氫氧化鈉催化紫蘇油酯交換制備脂肪酸乙酯

鄭永軍，王振，王云龍，張明千

（安陽工學院化學與環境工程學院，河南安陽455000）

α-亞麻酸是人體必需的脂肪酸，它在人體中轉化為代謝必要的生命活性因子—二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）[1-2]，具有預防心腦血管疾病、降血壓、調節血脂、抑制癌癥的發生和轉移、同時增強記憶力、保護視力和增強人體免疫力的功效[3]。然而，α-亞麻酸在人體內不能合成，需要從日常飲食中獲得。紫蘇油是以紫蘇籽為原料提取的食用油，含α-亞麻酸56%～64%，是植物體內含有α-亞麻酸較高的食用油之一。雖然紫蘇油中的α－亞麻酸含量較高，卻和其他脂肪酸一樣以甘油酯的形式存在的，不利于α－亞麻酸分離提純。而且，α－亞麻酸屬于多不飽和脂肪酸，不穩定且易氧化。然而，α－亞麻酸乙酯具有與α－亞麻酸相同的生理功能，且穩定性較高，抗氧化性較強，易被人體吸收、無毒副作用、沸點低、易于分離提純。所以，高純度的α－亞麻酸產品多為α－亞麻酸乙酯型面世。

以油脂為原料制備脂肪酸乙酯的主要方法有：利用油脂水解所得脂肪酸與乙醇反應制備[4]；利用油酯與乙醇在催化劑作用下進行酯交換反應制備[5-6]。目前，許多由紫蘇油生產脂肪酸乙酯企業仍采用油脂水解的脂肪酸與乙醇反應的方法，即紫蘇油在強堿作用下皂化生成脂肪酸鹽，再經與強酸作用制得脂肪酸，最后用制得脂肪酸與乙醇在酶或酸催化下生成脂肪酸乙酯。該方法工藝流程長，能耗高，污染嚴重。由于油脂與乙醇在堿性催化劑作用下進行酯交換而制得脂肪酸乙酯，工藝流程短，無腐蝕、能耗低之優點[5-6]。然而，存在著油脂與堿性催化劑作用生成皂化物而造成脂肪酸乙酯分離困難，影響脂肪酸乙酯產率等問題。因此，本研究以紫蘇油為原料，與無水乙醇在NaOH 催化作用下經酯交換制取備紫蘇油脂肪酸乙酯，通過考察加料方式、醇油比、反應溫度、反應時間、后處理操作對紫蘇油轉化率的影響，達到減少皂化物產生，提高脂肪酸乙酯產率，為紫蘇油乙酯化工藝提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇油：河南利諾生化有限責任公司；無水乙醇、氫氧化鈉、可溶性淀粉（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；濃鹽酸、濃硫酸（分析純）：洛陽市化學試劑廠；氯化鈣、高碘酸鉀、碘化鉀、硫代硫酸鈉（分析純）：天津市光復科技發展有限公司。

1.2 儀器與設備

FA2004B 電子分析天平：上海佑科儀器儀表有限公司；RE52A 旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；SHZD（Ⅲ）循環水式真空泵：鞏義市予華儀器廠；HWS-11電熱恒溫水浴鍋：上海合恒儀器設備有限公司；JJ-1精密定時電動攪拌器：上海澤生科技開發有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 紫蘇油理化指標測定

酸價參照GB 5009.229-2016《食品安全國家標準食品中酸價的測定》；皂化值參照GB/T 5534-2008《動植物油脂皂化值的測定》；水分及揮發物含量參照GB 5009.236-2016《食品安全國家標準動植物油脂水分及揮發物的測定》測定；根據GB/T 17376-1998《動植物油脂脂肪酸甲酯制備》，紫蘇油的平均分子質量可由皂化值和酸價計算得到。

1.3.2 紫蘇油脂肪酸乙酯的制備

反應原料紫蘇油與無水乙醇按一定配比量取，NaOH 的質量按照其質量占紫蘇油的質量分數稱量，將稱量NaOH 立即與一定量的無水乙醇混合，以阻止NaOH 吸收空氣中的水分和二氧化碳，并通過攪拌和加熱至NaOH 完全溶解，制得NaOH-EtOH 溶液備用。

