CN103074388A - 一种超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法 - Google Patents

Abstract

一种超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，属于生物工程技术领域。本发明包括以下步骤：（1）将反应底物溶于一定体积的溶剂中，再加入一定量的脂肪酶，混合均匀；(2)置于超高压设备中进行酶催化反应，得到脂肪酸和甘油酯混合物；（3）通过分子蒸馏技术将步骤（2）所得混合物分离纯化，得到单甘酯和甘二酯。本发明的超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，反应条件温和，转化速率高，酶活损失少，有利于缩短反应时间，降低生产成本，适合大规模推广应用。

Description

一种超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法

技术领域

本发明涉及一种在超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，属于生物工程技术领域。

背景技术

单甘酯和甘二酯是一类多元醇型非离子型表面活性剂。单甘酯、甘二酯和它们的复配物，常用作乳化剂、稳定剂、起泡剂、润滑剂、抗黏剂、增塑剂及抗菌剂等，被广泛应用在日化、食品、医药、纺织印染、金属加工等行业。

目前，工业上合成单甘酯和甘二酯主要采用油脂甘油解法，一般是在高温( 220 -250℃)下以无机碱为催化剂，氮气保护下催化油脂与甘油进行反应，反应结束后需迅速降温，防止可逆反应导致单甘酯含量降低。产物为单甘酯、甘二酯、甘三酯、脂肪酸以及甘油的混合物，单甘酯含量一般为30%～40%，甘二酯为35%～40%。该方法由于需要高温，因此能耗大，色泽深，产生的副产物多。特别是对于含有双键的不饱和油脂，高温容易使双键氧化，严重影响了甘油酯产品的质量。

酶法由于反应条件温和，具有选择特异性，被认为是能够代替化学法催化甘油解最有潜力的方法。目前，限制酶法工业化的因素主要有两个：一个是酶的成本问题，一个是催化效率问题。目前，用于提高酶稳定性和催化效率的手段很多，包括：基因工程、固定化和采用新型反应体系等。

超高压是一门新兴的非热加工前沿技术。目前，被广泛用来进行食品加工和食品中有害酶的钝化。此外，研究表明在超高压作用下，有些酶可被激活。因此，超高压作为一种改善酶活性的手段受到广泛的关注，其可与传统的提高酶活性的手段相互补充和协同。

超高压影响酶催化反应的机制主要体现在三个方面：（1）影响酶结构的改变；（2）改变反应机制，如限速步骤的改变；（3）改变底物或溶剂的物理特性（pH、密度、粘度、相）。其中改变提高酶活的原因主要有以下3 个方面：（1）使酶分子构象发生限制性改变，利于酶与底物接触；（2）超高压使酶的部分活性部位裸露，使活性上升；（3）超高压处理使酶分子转变为具有催化活性的酶。

发明内容

    本发明目的在于：为了改善目前甘油酯产品质量低和酶催化效率低问题，本发明提出一种在超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，该方法反应条件温和，所用酶借于压力的保护和激活作用，反应速率快，酶活损失少，可大大改善产品质量，降低生产成本，具有工业化应用前景。

本发明的技术方案：为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种在超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，包括以下步骤：

（1）将反应底物溶于一定体积的溶剂中，其质量浓度为30%-50%，再加入一定量的脂肪酶，混合均匀；

所述脂肪酶为动植物来源的脂肪酶，选用小麦胚芽脂肪酶或猪胰腺脂肪酶；脂肪酶为游离或固定化脂肪酶；加酶量为反应底物的1%-50%（w/w）。 

所述反应底物油脂为大豆油、色拉油、橄榄油、蓖麻油、甘油、脂肪酸中的一种或几种； 

所述酶催化反应类型为水解、甘油解或酯化反应中的一种；

甘油解反应中，甘油和油脂摩尔比为2-48:1，甘油采用游离或固定于吸附材料上，吸附材料为硅胶、碳酸钙粉末、活性炭、硅藻土中的一种或几种的混合物，吸附材料和甘油的质量比为1-5:1；酯化反应中，甘油和脂肪酸摩尔比为1-10:1；

