高沸点溶剂脱除棉酚新工艺的研究

东世宏,马瑞,王丹,焦庆庆,吴甜,朱明远,代斌

(石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室,石河子832002)

高沸点溶剂脱除棉酚新工艺的研究

东世宏,马瑞,王丹,焦庆庆,吴甜,朱明远,代斌

(石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室,石河子832002)

以高沸点溶剂环己酮对棉粕脱除棉酚的工艺,运用正交试验优化了萃取条件,确定了环己酮脱除棉酚的最佳工艺条件为:料液比1∶3.5,浸取时间24 h,磷酸浓度1.8 mol/L,环己酮浓度60%。并与以丙酮为溶剂的工艺进行了对比,在浸取时间为25 h时,与丙酮相比,环己酮的棉酚脱除率从59.6%提高到81%,沸点从56.48℃提高到155.65℃,低于国标要求。棉粕脱酚工艺中采用高沸点的环己酮为溶剂,减轻了对环境的污染,提高了棉酚的提取率。

高沸点;棉酚;脱除

棉粕中粗蛋白质含量为30%～45%,可作为优质动物饲料,但由于棉粕中含有活性醛基官能团和活性羟基官能团的游离棉酚(free gossypol,FG),对人和动物具有毒害作用,因此棉粕在用作优质动物饲料之前要经过脱酚工艺处理。目前常采用的脱酚工艺包括:湿热处理法[1]、化学处理法[2]、生物发酵法[3]及萃取法[4],其中萃取法因为具有较好的脱毒效果近年来得到了广泛的应用。

R J Hron等[5]发现乙醇为萃取剂对棉粕具有较好的脱酚效果,他们以95%的乙醇水溶液对棉仁在室温下浸泡3 h,连续提取3次,能够将棉仁中70%的棉酚脱除;J Qian等[6]则发现以60%的甲醇/石油醚为溶剂,采用双液相提取法(TSE)进行棉酚脱除,能够使游离棉酚含量降低到0.014%。余虹宇等[7]发现用丙酮-苯胺法提取棉酚,提取率一般为理论产量的75%左右。K Gerasimidis等[8]发现用70%的丙酮,采用两段提取法脱除棉酚,能够使棉籽蛋白中棉酚的含量降低到331 ppm。K Gerasimidis等[9]发现用甲乙酮作为溶剂提取棉酚,能够将棉粕中63%的棉酚脱除掉。上述乙醇、甲醇、丙酮、甲乙酮等几种溶剂虽然对棉粕具有较好的脱酚效果,但这些溶剂沸点较低,在低温下具有强烈的挥发性,不仅对环境造成污染,而且对溶剂的回收问题造成了工艺成本的增加。

为了降低采用低沸点溶剂在棉粕脱酚工艺中的挥发性,本研究采用了高沸点、低挥发度的环己酮对棉粕进行脱酚,以三水平、四因素正交试验优化了环己酮溶剂对棉粕脱酚的实验条件,并与以丙酮为溶剂提取法对棉粕脱酚的正交试验优化条件进行了对比。

1 材料与方法

1.1 材料与制备

材料:棉粕,取自新疆新赛油脂有限公司;棉酚标品购自陕西西安慈缘生物有限公司;丙酮(西安化学试剂厂)和环己酮(天津市光复科技发展有限公司)均为分析纯。

仪器:高效液相色谱(美国Waters公司);SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 棉酚的脱除

称取一定质量的棉粕原料,经研钵研磨后置于具有毛塞瓶盖的50 mL玻璃瓶中,加入适量的溶剂,静置一段时间,真空抽滤,弃去滤渣,得滤液。将滤渣用50 mL的水冲洗3次,以除去溶剂的残留。用0.45μm的有机滤膜对滤液进行过滤,取20μL的滤液作为样品进行高效液相色谱分析,色谱条件为:C 18柱(4.6 mm ×150 mm,5μm),流动相:甲醇:2%磷酸水溶液(90∶10),柱温:40°C,流速:1 mL/min,检测波长:235 nm[10]。游离棉酚的总含量参照国标 GB13806-91测定,根据棉酚的浸出量计算棉酚的脱除率,其计算公式为:

上式中:R为棉酚的脱除率;W1为棉酚的浸出量;W2为棉酚的总含量。

1.2.2 丙酮溶剂标准曲线的绘制

称取20 mg棉酚标准品,置于25 mL的烧杯中,加入丙酮溶解并转移到25 mL棕色容量瓶中,用丙酮稀释至刻度,得到0.4 mg/mL棉酚溶液。分别吸取2、4、6、8、10 mL 棉酚标准液 ,置于 25 mL 的棕色容量瓶中,加入纯丙酮稀释至刻度,混匀,静置5 min,即得标准溶液,放入冰箱内备用。通过高效液相色谱分析,建立标准曲线方程为:Y=4.5977x-0.0113,R2=0.9997,标准曲线如图1所示。

