垂序商陆种子油脂肪酸组成及其生物柴油制备工艺研究

廖 阳,闫荣玲,刘丽华,何福林,李 辰

(1.湖南科技学院 化学与生物工程学院，湖南 永州 425199； 2.湘南优势植物资源综合利用湖南省重点实验室，湖南 永州 425199； 3.湖南省银杏工程技术中心，湖南 永州 425199； 4.五邑大学 生物科技与大健康学院，广东 江门 529020)

随着全球人口的不断增长，人类对石油资源的需求量及消耗速度不断攀升，能源危机越来越凸显。生物柴油是以动植物油脂或废餐饮油等为原料经酯化后得到的一种清洁环保的可再生能源，是缓解能源危机的重要策略之一[1]。原料可占生物柴油生产总成本的70%甚至更高，因此寻求含油率高、再生周期短、能够稳定供给的原料是当前生物柴油研究的重要课题。动物油脂不饱和脂肪酸含量低，熔点和黏度高且与醇的互溶性差，回收油脂则往往杂质及水分多，除杂与脱色等前处理复杂。因此，植物油脂是制备生物柴油的优质原料[2]。世界各国都选择有自身优势的原料来发展生物柴油，欧洲多用菜籽油和葵花籽油，美国为大豆油，巴西为蓖麻籽油，东南亚等地用棕榈油等。根据我国国情，若以传统食用油为原料进行生物柴油制备不利于国家粮油安全。因此，利用非食用植物油脂进行生物柴油制备更合理可行。

垂序商陆(PhytolaccaamericanaL.)为商陆科商陆属的多年生草本植物，其根部由于含有商陆皂苷活性成分而作为一味中药使用，近年人们还对其叶片皂苷[3-4]、浆果红色素[5]等进行了提取与应用，但关注其种子开发利用的研究十分少见[6]。垂序商陆的结籽量大，不是传统食用油来源，因此考虑将其种子油作为生物柴油制备原料。需指出的是，原料油脂中脂肪酸的组成及含量是决定生物柴油品质的重要因素，会影响所得生物柴油的十六烷值、流动性、稳定性等指标[7]。因此，本研究对垂序商陆种子油的脂肪酸组成及含量进行测定，以确定其作为生物柴油原料油的潜力。

各种动植物油脂与甲醇等低碳醇类物质在催化剂作用下制备生物柴油是目前工业生产生物柴油的主要方法。根据使用的催化剂种类不同又可以分为酸催化法、碱催化法、生物酶法等，其中碱催化法由于条件温和、成本较低、可产生高附加值副产物甘油, 反应速率快等而被广泛采用[1-2]。用于制备生物柴油的醇类有甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等，其中甲醇因为具有碳链短、极性强和价格便宜的特点而最为常用[8]。因此，本研究以垂序商陆种子油和甲醇为原料，KOH为催化剂，通过单因素实验考察了醇油摩尔比、反应时间、反应温度、催化剂用量对生物柴油转化率的影响，并在此基础上采用正交实验优化了生物柴油制备工艺，为垂序商陆种子油在生物柴油制备领域的应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

垂序商陆果实采自湖南科技学院周边空地，采集到的垂序商陆果实揉搓破碎、多次洗涤与过滤去杂后获得干净的种子，于65℃下烘干24 h，粉碎机粉碎。石油醚(沸程60～90℃)、正己烷、氢氧化钾、甲醇、浓硫酸、无水硫酸钠、乙醚、乙醇、盐酸等，均为分析纯。

恒平AE124J分析天平，岛津QP2010S GC-MS，RE-2000B旋转蒸发仪，SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵，WG-20电热鼓风干燥箱，DF-101S恒温磁力搅拌器等。

1.2 实验方法

1.2.1 垂序商陆种子油提取[9]

取5.0 g垂序商陆种子粉末，加一定体积的石油醚，充分搅拌后静置12 h；之后进一步借助微波进行种子油提取，提取条件为料液比1∶10，微波时间70 min，微波功率300 W，微波温度50℃；提取完成后，真空抽滤得澄清液再经旋转蒸发仪回收溶剂，最后置50℃干燥箱中2 h去除残留溶剂后冷却至室温，得到垂序商陆种子油。

