CN1094439A - 修饰植物油的酯交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过酯交换修饰植物油的方 法。该方法所用催化剂是微生物脂肪酶，将这种酶固 定化后具有脂肪酸专一性，它使植物油的甘油三酸酯 得到专一性地修饰。酯交换体系中存在一定量水，水 的重量占催化剂重量25％以下。通过本发明的方法 可使廉价的，广泛栽培的植物油熔融特性改善或营养 价值提高。

Description

本发明是关于用酯交换方法对植物油进行修饰，其目的是提供经改良的，以食用为目的的油脂。

植物油主要成份是甘油三酸酯，此外也包括少量游离脂肪酸、单甘酯、二甘酯及不皂化成份如固醇等。食用植物油的物理性质特别是熔融特性是非常重要的，该性质与植物油甘油三酸酯分子中脂肪酸的组成与分布密切相关。天然植物油甘油三酸酯分子中，含有碳数范围很宽、饱和度不同的脂肪酸，致使各种植物油的熔融特性各不相同。这可概括为不饱和度较高的脂肪酸和碳链较短的脂肪酸构成的甘油三酸酯，其熔点较低;反之，熔点较高。

从营养角度考虑、希望食用植物油甘油三酸酯中含有较多的不饱和脂肪酸特别是亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等人体必需脂肪酸，现代医学研究表明，它们对动脉硬化等心血管疾病有防治作用。而食品工业所需的一些油脂，特别是制造巧克力所需的油脂，对其熔融特性有特殊要求，这需甘油三酸酯分子中含有一定比例及一定链长范围的饱和脂肪酸。

制造巧克力最理想的油脂是天然可可脂，因为它有宝贵的熔融特性：它能在人的体温范围迅速熔化，由硬固体变为流动性佳的流体，因此在口腔中不仅能迅速熔化并能迅速离开舌头，给人以舒适 的口感。然而天然可可脂仅产于热带、产量少、价格昂贵。以广泛栽培的、价廉的植物油为原料，制取可可脂的替代物-代可可脂的研究已持续了许多年。迄今已报导的方法有：

（一）通过加氢，增加脂肪酸的饱和度以提高植物油的熔点。加氢需在金属催化剂存在下于高温下进行，其缺点是能耗高、催化剂不易分离、必然伴随反式酸的生成而增加了产品的复杂性。

（二）通过碱金属催化酯交换，改变原料植物油的脂肪酸组成，其缺点在于这种酯交换是随机的，无专一性可言。这种以碱金属为基础的催化剂，对甘油三酸酯分子中所有位置和所有脂肪酸都发生作用，得到组成和物性不固定的产品。

（三）采用专一性脂肪酶催化酯交换对植物油甘油三酸酯进行专一性地修饰。如1，3-专一性脂肪酶主要对甘油三酸酯的1-位和3-位发生作用。还有一类是脂肪酸专一性酶，它只对9-位具有双键的脂肪酸如油酸、亚油酸发生作用，而与这些酸在甘油三酸酯分子中的位置无关。迄今，找到的专一性脂肪酶来源有限。在U.S.Pat4，275，081和U.S.Pat4，420，560中，公布了一些来自微生物的专一性脂肪酶催化的酯交换反应。这些专利中列举的产1，3-专一性脂肪酶的微生物有Asperg-ius  niger，Mucor  miehei，Rhizop-us  niveus，Rhizopus  arrhizus，Pseudomonas  mephitica种等，产脂肪酸专一性酶的微生物是Gevirichum  candium种。

专一性地酯交换是按照人们的需要对植物油进行定向修饰的有效方法，但迄今已公布可供选择的产专一性脂肪酶的微生物有限，因此寻找新酶源，扩大供选择的范围是重要而有意义的。

脂肪酶催化酯交换反应，通常是在有机溶剂中于存在少量水的情况下进行足够的时间，然后除去催化剂、溶剂和未反应完的原料，得到经改良的油脂。

酯交换反应体系中存在的少量水需严格控制，一方面，这个水的量能足以使酶活化，同时这个水的量不致引起明显的水解反应。上述两篇美国专利中，提出酯交换体系中存在的水与所用酶催化剂的重量百分比为10%以下，最好是1%以下。为此，常常需对原料及溶剂进行干燥处理等繁琐步骤，使酶催化酯交换的应用受到局限。

