CN114231571B - 一种固定化复合脂肪酶催化合成硬脂酸单甘酯的生产方法 - Google Patents

一种固定化复合脂肪酶催化合成硬脂酸单甘酯的生产方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，具体是按比例配置成复合酶再与吸附剂混合制备固定化脂肪酶，并装满反应柱；将氢化油和甘油按摩尔比1:2‑10混合，保持溶液温度在65‑70℃按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶的反应柱A，然后保持溶液温度在55‑65℃通过装满固定化脂肪酶的反应柱B，反应液通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物‑粗酯，并回收过量的甘油；粗酯通过二级分子蒸馏得到高品质的单硬脂酸甘油酯产品，并回收未分离的甘油和未反应的二、三酯。

Description

一种固定化复合脂肪酶催化合成硬脂酸单甘酯的生产方法
技术领域
本申请属于生物工程领域，具体为一种固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法。
背景技术
单硬脂酸甘油酯(Glycerol monostearate，MG)是一种重要的多元醇型非离子表面活性剂，具有乳化、柔软、抗雾、抗静电、润滑等特性是优良的乳化剂，已成为食品、日用化工及医药工业上不可缺少的乳化剂品种之一。
在一些相关技术中，采用脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的工艺，但是该工艺都为甘油三酯水解或甘油和脂肪酸酯化来生产，反应体系水分高，体系PH值变化大，脂肪酶容易失活，生产的单硬脂酸甘油酯酸值高。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种反应体系水分低、体系PH值变化小、脂肪酶不易失活的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法。
为解决以上技术问题，本申请的一种固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，该方法包括以下步骤：
按比例配置成复合酶A再与吸附剂混合得到固定化脂肪酶A；
按比例配置成复合酶B再与吸附剂混合得到固定化脂肪酶B；
将氢化油和甘油按摩尔比1:2-10混合，获得混合液，保持混合液温度在 60-70℃；
将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，其中，反应温度保持在预设温度A，反应时长为预设时间A；
将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，其中，反应温度保持在预设温度B，反应时长为预设时间B；
将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油并获得高含量单硬脂酸甘油酯，并将蒸馏后的底物打入氢化油原料罐；
所述预设温度A高于预设温度B，所述预设时间A长于所述预设时间B。
优选的，氢化油和甘油按摩尔比为1:4-6。
进一步的，所述复合酶A为非特异性复合脂肪酶，包括
血清脂肪酶 20～40wt％
南极假丝酵母脂肪酶 60～80wt％
十二烷基硫酸钠 1～5wt％。
进一步的，所述复合酶B为非特异性复合脂肪酶，包括
猪胰酶 30～50wt％
南极假丝酵母脂肪酶 50～70wt％
十二烷基硫酸钠 1～5wt％。
进一步的，配置所述复合酶A和/或所述复合酶B时需添加十二烷基硫酸钠。
进一步的，所述吸附剂包括
蛭石 10～20wt％
沸石分子筛 30～40wt％
大孔丙烯酸树脂 40～60wt％。
进一步的，所述复合酶A与所述吸附剂的质量比为1:2～1:6；所述复合酶B与所述吸附剂的质量比为1:4～1:10。
进一步的，所述预设温度A为65-70℃，所述预设时间A为8-15小时；所述预设温度B为55-60℃，所述预设时间B为6-10小时。
进一步的，所述二级分子蒸馏的方法包括以下
在真空度小于30帕、温度160-165℃的条件下蒸馏回收甘油；
在真空度小于5帕、温度165-170℃的条件下蒸馏得到高含量单硬脂酸甘油酯和底物，该底物包括二酯和三酯。
进一步的，所述氢化油和甘油的混合摩尔比为1:4-6。
本申请的有益之处在于：提供了一种反应体系水分低、体系PH值变化小、脂肪酶不易失活的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法。
附图说明
图1为本申请一种实施例的工艺流程图。
具体实施方式
除非特别说明，本申请中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本申请的范围，本申请的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本申请实质和范围的前提下，对这些实施方案中的反应条件、分离提取条件进行的各种改变或改动也属于本申请的保护范围。
