CN101023167B - 脂肪酶粉末、其制备方法及其使用 - Google Patents
脂肪酶粉末、其制备方法及其使用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种脂肪酶粉末,其是含有脂肪酶和选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯以及它们的混合物中的至少一种的造粒物。该脂肪酶粉末提高了的脂肪酶活性。
Description
技术领域
本发明涉及可适用于各种酯化反应、酯交换反应等中的脂肪酶粉末、其制造方法、使用该脂肪酶粉末的酯化方法以及酯交换方法等。
背景技术
脂肪酶被广泛地用于脂肪酸等各种羧酸与一元醇或多元醇等醇类的酯化反应、多个羧酸酯之间的酯交换反应等中。其中,酯交换反应不仅作为动植物油脂类的改质方法,而且作为各种脂肪酸的酯、糖酯和甾族化合物的制备方法是重要的技术。当将作为油脂水解酶的脂肪酶用作这些反应的催化剂时,可在室温至约70℃左右的温和条件下进行酯交换反应,与以往的化学反应相比,不仅抑制副反应、降低能耗,而且由于作为催化剂的脂肪酶是天然物质,因此安全性也较高。另外,可以根据其底物特异性或位置特异性高效地生产目标物。然而,将脂肪酶粉末直接用于酯交换反应中也不会充分表现出其活性,而且难以将原本为水溶性的脂肪酶均匀地分散到油性原料中,其回收也困难。因此,以往通常将脂肪酶固定到一些载体上,例如阴离子交换树脂(专利文献1)、酚醛吸附树脂(专利文献2)、疏水性载体(专利文献3)、阳离子交换树脂(专利文献4)、螯合树脂(专利文献5)等上来用于酯化反应或酯交换反应等中。
如上所述,以往将脂肪酶固定化后用于酯交换反应中,但是该固定化脂肪酶不仅伴随有固定化处理导致的原有脂肪酶活性的损失,而且使用多孔性载体时原料和产物堵塞细孔,其结果带来酯交换率的降低。而且,在利用现有的固定化脂肪酶进行的酯交换反应中,由于载体所持有的水分被带入到反应体系中,因此难以避免副反应,例如在油脂类的酯交换反应中的甘油二酯或甘油单酯的生成等。
鉴于上述状况,已开发了各种使用脂肪酶粉末的技术。例如,提出了一种进行酯交换反应的方法,其在惰性有机溶剂的存在下或不存在下,将脂肪酶粉末分散到含有酯的原料中进行酯交换反应,并在酯交换反应时使分散脂肪酶粉末颗粒的90%以上保持1~100μm范围的粒径(专利文献6)。另外,还提出了使用将含有磷脂和脂溶性维生素的酶溶液进行干燥而制得的酶粉末的方案(专利文献7)。
然而,仍需要进一步提高了脂肪酶活性的脂肪酶粉末。
专利文献1:日本特开昭60-98984号公报
专利文献2:日本特开昭61-202688号公报
专利文献3:日本特开平2-138986号公报
专利文献4:日本特开平3-61485号公报
专利文献5:日本特开平1-262795号公报
专利文献6:日本专利第2668187号公报
专利文献7:日本特开2000-106873号公报
发明内容
本发明的目的在于,提供一种提高了脂肪酶活性的脂肪酶粉末。
本发明的另一目的在于,提供一种上述脂肪酶粉末的制造方法。
本发明的又一目的在于,提供使用上述脂肪酶粉末的酯化方法以及酯交换方法。
本发明的这些目的和其它目的,可以从下面的记载中明确。
本发明是基于如下见解完成的,即,当使用中链脂肪酸、其醇酯或它们的混合物,将脂肪酶造粒,制成粉末状时,脂肪酶的活性显著提高。
