尿素包合法分離混合脂肪酸研究進(jìn)展

王培燕　黃元波

摘要：介紹了尿素包合法的基本原理，主要闡述了尿素包合法與其它方法相結(jié)合在脂肪酸分離中的應(yīng)用研究進(jìn)展，所結(jié)合的具體方法有：分子蒸餾技術(shù)、二次包合分離法、硝酸銀溶液絡(luò)合萃取法、梯度冷卻法、溶劑結(jié)晶法、分級(jí)分離法、超聲波分離法、灑石酸輔助分離法、超臨界二氧化碳流體萃取法。

關(guān)鍵詞：混合脂肪酸；不飽和脂肪酸；尿素包合法；分離

中圖分類號(hào)：TQ644

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）20018604

1引言

大豆油、葵花籽油、橡膠籽油等很多植物油水解都可以產(chǎn)生混合脂肪酸（FFAs），因原料不同，所產(chǎn)生的FFAs中各種成分的含量也會(huì)有所差異。這些混合脂肪酸中，有許多高經(jīng)濟(jì)價(jià)值、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的成分[1]，如飽和脂肪酸肉豆蔻酸主要是生產(chǎn)表面活性劑、消泡劑、增香劑的原料，還可用于配制各種食用香料，棕櫚酸又稱軟脂酸可用于潤(rùn)滑劑、涂料、油墨和增塑劑中；硬脂酸廣泛用于食品和化妝品工業(yè)；以及不飽和脂肪酸如油酸（C18-1）、亞油酸（C18-2）、亞麻酸（C18-3）是動(dòng)物食物中不可缺少的營(yíng)養(yǎng)素；另外，α-亞麻酸還是世界營(yíng)養(yǎng)學(xué)界所公認(rèn)的人體必需的脂肪酸[2]，是構(gòu)成人體組織細(xì)胞的主要成分，在體內(nèi)能合成、代謝，轉(zhuǎn)化為機(jī)體必需的生命活性因子DHA和EPA。如若能將這些成分單獨(dú)提取出來(lái)，將更好利用其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

這些FFAs可以游離脂肪酸的形式來(lái)分離，也可以以脂肪酸酯（如脂肪酸甲酯）的形式來(lái)分離，具體要看目標(biāo)產(chǎn)品要以什么形式加以利用、原料如何處理更加方便[3]。隨著生物柴油（脂肪酸甲酯）[4]的用途越來(lái)越廣泛，且與游離脂肪酸相比對(duì)設(shè)備腐蝕性小、熱穩(wěn)定性好而且檢測(cè)操作簡(jiǎn)單，因此，越來(lái)越多的FFAs是以脂肪酸甲酯的形式來(lái)分離的，分離方法有很多種，筆者著重介紹尿素包合法與不同方法結(jié)合在近5年的研究進(jìn)展。

2尿素包合法基本原理

尿素包合法（如圖3）是根據(jù)不飽和度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的，其分離原理主要是尿素的結(jié)晶成四方體，然后當(dāng)利用尿素溶解在有機(jī)溶劑中，遇脂肪化合物，尿素分子間以氫鍵結(jié)合形成6面體結(jié)構(gòu)（如圖1，2）。直鏈飽和脂肪酸或單不飽和脂肪酸的直徑小于形成的6面體的自由體積，在結(jié)晶的過(guò)程中飽和脂肪酸或單不飽和脂肪酸就可以進(jìn)入到晶胞內(nèi)，被包合在晶胞內(nèi)，然后形成尿素包合物析出，進(jìn)而將飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸與多不飽和脂肪酸分離開(kāi)[5]。通過(guò)與其它方法相結(jié)合起來(lái)使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3尿素包合法與其它方法的結(jié)合應(yīng)用

3.1分子蒸餾技術(shù)[6]

