分子蒸餾純化亞麻籽油中α-亞麻酸的研究

陳樂清，林 文，丁朝中，王志祥

（中國藥科大學制藥工程教研室，江蘇南京210009）

α-亞麻酸（全順-9，12，15-十八碳三烯酸）屬ω-3系列不飽和脂肪酸，是人體構成細胞膜和生物酶的基礎物質，具有抑制血栓形成，抑制癌癥的發生及轉移，延緩衰老等作用[1]。α-亞麻酸還能在體內轉化成為對人體生長發育有重要作用的DHA（二十二碳六烯酸）及EPA（二十二碳五烯酸）[2]。α-亞麻酸是人體每天都需要的營養物質，但無法通過人體合成，必須依靠膳食獲得。據報道[3]，我國膳食中普遍缺乏α-亞麻酸，日攝入量不足世界衛生組織推薦量的一半。目前我國正在積極推廣α-亞麻酸，市場上出現了大量含α-亞麻酸的保健品和藥品。α-亞麻酸主要以甘油三酯的形式存在于亞麻籽、沙棘籽等油料種子中。但甘油三酯中的脂肪酸除α-亞麻酸外，還可能是亞油酸或油酸等[4]，因此需將α-亞麻酸從甘油三酯中解離出來。目前解離的方法主要有皂化法、甲酯化法、乙酯化法等。皂化法得到的游離α-亞麻酸極易氧化變質，不便保存。乙酯化法在分子蒸餾提純α-亞麻酸中廣泛應用，但該法蒸餾溫度較高，通常在110℃以上[5]。目前文獻報道的甲酯化法主要是應用在硝酸銀絡合法提純中，但硝酸銀絡合法存在銀離子殘留[6]。采用甲酯化法作為分子蒸餾技術提純α-亞麻酸的前處理方法，使蒸餾溫度降低至90℃左右，降低了能耗，也減少了α-亞麻酸的氧化分解。甲酯化結合分子蒸餾技術得到的亞麻酸甲酯不但可以制成α-亞麻酸酯脂肪乳靜脈注射劑[7]；還可通過加氫反應得到亞麻醇，成為合成表面活性劑的重要中間體[8]。本實驗利用甲酯化和分子蒸餾相結合的方法，得到α-亞麻酸質量分數高達80.27%的產品。據文獻報道[3]，目前國內工業化生產的α-亞麻酸產品質量分數大多在70%左右，因此，工藝的研究成果對α-亞麻酸的工業化生產具有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

亞麻籽油 大同市華建油脂有限公司；α-亞麻酸甲酯標準品、α-亞麻酸乙酯標準品 美國Nuchekprep公司；甲醇、石油醚、氫氧化鈉、無水硫酸鈉等 均為分析純；正己烷 色譜純。

PB-10 pH計 德國Sartorius公司；GC2010氣相色譜儀 日本島津公司；KLD-5分子蒸餾設備 德國UIC公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 亞麻籽油的理化性質測定 酸價測定方法：GB/T 5530-2005；水分測定：GB/T 5528-2008；試劑配制：QB/T 2739-2005。α-亞麻酸質量分數測定：GB/T 17376-2008、GB/T 17377-2008。

1.2.2 亞麻籽油甲酯化 往250mL三頸瓶中加入50g亞麻籽油，將其置于60℃的恒溫水浴鍋上，開動攪拌器，通入氮氣。瓶內溫度穩定后，加入溶有0.4g的NaOH的甲醇溶液20g，反應1h后取出，再加入2mL冰醋酸破乳劑，分層后去除水相。有機相用60℃水洗滌至中性再經無水硫酸鈉脫水處理，即得α-亞麻酸甲酯粗產品。

1.2.3 單因素實驗 在冷凝面溫度5℃、操作壓力1Pa、進料時間30min的條件下，依次研究蒸餾溫度（進料速度51mL/h、刮膜轉速500r/min，預熱溫度80℃）、刮膜轉速（進料速度51mL/h、蒸餾溫度88℃、預熱溫度80℃）、預熱溫度（進料速度51mL/h、蒸餾溫度88℃、刮膜轉速300r/min）、進料速度（預熱溫度60℃、蒸餾溫度88℃、刮膜轉速300r/min）對蒸餾效果的影響，確定分子蒸餾操作參數的范圍。

1.2.4 Box-Behnken設計優化實驗 在單因素實驗的基礎上，采用Box-Behnken設計優化法，選取蒸餾溫度、進料速度、刮膜轉速三因素，以α-亞麻酸甲酯質量分數為指標，利用Design Expert 7.0.1軟件對數據進行處理分析，篩選出分子蒸餾純化α-亞麻酸甲酯優化工藝條件，并對該條件進行驗證。因素水平見表1。

表1 響應曲面因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface design

1.3 分析方法

1.3.1 色譜條件 色譜柱：Rtx-Wax毛細管柱（30m×0.25mm×0.25μm）；載氣：氮氣；進樣口溫度：250℃；柱溫：195℃；檢測器溫度：230℃；分流比：40；載氣速度：1.53mL/min，氫氣：40mL/min，空氣：400mL/min；進樣量：1μL。

1.3.2 α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率測定[9]將α-亞麻酸甲酯標準品和α-亞麻酸乙酯標準品分別配制成1mg/mL的正己烷溶液，各取1mL混合后，取樣進氣相色譜分析，按下式求取相對質量校正因子。

式中，f為相對質量校正因子；A（i）為樣品的峰面積；A（s）為內標物峰面積。

將脂肪酸甲酯粗品和輕組分中樣品分別配成2mg/mL的正己烷溶液，各取1mL上述溶液與1mL的α-亞麻酸乙酯內標溶液（1mg/mL）混合，取樣進氣相色譜分析。α-亞麻酸甲酯質量分數和提取率按下式計算：

