冷压墨西哥嚏根草（Argemone mexicana）籽油的特性分析、籽渣压块工艺以及通过甘油解作用降低游离脂肪酸含量的研究

《Bioresource Technology Reports》：Characterization of cold pressed Argemone mexicana seed oil, seed residue briquetting and free fatty acid reduction through glycerolysis

利用非食用植物Argemone mexicana种子油生产生物燃料，通过冷压提取及钙氧化物催化甘油解离降低游离脂肪酸含量，并开发种子残渣 Briquettes作为固体燃料，能量密度达22-23 MJ/kg。

　　

Blen W. Gebreegziabher | John Morken | Amare A. Dubale | Muyiwa S. Adaramola

挪威生命科学大学环境科学与自然资源管理学院，挪威奥斯市，邮编1433

摘要

使用可食用种子生产生物燃料加剧了食品与燃料之间的竞争。为缓解这一问题，应关注非食用且成本低廉的原料。因此，本研究采用箱-贝恩肯设计（RSM-BBD）的响应面方法评估了冷压Argemone-mexicana (AM)种子油、脱油后的种子压块的质量，以及通过异相催化甘油分解降低游离脂肪酸的效果。冷压Argemone-mexicana种子油的密度为0.91 g/mL，酸值为37 mg KOH/g，游离脂肪酸含量为18.5%，皂化值为170.0 mg KOH/g，过氧化值为2.86 meq/kg，碘值为113.5 g/100 g。主要脂肪酸包括亚油酸（62.5%）、油酸（23.8%）、棕榈酸（9.65%）和硬脂酸（2.1%）。由于油中游离脂肪酸含量较高，在进行酯交换反应（尤其是碱性酯交换）之前需要进行预处理。实验结果表明，在优化条件下（油与甘油的比例为6.3 g/g，催化剂用量为0.71 wt%，反应温度为166°C，反应时间为89分钟），使用氧化钙作为催化剂可将游离脂肪酸含量降低97.5%。由此可见，异相催化甘油分解技术能够有效处理高游离脂肪酸含量的非食用Argemone mexicana种子油。此外，由脱油后的种子制成的压块作为固体燃料具有22–23 MJ/kg的能源潜力。初步分析也支持这一发现，表明该技术有助于实现可持续的废物资源化利用。

