分子蒸餾分離米糠毛油中游離脂肪酸的工藝研究

林 文 史益強 黃德春 武法文 王志祥

（中國藥科大學，南京 210009）

分子蒸餾分離米糠毛油中游離脂肪酸的工藝研究

林 文 史益強 黃德春 武法文 王志祥

（中國藥科大學，南京 210009）

分別采用甲酯化-分子蒸餾法及直接分子蒸餾法去除米糠毛油中的游離脂肪酸。前者甲酯化反應的酯化率為96.4%，谷維素回收率為98.71%；分子蒸餾通過單因素試驗確定的最佳條件為蒸餾溫度120℃、預熱溫度80℃、內冷溫度40℃、刮膜器轉速400 r／min、進料流量3 mL／min，最終產品收率為83.4%，酸價0.14 mgKOH／g，脂肪酸甲酯的清除率為97.04%，谷維素總回收率為98.39%。后者直接分子蒸餾的最佳蒸餾溫度為170℃，最終產品收率為87.9%，酸價0.44 mgKOH／g，游離脂肪酸的清除率為97.6%，谷維素回收率91.65%。2種方法對比，前者雖步驟較多，但蒸餾溫度低，谷維素損失少，因此更具優勢。

分子蒸餾 米糠毛油 甲酯化 游離脂肪酸 谷維素

米糠毛油中含有多種具有商業價值的生物活性物質，如生育酚、生育三烯酚、谷維素、卵磷脂、類胡蘿卜素、二十八碳醇及角鯊烯等，其中谷維素的質量分數0.9%～2.9%［1］。谷維素是一種植物甾醇類阿魏酸酯的混合物，其中以環木菠蘿烯醇阿魏酸酯、24-亞甲基環木菠蘿醇阿魏酸酯、β-谷甾醇阿魏酸酯及菜油甾醇阿魏酸酯為主，還包括豆甾醇阿魏酸酯，二氫菜油阿魏酸酯及環木菠蘿醇阿魏酸酯等其他含量較少的成分［2］。谷維素具有調節植物神經功能失調［3］、降血脂［4］、抗炎［5］、抗氧化［6］等多種生理功能。此外，谷維素還具有輔助治療Ⅱ型糖尿?。?］，恢復長期酗酒受損的肝臟功能［8］等其他作用，因此被廣泛用于食品、藥品、保健品及化妝品中［9］。

提取谷維素的方法主要有溶劑萃取—結晶法、超臨界CO2萃取法、膜分離技術及制備色譜法等。制備色譜法提取的谷維素純度較高，但產能太小，通常只有數毫克［10］。膜分離技術［11］及超臨界 CO2萃取技術［12］都僅用于谷維素的初步富集，無法得到純度較高的產品，且設備昂貴，操作條件苛刻，不利于工業化應用。溶劑萃取-結晶法［13］是提取谷維素的傳統方法，具有操作方便、設備簡單、產品純度高、提取率高等優點，但此法需使用大量有機溶劑，因此在進行溶劑萃取前，通常先采用減壓蒸餾法除去毛油中的游離脂肪酸（FFA）［14］，以減少后續分離中溶劑的用量，降低后續分離的難度。

相比于減壓蒸餾，分子蒸餾技術具有更高的真空度（0.1～1 Pa）［15］，因此分離游離脂肪酸所需的溫度更低，且分子蒸餾中物料的受熱時間很短，只有幾秒至幾十秒，因此熱敏物質不易分解。本研究以米糠毛油為原料，將其中游離脂肪酸先甲酯化后再進行分子蒸餾，同時，將一部分原料不經過甲酯化反應直接進行分子蒸餾，分別考察兩種方法的工藝條件并進行對比。

1 材料及方法

1.1 試劑和設備

米糠毛油（Crude rice bran oil，CRBO）：江蘇省丹陽市欣盛植物油有限公司，谷維素含量2.11%，酸價約18.4 mgKOH／g；谷維素標準品：加拿大 Toronto Research Chemicals Inc；標準品棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯及內標物十七烷酸甲酯：上海阿拉丁試劑公司；色譜級甲醇：江蘇漢邦科技有限公司；色譜級乙腈、異丙醇：上海凌峰化學試劑有限公司；其他試劑如無水甲醇、正己烷、濃硫酸、對甲苯磺酸、95%乙醇等均為分析純。