本发明提出一种修饰植物油的酯交换方法。本发明的目的是为了扩大专一性脂肪酶的来源以及扩大专一性酯交换的应用范围，以制备经改良的适宜于食用的新油脂。本发明的基本特征是采用Candida  Lipolytica产脂肪酶作为酯交换催化剂。将这种脂肪酶通过吸附固定到水不溶载体上，在占催化剂重量25%以下的水存在下，实现植物油甘油三酸酯与游离脂肪酸或脂肪酸甲基酯之间的酯交换反应。

在上述两篇美国专利中，产专一性脂肪酶的菌种未涉及到Candida  Lipolytica。本发明的特征在于将Candida  Lipolytica产脂肪酶经固定化以后，对植物油甘油三酸酯的酯交换反应具有专一性，这种固定化脂肪酶属脂肪酸专一性酶，它对9-位上有双键的脂肪酸具有专一性而与这些脂肪酸在甘油三酸酯分子中的位置无关。

本发明中用于固定酶的水不溶载体可在硅藻土、活性炭、氧化铝、玻璃以及天然或合成高分子材料中选择。这些载体可以是粉状、粒状或纤维状。

本发明的特征在于作为催化剂的脂肪酶可以采用工业酶制剂以省去提纯酶的繁琐操作。

本发明所用固定化酶的水解活性≥40U/g。本发明提出的酯交换反应中，所用催化剂的量相对于每克反应物的酶活≥40U。

酶催化酯交换通常在少量水存在下于有机溶剂中进行。酯交换体系中的水含量需严格控制。本发明的特征在于酯交换体系中，存在的水与所用催化剂的重量比为25%以下，最好是10-20%，在这样高的水含量情况下，能达到通常酯交换的效果。与上述两篇美国专利提出的10%以下最好是0.2-1%的水含量相比，本发明的优点是不需要原料干燥步骤并使酶催化酯交换方法的应用范围扩大。

适用于本发明的植物油是由C14-C22脂肪酸构成的甘油三酸酯为主要成份的植物油如棕榈油、橄揽油、葵花籽油、大豆油、花生油、菜籽油等。本发明的特征在于我国南方普遍栽培且价廉的、芥酸含量高达40%以上的高芥酸型菜籽油，特别适用于本发明。

适用于本发明的游离脂肪酸是C14-C20饱和或不饱和脂肪酸，也可是这些脂肪酸的甲基酯。

本发明提出的酯交换方法中，作为反应物的甘油三酸酯与游离脂肪酸或其甲基酯的克分子比是1-7∶1，视反应需进行的程度而定。

本发明提出的酯交换工艺是40℃、常压、存在少量水的情况下于有机溶剂中反应足够的时间、然后将产物与催化剂及溶剂分离，得到被修饰了的新油脂。温和的反应条件不仅节能，且能抑制副反应的发生，使产品易于提纯。

本发明提出的酯交换反应时间是40-90小时，最好是48-72小时，视需要而定。

本发明提出的酯交换方法中，所用有机溶剂是正己烷或石油醚，石油醚的沸程是40-120℃，最好是60-90℃。本发明提出的方法中，溶剂可以回收并再使用。

本发明提出的酯交换方法中，作为催化剂的固定化脂肪酶可以回收并再使用。这就增加了本发明的经济性。

本发明提出的酯交换反应为间歇式操作，在恒温摇动装置内进行或恒温搅拌装置中进行。视反应规模而定。

本发明适用于专一性地修饰甘油三酸酯的脂肪酸组成以提高植物油的使用价值和经济价值。这包括两个方面，一方面是用所希望的饱和脂肪酸去取代甘油三酸酯中的不饱和脂肪酸以提高植物油的熔点，使其适合用作人造黄油、代可可脂等食品工业用特种油脂，另一方面是用不饱和度较高且对人体有益的脂肪酸去取代原甘油三酸酯中不饱和度较低的脂肪酸或饱和脂肪酸以提高植物油的营养价值。这两方面的结果都使廉价的天然植物油得到专一性地修饰，所得被修饰了的油脂与原料植物油比，前者使用价值和经济价值得到明显提高。