反应体系为微乳体系或有机溶剂体系，其中用于形成微乳体系的表面活性剂为聚乙二醇、2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠、溴化十六烷基三甲基铵、烷基聚乙二醇醚、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺中的一种或几种；有机溶剂为叔丁醇、正己烷、正庚烷、丙酮、异丙醇、乙腈、苯、甲苯中的一种或几种。

（2）将步骤（1）中混合物置于超高压设备中进行酶催化反应，得到脂肪酸和甘油酯混合物。 

反应温度为40-90℃，反应时间为15-240min，采用分子筛或水和盐对控制体系的水分，控制水分含量为1%-10%。对于猪胰腺脂肪酶，压力控制在100-250MPa；对于小麦胚芽脂肪酶，压力控制在100-300MPa；

（3）通过分子蒸馏技术将步骤（2）所得混合物分离纯化，分子蒸馏分离纯化分为两个阶段：第一阶段为在110-145℃，真空度为10-100pa下进行脱水，脱气，除去部分甘油、部分表面活性剂和有机溶剂；第二阶段控制温度为145-200℃，真空度为5-30pa，得到单甘酯和甘二酯。

本发明中通过甘油解合成单甘酯和甘二酯的过程中，甘油对酶和亲水性固定化材料具有吸附作用，严重影响了酶的活性以及降低底物进入酶活性位点的速率和产物的疏散速率。本发明采用将甘油固定于吸附材料上，使甘油在反应过程中慢慢释放出来，避免了上述存在的问题，有助于促进传质作用。所用的吸附材料可以为硅胶、碳酸钙粉末、活性炭、硅藻土中的一种或一种以上的混合物，吸附材料和甘油的质量比为1-5:1，较佳地，选择质量比为1:1。

本发明中通过酯化反应合成单甘酯和甘二酯的过程中，控制体系中的水含量十分关键。脂肪酸和甘油酯化合成单甘酯和甘二酯时，产物中还伴有水分子，且该反应为可逆反应，当水分过多时，反应将朝着逆反应方向进行，不利用单甘酯和甘二酯的合成。此外，体系中水分过多时，酶周围聚集的水分子增加，不利於底物与酶接触。控制体系水分的方法可采用分子筛或水和盐对，控制水分含量为1%-10%。

步骤（1）中，压力可以减少温度对酶的失活作用，这种作用在高温下尤为明显。酶催化反应过程中，温度升高有助于加快传质，提高反应速率，但温度高同时对酶的影响加大，酶更易失活。本发明中通过压力对酶的保护作用，可在较高温度下进行酶催化反应。此时，酶较稳定，酶活损失少。对于猪胰腺脂肪酶，压力控制在100-250MPa；对于小麦胚芽脂肪酶，压力控制在100-300MPa。

本发明的有益效果：

本发明的超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯，利用压力对酶的激活作用和保护作用，可提高底物的转化速率和降低酶的失活速度，有利于缩短反应时间和增加固定化酶的重复利用次数。此外，本发明相对于化学法合成单甘酯和甘二酯，条件温和，生成的副产物较少，产品质量高，适合大规模推广。

本发明利用动植物来源的脂肪酶，提取原料丰富，价格低廉，酶稳定性较好，且可采用固定化形式，可大大降低生产成本，具有工业化应用的潜力。

附图说明

图1为猪胰腺脂肪酶在60℃，在叔丁醇体系中催化大豆油甘油解反应转化率随压力的变化图。其它反应条件为：甘油摩尔比为3:1，加酶量为12%，反应时间为60min。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

实施例1

    称取橄榄油50g，加入150mL 4%的聚乙二醇溶液，10000 rpm 高速匀浆机混匀成微乳液。量取100mL微乳液作为底物，加入橄榄油质量20%的小麦胚芽脂肪酶，混匀后装于100mL反应瓶中，密封。控制高压设备温度为50℃，压力为250MPa，反应时间为2h。反应结束后，将反应混合物通过分子蒸馏进行分离纯化，纯化过程分为两个阶段，第一阶段控制温度为110℃，真空度为80pa，在此条件下除去大部分水；第二阶段控制温度为180℃，真空度为30pa，得到组合物1。

