分子蒸馏富集亚麻籽油中α-亚麻酸的研究

刘金菊 杨震发 白巧霞 杨顺义

摘要：亚麻籽油经甲酯化后，采用分子蒸馏技术对其中α-亚麻酸进行分离纯化，以α-亚麻酸质量分数和提取率作为衡量纯化效果的指标。经单因素试验确定蒸馏温度、蒸馏压力、进料速度、刮膜转速的操作范围，并利用响应曲面法Box-Behnken试验设计，确定了亚麻籽油中α-亚麻酸分离纯化的工艺条件，即蒸馏温度90 ℃、蒸馏压力0.8 Pa、进料速度0.87 mL/min、刮膜转速287 r/min。在该工艺条件下，得到α-亚麻酸含量为81.15%，提取率为78.20%。

关键词：亚麻籽油;α-亚麻酸;响应曲面法;分子蒸馏;富集

中图分类号：TS222      文献标志码：A      文章编号：1001-1463（2019）05-0016-06

Abstract：After linseed oil was methylated， the α-linolenic acid was separated and purified by molecular distillation technology. The content of α-linolenic acid and extraction rate were used as indicators to measure the purification effect. The operating range of distillation temperature， distillation pressure， feed rate and scraping speed was determined by single factor experiment. The optimized process conditions for purification of α-linolenic acid were obtained by Box-Behnken experimental design of response surface method： distillation temperature was 90 ℃， the distillation pressure was 0.8 Pa， the feed rate was 0.87 mL/min， and the scraping speed was 287 r/min. Under this process condition， the content of α-linolenic acid was 81.15%， and the extraction rate was 78.20%.

Key words：Flaxseed oil;α-linolenic acid;Response surface methodology;Molecular distillation; Enrichment

α-亚麻酸（全顺-9，12，15-十二碳三烯酸）属ω-3系列不饱和脂肪酸，为人体必需脂肪酸[1 ]，是人体转化合成EPA（二十碳五烯酸）和DHA（二十二碳六烯酸）的前体物质。EPA在体内通过酶促反应生成包括前列腺素在内的多种活性物质，DHA是构成神经、大脑、视网膜等组织膜磷脂的重要物 质[2 ]。EPA、DHA具有开发智力、保护视力、降血压、降血脂[3 ]，预防肿瘤[4 ]、乳腺癌[5 - 6 ]、动脉粥样硬化[7 ]等作用。目前富集α-亚麻酸常见方法有尿素包合法[8 - 9 ]、银离子络合法[10 ]、低温冷冻结晶法[11 ]、分子蒸馏法[12 ]等。尿素包合法主要利用脂肪酸的不饱和程度和碳链长度分子纯化脂肪酸。由于α-亚麻酸为多不饱和脂肪酸，含3个不饱和双键，碳链具有一定的空间构型，不易被尿素分子包合，尿素分子能够与饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸形成较稳定的晶体包合物，在低温条件下包合物结晶析出。该方法的缺点是提取纯度不高、有机溶剂残留、包合时间长等[13 ]。银离子络合法即根据脂肪酸双键数目的不同而达到分离的效果。络合作用的强弱与不饱和键的多少成正比，α-亚麻酸的3个双键可与银离子以配位共价键键合，形成稳定的亲水络合物，甲酯化法常作为银离子络合法的前处理法，其缺点是产品中有银离子残留，选择性强，生产量小。冷冻结晶法即利用中短链脂肪酸较长链脂肪酸在同一溶剂中溶解度低，饱和脂肪酸较不饱和脂肪酸在同一溶剂中溶解度低的特性进行不饱和脂肪酸的富集，其缺点是产品中有溶剂残留，需回收大量有机溶剂。分子蒸馏技术依据混合物组分中不同分子运动的平均自由程的差异来进行分离[14 ]，广泛应用于纯化分离高热敏性、高沸点、高粘度、低挥发度的物质[15 - 16 ]，工序简单，分离效率高;其缺点是生产成本较高。根据不同纯化方法有缺点互补的原则，我们将甲酯化法与多级分子蒸馏相结合，α-亚麻酸甲酯化后，蒸馏温度降低至90 ℃左右，能耗降低，也减少了α-亚麻酸的氧化分解。试验过程不用溶剂做分离剂，无溶剂残留，多级蒸馏提高α-亚麻酸的纯度，研究确定挂模式分子蒸馏装置提纯α-亚麻酸的工艺条件，为高纯度α-亚麻酸工业化生产提供依据。

