CN117802169A - 一种酶法制备甘油二酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酶法制备甘油二酯的方法，属于油脂加工技术领域。首先，采用脂肪酶催化油脂适度醇解，控制醇解产物中甘油单酯和甘油二酯的总量以及脂肪酸乙酯与甘油单酯的比例；随后加入游离脂肪酸，采用偏甘油酯脂肪酶选择性将甘油单酯进一步酯化转化生成甘油二酯，而基本不将脂肪酸乙酯转酯化转化生成甘油二酯，使产物主要为甘油二酯和脂肪酸乙酯的混合物；最后分离纯化得到高纯度、高品质甘油二酯。本发明通过组合适度酶法醇解和酶法选择性酯化，使酯化产物主要为甘油二酯和脂肪酸乙酯，不仅可在较低反应温度下实现反应副产物的分离，得到高品质的甘油二酯，而且可得到高纯度的甘油二酯。
Description
技术领域
本发明属于油脂加工技术领域，具体涉及一种酶法制备甘油二酯的方法。
背景技术
甘油二酯是油脂的天然组分，通常在油脂中的含量为0.8％～9.5％。甘油二酯具有与普通食用油相似的色泽、气味、口感和理化特性，可以在不改变消费者食用习惯的前提下实现对普通食用油的代替。研究表明，当食用油中甘油二酯含量高于27.3％时，食用后具有降低餐后血脂、抑制体脂积累及预防心血管疾病等功效。作为新型健康食用油，甘油二酯近年来引起了消费者的广泛关注。与此同时，关于甘油二酯的制备研究也一直是油脂化学领域的研究热点。
生物酶催化油脂改性和化学法催化油脂改性是甘油二酯制备的常用方法。相比于化学法，酶法具有反应条件温和、催化特异性高及绿色环保等优点，使其成为甘油二酯制备领域的主流发展方向。酶法水解、酯化、甘油解和醇解是制备甘油二酯的常用方法。酶法水解具有反应易发生，速率快等优点，但水解产物中甘油二酯含量仅为33％左右；酶法酯化是甘油二酯工业制备的常用方法，酯化前需提前制备游离脂肪酸，最终酯化产物纯化后甘油二酯纯度可达80％以上；酶法甘油解具有反应简单、副产物少及原子利用率高等优点，但甘油的高粘度限制了甘油解法在甘油二酯工业化制备中的应用；酶法醇解是近年来新兴的一种甘油二酯制备方法，具有反应温度低、速率快及产品品质高等优点。除此之外，组合酶法技术制备甘油二酯因具有底物转化率高、产品纯度高等优点，也是近年来酶法制备甘油二酯研究领域的热点。专利CN 102965404A公布了一种高纯度甘油二酯的制备方法：首先采用偏甘油酯脂肪酶催化甘油与脂肪酸供体进行酯化反应；随后采用甘油单酯脂肪酶催化上述油相产物中的甘油单酯与羟基供体反应生成非甘油酯。该发明简化了甘油二酯的分离工艺，降低了分离能耗，有效解决了反应混合物中甘油单酯的分离问题，分离纯化后，产品中甘油二酯的含量达到98％以上。专利CN 105400837A公布了一种酶催化甘油二酯的制备方法：首先采用酶法部分水解使得水解产物中的甘油二酯含量在30wt％～35wt％之间，游离脂肪酸含量在26wt％～30wt％之间；随后在上述油相水解产物中添加甘油进行酶促酯化反应，继续反应合成甘油二酯。该发明无需单独制备游离脂肪酸，甘油二酯产量高，酯化产物中甘油二酯含量可达65％。专利CN 111996218 A公布了一种酶法制备甘油二酯的方法：首先采用酶法醇解制备甘油二酯；随后继续采用固定化甘油单酯脂肪酶催化上述醇解产物中的甘油单酯转化为非甘油酯。该发明所需分离纯化温度低，产品品质高，有效避免了脂类风险因子的生成，产物分离纯化后甘油二酯含量在55％左右。总之，目前关于酶法制备甘油二酯技术的研究主要集中在提高产物中甘油二酯含量的同时改善甘油二酯的品质。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种酶法制备甘油二酯的方法，不仅大大提高了产物中甘油二酯的含量，而且大大降低了产物分离纯化难度，最终得到高品质、高纯度的甘油二酯产品，具有良好的经济效益和工业应用前景。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种酶法制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
步骤1：以固定化脂肪酶作为催化剂，油脂作为反应底物，在乙醇中进行醇解反应，反应结束后回收乙醇和固定化脂肪酶，得到反应中间产物；
步骤2：将步骤1得到的反应中间产物作为底物，加入游离脂肪酸和分子筛，以偏甘油酯脂肪酶作为催化剂，继续进行酯化和转酯化反应，反应结束后得到反应混合物；游离脂肪酸摩尔数Z、甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的数值关系为：Z＝X+(0.1～0.2)Y；
步骤3：将步骤2得到的反应混合物进行离心分离，再进行分子蒸馏，得到甘油二酯。
优选地，步骤1中，固定化脂肪酶为Novozym 435或Lipozyme 435，固定化脂肪酶得添加量为反应底物总质量的4％～10％。
优选地，步骤1中，油脂为陆地动植物油脂、海洋动植物油脂或微生物发酵产生的油脂。
优选地，步骤1中，所述反应中间产物中甘油单酯和甘油二酯的总量在反应中间产物中所占质量百分比为40％～60％，且脂肪酸乙酯与甘油单酯的比例为1～2：1。
优选地，步骤1中，醇解反应的条件为：醇油质量比为2.5～3.5，醇解温度为25～35℃，醇解时间为2～6h。
优选地，步骤2中，游离脂肪酸为单一脂肪酸或混合脂肪酸。
优选地，步骤2中，偏甘油酯脂肪酶为Lipase G50、Lipase SMG1或Lipase AOL。
优选地，步骤2中，反应条件为：反应温度为25～45℃，反应时间为6～12h，酶添加量为甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的0.5％～3％；分子筛为4A分子筛，分子筛的添加量为甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的3％～6％。
优选地，步骤3中，离心分离的条件为：转速为12000～15000rpm，时间为1～2min。
