（化学工程专业论文）尿素包合法纯化不饱和脂肪酸的研究.pdf

中文摘要 本文以葵花籽油为原料，研究了皂化水解制备游离脂肪酸，然后尿素包合纯 化得到亚油酸工艺中的相关问题，实现了油酸和亚油酸的良好分离，富集得到了 高纯亚油酸，研究结果对葵花籽油的深加工利用和多不饱和脂肪酸系列保健产品 的开发等有着重要意义。 建立了一种快速准确分析脂肪酸成分含量的气相色谱测试方法，比较系统的 分析了葵花籽油以及其脂肪酸的理化性质，得到了原料葵花籽油的主要理化指 标，为皂化反应和不饱和脂肪酸的分离富集研究提供了测试方法和基础数据。， 对葵花籽油皂化水解反应中碱的用量、反应温度、反应时间、酸的用量等主 要条件对反应的影响进行了研究，结果发现，碱的用量和反应时间是皂化水解反 应的主要影响因素。在醇油比( 9 5 乙醇：葵花籽油，v w ) 为2 ：1 ，k o h 用量为 皂化当量的1 1 倍，8 0 - a ：2 c 水浴反应回流1 5 小时的条件下，粗脂肪酸的得率为 8 6 2 ，回收率( 以亚油酸计) 为9 3 6 。 开发了尿素包合法纯化亚油酸的新工艺，考察了尿素包合过程的影响因素， 初步探讨了尿素包合过程的分离机理。结果显示，尿素用量是影响产品纯度和收 率的关键因素，可以根据各自需要通过调节尿素的用量获得不同纯度的亚油酸产 品；经一次尿素包合富集后亚油酸含量从6 1 4 增加到9 0 以上，最高纯度达 9 8 2 ；脂肪酸与尿素包合过程实质上是一个反应结晶( 沉淀) 过程，不同条件 下，混合脂肪酸的结晶实质为速度控制和平衡控制的相关过程。 利用响应面法对尿素包合法富集亚油酸的结晶反应条件进行了优化，建立了 优化模型，运用线性加权和法对拟合模型进行了优化计算，得到了一套纯度和收 率两者兼顾的优化工艺条件：在尿素混合脂肪酸( w w ) 为1 5 3 ，9 5 乙醇尿素 ( v w ) 为5 0 0 ，结晶温度为2 0 ，缓慢结晶时间1 7 h 条件下，亚油酸纯度为 8 3 0 - 土：3 8 4 ，收率达8 0 4 + 2 4 4 ( n = 3 ) 。三次放大试验值与预测值具有较好的一 致性，表明该结晶分离体系及模型具有潜在的工业应用价值。 关键词：葵花籽油，脂肪酸，亚油酸，尿素包合，皂化水解，响应面法 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no fl i n o l e i ca c i d ( l a ) f r o ms u n f l o w e r s e e do i la sr a wm a t e r i a lb yu r e ai n c l u s i o nf r a c t i o n a t i o nw a ss t u d i e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti nt h es e p a r a t i o no fo l e i ca c i da n dl i n o l e i ca c i dl i n o l e i ca c i do fh i g h p u r i t yc a l lb eo b t a i n e d 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t sa r ev a l u a b l ef o rt h ed e 印p r o c e s s i n go f s u n f l o w e ro i la n dt h ed e v e l o p m e n to fp o l y u n s a t u r a t e df a t t ya c i d ss e r i e sf o rt h e m a n u f a c t u r i n g af a s ta n da c c u r a t e a n a l y s i s o ft h ec o n t e n to ff a t t ya c i d sw i t h g a s c h r o m a t o g r a p h ym e t h o dw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ep h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e s o f s u n f l o w e rs e e do i la n di t sf a t t ya c i dw e r ea n a l y z e d t h em e t h o d sa n dt h ep r e l i m i n a r y d a t a s u p p o r tt h er e s e a r c ho ns a p o n i f i c a t i o no fu n s a t u r a t e df a t t y a c i d sa n dt h e e n r i c h m e n to fl a