快速甲酯化-氣相色譜法測試油脂組成

付騁宇 李 瑩 梁 靚 吳兆美 蔣 煒

(陜西出入境檢驗(yàn)檢疫局1，西安 710068)(四川大學(xué)化工學(xué)院2，成都 610065)

快速甲酯化-氣相色譜法測試油脂組成

付騁宇1李 瑩1梁 靚1吳兆美2蔣 煒2

(陜西出入境檢驗(yàn)檢疫局1，西安 710068)(四川大學(xué)化工學(xué)院2，成都 610065)

針對(duì)油脂脂肪酸成分的測定，建立了一套以四氫呋喃為共溶劑，經(jīng)甲酯化后以氣相色譜測定各甲酯含量，確定油脂中對(duì)應(yīng)脂肪酸三酰甘油含量的快速甲酯化-氣相色譜分析的的方法。該法可有效提高甲醇/油脂體系甲酯化反應(yīng)速率和油脂轉(zhuǎn)化率，提升分析測試速率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)油脂成分快速測定。結(jié)果表明，本方法線性關(guān)系良好，精密度高，相對(duì)偏差RSD≤2.02%，四氫呋喃不影響氣相色譜分析結(jié)果，3種典型組分3種不同濃度加標(biāo)回收率在96.14%～103.45%之間，甲酯化過程三酰甘油轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%，可以準(zhǔn)確的測定甲酯化反應(yīng)液中各脂肪酸組成的含量。

生物柴油 共溶劑 四氫呋喃 氣相色譜 脂肪酸甲酯

生物柴油是指以植物油、動(dòng)物油脂等可再生生物資源與短鏈醇酯交換反應(yīng)生產(chǎn)的一種新興生物能源，其發(fā)展關(guān)鍵是原料油[1]。不同原料油由于來源和產(chǎn)地不同[2-4]，所得生物柴油甲酯組成含量均不相同，進(jìn)而影響其理化性質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用上的差異。因此必須對(duì)生物柴油原料組分進(jìn)行測試。

現(xiàn)階段對(duì)油脂成分的檢測手段，國標(biāo)方法以GB/T 17376—2008的三氟化硼法或三甲基氫氧化硫法或酯交換法實(shí)現(xiàn)脂肪酸三酰甘油的甲酯化[5]，以GB/T 17377—2008氣相色譜法對(duì)脂肪酸甲酯成分進(jìn)行檢測[6]，從而確定油脂中所含脂肪酸種類與含量。現(xiàn)有甲酯化方法測試過程繁瑣且速度較慢，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低導(dǎo)致測量誤差大，且使用的藥品昂貴毒性大。而目前生物柴油制備方法發(fā)展迅速[7-8]，其中均相催化因反應(yīng)速率相對(duì)較快而適合于脂肪酸甲酯的制備，國標(biāo)采用酯交換法即基于此原理。但由生物柴油制備原理可知，在低溫情況下，均相堿催化酯交換反應(yīng)，反應(yīng)耗時(shí)仍較多，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低。若在反應(yīng)體系中加入共溶劑[9-10]，可有效改善油脂與甲醇混合狀況，大幅度提高反應(yīng)速度和脂肪酸甲酯收率。

本研究以四氫呋喃和異辛烷為添加劑，對(duì)共溶劑提高油脂甲酯化速度的可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并在此基礎(chǔ)上提出一種用于測試油脂組成的快速甲酯化-氣相色譜結(jié)合的新方法，對(duì)該方法的精密度和再現(xiàn)性進(jìn)行了系統(tǒng)考察，并與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 藥品及設(shè)備

Agilent 7890A氣相色譜儀、HP-88(100 m×0.25 mm×0.33 μm)毛細(xì)管柱： 美國Agilent公司；TGL—16G臺(tái)式高速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；AL204—IC電子天平：梅特勒-托利多；酸值0.53的鯉魚牌菜籽油：市售；脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品(supelco)、棕櫚酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品(AccuStandard)、硬脂酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品(AccuStandard)、油酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品(AccuStandard)、三油酸甘油酯(AR)、三棕櫚酸甘油酯(AR)、三硬脂酸甘油酯(AR)：成都艾科試劑。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 甲酯化反應(yīng)試驗(yàn)

