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有机溶剂体系中酶法合成不饱和脂肪酸单甘酯的研究

发布日期:2018-07-23 中国油脂网

 

朱启思,杨继国,曾凡逵,王永华,杨 博

(华南理工大学,广东省发酵与酶工程重点实验室,广州 510640)


摘要:对有机溶剂体系中脂肪酶催化合成不饱和脂肪酸单甘酯的工艺条件进行了研究。结果表明,在叔丁醇体系中最适用酶为Novozym 435。摇瓶反应最优条件为:红花籽油与甘油的摩尔比1∶ 3,酶加量为油质量的3%,反应温度50 ℃,反应时间8 h,初始加水量3%,油醇比40%。在此基础上进行填充床反应器反应,流速为0.2 mL/min,产品中单甘酯含量为63%,且反应体系稳定,连续运行14 d后,单甘酯含量仍能保持在63%。

关键词:Novozym 435;甘油解;叔丁醇;填充床反应器

中图分类号:TS22   文献标志码:A   文章编号:1003-7969(2010)03-0007-04


Synthesis of monoacylglycerols rich in unsaturated fatty

acids by enzymatic glycerolysis in tert-butanol

ZHU Qisi,YANG Jiguo,ZENG Fankui,WANG Yonghua,YANG Bo

(School of Bioscience and Bioengineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:Monoacylglycerols rich in unsaturated fatty acids were synthesized by enzymatic glycerolysis in organic solvents. The results showed that in tert-butanol the Novozym 435 was the most suitable lipase. The optimum conditions of the batch system were as follows: molar ratio of safflower seed oil to glycerol 1∶ 3, enzyme dosage 3% (basis of the oil mass) ,reaction temperature 50 ℃, reaction time 8 h, initial water content 3%(basis of the glycerol mass), ratio of oil mass to solvent volume 40%. based on the result of the batch system, a continuous system was studied. The substrate mixture was introduced into a packed-bed reactor (PBR) at a flow rate of 0.2 mL/min and high yield of MAG (63%) was obtained. After a long-term MAG production (14 d) in PBR, the MAG yield was unchanged. 

Key words:Novozym 435;glycerolysis;tert-butanol;packed-bed reactor

脂肪酸单甘酯(简称单甘酯,MAG)是一种高效的表面活性剂,具有极强的乳化能力,能够起乳化、起泡、分散、消泡、抗淀粉老化等作用,是食品、药物、化妆品工业应用最为广泛的一种乳化剂[1]。根据脂肪酸饱和度的不同,单甘酯可分为饱和脂肪酸单甘酯和不饱和脂肪酸单甘酯。由于目前单甘酯的工业合成主要是高温碱催化氢化油或其他油脂的甘油解反应[2,3],所以国内市场上的单甘酯主要为饱和脂肪酸单甘酯。然而相比于饱和脂肪酸单甘酯,不饱和脂肪酸单甘酯乳化性能更好;常温下为液态,可以具有某些特殊用途,如:在化妆品中用作保湿剂[4],在PVC加工中是一种优良的内部润滑剂[5],用于药物制剂[6]等。不饱和脂肪酸单甘酯还能为人体提供必需的不饱和脂肪酸,具有一定的营养活性,更具商业前景。因此,迫切需要寻找到一种适合于不饱和脂肪酸单甘酯生产的工艺。

    近年来,酶工程研究的突破性进展极大地拓展了酶促反应的应用领域,人们开始尝试研究脂肪酶催化合成单甘酯。脂肪酶(EC3.1.1.3)又称甘油酯水解酶,其基本功能是催化甘油三酰基水解为甘油和脂肪酸。它作为一种高效的生物催化剂,不仅具有高立体专一性和区域专一性,而且其催化的反应类似于生物代谢,反应条件温和,能耗低[7]。

    本文以红花籽油为原料,研究有机溶剂体系中脂肪酶催化甘油解反应制备不饱和脂肪酸单甘酯,并在摇瓶实验的基础上进行实验室填充床固定化酶反应器实验,以期为不饱和脂肪酸单甘酯的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料、试剂

红花籽油(市售);Novozym 435、Lipozyme RM IM、Lipozyme TL IM由Novozymes公司提供;叔丁醇、正己烷、异丙醇、甘油等皆为分析纯。

1.2 实验方法

于100 mL具塞锥形瓶中加入一定量的红花籽油和甘油,再加入一定量的叔丁醇溶解,于一定温度的气浴摇床中振荡5 min,温度达到预定值后加入适量酶,反应一定时间后,取样,离心除去酶,待检测。

1.3 单甘酯测定

采用高效液相色谱法-示差检测器(HLPC-RID)对样品的单甘酯含量进行测定。分析条件:waters 1525型液相色谱,2414示差检测器;色谱柱:phenomenex(250 mm×4.6 mm,Luna 5u Silica(2) 100A),流动相为正己烷与异丙醇混合液(体积比9 ∶ 1),流动相流速1 mL/min,RI分辨率为32,柱温35 ℃,柱压3 310 kPa;进样量10 μL。反应样品用流动相稀释10倍后进样分析。

     采用面积归一化法定量。

2 结果与讨论

2.1 脂肪酶的筛选

在加酶量5%(以红花籽油质量为基准),反应温度40 ℃,红花籽油与甘油摩尔比1∶ 4,初始加水量3%(以甘油质量为基准),油醇比20%(油质量与醇体积比)条件下,考察了3种常见脂肪酶对反应产物中单甘酯含量的影响,结果见图1。