t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r o c e s s e so ft 1 1 es a p o n i f i c a t i o na n dh y d r o l y s i sr e a c t i o n o fs u n f l o w e rs e e do i l ，i n c l u d i n gt h ea m o u n to fk o h ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e r e a c t i o n t i m ea n da c i dc o n c e n t r a t i o nw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta l k a l iu s a g ea n d r e a c t i o nt i m ei nt h ep r o c e s so fs a p o n i f i c a t i o nr e a c t i o na r et h ed o m i n a n tf a c t o r s t h e o p t i m u mr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e s tc o n v e r s i o no ff r e ef a t t ya c i d si s8 6 2 a n d t h er e c o v e r yo fl ai s9 3 6 i nt h ec o n d i t i o n so ft h ea l c o h 0 1 t o o i lr a t i o ( v w ) o f2 ：1 k o h s a p o n i f i c a t i o ne q u i v a l e n ta m o u n to f1 1t i m e s a n d8 0 - 士2 w a t e rb a t hr e a c t i o n r e f l u x i n g1 5h o u r t h e n ，w ed e v e l o p e dan e wt e c h n o l o g yf o rt h ep u r i f i c a t i o no fl i n o l e i ca c i db y u r e aa d d u c t i o nf r a c t i o n a t i o n ，i n v e s t i g a t e dt h ef a c t o r si np r o c e s so fu r e ai n c l u s i o n ，a n d p r e l i m i n a r y d i s c u s s e ds e p a r a t i o nm e c h a n i s mo fu r e ai n c l u s i o np r o c e s s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tu r e ac o n s u m p t i o ni st h ek e ye l e m e n tt h a tc a na f f e c tt h ey i e l da n dp u r i t y o ft h ep r o d u c t a f t e rt h ef i r s te n r i c h m e n t t h ec o n t e n to fl ai n c r e a s e df r o m61 4 t o 9 0 a n dt h eh i g h e s tp u r i t yw a s9 8 2 t h er e s u l t sc o n f i r mt h a tt h ei n c l u s i o np r o c e s s o ff a t t ya c i da n du r e ai se s s e n t i a l l yar e a c t i v ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，t h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so ff a t t ya c i d si s s p e e dc o n t r o la n db a l a n c e c o n t r o l ，r e s p e c t i v e l y c r y s t a l l i z a t i o nr e a c t i o nc o n d i t i o n so fu r e ai n c l u s i o nw e r eo p t i m i z e du s i n gt h e r e s p o n s es u r f a c em e t h