天然维生素E油中PAH4连续脱除工艺研究

关国华,武文华,曹玉平,蒋一鸣,周学晋,宋莲芳, 徐逍然,童 强,史金柱,梁广震

(1.中粮天科生物工程(天津)有限公司，天津 300457； 2.中粮生物科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233010)

多环芳烃(PAHs)是一类具有两个或多个苯环互相键结的芳香族有机化合物，是最早发现具有致癌、致畸、致突变作用的有机污染物。PAHs的种类很多，且多数具有致癌性，在目前已知的500种致癌化合物中，有200多种为PAHs及其衍生物[1]。PAHs主要是由碳氢化合物在高温下不完全燃烧产生的，由于其具有较强的亲脂性，因此油料作物中的PAHs会转移到油脂产品中。

天然维生素E是一种混合生育酚，主要由d-α-生育酚、d-β-生育酚、d-γ-生育酚和d-δ-生育酚4种同系物组成，是浅黄色至棕红色的澄清油状液体。天然维生素E油作为抗氧化剂和营养促进剂，越来越多被人们所了解和接受，在欧美等发达国家已成为日常消费品，目前天然维生素E油主要以植物油精炼过程中的脱臭馏出物作为原料进行提取[2-3]，经过一系列的精制过程，最终产品中PAHs会不可避免地因浓缩而残留[4-5]。国内外对食品中PAHs的限量要求不同。我国GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定，油脂及其制品中苯并(a)芘含量小于或等于10 μg/kg，欧盟标准EU 1881-2006规定食品中苯并(a)芘含量小于或等于2 μg/kg，PAH4(苯并(a)芘、苯并(a)蒽、苯并(b)荧蒽、)含量小于或等于10 μg/kg。PAH4是一类极其微量的污染物，对产品质量安全造成一定的负面影响。国内天然维生素 E厂家产品质量指标基本满足国标限量标准，但不能满足出口欧盟的产品要求，为此，开发一种高效脱除PAH4的工艺方法具有重要意义。

目前，国内针对PAHs的脱除方法有生物降解法、吸附法、萃取法、络合法等[6-7]，大部分以间歇方式操作，不利于工业化生产。本文研究建立一种以颗粒活性炭为吸附剂[8-9]的连续脱除天然维生素E油中PAH4的工艺方法，首先对料液比、体系温度、吸附时间进行单因素实验，在单因素实验基础上进行正交实验优化，得到连续脱除天然维生素E油中PAH4的最佳工艺条件，以期为天然维生素E油生产中PAHs的脱除提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

天然维生素E油(VE总含量50%，其中α-VE相对含量9.68%，植物甾醇含量8.95%，PAH4含量154.2 μg/kg，苯并(a)芘含量40.0 μg/kg)，中粮天科生物工程(天津)有限公司。95%乙醇；颗粒活性炭，江南活性炭厂。

TD5002(0.01 g)电子天平，天津天马衡基仪器有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；玻璃层析柱，天津市天玻玻璃仪器有限公司；Agilent 1260高效液相色谱仪，美国安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 天然维生素E油中PAH4的连续脱除

取500 g天然维生素E油溶解到95%乙醇中，以一定流速泵入填装70%颗粒活性炭的吸附柱内，柱体积为900 mL，并控制体系温度在25～50℃，利用活性炭对PAHs的吸附特性进行脱除实验，通过设计AB柱轮流切换的方式连续进出料进而实现连续化操作。收集流出液经蒸发浓缩，得到目标产品，测定原料及产品中PAH4含量、苯并(a)芘含量，计算PAH4脱除率。

1.2.2 指标检测

维生素E含量的测定参照ISO 9936-2006《动植物油脂 高效液相色谱法测定维生素E和三烯甘油酯含量》，PAH4及苯并(a)芘含量的测定委托欧陆检测技术服务(上海)有限公司进行外检。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 料液比对PAH4脱除效果的影响

为考察溶剂使用比例的影响，选取天然维生素E油与95%乙醇质量体积比(料液比)为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6，在体系温度室温(25℃)、吸附时间2 h条件下，考察料液比对PAH4脱除效果的影响，结果如图1所示。

图1 料液比对PAH4脱除效果的影响

料液比影响混合后溶液的黏度，从而影响吸附效率。由图1可知，增加料液比，溶液的黏度降低，可提高PAH4吸附效率，料液比1∶3时PAH4的脱除效果最好，脱除后天然维生素E油中PAH4含量为15.8 μg/kg(苯并(a)芘含量为3.1 μg/kg)，PAH4脱除率达到89.75%。因此，选择料液比为1∶3。

