5種烏桕籽油主要脂肪酸成分的GC-MS分析

靳麗,易明晶,陳永勤,陳勇

(湖北大學 中藥生物技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430062)

生物柴油,又稱脂肪酸甲酯,是以植物果實、種子、植物導管乳汁或動物脂肪油、廢棄的食用油等作原料,與醇類(甲醇、乙醇)經交酯化反應獲得.生物柴油在燃燒特性方面優于石化柴油且可生物降解,具有突出的環境友好性和可再生性,受到人們的廣泛關注[1].在我國發展生物柴油產業,對于保障國家能源安全,保護生態環境,促進經濟可持續發展具有十分重要的現實意義.

烏桕SapiumsebiferumRoxb是我國特產經濟樹木,又叫木子樹、蠟子樹、木油樹等,是一種重要的工業木本油料樹種.烏桕籽即其種子,含油率高,油脂的理化性質可與桐油(我國特產油料樹種——油桐種子所榨取的油脂)媲美,是我國開發生物柴油的理想油脂原料,美國已將烏桕油用于生物柴油的生產[2].本文中對比分析湖北省5個烏桕主產地(大悟013、大悟022、大悟023、英山楊柳016和麻城木子店005)烏桕籽的含油量、酸值、油脂成分與相對含量,為優選適用于生物柴油開發的烏桕品種提供實驗支持.

1 實驗條件

1.1實驗材料烏桕籽品種與產地編號為大悟013、大悟022、大悟023、英山楊柳016、麻城木子店005,全籽干基含油率分別為43.62%、39.26%、31.64%、47.18%和48.87%,由湖北省林業科學院提供.

1.2試劑與儀器正己烷、乙醇、甲醇、石油醚(分析純),苯(色譜純),氫氧化鉀標準溶液(0.1 mol/L),酚酞指示劑(10 g/L);KQ-250E超聲波反應器(超聲頻率為40 kHz,250 W),微量滴定管(最小刻度0.1 mL),TDL-5-A型臺式大容量離心機(上海安亭科學儀器廠, 上海);JA3003上皿電子天平(上海精科天平廠,上海);EYELA旋轉蒸發儀等.

1.3氣相色譜條件TECHCOMP 7890Ⅱ型氣相色譜;色譜柱:AT-SE-54(15 m ×0.25 mm ×0.33 μm);升溫程序:130～180 ℃,10 ℃/min,180 ℃持續10 min;180～220 ℃,5 ℃/min,220 ℃持續5 min;220～250 ℃,30 ℃/min,250 ℃持續5 min;載氣: N2;柱流量:1.33 mL/ min;進樣口溫度:270 ℃;檢測器(FID)溫度:280 ℃.取各油樣甲酯化后樣品0.9 μL進樣.

1.4 GC-MS條件質譜研究在島津QP2010型 GC/MS上進行,色譜條件:Rtx-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進樣口溫度:270 ℃;分流進樣,分流比36.3∶1;進樣量1 μL;載氣(99.999%的高純氦)恒線速度36.5 cm/s;尾吹3 mL/min.升溫程序:初始溫度130 ℃,保持0 min,以10 ℃/min 升溫至180 ℃,保持10 min;以5 ℃/ min升溫至220 ℃,保持5 min;最后以30 ℃/min升溫至250 ℃,保持5 min.

質譜條件:電子轟擊源(EI)能量70 eV,離子源溫度200 ℃,接口溫度250 ℃,質量掃描范圍45～450(m/z),溶劑延遲2.5 min.

2 試驗方法與結果

2.1油樣提取[3-4]取40 g烏桕籽用450 mL正己烷浸泡15～18 h后,超聲萃取40 min,冷卻至室溫,小心倒出溶液.用少量正己烷洗滌殘渣3次,合并正己烷提取液,減壓蒸餾得烏桕籽油,并干燥脫除溶劑后待用.

