譚志強(qiáng)，吳煒亮，鄭建仙

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

改性烏桕脂的液-液萃取脫酸工藝研究

譚志強(qiáng)，吳煒亮，鄭建仙

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面法研究了萃取溶劑異丙醇溶液濃度、物料比、萃取級數(shù)等因素對脫酸工藝的影響，以改性烏桕脂脫酸率和得率為指標(biāo)，確定了改性烏桕脂液-液萃取脫酸的最佳工藝參數(shù)。研究表明：改性烏桕脂脫酸率與異丙醇溶液濃度、物料比、萃取級數(shù)正相關(guān)，而得率則隨這三個因素條件的增加而減少。由響應(yīng)曲面法建立的回歸模型反映了各因素水平與改性烏桕脂脫酸率和得率之間的關(guān)系，對改性脂質(zhì)脫酸率和得率的影響順序均為異丙醇溶液濃度＞物料比。通過對改性烏桕脂脫酸率和得率的等高線進(jìn)行疊加得到異丙醇液-液萃取脫酸的最佳工藝條件為異丙醇溶液濃度75.00%，物料比為1.50。在此最優(yōu)工藝條件下，當(dāng)錯流萃取級數(shù)為5、萃取溫度35℃時，改性烏桕脂脫酸率高達(dá)97%以上，得率在95%以上。

脫酸，液-液萃取，異丙醇，改性烏桕脂，響應(yīng)曲面

活體脂肪組織中游離脂肪酸含量很少，但在加熱、水分存在或脂肪酶的作用下脂類易水解而生成游離脂肪酸。游離脂肪酸易被氧化，從而導(dǎo)致脂類酸敗，因此應(yīng)盡可能減少油脂中的游離脂肪酸。除去毛油中游離脂肪酸的過程即是脫酸[1]。堿煉法、物理蒸餾法等傳統(tǒng)脫酸方法都有不足之處[2-3]，而新型脫酸方法（如生物脫酸、化學(xué)酯化、溶劑萃取、分子蒸餾、超臨界流體萃取和膜分離等）可克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)。液-液萃取脫酸根據(jù)相似相溶原理，利用溶解度差異脫除游離脂肪酸，以達(dá)到脫酸的目的。溶劑萃取具有選擇性高、分離效果好、能耗低及適用于熱敏性物質(zhì)分離等特點(diǎn)。Rodrigues等綜述了溶劑萃取法脫除菜油中游離脂肪酸的原理、可行性和優(yōu)點(diǎn)[4]，并建立了米糠油混合體系數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測兩種粗米糠油的萃取體系平衡[5]。Pina等人用乙醇溶液萃取玉米油脫酸，其精煉效果要明顯優(yōu)于堿煉和物理精煉[6]。Kamlesh等研究了油脂中游離脂肪酸的含量與所需萃取溶劑異丙醇溶液濃度間的關(guān)系[7]。我國的烏桕脂資源豐富，其甘油三酯結(jié)構(gòu)與天然可可脂相似，所以烏桕脂是改性制備類可可脂的優(yōu)質(zhì)原料[8-9]。Lipozyme TL IM脂肪酶具有價格低廉、催化轉(zhuǎn)酯得率高等特點(diǎn)，烏桕脂在其催化下發(fā)生酯交換反應(yīng)，即可得到改性烏桕脂，但過量的脂肪酸及酯交換生成的游離脂肪酸會使其酸值增大。本研究采用液-液萃取脫酸法，利用異丙醇（IPA）溶液對改性脂質(zhì)萃取精煉，研究各因素對脫酸率和油脂得率的影響，并采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化工藝條件，有助于改性烏桕脂的工業(yè)化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烏桕脂（CTO） 江蘇省東湖生物能源有限公司，酸值（AV）4.28；Lipozyme TL IM脂肪酶 諾維信（中國）投資有限公司，催化活力250IUN/g，含水量5%（質(zhì)量比）；山崳酸 四川西普化工股份有限公司，分析純，C22：0≥85%；辛酸 上海九麟貿(mào)易有限公司，食品級；異丙醇（IPA） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純；3A分子篩 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，分析純；乙醚、酚酞 廣州化學(xué)試劑廠，分析純。