分子精餾技術(shù)是一種在高真空下操作的蒸餾方法，它不同于傳統(tǒng)蒸餾依靠沸點(diǎn)差分離原理，而是利用料液中各組分蒸發(fā)速率的差異，對(duì)液體混合物進(jìn)行分離。根據(jù)FFA中不同物質(zhì)的分子從液面逸出后移動(dòng)距離不同，分子流從加熱面直接到冷凝器表面，從而達(dá)到分離的效果。

張海祥等[7]的文章用的尿素包合法是富集蠶蛹，亞麻酸的有效方法，在最優(yōu)工藝條件下α-亞麻酸純度達(dá)70.28%。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提純?chǔ)?亞麻酸的技術(shù)不斷成熟，尿素包合法常與其他提純方法聯(lián)用，以提高α-亞麻酸的純度和回收率。邱英華[8]也采用尿素包合法與分子蒸餾技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)蠶蛹毛油中α-亞麻酸進(jìn)行提純，最終α-亞麻酸的純度可達(dá)91.2%。

2012年林文[9]等聯(lián)合尿素包合法與分子蒸餾技術(shù)對(duì)乙酯化魚(yú)油中的EPA和DHA進(jìn)行提純。尿素包合選擇試驗(yàn)條件為脲酯比2∶1、醇脲比4∶1、結(jié)晶溫度0 ℃及包合時(shí)間1h進(jìn)行試驗(yàn)，得到EPA及DHA總純度為63.5%的產(chǎn)品，回收率為48.5%。分子蒸餾試驗(yàn)中選擇在蒸餾溫度90 ℃、預(yù)熱溫度40 ℃、內(nèi)冷溫度15 ℃、刮膜器轉(zhuǎn)速360 r/min、進(jìn)料速率2 mL/min及真空度0.1 Pa的條件下對(duì)乙酯化魚(yú)油進(jìn)行二次提純，產(chǎn)品中EPA及DHA總純度提高為78.9%，回收率提高為49%。

牛春祥[10]等采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)米糠油進(jìn)行脫酸試驗(yàn)，并將脫離出來(lái)的游離脂肪酸進(jìn)行了尿素包合試驗(yàn)，分離富集其中的不飽和脂肪酸。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析得到最佳包合條件為：脂肪酸∶尿素為1∶1.5，尿素∶95%乙醇為1∶7，包合溫度為-10 ℃，包合時(shí)間為16 h，此時(shí)不飽和脂肪酸含量為96.2%。主要影響因素為尿脂比，包合時(shí)間影響作用最小，經(jīng)分離得到的不飽和脂肪酸主要為油酸和亞油酸，兩者比例為1∶1左右。

2013年馬傳國(guó)[11]對(duì)高酸價(jià)米糠油制備的富含甘二酯的油脂，采用分子蒸餾和尿素包合法分離純化。在操作壓力為6.0 Pa時(shí)，一級(jí)分子蒸餾工藝單因素最佳工藝為蒸餾溫度為163 ℃，流速為2.0 mL/min。尿素包合時(shí)問(wèn)18 h，包合溫度21 ℃，尿素∶乙醇（m∶v）1∶5。采用分子蒸餾和尿素包合聯(lián)用，產(chǎn)品中甘二酯純度達(dá)87.44%，甘三酯10.89%，滿足甘二酯油脂要求。

2014年龐敏[12]等采用分子蒸餾進(jìn)行高酸值稻米油脫酸研究，并初步對(duì)所脫除不飽和脂肪酸進(jìn)行分離富集。以Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到分子蒸餾脫酸最優(yōu)條件及二次響應(yīng)面模型，最優(yōu)條件為溫度208 ℃、滴速2.05mL/min、轉(zhuǎn)速183r/min，此時(shí)所得稻米油酸值為1.01 mg/gKOH；比較分子蒸餾脫酸前后稻米油中主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)維生素E的變化，發(fā)現(xiàn)分子蒸餾各因素對(duì)維生素E含量影響不顯著，在所優(yōu)化的尿素包合法各因素條件下，即脂肪酸∶尿素為1∶1.5，尿素∶95%乙醇為1∶7，包合時(shí)間為16 h，包合溫度為-10 ℃時(shí)，所分離富集的多不飽和脂肪酸含量可達(dá)96.2%。