表1 樣品酸值測定值

2.2油樣酸值測定(AV) 參照GB/T5530-2005/ISO660方法,本實驗采用熱乙醇測定法測定油樣酸值,即油樣溶解在熱乙醇中,用氫氧化鉀水溶液滴定,計算中和1 g油脂中游離脂肪酸所需氫氧化鉀的毫克數.本實驗測定了2個產地烏桕籽原料油的酸值見表1.

2.3油樣脫酸處理[5]理想的生物柴油原料油應該有較小的酸值(較少的游離脂肪酸)、水分和雜質,過多的游離脂肪酸及水分對原料油的甲酯化有較大不利影響,原料油的酸值應該小于1 mg KOH/g Oil.本實驗用甲醇萃取原料油4次,每次15 min,油醇用量比為1∶2(V/V),溫度55 ℃,每次萃取后于3 000 r/min離心1 min去上清液.實驗選取英山楊柳016和大悟022為測試品種,經脫酸處理后測定油樣酸值見表1.結果表明,烏桕籽原油的酸值均大于1 mg KOH/g Oil,原料油經脫酸處理后,酸值均降至1 mg KOH/g Oil以下,可達到生物柴油原料油標準.

表2 樣品脫酸對含油率的影響

(A:原烏桕籽油;B:脫酸后烏桕籽油)

經測定,烏桕籽油樣品經脫酸處理后的油損失在12%～24%之間(見表2),說明對烏桕籽原料油進行脫酸處理,油損失率比較大.但本實驗的目的是分析烏桕籽油的主要脂肪酸成分,對原料油進行脫酸處理是為了優化脂肪酸的甲酯化條件,提高甲酯化得率.若是對烏桕籽油進行規模化利用,可把脫酸處理得到的游離脂肪酸(即高酸值油)收集起來,再進行高酸值油甲酯化處理,就可大大減少油損失.

2.4油樣甲酯化生物柴油即脂肪酸甲酯,油樣甲酯化程度決定生物柴油的得率.可在常溫下加入堿催化劑,使油脂與甲醇的酯化反應一步完成,生成脂肪酸甲酯[6-7].方法:取130 μL油樣溶解于2 mL石油醚與苯(V/V)混合液后,加入2 mL 0.4 mol/L KOH-甲醇溶液混勻,37 ℃靜止水浴30 min,加水定容至10 mL,混勻后于3 000 r/min離心5 min,取上層溶液進行GC和GC-MS分析.

2.5甲酯化樣品的GC分析以大悟022烏桕籽油樣品為例,烏桕籽原料油脫酸處理前后經GC分析,在2.5 min、9.5 min、15.9 min、16.8 min、21 min、22 min和24 min左右時都有峰出現(見圖1,圖2),且2.5 min、9.5 min、15.9 min、16.8 min這幾個峰的相對含量均在1%以上,說明這4個色譜峰所對應的物質是烏桕籽油的主要脂肪酸成分.脫酸處理對色譜峰面積的影響見表3,其中上述4個主峰的峰面積經脫酸處理后分別增大了1.01、1.49、1.41和1.20倍,說明脫酸處理能顯著提高烏桕籽油主成分的甲酯化程度;脫酸后,保留時間22.87 min和26.02 min的峰未檢測出,但這兩個峰所對應的物質相對含量非常小,分別為0.19%和0.09%,不是烏桕籽油的主要物質.另外,應盡快分析甲酯化樣品,如需貯存,可在甲酯化樣品中加入0.05 g/L 2,6-二叔丁基對甲酚(BHT)溶液,并保存于低溫冰箱中防止甲酯化樣品的自動氧化.

圖1 大悟022原油甲酯化GC指紋圖

圖2 大悟022脫酸原油甲酯化GC指紋圖

2.6脂肪酸成分的GC-MS分析以英山楊柳016為例,選取相對含量在1%以上的物質,應用GC/MS分析鑒定烏桕籽油甲酯化樣品中的主要脂肪酸成分,圖3是英山楊柳016甲酯化樣品的總離子流圖,表4 給出了英山楊柳016主要脂肪酸成分分析結果.同法分析了其他4個產地烏桕主要脂肪酸成分及相對含量,結果見表5.