GC-2010氣相色譜儀配有［SPL進樣口、RTXWAX色譜柱（30 m×0.32 mm×0.25μm）、FID檢測器］、LC-10ATvp高效液相色譜儀［配有四元混合系統（FCV-10ALvp）、在線脫氣系統（DGU-14A）、柱溫箱（CTO-10ASvp）、紫外檢測器（SPD-10Avp）及系統控制器（SCL-10Avp）］：日本島津公司；TDL-5型刮膜式分子蒸餾設備：德國U.I.C公司；BT25s型精密電子天平：德國Sartorius公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 酯化反應

將50 g米糠毛油置于三頸瓶中，水浴加熱至68℃。準確稱取一定量的對甲苯磺酸溶于反應所需的甲醇中，一并倒入三頸瓶，反應開始。反應到規定時間后將三頸瓶中料液旋蒸除去多余甲醇，再用溫水洗滌至中性，油層在7 500 r／min下離心5 min，上層即為甲酯化后米糠毛油。

將適量甲酯化米糠毛油置于雙層玻璃進料罐中，調節預熱溫度、加熱溫度及內冷溫度至指定值，并將系統真空度降至0.1 Pa。開啟刮膜器至指定轉速，打開進料閥，控制流量在設定值，料液經液體分布器后被拋向蒸餾面并逐漸布滿整個蒸餾壁面。待輕、重接收罐都有餾分接收，穩定15 min，將輕、重接收罐旋轉至指定接收管，即開始接收產品，待蒸餾物料體積減少到指定刻度關閉流量閥，一次蒸餾完成，記錄蒸餾時間、物料體積及輕、重餾分質量并取樣測定酸價、脂肪酸甲酯含量及谷維素含量等參數。

1.2.3 酸價的測定及酯化率計算

參照 GB／T 5530—2005／ISO 660：1996規定的方法，采用熱乙醇法測定樣品的酸價，以油酸計換算得游離脂肪酸總含量。

酯化率按下式計算：

1.2.4 氣相色譜法測定脂肪酸甲酯含量

1.2.4.1 分析條件

預應力鋼絲繩的一端直接穿入端部錨具的開口，另一端通過張拉器進行張拉。采用對稱張拉的原則，以防結構產生扭轉、側彎。張拉時從兩側向中間對稱前進，鋼絲繩布置如圖5所示。

氣化室溫度240℃，起始柱溫200℃，保留10 min后以20℃／min的速度升至220℃，再保留4 min，FID檢測器溫度250℃，進樣量1μL，分流比10，載氣壓力 97 kPa。

1.2.4.2 校正因子的測定

以十七酸甲酯為內標物，精密稱取棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯及十七酸甲酯標準品用異丙醇溶解配成混標溶液，經氣相色譜分析并計算各組分的校正因子fi。

式中：fi為組分i的校正因子；Abi為組分i的標準品的峰面積；mbi為樣品中組分i的標準品的質量；An為內標物的峰面積；mn為樣品中內標物的質量。

1.2.4.3 各組分濃度的計算

精密稱取一定量十七酸甲酯，用異丙醇定容后配成內標溶液。取分子蒸餾產品（約0.05 g），精確加入內標溶液1 mL，異丙醇定容至10 mL，進氣相色譜分析。根據內標物在樣品中的質量、內標物的峰面積及組分的峰面積由式（3）可計算出樣品中組分i的質量，再根據樣品配制的濃度計算其在產品中的濃度。

式中：mi為組分i在樣品中的質量；Ai為組分i的峰面積。

本研究中脂肪酸甲酯含量指的是棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯及亞麻酸甲酯的含量之和。脂肪酸甲酯清除率及收率用式（4）、式（5）來計算。