1   材料与方法

1.1   供試材料与仪器

亚麻籽油[酸价0.89（KOH）/（mg/g），水分含量0.072%，α-亚麻酸含量57.11%]，青海福来喜得生物科技股份有限公司α-亚麻酸工程研究中心提供。α-亚麻酸甲酯标准品（纯度≥99%），中国食品药品鉴定研究所提供。甲醇、氢氧化钾、无水硫酸钠均为分析纯。正己烷为色谱纯。GC7890B，安捷伦科技（中国）有限公司;FZL刮膜式分子蒸馏设备，天津君歌分子蒸馏设备有限公司。

1.2   试验方法

1.2.1    亚麻籽油甲酯化    称取50 g经检验合格的亚麻籽油置于250 mL容量瓶中，加入定量正己烷轻摇使其完全溶解后定容，加入0.5 mol/L的KOH-甲醇溶液作催化剂，常温下反应30 min，静置40 min，加入蒸馏水振摇、静置分层，弃去下层液，冲洗至中性，再经无水硫酸钠脱水处理，得α-亚麻酸甲酯粗产品。

1.2.2    单因素试验    在冷凝循环水5 ℃，预热温度60 ℃，进料时间30 min的条件下，依次研究蒸馏压力（蒸馏温度85 ℃、刮膜转速200 r/min、进料速度0.8 mL/min）、蒸馏温度（蒸馏压力0.8 Pa、刮膜转速200 r/min、进料速度0.8 mL/min）、刮膜转速（蒸馏温度85 ℃、蒸馏压力0.8 Pa、进料速度0.8 mL/min）、进料速度（蒸馏温度85 ℃、蒸馏压力0.8 Pa、刮膜转速200 r/min）4个因素对α-亚麻酸富集效果的影响，以确定蒸馏工艺参数。

1.2.3    Box-Behnken设计优化试验    在单因素试验的基础上，选取蒸馏温度、蒸馏压力、进料速度、刮膜转速4个因素，进行通用旋转组合设计实验。以α-亚麻酸含量为指标，利用Desigh Expert7.0软件对数据进行处理分析，筛选出富集α-亚麻酸的分子蒸馏优化工艺条件，并进行验证。因素水平设计见表1。

1.3   分析方法

1.3.1    色谱条件    色谱柱为DB-FFAP毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）;进样口温度为250 ℃;柱温的起始温度180 ℃，10 ℃/ min升温至220 ℃，再以8 ℃/min升温至250 ℃，保持13 min;检测器温度270 ℃;进样量1 μL，分流比20∶1;载气为氮气、氢气。

1.3.2   α-亚麻酸甲酯的含量和提取率测定

将α-亚麻酸甲酯标准品与α-亚麻酸乙酯标准品分别配置成1 mg/mL的正己烷溶液，各取1 mL充分混合后取样进行色谱分析。相对质量校正因子按下式得出[17 ]。

式中，f为相对质量矫正因子;As、Ar分别为内标物和对照品的峰面积;ms、mr分别为加入内标物和对照品的量。

将脂肪酸甲酯粗品和轻组分中样品分别配制成2 mg/mL的正己烷溶液，各取1 mL上述溶液与1 mL的α-亚麻酸乙酯内标溶液（1 mg/mL）混合，取样进气相色谱分析。α-亚麻酸甲酯含量和提取率按下式计算。

式中，w为α-亚麻酸甲酯的含量（总），w（i）为α-亚麻酸甲酯的含量，Y为α-亚麻酸甲酯提取率，f为相对质量矫正因子，A（l）为粗品峰面积，A（i）为轻组分样品面积，A（s）为内标物峰面积;m（l）为轻组分质量（g）; m（h）为重组分质量（g）。

2   结果与分析

2.1   单因素试验

2.2.1    蒸馏温度对α-亚麻酸甲酯富集效果的影响    图1表明，由于温度逐渐升高，轻组分不断溢出，α-亚麻酸甲酯在轻组分中的含量随着温度的升高呈先增大后减小的趋势，99 ℃时达到最大值。但随着蒸馏温度继续升高，重组分也会被带出，从而使轻组分中α-亚麻酸甲酯的含量降低。α-亚麻酸甲酯的提取率随着温度升高一直呈现上升趋势，温度越高，提取率越来越高。试验过程中发现，当蒸馏温度高于90 ℃时，轻组分颜色变暗，且变暗程度与温度成向关系。综合分析，蒸馏温度应该控制在90～95 ℃较为适宜。

2.2.2    蒸馏压力对α-亚麻酸甲酯富集效果的影响    如图2所示，随着压力的增大，α-亚麻酸甲酯的含量迅速增大，后呈缓慢增长趋势，在0.8 Pa时达到最大值。α-亚麻酸甲酯的提取率随着压力的增大持续增大。综合分析，蒸馏压力应该控制在0.8 Pa比较合适。