1.2.2 垂序商陆种子油的脂肪酸组成分析

1.2.2.1 甲酯化处理

称取0.1 g样品于25 mL容量瓶中，加入1 mol/L KOH-甲醇溶液2 mL，45℃水浴45 min，之后利用旋转蒸发仪水浴蒸干，并加入2 mL的5%硫酸-甲醇溶液，70℃水浴60 min后，向样品中滴加2 mL饱和氯化钠溶液，摇匀，再加入2 mL正己烷，振摇，静置10 min，分层。取0.1 mL上清液，稀释100倍后，加入少量无水硫酸钠脱水，于气质联用仪中进行脂肪酸组成分析。

1.2.2.2 GC-MS分析条件

采用石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×25 μm)；载气为He，流量2 mL/min；升温程序为初始温度150℃，保持3.5 min，以20℃/min的速度升温至200℃，保持5 min，以5℃/min的速度升温至280℃，保持20 min;进样量0.5 μL；离子源为EI，温度为200℃；电子能量70 eV；扫描周期0.5 s；界面温度250℃，溶剂切除时间3 min。采用与质谱图库检索比较，取最优匹配者进行脂肪酸定性鉴定，采用峰面积归一化法进行脂肪酸相对含量的确定。

1.2.3 生物柴油制备

称取一定量垂序商陆种子油置于锥形瓶中，加入一定量催化剂KOH与甲醇的混合液，置于恒温加热磁力搅拌器中开始计时并持续反应一段时间，后倒入分液漏斗中静置，分离出下层甘油，再用旋转蒸发仪将上层生物柴油粗品在常压下蒸馏脱除过量甲醇，用温水洗至中性，再减压蒸馏除去残存的水等杂质，最终得到颜色淡黄、比较清亮的脂肪酸甲酯即生物柴油[10-11]。参照文献[11-12]测定原料油和产物中的总甘油含量，按下式计算生物柴油转化率。

生物柴油转化率=(原料油中理论甘油含量-生物柴油中甘油含量)/原料油中理论甘油含量×100%

1.2.4 生物柴油制备的单因素实验与正交优化实验

分别考察了醇油摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温度4个因素对垂序商陆种子油制备生物柴油转化率的影响。单因素实验时分别设置醇油摩尔比4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1，催化剂用量0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、1.7%、2.0%，反应时间20、40、60、80、100、120 min，反应温度30、40、50、60、70、80℃各6个梯度水平。

进行某一单因素实验时，其他3个因素维持不变，分别固定为醇油摩尔比6∶1、催化剂用量1.1%、反应时间40 min、反应温度50℃。根据单因素实验结果，选取3个因素各自生物柴油转化率较高的3个较佳水平，按照L9(34)正交实验优化生物柴油制备工艺。

1.2.5 数据处理

所有实验均重复3次，数据经Excel2003、SPSS19.0以及Sigmaplot10.0等软件进行整理、分析与作图。

2 结果与讨论

2.1 垂序商陆种子油脂肪酸组成

垂序商陆种子油经GC-MS分析得到的总离子流图如图1所示。经与NIST05质谱数据库比对检索后，确定垂序商陆种子油脂肪酸组成及相对含量见表1。

图1 垂序商陆种子油总离子流图

保留时间/min脂肪酸相对含量/%15.194软脂酸12.6618.074硬脂酸29.9218.217油酸55.0018.720亚油酸1.0522.792花生酸1.0127.422芥酸0.36

由图1及表1可知，垂序商陆种子油含6种脂肪酸，分别为软脂酸(12.66%)、硬脂酸(29.92%)、油酸(55.00%)、亚油酸(1.05%)、花生酸(1.01%)、芥酸(0.36%)，不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的占比分别为56.41%与43.59%，前者约为后者含量的1.3倍。

