全 文 ：收稿日期:2012-11-16 接受日期:2013-04-25
基金项目:江西省科技厅资助项目(2010AZX00500;20123BBF60175)
* 通讯作者 E-mail:guoxiali2520@ sina． com
天然产物研究与开发 Nat Prod Ｒes Dev 2013，25:1095-1100
文章编号:1001-6880(2013)8-1095-06
白木通种子油的理化特性及制备生物柴油的研究
罗丽萍，蓝雅惠，胡冰峰，张 茜，郭夏丽*
南昌大学生命科学与食品工程学院，南昌 330031
摘 要:以白木通种子为实验材料，索氏提取法提取种子油，GC-MS 测定脂肪酸组成，国标法测定理化性质，运
用响应面法对碱催化白木通种子油酯交换制备生物柴油工艺进行优化。结果表明:白木通种子油含有 5 种脂肪
酸，其中油酸含量最高，硬脂酸次之。白木通种子油的得率、含水量、碘值、酸值、皂化值、过氧化值、凝固点、闪点
和冷滤点分别为 32． 76%、0． 36%、67． 89 g /100 g、8． 85 mg KOH/g、235． 03 mg KOH/g、47． 08 mmol /kg、-12 ℃、215
℃和-7 ℃。优化的生物柴油制备工艺为:反应时间 80 min，醇油摩尔比 6． 7∶ 1，催化剂用量 1． 3%(按反应体系总
质量计算)。白木通种子含油率高，可作为藤本油料作物开发利用。
关键词:白木通;种子油;理化特性;响应面;生物柴油
中图分类号:Ｒ284. 1 文献标识码:A
Physicochemical Properties and Biodiesel
Preparation of Akebia trifoliate Seed Oil
LUO Li-ping，LAN Ya-hui，HU Bing-feng，ZHANG Xi，GUO Xia-li*
School of Life Science and Food Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031
Abstract:Akebia trifoliate seeds were extracted by Soxhlet extraction method to obtain its seed oil． The fatty acid compo-
sitions and physical and chemical properties of the seed oil were determined by GC-MS and national standardized meth-
ods (GB) ，respectively． In addition，transesterification reaction was carried out to produce biodiesel with the oil． The
technical parameters were optimized by response surface methodology (ＲSM)． The results were as follows． Five fatty
acids were detected in A． trifoliate seed oil，the content of oleic acid was the highest，followed by stearic acid． The yield，
water content，iodine value，acid value，saponification value，peroxide value，freezing point，flash point and cold filter
plugging point of the oil was 32． 76%，0． 36%，67． 89 g /100 g，8． 85 mg KOH/g，235． 03 mg KOH/g，47． 08 mmol /kg，-
12 ℃，215 ℃，and -7 ℃，respectively． The optimal process conditions of biodiesel preparation were as follows:reaction