o d , a n dt h eo p t i m a lm o d e lw a sd e v e l o p e d u s i n gt h el i n e a r w e i g h t i n gm e t h o do ff i t t i n gm o d e lf o ro p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m a lb a l a n c eb e t w e e nt h e c o n t e n ta n dt h er e c o v e r yo fl ai so b t a i n e d u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s t h ec o n t e n t o fl ai s8 3 0 ，a n dt h er e c o v e r yi s8 0 4 a tau r e a - t o f a t t ya c i d sr a t i o ( w w ) o f1 5 3 ， 9 5 e t h a n 0 1 t o - u r e a ( v w ) o f5 0 0 ，c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e o f2 0 ，a n d c r y s t a l l i z a t i o nt i m eo f17 h t h eg o o da g r e e m e n to ft h el a r g ee x p e r i m e n t a lv a l u e sa n d p r e d i c t i v ev a l u e si n d i c a t e st h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o ns y s t e ma n dt h em o d e lh a v ea p o t e n t i a lt ob ea p p l i e di ni n d u s t r i e s k e y w o r d s ：s u n f l o w e rs e e do i l ，f a t t ya c i d ，l i n o l e i ca c i d ，u r e ai n c l u s i o nf r a c t i o n a t i o n ， s a p o n i f i c a t i o n ，r e s p o n s es u r f a c em e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耕一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 矢呻一 签字日期矽年多月夕日 导师签名： 签字吼沙7 年6 月( 7 日 第一章文献综述 1 1 亚油酸概述 1 1 1 亚油酸理化性质 第一章文献综述 亚油酸是天然油脂中最主要的二烯酸，即顺9 ，顺1 2 十八碳二烯酸，化学 式为c 1 8 h 3 1 c o o h c h 3 ( c h 2 ) 4 c h = c h c h 2 一c h = c h ( c h 2 ) 7 c o o h 】，是一种 无色或淡黄色液体，几乎不溶于水，可溶于醇、醚、氯仿等有机溶剂，以甘油脂 的形式存在于许多动植物油脂中【1 1 。亚油酸属于多价不饱和脂肪酸( 含有两个或 者两个以上的双键，且碳原子数为1 6 2 2 的直链脂肪酸) ，因而能够发生缩合、 聚合、卤化、氧化、氢化、脱水、脱羧以及异构化等反应，得到一系列衍生物【2 蚓。 1 1 2 亚油酸的来源 亚油酸是最早被确认的必需脂肪酸，在人们日常食用的绝大多数油脂中的含 量都在9 以上，而且在主要食用植物油脂如大豆油、棉籽油、菜籽油、葵花籽 油、红花籽油、花生油、米糠油、芝麻油、小麦胚芽油【4 】等中的含量都较高，可 以认为亚油酸是资源最为充分的功能性多不饱和脂肪酸【5 】。亚油酸含量高达6 0 以上的主要有番茄籽油、红花籽油、葵花籽油、沙蒿籽油、烟草籽油、水冬瓜油、 坚栗籽油等。还有玉米胚芽油含量接近6 0 【6 】，葡萄籽油亚油酸含量高达8 0 【7 j 。 由上面的分析可知，亚油酸在自然界中的含量是非常丰富的，而我国又是植 物资源富产地，位居世界第三位【8 】，开发、利用天然油脂制备亚油酸具有广阔前 景。 1 1 3 亚油酸的应用 1 1 3 1 医药方面 3 0 年代，人们发现在动物的食物里如果没有植物油就会发生发育不良，皮肤 异常，免疫力差，甚至生殖力低下的现象，当食物中补充植物油后这些现象就会 缓解。研究发现，这主要是植物油中的亚油酸和亚麻酸的作用。亚油酸与人体平 滑肌的收缩、脂类代谢中酶的活性、中枢神经系统的活力、脉搏与血压的调整、 类固醇激素的生理功能、前列腺素的合成及其它生命机能有着密切关系。