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有機溶劑體系中酶法合成不飽和脂肪酸單甘酯的研究

發布日期:2018-07-23 10:55來源:中國油脂網作者:未知點擊次數:
 

朱啟思,楊繼國,曾凡逵,王永華,楊 博

(華南理工大學,廣東省發酵與酶工程重點實驗室,廣州 510640)


摘要:對有機溶劑體系中脂肪酶催化合成不飽和脂肪酸單甘酯的工藝條件進行了研究。結果表明,在叔丁醇體系中最適用酶為Novozym 435。搖瓶反應最優條件為:紅花籽油與甘油的摩爾比1∶ 3,酶加量為油質量的3%,反應溫度50 ℃,反應時間8 h,初始加水量3%,油醇比40%。在此基礎上進行填充床反應器反應,流速為0.2 mL/min,產品中單甘酯含量為63%,且反應體系穩定,連續運行14 d后,單甘酯含量仍能保持在63%。

關鍵詞:Novozym 435;甘油解;叔丁醇;填充床反應器

中圖分類號:TS22   文獻標志碼:A   文章編號: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

脂肪酸單甘酯(簡稱單甘酯,MAG)是一種高效的表面活性劑,具有極強的乳化能力,能夠起乳化、起泡、分散、消泡、抗淀粉老化等作用,是食品、藥物、化妝品工業應用最為廣泛的一種乳化劑[1]。根據脂肪酸飽和度的不同,單甘酯可分為飽和脂肪酸單甘酯和不飽和脂肪酸單甘酯。由于目前單甘酯的工業合成主要是高溫堿催化氫化油或其他油脂的甘油解反應[2,3],所以國內市場上的單甘酯主要為飽和脂肪酸單甘酯。然而相比于飽和脂肪酸單甘酯,不飽和脂肪酸單甘酯乳化性能更好;常溫下為液態,可以具有某些特殊用途,如:在化妝品中用作保濕劑[4],在PVC加工中是一種優良的內部潤滑劑[5],用于藥物制劑[6]等。不飽和脂肪酸單甘酯還能為人體提供必需的不飽和脂肪酸,具有一定的營養活性,更具商業前景。因此,迫切需要尋找到一種適合于不飽和脂肪酸單甘酯生產的工藝。

    近年來,酶工程研究的突破性進展極大地拓展了酶促反應的應用領域,人們開始嘗試研究脂肪酶催化合成單甘酯。脂肪酶(EC3.1.1.3)又稱甘油酯水解酶,其基本功能是催化甘油三?;鉃楦视秃椭舅?。它作為一種高效的生物催化劑,不僅具有高立體專一性和區域專一性,而且其催化的反應類似于生物代謝,反應條件溫和,能耗低[7]。

    本文以紅花籽油為原料,研究有機溶劑體系中脂肪酶催化甘油解反應制備不飽和脂肪酸單甘酯,并在搖瓶實驗的基礎上進行實驗室填充床固定化酶反應器實驗,以期為不飽和脂肪酸單甘酯的工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料、試劑

紅花籽油(市售);Novozym 435、Lipozyme RM IM、Lipozyme TL IM由Novozymes公司提供;叔丁醇、正己烷、異丙醇、甘油等皆為分析純。

1.2 實驗方法

于100 mL具塞錐形瓶中加入一定量的紅花籽油和甘油,再加入一定量的叔丁醇溶解,于一定溫度的氣浴搖床中振蕩5 min,溫度達到預定值后加入適量酶,反應一定時間后,取樣,離心除去酶,待檢測。

1.3 單甘酯測定

采用高效液相色譜法-示差檢測器(HLPC-RID)對樣品的單甘酯含量進行測定。分析條件:waters 1525型液相色譜,2414示差檢測器;色譜柱:phenomenex(250 mm×4.6 mm,Luna 5u Silica(2) 100A),流動相為正己烷與異丙醇混合液(體積比9 ∶ 1),流動相流速1 mL/min,RI分辨率為32,柱溫35 ℃,柱壓3 310 kPa;進樣量10 μL。反應樣品用流動相稀釋10倍后進樣分析。

     采用面積歸一化法定量。

2 結果與討論

2.1 脂肪酶的篩選

在加酶量5%(以紅花籽油質量為基準),反應溫度40 ℃,紅花籽油與甘油摩爾比1∶ 4,初始加水量3%(以甘油質量為基準),油醇比20%(油質量與醇體積比)條件下,考察了3種常見脂肪酶對反應產物中單甘酯含量的影響,結果見圖1。

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圖1 不同酶對反應的影響

由圖1可見,在叔丁醇體系中,Novozym 435表現出較高的催化效率,12 h時反應就趨于平衡,單甘酯含量達到了698%。Lipozyme RM IM與Lipozyme TL IM沒有表現出令人滿意的催化活力,反應進行較慢,60 h時單甘酯含量才分別達到37.44%和30.04%。所以在本實驗體系中,選擇Novozym 435作為進一步優化的對象。