实施例一：
本实施例公开了一种固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，该方法包括以下步骤：
a)制备固定化脂肪酶A：按比例配置成复合酶A再与吸附剂混合得到；其中，复合酶A按血清脂肪酶(LPS)20wt％、南极假丝酵母脂肪酶78wt％、十二烷基硫酸钠(K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛 35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶A与吸附剂按1:5混合，制成固定化脂肪酶A；
b)制备固定化脂肪酶B：按比例配置成复合酶B再与吸附剂混合得到；其中，复合酶B按猪胰酶30wt％、南极假丝酵母脂肪酶68wt％、十二烷基硫酸钠(K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶B与吸附剂按1:8混合，制成固定化脂肪酶B；
c)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，获得混合液，保持混合液温度在67℃；
d)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，反应温度保持为预设温度A，反应时长为预设时间A；其中，预设温度A为66℃，预设时间A为10小时；预设流速按照设备体积和保留时间计算得到，此计算方法为现有技术，在此不做赘述；
e)继续将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，反应温度保持为预设温度B，反应时长为预设时间B；其中，预设温度B为55℃，预设时间B为8小时；
f)将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
g)粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油、单硬脂酸甘油酯及底物，其中，一级为在真空度小于30帕、温度160℃的条件下回收甘油，二级为在真空度小于5帕、温度166℃的条件下蒸出高含量单甘酯，蒸馏后获得的底物为二酯、三酯，并在底物打入氢化油原料罐，重复利用。其中，步骤a)、b)、c)的顺序可以任意互换。
实施例二：
a)制备固定化脂肪酶A：按比例配置成复合酶A再与吸附剂混合得到；其中，复合酶A按血清脂肪酶(LPS)38wt％、南极假丝酵母脂肪酶60wt％、十二烷基硫酸钠(K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶A与吸附剂按1:5混合，制成固定化脂肪酶A；
b)制备固定化脂肪酶B：按比例配置成复合酶B再与吸附剂混合得到；其中，复合酶B按猪胰酶48wt％、南极假丝酵母脂肪酶50wt％、十二烷基硫酸钠 (K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶B与吸附剂按1:8混合，制成固定化脂肪酶B；
c)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，获得混合液，保持混合液温度在 67℃；
d)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，反应温度保持为预设温度A，反应时长为预设时间A；其中，预设温度A为66℃，预设时间A为10小时；
e)继续将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，反应温度保持为预设温度B，反应时长为预设时间B；其中，预设温度B为55℃，预设时间B为8小时；
f)将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
g)粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油、单硬脂酸甘油酯及底物，其中，一级为在真空度小于30帕、温度160℃的条件下回收甘油，二级为在真空度小于5帕、温度166℃的条件下蒸出高含量单甘酯，蒸馏后获得的底物为二酯、三酯，并在底物打入氢化油原料罐，重复利用。
h)其中，步骤a)、b)、c)的顺序可以任意互换。
实施例三：
a)制备固定化脂肪酶A：按比例配置成复合酶A再与吸附剂混合得到；其中，复合酶A按血清脂肪酶(LPS)30wt％、南极假丝酵母脂肪酶68wt％、十二烷基硫酸钠(K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶A与吸附剂按1:5混合，制成固定化脂肪酶A；