即,本发明提供一种脂肪酶粉末,其特征在于,其是含有脂肪酶和选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯以及它们的混合物中的至少一种的造粒物。
本发明提供一种脂肪酶粉末的制造方法,其特征在于,将选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种添加到含脂肪酶的水溶液中,进行喷雾干燥或冷冻干燥。
本发明还提供一种含有上述脂肪酶粉末的酯化用或酯交换用脂肪酶。
本发明还提供一种脂肪酸与醇的酯化方法或油脂的酯交换方法,其特征在于,使用上述脂肪酶。
具体实施方式
作为在本发明中使用的脂肪酶,可以列举出脂蛋白脂肪酶、单酰甘油脂肪酶、二酰甘油脂肪酶、三酰甘油脂肪酶、半乳糖脂肪酶、磷脂酶等。其中优选三酰甘油脂肪酶。
作为产生这些脂肪酶的微生物,有细菌、酵母、丝状菌、放线菌等不受特别限定,可以列举出假单胞菌属(Psudomonassp.)、产碱杆菌属(Alcaligenes sp.)、节杆菌属(Arthrobactersp.)、葡萄球菌属(Staphylococcus sp.)、球拟酵母属(Torulopsis sp.)、埃希氏菌属(Escherichia sp.)、日本假丝酵母属(Mycotorula sp.)、丙酸杆菌属(Propionibacterium sp.)、色杆菌属(Chromobacterium sp.)、黄单孢菌属(Xanthomonassp.)、乳酸杆菌属(Lactobacillus sp.)、梭菌属(Clostridiumsp.)、假丝酵母属(Candida sp.)、地霉属(Geotrichum sp.)、复膜孢酵母属(Saccharomycopsis sp.)、诺卡氏菌属(Nocardiasp.)、镰刀菌属(Fusarium sp.)、曲霉属(Aspergillus sp.)、青霉属(Pe nicillum sp.)、毛霉属(Mucor sp.)、根霉属(Rhizopussp.)、须霉属(Phycomyces sp.)、柄锈菌属(Puccinia sp.)、杆菌属(Bacillus sp.)、链霉菌属(Streptomyces sp.)等。
这些当中,本发明优选1,3-特异性脂肪酶,特别优选得自毛霉属和产碱杆菌属的1,3-特异性脂肪酶,进一步优选得自毛霉属的米赫根毛霉(Rhizomucor miehei)和得自产碱杆菌属的Alcaligenes sp.的1,3-特异性脂肪酶。
作为在本发明中用于将脂肪酶造粒的碳原子数为8~12的脂肪酸,可以使用饱和、不饱和直链、支链脂肪酸中的任一种。其中,优选饱和脂肪酸,更优选碳原子数为8~10的脂肪酸,特别优选碳原子数为8或10的饱和脂肪酸。这些可以使用一种或者结合使用两种以上。另外,脂肪酸的一部分还可以与碱金属或碱土类金属形成盐。这些中,较佳的是形成钠、钾这样的碱金属和盐。
作为该醇酯,可以列举出上述脂肪酸与各种醇例如一元醇、多元醇、它们的混合物形成的酯.这些中,作为醇,可以列举出乙二醇、丙二醇、丁二醇等二醇类,甘油、赤藓醇、季戊四醇、三羟甲基丙烷等.这些中,优选具有至少一个醇羟基的部分酯.尤其优选甘油单酯、甘油二酯,特别优选甘油单酯.这些可以使用一种或结合使用两种以上.