2.2 底物摩爾比及反應時間的選擇

在3%的Novozym 435酶加量,反應溫度40 ℃,初始加水量3%,油醇比20%條件下,考察紅花籽油與甘油摩爾比及反應時間對反應的影響,結果見圖2。

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圖2 底物摩爾比及反應時間對反應的影響

由圖2可見,隨著反應時間的延長,單甘酯含量呈上升趨勢,并在8 h時趨于平衡。另外,單甘酯含量也隨底物摩爾比的增大而增大,但是甘油的利用效率卻沒有呈正比的遞增。綜合考慮,為了提高底物利用率,底物摩爾比定為1∶ 3,反應時間定為8 h,此條件下單甘酯含量為56.82%。

2.3 反應溫度的選擇

在一定溫度范圍內,酶促反應速率隨溫度的升高而加快;但當溫度升高到一定程度時,酶會因高溫而失活,酶促反應速率不僅不再加快反而隨著溫度的升高而下降,因此大多數酶都有一個最適反應溫度。在Novozym 435酶加量3%,紅花籽油與甘油摩爾比1∶ 3,初始加水量3%,油醇比20%,反應時間8 h條件下,考察反應溫度對反應的影響,結果見圖3。

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圖3 反應溫度對反應的影響

從圖3可知,70 ℃下酶仍能保持較高的活性,這是因為固定化酶的耐熱性比較好,而且反應進行時間較短的緣故。60 ℃為本反應的最適溫度,但是考慮到酶的使用壽命,選定50 ℃作為反應溫度,反應結束時單甘酯含量可達到66.26%。

2.4 油醇比的選擇

利用甘油解反應制備單甘酯與利用水解反應或酯化反應制備單甘酯相比,對底物的利用效率最高,但是甘油解反應存在一個很大的問題,即甘油的難溶性,這是反應速度慢的一個主要原因。本實驗利用叔丁醇作為有機溶劑,能夠很好地使反應底物互溶。在Novozym 435酶加量3%,紅花籽油與甘油摩爾比1∶ 3,初始加水量3%,反應溫度50 ℃,反應時間8 h條件下,考察油醇比對反應的影響,結果見圖4。

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圖4 油醇比對反應的影響

由圖4可見,隨著有機溶劑的加入,反應的轉化率上升,當有機溶劑超過一定量后,反應轉化率降低,這是因為過多的溶劑稀釋了底物濃度。單甘酯含量在油醇比為40%時達到最大,為7100%。

2.5 酶加量的選擇

   脂肪酶是界面反應酶,在一定的溫度和pH條件下,當底物濃度大大超過酶的濃度時,酶的濃度與反應速度呈正比關系,而當酶濃度達到一定值后,反應就維持在一個較高的速度。在紅花籽油與甘油摩爾比為1∶ 3,初始加水量3%,油醇比為40%,反應溫度50 ℃,反應8 h條件下,考察Novozym 435酶加量對反應的影響,結果見圖5。

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圖5 酶加量對反應的影響

   由圖5可見,隨著酶加量的增加,單甘酯含量增加,綜合考慮選擇酶加量為3%。

2.6 連續式固定化酶填充床反應器實驗

2.6.1 流速對反應的影響 在搖瓶實驗基礎上進行連續式固定化酶填充床反應器實驗。在反應器中,反應物和產物連續進入和連續流出,反應物不需要循環反應,系統達到穩定后,反應器中沒有物料的積累,溫度、濃度等參數在反應器內操作穩定后不隨時間而變化。該反應器為自制一帶有夾層的直管反應器,夾套中通循環水控制反應溫度。內管直徑1.5 cm,長20 cm,加酶量4.5 g。反應溫度50 ℃,油醇比40%,紅花籽油與甘油的摩爾比1∶ 3,初始加水量3%。進料前,物料置于磁力攪拌器上,邊攪拌邊升溫,溫度達到預定值后,通過蠕動泵將物料以一定的流速泵入反應器。圖6為流速對填充床反應的影響。綜合考慮流速、日產量與產品中單甘酯含量等因素,流速選定為0.2 mL/min較為合適,產品中單甘酯含量為63%。

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圖6 流速對反應的影響

2.6.2 連續式填充床反應器的穩定性 在最佳條件下連續運行填充床反應器,結果見圖7。在14 d的持續運行中,單甘酯含量一直保持在63%左右,可見酶活保持很好,幾乎不變。

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圖7 填充床反應器的穩定性

3 結 論

   采用商業脂肪酶Novozym 435在叔丁醇有機溶劑體系下甘油解合成不飽和脂肪酸單甘酯,搖瓶反應確定最優反應參數為:紅花籽油與甘油摩爾比1∶ 3,酶加量3%,反應溫度50 ℃,反應時間8 h,初始加水量3%,油醇比40%。最優條件下,單甘酯含量可達71.35%。在此基礎上進行填充床反應器反應,流速為0.2 mL/min,產品中單甘酯含量為63%,且反應體系穩定,連續運行14 d后,單甘酯含量仍能保持在63%。

參考文獻:

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