b)制备固定化脂肪酶B：按比例配置成复合酶B再与吸附剂混合得到；其中，复合酶B按猪胰酶40wt％、南极假丝酵母脂肪酶58wt％、十二烷基硫酸钠 (K12)2wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶B与吸附剂按1:8混合，制成固定化脂肪酶B；
c)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，获得混合液，保持混合液温度在 67℃；
d)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，反应温度保持为预设温度A，反应时长为预设时间A；其中，预设温度A为66℃，预设时间A为10小时；
e)继续将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，反应温度保持为预设温度B，反应时长为预设时间B；其中，预设温度B为55℃，预设时间B为8小时；
f)将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
g)粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油、单硬脂酸甘油酯及底物，其中，一级为在真空度小于30帕、温度160℃的条件下回收甘油，二级为在真空度小于5帕、温度166℃的条件下蒸出高含量单甘酯，蒸馏后获得的底物为二酯、三酯，并在底物打入氢化油原料罐，重复利用。
其中，步骤a)、b)、c)的顺序可以任意互换。
对比例一：
a)制备固定化脂肪酶A：按比例配置成复合酶A再与吸附剂混合得到；其中，复合酶A按血清脂肪酶(LPS)30wt％、南极假丝酵母脂肪酶68wt％配置成，吸附剂按蛭石15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶A与吸附剂按1:5混合，制成固定化脂肪酶A；
b)制备固定化脂肪酶B：按比例配置成复合酶B再与吸附剂混合得到；其中，复合酶B按猪胰酶40wt％、南极假丝酵母脂肪酶58wt％配置成，吸附剂按蛭石 15wt％、沸石分子筛35wt％、大孔丙烯酸树脂50wt％配置成，然后复合酶B与吸附剂按1:8混合，制成固定化脂肪酶B；
c)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，获得混合液，保持混合液温度在67℃；
d)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，反应温度保持为预设温度A，反应时长为预设时间A；其中，预设温度 A为68℃，预设时间A为10小时；
e)继续将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，反应温度保持为预设温度B，反应时长为预设时间B；其中，预设温度B为56℃，预设时间B为8小时；
f)将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
g)粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油、单硬脂酸甘油酯及底物，其中，一级为在真空度小于30帕、温度163℃的条件下回收甘油，二级为在真空度小于5 帕、温度165℃的条件下蒸出高含量单甘酯，蒸馏后获得的底物为二酯、三酯，并在底物打入氢化油原料罐，重复利用。
对比例二：
a)制备固定化脂肪酶：按比例配置成复合酶再与吸附剂混合得到：按血清脂肪酶(LPS)23wt％、猪胰酶26wt％、南极假丝酵母脂肪酶50wt％、十二烷基硫酸钠(K12)1wt％置成复合酶，蛭石13wt％、沸石分子筛36wt％、大孔丙烯酸树脂51wt％配制成吸附剂，然后复合酶与吸附剂按1:5混合，配制成固定化脂肪酶；
b)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，保持溶液温度在67℃；
c)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶的反应柱A，保持反应温度A为68℃，保留时间A为8小时，进行酯交换反应A；
d)继续将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶的反应柱B，保持反应温度B为68℃，保留时间A为10小时，进行酯交换反应B；
e)将混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
f)粗酯通过二级分子蒸馏：一级：真空度小于30帕、温度160℃回收甘油，二级：真空度小于5帕、温度165℃蒸出高含量单甘酯，蒸馏后底物为二、三酯，打入氢化油原料罐。
对比例三：
a)将氢化油和甘油按摩尔比1:5混合，保持溶液温度在67℃；
b)将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶Novozym 435的反应柱A，保持反应温度A为67℃，保留时间A为10小时，进行酯交换反应A；