2.1.2 体系温度对PAH4脱除效果的影响

在料液比1∶3、吸附时间2 h条件下，考察体系温度对PAH4脱除效果的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，活性炭对PAH4吸附效果在体系温度低时略差，分析原因在于低温下天然维生素E油中植物甾醇容易结晶析出，从而附着在活性炭表面减少活性炭比表面积，不利于PAH4的吸附；而体系温度升高使得分子运动加速，有利于PAH4进入活性炭内部充分接触，提高活性炭的吸附效果，但超过一定温度后，吸附效果没有明显变化。实验结果表明，40℃时PAH4脱除效果最优，脱除后天然维生素E油中PAH4含量为10.0 μg/kg(苯并(a)芘含量为2.5 μg/kg)，PAH4脱除率为93.51%。考虑到乙醇的挥发性，选择体系温度为40℃。

图2 体系温度对PAH4脱除效果的影响

2.1.3 吸附时间对PAH4脱除效果的影响

在料液比1∶3、体系温度40℃条件下，考察吸附时间对PAH4脱除效果的影响，结果如图3所示。

图3 吸附时间对PAH4脱除效果的影响

由图3可知，吸附时间对天然维生素E油中PAH4的脱除效果影响较大，吸附时间越短，吸附效果越差，吸附时间越长吸附效果越好，但吸附时间达到4 h后，PAH4脱除率无明显变化。吸附时间4 h时，天然维生素E油中PAH4含量为4.7 μg/kg(苯并(a)芘含量为1.1 μg/kg)，PAH4脱除率为96.95%。考虑到实际工业生产情况，选择吸附时间为4 h。

2.2 正交实验

为进一步优化PAH4脱除工艺，在单因素实验基础上，采用L9(34)正交表对料液比、体系温度、吸附时间进行三因素三水平的正交实验，以PAH4脱除率为指标确定最佳的PAH4脱除工艺条件。正交实验因素水平见表1，正交实验设计及结果见表2，正交实验方差分析结果见表3。

表1 正交实验因素水平

表2 正交实验设计及结果

表3 正交实验方差分析结果

由表2可知，3个因素的极差大小顺序为A>B>C，3个因素对PAH4脱除率影响的大小顺序为料液比>体系温度>吸附时间，最优的脱除工艺条件为A2B2C2，即料液比1∶3，体系温度40℃，吸附时间4 h。由表3可知，料液比、体系温度对PAH4脱除影响显著，吸附时间影响不显著。最终确定PAH4脱除工艺条件为料液比1∶3、体系温度40℃、吸附时间4 h，在此条件下PAH4脱除率为97.79%。

通过分析正交实验结果，设计将70%的颗粒活性炭填装至固定床内，确定脱除工艺条件：以95%乙醇为溶剂，天然维生素E油与溶剂比为1∶3，体系温度40℃，调节进料流速使吸附时间为4 h。经过10次吸附实验，PAH4脱除率在94.53%～96.78%范围内，PAH4平均含量为6.9 μg/kg，脱除效果没有明显下降。为验证实验中连续脱除工艺的效果，进行3组共30次的重复性验证实验，PAH4的脱除率见表4。

表4 连续脱除PAH4的验证实验

由表4可看出，PAH4平均脱除率为95.29%，脱除后天然维生素E油中PAH4含量为7.3 μg/kg(苯并(a)芘含量为1.8 μg/kg)，符合欧盟标准EU 1881-2006中PAH4含量小于或等于10 μg/kg，苯并(a)芘含量小于或等于2 μg/kg的要求，与正交实验所得最优脱除率97.79%的相对误差为2.56%，且实验重复性良好，证明了连续脱除工艺具有可行性。

2.3 PAH4脱除过程对维生素E含量的影响

对优化工艺条件下脱除PAH4前后的天然维生素E油样品进行维生素E含量分析，考察PAH4脱除过程中活性炭对天然维生素E含量的影响，结果见表5。

表5 PAH4脱除过程对维生素E含量的影响 %

由表5可知，PAH4脱除前后维生素 E含量未发生明显变化，表明活性炭虽然对维生素 E有一定吸附作用，但在可接受范围内。

3 结 论

本文建立了一种连续脱除天然维生素E油中PAH4的方法，并对关键条件进行了优化，最终建立一套连续脱除工艺：用3倍体积的95%乙醇将天然维生素E油充分溶解后，在保持体系温度40℃条件下，通过装填颗粒活性炭的固定床，并保证4 h的吸附时间对PAH4进行吸附，之后收集流出液，蒸发除去乙醇后，得到低PAH4含量的天然维生素E油产品。该方法可以在不影响维生素E含量的前提下脱除天然维生素E油中微量的PAH4，使其残留量符合欧盟标准要求，提高产品附加值和市场竞争力。