協(xié)助超高壓脲包法富集亞麻籽油中PUFA

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第一章 緒論

課題研究目的與意義

亞麻籽油含豐富的不飽和脂肪酸，見表，其中以亞油酸和亞麻酸為主的多

不飽和脂肪酸（poly unsaturated fatty acids, PUFA）含量高達(dá)60%以上。亞油

[1]

酸和亞麻酸是人體必需脂肪酸，其在治療皮炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、心血管疾病、

高血壓、哮喘、過敏癥和抑制腫瘤生長方面具有一定功效。且二者相互依

[2-5]

存，相互聯(lián)系，共同調(diào)節(jié)生物體的生命活動(dòng)。因此，亞麻籽油中亞油酸和亞

[6]

麻酸分離純化或富集研究尤為重要。現(xiàn)有研究對(duì)PUFA分離采用尿素包合法，

這種方法需在冷凍條件下包合20h以上，設(shè)備簡單、易操作、得到的PUFA

[7,8]

純度較高，但是存在包合時(shí)間長、產(chǎn)品收率低、單不飽和脂肪酸

（monounsaturated fatty acid，MUFA）與PUFA選擇性差等缺點(diǎn)。本課題擬用

超高壓結(jié)晶改進(jìn)傳統(tǒng)的冷凍包合法，縮短包合時(shí)間、提高分離效率，并通過小

分子協(xié)同改進(jìn)不飽和脂肪酸的分離選擇性。該研究對(duì)于高純度多不飽和脂肪酸

的制備具有重要指導(dǎo)意義。

表 1.1 亞麻籽油中主要脂肪酸組成、結(jié)構(gòu)及含量

Tab 2.1 The main component contain and structure in flaxed oil

名稱 簡寫 結(jié)構(gòu) 含量(%)

棕櫚C16CH(CH)COOH

酸 ：0

硬脂C18CH(CH)COOH

酸 ：0

油酸 C18CH(CH)CH=CH(CH)COOH

亞油C18CH(CH)(CH=CHCH)(CH)C

酸 ：2 OOH

亞麻C18CHCH

酸 ：3 (CH=CHCH)(CH)COOH

：1

3242323

32

2326

32727

3216

3214

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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1. PUFA分離常用方法

混合脂肪酸組分分子間存在特殊的氫鍵作用力，汽化溫度較高，屬于低揮

發(fā)性、高沸點(diǎn)的熱敏性物質(zhì)，尤其是PUFA各組分間物理性質(zhì)差異較小，飽和

脂肪酸與單不飽和脂肪酸以及單不飽和脂肪酸與多不飽和脂肪酸分離較困難

[9,10]

。目前分離純化PUFA的方法有：分子蒸餾法、超臨界流體萃取技術(shù)、脂

肪酶濃縮法、銀離子絡(luò)合法、冷凍結(jié)晶法、尿素包合法。

1.2.1.1 分子蒸餾法

分子蒸餾法是在絕對(duì)壓強(qiáng)~的高真空條件下，利用混合脂肪酸各組分揮發(fā)

性的不同而使其分離。傅紅等用多級(jí)分子蒸餾法提取深海魚油中PUFA，

[11][12]

通過控制壓力和溫度得到PUFA含量不同的各級(jí)魚油產(chǎn)品，其中高碳鏈不飽和

脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá) 90.96%，且各理化指標(biāo)均合格；徐世民等用分子

[13]

蒸餾法富集海狗油中的PUFA，通過一級(jí)分子蒸餾法，控制適宜的溫度和壓

力，得到 EPA、DPA 和 DHA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.86%的海狗油產(chǎn)品 ，收率為

92.7%；Zhang等用分子蒸餾法富集沙棘籽油中的不飽和脂肪酸，通過響應(yīng)

[14]

