CN104388483A - 一种无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，将油脂原料和甘油搅拌混合后，通过装有固定化脂肪酶的玻璃柱连续进行反应，反应温度为50~60℃，得到含有甘油二酯的混合产物。本发明采用柱式连续酶解，直接得到甘油二酯粗产品，既有利于产物分离，也有利于酶的稳定性及循环应用。本发明得到的粗产物中甘油二酯含量70%左右，脂肪酸含量低于5%。经分子蒸馏后可得到纯度大于85%的甘油二酯产品。
Description
技术领域
本发明涉及甘油二酯制备技术领域，具体涉及采用连续酶解方法制备甘油二酯。
背景技术
甘油二酯是以食用油为原料制备的一类多功能添加剂，有关研究表明其具有良好的降低血脂、减轻体重、减少体脂的作用，而且食用安全。甘油二酯的化学制备方法存在高温反应生产过程能量消耗大, 所得产物感官品质较差，营养成分被破坏等问题。与化学法相比，生物酶法制备甘油二酯的条件通常较为温和，所得产品品质也较佳，是未来甘油二酯生产的发展方向。
如专利201310199809.7公开了甘油二酯的制备方法，采用的是游离脂肪酶间歇法酶解制备甘油二酯，但酶难以循环使用，产物分离步骤复杂。专利201310255990.9公开了一种甘油二酯的生产方法，采用的是间歇法甘油解制备甘油二酯，操作复杂，酶解反应不能连续化。专利200310112327.X公开了一种甘油二酯油脂的生产方法，采用的载体吸附形式的甘油作为底物进行甘油解制备甘油二酯，该方法中吸附形式的甘油尽管可以克服游离甘油难以反应的缺陷，但仍存在反应效率低和载体再生使用不方便的缺点，产业化实施的难度很大；专利201310316636.2公开了一种联产不饱和单甘酯的甘油二酯酶法生产方法，提供一种甘油三酯乙醇解反应，随后再在反应产物中补加游离甘油进行酶法甘油解反应的方法，此方法可以在获得甘油二酯的同时获得低酸价的不饱和单甘酯，但操作也较复杂，产业化实施也存在难度。
国内目前甘油二酯酶法制备研究大多直接采用成熟的商业化脂肪酶着重于酶解工艺的研究，相关的专利有CN 200810195526.4，一种酶法连续甘油解制备甘油二酯的方法，采用的是进口Novozym435固定化脂肪酶，该固载脂肪酶采用有机溶剂作为反应介质，利用脂肪酶催化油脂原料进行甘油解反应，反应完成后还需要蒸除溶剂，工艺复杂。因此开发出无需溶剂的甘油二酯酶解制备方法，将有利于甘油二酯的工业化生产。同时，商业化的固定化脂肪酶成本高，严重制约着甘油二酯制备的工业化。目前针对甘油二酯酶解制备的国产酶种的开发与固载研究较为少见。
发明内容
目前以甘油三酯为原料酶解制备甘油二酯的方法有甘油解法和水解法。甘油解法是利用甘油三酯与甘油的反应制备甘油二酯，虽然成本低，但产物纯度不高，而且反应速度慢，产率较低，工业生产不十分令人满意。水解法是通过脂肪酶直接水解甘油三酯制备甘油二酯，该方法较甘油法更为简单，缩短了甘油二酯的制备过程。
本发明的目的是针对现有以植物油为原料制备甘油二酯产业化方法的不足，提供一种酶的固定化及连续水解植物油制备甘油二酯的方法。具有操作简单、酶稳定性好、可连续使用，成本低，节能环保，清洁安全等优点。
本发明的主要原理是：植物油中甘油三酯在微水环境下酶解形成甘油二酯。由于酶的特异性，游离酶被固载到载体上时，载体在固载酶的同时吸附一定的水分，固载好的酶装进填充柱后，原料植物油中无需添加溶剂，直接泵入填充柱中反应，此酶解过程是利用脂肪酶直接水解甘油三酯，近似于油包水的酶解反应，粗产物中甘油二酯纯度达到70%左右，脂肪酸含量低于5%。
实现本发明目的的技术方案是：一种无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：将油脂原料和甘油搅拌混合后，通过装有固定化脂肪酶的玻璃柱连续进行反应，反应温度为50~60℃，得到含有甘油二酯的混合产物。
所述固定化脂肪酶通过如下方法制备：
(1)配制脂肪酶缓冲溶液：以脂肪酶为原料，按照脂肪酶的质量:缓冲溶液体积比为lg:0.5-1.5L的比例，将脂肪酶加入缓冲溶液中，搅拌混合均匀，其中，所述的缓冲溶液为pH值6.0-9.0的磷酸氢二钾与磷酸二氢钾混合缓冲溶液；