下面，用实例进一步说明本发明。

实例一

将精制菜籽油4g与棕榈酸1.5g溶于60ml石油醚（沸程60-90℃）中，再加入纤维状有机高分子固定化脂肪酶6g，蒸馏水1.2ml，40℃、摇动反应72小时。将催化剂滤出，用石油醚洗催化剂。将洗涤液与滤液合并，负压蒸出溶剂。得到淡 黄色、软固体状产物。将产物的一部分进行薄层色谱（TLC）分离，薄层分离使用的是20cm×20cm硅胶G板，展开剂为：石油醚（沸程60-90℃）∶乙醚∶乙酸＝80∶20∶1，展开后各谱带经扫描定量。结果列于表1。

表1 酯交换产物组成

成份	单甘酯	二甘酯	三甘酯	脂肪酸	其它
						含量（Wt%)	1.7	3.6	56.6	36.4	1.6

收集三甘酯谱带，照IUPAC推荐的方法（参考：Stunderd  methods  for  the  analysis  of  oils，fats  and  derivatives，6th  ed，Porgamon  New  York，1979）将其转化为脂肪酸甲酯，作气液色谱（GLC）分析，结果示于表1。

表2 原料菜籽油及酯交换物中，三甘酯的脂肪酸组成

脂肪酸	在菜籽油甘油三酸酯中（Wt%)	在产物甘油三酸酯中（Wt%)
			14:0		8.7
16:0	3.6	14.7
			18:0	1.6
18:1	20.0	21.2
			18:2	24.8	5.6
20:1	8.7	8.1
			22:1	41.3	41.8

再取一部分产物进行薄层色谱分离，收集三甘酯谱带，用胰脂酶水解，将水解产物再进行薄层分离（展开剂为正己烷∶乙醚∶甲酸＝70∶30∶1），展开所得2-单甘酯谱带将其转化为脂肪酸甲酯，作GLC分析，得到2-位脂肪酸组成，将此组成数据与表2数据结合用Vander  Wal等提出的方法〔参考：Vander  Wal  &  Coleman′s  hypoth-esis  JAOCS  Vol.37，18（1960）〕计算三甘酯中脂肪酸的位置分布，结果示于表3。

表3 三甘酯中脂肪酸位置分布

脂肪酸	菜籽油三甘酯			酯交换产物三甘酯
							1        2        3			1         2      3
	14：0				12.2     1.5     12.2
16；0								5.2    0.4     5.2			0.9      42.4    0.9
	18：0	2.3    0.2     2.4			-3.5      6.9    -3.9
18：1								7.0    45.9    7.0			26.9     9.9     26.9
	18：2	10.4    53.6    10.4			4.8      7.0    4.8
20：1								13.1      0    13.1			-0.9     26.6    -0.9
	22：1	62.0      0    62.0			59.4      6.7      59.4
ΣS								7.5     0.1      7.5			16.6      50.6    16.6
	ΣU	92.5    99.5      92.5			92.1     49.7    92.1

上述各表数据表明，酯交换结果，使菜籽油中棕榈酸由3.6%增加到14.7%，亚油酸由24.8%减少到5.6%，其它脂 肪酸含量无明显变化，交换上去的棕榈酸主要分布在2-位上，棕榈酸取代了原2-位上的亚油酸。

实例二

将棕榈油4g与1.5g硬脂酸甲酯一起溶解到60ml石油醚（沸程60-90℃）中。加入已用0.6ml水润湿了的Celite545A固定化脂肪酶6g，40℃下摇动反应60小时。反应停止以后的产物分离及分析方法同实例1所述，不同点在于未测定脂肪酸的位置分布。所测甘油三酸酯的脂肪酸组成示于表4。