3.2二次包合分離法

晁文[13]等通過(guò)尿素包合提取紅花籽油亞油酸的試驗(yàn)，研究皂化溫度、酸解濃度、包合次數(shù)對(duì)紅花籽油亞油酸提取率的影響。結(jié)果表明：提取最佳工藝參數(shù)為皂化溫度80 ℃、酸解濃度30%和包合次數(shù)3次，亞油酸提取率為86.7%，純度達(dá)到93%。endprint

2013年陶川東[14]研究了尿素包合法分離麻瘋樹(shù)籽油脂肪酸甲酯中飽和脂肪酸甲酯和不飽和脂肪酸甲酯的工藝條件。經(jīng)一次尿素包合后不飽和樣品中不飽和脂肪酸甲酯相對(duì)含量從原料中的75.88%增加到95.95%；飽和樣品中飽和脂肪酸甲酯的相對(duì)含量從原料中的23.85%增加到65.73%；二次包合后得到不飽和樣品中不飽和脂肪酸甲酯的相對(duì)含量增加到98.92%。

2014年曲曉宇等[15]以脂肪酸-尿素-甲醇（1∶3∶10，w/w/v），包合溫度-10 ℃，包合時(shí)間為18 h為包合條件，經(jīng)一次包合后，不飽和脂肪酸純度達(dá)到84.08%，二次包合后純度達(dá)95.70%。

綜上，這幾種油脂經(jīng)二次包合后，不飽和脂肪酸的純度提高10%以上。

但不適用所有的油脂分離，張郁松[16]在采用尿素包埋法對(duì)獼猴桃籽油中亞麻酸進(jìn)行分離純化時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著脲包次數(shù)的增加液相中脂肪酸得率逐漸減小且降幅較大，而且隨著脲包次數(shù)的增加液相中脂肪酸的碘值逐漸增大但是增幅不大綜合這兩個(gè)因素認(rèn)為脲包次數(shù)以1次為好。因此用二次及多次包合法來(lái)提高不飽和脂肪酸得率和純度并不適用所有的油脂分離提純。

3.3硝酸銀溶液絡(luò)合萃取法[13]

陳新新[17]采用尿素包合法與硝酸銀溶液絡(luò)合萃取法相結(jié)合的技術(shù)，優(yōu)化紫蘇油中α-亞麻酸提純技術(shù)，最終α-亞麻酸純度99.08%，回收率達(dá)到39.24%。

3.4梯度冷卻法

古海波[18]等研究通過(guò)梯度冷卻尿素夾雜物，優(yōu)化了從粗紫蘇油中濃縮α-亞油酸的生產(chǎn)。在尿脂比為3，溶劑與脂肪酸的比例為7，反應(yīng)溫度為348 K，結(jié)晶時(shí)間為690 min的條件下，獲得最大量的α-亞油酸（91.5%）。

王車(chē)禮等[19]采用梯度冷卻尿素包合法來(lái)分離廢棄油脂生物柴油中的飽和脂肪酸甲酯與不飽和脂肪酸甲酯，在降溫速率為 1 ℃/min、最終結(jié)晶溫度為10 ℃的條件下，得到了純度為94.8%的不飽和脂肪酸甲酯，收率為 83.8%。該法大大縮短了冷卻結(jié)晶的時(shí)間，僅1 h 左右。

王惠惠[20]分別采用單因素實(shí)驗(yàn)以及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件，用尿素包合法分離生物柴油中棕櫚酸甲酯，考慮降溫速率最終確定梯度降溫速率為7 ℃/h時(shí)，包合效率最高。

3.5溶劑結(jié)晶法

白希[21]采用溶劑結(jié)晶法和尿素包合法相結(jié)合分離來(lái)富集伽師瓜籽油中的亞油酸，可得到純度為99.53%的亞油酸，產(chǎn)率為50.86%。

