全 文 ：第 35 卷　第 10期 西北农林科技大学学报(自然科学版) Vo l. 35 No. 10
2007 年 10 月 Journal o f No rthw est A & F Unive rsity(Nat. Sci. Ed.) Oct. 2007
水冬瓜油的碱炼工艺研究*
杨芳霞1 ,苏印泉1 ,李秀红1 ,张军华1 ,王　筠2 ,玉泉幸一郎3 ,牟田信次4
(1 西北农林科技大学林学院 ,陕西 杨凌 712100;2陕西高科医疗信息股份有限公司 ,陕西西安 710075;
3九州大学 812-8581 , 日本国;4九州电力 849-0922 ,日本国)
[ 摘　要] 　比较了 NaOH 和 Na2CO 3 对水冬瓜油(酸值22 mg /g)的碱炼效果 , 并应用正交和单因子试验 , 分析了
Na2CO3 溶液浓度 、反应温度 、反应搅拌强度和水洗温度 4 种因子对水冬瓜油碱炼降酸效果的影响 , 确定了碱炼降酸
的最佳 Na2CO3 用量和 Na2CO 3 碱炼水冬瓜油的最优工艺条件 。结果表明 , Na2CO 3 碱炼效果优于 NaOH;以碱炼油
的得率和酸值为指标 , Na2CO 3 碱炼水冬瓜油的最佳反应条件为:Na2CO3 水溶液浓度为 170 g / L , 反应温度为 75 ℃,
搅拌速度为 100 r /min , 水洗温度为 80 ℃, 固体 Na2CO3 用量为 105 g /kg;在此条件下 , 水冬瓜毛油的酸值可降至 1
mg /g以下 , 可作为碱催化酯交换法制备生物柴油的原料。
[ 关键词] 　水冬瓜油;碱炼;酸值;生物柴油
[ 中图分类号] 　TS224. 8 [ 文献标识码] 　A [ 文章编号] 　1671-9387(2007)10-0203-05
The research on alkal i-refining of Idesia polycarpa var. vestita Bites
YANG Fang-xia1 , SU Yin-quan1 , LI Xiu-hong1 ,ZHANG Jun-hua1 ,WANG Jun2 ,
GYOKUSEN Koichiro
3 ,M UTA Shinji4
(1 Col leg e o f Forest r y , Northwest A &F Univer sity ,Yang lin g , Shaanxi 712100 , Ch ina;2 Shaanxi Hi-Tech Medical In formation C ,
Ltd , X i’ an , Shaan xi 710075 , China;3 K yushu Universi ty 812-8581 , Ja pan;4 Ky ush u E lectric Power C , I NC 849-0922 , Ja pan)
Abstract:The alkali-refining ef fects o f NaOH and Na2CO3 on shuidonggua oil (Acid value:22 mg /g)
were compared , and the inf luence of concentration of N a2CO 3 solution , reaction temperature , sti rring speed ,
washing temperature and amounts of solid Na2CO3 on alkali-ref ining we re analy zed by o rthogonal test and
single facto r experiments , and f inally the optimal condi tions o f Na2CO 3 alkali-refining shuidonggua oil w ere
confi rmed. The results show ed that Na2CO3 was be tter than NaOH in the w ork of alkali-ref ining shuidong-
gua oil , the optimal condi tions of Na2CO 3 alkali-refining shuidonggua oil we re reaction temperature 75 ℃,
st irring speed 100 r /min , temperature o f w ashing w ater 80 ℃, concentration of Na2CO3 solut ion 170 g /L , a-
mount of so lid Na2CO 3 105 g /kg (w /w , Na2CO 3 to oi l). Unde r this condition , the acid value of crude shui-
donggua-oi l could be reduced to less than 1 mg /g , and could be used as material to produce biodiesel fuel
wi th alkaline cataly st through transesterification.