(2)制备固定化脂肪酶：以树脂为载体，按照树脂质量:脂肪酶缓冲溶液的体积比为25g:50-350mL的比例，先将树脂加入到脂肪酶缓冲溶液中，搅拌吸附1-3小时后在真空过滤器中过滤，收集滤出树脂得到固定化脂肪酶，即所述脂肪酶固载在树脂上。
所述树脂是大孔树脂、环氧树脂、伯胺基树脂、季胺基树脂、叔胺基树脂、 羟基树脂中的一种或几种混合物。
所述油脂原料为大豆油、菜籽油、花生油、玉米油、葵花籽油、小麦胚芽油、米糠油中的一种或几种混合物。
所述油脂原料与甘油质量之比为25g: 0-5g。
所述油脂原料和甘油的混合物以逆流方式泵入到准备好的固定化脂肪酶玻璃柱中进行反应。
所述玻璃柱的高径比均为5-8；固载脂肪酶后的树脂装填量为0.1-0.3g/cm3；控制油脂原料和甘油混合物的泵入速度为固定化脂肪酶玻璃柱体积mL的2-6倍/小时，进行连续水解反应10-35小时，收集固定化脂肪酶玻璃柱底端的流出液即为甘油二酯的混合产物。
对甘油二酯的混合产物进行分子蒸馏，经一次分子蒸馏得到的轻相为甘油二酯产品。
所述分子蒸馏后的分子蒸馏重相中含有未反应的油脂和脂肪酸，采用直接酯化法将脂肪酸转化为脂肪酸单酯，采用分子蒸馏分离出脂肪酸单酯，剩余油脂回收利用。
本发明有益效果为:
(1) 本发明制备甘油二酯使用连续法柱式酶解法及分子蒸馏等设备，生产成本低，产物纯度高；
(2)本发明的生产过程反应条件温和，低温反应，无添加溶剂，节约能源；工艺全过程无废物排放，未反应物料采用循环利用，进一步降低了生产成本；
(3)本发明制备出固定化脂肪酶可连续反复使用，减少了对酶的需求量，降低了生产成本，有利于可持续发展；
(4)本发明实现了固定化脂肪酶树脂柱中连续进行酶解反应，工艺步骤简单，转化效率高，能实现甘油二酯的规模化生产与连续生产，便于推广使用；
（5）本发明制备的甘油二酯产品可广泛应用于代用油脂、保健食品等行业；
（6）本专利采用甘油二酯脂肪酶，并固定化到树脂载体上，采用柱式连续酶解，直接得到甘油二酯粗产品，既有利于产物分离，也有利于酶的稳定性及循环应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1：
以脂肪酶为原料，按照脂肪酶的质量:缓冲溶液体积比为lg:1L的比例，将脂肪酶加入缓冲溶液中，搅拌混合均匀，其中，所述的缓冲溶液为pH值7.0的磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲溶液。取25g树脂加入缓冲溶液250ml中摇床吸附3小时，后在真空过滤器中过滤，将固载脂肪酶好的羟基树脂树脂装入玻璃柱中，装填量为0.2g/cm3；
将300g大豆油加入9g甘油混合均匀，控制原料油的泵入速度为固定化脂肪酶玻璃柱体积的2倍/小时，进行连续水解反应10小时，收集固定化脂肪酶玻璃柱底端的流出液，夹套温度为55℃。
将反应产物经分子蒸馏分离，采用一级蒸馏直接脱去甘油三酯和甘油，蒸馏温度为210℃。分子蒸馏所得的轻相为纯度85%的甘油二酯产品。
分子蒸馏所余重相中含有未反应的植物油和少量脂肪酸，采用直接酯化法将脂肪酸转化为脂肪酸单酯，采用分子蒸馏分离出脂肪酸单酯，剩余植物油回用于下一批甘油二酯生产。
实施例2：
以脂肪酶为原料，按照脂肪酶的质量:缓冲溶液体积比为0.8g:1L的比例，将脂肪酶加入缓冲溶液中，搅拌混合均匀，其中，所述的缓冲溶液为pH值9.0的磷酸氢二钾和磷酸二氢钾缓冲溶液。取25g环氧树脂树脂加入缓冲溶液250ml中摇床吸附1小时，后在真空过滤器中过滤，将固载好的树脂装入玻璃柱中，装填量为0.3g/cm3。
将300g大豆油加入30g甘油混合均匀，控制原料油的泵入速度为固定化脂肪酶玻璃柱体积的4倍/小时，进行连续水解反应24小时，收集固定化脂肪酶玻璃柱底端的流出液，夹套温度为60℃。
将反应粗产物进行分子蒸馏精制，采用二级蒸馏，第一步直接脱去甘油三酯和甘油，蒸馏温度为210℃。分子蒸馏出来的轻相再一次分子蒸馏提高甘油二酯纯度，得到纯度86%的甘油二酯产品。
将分子蒸馏重相含有未反应的植物油和少量脂肪酸，采用直接酯化法将脂肪酸转化为脂肪酸单酯，采用分子蒸馏分离出脂肪酸单酯，剩余植物油回用于下一批甘油二酯生产。
实施例3：