面試驗(yàn)優(yōu)化得到不飽和脂肪酸含量和得率分別為82.38%、62.59%。分子蒸餾

法蒸餾溫度低，適合分離受熱易發(fā)生氧化的不飽和脂肪酸，例如深海魚油、海

狗油等，但此方法有一定的適用局限性，且需要較高的真空度，能耗較大。

1.2.1.2 超臨界流體萃取技術(shù)

超臨界流體萃取技術(shù)是通過控制溫度和壓力使得混合脂肪酸各組分在超臨

界流體中溶解度發(fā)生較大變化，從而實(shí)現(xiàn)混合脂肪酸的分離。劉小莉利用

[15]

超臨界CO2萃取黑莓籽油，從萃取壓力、分離罐壓力、萃取罐溫度及萃取時(shí)

間因素優(yōu)化出最佳工藝條件，在此條件下，從黑莓籽油中萃取出的不飽和脂肪

酸（油酸、亞油酸和亞麻酸）含量為78.18%，得率為（±）%；Weber采用

[16]

超臨界CO2流體萃取法分離混合油（玉米油和魚油）中不同飽和程度的混合

脂肪酸乙酯，在優(yōu)化后的工藝條件下，飽和及單不飽和脂肪酸優(yōu)先反應(yīng)生成甘

油酯，與未發(fā)生反應(yīng)的乙基酯部分實(shí)現(xiàn)良好的分離。

肖豐坤等用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化超臨界 CO萃取工藝，得出滇牡丹籽油中

[17]

2

亞油酸和亞麻酸的含量為89.34%，萃取率為27.34%。由于超臨界流體萃取技

術(shù)的萃取劑常選用CO，故此方法可以保護(hù)不飽和脂肪酸使其不被氧化，但得

2

率普遍偏低，在一定程度上造成資源的浪費(fèi)，且不容易分離碳鏈長度相近的脂

肪酸。

1.2.1.3 脂肪酶濃縮法

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由于脂肪酶會(huì)對(duì)混合脂肪酸甘油酯進(jìn)行選擇性水解，所以可以用來分離水

解速度不同的混合脂肪酸。蔡秋生用脂肪酶酯化法精制金槍魚油中DHA，

[18]

使其含量由24%增加到72%，用相同的方法進(jìn)行二次精制，得到DHA含量為

91%，回收率達(dá)60%；Haraldsson用脂肪酶催化酯化法從魚油中提取EPA和

[19]

DHA，二者總含量由24%提高至約50%，回收率分別為80%和90%。脂肪酶

濃縮法酶催化效率高，反應(yīng)條件溫和，但反應(yīng)過程中水解、酯化等反應(yīng)環(huán)境復(fù)

雜，且可逆反應(yīng)不宜控制反應(yīng)方向。

1.2.1.4 銀離子絡(luò)合法

銀離子可以與不飽和脂肪酸中的雙鍵形成親水性的極性絡(luò)合物，雙鍵越

多，結(jié)合力越強(qiáng)，形成的絡(luò)合物越穩(wěn)定，而飽和脂肪酸及飽和度低的脂肪酸則

留在油相中，故可以根據(jù)脂肪酸中雙鍵的個(gè)數(shù)分離混合脂肪酸。靳革等用

[20]

銀離子絡(luò)合法富集核桃油中的不飽和脂肪酸甲酯，將不飽和脂肪酸含量由

72.3%增加到96.3%；司秉坤等用銀離子絡(luò)合法分離純化亞麻籽中α-亞麻

[21]

酸，α-亞麻酸純度為97.53%，得率不足10%。此方法的優(yōu)點(diǎn)是分離效果較

好，獲得的不飽和脂肪酸純度較高，但產(chǎn)品產(chǎn)量小、成本高、重金屬回收率低

且污染嚴(yán)重，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2.1.5 冷凍結(jié)晶法

冷凍結(jié)晶法是根據(jù)在低溫條件下不同的脂肪酸在有機(jī)溶劑（常用丙酮、乙

醇等）中溶解度不同而實(shí)現(xiàn)分離的。冷凍結(jié)晶法工藝簡單、操作過程方便，低

溫環(huán)境下可保護(hù)不飽和脂肪酸不被氧化，但也有文獻(xiàn)報(bào)道低溫結(jié)晶法的分離效

率較差，經(jīng)常與其他方法聯(lián)合使用才能達(dá)到較好的分離效果。

[22]