time 80 min，methanol to oil molar ratio 6． 7∶ 1，and catalyst concentration 1． 3% (based on the total weight of the reac-
tion system)． In conclusion，the seeds of A． trifoliata were rich in oil，and can be used to produce biodiesel as a further
development and utilization of liana oil crops．
Key words:Akebia trifoliate;seed oil;physicochemical property;response surface methodology;biodiesel
白木通(Akebia trifoliata)为木通科木通属缠绕
木质藤本植物，也称三叶木通，在中国分布广泛，多
生长在气候温和湿润，海拔 300 ～ 2100 m 的荒野山
坡、灌丛及沟谷疏林中，栽培中不占用粮田，可利用
现存丘陵山地，主要是森林砍伐后的迹地和垦荒后
残留的荒山草地开采利用［1-3］，一般亩产种子可达
400 kg左右，且种子含油量高。
石化燃料是当前人类使用的主要能源，但其日
益消耗殆尽，同时造成了严重的温室效应和环境污
染问题。进入 20 世纪 90 年代，生物柴油以其优越
的环保性能受到了各国政府的重视。生物柴油是生
物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到
的一种长链脂肪酸的单烷基酯。世界各地发展生物
柴油的原料有所差异。欧洲多用菜籽油和葵花籽
油，美国为大豆油，巴西为蓖麻籽，东南亚等地用棕
榈油，日本是利用餐饮废油和农林废弃物。中国是
“贫油国”，食用油短缺，生物柴油的发展要做到“不
与人争粮、不与粮争地”，目前主要发展方向是通过
利用边际土壤，种植含油脂的植物。但已有的油脂
植物均为草本或木本油料植物，尚无藤本油料作物。
生物柴油的制备方法一般有物理法、化学法和
DOI:10.16333/j.1001-6880.2013.08.019
生物酶法。其中化学法包括高温热裂解法和酯交换
法。酯交换反应也称为转酯或醇解，是用一种醇置
换甘油三酯(动植物油脂)中的甘油，即动植物油脂
和醇在催化剂作用下进行酯交换反应生成脂肪酸酯
和甘油。酯交换法制备生物柴油是用各种动物或植
物油脂与甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低碳醇在催化剂
的作用下反应而成，是常用的生物柴油制备方法。
为开发新型油料植物，拓展我国生物柴油新资
源，本文较为系统地评价了白木通种子油的理化特
性，并采用响应面分析法，优化其制备生物柴油的工
艺。研究结果可为白木通种子油的开发利用提供理
论依据，为我国生物柴油生产提供新的资源。
1 材料与方法
1． 1 材料
白木通种子:由九江市回归生物科技发展有限
公司提供。种子洗净后放入真空干燥箱，40 ℃干燥
24 h，粉碎后备用。
1． 2 仪器
Agilent-6890N /5973i气相色谱 /质谱联用仪(美
国安捷仑公司) :色谱柱:毛细管色谱柱(30 m ×
0. 25 mm，0． 25 μm) ;HH-6 数显恒温水浴锅(上海国
华电器有限公司) ;ＲE-52 旋转蒸发仪(上海亚荣生
化仪器厂) ;GG-17 索氏抽提器(四川蜀玻集团)。
1． 3 方法
1． 3． 1 种子油的提取及脂肪酸甲酯化
将粉碎的种子用滤纸包好，放入索氏提取器抽
提筒中，注入 80 mL的无水乙醚回流浸提，6 h 后过
滤。旋转蒸发除去溶剂，无水硫酸钠除水。整个回
流浸提与蒸发除溶剂除水操作步骤重复 3 次［4］。得
白木通种子油，得率(种子油重 /种子重 × 100%)为
32． 76%。待用。
取 0． 5 mL 白木通种子油于容量瓶中，加入 2
mL正己烷，1 mL 0． 5 mol /L KOH-CH3OH 溶液，70
℃水浴 10 min，冷却后再加入 10 mL 蒸馏水，超声、
离心，取上层清夜，待测。
1． 3． 2 GC-MS测定种子油的脂肪酸组成［5］
GC 条件:气化室温度 280 ℃，柱温 70 ～ 270 ℃，
进样口温度 280 ℃，载气 N2，进样量为 1 μL，分流比
为 20∶ 1;升温程序:从 70 ℃开始，先以 10 ℃ /min升