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图1 不同酶对反应的影响

由图1可见,在叔丁醇体系中,Novozym 435表现出较高的催化效率,12 h时反应就趋于平衡,单甘酯含量达到了698%。Lipozyme RM IM与Lipozyme TL IM没有表现出令人满意的催化活力,反应进行较慢,60 h时单甘酯含量才分别达到37.44%和30.04%。所以在本实验体系中,选择Novozym 435作为进一步优化的对象。

2.2 底物摩尔比及反应时间的选择

在3%的Novozym 435酶加量,反应温度40 ℃,初始加水量3%,油醇比20%条件下,考察红花籽油与甘油摩尔比及反应时间对反应的影响,结果见图2。

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图2 底物摩尔比及反应时间对反应的影响

由图2可见,随着反应时间的延长,单甘酯含量呈上升趋势,并在8 h时趋于平衡。另外,单甘酯含量也随底物摩尔比的增大而增大,但是甘油的利用效率却没有呈正比的递增。综合考虑,为了提高底物利用率,底物摩尔比定为1∶ 3,反应时间定为8 h,此条件下单甘酯含量为56.82%。

2.3 反应温度的选择

在一定温度范围内,酶促反应速率随温度的升高而加快;但当温度升高到一定程度时,酶会因高温而失活,酶促反应速率不仅不再加快反而随着温度的升高而下降,因此大多数酶都有一个最适反应温度。在Novozym 435酶加量3%,红花籽油与甘油摩尔比1∶ 3,初始加水量3%,油醇比20%,反应时间8 h条件下,考察反应温度对反应的影响,结果见图3。

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图3 反应温度对反应的影响

从图3可知,70 ℃下酶仍能保持较高的活性,这是因为固定化酶的耐热性比较好,而且反应进行时间较短的缘故。60 ℃为本反应的最适温度,但是考虑到酶的使用寿命,选定50 ℃作为反应温度,反应结束时单甘酯含量可达到66.26%。

2.4 油醇比的选择

利用甘油解反应制备单甘酯与利用水解反应或酯化反应制备单甘酯相比,对底物的利用效率最高,但是甘油解反应存在一个很大的问题,即甘油的难溶性,这是反应速度慢的一个主要原因。本实验利用叔丁醇作为有机溶剂,能够很好地使反应底物互溶。在Novozym 435酶加量3%,红花籽油与甘油摩尔比1∶ 3,初始加水量3%,反应温度50 ℃,反应时间8 h条件下,考察油醇比对反应的影响,结果见图4。

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图4 油醇比对反应的影响

由图4可见,随着有机溶剂的加入,反应的转化率上升,当有机溶剂超过一定量后,反应转化率降低,这是因为过多的溶剂稀释了底物浓度。单甘酯含量在油醇比为40%时达到最大,为7100%。

2.5 酶加量的选择

   脂肪酶是界面反应酶,在一定的温度和pH条件下,当底物浓度大大超过酶的浓度时,酶的浓度与反应速度呈正比关系,而当酶浓度达到一定值后,反应就维持在一个较高的速度。在红花籽油与甘油摩尔比为1∶ 3,初始加水量3%,油醇比为40%,反应温度50 ℃,反应8 h条件下,考察Novozym 435酶加量对反应的影响,结果见图5。

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图5 酶加量对反应的影响

   由图5可见,随着酶加量的增加,单甘酯含量增加,综合考虑选择酶加量为3%。

2.6 连续式固定化酶填充床反应器实验

2.6.1 流速对反应的影响 在摇瓶实验基础上进行连续式固定化酶填充床反应器实验。在反应器中,反应物和产物连续进入和连续流出,反应物不需要循环反应,系统达到稳定后,反应器中没有物料的积累,温度、浓度等参数在反应器内操作稳定后不随时间而变化。该反应器为自制一带有夹层的直管反应器,夹套中通循环水控制反应温度。内管直径1.5 cm,长20 cm,加酶量4.5 g。反应温度50 ℃,油醇比40%,红花籽油与甘油的摩尔比1∶ 3,初始加水量3%。进料前,物料置于磁力搅拌器上,边搅拌边升温,温度达到预定值后,通过蠕动泵将物料以一定的流速泵入反应器。图6为流速对填充床反应的影响。综合考虑流速、日产量与产品中单甘酯含量等因素,流速选定为0.2 mL/min较为合适,产品中单甘酯含量为63%。

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图6 流速对反应的影响

2.6.2 连续式填充床反应器的稳定性 在最佳条件下连续运行填充床反应器,结果见图7。在14 d的持续运行中,单甘酯含量一直保持在63%左右,可见酶活保持很好,几乎不变。

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图7 填充床反应器的稳定性

3 结 论

   采用商业脂肪酶Novozym 435在叔丁醇有机溶剂体系下甘油解合成不饱和脂肪酸单甘酯,摇瓶反应确定最优反应参数为:红花籽油与甘油摩尔比1∶ 3,酶加量3%,反应温度50 ℃,反应时间8 h,初始加水量3%,油醇比40%。最优条件下,单甘酯含量可达71.35%。在此基础上进行填充床反应器反应,流速为0.2 mL/min,产品中单甘酯含量为63%,且反应体系稳定,连续运行14 d后,单甘酯含量仍能保持在63%。

参考文献:

[1] 孔明,杨博,姚汝华.脂肪酶催化合成单甘酯的研究进展[J].中国油脂,2003,28(7):11-13.

[2] 刘书来,毕艳兰,杨天奎.单甘酯合成与其应用[J].粮食与油脂,2001(11):30-31.

[3] 胡隼,万鹏,王芳,等.脂肪酶催化大豆色拉油甘油解合成单甘酯[J].中国粮油学报,2007,22(3):80-84.

[4] 彭立风,谭天伟.脂肪酶催化牛油甘油解反应合成单甘酯[J].河北师范大学学报,1998,22(2):219-222.

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