Key words:shuidonggua-oil;alkali-refining ;acid value;biodiesel
　　水冬瓜(I desia poly carpa var. vesti ta Bites)
又称毛叶山桐子 、椅桐 、油葡萄 ,分布于我国长江流
域 ,尤其在四川 、陕西等地有大量的野生水冬瓜资
源。水冬瓜油是水冬瓜种子油 、果肉油和全果油的
统称 ,其获取方法通常为压榨法 ,但该法获得的水冬
瓜油杂质多 、味苦涩 、酸值高(为 22 mg /g),尽管富
*[收稿日期] 　2006-09-01
[基金项目] 　中日合作项目(160101)
[作者简介] 　杨芳霞(1977 -),女 ,甘肃镇原人 ,讲师,在读硕士 ,主要从事植物资源开发利用研究。 E-m ail:yfx9721123@163. com
[通讯作者] 　苏印泉(1954 -),男 ,陕西白水人 ,教授,主要从事植物资源开发利用研究。 E-mai l:syq009@126. com
含不饱和脂肪酸 ,但因口感差而食用较少 。利用水
冬瓜油制备生物柴油 ,不但是水冬瓜油开发利用的
新途径 ,而且可为生物柴油的生产提供廉价原料 ,降
低生物柴油的原料成本。目前 ,工业上普遍采用碱
催化法制备生物柴油 ,该法要求原料油的酸值应小
于 1 mg /g[ 1-3] ,因此水冬瓜油必须进行降酸处理 ,才
有可能用于碱催化法制备生物柴油 。从食用油的角
度出发 ,用 Na2CO3 和 NaOH 作为降酸剂 ,对水冬
瓜油进行碱炼降酸的研究已有报道[ 4-6] ,但从制备生
物柴油的角度出发 ,对水冬瓜油 Na2CO 3 碱炼的最
优工艺条件研究尚未见报道 。为此 ,本试验对水冬
瓜油的最优碱炼工艺条件进行了系统研究 ,以期为
利用水冬瓜油制备生物柴油奠定基础。
1　材料与方法
1. 1　材　料
水冬瓜油由汉中某油脂厂提供 ,酸值 22 mg /g ,
4 ～ 8 ℃贮存;Na2 CO 3 和 NaOH 均为分析纯 。真空
恒温搅拌反应釜 ,由上海申生科技有限公司生产。
1. 2　水冬瓜油碱炼的工艺过程
在反应釜中加入一定量的水冬瓜油 ,装好反应装
置 ,调整搅拌速度 ,待水浴温度达到反应温度后加入
一定量的碱液 ,恒速搅拌下反应 30 min。将反应混合
物在分液漏斗中静置分层 ,除去下层水皂层 ,上层油
层进一步离心分离 ,除去残存的水皂液 ,收集油层 ,用
蒸馏水洗至中性 ,无水硫酸钠干燥 ,称量 ,测酸值。
1. 3　水冬瓜油和其碱炼产物油酸值的测定
参考 GB 5530 - 85 植物油脂酸价测定方法和
刘伟伟等[ 7] 所用方法进行测定 。
1. 4　水冬瓜油碱炼所用碱的选择
参考杨守杰[ 4] 、杨琦[ 6] 的研究方法 ,对水冬瓜油
进行碱炼 ,比较 NaOH 和 Na2CO 3 对水冬瓜油的碱
炼降酸效果 ,其中 Na2CO 3 的用量根据下列公式[ 6]
计算:
Na2CO 3用量=3. 2×10 -3 ×酸值×油质量
NaOH 的用量根据下面公式[ 8]来计算:
GNaOH =(7. 13×10- 4 ×AV+B)×G油
C
式中:GNaOH表示固体氢氧化钠的总用量(单位:
kg);AV 表示水冬瓜油的酸值(单位:mg /g 油);B
表示 NaOH 的超耗量 , 一般为水冬瓜油质量的
0. 05%～ 0. 25%;G油 表示水冬瓜油的质量(单位:
g);C表示氢氧化钠溶液的质量百分比浓度 。
1. 5　水冬瓜油最优碱炼条件的确定
在加碱量一定的情况下 ,以搅拌速度(A) 、反应
温度(B)、Na2 CO 3 水溶液质量浓度(C)和水洗温度
(D)为因素 ,设计 L9(34)正交试验 ,搅拌速度分别设
为 60 , 100 和 140 r /min;反应温度分别设为 75 , 85
和 95 ℃;Na2 CO 3 水溶液质量浓度分别设为 80 ,
130和 180 g /L;水洗温度分别设为 70 ,80和 90 ℃。