脂肪酸甲酯的清除率＝（進料質量×進料脂肪酸甲酯含量-產品質量×進料脂肪酸甲酯含量）／（進料質量×進料脂肪酸甲酯含量） （4）

1.2.5 高效液相色譜法測定谷維素含量

色譜柱為Synergi Hydro-RPC18（菲羅門，4μm，250 mm×4.6 mm），流動相為甲醇∶異丙醇 ＝90∶10（V／V），流速1mL／min，柱溫35℃，檢測波長327 nm。精密稱取0.517 20 g谷維素標準品，用異丙醇定容至100 mL，再精確量取 1、2、3、4、5、6 mL標準溶液用異丙醇稀釋至10 mL，依次檢測。以谷維素濃度為橫坐標，谷維素峰面積為縱坐標作標準曲線，得線性方程：Y＝3.56×107X+123 423，R2＝0.999 4。

2 結果和討論

2.1 甲酯化反應

甲酯化反應的目的是將米糠毛油中的游離脂肪酸轉變成脂肪酸甲酯，以降低其沸點，便于后續分離。首先進行催化劑的選擇，分別選取陽離子交換樹脂（20%）、濃硫酸（2%）及對甲苯磺酸（2%）為催化劑，在其他反應條件相同的情況下進行平行試驗，結果表明，陽離子交換樹脂的催化作用較弱，酯化率僅40%左右；濃硫酸和對甲苯磺酸的催化能力均較強，酯化率分別為96.3%及94.8%，但考慮到濃硫酸對金屬設備的腐蝕性較大，因此選擇對甲苯磺酸為催化劑。其次確定反應溫度，試驗表明酯化率隨著反應溫度的上升而提高，但在65℃時，反應物形成共沸體系，溫度不再升高，因此，酯化溫度選擇為65℃。最后分別考察酯化時間、催化劑用量及醇油比對酯化率的影響，結果如圖1所示。隨著醇油比、酯化時間及催化劑用量的增加，酯化率均先迅速上升而后趨于平穩，因此酯化反應的醇油比選擇為1.2、酯化時間為1.5 h、催化劑用量為3%。在上述條件下，產品酸價由原料的18.4 mgKOH／g降為0.60 mgKOH／g，酯化率96.4%。由于脂肪酸甲酯比游離脂肪酸分子量略大，又因為水洗過程中，有少量水分進入產品，因此產品收率為102.6%，其中谷維素質量分數為2.03%，谷維素回收率為98.71%，谷維素的損失可能是由于水洗過程使用大量溫水帶走少量谷維素造成的。

圖1 醇油比、酯化時間及催化劑用量對酯化率的影響

2.2 甲酯化后分子蒸餾

以甲酯化產品為原料，進行分子蒸餾以去除其中的脂肪酸甲酯，重組分接收瓶內物料即為產品。首先考察預熱溫度對分離效果的影響，如圖2所示。當預熱溫度和蒸餾溫度差異較大的時候，料液進入蒸發面后需要較長的時間才能到達蒸餾溫度，實際蒸餾面積相應減小，因此，預熱溫度較低時，甲酯逸出較少，產品中脂肪酸甲酯含量和產品收率便較高。隨著預熱溫度的逐漸上升，預熱溫度和蒸餾溫度的差異減小，甲酯逸出亦逐漸增加，產品中脂肪酸甲酯含量及收率均緩慢下降，甲酯的清除率逐漸上升。由圖2可知，各指標的變化范圍均不大，這是因為當進料流量較小時，料液進入蒸發器后便立即被刮膜器均勻地分布在蒸發器壁面上，料液能在較短的時間內被迅速加熱至加熱溫度，因此預熱溫度對整個分子蒸餾的過程影響較小。綜合考慮甲酯的含量、清除率及產品收率三指標，并結合試驗中料液的流動狀況，選擇預熱溫度為80℃。

內冷溫度的影響如圖3所示。內冷溫度較低時，逸出的甲酯可以完全被冷凝器冷凝收集，但隨著冷凝溫度的上升，越來越多的脂肪酸甲酯來不及被冷凝，從而影響了甲酯的逸出速度，因而脂肪酸甲酯的含量及收率均隨著冷凝溫度的升高而上升，特別是內冷溫度高于40℃時，甲酯含量和收率上升變快，說明大部分甲酯在高于40℃時無法冷凝，脂肪酸甲酯的清除率也迅速下降。但冷凝溫度也不宜過低，冷凝溫度過低時，輕組分黏滯在冷凝管表面無法流動，不利于輕組分物質的收集，因此比較合適的內冷溫度是40℃。