1.2.1.6 尿素包合法

在溫度較低的環(huán)境下，溶解在有機(jī)溶劑中的尿素分子易與飽和或單不飽和

脂肪酸形成較穩(wěn)定的晶體包合物，而多不飽和脂肪酸由于雙鍵具有一定的空間

結(jié)構(gòu)，彎曲折疊復(fù)雜，不易被尿素包合，采用過濾即可將不同的脂肪酸分離。

尿素包合法的主要影響因素有尿素用量、結(jié)晶溫度、結(jié)晶時(shí)間和包合次數(shù)等

[23]

。

1.2.2 尿素包合法分離混合脂肪酸研究進(jìn)展

尿素包合法用于脂肪酸的分離效果受結(jié)晶溫度和尿素用量的影響，結(jié)晶溫

度越低，尿素用量越多，所得產(chǎn)品純度越高，得率越低，故現(xiàn)行尿素包合法一

般研究不同因素對(duì)包合效果的影響，并通過優(yōu)化包合工藝來提高產(chǎn)品的純度和

得率。

紫蘇油中α-亞油酸純化時(shí)采用的包合溫度-20?Ｃ，包合時(shí)間為690 min

[24]

；油茶籽中油酸的制備時(shí)采用的尿素包合條件為：4?C保存 16h，其油酸純

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度由80%提高至92%，回收率達(dá)83% ；瘋樹籽油中的飽和與不飽和脂肪酸

[25]

分離時(shí)，尿素與脂肪酸甲酯（w/w）比為0.75:1，包合溫度10℃，包合時(shí)間20

h，非包合相不飽和脂肪酸從75.88%提高到95.95%；麻瘋樹籽油中脂肪酸與

尿素比例為1:5（w/w），在-10℃下包合24 h，非包合物相中亞油酸含量達(dá)

92.81%，收率僅7.8%；劉卓華用尿素包合法富集金槍魚中的EPA和

[26][27]

DHA時(shí)，總濃度達(dá)85.02%，收率為25.10%；何文兵用尿素包合法富集燕

[28]

麥麩中不飽和脂肪酸，脂肪酸/尿素/乙醇（w/w/w）為1:3:9，0℃條件下包合

12 h，此條件下不飽和脂肪酸含量由原來的40.66%提高至91.8%，得率為

15.6%。葵花籽油中混合脂肪酸在4℃下包合10 h，非包合相中亞油酸含量從

原料中40%提至70.07%，但仍有27.91%油酸未被包合除去,而尿素包合物中除

包合53.70%油酸外，仍有27.73%亞油酸被非選擇性包合。也有研究表明多

[29]

次包合可提高產(chǎn)品的純度，如月見草油中γ-亞麻酸分離的最佳包合條件為-15

?C，60 h，包合3次，其γ-亞麻酸純度可達(dá)79%，收率為57%

[30][31]

；劉鳳霞

等對(duì)尿素包合法的工藝進(jìn)行優(yōu)化后，3次包合將月見草油中的亞麻酸純度從

7~8%提高到90%以上，且包合3次、4次、5次的純度并無顯著性差異；李煒

[32]