图1 丙酮溶剂棉酚标准曲线Fig.1 The standard curve of acetone solvent of gossypol

1.2.3 丙酮溶剂正交试验设计

在室温下以静置法测定游离棉酚的含量,用70%的丙酮水溶液作为混合溶剂,加入适当浓度的磷酸,采用浸取时间(A)、磷酸浓度(B)、丙酮浓度(C)以及丙酮水溶液的加入量(D)进行L9(34)正交试验,实验因素水平设计见表1。

表1 丙酮正交试验因素水平Tab.1 The factors and levels of acetone in the orthogonal experimental

1.2.4 环己酮溶剂标曲的绘制

标准曲线见图2。称取100 mg棉酚标准品,置于100 mL烧杯中,加入丙酮溶解并转移到100 mL棕色容量瓶中,稀释至刻度,得1 mg/mL棉酚溶液。

图2 环己酮溶剂棉酚标准曲线Fig.2 The standard curve of cyclohexanone solvent of gossypol

分别吸取 5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mL 棉酚标准溶液,置于25 mL的容量瓶中,加入纯环己酮稀释至刻度,混匀,静置5 min,即得标准溶液,放置于冰箱内保存备用,通过高效液相色谱分析,建立标准曲线方程:Y=3.5049x-0.0037,R2=0.9997。

1.2.5 环己酮溶剂正交试验设计

在室温下以静置法测定游离棉酚的含量,用70%的环己酮水溶液作为混合溶剂,加入适当浓度的磷酸,采用浸取时间(A)、磷酸浓度(B)、丙酮浓度(C)、环己酮水溶液的加入量(D)进行L9(34)正交试验,实验因素水平如表2所示。

表2 环己酮正交因素水平Tab.2 The factors and levels of cyclohexanone in the orthogonal experimental

2 结果与分析

2.1 丙酮溶剂正交试验结果

根据丙酮正交实验表对棉粕进行棉酚脱除实验,通过液相色谱仪器测定棉酚含量,并计算棉酚脱除量,实验结果如表3所示。

表3 丙酮溶剂的正交实验表及结果Tab.3 The acetone solvent orthogonal experimental design and the analysis of the result

由表3、表4可知:4种因素对于棉酚脱除量的影响程度依次为A>C>D>B,即浸取时间>丙酮浓度>溶剂加入量>磷酸浓度,其中时间因素对棉粕脱酚影响最大,磷酸浓度因素影响最小。随着浸取时间的延长,丙酮的脱酚效果明显增加,而磷酸浓度对丙酮进行棉酚的脱除效果影响较小。由极差分析可得到4种因素的优化组合为A3B1C3D1,即丙酮对棉粕萃取脱酚的最优条件为浸取时间为24 h,磷酸浓度为1.0 mol/L,丙酮的浓度为80%,溶剂的加入量为25 mL。按此条件进行3次试验验证,分别3次浸取,棉酚的平均脱除率是63.75%。80%浓度的丙酮具有最优的脱酚效果,这可能是由于60%和70%2种低浓度的丙酮溶液,在浸取时间为24 h的条件下,丙酮易挥发而导致溶液中丙酮浓度降低,因而脱酚效果较差。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

2.2 环己酮溶剂正交试验结果

根据环己酮正交实验表进行棉粕脱毒实验,通过高效液相色谱仪器测定棉酚含量,并计算棉酚脱除量,实验结果如表5所示。

表5 环己酮溶剂的正交实验表及结果Tab.5 The cyclohexanone solvent orthogonal experimental design and the analysis of the result

由表5、表6可知,4种因素对于棉酚脱除量的影响程度依次为A>B>C>D,即浸取时间>磷酸浓度>环己酮浓度>溶剂加入量。从以上结果可以看出,时间因素同样是最主要的影响因素,而溶剂加入量对棉粕脱毒影响最小。随着浸取时间的延长,环己酮的脱酚效果同样明显增加,但与丙酮相反的是,磷酸浓度对环己酮脱除棉酚的效果影响较大,主要原因是磷酸在水解的过程中有效地阻止了游离棉酚与磷脂的结合[11]。由于环己酮的沸点较高,不易挥发,所以环己酮的浓度相对丙酮较低。4种因素的优化组合为A3B3C1D3,即浸取时间为24 h,磷酸浓度为1.8 mol/L,环己酮的浓度为60%,溶剂的加入量为35 mL。按此条件进行3次验证试验,分别浸取3次,棉酚的平均脱除率为89.5%。环己酮的浓度相对于丙酮的浓度较低,其原因有可能为环己酮的沸点比丙酮的沸点要高,不易挥发造成溶剂的浪费。

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

2.3 两种溶剂的脱除棉酚效果比较

选用丙酮和环己酮的最优化实验条件即丙酮溶剂浸取时间为24 h,磷酸浓度为1.0 mol/L,浓度为80%,加入量为25 mL;环己酮溶剂浸取时间为24 h,磷酸浓度为1.8 mol/L,浓度为 60%,加入量为35 mL。分别在 5、10、16、20、25 h通过二次脱除考察不同的时间段脱酚效果,采用高效液相色谱仪进行分析,实验结果如图3所示。

图3 丙酮与环己酮对棉酚脱除效果对比Fig.3 The effect of gossypol removal of cyclohexanone comparing with acetone