2016年安騰奇[22]等以24度精煉棕櫚油水解脂肪酸為原料，通過(guò)使用溶劑結(jié)晶和尿素包合法進(jìn)行分離提純制備較高純度的油酸。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，得到溶劑結(jié)晶的最佳條件為：m（無(wú)水乙醇）∶m（混合脂肪酸）=2∶1，結(jié)晶溫度-10 ℃，結(jié)晶時(shí)間10 h；尿素包合的最佳條件為：m（原料酸）∶m（尿素）∶m（無(wú)水乙醇）=1∶2∶10，包合溫度10 ℃，包合時(shí)間6 h。通過(guò)溶劑結(jié)晶和尿素包合法得到了含量為87.56%的高純油酸產(chǎn)物，油酸產(chǎn)物的總得率為38.65%。

3.6分級(jí)分離法[23]

BM Abdullah，J Salimon[24]使用脲絡(luò)合物分級(jí)分離從局部麻風(fēng)樹(shù)/ I種子油獲得的游離脂肪酸混合物中的亞油酸（LA）。在這項(xiàng)研究中，檢查影響尿素復(fù)雜分餾的因素，如尿素與游離脂肪酸的比例，結(jié)晶溫度和結(jié)晶時(shí)間的變化，以獲得最佳條件使用響應(yīng)面法（D-最佳設(shè)計(jì)）。在最佳條件下，LA的百分比為92.81%，在脲/ 混合脂肪酸（FFAs）比（w/w）為5下尿素不包合物（NUCFs）7.8的產(chǎn)率百分比為5，結(jié)晶溫度為-10 ℃，結(jié)晶時(shí)間為24 h。

3.7超聲波分離法

馮棋琴[25]利用超聲波提高得率，經(jīng)研究結(jié)果表明，超聲功率280 W，溫度40 ℃，時(shí)間20 min，KOH-甲醇∶油（mL∶g）為7.5∶1，甲酯化率為92.36%；洗脫劑（乙酸乙酯/石油醚）6%～7%共160 mL，上樣量20～40 mg/g（樣品/硅膠），流速15～25 d/min，上樣溶度2%～4%，所得樣品純度96.53%，得率67.88%；其他條件保持不變，換為梯度洗脫：洗脫劑（乙酸乙脂/石油醚）3%，3.5%，4%，5%，6%各40 mL時(shí)，所收集樣品純度為97.33%，得率為70.05%。

2011年韓玉璽[26]采用超聲波輔助提取γ一亞麻酸（GLA），通過(guò)研究得出，對(duì)GLA產(chǎn)量影響程度從大到小依次順序?yàn)橐毫媳取⒊暡ㄌ幚頃r(shí)間和超聲功率，在單因素基礎(chǔ)上采用二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析，得出最佳提取工藝為：超聲時(shí)間40 min，液料比為8∶1，超聲波頻率366 KHz，最優(yōu)得率為899.26 mg/L。尿素包合法純化GLA的研究，實(shí)驗(yàn)得到最佳包合條件為：尿素∶脂肪酸為4∶1（W/W）、脂肪酸∶乙醇為1∶12（W/W）、包合溫度為-25 ℃和包合時(shí)間為12 h，微生物油脂中GLA含量為47.1%。

2014年劉文倩[27]通過(guò)超聲輔助蛋白酶法提取蝦黃脂肪，脂肪酶水解蝦黃脂肪制備脂肪酸，最后采用尿素包合法對(duì)克氏原螯蝦蝦黃多不飽和脂肪酸進(jìn)行富集研究。采用超聲輔助蛋白酶法提取蝦黃中的脂肪，通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面分析優(yōu)化，得到提取的最佳工藝條件為：水料比為3∶1、添加0.6%的復(fù)合蛋白酶、在溫度52 ℃下、用150W的超聲波處理125min，蝦黃脂肪的提取率可以達(dá)到77.86%，是優(yōu)化前的1.43倍。