c)继续将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶Novozym 435的反应柱B，保持反应温度B为56℃，保留时间B为8小时，进行酯交换反应 B；
d)将混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
e)粗酯通过二级分子蒸馏：一级：真空度小于30帕、温度162℃回收甘油，二级：真空度小于5帕、温度167℃蒸出高含量单甘酯，蒸馏后底物为二、三酯，打入氢化油原料罐。
下面列出实施例1～3和对比例1～3的测试结果：
表一
本申请采用固定化脂肪酶作为催化剂，催化氢化油和甘油通过酯交换法合成硬酯酸单甘酯，反应条件温和，转化效率高，产物纯度高，酶活损失少；
本申请采用固定化脂肪酶为非特异性复合脂肪酶，价格便宜，适合大规模推广应用；
本申请采用复合脂肪酶，包括血清脂肪酶(LPS)、猪胰酶、南极假丝酵母脂肪酶，通过协同不但加快了反应速度，还提高了硬酯酸单甘酯的产量；
本申请制作固定化脂肪酶时，添加十二烷基硫酸钠(K12)，通过十二烷基硫酸钠(K12)能提高了酶的化学活性和分子间交互性；
本申请制作固定化脂肪酶时，添加十二烷基硫酸钠(K12)，通过十二烷基硫酸钠(K12)不但提高了酶的互溶性和渗透性，还提高了酶在吸附剂上的附着性；
本申请制作固定化脂肪酶时，添加十二烷基硫酸钠(K12)，能在甘油解反应时，降低油脂表面张力，使油脂发生乳化，改善油脂和甘油、水的相溶性、提高反应速率和转化率；
本申请方法不用添加溶剂，产品免受有机溶剂和乳化剂的污染，减少了有害物质的带入和有效降低了生产成本；
本申请方法反应体系简单、反应条件温和，反应中不会产生其它副产物，简化单甘酯产物分离成本；
本申请方法反应体系简单，未反应的甘油和二、三酯可作为原料，继续用于单硬脂酸甘油酯的生产，有效降低了废水、废气和固废的产生；
本申请方法不用添加酸、碱、盐等辅助原料，降低了废水、废气和固废的排放，同时反应条件温和，具有减少能耗和环境友好的优点。
本申请中将复合酶分为复合酶A和复合酶B，从而使得不同的酶能够在不同的温度进行催化，从而提高反应效率，延长酶的使用时间。

Claims (5)

1.一种固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
按比例与十二烷基硫酸钠配置成复合酶A再与吸附剂混合得到固定化脂肪酶A；
按比例与十二烷基硫酸钠配置成复合酶B再与吸附剂混合得到固定化脂肪酶B；
将氢化油和甘油按摩尔比1:2-10混合，获得混合液，保持混合液温度在60-70℃；
将混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶A的反应柱A，进行酯交换反应A，其中，反应温度保持在预设温度A，反应时长为预设时间A；
将进行过酯交换反应A的混合液按预设流速缓慢通过装满固定化脂肪酶B的反应柱B，进行酯交换反应B，其中，反应温度保持在预设温度B，反应时长为预设时间B；
将进行过酯交换反应B的混合液打入沉降罐，通过沉降得到富含单硬脂酸甘油酯的产物-粗酯，并回收过量的甘油；
粗酯通过二级分子蒸馏的方法回收甘油并获得高含量单硬脂酸甘油酯，并将蒸馏后的底物打入氢化油原料罐；
所述预设温度A高于预设温度B，所述预设时间A长于所述预设时间B；
其中，所述复合酶A为非特异性复合脂肪酶，包括
血清脂肪酶20～40wt％
南极假丝酵母脂肪酶60～80wt％
十二烷基硫酸钠1～5wt％；
所述复合酶B为非特异性复合脂肪酶，包括
猪胰酶30～50wt％
南极假丝酵母脂肪酶50～70wt％
十二烷基硫酸钠1～5wt％；
所述复合酶A与所述吸附剂的质量比为1:2～1:6；所述复合酶B与所述吸附剂的质量比为1:4～1:10。
2.根据权利要求1所述的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，其特征在于：所述吸附剂包括
蛭石10～20wt％
沸石分子筛30～40wt％
大孔丙烯酸树脂40～60wt％。
3.根据权利要求1所述的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，其特征在于：所述预设温度A为65-70℃，所述预设时间A为8-15小时；所述预设温度B为55-60℃，所述预设时间B为6-10小时。
4.根据权利要求1所述的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，其特征在于：所述二级分子蒸馏的方法包括以下
在真空度小于30帕、温度160-165℃的条件下蒸馏回收甘油；
在真空度小于5帕、温度165-170℃的条件下蒸馏得到高含量单硬脂酸甘油酯和底物，该底物包括二酯和三酯。
5.根据权利要求1所述的固定化复合脂肪酶催化合成单硬脂酸甘油酯的方法，其特征在于：所述氢化油和甘油的混合摩尔比为1:4-6。
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