式中，f為相對質量校正因子；A（I）為粗品峰面積；A（i）為輕組分樣品峰面積；A（s）為內標物峰面積；m（l）為輕組分質量（g）；m（h）為重組分質量（g）。

2 結果與討論

2.1 亞麻籽油理化性質測定結果

測得亞麻籽油酸價為0.58mg KOH/g，水分質量分數為0.068%，α-亞麻酸的質量分數為53.36%。油中游離的脂肪酸和水分含量極低，皂化副反應的影響可以忽略[10]。

2.2 單因素實驗

2.2.1 蒸餾溫度對純化效果的影響 蒸餾溫度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率的影響，如圖1所示。

圖1 蒸餾溫度對純化效果的影響Fig.1 Effect of distillation temperature on the purification result

由圖1可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數隨著溫度升高先增大后減小，在88℃達到最大值，這是因為隨著溫度的升高，輕組分不斷逸出；但隨著溫度繼續升高，亞油酸甲酯、油酸甲酯等重組分也會被蒸出，從而使質量分數降低。α-亞麻酸甲酯的提取率隨著溫度升高一直呈現上升趨勢。溫度越高，從原料中蒸出的α-亞麻酸甲酯量就越多，使其提取率越來越高。因此，綜合比較，蒸餾溫度選擇在85～91℃較適合。

2.2.2 刮膜轉速對純化效果的影響 刮膜轉速對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率的影響，如圖2所示。

圖2 刮膜轉速對純化效果的影響Fig.2 Effect of agitating speed on the purification result

由圖2可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率均隨著刮膜轉速的提高先增大后減小，在300r/min時達到最大值。在低轉速時，轉速提高，引起液膜湍動加強，對流傳熱速度也隨之增大，傳熱的改善使得更多輕組分逸出。但是隨著轉速進一步的提高，熱量傳遞越多，重組分逸出也越多，加上料液被甩到冷凝管上幾率加大，導致質量分數和提取率下降。因此，刮膜轉速選擇在300r/min附近比較適合。

2.2.3 預熱溫度對純化效果的影響 預熱溫度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率的影響，如圖3所示。

圖3 預熱溫度對純化效果的影響Fig.3 Effect of preheat temperature on the purification result

由圖3可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率的曲線都比較平緩，說明預熱溫度對純化效果影響較小。這是因為進料速度很慢，料液剛到達加熱壁面就立刻被加熱到與壁面相同的溫度，因此預熱溫度的差異對實驗效果影響較小。從圖3可知，預熱溫度選擇在60～68℃比較適合。

2.2.4 進料速度對純化效果的影響 進料速度對輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率的影響，如圖4所示。

圖4 加料速度對純化效果的影響Fig.4 Effect of feeding rate on the purification result

由圖4可知，輕組分中α-亞麻酸甲酯的質量分數和提取率隨著進料速度的增加先增大，質量分數在45～57mL/h時趨于穩定；隨著進料速度加大，質量分數和提取率開始下降，這是由加熱器傳熱量與α-亞麻酸甲酯汽化熱之間平衡所決定的。在低流量時，加熱器傳熱量大于α-亞麻酸甲酯汽化熱，多余熱量用于重組分蒸出；在進料速度為45～57mL/h時，兩者達到平衡，質量分數處于平穩狀態；隨著進料速度加大，加熱器已不能夠提供足夠的熱量供α-亞麻酸甲酯揮發，因此質量分數和提取率開始降低。因此，綜合比較，進料速度選擇在45～57mL/h比較適合。

2.3 響應曲面實驗

2.3.1 數學模型建立 根據Box-Benhnken中心組合實驗設計原理，依據單因素實驗結果，以蒸餾溫度、刮膜器轉速和進料速度作為主要因素，設計三因素三水平響應曲面分析實驗。實驗結果見表2。

表2 響應曲面實驗及結果Table 2 Experiment and result of response surface design

應用Design Expert 7.0.1軟件對數據進行擬合，得到線性回歸方程為：Y=74.62+0.54×A+2.23×B-3.19×C。

對該模型進行顯著性檢驗，方差分析結果見表3，分析得到該模型的p＜0.05，表明回歸模型顯著；失擬項p=0.6957，不顯著，表明該模型擬合程度良好；其中蒸餾溫度、刮膜轉速一次項均顯著。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression equation

2.3.2 優化與驗證 通過軟件優化，得到分子蒸餾純化α-亞麻酸甲酯優化工藝條件為進料速度57mL/h、蒸餾溫度91℃、刮膜轉速250r/min，模型預測α-亞麻酸甲酯質量分數的最大值為80.6%。在此實驗條件下，進行三次驗證實驗，得到α-亞麻酸甲酯質量分數分別為80.43%、79.6%、80.79%，平均值為80.27%；提取率分別為76.50%、74.15%、77.96%，平均值為76.20%。此結果與模型的預測值相近，說明建立的模型能較好地反映實際的純化過程。

3 結論

本實驗使用雙重的濃縮技術，首先采用甲酯化技術將α-亞麻酸從甘油三酯中解離出來，接著采用分子蒸餾技術進一步純化其中的α-亞麻酸。通過研究，得到分子蒸餾純化α-亞麻酸優化工藝條件：進料速度57mL/h、蒸餾溫度91℃、刮膜轉速250r/min。該工藝顯著降低蒸餾的溫度，減少能量消耗和產品氧化變質率；并且使α-亞麻酸質量分數提升到了80.27%，與目前工業化生產70%的α-亞麻酸相比，有了顯著提高。

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