至 200 ℃，再以 2 ℃ /min 升至 220 ℃，维持 1 min，
再以 8 ℃ /min升至 270 ℃，维持 5 min结束。
MS条件:加速电压 4 kV，EI 离子源，离子源温
度 200 ℃，电子能量 70 eV，扫描范围 30 ～ 550 amu，
扫描速度 6 ℃ /min。以峰面积归一化法半定量。
1． 3． 3 其它理化指标的测定
含水量:根据 GB 260-77［6］测定;碘值:根据
GB /T 5532-2008［7］测定;酸值:根据 GB /T 5530-
1998［8］测定;皂化值:根据 GB /T 5534-1995［9］测定;
过氧化值:根据 GB /T 5538-1995［10］测定;凝固点:根
据 GB /T 510［11］测定;闪点:根据 GB /T 261［12］测定;
冷滤点:根据 SH /T 0248［13］测定。
1． 3． 4 酯交换反应制备生物柴油［5］
过量的游离脂肪酸和水会产生皂化反应，使催
化剂中毒，不利于酯交换反应正常进行。因此，必须
对白木通种子油进行降酸和除水处理。将 1． 3． 1 获
得的白木通种子油按醇油摩尔比 6∶ 1 加入甲醇，浓
硫酸催化剂用量为油重的 1%，在 65 ℃下反应 1． 5
h后，将反应物静置与分液漏斗一段时间后，分出下
层油相，用减压蒸馏除去残余甲醇［14］，除水。取一
定量进行降酸处理后的种子油于 250 mL锥形瓶中，
加入催化剂 KOH 与甲醇的混合液(催化剂用量为
1%) ，置于 60 ℃的恒温摇床中反应一段时间，反应
结束后倒入分液漏斗中进行静置，分离出下层甘油，
再用旋转蒸发仪将上层生物柴油粗品蒸馏脱除过量
甲醇，用温水洗涤数次至中性，减压蒸馏除去残存的
水、甲醇、甘油单酸酯、甘油二酸酯、甘油三酸酯等杂
质，得淡黄、透明的脂肪酸甲酯，即生物柴油。
生物柴油转化率由脂肪酸甲酯的转化率表
示［5］。
生物柴油转化率( % ) = ( 实际得到甲酯质量 ÷
理论应得甲酯质量) × 100%
其中:实际得到甲酯质量 =色谱分析中甲酯含
量 ×甲酯化所得甲酯质量。色谱分析中甲酯含量由
1． 3． 3 中峰面积归一化法半定量可得。
1． 3． 5 响应面优化生物柴油制备工艺
单因素试验表明，醇油摩尔比、反应时间及催化
剂用量 3 个因素对白木通种子油生物柴油产品中脂
肪酸甲酯含量的影响较大。在反应温度 60 ℃条件
下，运用 Design Expert响应面软件采用 Box-Behnken
中心组合实验设计，考察了反应时间(X1)、醇油摩
尔比(X2)和催化剂用量(X3)对白木通种子油生物
柴油产品中脂肪酸甲酯含量(Y)的影响。设计三因
素三水平试验，共 15 个试验点。其中 12 个为分析
因子，3 个中心实验点。试验因素水平见表 1。
6901 天然产物研究与开发 Vol. 25
表 1 因素水平
Table 1 Factors and levels of response surface analysis
编码水平
Coding level
反应时间
Ｒeaction
time(min)
X1
醇油摩尔比
Methanol /oil
molar ratio
X2
催化剂用量
Amount of
catalyst (%)
X3
-1 50 5． 5 0． 5
0 80 6． 5 1． 0
+ 1 110 7． 5 1． 5
2 结果与分析
2． 1 白木通种子油的脂肪酸组成
通过 GC-MS 从白木通种子油中鉴定出 5 种脂
肪酸(图 1) ，其中不饱和脂肪酸油酸和亚油酸相对
含量分别为 43． 39% 和 23． 2%，占脂肪酸总量的
66. 59%;饱和脂肪酸硬脂酸、棕榈酸和豆蔻酸的相
对含量分别为 3． 22%、29． 93%和 0． 26%，占脂肪酸
总量的 33． 41%。德欧美的生物柴油标准中关于植
物油脂质量评价体系规定，植物油酯的碳链长度须
在 C12-C22 之间才能保证所制备生物柴油的燃烧性
能［15］，白木通种子油脂肪酸碳链长度范围在 C14-
C18 之间，符合上述标准。
图 1 白木通种子油脂肪酸甲酯总离子流色谱图
Fig. 1 GC-MS total ion chromatogram of A． trifoliata seed oil
2． 2 白木通种子油的理化指标
经测定，白木通种子油的含水量、碘值、酸值、皂
化值、过氧化值、凝固点、闪点和冷滤点分别为