由图3可以看出,随着时间的延长两种溶剂对棉酚的脱除效果越来越好。两种溶剂在浸取时间为5 h时对棉酚的脱除量最低且环己酮和丙酮的脱毒效果相差不大,在25 h时对棉酚的脱除量最大;在浸取时间为5、25 h时,80%丙酮的棉酚残留量分别是1.92、0.98 mg/g,60%环己酮的棉酚残留量分别是1.75、0.46 mg/g;由此可以看出时间因素对脱毒的效果影响很大。根据棉粕中初始量为2.423 mg/g,25 h时两种溶剂对棉酚的脱除率分别为59.6%、81.0%,在25 h时,环己酮和丙酮对棉粕脱酚效果区别很大,环己酮比丙酮的脱酚效果提高了21.4%。国家饲料卫生标准 GB 13078-2001规定牲畜饲料产品中的有害物质游离棉酚的含量不得超过1.2 mg/g,以环己酮为溶剂对棉粕脱毒的结果远远低于国家标准,达到了良好的脱毒效果,提高了饲料的质量。

3 结论

本研究结果显示,通过环己酮水溶剂的正交试验得到了脱除棉酚的最佳工艺条件:浸取时间为24 h,磷酸浓度为1.8 mol/L,环己酮的浓度为60%,溶剂的加入量为35 mL。按上述条件,通过3次浸取棉酚的平均脱除率为89.5%,棉酚残留量为0.34 mg/kg,远远低于国标。

通过环己酮水溶液浸取法与传统的丙酮水溶液浸取法的比较,在浸取时间为25 h的条件下,环己酮对棉粕的脱酚效果比丙酮提高了21.4%。

环己酮比文献已报道的丙酮具有较好的脱酚效果;沸点从56.48℃提高到155.65℃。采用环己酮水溶液减轻了对环境的污染,达到了绿色化工的环保要求。

[1]刘福林,孙居民,杨文侠.棉籽粕脱酚方法的研究[J].石河子大学学报:自然科学版,1999,3(2):127-130.

[2]赵国志,刘桂兰,朱文珊.棉籽饼粕化学脱毒作饲料蛋白质技术[J].中国商办工业,1999,11(2):37-38.

[3]朱德伟,刘志鹏,蔡国林,等.高效降解棉酚菌种的筛选及棉粕发酵脱毒工艺研究[J].中国油脂,2010,35(2):24-28.

[4]冯罄,热合满·艾拉,李焕荣,等.棉籽蛋白的溶剂法脱毒工艺研究[J].新疆农业科学,2009,46(2):312-316.

[5]R J Hron,M S Kuk,G Abraham,et al.Ethanol Extraction of Oil,Gossypol and Aflatoxin from Cottonseed[J].JAOCS,1994,71(4):417-421.

[6]J Qian,Z Yun,H Shi.Cogeneration of biodiesel and nontoxic cottonseed meal from cottonseed processed by twophase solvent extraction[J].Energy Conversion and Management,2010,51(12):2750-2756.

[7]余虹宇,唐熏,聂立波,等.棉酚开发、应用的若干问题[J].山东化工,2000,29(4):16-18.

[8]K Gerasimidis,D Fillou,M Babatzimcpoulou,et al.Preparation of an edible cottonseed protein concentrate and evaluation of its functional properties[J].International Journal of Food Sciences and Nutrition,2007,58(6):486-490.

[9]M K Dowd,S M Pelitire.Recovery of gossypol acetic acid from cottonseed soapstock[J].Industrial Crops and Products,2001,14(2):113-123.

[10]杨春梅,张华,唐辉.正交设计优化棉酚纯化工艺研究[J].中医药导报,2006,12(7):6-7.

[11]W A Pons,J Pominski,W H King,et al.Recovery of gossypol from cottonseed gums[J].The Journal of the American Oil Chemist’s Society,1959,36(8):328-332.

A New Technology of the Removal of Gossypol by High Boiling Point Solvent

DONG Shihong,MA Rui,WANG Dan,J IAO Qingqing,WU Tian,ZHU Mingyuan,DAI Bin
(School of Chemical Engineering and Technology,Shihezi University/Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of the Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi 832002,China)

In this paper,the optimal conditions of the removal of gossypol by a high boiling point solvent-cyclohexanone is studied.The optimal processing conditions obtained by orthogonal experiment are as follows:the ratio of solid to liquid is 1∶3.5,the concentration of phosphate acid is 1.8 mol/L,and the concentration of cyclohexanone is 60%.Compared with acetone,the removing rate of gossypol of cyclohexanone rises from 59.6%to 81%,and boiling point rises from 56.48°C to 155.65°C,lower than the national requirements.With cyclohexanone as solvent,the new technology decreases the environmental pollution and improves the extraction rate of gossypol.

high boiling point;gossypol;removal

O69

A

1007-7383(2011)02-0236-04

2010-11-22

新疆兵团博士基金项目(2010JC13)

东世宏(1985-),男,硕士生,专业方向为催化化学。

朱明远(1980-),男,副教授,从事催化化学方向研究;e-mail:zhumingyuan_shz@sina.com。