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脂肪酸分離技術研究進展

發布日期:2020-03-06 中國油脂網

 來源:《中國油脂》2018年 第43卷 第11期 《脂肪酸分離技術研究進展》程瑾,李瀾鵬等。

 

自然界中脂肪酸大多以甘油酯形式存在,天然存在的游離脂肪酸較少。大豆油、菜籽油等很多植物油水解都會產生混合脂肪酸;原料不同,生成的混合脂肪酸中各組分的含量也會有差異。這些混合脂肪酸中,有很多經濟價值較高的成分,特別是不飽和脂肪酸,例如油酸、亞油酸可用于生產環氧基增塑劑;α-亞麻酸是人體必需脂肪酸,被廣泛用于醫藥、保健品等領域。若能將混合脂肪酸中具有高附加值的組分單獨分離出來加以利用,具有重要的經濟意義。
 
目前,常規的分離脂肪酸的方法有減壓精餾法、溶劑萃取法、尿素包合法、低溫結晶法等,但這些常規分離方法均存在分離純度不高、溶劑消耗量大等問題。為解決傳統技術存在的問題,近年來,許多科研工作者開發了多種新型分離技術,如高速逆流色譜法、分子蒸餾法、超臨界CO2萃取法、脂肪酶輔助法等。
 
文章將重點綜述這些新型的脂肪酸分離技術的研究進展,同時指明今后脂肪酸分離技術的發展方向。
 
一、傳統分離技術
 
傳統分離飽和脂肪酸及不飽和脂肪酸的技術主要包括減壓精餾法、溶劑萃取法、低溫結晶法、尿素包合法、吸附分離法等,詳細對比見下表1。
傳統分離方法大多操作簡單、成本低,但由于脂肪酸的熱敏性及脂肪酸組成的復雜性,傳統分離方法存在一定的局限性。基于這些問題,一些新型的分離技術不斷地發展起來,如高速逆流色譜法(HSCCC)、分子蒸餾法、超臨界CO2萃取法和脂肪酶輔助法等。
 
二、新型分離技術
 
1.高速逆流色譜法
 
高速逆流色譜是一種液液分配色譜,其固定相和流動相均為液體,因此不會產生固體載體所造成的吸附損耗問題。有研究顯示對HSCCC分離純化的葡萄籽油成分進行了分離研究,得到了純度為99%以上的亞油酸。
 
利用HSCCC和氣質聯用技術分離提純亞歷山大藻油脂肪酸。首先將得到的藻油進行酯交換,然后利用HSCCC進行分離。結果表明,在未分級樣品中HSCCC能夠分離提純出20種含量較高的脂肪酸,如豆蔻酸、油酸、棕櫚酸和α-亞麻酸等。
 
利用高速逆流色譜分離的關鍵是尋找良好的溶劑系統,使待分離的物質在兩相中的分配系數為0.5~2。有研究顯示,選擇正己烷-乙腈溶劑系統(體積比1∶1)對共軛亞油酸進行分離。下相為固定相,上相為流動相。操作條件為溫度35℃、流速4mL/min、轉速860r/min,固定相的保留率為72.8%。
 
采用HSCCC與蒸發光檢測器聯用技術分離純化微小小球藻Chlorella minutissima中的EPA。采用乙腈-正庚-乙酸-甲醇(體積比5∶4∶1∶1)的兩相溶劑系統進行分離。最佳的分離條件為轉速913r/min、流速3.0mL/min、分離溫度21℃,EPA的純度達到90%以上。Li等研究通過HSCCC從酯交換魚油中分離純化十六碳四烯酸甲酯,采用正己烷-甲醇-水(體積比350∶175∶2)的溶劑系統進行分離純化。發現魚油中大多數脂肪酸為多不飽和脂肪酸,HSCCC可以很好地分離十六碳四烯酸甲酯,其中15~18min中脂肪酸甲酯的分離純度高達78%。
 
HSCCC具有成本低廉、操作簡單和易于放大的優點。相比于其他的色譜分離方法,HSCCC由于采用液體溶劑作固定相,在目標成分的高純度分離純化和制備方面有巨大的優勢。但HSCCC技術需要經過多次實驗,才可以篩選出合適的溶劑系統,溶劑消耗量大,靈敏度不高。在分析化學的基礎上,人們進一步研究開發出了pH區帶精制逆流色譜等技術,pH區帶精制逆流色譜具有進樣量高、分離純化后所得的物質純度高以及溶劑系統較容易優化的特點。總之,隨著液相色譜理論研究的不斷深入以及技術的不斷發展,HSCCC在脂肪酸等生物大分子的分離純化領域將發揮越來越重要的作用。
 
