高酸值鱼油两步法制备鱼油乙酯的研究

程 楠，丁 辉

(天津大学化工学院，精馏技术国家工程研究中心，天津 300072)

深海鱼油中富含多种人体必需的多不饱和脂肪酸(PUFA)，更是二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的唯一商业来源［1］。能够有效预防心脑血管疾病，促进视网膜的发育及延缓脑部衰老，在抗炎抗过敏方面也有良好功效［2－3］。鱼油中的PUFA主要是以甘油酯的形式存在，无法直接测定其脂肪酸组成。而在产品的实际生产过程中，通常需要将其转化为乙酯形态，以达到提纯浓缩的目的，并可得到不同脂肪酸含量组成的鱼油产品来适应不同人群的需要。一般的鱼油酸值较低，可直接用碱催化酯交换得到鱼油乙酯［4］，但也有一些种类的鱼油存在酸值偏高的问题，如金枪鱼、鱿鱼等［5－6］。对于酸值偏高的鱼油，傅红［5］等采用浓硫酸催化一步法酯交换得到鱼油乙酯，但最优条件下需要反应6小时，消耗9%的浓硫酸，耗时长，水洗过程消耗大量蒸馏水，且产品得率未知;Encinar J［7］等采用浓硫酸催化酯交换生产生物柴油，需在9%的浓硫酸存在下反应48小时才能得到90%以上的生物柴油产品。李兆新［8］等采用皂化－酸化－酯化的方法制备鱼油乙酯，该法步骤繁琐，酯化过程也耗费大量溶剂及浓硫酸。本文将国内外利用高酸值油料制备生物柴油的两步法工艺运用到高酸值鱼油乙酯化的实验中［9－11］，与上述两种现有方法相比，节约了时间及能耗，且克服了浓硫酸催化酯化产品色泽深的问题，产品收率也较高。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鱼油甘油酯 由某医药公司提供;无水乙醇、浓硫酸、氢氧化钾、无水硫酸钠 均为分析纯。

DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市英峪仪器厂;LABOROTA 4000 旋转蒸发仪 德国海道尔夫公司;GC2060气相色谱仪 山东鲁南分析仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼油预酯化 将装有机械搅拌、冷凝回流和温度计的三颈烧瓶置于油浴锅中，加入20g鱼油并预热至反应温度，然后将浓硫酸和10g无水乙醇加入三颈烧瓶中，在机械搅拌下冷凝回流一定时间。反应完毕，用热蒸馏水洗涤产物至中性，减压旋蒸除去过量乙醇，并放入无水硫酸钠干燥。

1.2.2 预酯化最优条件的选择 以预酯化后鱼油的酸价为指标，L9(34)正交设计对影响预酯化反应的因素:反应温度、催化剂浓度、反应时间进行优化［11－12］。每次正交实验的油醇摩尔比为 1∶10。实验因素和水平设置见表1。

表1 预酯化正交实验因子水平表Table1 Definition of factors and levels of pre－esterification

1.2.3 鱼油酯交换 将装有机械搅拌、冷凝回流和温度计的三颈烧瓶置于油浴锅中，加入20g鱼油并预热至反应温度，将KOH和9g无水乙醇配成溶液加入三颈烧瓶中，在机械搅拌下冷凝回流一定时间。反应完毕，倒入分液漏斗静置分层，分离出下层的KOH、甘油和皂，再用饱和NaCl溶液洗涤油层中残留的皂，减压旋蒸除去过量乙醇，并放入无水硫酸钠干燥，即得鱼油脂肪酸乙酯。

1.2.4 酯交换最优条件的选择 以鱼油乙酯得率为指标，采用L9(34)正交设计对影响酯交换反应的因素:反应温度、催化剂浓度、反应时间进行优化［11－12］，每次正交实验的油醇摩尔比为1∶9。实验因素和水平设置见表2。

表2 酯交换正交实验因子水平表Table2 Definition of factors and levels of transesterification

1.2.5 理化性质分析［13－18］水分及挥发物测定:GBT5528－2008植物油脂水分及挥发物含量测定法;酸值测定:GB/T5530－2005动植物油脂酸价和酸度测定;皂化值测定:GB/T5534－2008动植物油脂皂化值的测定;不皂化物测定:GB/T5535.1－2008动植物油脂不皂化物测定;碘值测定:GB－T5532－2008动植物油脂碘值的测定;过氧化值测定:GB－T5538－2005动植物油脂过氧化值测定。