32. 76%、0． 36%、67． 89 g /100 g、8． 85 mg KOH /g、
235． 03 mg KOH /g、47． 08 mmol /kg、-12 ℃、215 ℃
和-7 ℃。
生物柴油的碘值、十六烷值等特性是由原料植
油的特性决定的，酯化反应前后的脂肪酸和脂肪酸
甲酯也是对应的，因此，可以通过对植物油理化性质
的分析，来评估其用于生物柴油生产的可能
性［16-18］。
碱催化法制备生物柴油对原料的酸值和含水量
要求比较高。以氢氧化钾等碱催化剂时，常常要求
油料酸值小于 1． 5 mg KOH /g，水分小于 0． 06%。
白木通种子油含水量为 0． 36%，酸值为 8． 85 mg
KOH /g，所以需要对白木通种子油进行降酸和降水
处理，才能进一步制备生物柴油。
油脂平均相对分子质量可由皂化值和酸值计算
出［19］，计算式为:M =56． 1 × 3 × 1000 /(SV-AV) ，SV
为皂化值，AV 为酸值。经计算得其分子量为 M =
744． 1 g /mol，偏大，油脂的平均相对分子质量越小，
则流动性越好，因而，该油流动性不是很好。
油脂不饱和度由碘值度量，碘值高，则油脂中不
饱和脂肪酸的含量高。但是不饱和程度太高，所制
备的生物柴油在燃烧过程中会使甘油三酯发生聚合
反应，进而产生沉积物，阻塞发动机。因此在德国和
欧盟的生物柴油标准中设定了碘值的最大值分别为
115 g /100 g和 120 g /100 g［15］。白木通种子油的碘
值为 67． 89 g /100 g，远远低于上述标准。
十六烷值是评价燃料油点火性能、白烟影响及
燃烧强度的重要指标。十六烷值高的燃料自燃点
低、燃烧发热均匀，生物柴油在发动机中运行更流
畅，噪音更小，可降低发动机机械负荷。我国柴油机
燃料调和用生物柴油(BD100)中规定，十六烷值不
得小于 49。十六烷值可通过以下公式估算:十六烷
值 = 46． 3 +(5458 ÷ SV)-(0． 225 × IV) ，SV 为皂化
值，IV为碘值［20］。计算得白木通种子油十六烷值
约为 84． 8，高于 49。
2． 3 响应面分析
试验分析结果见表 2。对表 2 数据进行多元回
归分析，结果见表 3。
从表 4 中可以看出，模型 P = 0． 0001 ＜ 0． 01，表
明回归模型极显著;失拟项 P = 0． 0678 ＞ 0． 05，不显
著;回归模型的决定系数 Ｒ2 = 0． 9937，说明该模型
的拟合度良好，试验误差比较小，可以以该模型对生
物柴油中脂肪酸甲酯的含量进行预测和分析。经回
归拟合后，以上 3 个试验因素对响应值的影响可用
回归方程表示为:Y = 98． 61 + 4． 35X1 + 3． 29X2 +
6. 49X3-0． 21X1X2-0． 78X1X3 + 0． 20X2X3-3． 69X
2
1-
2. 32X22-7． 68X
2
3。该回归方程中，X1、X2、X3 的一次
项系数比较大，且 X3 ＞ X1 ＞ X2。说明这 3 个因素
中，对反应进程影响最大的是催化剂用量，其次是反
应时间，最后是醇油摩尔比。
7901Vol. 25 罗丽萍等:白木通种子油的理化特性及制备生物柴油的研究
表 2 响应面分析试验结果
Table 2 Ｒesponse surface analysis of the testing results
反应序号
Ｒeaction number
No．
反应时间
Ｒeaction time(min)
X1
醇油摩尔比
Methanol /oil molar ratio
X2
催化剂用量
Amount of catalyst (%)
X3
甲酯含量
Methanol content (%)
Y
1 60 7 1． 5 98． 64
2 90 5 1 93． 98
3 90 6 0． 5 85． 8
4 60 6 1 98． 74
5 90 7 1 99． 12
6 60 6 1 98． 87
7 60 7 0． 5 86． 19
8 30 6 1． 5 90． 23
9 30 6 0． 5 74． 75
10 90 6 1． 5 98． 16
11 30 7 1 91． 63
12 60 6 1 98． 21
13 60 5 1． 5 90． 62
14 30 5 1 85． 64
15 60 5 0． 5 78． 98
