亚临界醋酸法水解皂脚提取脂肪酸的研究

李志平，邹晓宇，王 玥，宋 鹏，于殿宇

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

脂肪酸是重要的化工基础原料，广泛应用于橡胶、塑料、纺织、洗涤、造纸医药和食品等工业中[1]。皂脚（Soapstock，SS）是油脂碱炼过程中产生的副产物，脂肪酸钠盐含量达30%以上，三甘油酯约为20%和较少的二甘油酯，成分非常复杂。低廉的大豆油皂脚，是生产脂肪酸的理想原料，因而从大豆油皂脚中分离提取脂肪酸，逐渐成为脂肪酸生产工业中的热点。大豆油皂脚生产脂肪酸有3种方法：水解酸化法[2]，皂化酸解法[3-4]和酸化水解法[5-7]。本实验利用亚临界水对大豆油皂脚进行水解后提取脂肪酸。所谓亚临界水也被称为过热水、高压热水或热液态水。当水在374.2℃以上高温和22.1MPa以上高压条件下，可形成既非液体又非气体的第4状态，即所谓“超临界状态”。在此状态下的水称为“超临界水”。在稍微低于此温度和压力下的水称为“亚临界水”[8]。超临界水和亚临界水都具有强烈的分解能力和强烈的溶解有机物等特性[9]，Holliday等[10]用微型间歇反应器研究了植物油在亚临界和超临界水中的无催化水解反应，证明了植物油脂可以在亚临界条件下顺利水解。陈良等[11]用间歇式高温高压反应装置研究了大豆油在亚临界水中水解反应特性；Pinto等[12]研究了玉米油的水解特性；孙辉等[13]采用间歇式高温高压反应装置，系统地测定了170～240℃范围内橄榄油、花生油、大豆油、红花籽油的水解反应动力学数据。但他们所研究的温度较低、反应时间较长且没有人对亚临界水解皂角进行过研究。本实验采用亚临界醋酸在提取温度恒定的时间内几乎没有能耗，其作用效果迅速且能量消耗较少，还不会引入酸、催化剂等其他杂质，为后续产物的分离、纯化带来方便。作为一种新型提取技术，其具有提取时间短、效率高、良好的传质性能及绿色环保等优点，利用亚临界水的以上特性水解皂角提取脂肪酸为大豆油皂角的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆脱胶油（酸值1.76mg KOH/g） 黑龙江龙江福粮油有限公司；醋酸溶液 5%；无水乙醇、酚酞、氢氧化钾、浓盐酸、乙醚 均为分析纯。

LD4-2A型低速离心机 北京医用离心机厂；高压磁力搅拌反应釜 上海光谱仪器有限公司；旋转蒸发仪 北京瑞成伟业仪器设备有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器 郑州金育科贸有限公司；HSY-2MB型电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司；氮气（纯度≥99.9%） 哈尔滨黎明气体有限公司。

1.2 理化指标的测定

酸价的测定：按GB/T 5530-1998规定进行测定；皂化价的测定：按GB/T 5534-1995规定进行测定。

水解率计算：豆油水解率（X）的计算公式如下所示[14]：

X（%）=AV/SV×100

式中，AV：油相的酸值，以KOH计，单位mg/g；原料油皂化值SV=195.2mg/g，以KOH计，单位mg/g。

1.3 亚临界水解皂角提取脂肪酸原理及工艺

皂脚在亚临界水中水解的化学方程式如下所示，在亚临界条件下，不仅水自身电离出氢离子，而且亚临界状态促进了醋酸的电离，产生更多的氢离子，参与水解反应。而反应生成的氢氧化钠又会被反应物的的醋酸中和，生成盐，使得反应能够更加充分的正向进行。反应方程式中R主要是指C11～C17的烷基链[14]。在高压磁力搅拌反应釜中进行反应，通过锡浴对反应体系加热控制反应温度，水浴冷却。冷却结束后，加入两倍于所得液体积的蒸馏水，在旋转蒸发仪内蒸脱掉醋酸和多余的水，最后通过测定产物的酸值确定水解率[15]。