n - - 十 第一章文献综述 世纪6 0 年代后期，人们发现亚油酸在治疗心血管疾病、抗癌以及促进大脑发育、 调节植物神经等方面功效显著【9 1 0 1 。由亚油酸生产的益寿宁、脉通等药物具有较 高的疗效，能防止动脉硬化、降低胆固醇，且副作用小。日本的房总公司也曾推 出米糠油和红花油配制的调合油，因其能有效降低血清胆固醇而风靡一时。目前 亚油酸丸等亚油酸制剂等保健品在我国也很畅销。相应地对含亚油酸比较多的油 如玉米胚芽油、红花油、大豆油、葵花籽油等也引起了人们的重视。 共扼亚油酸( c l a ) 是亚油酸的异构体，是一种更令人类感兴趣的营养添加 剂。早在5 0 多年前就己经发现含共轭双键的脂肪酸的存在。m i c h a e lp a r i z a t 1 1 j 首 先提出共轭亚油酸的重要性。他在对老鼠的试验中发现：烤牛肉中含有位置异构 的亚油酸和碱催化异构亚油酸的混合物能抑制化学引起的皮肤癌，从而引起在 c l a 对癌症影响、免疫力的提高、预防动脉硬化、肌肉组织改善等方面的研究热 潮。经大量研究证实摄食含适量的异构c l a 混合物能预防化学因素引起机体的癌 变1 2 13 1 ，减少肥胖发生、降低体脂肪含量【1 如15 1 ，减少免疫应激引起的代射功能 紊乱【1 6 】，增加肌肉组织含量等 1 7 1 。 1 1 3 2 工业方面 以含较高亚油酸、油酸的脂肪酸为原料，催化加热，两种不饱和脂肪酸发生 狄尔斯阿尔德反应，生成二元酸( 二聚酸) ，二聚酸在有机合成工业中具有广 泛用途，8 0 以上的二聚酸用于生产聚酞胺树脂【1 8 】，1 0 左右用于矿物油制备改 性添加剂19 1 、合成油漆油墨【2 0 】、粘接剂、润滑剂等，由于需求量增加，各国 非常重视二聚酸的生产，近年来一些发达国家产量达2 0 ，0 0 0 吨。亚油酸及其制品 还是很好的矿物浮选添加剂【2 2 1 ，用于赤铁矿、非硫铁矿、重晶石矿、磷灰矿等矿 物浮选剂，可以大大提高矿石的捕集率。 1 1 3 3 日用化妆品方面 由亚油酸衍生物可制得磷脂e f a 的磷脂络合物，这种磷脂络合物无毒、无刺 激性，可使皮肤和头发光滑而无油腻感，有助于皮肤保持水分。还用于生产洗涤 液和护肤品，睫毛油、防晒霜以及护发品，并且还有灭菌作用，可用于生产有医 疗作用的个人卫生用品【2 1 1 。以脂肪酸为原料生产的季铵盐、脂肪醇都是表面活性 剂的主要成分，脂肪酸甲醋磺酸盐由于本身具有去污能力及鳌合钙镁离子能力， 被视为代替烷基苯磺酸盐的一种洗涤剂活性物。 2 第一章文献综述 1 2 亚油酸的制备方法 目前，制备亚油酸大多以富含亚油酸的油脂为原料，经水解后得到混合脂肪 酸，混合脂肪酸经分离、纯化后得到亚油酸。在工业上制备混合脂肪酸的方法较 多，归纳起来有三类【2 3 】：一是合成法即石蜡氧化法或仅烯烃氧化法，二是从造纸 废液中回收妥尔油脂肪酸，三是从天然油脂无催化水解或经酶水解来制取。其中 第三类最为常用，这主要是由于原料油来源广阔。该大类又可分为以下三种方法： ( d 酶水解法：由于水解的产品质量高、产量高、污染小，很有吸引力，但由于 酶成本高，来源少，生物活性不够，我国还处于开发阶段。高、中压水解法： 产量高，但投资大，能耗大，脂肪酸颜色深，在高压下水解，部分脂肪酸易发生 分解和重排。( d 皂化酸化法：产量高、投资小、能耗低、脂肪酸颜色浅，脂肪 酸一般不会发生分解氧化等副反应，但耗酸、耗碱多。 1 3 不饱和脂肪酸的相关分离纯化技术 混合脂肪酸因油脂品种、产地、产品配方等诸多因素形成物理化学性质各不 相同的多组分脂肪酸，组成比较复杂。脂肪酸组分问的物理性质十分相近，而且 分子间存在着特殊的氢键作用力，其双分子可联结而产生缔合作用，因而使其汽 化所需能量较大，汽化温度较高，另一方面，脂肪酸在高温下易于分解，作为一 种高沸点、低挥发性的热敏性物质，完全分离比较困难，尤其是饱和脂肪酸和不 饱和脂肪酸之间以及不饱和脂肪酸之间的分离更加因难【2 和乃j 目前常见的不饱和脂肪酸分离与纯化方法有： ( 1 ) 低温结晶法【2 6 】又称溶剂分级分离法，该方法利用低温下不同脂肪酸或 脂肪酸盐在有机溶剂中溶解度不同来进行分离纯化。一般来说，脂肪酸在有机溶 剂中的溶解度随碳链长度的增加而减小，随双键数的增加而增加。这种溶解度差 异随温度降低表现更为显著。所以将混合脂肪酸溶于有机溶剂，通过降温就可过 滤除去其中大量的饱和和单不饱和脂肪酸。丙酮和乙醇为常用的有机溶剂。低温 结晶法工艺原理简单，操作方便，但需要回收大量的有机溶剂，且分离效率不高， 常与其它分离方法配合使用。 ( 2 ) 尿素包合法【2 7 2 8 1 尿素包合法是一种较常用的多不饱和脂肪酸分离方 法，其原理是尿素分子在结晶过程中易与饱和或单不饱和脂肪酸形成较稳定的晶 体包合物，在冷冻条件下结晶析出，而多不饱和脂肪酸由于双键较多，碳链弯曲， 具有一定的空间结构，不易被尿素包合。采用过滤方法除去饱和脂肪酸和单不饱 和脂肪酸与尿素形成的包合物，即可得到较高纯度的多不饱和脂肪酸。尿素包合 第一章文献综述 法的分离效果受结晶温度和尿素用量的影响，结晶温度越低，尿素用量越多，所 得产品纯度越高，但产品收率越低。为了提高产品纯度，可采用多次尿素包合法。 