根据正交试验结果 ,进一步通过单因素试验确
定碱炼的最佳 Na2CO3 用量 、Na2CO 3 水溶液浓度 、
反应温度和搅拌速度 。
2　结果与分析
2. 1　水冬瓜油碱炼碱的选择
结果表明 ,采用 NaOH 和 Na2CO3 作为碱炼试
剂 ,尽管酸值均能降至 1以下 ,但用 NaOH 碱炼时 ,
水油不易分层 ,且得率低(表 1)。这主要是由于水
冬瓜油酸值比较高且含有一定量的胶质 ,N aOH 为
强碱 ,碱炼反应很剧烈 ,油极易产生乳化 ,导致杂质
沉降缓慢 ,油皂分离不清。用 Na2CO3 进行碱炼 ,油
皂分离效果好 ,精炼油得率较高(表 1),碱炼油水洗
2 ～ 3 次即可达中性 。因此 ,本研究确定碱性温和 、
易于与游离脂肪酸中和而不易皂化中性油的
Na2CO 3 为水冬瓜油的碱炼碱。
表 1　NaOH 和 Na2CO3 对水冬瓜油碱炼降酸效果的比较
Table 1　Effect comparison o f alkali-refine r educing acid of shuidonggua-oil between NaOH and Na2CO 3
碱
Alkali
搅拌方式
S ti rring m ode
碱炼油色泽
Color of ref ined oil
皂脚量
Soap amoun ts
分层
S edim ent
酸值 /(mg g - 1)
Acid valu e
得率
Yield
NaOH
变速
Changing speed
淡黄 Ligh t yellow 多 M ore 出现慢
Appear slow ly
0. 526 4
40%左右
Abou t 40%
Na2CO 3
恒速
Constan t speed
桔黄O range 少 Les s 出现快而清楚
Appear quick ly and clearly
0. 393 9
75%左右
Abou t 75%
2. 2　水冬瓜油最佳碱炼条件的确定
由表 2可以看出 ,碱炼水冬瓜油得率的影响因
素依次为:Na2CO3 质量浓度 >反应温度 >水洗温
度>搅拌速度 ,在本试验设定的因素条件下 ,最优碱
炼条件为 A 2B1 C3D2 ,即搅拌速度 100 r /min 、反应温
度 75 ℃、Na2CO 3 质量浓度为 180 g /L 、水洗温度为
80 ℃。从碱炼水冬瓜油酸值最低角度出发 ,影响碱
炼油酸值的因素依次为:Na2CO3 质量浓度>反应
温度>搅拌速度>水洗温度 ,在本试验设定的因素
条件下 , 使水冬瓜油酸值最低的碱炼条件为
204 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 35 卷
A 2B1C2D 1 ,即搅拌速率 100 r /min 、反应温度 75 ℃、
Na2CO 3 质量浓度为 130 g /L 、水洗温度 70 ℃。水
洗温度对水冬瓜油得率的影响较搅拌速率大 ,但对
碱炼油酸值的影响较搅拌速率小 ,这可能是由于试
验过程中对水洗温度控制不够准确所致 。本试验还
发现 ,洗涤时油水温差不宜太大 ,以水温稍高于油温
洗涤效果较佳。
根据正交试验结果 ,无论是以酸值为基准还是
以碱炼油得率为基准 ,确定的水冬瓜油碱炼的最优
工艺条件 ,其精炼油的酸值均较低(<0. 6),可以满
足工业上用碱催化法制备生物柴油的酸值要
求[ 1-3 , 7] 。因此 ,从降低生产成本角度出发 ,在酸值<
1的范围内 ,应主要考虑精炼油得率的高低。故在
固体 Na2CO3 用量一定的条件下 ,水冬瓜油碱炼的最
优条件可选为搅拌速度 100 r /min 、反应温度为 75
℃、Na2CO3 质量浓度为 180 g /L、水洗温度为 80 ℃。
表 2　水冬瓜油碱炼的正交试验结果
Table 2　Results of o rthogonal expe riments
试验编号
Sample No.