引言

Argemone mexicana是一种野生多刺植物，适应干旱和半干旱环境，从发芽到种子成熟生长周期较短。每株植物可产生大量种子荚，每个种子荚内含有许多种子，每株植物的种子产量在0.7至1公斤之间，每公顷最多可产250,000公斤种子。这些种子含有高达30%的油脂，其中富含亚油酸和油酸（Nayak和Vyas，2022年）。其叶片和种子中含有黄酮类、多酚类、酚类、生物碱、皂苷和单宁等次生代谢物，具有抗菌特性（Jaiswal等人，2023年）。充分利用整个植物进行抗菌应用并利用种子生产生物柴油，既能最大化其潜力，又能促进可持续性，降低生物柴油生产成本，并减少食品与燃料之间的竞争（Gui等人，2008年；Ahmad等人，2023年）。 提取油的理化特性和脂肪酸组成对其是否适合用于生物燃料生产至关重要（Shaah等人，2021年）。这些特性受提取技术、时间和温度等多种因素影响。其中，提取技术尤为重要，因为它们会显著影响油的理化性质和脂肪酸组成（Ashrafi等人，2023年），因此需要对其进行评估。本研究采用机械冷压法提取油，即通过自动压榨机施加压力而不使用溶剂。尽管机械压榨法历史最悠久，但由于其成本效益高且能生产高质量油，仍被广泛使用（Lavenburg等人，2021年）。 大多数机械压榨过程在40至60°C的温度下进行，以促进油脂从种子中释放（Rathod等人，2025年）。然而，根据种子类型的不同，加热过程可能会破坏油脂并改变某些成分。为避免这种破坏，建议采用不超过27°C的低温冷压法（Ashrafi等人，2023年）。此外，非食用种子经机械压榨后的残渣仍含有大量热量，可通过热化学（Butnaru等人，2024年）、生化（Castro等人，2023年）、物理化学（Del-Castillo-Llamosas等人，2023年）或化学（Cipriani等人，2024年）等方法进行利用。尽管已有相关研究，但关于非食用种子残渣利用的探索仍较为有限。因此，本研究旨在通过冷压法提取油脂，并将残渣转化为压块，提供一种低技术要求、环保且节能的替代木材燃料的选择（Mibulo等人，2023年）。 生物柴油可通过均相催化剂、异相催化剂或酶催化剂进行酯交换反应生成。因此，催化酯交换需要高质量的油，因为催化剂对高游离脂肪酸（FFA）等杂质敏感，这些杂质会阻碍转化效率。由于Argemone mexicana种子油中FFA含量较高，本研究需对其进行预处理以降低其含量。甘油分解是一种有前景的方法，可有效降低原料中的FFA含量，从而提高生物柴油转化效率（Elgharbawy等人，2021a）。虽然甘油分解无需催化剂即可进行，但通常需要更高的温度和更长的反应时间。例如，Anderson等人（2016年）比较了使用Zn-Al₂O₃催化剂与不使用催化剂的情况，发现使用催化剂时60分钟内FFA含量降低了0.5%，而不使用催化剂则需要120分钟。 虽然均相酸催化甘油分解在高温和长时间反应下可有效降低FFA含量，但存在催化剂与产物分离困难的问题（Wang等人，2012年）。相比之下，均相碱催化甘油分解在较低温度下反应更快，但仍存在催化剂分离难题（Islam等人，2016年）。为克服这些限制，研究人员研究了多种异相碱催化剂，如CaO（Selemani和Kombe，2022年）、Zn-Al₂O₃（Anderson等人，2016年）、ZnCl₂（Mostafa等人，2013年）、醋酸锌（Gole和Gogate，2014年）以及烯丙基三苯基膦溴化物与对甲苯磺酸（PTSA）的混合物（Williamson等人，2017年），以降低低质量油中的FFA含量。本研究使用CaO作为异相碱催化剂，优化预处理过程，旨在降低冷压Argemone mexicana种子油中的FFA含量。研究的动机在于同时实现原料转化、甘油（生物柴油生产的副产品）的利用以及高FFA油的生物燃料化。 据作者所知，目前尚未有人研究过冷压Argemone mexicana油的特征分析、由种子残渣制成的压块及其FFA含量的降低方法。因此，本研究旨在填补这些研究空白，内容包括：（1）冷压Argemone mexicana油的特性分析；（2）从脱油后的种子残渣中生产并分析固体生物燃料；（3）优化CaO催化的甘油分解过程以降低油中的FFA含量。研究假设甘油分解参数会影响FFA含量的降低程度；备择假设认为甘油分解参数对FFA含量降低无显著影响；零假设则认为甘油分解参数对FFA含量降低无影响。

样本采集与制备

2024年2月，我们在埃塞俄比亚的Hagereselam采集了Argemone mexicana种子。去除杂质如破损种子、小茎和石子后，将样本晾晒一天，用研磨机（Vevor电动研磨机，1000克）研磨，然后在室温下储存以备进一步分析。样本随后被运往挪威，在挪威生命科学大学（NMBU，奥斯市）进行实验。

化学试剂

所有试剂和化学品（包括丙酮）

冷压Argemone mexicana种子的理化性质

冷压Argemone mexicana种子的理化特性分析结果见表2。该油在10 MPa的压力和15分钟的压榨时间内提取，得油率为24.24%。冷压Argemone mexicana油呈透明淡黄色，在4°C的冰箱中仍保持液态（见补充材料图S2）。油的透明度表明其中含有较高比例的不饱和脂肪。

结论

本研究探讨了冷压Argemone mexicana油的提取、油质分析、甘油分解处理及种子残渣压块制备。理化分析表明该油适合用于生物燃料生产，但由于FFA含量较高，需在酯交换前进行预处理。因此，使用CaO对Argemone mexicana油进行甘油分解以降低FFA含量。在最佳条件下，冷压Argemone mexicana油的FFA含量得到显著降低。

作者贡献声明

Blen W. Gebreegziabher：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、概念构思。 John Morken：撰写、审稿与编辑、数据验证、监督、资源协调。 Amare A. Dubale：撰写、审稿与编辑、数据验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹措。 Muyiwa S. Adaramola：撰写、审稿与编辑、数据验证、监督、资源协调、项目管理、资金申请。

伦理审批与参与同意

不适用。

未引用参考文献

ISO, 2017

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了NORHED II项目（埃塞俄比亚可再生能源研究与教育能力建设项目）的财政支持，该项目由挪威生命科学大学、Wondo Genet林业与自然资源学院、Hawassa大学和Dilla大学共同开展（项目编号：QZA-21/0182）。