以脂肪酶为原料，按照脂肪酶的质量:缓冲溶液体积比为0.6g:1L的比例，将脂肪酶加入缓冲溶液中，搅拌混合均匀，其中，所述的缓冲溶液为pH值6.0的磷酸氢二钾和磷酸二氢钾缓冲溶液。取25g伯胺基树脂树脂加入缓冲溶液350ml中摇床吸附1小时，后在真空过滤器中过滤，将固载好的树脂装入玻璃柱中，装填量为0.1g/cm3。
将300g花生油，控制原料油的泵入速度为固定化脂肪酶玻璃柱体积的4倍/小时，进行连续水解反应30小时，收集固定化脂肪酶玻璃柱底端的流出液，夹套温度为60℃。
将反应产物经分子蒸馏分离，采用二级蒸馏，第一步直接脱去甘油三酯和甘油，蒸馏温度为210℃。分子蒸馏出来的轻相再一次分子蒸馏提高甘油二酯纯度，得到纯度89%的甘油二酯产品。
将分子蒸馏重相含有未反应的植物油和少量脂肪酸，采用直接酯化法将脂肪酸转化为脂肪酸单酯，采用分子蒸馏分离出脂肪酸单酯，剩余植物油回用于下一批甘油二酯生产。
在实施例1-3中酶解反应后固定化脂肪酶玻璃柱底端流出液中的甘油二酯粗产品纯度达到65-70%，脂肪酸含量低于5%，经分子蒸馏后可得到纯度大于85%的甘油二酯产品。
综上所述，尽管本发明的具体实施方式对本发明进行了详细描述，但本领域一般技术人员应该明白的是，上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例的描述，而非对本发明保护范围的限制，本领域一般技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：将油脂原料和甘油搅拌混合后，通过装有固定化脂肪酶的玻璃柱连续进行反应，反应温度为50~60℃，得到含有甘油二酯的混合产物。
2.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于所述固定化脂肪酶通过如下方法制备：
(1)配制脂肪酶缓冲溶液：以脂肪酶为原料，按照脂肪酶的质量:缓冲溶液体积比为lg:0.5-1.5L的比例，将脂肪酶加入缓冲溶液中，搅拌混合均匀，其中，所述的缓冲溶液为pH值6.0-9.0的磷酸氢二钾与磷酸二氢钾混合缓冲溶液；
(2)制备固定化脂肪酶：以树脂为载体，按照树脂质量:脂肪酶缓冲溶液的体积比为25g:50-350mL的比例，先将树脂加入到脂肪酶缓冲溶液中，搅拌吸附1-3小时后在真空过滤器中过滤，收集滤出树脂得到固定化脂肪酶即所述脂肪酶固载在树脂上。
3.如权利要求2所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述树脂是大孔树脂、环氧树脂、伯胺基树脂、季胺基树脂、叔胺基树脂、 羟基树脂中的一种或几种混合物。
4.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述油脂原料为大豆油、菜籽油、花生油、玉米油、葵花籽油、小麦胚芽油、米糠油中的一种或几种混合物。
5.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述油脂原料与甘油质量之比为25g: 0-5g。
6.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述油脂原料和甘油的混合物以逆流方式泵入到准备好的固定化脂肪酶玻璃柱中进行反应。
7.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述玻璃柱的高径比均为5-8；固载脂肪酶后的树脂的装填量为0.1-0.3g/cm3；控制油脂原料和甘油混合物的泵入速度为固定化脂肪酶玻璃柱体积mL的2-6倍/小时，进行连续水解反应10-35小时，收集固定化脂肪酶玻璃柱底端的流出液即甘油二酯的混合产物。
8.如权利要求1所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：对甘油二酯的混合产物进行分子蒸馏，经过一次分子蒸馏得到轻相高纯度甘油二酯产品。
9.如权利要求8所述的无溶剂连续酶解制备甘油二酯的方法，其特征在于：所述分子蒸馏后的分子蒸馏重相含有未反应的油脂和脂肪酸，采用直接酯化法将脂肪酸转化为脂肪酸单酯，采用分子蒸馏分离出脂肪酸单酯，剩余油脂回收利用。
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