將一定量紫蘇油加入連接機械攪拌器、恒壓滴液漏斗、冷凝管和溫度計的四頸圓底燒瓶中，將配制好NaOH-EtOH 溶液加入恒壓滴液漏斗中，開啟機械攪拌器，用油浴將紫蘇油加熱到反應所需溫度時，逐滴慢速加入一定量的NaOH-EtOH 溶液，攪拌反應一定的時間后。停止反應，先向反應混合物中加入與催化劑NaOH 等摩爾鹽酸溶液中和，再利用旋轉蒸發器蒸出過量乙醇，然后將所剩液體轉移至分液漏斗中，靜置分層后，將下層甘油層收集于錐形瓶中。上層脂肪酸乙酯層用蒸餾水洗滌2 次，并合并于甘油層中，備用。上層再用無水氯化鈣干燥后過濾，得紫蘇油脂肪酸乙酯。

影響紫蘇油酯交換反應的主要因素有：醇油比、催化劑投入質量分數、反應溫度、反應時間等。為此，首先研究單因素對紫蘇油酯交換轉化率的影響，然后再進行正交試驗以確定較優工藝參數。

1.3.3 紫蘇油酯交換反應轉化率分析

甘油含量的測定：甘油是紫蘇油皂化水解和紫蘇油與乙醇酯交換制備脂肪酸乙酯的副產物，根據甘油產率來計算酯交換的轉化率[7-9]，用高碘酸氧化法來測定原料紫蘇油中甘油含量和酯交換反應產物中甘油含量[10]。

紫蘇油脂肪酸乙酯化轉化率/%=（酯交換后甘油總含量-原料油中甘油含量）/理論甘油含量×100

2 結果與分析

2.1 紫蘇油與乙醇制備脂肪酸乙酯原理

紫蘇油主要有α-亞麻酸、油酸、亞油酸、和棕櫚酸的甘油酯，還有少量的上述游離脂肪酸、水、甘油和不皂物等組成。紫蘇油與乙醇在堿性催化劑作用發生酯交換實際上主要是這些脂肪酸甘油酯與乙醇發生酯交換反應，這是一個可逆反應。具體反應見式（1）。

在NaOH 催化下的油酯與乙醇酯交換中，真正起催化作用的是EtO-，首先乙醇與NaOH 生成EtO-，EtO-作為親核試劑進攻甘油酯中羰基發生親核取代反應生成脂肪酸乙酯[11]。具體反應見式（2）。

這是一個反應速率常數較大[k=3.1 L/（mol·s）]的可逆反應，其平衡常數約為0.73[11]，為使生成較多的EtO-，要求乙醇過量。為此，在試驗過程中應將NaOH固體在攪拌或稍微加熱的條件下，將NaOH 溶解于過量的乙醇中，配成NaOH-EtOH 溶液。

由于紫蘇油中含有少量的水，以及分析純乙醇與氫氧化鈉中也含有微量水。所以，紫蘇油會NaOH 發生皂化反應。同樣，紫蘇油中含有微量的游離脂肪酸，會與NaOH 發生中和反應，這些副反應生成的脂肪酸鈉鹽都是乳化劑，能夠在脂肪酸乙酯油相與甘油相界面形成乳化層，導致脂肪酸乙酯與甘油分離困難，使脂肪酸乙酯收率降低。另外，由于NaOH 參與這些副反應，使得反應（2）向逆反應進行，催化活性的EtO-減少，降低了紫蘇油酯交換的轉化率。

因此，為了充分發揮在堿性條件下酯交換優點，提高酯交換轉化率，減少皂化物生成。從以下幾方面考慮：

1）對于紫蘇油需要進行精煉，達到降低酸值和水分的目的。進行堿催化的酯交換要求油脂原料的酸值不宜超過2 mgKOH/g[12]。水分含量最大不超過0.1%[13]。

