靳麗,易明晶,陳永勤,陳勇

(湖北大學(xué) 中藥生物技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430062)

生物柴油,又稱脂肪酸甲酯,是以植物果實(shí)、種子、植物導(dǎo)管乳汁或動(dòng)物脂肪油、廢棄的食用油等作原料,與醇類(甲醇、乙醇)經(jīng)交酯化反應(yīng)獲得.生物柴油在燃燒特性方面優(yōu)于石化柴油且可生物降解,具有突出的環(huán)境友好性和可再生性,受到人們的廣泛關(guān)注[1].在我國(guó)發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè),對(duì)于保障國(guó)家能源安全,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

烏桕SapiumsebiferumRoxb是我國(guó)特產(chǎn)經(jīng)濟(jì)樹(shù)木,又叫木子樹(shù)、蠟子樹(shù)、木油樹(shù)等,是一種重要的工業(yè)木本油料樹(shù)種.烏桕籽即其種子,含油率高,油脂的理化性質(zhì)可與桐油(我國(guó)特產(chǎn)油料樹(shù)種——油桐種子所榨取的油脂)媲美,是我國(guó)開(kāi)發(fā)生物柴油的理想油脂原料,美國(guó)已將烏桕油用于生物柴油的生產(chǎn)[2].本文中對(duì)比分析湖北省5個(gè)烏桕主產(chǎn)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(duì)含量,為優(yōu)選適用于生物柴油開(kāi)發(fā)的烏桕品種提供實(shí)驗(yàn)支持.

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1實(shí)驗(yàn)材料烏桕籽品種與產(chǎn)地編號(hào)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(yè)科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mol/L),酚酞指示劑(10 g/L);KQ-250E超聲波反應(yīng)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(tái)式大容量離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠, 上海);JA3003上皿電子天平(上海精科天平廠,上海);EYELA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)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(xù)10 min;180～220 ℃,5 ℃/min,220 ℃持續(xù)5 min;220～250 ℃,30 ℃/min,250 ℃持續(xù)5 min;載氣: N2;柱流量:1.33 mL/ min;進(jìn)樣口溫度:270 ℃;檢測(cè)器(FID)溫度:280 ℃.取各油樣甲酯化后樣品0.9 μL進(jìn)樣.

1.4 GC-MS條件質(zhì)譜研究在島津QP2010型 GC/MS上進(jìn)行,色譜條件:Rtx-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度:270 ℃;分流進(jìn)樣,分流比36.3∶1;進(jìn)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(zhì)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(zhì)量掃描范圍45～450(m/z),溶劑延遲2.5 min.

2 試驗(yàn)方法與結(jié)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?jiān)?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(cè)定值

2.2油樣酸值測(cè)定(AV) 參照GB/T5530-2005/ISO660方法,本實(shí)驗(yàn)采用熱乙醇測(cè)定法測(cè)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(jì)算中和1 g油脂中游離脂肪酸所需氫氧化鉀的毫克數(shù).本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了2個(gè)產(chǎn)地烏桕籽原料油的酸值見(jiàn)表1.

2.3油樣脫酸處理[5]理想的生物柴油原料油應(yīng)該有較小的酸值(較少的游離脂肪酸)、水分和雜質(zhì),過(guò)多的游離脂肪酸及水分對(duì)原料油的甲酯化有較大不利影響,原料油的酸值應(yīng)該小于1 mg KOH/g Oil.本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)選取英山楊柳016和大悟022為測(cè)試品種,經(jīng)脫酸處理后測(cè)定油樣酸值見(jiàn)表1.結(jié)果表明,烏桕籽原油的酸值均大于1 mg KOH/g Oil,原料油經(jīng)脫酸處理后,酸值均降至1 mg KOH/g Oil以下,可達(dá)到生物柴油原料油標(biāo)準(zhǔn).

表2 樣品脫酸對(duì)含油率的影響

(A:原烏桕籽油;B:脫酸后烏桕籽油)

經(jīng)測(cè)定,烏桕籽油樣品經(jīng)脫酸處理后的油損失在12%～24%之間(見(jiàn)表2),說(shuō)明對(duì)烏桕籽原料油進(jìn)行脫酸處理,油損失率比較大.但本實(shí)驗(yàn)的目的是分析烏桕籽油的主要脂肪酸成分,對(duì)原料油進(jìn)行脫酸處理是為了優(yōu)化脂肪酸的甲酯化條件,提高甲酯化得率.若是對(duì)烏桕籽油進(jìn)行規(guī)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(lái),再進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jīng)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(shí)都有峰出現(xiàn)(見(jiàn)圖1,圖2),且2.5 min、9.5 min、15.9 min、16.8 min這幾個(gè)峰的相對(duì)含量均在1%以上,說(shuō)明這4個(gè)色譜峰所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是烏桕籽油的主要脂肪酸成分.脫酸處理對(duì)色譜峰面積的影響見(jiàn)表3,其中上述4個(gè)主峰的峰面積經(jīng)脫酸處理后分別增大了1.01、1.49、1.41和1.20倍,說(shuō)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(shí)間22.87 min和26.02 min的峰未檢測(cè)出,但這兩個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)相對(duì)含量非常小,分別為0.19%和0.09%,不是烏桕籽油的主要物質(zhì).另外,應(yīng)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(duì)甲酚(BHT)溶液,并保存于低溫冰箱中防止甲酯化樣品的自動(dòng)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(duì)含量在1%以上的物質(zhì),應(yīng)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(jié)果.同法分析了其他4個(gè)產(chǎn)地烏桕主要脂肪酸成分及相對(duì)含量,結(jié)果見(jiàn)表5.

表3 大悟022油樣甲酯化相關(guān)GC數(shù)據(jù)

T1:脫酸前油樣保留時(shí)間;C:原油中脂肪酸的相對(duì)含量;T2:脫酸后油樣保留時(shí)間;A1,A2:油樣脫酸前后的峰面積;*代表無(wú)此物質(zhì).

圖3 英山楊柳016總離子流圖譜

峰號(hào)保留時(shí)間峰面積/%名稱及分子式結(jié)構(gòu)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(duì)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(yīng)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(huán)復(fù)雜高分子量物質(zhì).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(wěn)定性;過(guò)多的飽和脂肪酸又會(huì)增大生物柴油的粘度[2].

烏桕籽原料油經(jīng)脫酸處理后酸值均小于1 mg KOH/g Oil,N、S含量及含苯環(huán)復(fù)雜高分子量物質(zhì)的含量很小(總量不足0.1%).烏桕籽油樣品中檢測(cè)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(lái)說(shuō),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(shuō)明這兩個(gè)產(chǎn)地品種較合適用于生物柴油開(kāi)發(fā).

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