实施例2

    底物组分和操作步骤同实施例1，控制设备温度为50℃，压力为常压（0.1MPa）。反应结束后的混合物进行分子蒸馏，得到组合物2。

实施例3

    称取甘油和硅胶各15g，混合后搅拌均匀，于50℃烘箱中干燥除水。在100mL反应瓶中，加入20g大豆油，30g固定化硅胶和50mL叔丁醇，加入大豆油质量2%的猪胰腺脂肪酶。控制温度为60℃，压力为150MPa，反应时间为2.5h。反应结束后，将混合物进行分子蒸馏纯化。分子蒸馏阶段分成两个阶段，第一阶段控制温度为130℃，真空度为50pa，除去大部分甘油；第二阶段控制温度为180℃，真空度为20pa，得到组合物3。

实施例4

   控制底物在高压设备中反应时压力为常压（0.1MPa），其余操作条件与步骤同实施例3，得到组合物4。

实施例5

    称取25g癸酸和18g甘油溶于50mL正己烷中，然后加入癸酸质量10%的猪胰腺脂肪酶，混合均匀后，装于100mL反应瓶中，并加入2g分子筛，密闭。控制反应温度为70℃，压力为150MPa，反应时间为4h。反应结束后，反应混合物进入分子蒸馏阶段：第一阶段控制温度为120℃，真空度为15pa，除去大部分水和甘油；第二阶段控制温度为150℃，真空度为10pa，得到组合物5。

实施例6

控制底物在高压设备中反应时压力为常压（0.1MPa），其余操作条件与步骤同实施例5，得到组合物6。

上述实施例中的组合物具体组成如表1所示。

表1 各组合物组成与关系

综上，本发明在超高压下进行脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯，反应时间短，反应条件温和，底物转化率高，适合大规模推广。 

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (1)

1.一种超高压下脂肪酶催化合成单甘酯和甘二酯的方法，其特征在于，步骤为：

（1）将反应底物油脂溶于一定体积的溶剂中，其质量浓度为30%-50%，再加入一定量的脂肪酶，混合均匀；

所述脂肪酶为动植物来源的脂肪酶，选用小麦胚芽脂肪酶或猪胰腺脂肪酶；脂肪酶为游离或固定化脂肪酶；加酶量为反应底物w/w的1%-50%； 

所述反应底物油脂为大豆油、色拉油、橄榄油、蓖麻油、甘油、脂肪酸中的一种； 

所述酶催化反应类型为水解、甘油解或酯化反应中的一种；

甘油解反应中，甘油和油脂摩尔比为2-48:1，甘油采用游离或固定于吸附材料上，吸附材料为硅胶、碳酸钙粉末、活性炭、硅藻土中的一种，吸附材料和甘油的质量比为1-5:1；酯化反应中，甘油和脂肪酸摩尔比为1-10:1；

反应体系为微乳体系或有机溶剂体系，其中用于形成微乳体系的表面活性剂为聚乙二醇、2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠、溴化十六烷基三甲基铵、烷基聚乙二醇醚、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺中的一种或几种；有机溶剂为叔丁醇、正己烷、正庚烷、丙酮、异丙醇、乙腈、苯、甲苯中的一种或几种；

（2）将步骤（1）中混合物置于超高压设备中进行酶催化反应，得到脂肪酸和甘油酯混合物； 

反应温度为40-90℃，反应时间为15-240min，采用分子筛或水和盐对控制体系的水分，控制水分含量为1%-10%；对于猪胰腺脂肪酶，压力控制在100-250MPa；对于小麦胚芽脂肪酶，压力控制在100-300MPa；

（3）通过分子蒸馏技术将步骤（2）所得混合物分离纯化，分子蒸馏分离纯化分为两个阶段：第一阶段为在110-145℃，真空度为10-100pa下进行脱水，脱气，除去部分甘油、部分表面活性剂和有机溶剂；第二阶段控制温度为145-200℃，真空度为5-30pa，得到单甘酯和甘二酯。

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