尿素包合法成本较低，应用较普遍，但难以将双键数接近的脂肪酸分开。 ( 3 ) 吸附分离法【2 8 j 该方法利用吸附剂选择性吸附分离多不饱和脂肪酸。如 银离子能与不饱和脂肪酸的双键形成7 【络合物，将银离子固定在吸附剂载体上， 不同饱和度的脂肪酸在吸附剂上的分配系数不同因而得以分离。吸附分离法的优 点在于分离效果好，产品纯度高，缺点是有些洗脱剂容易污染产品且分离规模较 小。 ( 4 ) 脂肪酶浓缩法 2 s 】脂肪酶可以对多种脂肪酸的甘油三酯进行选择性水解， 如含有e p a 和d h a 的甘油三酯被脂肪酶水解的速度比不含有e p a 和d h a 的甘 油三酯的水解速度慢很多，利用脂肪酶这一性质，可以高度富集多不饱和脂肪酸 甘油三酯。另外，利用脂肪酶在非水介质中进行转酯和酯合成反应，也可以提高 多不饱和脂肪酸在甘油三酯中的含量。 ( 5 ) 超临界流体萃取法( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，s f e ) 【2 9 】超临界 流体萃取，是自本世纪7 0 年代发展起来的一种新型分离技术。近几十年来，超 临界萃取在许多领域得到研究、开发和应用。其基本原理是通过调节温度和压力 使原料各组分在超临界流体中的溶解度发生大幅度变化而达到分离的目的。与传 统萃取方法相比，由于超临界流体具有良好的接近液体的溶解能力和近于气体的 扩散能力，因此萃取效率大大提高。另外，超临界流体萃取常选用二氧化碳等临 界温度低且化学惰性的物质为萃取剂，因此特别适用于热敏物质和易氧化物质的 分离。利用超临界流体萃取技术可以有效地分离链长差别较大的脂肪酸，但若将 碳链长度相近的脂肪酸分开，还必须结合其它分离技术。如超临界流体萃取法与 尿素包合法相结合的方法，充分发挥尿素包合法按不饱和度分离脂肪酸和超临界 流体萃取法按碳链长度分离脂肪酸的优势，就可以得到高纯度的多不饱和脂肪 酸。此外，还有超临界流体萃取与精馏技术结合起来的超临界流体精馏工艺、超 临界流体萃取与分子蒸馏相结合的工艺等。 ( 6 ) 分子蒸馏法【弧3 2 】分子蒸馏法是一种高真空条件下的新型分离技术，其 原理是利用混合物组分分子自由程的不同而得到分离。该方法一般在极高的真空 条件下进行分离( 绝对压强可达到0 1 p a 以下) ，在这种条件下，脂肪酸分子间 引力减小，相对挥发度提高，因而蒸馏温度比常规蒸馏大大降低。分子蒸馏时， 饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸首先蒸出，而双键较多的多不饱和脂肪酸最后蒸 出。分子蒸馏法的优点在于蒸馏温度较低，可有效防止多不饱和脂肪酸受热氧化 分解，缺点是需要高真空设备，且能耗较高，但对于高附加值的产品还是经济可 行的。 4 第一章文献综述 不饱和脂肪酸以其独特的生物活性，已引起世界各国的高度重视。近年来， 日、美等国已开发出系列多价不饱和脂肪酸药品及保健食品。我国在这一领域的 研究起步较晚，尤其在多价不饱和脂肪酸分离纯化技术方面，与国外先进水平相 比还存在一定的差距。低温结晶法、尿素包合法是目前工业上常用的多价不饱和 脂肪酸分离纯化方法，它们虽然具有投资少、工艺简单等优点，但采用这些方法 难以获得高纯度的多价不饱和脂肪酸，且产品收率低。采用分子蒸馏法、吸附分 离法、超临界流体萃取法分离纯化多价不饱和脂肪酸在日本已达到工业规模，国 内一些研究单位也正在开展这方面的研究并取得了很大进展。近年来，出现了一 些将多种分离方法结合起来的新技术，除文中提到的超临界流体萃取与尿素包 合、精馏等方法相结合外，f u j i t a 等【3 3 】将尿素包合法与蒸馏法相结合发明一种工 业化提取e p a 及其酯的专利，产品中e p a 含量达9 3 。这些过程集成新技术在 大规模分离纯化多价不饱和脂肪酸上已显示出巨大的潜力。 1 4 尿素包合法富集不饱和脂肪酸的研究进展 1 9 4 0 年b e n g e n 6 】在定量测定牛奶中脂肪含量时，发现尿素可以与含有4 个碳 原子以上的直链化合物( 直链烃、脂肪酸、酯、醇、酮、醛) 形成结晶型尿素包 合物。此后尿素包合法被广泛的应用在很多方面：将直链分子与有支链和环状基 团的分子分开；将长碳链的分子和短碳链的分子分开；将饱和的与不饱和的分子 分开；将低不饱和的与高不饱和的脂类分开；将反式的与顺式的脂类分开；防止 高不饱和脂肪酸自动氧化；测定各种直链脂类的长度等。 1 4 1 尿素包合法原理 尿素可以与含有6 个以上碳原子的直链化合物 ( 直链烃、脂肪酸、酯、醇、酮、醛) 形成结晶型 的包化合物，即使两个以上的化合物结合在一起， 其中之一被包含在另一组分的结晶框架之内，而包 接化合物中的组分是通过次价键和氢键结合的，在 一定条件下，它们可以按原样分离。尿素是一个四 面体的结晶，当它与脂肪酸化合物生成包合物后， 包合物呈六面体结晶，如图1 1 所示，图中上部为 六面体的横切面。