在本发明中,还可以结合使用上述脂肪酸和其醇酯。
脂肪酶与脂肪酸等(将选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯以及它们的混合物中的至少一种简称为“脂肪酸等”)的比例可以是各种比例,但优选是脂肪酸等为脂肪酶质量的0.1~20倍的量,更优选是1~20倍的量。
本发明的脂肪酶粉末,优选其水分含量为10质量%以下,特别优选为6.5~8.5质量%。
本发明的脂肪酶粉末的粒径可以是任意的,但优选脂肪酶粉末的90质量%以上,其粒径为1~100μm。另外,脂肪酶粉末的颗粒形状优选是球状的。
脂肪酶粉末的粒径例如可以使用HORIBA公司的粒度分布测定装置(LA-500)来测定。
本发明的脂肪酶粉末可以通过例如向含脂肪酶的水溶液中添加脂肪酸等,进行喷雾干燥或冷冻干燥而得到。
在此,作为含脂肪酶的水溶液,可以列举出除去菌体后的脂肪酶培养液、精制培养液、将由它们获得的脂肪酶粉末再次溶解、分散在水中得到的溶液、将市售的脂肪酶粉末再次溶解、分散在水中得到的溶液、市售的液体脂肪酶等。并且,为了进一步提高脂肪酶活性,更优选除去了盐类等低分子成分的溶液,另外,为了进一步提高粉末性状,更优选除去了糖等低分子成分的溶液。
作为脂肪酶培养液,可以列举例如,含有大豆粉、蛋白胨、玉米浸液、K2HPO4、(NH4)2SO4、MgSO4·7H2O等的水溶液。作为它们的浓度,大豆粉是0.1~20质量%,优选1.0~10质量%,蛋白胨是0.1~30质量%,优选0.5~10质量%,玉米浸液是0.1~30质量%,优选0.5~10质量%,K2HPO4是0.01~20质量%,优选0.1~5质量%。另外,(NH4)2SO4是0.01~20质量%,优选0.05~5质量%,MgSO4·7H2O是0.01~20质量%,优选0.05~5质量%。培养条件最好控制如下:培养温度为10~40℃,优选20~35℃;通气量为0.1~2.0VVM,优选0.1~1.5VVM;搅拌转速为100~800rpm,优选200~400rpm;pH为3.0~10.0,优选4.0~9.5。
菌体的分离优选利用离心分离、膜过滤等进行。另外,盐类和糖等低分子成分的除去可以通过UF膜(ultrafiltrationmembrane,超滤膜)处理来进行。具体来说,进行UF膜处理,将含有脂肪酶的水溶液浓缩至体积的1/2量,然后添加与浓缩液等量的磷酸缓冲液,将该操作重复1~5次,由此可获得除去了低分子成分的含脂肪酶的水溶液。
离心分离优选控制在200~20,000×g,膜过滤优选由MF膜(microfiltration membrane,微滤膜)、压滤机等将压力控制在3.0kg/m2以下。菌体内酶的情况下,优选用均化器、韦林氏搀合器、超声破碎、弗氏压碎器、球磨机等将细胞破碎,用离心分离、膜过滤等除去细胞残渣。均化器的搅拌转速为500~30,000rpm,优选1,000~15,000rpm;韦林氏搀合器的转速为500~10,000rpm,优选1,000~5,000rpm。搅拌时间较佳为0.5~10分钟,优选1~5分钟。超声破碎较佳在1~50KHz,优选在10~20KHz的条件下进行。球磨机最好使用直径为0.1~0.5mm左右的玻璃制小球。
在本发明中,作为含脂肪酶的水溶液,优选使用包含5~30质量%的固体成分的水溶液.
所添加的脂肪酸等,其优选为含脂肪酶的水溶液的固体成分质量的0.1~20倍的量,更优选为0.3~10倍的量,最优选为0.3~5倍的量。
在此,含脂肪酶的水溶液中的固体成分浓度,可以使用例如糖度计((株)CIS公司制造的BRX-242),以Brix.%(白利糖度%)的方式求出。
添加上述脂肪酸等之后,较佳的是将含脂肪酶的水溶液的pH调整为10以下,优选调整为6~10。pH调整优选在喷雾干燥等干燥工程即将开始之前进行,但也可以在其之前的任意工序中进行,还可以预先调整含脂肪酶的水溶液的pH,以使其在干燥工序即将开始之前的pH在上述范围内。
pH调整中可以使用各种碱性剂和酸,优选使用氢氧化钠等碱金属氢氧化物。