2）NaOH-EtOH 溶液應現用現配，以維持催化劑活性。為了使EtO-數量增多，乙醇一定要保持過量，且EtO-/NaOH 比值大小是催化活性大小的標志，當油脂與乙醇開始進行時（大約6 s），EtO-/NaOH 比值達到最大值，介于93%～96%，此時催化活性最高[11]。為此，采用逐滴加入NaOH-EtOH 方式，使滴入油脂的NaOHEtOH 溶液中，局部EtO-/NaOH 維持最佳比例，盡可能介于93%～96%，讓EtO-在攪拌下充分與甘油三酯接觸，發生有效碰撞，一直處于催化狀態，提高甘油三酯的轉化率，而NaOH 因幾乎在無水條件下不與甘油三酯發生皂化反應。這樣，減少皂化反應的發生，從而達到提高紫蘇油轉化率，避免皂化之目的。若采用一次添加NaOH-EtOH 溶液，因分析純NaOH 和EtOH 中都有微量的水，大量的NaOH-EtOH 溶液中有一定量的水，雖然油脂與乙醇進行酯交換的最初進行時（大約6 s），EtO-/NaOH 也是達到最大值，其值介于93%～96%，最初催化活性也高，但由于體系中一定量水存在，使氫氧化鈉與紫蘇油的甘油酯發生皂化反應和紫蘇油中脂肪酸發生中和反應，這樣消耗氫氧化鈉，使反應（2）向逆反應方向進行，結果催化活性的EtO-離子數目減少，EtO-/NaOH 比值迅速減少，催化效率降低甚至可能因沒有EtO-而使反應停止。這樣，使紫蘇油甘油酯轉化率降低且產生較多的皂化物導致分離上困難，影響脂肪酸乙酯的收率。

3）酯交換后，盡可能除掉堿性催化劑，避免進行分離時加入含水的物質，使未反應的甘油酯與生成的脂肪酸乙酯與堿反應生成皂，增加分離難度，使脂肪酸乙酯收率減少。

4）除掉堿性催化劑后，減壓蒸除過量乙醇，便于脂肪酸乙酯相與甘油相分離，提高乙酯收率。因脂肪酸乙酯與甘油都溶解于乙醇，不利于脂肪酸乙酯相與甘油相分離[14]。

根據國標測定原料紫蘇油主要理化指標為：酸值0.15 mgKOH/g，皂化值194.2 mg/g，水分及揮發物為0.05%，計算出紫蘇油的平均相對分子質量為867.1。說明原料紫蘇油不需要脫酸脫水處理，可以進行酯交換反應。

2.2 單因素試驗

2.2.1 醇油摩爾比對紫蘇油乙酯化轉化率影響

乙醇與紫蘇油的摩爾比是影響紫蘇油轉化率、脂肪酸乙酯產率的最重要的因素之一，醇油摩爾比增大可以增加油與醇的互溶性、增加甘油酯與乙醇的接觸。在反應溫度75 ℃，催化劑用量為紫蘇油質量的0.5%，反應時間2 h 條件下，考察醇油摩爾比對紫蘇油乙酯化反應轉化率的影響，結果見圖1。

圖1 醇油摩爾比對乙酯化反應轉化率的影響Fig.1 Effect of EtOH to oil molar ratio on conversion

從圖1 可知，當醇油摩爾比在 3 ∶1～7 ∶1 范圍時，紫蘇油乙酯化反應轉化率先增加后趨于平衡。由紫蘇油乙酯化反應化學方程式可知，1 moL 紫蘇油完全反應需要3 moL 的乙醇，因為該反應為可逆反應，當醇油摩爾比為3 ∶1 時，只有30%的轉化率，由于存在著NaOH＋EtOH 與 NaOEt+H2O 可逆反應，當醇油比為 4 ∶1時，也只有39%的轉化率，因過量乙醇能使NaOH 向具有催化活性的EtO-方向移動，同時也使酯交換反應向脂肪酸乙酯方向移動，提高紫蘇油轉化率。所以，當醇油摩爾比為5 ∶1，轉化率明顯增大到70%，當醇油摩爾比是6 ∶1 時，轉化率為75%。當醇油摩爾比繼續增加，即無水乙醇進一步增加時，紫蘇油乙酯化反應轉化率增加不明顯。根據上述結果，選用乙醇與紫蘇油摩爾比為6 ∶1 最好，這樣既提高紫蘇油轉化率又降低生產成本。因為使用無水乙醇的增加，反應結束后回收沒有反應乙醇，生產成本也會增加。

2.2.2 反應時間對紫蘇油乙酯化轉化率的影響

在反應溫度75 ℃，乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1，NaOH 為紫蘇油質量的0.5%條件下，考察反應時間對紫蘇油反應轉化率的影響，結果見圖2。

圖2 反應時間對乙酯化反應轉化率的影響Fig.2 Effect of reaction time on conversion

從圖2 可知，反應時間在0.5 h～2 h 范圍內，隨著反應時間的增加，紫蘇油乙酯化轉化率先增加后趨于不變，當反應時間達到2 h 時，轉化率73.0%，再延長時間，紫蘇油轉化率沒有明顯提高，這說明此時反應已達到平衡，所以，本試驗選擇反應時間為2 h。