稱取一定量的菜籽油置于帶有冷凝管的500 mL三口燒瓶中，攪拌，水浴加熱至一定溫度后，加入一定量的甲醇/氫氧化鉀溶液及共溶劑，并開始計(jì)時(shí)。反應(yīng)一定時(shí)間后將反應(yīng)產(chǎn)物倒入燒杯中冷卻，再轉(zhuǎn)入分液漏斗靜置分層。上層為脂肪酸甲酯層即粗生物柴油，下層是甘油層。采用化學(xué)方法(GB/T 13216.6—1991)定量檢測甲酯層和甘油層的甘油含量，確定甲酯化轉(zhuǎn)化率。

1.2.2 油脂組分分析試驗(yàn)

將油脂溶解在四氫呋喃或異辛烷中，加入氫氧化鉀甲醇溶液甲酯化；反應(yīng)完全后，用硫酸氫鈉中和剩余氫氧化鉀以避免甲酯皂化；離心分離后將甲酯通過色譜進(jìn)樣，加入1.0 mL質(zhì)量濃度為0.6 mg/mL的十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)。色譜條件：載氣流量：2.0 mL/min，柱溫升溫程序：初始溫度140 ℃，保持5 min，以2 ℃/min 速率升溫到190 ℃，保持1 mim，再以4 ℃/min速率升溫到240 ℃，保持10 min。進(jìn)樣口溫度230 ℃分流比5∶1，進(jìn)樣量 1 uL。 FID檢測器溫度280 ℃，H2流速 40 mL/min，空氣流速 450 mL/min。

模擬油品配置：將0.1 g硬脂酸三酰甘油，0.1 g棕櫚酸三酰甘油和0.1 g油酸三酰甘油混合物分別溶解于100 mL四氫呋喃或100 mL異辛烷中，40 ℃水浴加熱攪拌至完全溶解后靜置，配置為總甘油酯濃度為3 mg/mL，不同三酰甘油濃度均為1 mg/mL的四氫呋喃或異辛烷模擬油品，用于分析方法對(duì)比試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 異辛烷對(duì)甲醇/油脂體系互溶性影響

圖1是添加不同量的異辛烷后，甲醇/油體系的互溶情況，從左到右異辛烷的添加量分別是0%、1%、5%、10%、15%。

由圖1可知，未添加異辛烷時(shí)原料油與甲醇呈現(xiàn)兩相分層。添加1%異辛烷后形成渾濁的乳濁液；隨著異辛烷添加量的增加，乳濁液逐漸澄清直至到添加15%異辛烷后呈現(xiàn)清澈的一相，證明在該添加量下，異辛烷能將不互溶的原料油和甲醇兩相完全均勻互溶。

圖1 不同異辛烷添加量下甲醇/油脂體系互溶性

2.2 四氫呋喃對(duì)甲醇/油脂體系互溶性影響

圖2是添加不同量的四氫呋喃后，甲醇/油體系的互溶情況。

注：從左到右四氫呋喃的添加量分別是0%、1%、5%、10%、15%。圖2 不同四氫呋喃添加量下甲醇/油脂體系互溶性

從圖2可知，四氫呋喃對(duì)甲醇/油脂體系互溶性的影響與異辛烷類似。未添加四氫呋喃時(shí)原料油與甲醇呈分層兩相；逐漸添加四氫呋喃至10%，甲醇/油脂體系由不互溶到生成渾濁乳液直至完全互溶。由圖2可清晰觀測到上述過程。

2.3 共溶劑對(duì)甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率影響

對(duì)不同異辛烷及四氫呋喃添加量條件下，測試甲醇和油脂甲酯化反應(yīng)60 min后轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)異辛烷添加量為1%時(shí)，菜籽油轉(zhuǎn)化率與未添加共溶劑時(shí)相比基本沒有影響，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)體系為乳濁液，傳質(zhì)效率低。當(dāng)異辛烷添加量為5%時(shí)，菜籽油轉(zhuǎn)化率增長為89.73%；異辛烷添加量繼續(xù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)化率基本保持不變，可認(rèn)為此時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡。添加四氫呋喃對(duì)甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率影響與異辛烷類似，添加1%四氫呋喃菜籽油轉(zhuǎn)化率即增大至90.19%，繼續(xù)增大四氫呋喃添加量，轉(zhuǎn)化率基本保持不變。