反应中涉及的方程式如下：

RCOONa+H2O⇌RCOOH+NaOH

RCOONa+CH3COOH⇌RCOOH+CH3COONa

NaOH+CH3COOH⇌H2O+CH3COONa

大豆脱胶油→过量碱皂化→离心分离→皂脚→温水水洗→亚临界水解→冷却→旋转蒸发→粗脂肪酸

1.4 主要操作流程

1.4.1 原料皂脚制备 取一定量的大豆脱胶油，与已配制好的高浓度碱液混合后，放入转子，在已预热至85℃磁力搅拌器内，在搅拌的条件下加热反应1～2h后，经过离心分离得到皂脚，把制得的皂脚在温水中洗涤3～5次，去除超量的碱，之后进行烘干处理，这样即可得到用于水解反应的皂脚原料。

1.4.2 亚临界醋酸水解 称取一定质量的皂脚，与适量的5%醋酸溶液混合，一同转移到反应釜内，密封之后，冲入氮气达到指定的压力，放在已经预热到指定温度的无铅锡熔炉上进行加热反应。反应结束后经过冷却处理，放出氮气，打开反应釜既得到含脂肪酸的样品。

1.4.3 水解率计算 将得到的样品加入蒸馏水稀释，之后旋转蒸发，这样反复3～5次，得到不含醋酸的脂肪酸样品溶液后，进行酸价测定，每组测三次取其平均值作为最后结果，计算水解率。

1.4.4 重复性实验 称取皂脚10g，与22mL醋酸溶液混合后转移到反应釜内，固定好冲入氮气，在响应面优化得到的整理值条件下再次进行亚临界水解，并计算此时水解率。

1.5 在单因素实验的基础上采用中心组合设计（Box-Benhnken），以反应温度（A）、料液比（B）、反应时间（C）为响应值设计响应面，因素水平表见表1。

表1 因素水平编码表Table 1 Code of factors and levels

2 结果与分析

2.1 反应温度对亚临界水解率的影响

称取皂脚10g，5%醋酸溶液20mL，反应压力10MPa，反应时间30min，选择不同的反应温度分别为220、240、260、280、300、320℃，考察反应温度对水解率的影响。

图1 反应温度对水解率的影响Fig.1 Effect of reaction temperature on hydrolysis rate

由图1可知，反应温度对在亚临界水中大豆皂脚水解反应速度有显著的影响。在280℃之前随着温度的升高水解率提高，280℃之后随着温度的升高水解率趋于稳定并稍有下降，这可能与高温下不饱和脂肪酸的稳定性较差、高温将使其分解的缘故有关。因此选择最适反应温度为280℃。

2.2 反应压力对亚临界水解率的影响

称取皂角10g，5%醋酸溶液水20mL，反应时间30min，反应温度280℃，选择不同的反应压力分别为5、8、11、14、17、20MPa，考察反应压力对水解率的影响。

由图2可知，反应压力对得率的影响较小。随着压力的升高，水解率逐渐升高，当压力大于14MPa时，水解率趋于平稳。这是因为在亚临界水提取过程中，压力只是用来使水处于液体状态，它的变化对水的极性影响较小，所以压力对提取效果影响不大。因此选择最适反应压力为14MPa。

图2 反应压力对水解率的影响Fig.2 Effect of reaction pressure on hydrolysis rate

2.3 反应时间对亚临界水解率的影响

称取皂角10g，5%醋酸溶液20mL，反应温度280℃，反应压力14MPa，选择不同的反应时间分别为10、20、30、40、50、60min，考察反应时间对水解率的影响。

图3 反应时间对水解率的影响Fig.3 Effect of reaction time on hydrolysis rate

从图3可知，在反应开始的一段时间内，水解率随着反应时间的增加而迅速增加，当反应时间超过40min后，水解率基本不变。这可能是由于随着反应时间的延长，产物浓度的增加导致逆反应的发生所致。因此选择最适反应时间为40min。