虽然垂序商陆种子油中的不饱和脂肪酸含量较饱和脂肪酸高，但相对其他植物油脂，其不饱和脂肪酸含量明显偏低。尤其是人体不能合成，具有降低血液胆固醇、预防动脉粥样硬化、提高脑细胞活力、增强免疫力等生理活性的亚油酸含量极低，亚麻酸更是未被检出。同时，垂序商陆种子与其叶片以及根部一样含有可引发溶血及产生细胞毒性等不良生理效应的皂苷类物质[4,9]，在油脂提取过程中存在少量商陆皂苷同步释出进入油中从而产生不利于人体健康的可能性。因此，垂序商陆种子油作为新型食用油资源开发的潜力和优势不明显。

垂序商陆种子油与几种制备生物柴油常用植物油脂肪酸组成及含量比较见表2。

表2 垂序商陆种子油与几种生物柴油制备常用植物油脂肪酸组成及含量比较 %

由见表2可知，垂序商陆种子油的总不饱和脂肪酸含量、单不饱和脂肪含量高于棕榈油。同时，垂序商陆种子油多不饱和脂肪酸含量极低(<2%)，且单不饱和脂肪酸含量高、碳链长度在12～22区间，可见其具有作为制备生物柴油原料油的潜力。

2.2 生物柴油制备工艺及优化

2.2.1 单因素实验(见图2)

由图2可知，随着醇油摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温度的增加，生物柴油转化率均呈现出先增加后减少的总体变化趋势，且分别在醇油摩尔比7∶1、催化剂用量1.1%、反应时间60 min、反应温度60℃时达到最大值。

一定范围内，垂序商陆种子油制备生物柴油的转化率随醇油摩尔比、催化剂用量、反应温度、反应时间的增加而增加，是因为各因素分别通过提高底物浓度(增加分子间碰撞概率)、增加反应体系中活化分子数、保证底物充分反应等途径对反应体系起到了积极影响；但当各因素在超过某一水平后，则会由于过多的醇增加了体系极性、过量的催化剂增加了皂化等副反应、过高的温度使甲醇蒸发、过长的时间打破了反应平衡(使逆反应快于正反应)等从而导致生物柴油转化率不增反降[11,16]。需指出的是，过多的醇以及催化剂KOH还会增加后续回收以及产品分离的难度，因此从生物柴油转化率与成本两方面综合考虑，确定醇油摩尔比6∶1、7∶1、8∶1，催化剂用量0.8%、1.1%、1.4%，反应时间40、60、80 min，反应温度40、50、60℃各3个水平进行后续正交优化实验。

2.2.2 正交优化实验

在单因素实验基础上，以醇油摩尔比、催化剂用量、反应时间、反应温度为因素，生物柴油转化率为指标进行L9(34)正交优化实验，正交实验设计及结果如表3所示。

表3 垂序商陆种子油制备生物柴油正交实验设计及结果

由表3可知，各因素对垂序商陆种子油制备生物柴油转化率的影响顺序为催化剂用量>反应温度>醇油摩尔比>反应时间，最佳制备工艺组合为A2B2C3D2，即醇油摩尔比7∶1，催化剂用量1.1%，反应时间80 min，反应温度50℃。在最佳制备工艺条件下进行3次验证实验，生物柴油转化率为94.6%。

3 结 论

垂序商陆种子油中含有软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、花生酸、芥酸6种脂肪酸，含量分别为12.66%、29.92%、55.00%、1.05%、1.01%、0.36%；垂序商陆种子油中单不饱和脂肪酸含量高，多不饱和脂肪酸含量极低、碳链长度在12～22区间、且饱和脂肪酸含量低于棕榈油等原料油，因此较适于进行生物柴油的制备。单因素实验及正交实验优化得到垂序商陆种子油制备生物柴油最佳条件为反应时间80 min、反应温度50℃、醇油摩尔比7∶1、催化剂用量1.1%，此条件下生物柴油转化率为94.6%。结果表明，垂序商陆种子油成分多样、单不饱和脂肪酸含量高并且制备生物柴油可行性强、工艺温和、转化率高，是一种具有显著开发潜质的优质植物油脂资源，研究结果为垂序商陆的深度开发利用提供了实验依据。