尿素生成包合物时，由四面 体转化为六面体，尿素分子以螺旋状的方式构 成包合物框架，每个晶粒中含有六个分子的尿 图1 - 1 尿素包合物六面体结构 f i g 1 - 1c o n f i g u r a t i o no f u r e ai n c l u s i o n c o m p o u n d b a s e df r a c t i o n a t i o n 第一章文献综述 素，它们各占棱形的一边( 以黑点表示) ，每六个黑点构成的螺旋的螺距1 1 n m ， 直径为8 2 n m ，脂肪族化合物就被包合在该框架内。被包合物的分子大小如果小 于尿素框架的自由空间，就能被尿素所包合，反之则不能被包合。尿素六面体框 架的自由空间最宽的地方约0 6 r i m ，最窄的地方约0 5 n m ，饱和脂肪酸直径接近 0 4 5 n m ，小于尿素框架的自由空间，就能够被尿素包合于其六面体结晶框架中， 且被包合物与尿素通过色散力、静电吸引力等范德华力而稳定，此时被包合物与 尿素之间没有形成化学键碳链越长，范德华力越大，包合物越稳定，容易析出结 晶。一般地，饱和脂肪酸较不饱和脂肪酸更容易与尿素形成稳定的包合物，单一 双键较含两个或更多双键的脂肪酸更容易形成稳定的包合物。一些模型显示引入 顺式双键，此时因双键结构较单键稳定，其分子的任意旋转受到限制，就足以使 分子变宽到不能完全进入尿素包合物的空腔中，双键越多，就越难形成稳定的包 合物。 1 4 2 尿素包合法的影响因素和特点 尿素的用量是影响包合效果的关键因素。理论上分析，对任何给定的包合物， 脂肪酸和尿素的比例数是恒定的。包合所需尿素的用量不随温度的变化而变化， 包合前体中其他组分的浓度也不会影响尿素的用量，脂肪酸和尿素的摩尔比只随 脂肪酸的饱和度不同而不同。但在实际操作中，为使包合反应完全，应加入过量 的尿素。 所用溶剂种类及其用量对富集效果影响显著。包合反应一般都在溶剂中进 行，为结晶的进行提供传质和传热场所，使用的溶剂要求对被包合物有较大的溶 解度，同时不能与尿素生成包合物。一般选用甲醇的效果比较好，但考虑到某些 食品药品领域对溶剂残留问题的关注，往往选用乙醇做溶剂。 包合温度是影响富集效果的重要因素。尿素包合物的形成是一个放热过程， 降低温度时，反应向生成尿素包合物的方向进行，包合温度随不饱和度的增加而 降低。通过调节包合温度可以选择性的富集不同饱和度的脂肪酸。 包合时间是影响结晶的平衡的重要因素。增加时间对富集效率影响不大，但 产品收率会有所增加，从经济效益考虑，应选择一个合适的包合时间。 包合次数越多，产品纯度越高，但收率也明显降低。不同油脂v - , 月v 日- , 肪酸的组成 不同，需经多次实验来选择适当的包合次数。 1 4 3 尿素包合法的应用 1 4 3 1 亚油酸 胡小泓等【3 4 】在用尿素包合法富集亚油酸方面作了一系列的研究。经过四因子 6 第一章文献综述 三水平的正交试验，讨论了尿素包合温度、尿素包合时间和脂肪酸，尿素，溶剂 比之间的关系，确定了最佳的工艺条件，一次富集将葵花油的碘值从1 3 0 升到1 8 2 。 亚油酸含量从7 1 3 提高到9 2 7 。彭秦南【3 5 j 经过十次尿素包合，将棉籽油中的 亚油酸从6 1 1 提高到了9 5 9 ，确定了适当的尿素用量和包合次数，发现尿素 包合次数越多，尿素用量越大，所得亚油酸的纯度越高，但收率也越低。闰向阳 等【3 6 】利用尿素包合法包结葡萄籽油中的饱和直链脂肪族化合物( 蜡质) ，而不饱 和脂肪族化合物( 亚油酸酯等) 不与尿素形成包合物，从而达到脱除蜡质的目的。 1 4 3 1 亚麻酸 夏宗建、关勇等人【，7 】研究了亚麻油中口亚麻酸的分离提取。用一次尿素包 合法就可使多价不饱和脂肪酸的总回收率达到6 0 4 ，富集率达到9 5 以上，口- 亚麻酸的含量从5 3 8 提高至1 j 7 2 8 ，分离后的各成份还可综合利用。崔凯【3 副采 用尿素富集法，使苏子油中多价不饱和脂肪酸的含量由原来的7 6 9 提高到 9 9 9 ，口亚麻酸的含量由6 4 7 提高至4 j 9 0 9 。朱丹【3 9 】和张燕平1 4 0 1 分别以苏子 油为原料，把口亚麻酸的含量从5 7 提高到8 9 和8 4 2 4 。张海满【4 卜4 2 j 研究了 尿素包合法纯化口亚麻酸工艺中包合温度、尿素用量、溶剂配比、包合时间和 包合次数等主要条件对口亚麻酸的纯度、收率的影响，并使口亚麻酸的浓度由 4 6 7 提高n 8 7 3 ，收率5 3 5 。赵人俊等【4 3 】以月见草油为原料通过尿素包合法 富集，使其中y 亚麻酸含量由1 0 8 提高到4 3 5 5 8 4 ，对于提高月见草油的医 药价值很有意义。阎雁等m 】以琉璃苣种子油为原料，通过尿素包合法富集，使其 中丫亚麻酸含量从2 2 5 5 提高n 8 0 4 7 ，进一步采用了a g n 0 3 s i 0 2 柱层析法富 集，使1 ，亚麻酸含量提高至1 j 9 3 7 0 ，并确定了尿素包合法最佳的工艺条件。林红 卫等【4 5 】以螺旋藻为原料，采用尿素包合法得到纯度为9 6 5 的1 ，亚麻酸。于世涛 等 4 6 】将酯交换反应用于月见草油中的1 ，亚麻酸含量富集的工艺路线中，并采用尿 素包合法富集1 ，亚麻酸，收率在6 9 以上，效果良好。 