表3 大悟022油樣甲酯化相關GC數據

T1:脫酸前油樣保留時間;C:原油中脂肪酸的相對含量;T2:脫酸后油樣保留時間;A1,A2:油樣脫酸前后的峰面積;*代表無此物質.

圖3 英山楊柳016總離子流圖譜

峰號保留時間峰面積/%名稱及分子式結構式SI183.9881.84癸二烯酸甲酯C11H18O2884613.53140.56棕櫚酸甲酯C17H34O2965019.57915.49亞油酸甲酯C19H34O2895119.92228.20十八碳三烯酸甲酯C21H36O2855219.9668.14油酸甲酯C19H36O2915320.5103.68硬脂酸甲酯C19H38O296

(SI:similarity index)

表5 烏桕籽油脫酸甲酯化樣品主要成分相對百分含量

3 討論

烏柏籽原料油主要含6種油脂類化合物,即癸二烯酸、十六烷酸(棕櫚酸)、十八碳二烯酸(亞油酸)、十八碳三烯酸(除了大悟013、022以外)、十八碳單烯酸(油酸)、十八烷酸(硬脂酸).

理想的生物柴油原料油應該有較小的酸值(小于1 mg KOH/g Oil),較高的二十碳鏈以下直鏈脂肪酸含量,較低的N、S含量及含苯環復雜高分子量物質.較多的不飽和脂肪酸,尤其是三烯酸的存在,容易被空氣氧化,降低生物柴油的穩定性;過多的飽和脂肪酸又會增大生物柴油的粘度[2].

烏桕籽原料油經脫酸處理后酸值均小于1 mg KOH/g Oil,N、S含量及含苯環復雜高分子量物質的含量很小(總量不足0.1%).烏桕籽油樣品中檢測到得主要脂肪酸成分均屬于二十碳鏈以下的直鏈脂肪酸,含量在97%以上.一般來說,烷烴的十六烷值較大,其中正十六烷的最大.烏桕籽油樣品中,大悟013烷酸的含量為80.52%,大悟022為79.59%,大悟023為40.93%,英山楊柳016為52.38%,麻城木子店005為51.40%,其中大悟013和大悟022的烷酸含量最高,十六烷酸的含量分別為42.86%和42.91%,也較其余3種高.所以大悟013、022樣品,不僅二十碳鏈以下直鏈脂肪酸含量高,烷酸含量分別為80.52%和79.59%,且不含三烯酸類脂肪酸,說明這兩個產地品種較合適用于生物柴油開發.

參考文獻：

[1] 何鳳苗,雷昌菊,江香梅.生物質能源—生物柴油研究進展[J].江西林業科技,2007(1):45-49.

[2] 陳鵬,蔣衛東,劉穎穎,等.三種植物油及其生物柴油中脂肪酸組成的比較研究[J].廣西植物,2007,27(3):448-452.

[3] 曾虹燕,李昌珠,蔣麗娟,等.不同方法提取光皮樹籽油的GC-MS分析[J].中國生物工程雜志,2004,24(11):83-86.

[4] 楊浩,劉曄,佘珠花,等.麻風樹籽油超聲波輔助酯交換反應的研究[J].中國油脂,2006,31(11):69-71.

[5] 劉大川,佘珠花,劉金波,等.麻風樹籽油溶劑萃取脫酸工藝的研究[J].中國油脂,2005,30(6):26-28.

[6] 佘珠花.氣相色譜法中油脂脂肪酸衍生化方法及其選擇[J].糧食加工,2004,6:64-66.

[7] 寇秀穎,于國萍.脂肪和脂肪酸甲酯化方法的研究[J].食品研究與開發,2005,26(2):46-47.