刮膜器的轉速主要影響液膜的厚度及湍動程度從而影響液膜的傳質傳熱效率。當刮膜器轉速較小時，液膜較厚，湍動程度較差，傳質傳熱系數較小，料液需要較長的時間才能到達設定的蒸餾溫度，相應地有效蒸發面積也就變小，因此逸出的脂肪酸甲酯較少，脂肪酸甲酯的清除率較低，產品中甲酯的含量及產品收率均較高，見圖4。待轉速到達400 r／min后，液膜厚度不再減小，傳質傳熱系數趨于穩定，產品脂肪酸甲酯的含量、產品收率及甲酯的清除率均趨于穩定，故最佳轉速為400 r／min。

圖2 預熱溫度的影響

圖3 內冷溫度的影響

圖4 刮膜器轉速的影響

進料速率的影響見圖5。當進料速率較低時，液膜較薄，料液在蒸發面停留時間較長，有利于傳質傳熱。當蒸餾溫度較高（140℃）時，料液中脂肪酸甲酯已被充分蒸出，一部分較重的組分也被分離，因此重組分產品中脂肪酸甲酯含量較低，清除率較高，產品收率也較低。隨著進料速率的增加，液膜變厚，停留時間變短，那些在低速下能被分離的較重組分逐漸減少，而脂肪酸甲酯仍能被充分分離，因此產品中脂肪酸甲酯含量逐漸下降，清除率略微下降，產品收率升高。待進料速率高于3 mL／min，液膜更厚，使得越來越多的脂肪酸甲酯得不到有效分離，因此產品中脂肪酸甲酯含量又逐漸上升，清除率顯著下降，產品收率持續升高。選擇進料速率為3 mL／min。

圖5 進料速率的影響

圖6 蒸餾溫度的影響

蒸餾溫度的影響如圖6所示，蒸餾溫度對分離效果的影響非常顯著，脂肪酸甲酯含量隨蒸餾溫度的升高迅速降低，至120℃后，質量分數僅為0.02%左右，清除率幾乎達到100%。這是因為隨著溫度的升高，越來越多的脂肪酸甲酯逸出被分離直至全部清除。同時，越來越多的其他組分也隨著溫度的升高逸出，因此產品收率持續下降。該組試驗同時測量了輕組分中谷維素的含量，發現蒸餾溫度低于120℃時，輕組分中檢不出谷維素物質，120℃時，輕組分中谷維素質量分數為0.017%，130℃時為0.043%，而后逐漸增加，為避免谷維素的損失，又保證較高的脂肪酸甲酯清除率，蒸餾溫度選擇在120℃。

最終確定分子蒸餾條件為：預熱溫度80℃；蒸餾溫度120℃；內冷溫度40℃；轉速400 r／min；進料速率3 mL／min；真空度0.1 Pa。在此條件下，產品收率為81.3%，酸價0.14 mgKOH／g，脂肪酸甲酯質量分數0.65%，脂肪酸甲酯的清除率為97.04%，谷維素質量分數為2.49%，谷維素的回收率為99.67%。甲酯化及分子蒸餾兩步產品總收率為83.41%，谷維素總回收率為98.39%，谷維素損失較少。這是因為甲酯化反應使游離脂肪酸轉變成脂肪酸甲酯，常壓沸點由300℃左右降至200℃左右，使得分子蒸餾時的蒸餾溫度僅為120℃，在這種溫度條件下谷維素不會發生分解變質等變化，因此回收率較高。

2.3 原料直接分子蒸餾

本試驗是將米糠毛油不經處理直接進入分子蒸餾以去除其中的游離脂肪酸。根據上述試驗結果，蒸餾溫度對分離效果的影響最顯著，因而在本試驗中僅考察蒸餾溫度的影響情況，其他分離條件不變，結果如圖7、圖8所示。