等用尿素包合法對(duì)梔子油中的亞油酸進(jìn)行富集，分3次包合，在不同的溫度

以上研究可以看出脲包法對(duì)設(shè)備要求簡單、易操作，但常需在低溫冷卻條

條件下分別包合12h、8h、5h，亞油酸純度由55~60%增加到90.08%。

件下包合，存在包合時(shí)間長、產(chǎn)品收率低、單不飽和脂肪酸與PUFA選擇性差

等缺點(diǎn)，加之大量尿素和溶劑使用，造成溶劑回收成本高，產(chǎn)品中有機(jī)溶劑殘

留不易去除，為此，一些研究者對(duì)傳統(tǒng)的包合過程加以改進(jìn)，或聯(lián)合其它手段

對(duì)傳統(tǒng)單一的尿素包合法進(jìn)行改性與提高。

1.2.3 對(duì)傳統(tǒng)脲包法改進(jìn)措施研究進(jìn)展

傳統(tǒng)脲包法過程改進(jìn)

現(xiàn)尿素包合法分離混合脂肪酸大多是在傳統(tǒng)包合法的基礎(chǔ)上對(duì)尿素脂肪酸

比例、包合溫度、包合時(shí)間等因素進(jìn)行工藝優(yōu)化，提高其中一種脂肪酸的純

度，也有研究者將冷卻結(jié)晶過程中溫度因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，Maria K B研

[33]

究表明尿素包合物晶體形成和不穩(wěn)定的溫度均在尿素熔點(diǎn)附近；Mary用兩

[34]

種不同的主體分子包合相同的客體發(fā)現(xiàn)：在尿素包合物中，熵和焓的變化共同

影響尿素包合物的形成和尿素包合物晶體熔化后液體的性質(zhì)；Hayes研究了

[35]

冷卻速率對(duì)晶體形態(tài)和大小的影響，結(jié)果表明：當(dāng)緩慢降溫和快速降溫時(shí)，兩

種尿素包合物晶體的形態(tài)無差別，但大小有明顯的區(qū)別，當(dāng)非包合相中游離脂

肪酸的回收率大于60%時(shí)，飽和與多不飽和脂肪酸的選擇性不受冷卻速率的影

響，但當(dāng)回收率較低時(shí)，緩慢降溫會(huì)增加多不飽和脂肪酸的純度。

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在尿素包合物結(jié)晶規(guī)律的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者對(duì)尿素包合物結(jié)晶工藝加以改

進(jìn)，在冷卻工藝方面，Gu等采用梯度冷卻脲包法來提純紫蘇籽油中

[24]

PUFA，α-亞麻酸含量由49%提高到90%以上；王車禮等以攪拌梯度冷卻替

[36]

代傳統(tǒng)靜置冷卻分離脂肪酸甲酯，其冷卻結(jié)晶周期由5 ℃/18 h縮短至10 ℃/1

h左右。以上改進(jìn)措施在不飽和脂肪酸分離周期上有一定提高。

其它方式協(xié)同脲包法純化PUFA

通過改進(jìn)脲包法工藝參數(shù)或工藝步驟，一定程度上可以提高PUFA分離效

率，但采用單一方法較難得到高純度、高得率的PUFA，而且易受工藝條件的

限制使得在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，因此可采用其它方法輔助脲包法分離

富集PUFA，以提高PUFA分離效率和分離選擇性，并達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)

的目的。

（1）超聲波輔助法

有學(xué)者研究超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)脂肪酸組成和含量的影響，結(jié)果當(dāng)超聲

溫度在 50 ℃以下、超聲功率≤900 W、超聲時(shí)間小于 1 h 時(shí)，超聲處理對(duì)紅花

籽油脂肪酸組成沒有影響，但對(duì)脂肪酸含量有較小的影響。

[37]

張正紅根據(jù)超聲波的空化作用原理，采用超聲尿素包合法富集大慶減

[38]

壓餾分油中的正構(gòu)烷烴，研究了活化劑、稀釋溶劑、尿素用量、包合溫度、超

聲時(shí)間等因素對(duì)正構(gòu)烷烴富集效果的影響，優(yōu)化出最佳工藝條件，超聲包合

20 min即可將正構(gòu)烷烴的收率提高到42.51%。簡化了反應(yīng)操作步驟、縮短了

反應(yīng)時(shí)間，但得到的正構(gòu)烷烴產(chǎn)品中也有部分非正構(gòu)烷烴。

有研究者首先采用超聲波法提取脂肪酸，再用脲包法進(jìn)一步分離純化

PUFA。例如：韓玉璽采用超聲波輔助提取GLA，用脲包法純化GLA并確

[39]