101型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱 中國上海迅能電熱設(shè)備有限公司；DF101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 中國鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；RE52CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 中國上海亞榮生化儀器廠；JA2103N型精密電子天平 中國常熟市雙杰儀器測試廠；BCD-268W型電冰箱 中國佛山市美的集團(tuán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 烏桕脂酶促改性 將一定量烏桕脂、辛酸和山崳酸加入單口圓底燒瓶中，80℃下完全溶解后，置于60℃水浴磁力攪拌器內(nèi)攪拌30min，攪拌速度100r/min。完全混合后，加入一定量脂肪酶和3A分子篩，攪拌速度200r/min下反應(yīng)12h。待反應(yīng)完成后，過濾得改性烏桕脂。

1.2.2 液-液萃取法脫酸 將改性烏桕脂置于分液漏斗中，按不同的物料比加入一定濃度IPA溶液，35℃振蕩萃取5min，靜置，分層，將下層改性脂質(zhì)移至另一分液漏斗中，重復(fù)上述操作數(shù)次。將萃取得到的脂質(zhì)層通過真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去殘留溶劑，測定酸值。

1.2.3 改性脂質(zhì)酸值的測定 根據(jù)《GB/T 5530-2005 ISO660-1996動植物油脂酸值和酸度測定》測定計(jì)算油脂酸值。經(jīng)測得改性烏桕脂初始酸值為68.41mg KOH/g。

1.2.4 改性脂質(zhì)脫酸率、得率的計(jì)算

式（1）中：AV0：脫酸前改性脂質(zhì)的酸值，mg KOH/g；AV1：萃取脫酸后改性脂質(zhì)的酸值，mg KOH/g。

式（2）中：m0：改性脂質(zhì)在油相中的質(zhì)量，g；m1：改性脂質(zhì)在IPA相中的質(zhì)量，g。

1.2.5 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn) 通過單因素實(shí)驗(yàn)分析，液-液萃取脫酸工藝影響最顯著的兩個因素是IPA濃度、物料比。利用中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，在萃取溫度35℃、錯流萃取級數(shù)為5，以IPA溶液濃度（X1）和物料比（X2）為自變量，改性烏桕脂脫酸率（Y1）和得率（Y2）為響應(yīng)值，優(yōu)化改性烏桕脂的液液萃取脫酸工藝，實(shí)驗(yàn)因素水平與編碼見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素和編碼值Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 異丙醇溶液濃度對脫酸工藝的影響 萃取溶劑能否與油脂相分離與萃取溶劑濃度及油脂中的游離脂肪酸（FFA）含量有關(guān)，萃取溶劑中水有促進(jìn)萃取溶劑與油脂分離的作用[7]，故IPA濃度對改性脂質(zhì)脫酸工藝有一定影響。以不同濃度IPA溶液按1∶1物料比錯流萃取5次，測量并計(jì)算改性烏桕脂脫酸率和得率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。當(dāng)IPA濃度在83%（V/V）以上時，由于疏水性過大，萃取溶劑與油脂形成均相溶液而不能相分離，這與Kamlesh等人的研究結(jié)果吻合[7]。圖1結(jié)果顯示隨著IPA濃度遞增，改性脂質(zhì)脫酸率增加，當(dāng)IPA濃度增至75%以上時，脫酸率增加趨于平緩。改性脂質(zhì)得率則隨IPA濃度增加而降低，當(dāng)萃取的IPA濃度超過80%，改性脂質(zhì)的得率急速下降。綜合考慮改性脂質(zhì)脫酸率及得率，選取80%IPA進(jìn)行萃取脫酸工藝研究。

圖1 異丙醇溶液濃度對改性烏桕脂脫酸率、得率的影響Fig.1 Effect of isopropyl alcohol solution concentration on the modified Chinese tallow oil acid removal rate and yield

圖2 萃取級數(shù)對改性烏桕脂脫酸率、得率的影響Fig.2 Effect of extract series on the modified Chinese tallow oil acid removal rate and yield