注:反应温度为 60 ℃(The reaction temperature was 60 ℃)
表 3 回归分析表
Table 3 Ｒesults of regression analysis
方差来源
Variance
sources
平方和
Quadratic
sum
自由度
Degrees
of freedom
均方差
Mean square
error
F值
F value P ＞ F
模型 Model 840． 13 9 93． 35 87． 34 ＜ 0． 0001
X1 151． 47 1 151． 47 141． 72 ＜ 0． 0001
X2 86． 86 1 86． 86 81． 27 0． 0003
X3 337． 09 1 337． 09 315． 40 ＜ 0． 0001
X1X2 0． 18 1 0． 18 0． 17 0． 6980
X1X3 2． 43 1 2． 43 2． 28 0． 1917
X2X3 0． 16 1 0． 16 0． 15 0． 7114
X21 50． 37 1 50． 37 47． 12 0． 0010
X22 19． 89 1 19． 89 18． 61 0． 0076
X23 217． 69 1 217． 69 203． 68 ＜ 0． 0001
残差 Ｒesidual 5． 34 5 1． 07
失拟项 Lack of fit 5． 10 3 1． 70 13． 91 0． 0678
纯误差 Pure error 0． 24 2 0． 12
总离差 Cor error 845． 48 14
Ｒ 0． 9968
Ｒ2 0． 9937
8901 天然产物研究与开发 Vol. 25
2． 4 响应面优化
利用 Design Expert响应面软件对表 3 数据进行
二次多元回归拟合。所得响应面见图 2。
图 2 响应面关系图:(1)A:反应时间(X1)和 B:醇油摩尔比(X2);(2)A:反应时间(X1)和 C:催化剂用量(X3);(3)B:醇
油摩尔比(X2)和 C:催化剂用量(X3)
Fig. 2 Ｒesponse Surface Mapping:(1)A:Ｒeaction time (X1)and B:Methanol /oil molar ratio (X2) ;(2)A:Ｒeaction time (X1)
and C:Amount of catalyst (X3) ;(3)B:Methanol /oil molar ratio (X2) ，and C:Amount of catalyst (X3)
从图 2 可以看出，脂肪酸甲酯含量和反应时间
呈正相关，当反应进行到 80 min 左右时，脂肪酸甲
酯含量非常高，随着时间的后移，脂肪酸甲酯的含量
增加并不明显;当醇油摩尔比增加，脂肪酸甲酯含量
也不断增加，当醇油摩尔比达到 6． 7∶ 1 时，脂肪酸甲
酯含量达到最大，此时，继续增大醇油摩尔比效果不
显著，且甲醇过量，会使后期甘油分离更加困难，增
加分离和回收的成本;催化剂用量的增加，肯定有利
于脂肪酸甲酯含量的提高，当催化剂用量超过 1．
3%后，脂肪酸甲酯的含量达到最高，继续增加催化
剂用量，脂肪酸甲酯的含量反而是降低的，且在反应
过程中皂化现象比较严重，不利于后期处理。综上
分析，最优生产工艺为:反应时间 80 min，醇油摩尔
比 6． 7∶ 1，催化剂用量 1． 3%。
2． 5 模型验证
为了验证生物柴油中脂肪酸甲酯含量的模型方
程的合适性和有效性，将生物柴油制备的最适工艺
条件定为:反应时间 80 min，醇油摩尔比 6． 7 ∶ 1，催
化剂用量 1． 3%。在此条件下进行 3 次重复实验，
产物中脂肪酸甲酯含量最终所得值为 99． 21%。因
此，采用响应面分析得到的工艺指数可靠，有较强的
实用价值。
3 结论
白木通种子油含量高，其理化特性符合柴油机
燃料调和用生物柴油的标准。响应面法优化出白木
通种子油制备生物柴油的工艺为:反应时间 80 min，
醇油摩尔比 6． 7 ∶ 1，催化剂用量 1． 3%。在此条件
下，转化的生物柴油中脂肪酸甲酯含量实测值为
99． 21%，达到法国生物柴油标准。验证实验表明实
际测量值与预测值之间具有良好的拟合度。白木通
可充分利用边际土壤，综合效益高，本研究表明，其
可作为藤本新型油料作物开发利用。
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