試驗(yàn)證明，添加異辛烷或四氫呋喃均能有效提高甲醇/油脂甲酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，四氫呋喃助溶效果優(yōu)于異辛烷。當(dāng)共溶劑添加量大于5%，繼續(xù)增大共溶劑用量對(duì)甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率無影響。

圖3 異辛烷和四氫呋喃添加量對(duì)菜籽油轉(zhuǎn)化率的影響

2.4 共溶劑對(duì)甲酯化反應(yīng)時(shí)間的影響

分別對(duì)未添加共溶劑和添加了5%異辛烷及5%四氫呋喃的甲醇/油脂體系在不同反應(yīng)時(shí)間的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，添加四氫呋喃或異辛烷對(duì)于甲酯化反應(yīng)速率均有明顯促進(jìn)作用，而添加四氫呋喃效果優(yōu)于異辛烷。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6 min時(shí)，甲酯化反應(yīng)即趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到89.42%，高于添加異辛烷時(shí)的58.22%和未加入共溶劑時(shí)的48.53%。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過10 min后，添加異辛烷反應(yīng)趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化率為85.98%，高于無共溶劑時(shí)68.95%，但低于添加四氫呋喃時(shí)的90.56%；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間40 min時(shí)，添加四氫呋喃、異辛烷及無共溶劑情況下，甲酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別為90.45%、89.73%和87.98%。

對(duì)比添加異辛烷、四氫呋喃以及未添加共溶劑的甲酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況，3種條件下轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的整體趨勢是一致的。但添加共溶劑后，明顯縮短了達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)時(shí)間，證明共溶劑的添加確實(shí)能加快甲酯化反應(yīng)的反應(yīng)速度，且四氫呋喃作為共溶劑提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和加快反應(yīng)速度的效果均優(yōu)于異辛烷。因此選擇四氫呋喃作為快速甲酯化-氣相色譜法測試油脂組分過程的添加劑。

圖4 不同共溶劑對(duì)甲酯化反應(yīng)時(shí)間的影響

2.5 共溶劑四氫呋喃分離度

利用四氫呋喃作為共溶劑促進(jìn)甲酯化反應(yīng)，反應(yīng)后甲酯相為甲酯與四氫呋喃混合物，對(duì)助溶劑四氫呋喃與37種脂肪酸甲酯混合標(biāo)準(zhǔn)樣品按GB/T 17377—2008測試條件進(jìn)行測定，考察四氫呋喃與各脂肪酸甲酯的分離度，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，共溶劑四氫呋喃與標(biāo)準(zhǔn)品中各組分甲酯組分均能達(dá)到基線分離，所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)分離圖譜一致，證明共溶劑四氫呋喃不干擾甲酯組分測定。

注：* 四氫呋喃；1 棕櫚酸甲酯；2硬脂酸甲酯；3 油酸甲酯。圖5 四氫呋喃與脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)色譜圖

2.6 精密度測試

分別對(duì)菜籽油和麻風(fēng)樹籽油加入5%四氫呋喃后進(jìn)行快速甲酯化反應(yīng)，加入1.0 mL質(zhì)量濃度為0.6 mg/mL的十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，以GB/T 17377—2008測試條件對(duì)其組成進(jìn)行5次測定，以油脂中常見組分棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯和油酸甲酯作為質(zhì)控指標(biāo)，確定其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差( RSD) ，結(jié)果如表1、表2所示。

由表1、表2可知，測定結(jié)果最大RSD為2.02%，均小于3%，表明試樣測定效果重復(fù)性好，測試方法精密度良好。

表1 麻風(fēng)樹籽油測試精密度試驗(yàn)(n=5)

表2 菜籽油測試精密度試驗(yàn)(n=5)