另外,在干燥工序之前的中途的工序中,还可以浓缩含脂肪酶的水溶液。浓缩方法没有特别的限制,可以列举出蒸发器、闪蒸器、UF膜浓缩、MF膜浓缩、利用无机盐类的盐析、利用溶剂的沉淀法、利用离子交换纤维素等的吸附法、利用吸水性凝胶的吸水法等。较佳优选UF膜浓缩、蒸发器。作为用于UF膜浓缩用组件,优选馏分分子量为3,000~100,000、优选6,000~50,000的平膜或中空纤维膜,材质优选为聚丙烯腈类、聚砜类等。
喷雾干燥最好使用例如喷嘴逆流式、盘逆流式、喷嘴并流式、盘并流式等的喷雾干燥机进行。更优选盘并流式,喷雾干燥优选将喷雾器转速控制为4,000~20,000rpm,加热控制为入口温度100~200℃,出口温度40~100℃来进行。
另外,冷冻干燥(freeze drying)也是优选的,例如优选通过实验室规模的少量用冷冻干燥机,经塔板式冷冻干燥来进行。另外,也可以通过减压干燥来调制。
当脂肪酶为1,3-特异性脂肪酶的情况下,特别是当脂肪酶为得自米赫根毛霉(Rhizomucor miehei)或得自产碱杆菌属(Alcaligenes sp.)的脂肪酶的情况下,根据本发明,该脂肪酶的1,3-选择性极其高,因而可以将该脂肪酶粉末适用作酯交换用脂肪酶。于是,使用该脂肪酶粉末,采用通常的方法,可以有效地进行油脂等的酯交换反应。
另外,还可以使用本发明的粉末脂肪酶组合物来进行酯化。在此,作为酯化对象的在分子内至少具有一个醇羟基的化合物,可以列举出各种一元醇、多元醇、氨基醇等各种化合物。具体来说,可以列举出短链、中链、长链的饱和、不饱和、直链、支链醇,二醇类、甘油、赤藓醇类这样的多元醇。在这些当中,优选甘油。
另一方面,作为羧酸,可以列举出短链、中链、长链的饱和、不饱和、直链、支链羧酸。在这些当中,可以列举出碳原子数为6~30的脂肪酸,例如辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸等。这些可以使用一种或结合使用两种以上。在这些当中,优选不饱和脂肪酸,特别优选使用共轭亚油酸。
酯化的条件可以按照例如在日本特开平13-169795号公报或日本特开平15-113396号公报等中记载的条件进行。如果列举一个例子,可以是相对于底物的总质量,即具有醇羟基的化合物与羧酸的总质量,添加0.1~2质量%的本发明的粉末脂肪酶组合物,在30~60℃下使之反应24~72小时。此时,较佳的是使反应系减压,边除去由酯化产生的水边进行反应。
接着,通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
使用UF组件(旭化成工业(株)公司制造的SIP-0013),从在水溶液中溶解、分散有脂肪酶的形态的Novo Nordisk公司制造的得自米赫根毛霉(Rhizomucor miehei)的液体脂肪酶(商品名Palatase)中除去低分子成分,得到含脂肪酶的水溶液1(固体成分浓度为20.1质量%)。具体来说,在水冷却下对液体脂肪酶(Palatase)进行UF膜处理,浓缩至1/2量的体积后,添加与浓缩液等量的pH7的0.01M磷酸缓冲液。
对于所得到的溶液,重复进行两次同样地在UF膜处理后添加磷酸缓冲液的操作,然后再次进行UF膜处理,将所得到的脂肪酶浓缩液作为含脂肪酶的水溶液1。
相对于20ml该含脂肪酶的水溶液1,添加20ml水和40ml脂肪酸甘油单酯水悬浮液(正癸酸甘油单酯(C10MAG)的3质量%水悬浮液)。使用氢氧化钠水溶液将如此制得的溶液的pH调整为pH9.1。
使用喷雾干燥器(SD-1000型:东京理化器械(株)公司制造),在入口温度130℃、干燥空气量0.7~1.1m3/min、喷雾压力11~12kpa的条件下,将该溶液进行喷雾,得到脂肪酶粉末。脂肪酶粉末颗粒的形状为球状,脂肪酶粉末的90质量%以上,其粒径在1~100μm的范围内,平均粒径为7.6μm。粒径使用HORIBA公司的粒度分布测定装置(LA-500)进行测定。
另外,含脂肪酶的水溶液中的固体成分浓度使用糖度计((株)CIS公司制造的BRX-242),以Brix.%(白利糖度%)的方式求出。
实施例2
除了使用脂肪酸水悬浮液(正癸酸(C10FA)的5质量%水悬浮液)来代替脂肪酸甘油单酯水悬浮液(正癸酸甘油单酯(C10MAG)的3质量%水悬浮液)以外,与实施例1同样地制得脂肪酶粉末。