1 4 3 2 花生四烯酸 作为人体前列腺素( p g ) 和其它花生酸的前体物质，花生四烯酸是一种重 要的6 系列多价不饱和脂肪酸。它主要来源于鱼油，其含量为0 2 ( w w ) ， 也存在于某些原生动物、阿米巴、藻类及其它微生物中7 1 。目前国内尿素包合法 在此领域报道较少。李学坤等【4 8 】为提高尿素包合法富集花生四烯酸( a a ) 效率， 研究了降温速度、甲醇用量、尿酯比及结晶温度对花生四烯酸( a a ) 晶体大小、 收率及纯度的影响。结果表明，当结晶温度为7 ，降温速度为1 0 h ，m ( 脂 肪酸甲酯) m ( 尿素) ：1 ，( 甲醇) 为l g ：2 9 ：2 0 m l 时，a a 生成大颗粒晶体。a a 的 质量分数w ( a a ) = 8 7 o ，收率为8 8 7 。杂质主要为亚麻酸( w = 9 2 1 ) 。产 7 第一章文献综述 品总不饱和脂肪酸质量分数大于9 9 。 1 4 3 3 二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸 李国文等【4 9 】以鱼油乙酯为原料，将其与饱和的尿素乙醇溶液进行包合，随 尿素与鱼油乙酯摩尔比的增加或结晶温度的降低，获得了e p a 和d h a 含量在7 0 以上的制品。薛长湖等【5 0 】分别用尿素包合法和分子蒸馏法从鱼油中提取出e p a 和d h a ，并比较了两种方法的优劣。曾晓雄等【5 1 】以鱿鱼油为原料，发现鱼油混 合脂肪酸经尿素包合法处理，可使产品中d h a 和e p a 含量达到7 0 以上。盐法与 尿素包合法结合使用，可提高p u f a 制品中的d h a 和e p a 总量，并且可相对提高 p u f a 带0 品中d h a 的含量。于晨旭等【5 2 】比较了以碱金属盐冷冻沉淀法和尿素包合 法纯化豆油多烯脂肪酸d h a 和e p a 的工艺条件，认为钾盐冷冻沉淀法具有操作简 单，产品收率高的优点，而尿素包合法则具有显著的富集效率，产品的d h a 和 e p a 含量可达6 3 1 6 。 综上所述，作为一种有效的多不饱和脂肪酸分离技术，尿素包合法的优势在 于其设备简单，工艺简便，成本低廉，并且不在高温下进行反应，尿素包合物形 成后，还可有效的保护双键不受氧化，能较完全的保留其生理活性，是大规模分 提、富集各种不饱和脂肪酸的理想方法之一。随着尿素包合法研究的不断深入和 发展，它在油脂工业、精细化工、食品医药工业等工业方面的应用也将更高效更 广泛，这将提高我国油脂化工产品质量，增强其国际市场的竞争力。 1 5 立题意义和本课题的研究内容 目前，亚油酸在医药保健、化工、冶金等行业的应用越来越广泛，已经引起 了人们越来越大的重视，尤其是最新研究发现，其同分异构体共轭亚油酸具有许 多医疗保健作用，是目前医药保健行业的研究热点。然而由于天然油脂中脂肪酸 成分复杂，不饱和脂肪酸高温易氧化变质，普通的分离方法如工业常用方法精馏 等很难分离得到高纯度的脂肪酸，因此限制了脂肪酸的进一步的研究和利用，尤 其在某些要求高纯度行业中的应用。本课题试图进行脂肪酸分离方向研究，选定 亚油酸含量较高的葵花籽油作为研究的对象，目标是把其中物性极为相似的油酸 和亚油酸分离开来，得到高纯度的亚油酸，一方面可以为研制亚油酸复合微胶囊 或医用注射制剂提供原料，另一方面为课题进一步深入研究制备其同分异构体共 轭亚油酸提供高纯度的前体。 从植物油脂中富集纯化高纯亚油酸的研究是一个具有挑战性的工作，其中的 关键是分离方法的选择。目前，不饱和脂肪酸的分离纯化技术方法比较多，但它 8 第一章文献综述 们各有优缺点，其中的尿素包合法因其具有方便、快捷、成本低廉且环境友好， 尿素和溶剂都能通过回收而重复利用，反应条件温和，设备投资小，具有很大的 工业化潜力等优势，是附加值较高的不饱和脂肪酸分离纯化方法的研究热点。本 研究选用尿素包合法作为亚油酸纯化的技术手段，尝试进行深入研究。通过对影 响尿素包合效果的各因素规律的探讨，找出合理优化的工艺方案，是研究的首要 内容。尿素包合过程实质上是一个反应结晶过程，国外对其机理的研究有所开展 但仍然不够深入，国内很少有人涉及这个领域，因此有必要在前人的基础上进一 步探讨。 9 第二章脂肪酸分析方法及原料产品理化性质的分析 第二章脂肪酸分析方法及原料产品理化性质的分析 2 1 引言 了解原料的主要组成和相关指标是提取工艺中必不可少的一环，因此确定一 套较为完善的分析方法是非常必要的。它不但可以准确地分析不饱和脂肪酸的性 质、客观地评价工艺过程，而且还可通过每种工艺所获产品的性质差别来根据不 同的需要对工艺条件进行优化，确立符合实际生产的工艺路线。 总结各种分析方法，针对葵花籽油亚油酸富集过程中不同时期对分析效果的 要求，确定一套适合本实验的分析方案不仅可以提高分析准确度，更能节省时间， 减少分析费用，提高分析效率。 脂肪酸的气相分析方法一般包括以下几个步骤：脂肪酸的酯化；脂肪 酸酯化衍生物的进样和分离；脂肪酸酯化衍生物的定性和定量。 2 1 1 用于脂肪酸组成分析的脂质衍生物制备 油脂中脂肪酸特别是长碳链脂肪酸( 1 2 碳以上) 一般不直接进行气相色谱分 析，其原因是油脂( 脂肪酸甘油酯) 及其脂肪酸极性很强，是一种热敏性物质， 在高温下不稳定，易发生聚合、脱酸、裂解等副反应，沸点高，分析中易造成损 失。