2015年曲興源[28]通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取紫菜中脂肪酸的工藝，采用氣相色譜法測(cè)定紫菜中8種重要脂肪酸的含量，再利用尿素包合法富集純化EPA-DHA。結(jié)論運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化渤海紫菜粗脂肪的最佳工藝參數(shù)為正已烷[29]：乙酸乙酯比例13∶10、超聲提取時(shí)間26 min、水浴時(shí)間60 min、水浴溫度60 ℃條件下，獲得渤海紫菜粗脂肪百分含量最高為7.36%。經(jīng)尿素包合法富集純化獲得EPA和DHA的含量分別為45.27%和46.19%的EPA-DHA油。endprint

3.8酒石酸輔助法

陳素琴等[30]比較了95%乙醇體系中酒石酸輔助尿素包合法與傳統(tǒng)尿素包合法富集亞油酸產(chǎn)品中亞油酸的含量與收率；研究了尿素/脂肪酸比、95%乙醇/脂肪酸比、結(jié)晶溫度以及結(jié)晶時(shí)間對(duì)酒石酸輔助尿素包合純化紅花籽油中亞油酸的影響。得到最佳富集亞油酸條件為：尿素/脂肪酸比（g·g-1）為2∶1、95%乙醇/脂肪酸比（mL/g）為8.5∶1、結(jié)晶溫度-8 ℃、結(jié)晶3 h時(shí)，即可富集到含量為90.4%的亞油酸產(chǎn)品，收率為82.0%。

3.9超臨界二氧化碳流體萃取法[31]

曲曉宇等[15]通過(guò)超臨界二氧化碳流體萃取法（super critical fluid extraction technology-CO2，SFE-CO2）提取東北柞蠶蛹油，采用尿素包合法對(duì)蠶蛹油混合脂肪酸進(jìn)行純化。結(jié)果SFE-CO2萃取東北柞蠶蛹干粉中蛹油的萃取率為17.93%（w/w），不飽和脂肪酸油酸、亞油酸和α-亞麻酸占混合脂肪酸含量為22.73%。以脂肪酸-尿素-甲醇（1∶3∶10，w/w/v），包合溫度-10 ℃，包合時(shí)間為18 h為包合條件，經(jīng)一次包合后，不飽和脂肪酸純度達(dá)到84.08%，二次包合后純度達(dá)95.70%。

此外隨著生活水平的提高，更多的油脂進(jìn)入到日常生活中，但有些發(fā)展還是緩慢的，需要繼續(xù)關(guān)注。

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)不同脂肪酸的性質(zhì)，有時(shí)需要將其它方法與尿素包合法疊加使用，例如文中所述的梯度降溫、溶劑結(jié)晶、與絡(luò)合萃取結(jié)合等等，不管是改變參數(shù)還是多種方法結(jié)合，每種脂肪酸的得率和純度都在上升，為提取不飽和脂肪酸提供便徑。同樣也期待有新的分離方法能有更好的效果。

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Development of Urea|inclusion Separation of Mixed Fatty Acids

Wang Peiyan1，2， Huang Yuanbo1，2

（1. Yunnan Provincial International Joint Research Center for Bioenergy； Yunnan Provincial Engineering Laboratory for Highly-Efficient Utilization of Biomass； Yunnan Provincial University Key Laboratory for Biomass Chemical Refinery & Synthesis， Southwest Forestry University， Kunming，Yunnan， 650224， China；2. School of Materials Science & Engineering， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan， 650224， China）

Abstract： This paper introduced the basic principle of urea inclusion method. It also describedthe application of urea inclusion method combined with other methods in the separation of fatty acids. The combination of methods are as follows： molecular distillation technology， secondary inclusion separation method， complexation extraction of silver nitrate solution， gradient cooling method， solvent crystallization method， fractionation method， ultrasonic separation method， tartaric acid assisted separation method and supercritical carbon dioxide fluid extraction.

Key words： mixed fatty acids； unsaturated fatty acids； urea inclusion method； separationendprint