隨著蒸餾溫度的升高，蒸餾面上逸出的組分越來越多，因此產品的收率逐漸下降，輕組分收率逐漸上升。首先逸出的為含量很小的易揮發組分，而后是越來越多的游離脂肪酸逸出進入輕組分接收罐，使得產品酸價迅速下降，輕組分酸價明顯上升，到130℃時達到最大值，然后逐漸下降。說明130℃后，分離出來的輕組分中除游離脂肪酸外還包含大部分其他的較輕組分，并且隨著蒸餾溫度的繼續上升，逸出的較輕組分逐漸增多，導致輕組分酸價的下降（圖8）。產品的酸價逐漸下降至170℃后趨于穩定，說明游離脂肪酸在170℃左右時基本被清除干凈（圖7）。對輕組分進行谷維素含量的測定，發現低于170℃的輕組分中沒有檢出谷維素成分，170℃輕組分中含微量谷維素，質量分數為0.013%。說明當

圖7 毛油直接分子蒸餾時蒸餾溫度對產品酸價及收率的影響

圖8 毛油直接分子蒸餾時蒸餾溫度對輕組分酸價及收率的影響

蒸餾溫度高于170℃，谷維素便會逸出，造成谷維素的損失。因此，確定170℃為蒸餾溫度。在此條件下，產品收率為87.9%，酸價為0.44 mgKOH／g，游離脂肪酸的清除率為97.6%，產品谷維素質量分數2.20%，回收率91.65%。谷維素的損失可能是因為較高的蒸餾溫度造成谷維素的分解。

3 結論

采用2種方法去除米糠毛油中游離脂肪酸以便于后續谷維素的提純，一種是將米糠毛油甲酯化后再進行分子蒸餾，另一種是將米糠毛油直接進行分子蒸餾。前者脂肪酸甲酯清除率為97.04%，產品酸價為0.14 mgKOH／g，后者游離脂肪酸清除率為97.6%，產品酸價為0.40 mgKOH／g，2種方法都能較完全地清除游離脂肪酸，產品酸價均較低。前者比后者多了甲酯化的步驟，操作較為繁瑣，但前者的谷維素回收率為98.39%，損失較少，后者僅為91.65%，谷維素損失較多。傳統的減壓蒸餾方式，體系真空度遠不及分子蒸餾，因而將需要更高的蒸餾溫度，谷維素的回收率也將受到更大的影響。甲酯化-分子蒸餾技術不僅能有效去除毛油中的游離脂肪酸，還可保證谷維素的回收率，分離出的脂肪酸甲酯可進一步提純制成生物柴油，增加產品的附加值，是一種較好的分離游離脂肪酸工藝。

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Isolation Free Fat Acids from Crude Rice Bran Oil with Molecular Distillation

Lin Wen Shi Yiqiang Huang Dechun Wu Fawen Wang Zhixiang
（China Pharmaceutical University，Nanjing 210009）

Methyl esterification-molecular distillation and direct molecular distillation have been utilized to isolate free fat acids（FFA）from crude rice bran oil respectively in the paper.The esterification rate was 96.4%and that of oryzanol recovery was 98.71%in methyl esterification reaction of the former method.The optimum conditions of the next molecular distillation were obtained by single factor experiments as：distillation temperature 120℃，preheat temperature 80℃，condensation temperature 40℃，scraper rotational speed 400 r／min and feed rate 3 mL／min，at which the yield was 81.3%，the acid value of product 0.14，the clearance rate of fatty acid methyl esters 97.04%，the total recovery of oryzanol 98.39%.The optimal distillation temperature was 170℃ in the latter method（direct molecular distillation），with 87.9%the yield，the acid value of the final product 0.44，the clearance rate of FFA 97.6%and the oryzanol recovery 91.65%.Compare the two methods，the former method is better than the later one since the advantages of low distillation temperature and less loss of oryzanol，although with more steps.

molecular distillation，crude rice bran oil，methyl esterification，free fat acids，oryzanol

TQ028.3

A

1003-0174（2015）02-0068-06

中國藥科大學中央高?；究蒲袠I務費專項（JKQZ 2013003）

2013-10-22

林文，女，1981年出生，講師，制藥分離工程

王志祥，男，1966年出生，教授，博士生導師，制藥分離工程