表4 原料及产物三甘酯的脂肪酸组成

脂肪酸	14:0	16:0	18:0	18:1	18:2	20:1
							原料柠榈油	1.0	50.1	4.5	37.1	8.0	0.07
酯交换产物1	0.4	38.3	25.4	28.0	2.7
							酯交换产物2	0.9	49.5	34.4	12.6	9.8

注：产物1：酯交换反应48h所得。

产物2：酯交换反应60h所得。

表4数据表明，反应60h后，酯交换产物与原料棕榈油比较：甘油三酸酯中，硬脂酸由4.5%增加到34.4%，油酸由37.1%减少到12.6%，此外亚油酸略有增加，其余脂肪酸无明显变化。这一结果再次显示了所用固定化酶的脂肪酸专一性。

实例3

将橄榄油4g与亚油酸2g溶解到60ml石油醚（沸程60-90℃）中，再加入纤维状有机高分子载体固定化脂肪酶6g，蒸馏水0.6ml，于40℃下，摇动反应60h，产物分离及分析方法同实例1，不同点在于未测定脂肪酸位置分布。分析结果示于表5。

表5 原料及产物三甘酯的脂肪酸组成

脂肪酸	16:0	18:0	18:1	18:2	20:1	22:1
							橄揽油	20.5		78.8		0.7
脂交换产物	14.8	1.9	53.9	13.1	10.2	5.9

表5结果表明，经交换后，原料橄榄油三甘酯中，油酸由78.8%减少到53.9%，而对人体有益的亚油酸由0增加到13.1%，表中的花生-烯酸及芥酸可能来自原料亚油酸中。该实例表明，通过本发明提供的方法，实现了用不饱和度较高的亚油酸专一性地取代橄榄油中的不饱和度较低的油酸，从而提高了植物油的营养价值。

Claims (15)

1、一种修饰植物油的酯交换方法，其特点是以具有脂肪酸专一性的固定化微生物脂肪酶为催化剂，在占催化剂重量25%以下的水存在下，使由C12-C22脂肪酸构成的植物油甘油三酸酯与C12-C22游离脂肪酸之间发生酯交换反应，得到被专一性修饰了的新油脂。

2、按照权利要求1的方法，其特征是作为催化剂的微生物酶是Candida  Lipolytica产脂肪酶。

3、按照权利要求1的方法，其特征是固定化微生物脂肪酶对9-位有双键的脂肪酸具有专一性而与这些酸在三甘酯中的位置无关。

4、按照权利要求1的方法，其特征是酯交换反应体系中存在的水，其重量占催化剂重量的25%以下。

5、按照权利要求1的方法，其特征是固定化脂肪酶的制备方法是将水溶性脂肪酶通过吸附固定到水不溶载体上。

6、按照权利要求5的方法，其特征是固定酶的载体选自硅藻土、活性炭、氧化铝、天然及合成高分子材料。这些载体是粉状、粒状或纤维状。

7、按照权利要求5的方法，其特征是固定化脂肪酶的水解活性≥40U/g。

8、按照权利要求1的方法，其特征是酯交换体系中存在水的重量占反应物总重量的25%以下。

9、按照权利要求1的方法，其特征是每克反应物所对应的酶活≥40U。

10、按照权利要求1的方法，植物油选自棕榈油、橄榄油、大豆油、葵花籽油、高芥酸及低芥酸菜籽油。

11、按照权利要求1的方法，游离脂肪酸是C₁₄-C₂₀饱和及不饱和脂肪酸。

12、按照权利要求1的方法，游离脂肪酸可用C₁₄-C₂₀脂肪酸甲基酯代替。

13、按照权利要求1的方法，其特征是植物油三甘酯与游离脂肪酸的摩尔比是1-10∶1。

14、按照权利要求1的方法，其特征是反应条件为常压、30-50℃、在有机溶剂如沸程60-120℃的石油醚或正己烷中反应40-90h。

15、按照权利要求1的方法，其特征是反应结束后催化剂能与产物分离并可再使用。