2.2.3 反應溫度對酯交換反應轉化率的影響

在乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1，NaOH 為紫蘇油質量的0.5%，反應時間為2h 條件下，考察反應溫度對紫蘇油乙酯化反應轉化率的影響，結果見圖3。

圖3 反應溫度對乙酯化反應轉化率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on conversion

由圖3 可知，隨著溫度的升高，紫蘇油乙酯化轉化率也隨著增大，說明增加溫度有利于反應朝著生成物的方向進行。在75 ℃時，紫蘇油乙酯轉化率達75.0%，繼續升溫到80 ℃時，轉化率反而降低。這是因為油脂與乙醇在強堿催化下的酯交換反應為可逆反應，當反應溫度高于乙醇沸點時，反應體系中大量乙醇揮發至氣相中，使液相中乙醇濃度減少，從而導致酯交換反應向逆反應方向進行，使紫蘇油轉化率降低。因此，本試驗選擇乙酯化溫度為75 ℃。

2.2.4 催化劑用量對酯交換反應轉化率的影響

在反應溫度為75 ℃，酯化時間為2 h，乙醇與紫蘇油摩爾比6 ∶1 條件下，考察催化劑用量對紫蘇油乙酯化反應轉化率的影響，結果見圖4。

圖4 催化劑用量對乙酯化反應轉化率的影響Fig.4 Effect of catalyst amount on conversion

從圖4 可以看出，催化劑用量在0.3%～1.1%時，隨著催化劑用量的增加，紫蘇油乙酯化反應轉化率增加達到最高點后又減少，當NaOH 的用量從0.3%～0.7%，紫蘇油的轉化率從55%～81%，當NaOH 用量為0.8%時，反應轉化率最高，達到96%。這是因為在NaOH 催化的油脂酯交換，其催化活性是EtO-離子，由于過量的乙醇如乙醇與紫蘇油摩爾比為6 ∶1 時，使NaOH 與EtO-的平衡移向EtO-，使催化活性的EtO-數目增多，在一定范圍內，氫氧化鈉的濃度增加，EtO-與NaOH 濃度比增加，反應轉化率增加。但當NaOH 用量為0.9%和1.1%時，紫蘇油乙酯化反應轉化率卻分別減少為90.0%和81.0%，紫蘇油轉化率反而降低，這是因為NaOH 用量過多，與甘油三酯發生皂化反應，生成副產物皂化物，導致反應結束后，乳化現象嚴重，不易分離，從而影響脂肪酸乙酯的收率[15]。因此，本試驗選用NaOH 用量為紫蘇油的0.8%。

2.3 正交試驗

為了找出制備紫蘇油乙酯化的最佳反應條件，在單因素試驗的基礎上得出正交試驗因素水平表1，按照表1 進行正交試驗，制備紫蘇油脂肪酸乙酯。測定紫蘇油乙酯化反應轉化率，試驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment

表2 正交試驗分析表Table 2 Orthogonal experimental analysis

從表2 的極差R 值可以看出，4 個因素對反應轉化率的影響因素大小分別是：催化劑用量＞反應溫度＞反應時間＞醇油摩爾比。紫蘇油脂肪酸乙酯制備的最佳工藝條件組合為A2B3C2D2，即催化劑氫氧化鈉的用量為紫蘇油的0.8%時，醇油摩爾比為6 ∶1，反應溫度始終在控制在75 ℃，反應時間為2 h。按此條件進行驗證試驗，在此條件下重復試驗3 次，紫蘇油乙酯轉化率分別為95.6%、96.3%、96.0%，平均值為96.0%。

3 結論

本試驗以精煉紫蘇油為原料，在NaOH 催化下與乙醇進行酯交換反應制備紫蘇油脂肪酸乙酯，通過單因素試驗和正交試驗得出紫蘇油脂肪酸乙酯化較佳工藝是：催化劑為紫蘇油質量的0.8%，醇油摩爾比為6 ∶1，反應溫度 75 ℃，反應時間為 2 h，采用滴加溶有催化劑的無水乙醇溶液方式與紫蘇油進行酯交換，并在反應結束后加入等摩爾鹽酸來中和堿性催化劑等方式，這樣可減少皂化物的生成，便于脂肪酸乙酯與甘油分離，使紫蘇油脂肪酸乙酯轉化率達到96%。該工藝對于油酯進行乙酯化生產工藝和生物柴油制備提供很好的借鑒作用，并將得到紫蘇油脂肪酸乙酯用于α-亞麻酸乙酯的富集和提純，進一步提高紫蘇油附加值。