2.4 料液比对亚临界水解率的影响

5%醋酸溶液20mL，反应温度280℃，反应压力14MPa，反应时间40min，选择不同的料液比分别为2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，考察料液比对水解率的影响。

图4 料液比对水解率的影响Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on hydrolysis rate

由图4可知，当料液比在2∶1～1∶3时，水解率逐渐增大，料液比在1∶3～1∶5时，水解率基本不变。理论上水解反应为可逆反应，料液比的减少会促使化学平衡向正方向进行，水解率会升高。因此确定最适料液比为1∶3。

2.5 回归方程的建立与分析

由单因素实验分析可知，反应温度、反应时间、料液比对亚临界水解效果影响显著，而反应压力影响效果较弱。所以选择反应温度280℃，反应时间40min，料液比1∶3，在此基础上采用中心组合设计（Box-Benhnken），以反应温度（A）、料液比（B）、反应时间（C）为响应值设计响应面，实验设计方案及结果见表2。

表2 响应面设计方案及实验结果Table 2 Design and results of response surface experiment

利用Design Expert 7.0软件对实验结果进行方差分析，结果见表3（p＜0.05为显著）。

通过对实验数据进行多元回归拟合，得到反应温度（A）、料液比（B）、反应时间（C）的回归方程为：

Y=95.94+2.35A+4.14B+4.19C-0.025AB-0.48AC+0.40BC-3.74A2-4.87B2-5.27C2

由表3可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著（p＜0.0001），失拟项不显著（p＞0.05），并且该模型R2=94.26%，R2Adj=97.56%，说明该模型与实验拟合良好，仅有约5.74%的响应值的总变异不能用该模型表示。由表3还可以看出，亚临界水解过程中的A、B、C、A2、B2和C2为显著影响因素。图5～图7分别给出了个单因素之间交互作用关系对水解率影响的响应曲面图。

表3 方差分析结果Table 3 The test results of variance analysis

由图5可以看出，水解率和液料比都在选择范围内，水解率在94.45%以上。

图5 反应温度与料液比交互影响对水解率的响应面图Fig.5 Reaction temperature and the solid-liquid ratio interaction effects on the hydrolysis rate of response surface diagram

由图6可以看出，反应温度和反应时间都在所选范围内，水解率在94.22%以上。

图6 反应温度和反应时间交互影响对水解率的响应面图Fig.6 Reaction temperature and reaction time interaction effects on the hydrolysis rate of the response surface map

由图7可以看出，反应时间和料液比都出现在所选范围内，水解率在94.41%以上。

图7 料液比与反应时间交互影响对水解率的响应面图Fig.7 Response time and interaction effects of solid-liquid ratio on the hydrolysis rate of response surface diagram

3 重复性实验

按照1.4中方法，在响应面优化结果整理值的条件下，即在反应温度为290℃，反应料液比为1∶2.2，反应时间为45min条件下进行重复性实验，最终得到水解率为96.5%。预测值与实验值之间的良好拟合性证实了模型的有效性。表明所得出的回归方程可以很好的反映反应温度、料液比和反应时间与水解率的关系。因此响应面分析法所得到的固定化条件参数准确可靠，在实践中具有可行性。表4为回归方程得到结果与重复性实验得到结果对比。

表4 响应面寻优结果Table 4 Results of response surface optimization

4 结论

4.1 由单因素实验和Box-Behnken实验设计及其分析结果获得的亚临界水解皂角提取脂肪酸的最佳工艺参数为：料液比为1∶2.2，反应温度为290℃，反应时间为45min，反应压强为14MPa，在最优条件下脂肪酸提取率为96.5%。

4.2 相比于传统水解方法，亚临界水解法在缩短水解时间的同时，水解率和脂肪酸品质也有所提高，且无化学催化剂，证实了亚临界水水解具有高效、节能、环保的优势，这为亚临界水解皂角提取脂肪酸的产业化生产提供了一定的理论依据。

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