比较例1
除了以体积比1∶1使用脂肪酶浓缩液:pH7的0.01M磷酸缓冲液以外,与实施例1同样地制得脂肪酶粉末。
按照下述方法测定如此制得的脂肪酶粉末的脂肪酶活性。结果示于表-1。
脂肪酶活性
在以1∶1(w)的比例混合三油精与三辛精而成的油中添加粉末脂肪酶,在60℃下进行反应。随时间取样10μl,用1.5ml己烷稀释后过滤掉粉末脂肪酶,将所得溶液作为气相色谱的样品。利用气相色谱(柱:DB-1ht)分析并按照下式求得反应速率。气相色谱条件是柱温:初始150℃、升温15℃/min、最终370℃,除此之外的条件与下述的1,3-选择性试验中的相同。
反应速率(%)={C34 area/(C24 area+C34 area)}×100
式中,C24代表三辛精,C34代表三辛精的一个脂肪酸被C18取代了的物质,area是它们的峰面积。
根据各时间下的反应速率,利用分析软件(Origin ver.6.1)求得反应速率常数K值。脂肪酶活性以比较例1的K值设为100时的相对活性来表示。
表-1
实施例3
使用3种脂肪酸水悬浮液、即悬浮液1(正辛酸(C8FA)的5质量%水悬浮液)、悬浮液2(正癸酸(C10FA)的5质量%水悬浮液)或悬浮液3(正十二烷酸(C12FA)的5质量%水悬浮液),并对于所得到的水溶液,用NaOH中和这些脂肪酸的一半量(pH6.8),除此之外与实施例2同样地得到脂肪酶粉末。
利用上述方法对如此制得的脂肪酶粉末的脂肪酶活性进行测定。
与比较例1的结果一起,结果示于表-2。
表-2
Claims (13)
1.一种脂肪酶粉末,其特征在于,其是含有脂肪酶和选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯以及它们的混合物中的至少一种的造粒物,其中,选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯以及它们的混合物中的至少一种的质量为脂肪酶质量的0.1~20倍。
2.根据权利要求1所述的脂肪酶粉末,其中,所述脂肪酶为1,3-特异性脂肪酶。
3.根据权利要求2所述的脂肪酶粉末,其中,所述1,3-特异性脂肪酶为得自毛霉属或产碱杆菌属的脂肪酶。
4.根据权利要求1~3任一项所述的脂肪酶粉末,其中,所述醇酯为多元醇的酯。
5.根据权利要求4所述的脂肪酶粉末,其中,所述多元醇的酯为甘油单酯。
6.根据权利要求1~5任一项所述的脂肪酶粉末,其中,所述脂肪酸为碳原子数为8或10的饱和脂肪酸。
7.根据权利要求1~6任一项所述的脂肪酶粉末,其通过将选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种添加到含脂肪酶的水溶液中,进行喷雾干燥或冷冻干燥而制得。
8.根据权利要求7所述的脂肪酶粉末,其中,在添加选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种之后,将含脂肪酶的水溶液的pH调整为6~10。
9.根据权利要求1~8任一项所述的脂肪酶粉末,其中,按质量百分比计90%以上的所述脂肪酶粉末的粒径为1~100μm。
10.一种脂肪酶粉末的制造方法,其特征在于,将选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种添加到含脂肪酶的水溶液中,进行喷雾干燥或冷冻干燥,所添加的选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种的量为含脂肪酶的水溶液的固体成分质量的0.1~20倍量。
11.根据权利要求10所述的制造方法,其中,在添加选自碳原子数为8~12的脂肪酸、其醇酯和它们的混合物中的至少一种之后,将含脂肪酶的水溶液的p H调整为6~10。
12.根据权利要求10或11所述的制造方法,其中,所述含脂肪酶的水溶液是除去菌体后的脂肪酶培养液、或其精制培养液。
13.权利要求1~9任一项所述的脂肪酶粉末在酯化或酯交换反应中的用途。
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