搅拌速度 /
(r min - 1)
St irring speed
反应温度 /℃
React ion
temperature
Na2CO3 质量浓度 /(g L- 1)
Na2CO 3 concent rat ion
水洗温度 /℃
Washing
temperatu re
得率 /%
Refin ed rat io
酸值 /
(mg g - 1)
Acid valu es
1 60(A 1) 75(B1) 130(C2) 90(D 3) 75 0. 4375
2 60 85(B2) 80(C1) 70(D 1) 54 0. 5053
3 60 95(B3) 180(C3) 80(D 2) 77 0. 3844
4 100(A 2) 75 80 80 67 0. 2516
5 100 85 180 90 78 0. 4201
6 100 95 130 70 76 0. 2300
7 140(A 3) 75 180 70 79 0. 1491
8 140 85 130 80 76 0. 2836
9 140 95 80 90 22 0. 4997
得率 /%
Refined rat io
K 1 68. 6 73. 7 47. 7 69. 7
K 2 73. 7 69. 3 75. 6 73. 3
K 3 59. 0 58. 3 78. 0 58. 3
R 14. 7 15. 4 30. 3 15
T=201. 3
酸值 /
(mg g - 1)
Acid values
K 1 0. 4424 0. 2794 0. 4189 0. 2948
K 2 0. 3006 0. 4030 0. 3170 0. 3065
K 3 0. 3108 0. 3714 0. 3179 0. 4524
R 0. 1418 0. 1236 0. 1019 0. 1576
T=1. 0538
　　注:K 1 、K 2 和 K 3 分别表示 4个因子参加 3次试验各测定值的算术平均数;T=K 1+K 2 +K 3 ,用来检验 K 值。
Note:K 1 、K 2 and K 3 denote average values of each group in L9(34)orthogonal experiments. T=K 1+K 2 +K 3 , T is used to test the K values
2. 3　Na2CO 3 用量对水冬瓜油碱炼效果的影响
通常碱的用量对碱炼效果影响较大 。碱用量太
少 ,油中的游离脂肪酸中和不完全 ,生成的皂粒细而
不能很好地分离 ,致使最终碱炼油的得率低;碱用量
太多 ,中性油被皂化 ,从而使碱炼油的炼耗增大[ 8-9] 。
本试验在搅拌速度为 100 r /min 、反应温度为75 ℃、
Na2CO 3 质量浓度为 180 g /L 、水洗温度为 80 ℃的
条件下 ,分析了 N a2CO 3 用量对碱炼水冬瓜油酸值
和得率的影响 ,结果见图 1 。图 1 显示 ,当 Na2CO3
的用量为 36 ～ 78 g /kg ,碱炼油的得率迅速提高;当
Na2CO 3 用量 >78 g /kg 时 ,碱炼油的得率逐渐降
低 ,但降低的幅度比较小 , Na2CO 3 用量从 78 g /kg
增加到170 g /kg 时 ,碱炼油得率仅降低了 1. 5%,这
主要是因为 Na2 CO 3 的弱碱性不易皂化中性油。
Na2CO 3 用量为 36 ～ 170 g /kg 时 ,碱炼油的酸值均
小于 1 ,当 Na2CO 3 用量>71 g /kg 时 ,碱炼油的酸
值小于 0. 4 mg /g ,且 Na2 CO 3 的用量从 71 ～ 170
g /kg ,水冬瓜油酸值仅降低了 0. 13 ,降幅很小。另
外 ,本试验结果还发现 ,当 N a2CO 3 用量>98 g /kg
时 ,所得碱炼水冬瓜油的颜色比较浅 。故综合考虑
碱炼油的得率和酸值 2个主要指标及所得碱炼油的
色度 , Na2CO 3 的最佳用量为 105 g /kg 。
图 1　Na2CO3 用量对水冬瓜油碱炼油酸值和得率的影响
F ig . 1　Effect o f Na2CO3 do ses on acid value
and y ield o f shuidonggua alkali-refining oil
205第 10 期 杨芳霞等:水冬瓜油的碱炼工艺研究
2. 4　Na2CO 3 水液质量浓度对水冬瓜油碱炼效果
的影响
在 Na2 CO 3 用量一定的情况下 ,Na2CO3 水溶液
的质量浓度对碱炼效果的影响较大 。通常 Na2CO3
水溶液质量浓度过小 ,油皂分层不好 ,皂粒小难以分
离 ,碱炼油酸值高且得率低;Na2CO 3 水溶液质量浓
度过大 ,油皂虽容易分离 ,但水洗次数增加 ,碱炼油
的得率下降[ 5-6 , 8-9] 。在搅拌速度为 100 r /min 、反应
温度为 75 ℃、N a2CO 3 用量为 105 g /kg 、水洗温度
80 ℃的条件下 , Na2 CO 3 水溶液质量浓度对碱炼油
酸值和得率的影响见图 2。图 2表明 ,当 Na2CO3 水
溶液质量浓度大于 170 g /L 时 ,碱炼油的得率逐渐