定其最佳工藝條件，考察液料比、超聲時(shí)間及超聲功率對(duì)GLA產(chǎn)量的影響，

并采用二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析，得出最優(yōu)提取工藝，得率為899.26

mg/L，后繼續(xù)采用尿素包合法純化GLA，用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出包合反應(yīng)的最佳

條件：脲脂比4:1(w/w)、脂肪酸:乙醇為1:12(w/w)、包合溫度為-25℃、包合時(shí)

間12 h，GLA含量為47.1%；曲星源通過響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波提取紫菜中

[40]

脂肪酸的工藝，粗脂肪含量最高為（±）%，再利用尿素包合法富集純化

EPA-DHA，通過單因素分析尿素脂肪酸比例、包合溫度及包合時(shí)間對(duì)DHA富

集效果的影響，結(jié)果得出EPA和DHA的含量分別為45.27%和46.19%。

（2）溶劑結(jié)晶輔助法

白希把溶劑結(jié)晶法和尿素包合法相結(jié)合富集伽師瓜籽油中的亞油酸，

[41]

將亞油酸的純度由原油中的62.56%提高到99.53%，產(chǎn)率為50.86%；安騰奇

[42]

將溶劑結(jié)晶和尿素包合法聯(lián)用，從24度精煉棕櫚油水解脂肪酸中分離提純油

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酸，溶劑結(jié)晶優(yōu)化后的最佳條件為：無水乙醇/混合脂肪酸(w/w)＝2:1，-10 ℃

結(jié)晶10 h；尿素包合的最佳條件為：原料酸/尿素/無水乙醇（w/w/w）比為

1:2:10，包合溫度10 ℃ ，包合時(shí)間6 h，通過溶劑結(jié)晶和尿素包合法相結(jié)合，

油酸的純度43.74%為87.56%，總得率為38.65%。

（3）超臨界流體萃取輔助法

T J Lin以鯡魚油為研究對(duì)象，將超臨界CO萃取法與尿素包合法聯(lián)用，

2

并采用固定化酶催化反應(yīng)富集其中的n-3 PUFA，含量為71.2%（其中EPA為

29.4%，DHA為41.8%），得率為80.1%；李毅麗以玉米油為研究對(duì)象，

[43][44]

利用超臨界CO流體萃取精餾技術(shù)，通過單因素試驗(yàn)后并優(yōu)化，可使亞油酸含

2

量達(dá)到69.70%，在此基礎(chǔ)上結(jié)合尿素包合法繼續(xù)純化亞油酸，在單因素試驗(yàn)

的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析得出最優(yōu)工藝：醇尿比(v/w)為、尿脂比(w/w)為、在

14℃包合14.5 h，得到亞油酸含量和回收率分別為97.13%、45.53%；曲曉宇

[45]

等通過超臨界CO流體萃取法提取東北柞蠶蛹油中的PUFA，并用尿素包合法

2

對(duì)蠶蛹油中混合脂肪酸進(jìn)一步純化，結(jié)果SFE-CO萃取后PUFA（油酸、亞油

2

酸和α-亞麻酸）的含量為22.73%，在脂肪酸/尿素/甲醇(w/w/v)=1:3:10、-10℃

包合18 h條件下，純度達(dá)到84.08%，再次包合后純度達(dá)95.70%；

（4）低溫協(xié)同超高壓脲包法

潘見等人研究發(fā)現(xiàn)超高壓脲包技術(shù)可以有效的提取植物油脫臭餾出物

[46]

中的脂肪酸、VE、角鯊烯等功能性物質(zhì)，且超高壓脲包工藝對(duì)脂肪酸損害較

小，與傳統(tǒng)脲包法相比，超高壓脲包法大大的縮短了包合時(shí)間（20 h→1 h）；

袁野等采用低溫協(xié)同超高壓脲包法分離餾出物中飽和脂肪酸，即4℃冷藏

[47]