2.2.3    进料速度对α-亚麻酸甲酯富集效果的影响    图3表明，轻组分中α-亚麻酸甲酯的含量和提取率随着进料速度的增加先增大后减小，在1.1 mg/min时含量达到最大，提取率相应的最高。这是由加热器传热量与α-亚麻酸甲酯汽化热之间平衡所决定的，低流量时加热器传热量大于α-亚麻酸甲酯汽化热，多余热量用于重组分蒸出。在进料速度为1.1 mL/min时两者达到平衡，含量处于平衡状态。随着进料速度加大，加热器已不能够提供足够的热量供α-亚麻酸甲酯挥发，因此质量分数和提取率开始降低。综合来看，1.1 mL/min为比较适宜的进料速度。

2.2.4    刮膜转速对α-亚麻酸甲酯富集效果的影响    图4表明，轻组分中α-亚麻酸甲酯的质量分数和提取率均随着刮膜转速的提高先增大后减小，在280 r/min时达到最大值。在低转速时，转速提高，引起液膜湍动加强，对流传热速度也随之增大，传热的改善使得更多轻组分逸出。但随着转速进一步提高，热量传递越多，重组分逸出也越多，加上料液被甩到冷凝管上几率加大，导致质量分数和提取率下降。因此，刮膜转速选择280 r/min比较合适。

2.3   响应面试验

2.3.1   响应面回归模型的建立及显著性检验

在单因素试验的前提下，根据Box- Benhnken试验设计方案进行试验，结果见表2。

根据表2的数据，对自变量A、B、C、D进行回归分析，由Design-Expert7.0擬合出二次多项式方程为：Y=79.59+4.44A+1.37B+1.43C+1.30D-0.95AB+0.30AC-0.17AD+0.10BC+0.15BD-0.30CD-5.98A2-2.89B2-3.88C2-2.10D2

由表3的方差分析结果看出，方程中的因素A、B、C、D、A2、B2、C2、D2对亚麻籽油中α-亚麻酸含量影响极显著（P < 0.01）;AC、AD、BC、BD、CD对α-亚麻酸含量影响不显著;AB对α-亚麻酸含量影响显著。根据二次多项式回归方程的一次项系数大小，可以判断出对提取亚麻籽油α-亚麻酸影响最大的因素是蒸馏温度。复相关系数R2=0.988 3，说明响应值的变化有98.83%来源于所选变量，且模型P值远小于0.01，表示模型方程极显著，失拟性在0.05水平上不显著（P = 0.1381 > 0.05），故模型的选取是适合的。RAdj2为0.976 7，说明建立模型能够解决97.67%的响应值变化，能较好的描述分子蒸馏提取α-亚麻酸工艺条件的变化规律。

2.3.2    模型的验证性   利用Design-Expert7.0软件对模型进行最优化预测，得到最优化工艺组合A为90.98 ℃、B为0.79 Pa、C为0.87 mL/min、D为287.13 r/min，此时可得到最大响应值为81.00%。为了检验此方法的可靠性，同时考虑操作的便利性，将α-亚麻酸提取最佳条件修正为蒸馏温度A为90 ℃、蒸馏压力B为0.8 Pa、进料速度C为0.87 mL/min、刮膜转速D为287 r/min。按修正后的条件进行3次平行实验，得到α-亚麻酸的含量为81.15%，与理论值相差0.15%;提取率3次平行试验平均值为78.2%。此结果与模型的预测值相近，说明建立的模型能较好地反映实际的纯化过程。虽然优化后的工艺明显提高α-亚麻酸的纯度，但要工业化生产还需做大量中试试验，同时也需要改进。

3   结论与讨论

将α-亚麻酸甲酯化后从甘油三酯中解离出来，然后采用分子蒸馏技术进一步纯化，通过Box-Benhnken试验设计筛选出分子蒸馏纯化α-亚麻酸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α-亚麻酸质量分数为81.15%，提取率为78.20%。

陈乐清等[12 ]利用分子蒸馏技术纯化亚麻籽α-亚麻酸，分析了蒸馏温度、刮膜转速、预热温度、进料速度4个因素对纯化结果的影响，并利用响应曲面法的Box- Behnken实验设计，得到提纯α-亚麻酸的优化工艺条件，在该工艺条件下，α-亚麻酸质量分数从53.36%提高至80.27%，提取率为76.20%。张运晖[18 ]采用四级分子蒸馏技术，将原料中的α-亚麻酸由原来的67.5%提纯至82.3%。本试验首次将蒸馏压力作为考察因素进行试验，所得最佳工艺条件均为考虑接近工业化生产的基础上得到，对工业生产具有一定的指导价值。

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（本文责编：陈    伟）

收稿日期：2018 - 09 - 17;修訂日期：2019 - 04 - 10

基金项目：甘肃省高等学校科研项目自筹经费项目（2016B188）。

作者简介：刘金菊（1988 — ），女，四川南部人，讲师，硕士，研究方向为化学工程与工艺。Email：839584172@qq.com。