行靜置，分離出下層甘油，再用旋轉蒸發儀將上層生物柴油粗品蒸餾脫除過量甲醇，用溫水洗滌數次至中性，減壓蒸餾除去殘存的水、甲醇、甘油單酸酯、甘油二酸酯、甘油三酸酯等雜質，得淡黃、透明的脂肪酸甲酯，即生物柴油。

生物柴油轉化率由脂肪酸甲酯的轉化率表示［5］。

生物柴油轉化率(%)=(實際得到甲酯質量÷理論應得甲酯質量)×100%

其中:實際得到甲酯質量=色譜分析中甲酯含量×甲酯化所得甲酯質量。色譜分析中甲酯含量由1.3.3中峰面積歸一化法半定量可得。

1.3.5 響應面優化生物柴油制備工藝

單因素試驗表明，醇油摩爾比、反應時間及催化劑用量3個因素對白木通種子油生物柴油產品中脂肪酸甲酯含量的影響較大。在反應溫度60℃條件下，運用Design Expert響應面軟件采用Box-Behnken中心組合實驗設計，考察了反應時間(X1)、醇油摩爾比(X2)和催化劑用量(X3)對白木通種子油生物柴油產品中脂肪酸甲酯含量(Y)的影響。設計三因素三水平試驗，共15個試驗點。其中12個為分析因子，3個中心實驗點。試驗因素水平見表1。

表1 因素水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis

2 結果與分析

2.1 白木通種子油的脂肪酸組成

通過GC-MS從白木通種子油中鑒定出5種脂肪酸(圖1)，其中不飽和脂肪酸油酸和亞油酸相對含量分別為43.39%和23.2%，占脂肪酸總量的66.59%;飽和脂肪酸硬脂酸、棕櫚酸和豆蔻酸的相對含量分別為3.22%、29.93%和0.26%，占脂肪酸總量的33.41%。德歐美的生物柴油標準中關于植物油脂質量評價體系規定，植物油酯的碳鏈長度須在C12-C22之間才能保證所制備生物柴油的燃燒性能［15］，白木通種子油脂肪酸碳鏈長度范圍在C14-C18之間，符合上述標準。

圖1 白木通種子油脂肪酸甲酯總離子流色譜圖Fig.1 GC-MS total ion chromatogram of A．trifoliata seed oil

2.2 白木通種子油的理化指標

經測定，白木通種子油的含水量、碘值、酸值、皂化值、過氧化值、凝固點、閃點和冷濾點分別為32.76%、0.36%、67.89 g/100 g、8.85 mg KOH/g、235.03 mg KOH/g、47.08 mmol/kg、-12 ℃、215 ℃和-7℃。

生物柴油的碘值、十六烷值等特性是由原料植油的特性決定的，酯化反應前后的脂肪酸和脂肪酸甲酯也是對應的，因此，可以通過對植物油理化性質的分析，來評估其用于生物柴油生產的可能性［16-18］。

堿催化法制備生物柴油對原料的酸值和含水量要求比較高。以氫氧化鉀等堿催化劑時，常常要求油料酸值小于1.5 mg KOH/g，水分小于0.06%。白木通種子油含水量為0.36%，酸值為8.85 mg KOH/g，所以需要對白木通種子油進行降酸和降水處理，才能進一步制備生物柴油。

油脂平均相對分子質量可由皂化值和酸值計算出［19］，計算式為:M=56.1 ×3 ×1000/(SV-AV)，SV為皂化值，AV為酸值。經計算得其分子量為M=744.1 g/mol，偏大，油脂的平均相對分子質量越小，則流動性越好，因而，該油流動性不是很好。

油脂不飽和度由碘值度量，碘值高，則油脂中不飽和脂肪酸的含量高。但是不飽和程度太高，所制備的生物柴油在燃燒過程中會使甘油三酯發生聚合反應，進而產生沉積物，阻塞發動機。因此在德國和歐盟的生物柴油標準中設定了碘值的最大值分別為115 g/100 g 和120 g/100 g［15］。白木通種子油的碘值為67.89 g/100 g，遠遠低于上述標準。