2.7 加標(biāo)回收率測試

按2.6方法，在菜籽油中按線性范圍內(nèi)加入不同量的棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)樣品后進(jìn)行甲酯化反應(yīng)，加入1.0 mL質(zhì)量濃度為0.6 mg/mL的十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，進(jìn)行5次平行氣相色譜分析，對(duì)其進(jìn)行加標(biāo)回收率分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，使用該測試方法，棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯3種標(biāo)準(zhǔn)品的加標(biāo)回收率均在93.52%～103.45%之間，表明本方法系統(tǒng)誤差較小，回收率及重現(xiàn)性良好，試驗(yàn)測定的準(zhǔn)確性能夠滿足試驗(yàn)需要。

表3 3種典型脂肪酸甲酯加標(biāo)回收率的測定(n=5)

2.8 對(duì)比測試

分別以四氫呋喃模擬油品按2.6方法進(jìn)行甲酯化反應(yīng)，以異辛烷模擬油品按照GB/T 17376—2008進(jìn)行甲酯化反應(yīng)，對(duì)上述甲酯化標(biāo)樣中加入1.0 mL質(zhì)量濃度為0.6 mg/mL的十三酸甲酯為內(nèi)標(biāo)，進(jìn)行5次平行氣相色譜分析，并根據(jù)甲酯質(zhì)量濃度測試結(jié)果根據(jù)反應(yīng)方程轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)三酰甘油質(zhì)量濃度，確定不同三酰甘油在甲酯化過程中的轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如表4所示。

表4 分析方法對(duì)比試驗(yàn)(n=5)

由結(jié)果可知，該測試方法相比現(xiàn)有國標(biāo)法，其甲酯化過程三酰甘油轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%，脂肪酸含量測試結(jié)果更為可信。

3 結(jié)論

采用四氫呋喃為共溶劑，可有效提高甲醇/油脂體系甲酯化反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)油脂成分的快速測定。采用FID檢測器，在優(yōu)化色譜條件下，能將四氫呋喃與脂肪酸甲酯完全分離并進(jìn)行準(zhǔn)確定量測定。本方法線性關(guān)系良好，精密度高，相對(duì)偏差RSD≤2.02%，3種典型組分的3種不同濃度加標(biāo)回收率均在96.14%～103.45%之間，甲酯化過程三酰甘油轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%，可以準(zhǔn)確的測定甲酯化反應(yīng)液中各脂肪酸組成的含量。

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The Rapid Determination of the Aliphatic acid Content of Oil with Fast Methyl Esterification and Gas Chromatography

Fu Chengyu1Li Ying1Ling Liang1Wu Zhaomei2Jiang Wei2
(Shaanxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau1, Xi′an 710068)(School of Chemical Engineering, Sichuan University2, Chengdu 610065)

In the paper, a rapid analysis method combining with methyl esterification reaction of aliphatic acid and gas chromatography detection of aliphatic acid methyl ester (FAME)was established to determine the content of varied aliphatic acid triglyceride ingredient in oil with tetrahydrofuran (THF) as cosolvent in methyl esterification

process. The adding of cosolvent, THF, could enhance the intermiscibility between aliphatic acid and methanol during reaction; increase the reaction rate and oil conversion promote the reaction speed of methyl esterification process and accuracy of FAME analysis. The results showed that the new combined method had a good linear relationship and high degree of precision compared to traditional analysis method. The adding of THF had no affect on the analysis of FAME via gas chromatography. The relative standard deviations of such rapid combined method were no more than 2.02%, and the average addition standard recoveries of three typical aliphatic acid methyl esters, oleic acid methyl ester, stearic acid methyl ester, and palmitic acid methyl ester were from 96.14% to 103.45%. The conversion of three typical triglyceride, oleic acid triglyceride, stearic acid triglyceride and palmitic acid triglyceride could reach over 95% in methyl esterification process. The actual aliphatic acid ingredient could be determined rapidly and accurately via the combined analysis method.

biodiesel, cosolvent, tetrahydrofuran, gas chromatography, aliphatic acid methyl ester

TQ646.4

A

1003-0174(2014)06-0104-05

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)(2011K08-29)

2013-07-01

付騁宇，女，1978年出生，博士，工程師，食品中農(nóng)獸藥殘留及營養(yǎng)成分檢測分析

蔣煒，男，1976年出生，副教授，工業(yè)催化劑的設(shè)計(jì)開發(fā)和新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)開發(fā)