2.分子蒸餾法
 
分子蒸餾法利用混合物組分的分子運動平均自由程的不同進行分離,使液體在遠低于其沸點的溫度下進行蒸餾的精餾分離方法。
 
對高碳脂肪酸芥酸的分子蒸餾工藝技術進行研究發現,當進料速率100g/h、蒸餾溫度210℃、系統壓強8Pa、預熱溫度80℃、刮膜轉速85r/min時,其分子蒸餾效果達到最佳。有研究采用分子蒸餾技術對芥酸進行了分離提純,在優化小試工藝的基礎上,得到了中試條件下芥酸收率52%,純度高達90%以上。科研人員采用響應面法分析了核桃毛油中游離脂肪酸的蒸餾條件。實驗預測酸值(KOH)為0.3619mg/g,通過實驗驗證酸值(KOH)為0.39mg/g,且維生素E含量基本未變化,可達到一級核桃油標準對酸值的要求,產品純度較高。
 
林文等分別采用甲酯化-分子蒸餾法及直接分子蒸餾法去除米糠毛油中的游離脂肪酸。前者產品酸值(KOH)0.14mg/g,谷維素總回收率為98.4%,后者產品酸值(KOH)0.44mg/g,谷維素回收率91.6%。兩種方法對比,前者雖然步驟較多,但蒸餾溫度低,谷維素損失少,因此更具有優勢。呂宗瑩等采用刮膜式分子蒸餾裝置對C22-三酸二丁一甲酯進行提純。在蒸餾壓力40Pa、蒸餾溫度120℃下進行分子蒸餾,得到C22-三酸二丁一甲酯的含量可達95.6%,收率為85.0%。采用該裝置提純C22-三酸二丁一甲酯,蒸餾溫度低,產品不易被氧化。王昌祿等采用分子蒸餾技術純化亞油酸,在蒸餾溫度180℃、蒸餾壓力0.3Pa、進料速率60mL/h、刮膜器轉速300r/min的條件下得到亞油酸的純度為91.6%,四級分子蒸餾后亞油酸純度為93.5%,單級收率從92.67%降低至49.45%。分子蒸餾法屬于物理過程,操作溫度低且受熱時間短,可有效防止多不飽和脂肪酸受熱氧化分解,對熱敏性脂肪酸的分離具有天然的優勢。但是分子蒸餾需要高真空設備,能耗相對較高,生產成本高,且難以分離相對分子質量相近的脂肪酸,應用具有一定的局限性。
 
3.超臨界CO2萃取法
 
超臨界CO2技術具有選擇性專一、容易分離、無溶劑殘留和化學惰性等優點。
 
因為其操作條件溫和,不影響萃取物的性質,對產品和環境均無污染,從而成為近幾年研究的熱點。在臨界點附近,溫度或者壓力的微小變化都會引起溶解度的很大變化,因此了解超臨界CO2萃取過程中的相變情況以及相平衡基礎研究,有助于其工藝條件的選擇,在一定程度上可以促進超臨界CO2萃取技術的工業化發展。
 
陳穎娣對超臨界CO2與脂肪酸乙酯體系的相平衡進行了研究。研究表明,不飽和脂肪酸的碳鏈長短、雙鍵數目越接近,其分配系數越接近。采用修正的Chrastil方程驗證實驗結果,得到脂肪酸乙酯在超臨界CO2中溶解度的關聯式,該式預測的溶解度與實測值相對誤差為3.69%。
 
López等研究利用超臨界CO2萃取法從節旋藻油中提取亞麻酸。在60℃和35MPa的條件下,得到純度35.5%的亞麻酸。
 
段一凡等考察了超臨界CO2萃取茶葉籽不飽和脂肪酸的工藝條件,發現萃取壓力對茶葉籽不飽和脂肪酸萃取收率影響最顯著。同時萃取壓力并非越高越好,而是在25MPa左右的收率最高,說明高萃取壓力會使產物中雜質增加,反而使收率有所降低。當CO2流量20~30kg/h、萃取壓力25MPa、萃取溫度45℃、分離溫度55℃、萃取時間165min時,不飽和脂肪酸收率為8.77%,不飽和脂肪酸純度為80.3%。
 
張小偉利用超臨界CO2萃取法萃取核桃中油酸,核桃油酸的萃取率可達54.24%,萃取率高,無雜質殘留。與其他提取方法相比,超臨界CO2萃取技術工藝先進、技術成熟、操作簡單,可實現萃取、分離二合一。
 
楊亦文等研究了超臨界流體萃取分離DHA-EE和EPA-EE的純度,以極性相反的C18柱和硅膠柱為固定相,發現硅膠柱得到的產品(EPA+DHA)純度更高,而C18柱更有利于DHA-EE和EPA-EE的分離,且隨著進樣量的增加,硅膠柱分離效果下降,說明硅膠柱分離能力有限,最終提出了把C18柱和硅膠柱與超臨界流體萃取結合起來的分離方案,可以很好地分離EPA與DHA。CO2無污染、價格低廉、資源充足,同時其臨界溫度(臨界溫度31.3℃,臨界壓力7.374MPa)低且是化學惰性的物質,是一種很好的萃取溶劑,因此常常選擇CO2為萃取劑,用來分離熱敏物質和易氧化物質。但超臨界CO2萃取法很難將相對分子質量相近的脂肪酸及其單烯、二烯酸分開。另外,抽提器壓力很高,需要經常進行高壓泵和回收設備的養護,成本較高。
 