十六烷值是評價燃料油點火性能、白煙影響及燃燒強度的重要指標。十六烷值高的燃料自燃點低、燃燒發熱均勻，生物柴油在發動機中運行更流暢，噪音更小，可降低發動機機械負荷。我國柴油機燃料調和用生物柴油(BD100)中規定，十六烷值不得小于49。十六烷值可通過以下公式估算:十六烷值=46.3+(5458÷SV)-(0.225×IV)，SV為皂化值，IV為碘值［20］。計算得白木通種子油十六烷值約為84.8，高于49。

2.3 響應面分析

試驗分析結果見表2。對表2數據進行多元回歸分析，結果見表3。

從表4中可以看出，模型P=0.0001＜0.01，表明回歸模型極顯著;失擬項P=0.0678＞0.05，不顯著;回歸模型的決定系數R2=0.9937，說明該模型的擬合度良好，試驗誤差比較小，可以以該模型對生物柴油中脂肪酸甲酯的含量進行預測和分析。經回歸擬合后，以上3個試驗因素對響應值的影響可用回歸方程表示為:Y=98.61+4.35X1+3.29X2+6.49X3-0.21X1X2-0.78X1X3+0.20X2X3-3.69-2.32-7.68。該回歸方程中，X1、X2、X3的一次項系數比較大，且X3＞X1＞X2。說明這3個因素中，對反應進程影響最大的是催化劑用量，其次是反應時間，最后是醇油摩爾比。

表2 響應面分析試驗結果Table 2 Response surface analysis of the testing results

表3 回歸分析表Table 3 Results of regression analysis

2.4 響應面優化

利用Design Expert響應面軟件對表3數據進行二次多元回歸擬合。所得響應面見圖2。

圖2 響應面關系圖:(1)A:反應時間(X1)和B:醇油摩爾比(X2);(2)A:反應時間(X1)和C:催化劑用量(X3);(3)B:醇油摩爾比(X2)和C:催化劑用量(X3)Fig.2 Response Surface Mapping:(1)A:Reaction time(X1)and B:Methanol/oil molar ratio(X2);(2)A:Reaction time(X1)and C:Amount of catalyst(X3);(3)B:Methanol/oil molar ratio(X2)，and C:Amount of catalyst(X3)

從圖2可以看出，脂肪酸甲酯含量和反應時間呈正相關，當反應進行到80 min左右時，脂肪酸甲酯含量非常高，隨著時間的后移，脂肪酸甲酯的含量增加并不明顯;當醇油摩爾比增加，脂肪酸甲酯含量也不斷增加，當醇油摩爾比達到6.7∶1時，脂肪酸甲酯含量達到最大，此時，繼續增大醇油摩爾比效果不顯著，且甲醇過量，會使后期甘油分離更加困難，增加分離和回收的成本;催化劑用量的增加，肯定有利于脂肪酸甲酯含量的提高，當催化劑用量超過1.3%后，脂肪酸甲酯的含量達到最高，繼續增加催化劑用量，脂肪酸甲酯的含量反而是降低的，且在反應過程中皂化現象比較嚴重，不利于后期處理。綜上分析，最優生產工藝為:反應時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。

2.5 模型驗證

為了驗證生物柴油中脂肪酸甲酯含量的模型方程的合適性和有效性，將生物柴油制備的最適工藝條件定為:反應時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。在此條件下進行3次重復實驗，產物中脂肪酸甲酯含量最終所得值為99.21%。因此，采用響應面分析得到的工藝指數可靠，有較強的實用價值。

3 結論

白木通種子油含量高，其理化特性符合柴油機燃料調和用生物柴油的標準。響應面法優化出白木通種子油制備生物柴油的工藝為:反應時間80 min，醇油摩爾比6.7∶1，催化劑用量1.3%。在此條件下，轉化的生物柴油中脂肪酸甲酯含量實測值為99.21%，達到法國生物柴油標準。驗證實驗表明實際測量值與預測值之間具有良好的擬合度。白木通可充分利用邊際土壤，綜合效益高，本研究表明，其可作為藤本新型油料作物開發利用。

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