2.1.2 萃取級數(shù)對脫酸工藝的影響 因改性烏桕脂酸值較高，需反復(fù)多次萃取方能達(dá)到理想的脫酸效果，本實(shí)驗(yàn)采取多級錯流萃取方式，以80%IPA溶液按1∶1物料比為基礎(chǔ)條件，研究不同錯流萃取級數(shù)對改性烏桕脂脫酸率、得率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)錯流萃取級數(shù)為5時，脫酸率達(dá)到95.41%，萃取級數(shù)大于5時，脫酸率增加趨于緩慢。改性脂質(zhì)得率隨萃取級數(shù)增加呈直線降低趨勢。綜合考慮改性脂質(zhì)脫酸率及得率，萃取級數(shù)為5時，即可獲得理想的脫酸率和得率。Tükay等以80%乙醇溶液脫除油脂中游離脂肪酸時，萃取5次的脫酸效果也為最佳[10]；而吳煒亮等以85%乙醇溶液對改性脂質(zhì)進(jìn)行萃取脫酸時，則需萃取8次才能達(dá)到最佳效果[11]。

2.1.3 物料比對萃取工藝的影響 以80%（V/V）IPA溶液，錯流萃取級數(shù)5次為基礎(chǔ)條件，研究物料比（IPA溶液質(zhì)量/改性烏桕脂質(zhì)量）對脫酸率和得率的影響。唐祖望[8]指出，在萃取級數(shù)恒定時隨著萃取因子增大，脫酸率先快速增加后緩慢增加，其中萃取因子與物料比正相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，改性烏桕脂脫酸率與物料比的關(guān)系與此結(jié)論基本相符，此外改性烏桕脂得率則隨物料比的增大而減小。這是因?yàn)槲锪媳仍酱螅碔PA溶液的用量越大，在萃取過程中可脫除更多的FFA，但更多的中性油脂也會進(jìn)入IPA溶液層而損耗，使得率降低[12]。綜合考慮改性烏桕脂脫酸率及得率，在80%IPA溶液錯流萃取級數(shù)為5的條件下，當(dāng)物料比為1∶1時改性烏桕脂脫酸率可達(dá)到96.34%，得率為95.84%。

圖3 物料比對改性烏桕脂脫酸率、得率的影響Fig.3 Effect of material ratio on the modified Chinese tallow oil acid removal rate and yield

2.2 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化異丙醇溶液脫酸工藝

2.2.1 模型的構(gòu)建 由單因素實(shí)驗(yàn)可知，IPA濃度（X1）和物料比（X2）對改性烏桕脂脫酸率和得率影響均較大，故為顯著因素。萃取級數(shù)大于5時，其對脫酸率影響不大，而對得率負(fù)影響突出，故將萃取級數(shù)設(shè)定為5。由此按照中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)出13組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，以改性烏桕脂脫酸率（Y1）和得率（Y2）為響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

對響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，擬合得到多項(xiàng)式回歸方程模型：

由表3可知，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)平方均大于0.90，表明各因子與改性脂質(zhì)脫酸率及得率之間的線性關(guān)系較好。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of response surface experiments

表3 模型可信度分析Table 3 Model analysis of reliability

2.2.2 方差分析 由表4可知，模型P＜0.0001，即該模型極顯著，失擬項(xiàng)P=0.1782＞0.0500，表明其不顯著，因此二次模型成立，此模型可預(yù)測改性烏桕脂脫酸率。從因素X1、X2對脫酸率的影響來看，除二次項(xiàng)X22對脫酸率影響不顯著外（P＞0.1000），其它項(xiàng)對脫酸率均有顯著影響。

表4 脫酸率回歸模型方差分析Table 4 Analysis results of regression and variance of deacidification rate

由表5可知，模型P＜0.0500，即該模型顯著，失擬項(xiàng)P=0.6310＞0.0500，表明失擬檢驗(yàn)不顯著，從而證明此模型較理想。得率模型中僅一次項(xiàng)X1、X2對得率有顯著的影響（P＜0.0500），且X1＞X2，交互項(xiàng)X1X2和二次項(xiàng)對脫酸率的影響均不顯著（P＞0.0500）。