降低 ,且降低幅度较大。这可能是由于 Na2CO 3 水
溶液浓度过高时部分中性油被皂化 ,且皂粒与中性
油易形成胶溶物的缘故。碱炼油的酸值随 Na2CO3
水溶液质量浓度的增大而逐渐降低 ,且均小于 1 ,当
Na2CO 3 水溶液质量浓度大于 150 g /L时 ,碱炼油的
酸值虽在降低 ,但降低幅度很小 ,从 150 ～ 250 g /L
仅降低 0. 048 6。故结合正交试验结果可确定合适
的 Na2 CO 3 水溶液浓度应为 170 g /L 。
图 2　Na2CO 3 水溶液质量浓度对水冬瓜油
碱炼油酸值和得率的影响
F ig . 1　Effect o f concentra tion of Na2CO 3 on acid value
and yield o f shuidonggua alkali-refining oil
2. 5　反应温度对水冬瓜油碱炼效果的影响
碱炼温度也是影响碱炼效果的重要因素之一 ,
在搅拌速度为 100 r /min 、Na2CO 3 用量为 105
g /kg 、Na2 CO 3 质量浓度为 170 g /L 、水洗温度为 80
℃的条件下 ,反应温度对水冬瓜油碱炼效果的影响
见图 3。由图 3 可知 ,反应温度为 75 ℃时 ,碱炼油
的得率为 80. 81%,高于 65和 85 ℃时的得率 ,这可
能主要是因为 ,在其他条件相同的情况下 ,随碱炼温
度的升高 ,碱炼油的得率增大 ,但温度过高时 ,会使
未反应的中性油被皂化的概率增加 ,从而导致碱炼
油的得率反而降低。由图 3 还可以看出 ,不同温度
下 ,碱炼油的酸值均小于 1。故综合考虑碱炼油的
酸值和得率 ,本试验确定 Na2CO3 碱炼水冬瓜油的
最优反应温度应为 75 ℃。
图 3　反应温度对水冬瓜碱炼油酸值和得率的影响
Fig. 3　Effect of reaction tempe rature on acid value
and yield of shuidonggua alkali-r efing oil
2. 6　搅拌速度对水冬瓜油碱炼效果的影响
碱炼时一般采用变速搅拌过程 ,因为碱炼过程
主要包括 3个阶段(混合阶段 、中和阶段和沉淀絮凝
阶段),3阶段的搅拌速度应逐渐减小。本研究预试
验结果表明 ,从降低酸值和提高精炼油得率方面比
较 ,变速搅拌和恒速搅拌的碱炼效果基本相当 ,故本
研究中采用恒速搅拌 ,以简化操作 。表 3为 Na2CO3
用量为 105 g /kg 、反应温度为 75 ℃、Na2CO 3 的质
量浓度为 170 g /L 、水洗温度为 80 ℃的条件下 ,不
同搅拌速度对水冬瓜油碱炼效果的影响 。
表 3　搅拌速度对水冬瓜油碱炼效果的影响
Table 3　Effects of stirring speed on shuidonggua
oil alkali refining (n=3)
搅拌速度 /(r min - 1)
S ti rring speed
碱炼油得率 /%
Yield
碱炼油酸值 /(mg g - 1)
Acid value
80 75. 12±0. 45 0. 385±0. 015
90 77. 98±0. 56 0. 397±0. 010
100 80. 85±0. 85 0. 320±0. 012
110 72. 22±0. 72 0. 324±0. 011
　　从表 3可知 ,在不同搅拌速度下 ,所得碱炼油的
酸值均小于 1 ,但搅拌速度为 100 r /min 时 ,碱炼油
的得率最高 ,故合适的搅拌速度应为 100 r /min。
3　讨论与结论
油脂碱炼时 ,碱种类的选择主要与原料油有关 ,
原料油不同 ,所用的碱也不尽相同 。以往对不同来
源油脂的碱炼降酸工艺的研究 ,所用的碱以 NaOH
和 KOH 居多[ 8 , 10-11] 。对水冬瓜油碱炼降酸的工艺
206 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 35 卷
研究虽曾有报道[ 4-6] ,但关于水冬瓜油碱炼最优工艺
条件的研究尚未见报道。本研究从用水冬瓜油制备
生物柴油的角度出发 ,对水冬瓜油碱炼降酸工艺进
行了较系统的研究 ,主要得出以下结论:
(1)Na2CO 3 对高酸值水冬瓜油的碱炼效果比
NaOH 好 ,反应过程不需变速搅拌 、酸值降低得比较
彻底 ,且反应后纯化过程相对比较容易 。
(2)以碱炼油的得率和酸值为指标 ,水冬瓜油最
佳的碱炼工艺条件为:反应时间 30 min 、Na2 CO 3 用
量为 105 g /kg 、Na2 CO 3 质量浓度为 170 g /L 、反应
温度为 75 ℃、搅拌速度 100 r /min 、水洗温度为 80
℃。
(3)酸值为 22 mg /g 的水冬瓜油经过 Na2CO3
碱炼脱酸 ,可明显降低其中游离脂肪酸的含量 ,在本
试验最佳条件下酸值可降至1 mg /g 以下 ,可作为目
前工业上普遍采用的碱催化法制备生物柴油的生产
原料 。
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