若直接进行分析，柱温将很高，高温固定相将难以选择，且易出现色谱峰拖 尾，保留时问不能重复，假峰等现象。因此，对脂肪酸的色谱分析，一般都要进 行前处理一脂肪酸衍生化。 油脂脂肪酸衍生化，就是脂肪酸甲酯化或乙酯化。它是把高沸点不易挥发汽 化的脂肪酸酯先水解或皂化得到脂肪酸和甘油，再使脂肪酸与甲醇或乙醇反应生 成相应的脂肪酸甲酯( 甲酯化) 或脂肪酸乙酯( 乙酯化) ，使其变成低沸点易挥 发汽化的物质，或由油脂直接与甲醇发生醇解反应制取脂肪酸甲酯，从而降低汽 化温度，提高分离效果，有利于气相色谱法分离并逐一测定其组成和含量的方法。 要准确地测定各脂肪酸的组成和含量，甲酯化反应是否迅速、酯化反应是否完全 等是至关重要的。不同的油脂应该选择怎样的甲酯化方法，制成怎样的衍生化产 物更有利于脂肪酸的准确测定，是做好色谱检测的关键。 2 1 1 1 皂化酯化法 脂肪酸的皂化酯化法是传统的甲酯化方法，已经形成了标准，例如a o a c p 引， 1 0 第二章脂肪酸分析方法及原料产品理化性质的分析 i u p a c 5 4 ，a o c s 5 5 1 等标准方法。一些研究者 5 6 - 5 7 】采用此法对一些植物油和动物 油的脂肪酸进行了研究。 脂肪酸甘油酯首先进行皂化反应，用n a o h 或k o h 将脂肪酸从类脂键( 如 甘油基) 上断下来形成脂肪酸盐；皂化完全后，加酸中和，游离脂肪酸析出，加 乙醚或石油醚萃取出脂肪酸，然后在酸性条件下与甲醇反应生成脂肪酸甲酯。常 用的酸有b f 3 、h c l 、h 2 s 0 4 。其中b f 3 甲醇甲酯化法【5 8 】，方便快捷，应用较为 广泛。 2 1 1 2 酯交换法 经典的皂化酯化法反应时间长，处理步骤多，易造成脂肪酸的损失。而酯交 换法将皂化和酯化反应合成一步完成，不仅快速而且简单准确。而酯交换法根据 所用催化剂的不同又分为有酸催化法和碱催化法。 常用的酸催化酯交换试剂有h c l 、h 2 s 0 4 、b f 3 等的甲醇溶液。1 9 6 1 年 l d m e t c a l f e 5 9 1 首先报道了应用b f 3 甲醇溶液对脂肪酸进行甲酯化反应，此后在 实践中得到广泛应用【鼽删。用h c l 和h 2 s 0 4 作酸性催化剂进行酯交换反应的研 究报道也较多【6 1 。酸催化酯交换反应需要加热，反应时间较长，易引起副反 应。特别对于b f 3 来说，提高浓度虽然可以缩短反应时间，但也会引起不饱和脂 肪酸的降解以及产生一些副反应，如双键位置的转移和异构化【6 7 “9 1 。 常用的碱催化酯交换碱催化剂有n a o h 、k o h 和n a o c h 3 等，其中n a o c h 3 的催化能力最强，反应最快，通常在室温下就可进行，可有效地避免多不饱和脂 肪酸的分解6 8 1 。国内研究人员6 9 7 4 多采用k o h ( n a o h ) 碱催化剂进行酯交换 反应，应用n a o c h 3 作催化剂的研究报道较少。 由于碱与游离脂肪酸生成不可逆的脂肪酸盐，因此碱催化酯交换法不能用于 游离脂肪酸的酯交换，对于游离脂肪酸较多的原料，只能采取酸催化酯化法。 其它的酯化方法还有重氮甲烷法【7 5 1 、乙酰氯、法【7 6 1 、有机碱催化甲酯化法【7 7 】 等。对水溶性大，易挥发的短链脂肪酸等可采用丙酯化或丁酯化 7 9 铷】。这些 方法一般用在特殊脂肪酸的分析上。 2 1 2 脂肪酸的定性定量分析方法 脂肪酸的定性分析方法主要有以下几种，标准物对照( r t ) 法 8 0 8 4 1 、等效链 长度值( e c l ) 法【8 3 , 8 6 、色谱质谱( g c m s ) 法【8 缸8 引、红外光谱( i r ) 法【8 2 8 3 ，8 7 8 9 】 等。这些定性方法以及这些方法之间的联用技术在具体实践中，均有广泛应用。 脂肪酸的定量可采用外标法【8 9 1 和内标法 7 7 , 8 1 8 2 , 8 5 8 6 , 9 c ”，这两种方法在实际分析中 均有普遍应用。外标法要求先测绘出的某脂肪酸的浓度与色谱响应值之问的标准 第二章脂肪酸分析方法及原料产品理化性质的分析 曲线，通过查此标准曲线来确定待测物质中该脂肪酸的含量，不需要所有脂肪酸 组分均出峰；内表法一般选取奇碳数目的脂肪酸加入到待测脂肪酸的甲酯相中作 为内标物，被测脂肪酸中的各组分的色谱响应值与其比较得到校正因子，按面积 归一法计算出脂肪酸质量含量。 表2 1 列出了一些食品中脂肪酸g c 分析的应用实例。这些具体的实例表明， 脂肪酸的气相色谱分析比较复杂，具有很强的挑战性；对于不同的分析对象，研 究者选用的衍生化法差别不大，大部分选用酯交换甲酯化法，偏向选用b f 3 或碱 作催化剂；尽管大家选用的毛细管柱不尽相同，但均为极性柱且柱子一般较长； 定性定量的方法也各有差异。 本文的研究分析对象主要包括：葵花籽油、由葵花籽油制备得到的脂肪酸、 尿素包合法得到的包合相和非包合相的脂肪酸等以及由高纯亚油酸制备得到的 共轭亚油酸等，这些研究