2.2.3 響應(yīng)曲面和等高線分析 圖4是改性烏桕脂脫酸率的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，隨著IPA溶液濃度和物料比的增加，改性烏桕脂的脫酸率不斷增加，但由于等高線之間的距離逐漸變疏松，所以脫酸率的增加將趨于平緩。故適當(dāng)提高IPA濃度和物料比，有利于提高改性烏桕脂的脫酸率。由圖5改性烏桕脂得率的響應(yīng)面圖分析知，隨著IPA濃度和物料比的增加，改性烏桕脂的得率則會隨之降低，并呈加速降低的趨勢。

表5 改性烏桕脂得率回歸模型方差分析Table 5 Analysis results of regression and variance of modified Chinese tallow oil ratio

圖4 脫酸率的響應(yīng)曲面圖Fig.4 Response surface of deacidification rate

圖5 改性烏桕脂得率的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface of modified Chinese tallow oil rate

2.2.4 最優(yōu)脫酸工藝參數(shù)的確定 由于改性烏桕脂脫酸率與其得率呈反比例關(guān)系，將改性烏桕脂脫酸率和得率的等高線疊加即可得到最優(yōu)脫酸工藝參數(shù)。將改性烏桕脂脫酸率和得率控制在較理想范圍（95%＜Y1＜98%，95%＜Y2），圖6中白色區(qū)域即為最優(yōu)萃取脫酸工藝參數(shù)區(qū)。與吳煒亮[11]等用乙醇溶液萃取脫酸最優(yōu)工藝比較，IPA溶液作為萃取溶劑可將改性脂質(zhì)脫酸率及得率均控制在更理想的范圍內(nèi)，且最優(yōu)工藝參數(shù)的可選范圍也更加廣泛。所以IPA溶液作為萃取溶劑比乙醇溶液在脫酸效果和得率上更加理想，但異丙醇價格要高于乙醇，故工業(yè)化生產(chǎn)還需綜合考慮。

選取圖6中最優(yōu)脫酸工藝參數(shù)區(qū)中75%IPA溶液、物料比1.50、錯流萃取級數(shù)5的參數(shù)條件作為最佳實(shí)施方案，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由回歸方程預(yù)測脫酸率97.82%，得率95.79%。在此條件下實(shí)測脫酸率均值為97.89%，得率均值為95.26%。預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值接近，從而驗(yàn)證了該實(shí)施方案可作為最佳工藝條件。

圖6 改性烏桕脂脫酸率及得率等高線的疊加圖Fig.6 Superposed graph of modified Chinese tallow oil deacidification rate，reta and contour

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面法及等高線疊加確定了以異丙醇溶液為萃取溶劑的改性烏桕脂液-液萃取脫酸的最佳工藝參數(shù)區(qū)，當(dāng)在35℃萃取溫度下以錯流萃取級數(shù)為5，IPA濃度75%，物料比1.50的參數(shù)條件為最佳實(shí)施方案時，可使改性烏桕脂液-液萃取脫酸的脫酸率高達(dá)97%，烏桕脂得率在95%以上。

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Study on the investigation of liquid-liquid extraction process of modified Chinese tallow oil

TAN Zhi-qiang，WU Wei-liang，ZHENG Jian-xian
（College of Light Industry and Food Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Effects of the solution concentration of extraction solvent isopropyl alcohol，material ratio，extraction time on free fatty acid extraction ratio and the yield of modified lipid were investigated by single factor experiment and the response surface method to obtain the optimum process parameters of liquid-liquid extraction process of modified Chinese tallow oil.The research showed that free fatty acid extraction ratio increased with extraction solution concentration，material ratio，extraction time increasing，while the yield decreased with these three process conditions increasing.The regression models established by the response surface method could observably reflect the relationships of various factors and free fatty acid extraction ratio yield.The sequences of two factors which influenced on free fatty acid extraction ratio and yield of modified lipid were both extraction solution concentration＞material ratio.Through overlaying two contour lines of free fatty acid extraction ratio and modified lipid yield，the optimal process was：IPA concentration 75.00%，material ratio 1.50.Under the optimum process parameters，when the extraction times was 5 and extraction temperature was 35℃，the extraction ratio was higher than 97%，and yield more than 95%.

deacidification；liquid-liquidextraction；isopropylalcohol；modifiedChinesetallowoil；responsesurface

TS201.2

B

1002-0306（2012）05-0285-04

2011－04－01

譚志強(qiáng)（1987-），男，碩士研究生，研究方向：食品生物技術(shù)。