1.2.6 脂肪酸组成分析 气相色谱分析条件:色谱柱:PC－88毛细管柱(60×0.25mm ×0.2μm);分流比50∶1;气化室温度250℃;FID检测器温度260℃;程序升温:140℃保持2min，以5℃/min升至220℃，保持15min。

2 结果与讨论

2.1 鱼油的理化性质

原料鱼油脂肪酸甘油酯的理化性质如表3所示。由表中酸值可以看出，原料鱼油的酸值为9.83mg KOH/g，而油脂在进行碱催化酯交换的过程中酸值必须尽可能低(＜2mg KOH/g)［19］，否则会生成大量的皂，影响后续分离过程和乙酯得率。因此该鱼油原料不适用于直接碱催化乙酯化方法，需要先进行一步预处理来降低鱼油酸值。

表3 原料鱼油理化性质Table3 Physicochemical property of raw material of fish oil

2.2 鱼油预酯化

鱼油预酯化正交实验结果见表4。由极差分析可知，RA＞RB＞RC，故影响预酯化反应程度的因素依次是反应温度、催化剂浓度、反应时间;由表中可以看出，随着反应温度上升，酸值先减小后增大;随着催化剂浓度的增大，酸值逐渐减小;随着反应时间的增加，酸值逐渐增大。综合以上分析，对于预酯化实验的最优条件是A2B3C1，即反应温度70℃，浓硫酸浓度1.5%，反应时间1h。

表4 预酯化正交实验结果表Table4 Results of orthogonal test for pre－esterification

2.3 鱼油酯交换

鱼油酯交换实验结果见表5。由极差分析可知，RB＞RA＞RC，影响酯交换反应乙酯得率的因素依次是催化剂浓度、反应温度、反应时间。从表中可以看出，随着催化剂浓度的增加，乙酯得率呈下降趋势，说明催化剂含量过高，易发生皂化反应，不利于酯交换的进行;随着反应温度的升高，乙酯得率先上升后下降;随着反应时间的进行，乙酯得率变化不大，在0.5h得到乙酯得率最大值。综合以上分析可知，酯交换实验的最优条件为A2B1C1，即反应温度70℃，催化剂浓度0.5%，反应时间0.5h。

2.4 酯交换最优条件实验验证

取50g经预酯化的鱼油原料(酸值0.87mg KOH/g)，加入0.5%的KOH－乙醇溶液23g(油醇摩尔比约为1∶9)，在70℃下反应0.5h，重复最优实验条件下的酯交换反应过程，平行实验三次，乙酯平均得率为92.5%。

表5 酯交换正交实验结果表Table5 Results of orthogonal test for transesterification

2.5 鱼油乙酯的脂肪酸组成

对经预酯化－酯交换制备的鱼油乙酯进行气相色谱分析，通过标准品对照法定性和面积归一法定量，得到其主要脂肪酸组成如表6所示。由表中可见，饱和脂肪酸中含量最高的是 C16∶0，含量为15.99%，不饱和脂肪酸中含量最高的是鱼油中有效成分EPA，含量为21.88%，而EPA和DHA含量总和约为29.5%，含量较高，说明该鱼油适合于进行后续的分离提纯，以获得高纯度的EPA或DHA乙酯。

表6 鱼油乙酯脂肪酸组成Table6 The fatty acid composition of fish oil ethyl esters

3 结论

本文借鉴了国内外高酸值油脂制备生物柴油的两步法工艺，研究了经浓硫酸催化预酯化、KOH催化酯交换制备鱼油乙酯的工艺路线。并采用正交实验设计优化了反应条件。其中预酯化反应的最优条件为:反应温度70℃，浓硫酸浓度1.5%，反应时间1h;酯交换反应的最优条件为:反应温度70℃，KOH浓度0.5%，反应时间0.5h。通过最优实验条件得到的鱼油乙酯得率为92.5%，腥味大大减轻且色泽较浅，适用于后续脂肪酸乙酯的分离精制过程。经气相色谱测定其脂肪酸组成，其中EPA和DHA含量共约29.5%。

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［13］GB－T5528－2008植物油脂水分及挥发物含量测定法［S］.

［14］GB－T5530－2005动植物油脂酸值和酸度测定［S］.

［15］GB－T5534－2008动植物油脂皂化值的测定［S］.

［16］GB－T5535－2－2008动植物油脂不皂化物测定第2部分己烷提取法［S］.

［17］GB－T5532－2008动植物油脂碘值的测定［S］.

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