90 min后再施以300 Mpa壓力，產(chǎn)品中不飽和脂肪酸脂肪酸乙酯的含量從

37.65%提高到60.01%，同時(shí)飽和脂肪酸乙酯總量從15.22%減少到2.83%。這

也初步說明高壓脲包法有望提高傳統(tǒng)脲包法的結(jié)晶分離周期。

（5）羧酸分子輔助法

Hayes總結(jié)尿素可以與一些小分子形成不同螺旋結(jié)構(gòu)的尿素包合復(fù)合

[48]

物，例如雙羧酸或過氧化氫；國內(nèi)李奇曾將許多不同種類的陰離子（如：NO

3-

、CO及一些單羧酸和雙羧酸等）引入尿素/硫脲/硒脲制備一系列尿素/硫脲/

3

2-

硒脲-陰離子主體晶格包合物，這些新復(fù)合主體晶格改變了尿素衍生物作為

[49]

單一主體分子的現(xiàn)狀，改變了包合物中簡單的一維管狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)在油酸存在

下，維甲酸或辛伐他汀可順利插入尿素-油酸晶格中，從而形成維甲酸-尿素-油

酸或辛伐他汀-尿素-油酸共晶而改善溶解度；酒石酸與尿素可形成有序的

[50][51]

二維陰離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且有報(bào)道顯示酒石酸-尿素-脂肪酸（酒石酸/尿素=

[52]

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1：2）形成的包合物的尺寸大于尿素-脂肪酸，且利用此包合物可在結(jié)晶溫度-

8 ?C，3 h富集到90.4%的亞油酸，收率達(dá)82.0%。

[53]

主要研究內(nèi)容

本課題圍繞尿素包合法富集PUFA時(shí)，針對(duì)包合時(shí)間長、PUFA得率低問

題引入超高壓協(xié)同傳統(tǒng)脲包法以縮短包合時(shí)間，目前有文獻(xiàn)報(bào)道施加一定的壓

力可使2,10-十一烷二酮/尿素包合物的結(jié)構(gòu)發(fā)生一些微小的變化，且高壓處

[54]

理對(duì)飽和脂肪酸影響較不飽和脂肪酸更為顯著，潘見等人研究發(fā)現(xiàn)超高

[55][46]

壓脲包法提取植物油脫臭餾出物中的脂肪酸、VE、角鯊烯等功能性物質(zhì)，縮

短了包合時(shí)間（20h→1h），且超高壓脲包工藝對(duì)脂肪酸損害較小。這也初步

說明超高壓技術(shù)有望提高PUFA的包合效率。因此，本研究采用超高壓脲包法

來改變包合過程，并通過研究在不同包合條件下包合物晶體的變化規(guī)律，解釋

超高壓脲包法的機(jī)理。

有報(bào)道顯示添加一些其它物質(zhì)（如：十一烷-2-酮）能在一定程度上改變

包合物的管道尺寸，且酒石酸-尿素-脂肪酸（酒石酸/尿素= 1：2）形成的包

[54]

合物的尺寸大于尿素-脂肪酸，那么能否通過添加羧酸類小分子來調(diào)控尿素

[53]

包合體系的管道尺寸，進(jìn)而改善單不飽和脂肪酸與PUFA的分離選擇性，為此

本研究對(duì)羧酸類小分子進(jìn)行試驗(yàn)并篩選，確定比較合適的羧酸小分子進(jìn)行輔助

脲包法包合，最終確定包合工藝。

本研究主要內(nèi)容如下：

1.超高壓脲包法分離富集PUFA研究。

2.羧酸小分子協(xié)同低溫脲包法影響PUFA分離選擇性研究。

3. 檸檬酸協(xié)同超高壓脲包法二次包合的工藝路線確定。

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