4.脂肪酶輔助法
 
脂肪酶輔助法主要是根據脂肪酶的專一性、位置選擇性或酰基選擇性,經過
 
水解、酯交換和酯化反應等得到高濃度的脂肪酸,再輔助其他分離純化技術進行產品的分離富集。
 
飽和及低不飽和的脂肪酸的直鏈結構不存在位阻作用或位阻較低,較易被水解。脂肪酶水解法是在酶的作用下,將甘油酯上飽和及低不飽和脂肪酸水解下來,從而提高甘油酯中多不飽和脂肪酸(EPA和DHA)的含量。
 
Pan等利用畢赤酵母全細胞催化魚油選擇性水解,富集得到EPA和DHA含量分別為24.1%和30.9%。Rupani等采用4種市售的脂肪酶(褶皺假絲酵母脂肪酶、洋蔥假單胞菌脂肪酶、熒光假單胞菌脂肪酶和米黑根毛霉脂肪酶)水解亞麻籽油提取α-亞麻酸。發現只有褶皺假絲酵母脂肪酶能選擇性地水解亞麻籽油,得到富集的α-亞麻酸。脂肪酶水解法工藝簡單,得到的產物為多種甘油酯的混合物。
 
Valverde在脂肪酶Lipozyme TL IM添加量為20%、35℃、異丁醇溶劑體系中反應10h,金槍魚油中的DHA含量從22%增至69%,回收率達到70%;而用脂肪酶QLG、異丁醇溶劑體系中20℃反應48h,得到EPA含量為38.6%,回收率為
 
81.6%。
 
李金章等以脂肪酶K催化魚油與乙酯型魚油反應,在底物摩爾比2∶1、酶添加量6%、反應溫度40℃條件下反應18h,得到的甘油酯型魚油中EPA與DHA的總含量為45.6%。
 
Hong等利用脂肪酶LipozymeRMIM催化魚油游離脂肪酸與乙醇在填充床反應器中進行反應,在反應溫度20℃、初始水含量1.0%、游離脂肪酸與乙醇摩爾比1:5的條件下反應1.5h,得到DHA含量為70%的游離脂肪酸,收率為87.0%。
 
Miranda等用Novozym435脂肪酶催化魚油與甘油反應,獲得EPA和DHA含量分別為11.3%、69.7%,收率為50%。脂肪酶輔助法反應條件溫和,產品質量穩定,是一種有發展前景的脂肪酸分離方法。但該法反應環境相對復雜,反應方向較難控制,產物一般為多種甘油酯的混合物,而天然魚油是甘油三酯型。因此,需要結合其他分離純化技術,對酯化產物進行分離,以獲得高純度的EPA和DHA甘油三酯。
 
綜上所述,對幾種脂肪酸的新型分離技術進行了匯總,從表2可以看出,幾種新型分離方法均有各自的優缺點及適用范圍。同時高速逆流色譜法、分子蒸餾法、脂肪酶輔助法均處于實驗室階段,超臨界CO2萃取法技術水平達到工業應用。
因此,脂肪酸作為一種重要的工業原料和油脂化工的基礎原料,市場需求量增長迅速,對產品純度要求更高。混合脂肪酸的分離提純技術是制約其發展的重要因素,其分離技術研究的關鍵是提高分離效率和產品純度,以實現放大和工業化。
 
傳統的分離技術因為不飽和脂肪酸損失大、收率低,脂肪酸分離不完全等問題,在應用過程中受到限制。新型分離技術高速逆流色譜法具有成本低廉、操作簡單的優點,但是溶劑消耗量大,靈敏度低;分子蒸餾法蒸餾溫度低且受熱時間短,可有效防止多不飽和脂肪酸受熱氧化分解,但難以分離相對分子質量相近的脂肪酸,應用時存在一定的局限性;超臨界CO2萃取法適用于熱敏物質和易氧化物質的分離,但設備投資大、處理量小,限制了其放大生產;脂肪酶輔助法反應條件溫和,產品質量穩定,是一種具有廣泛應用前景的新型分離技術。
 
因此,各種分離方法均有各自的優缺點及適用范圍,在實際的脂肪酸分離純化生產過程中,應根據原料組成、分離目的合理選擇分離方法,或優化組合兩種或多種分離方法使用。
 
今后,脂肪酸分離技術的發展方向,主要是對新型分離技術的研究,重點在開發新的脂肪酶以及探索脂肪酶結合其他分離技術進行脂肪酸的深度分離純化。

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