优选地，步骤3中，分子蒸馏的进料温度为60℃，进料流速为2.0～3.0mL/min，蒸发面温度为110～120℃，分离柱真空度为0.1～10Pa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的酶法制备甘油二酯的方法，首先采用固定化脂肪酶催化油脂适度醇解，将醇解产物中的甘油二酯、甘油单酯和脂肪酸乙酯产量控制在一定比例范围内；随后，在醇解产物中添加一定量游离脂肪酸后，采用偏甘油酯脂肪酶选择性将甘油单酯继续酯化转化生成甘油二酯。本发明前期实验发现，当醇解混合物中脂肪酸乙酯与甘油单酯的比例在一定范围内时，偏甘油酯脂肪酶催化游离脂肪酸与甘油单酯的酯化反应速率是偏甘油酯脂肪酶催化游离脂肪酸与脂肪酸乙酯的转酯化反应速率的100倍以上，从而可使得特定比例下的甘油单酯和脂肪酸乙酯的混合物，在偏甘油酯脂肪酶催化下，选择性将甘油单酯酯化转化生成甘油二酯。基于上述发现，本发明采用两步法制备甘油二酯。两步反应结束后，产物中主要为甘油二酯和脂肪酸乙酯，并含有少量甘油三酯、甘油单酯和游离脂肪酸。相比于酶促酯化制备甘油二酯，本发明的副产物为脂肪酸乙酯，分离纯化所需温度更低，分离纯化难度低，且产品品质高；相比于酶促醇解制备甘油二酯，本发明不仅分离纯化操作简单，产品品质高，而且产品中甘油二酯纯度高。总之，本发明兼顾了酶促酯化和醇解的优点，制备得到了高品质、高纯度的甘油二酯，为甘油二酯的工业化制备提供了良好的替代方案，具有良好的经济效益和工业应用前景。
进一步地，所用固定化脂肪酶及添加量，一方面可确保较高的甘油二酯产量，另一方面可确保反应的经济性。
进一步地，醇解反应程度，可确保甘油二酯、甘油单酯和脂肪酸乙酯的产量在一定比例范围内。
进一步地，游离脂肪酸的添加比例范围，可确保偏甘油酯脂肪酶选择性几乎将全部甘油单酯转化为甘油二酯，而几乎不将脂肪酸乙酯转酯化转化生成甘油二酯。
进一步地，酯化反应条件，可确保较高的甘油单酯和脂肪酸转化率及较高的甘油二酯生成量。
进一步地，分子蒸馏的分离纯化条件一方面可确保酯化混合物中副产物被有效分离，另一方面可确保较高的甘油二酯品质。
附图说明
图1为本发明的技术流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。如非写明，所有百分比均为质量百分比。
如图1，为本发明的技术流程图。首先，在脂肪酶催化的适度醇解下，生成一定含量比例的甘油二酯、脂肪酸乙酯和2-甘油二酯；随后，以上述适度醇解反应产物为底物，在偏甘油酯脂肪酶催化的选择性酯化下，将甘油单酯转化为甘油二酯，最终产物中含有少量甘油三酯、游离脂肪酸和大量脂肪酸乙酯和甘油二酯；最后分离纯化后，得到高纯度、高品质甘油二酯。
实施例1
称取500g大豆油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(大豆油与无水乙醇的质量比为2.5:1，高速搅拌混合均匀，加热至25℃后连接回流装置，待加入20g Novozym 435后，反应开始计时，反应2h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(33.28％)和甘油二酯(24.13％)的总量为57.41％，脂肪酸乙酯的含量为35.98％。继续以上述醇解产物为底物，添加152.1g大豆油游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.1Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至25℃后添加2.54g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的0.5％)LipaseG50和15.25g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的3％)，反应12h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为6.4％，甘油单酯含量为0.91％，游离脂肪酸含量为0.82％，脂肪酸乙酯含量为33.24％，甘油二酯含量为58.63％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为88.86％，甘油三酯含量为10.04％，甘油单酯含量为0.76％，游离脂肪酸含量为0.34％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
实施例2
称取500g大豆油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(大豆油与无水乙醇的质量比为3.5:1，高速搅拌混合均匀，加热至35℃后连接回流装置，待加入50g Lipozyme 435后，反应开始计时，反应2h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(34.63％)和甘油二酯(24.83％)的总量为59.46％，脂肪酸乙酯的含量为37.23％。继续以上述醇解产物为底物，添加175.57g大豆油游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.2Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至45℃后添加16.37g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的3％)LipaseG50和32.74g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的6％)，反应6h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为3.52％，甘油单酯含量为0.75％，游离脂肪酸含量为0.64％，脂肪酸乙酯含量为32.26％，甘油二酯含量为62.83％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为93.43％，甘油三酯含量为5.67％，甘油单酯含量为0.72％，游离脂肪酸含量为0.18％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
实施例3
称取500g海洋鱼油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(海洋鱼油与无水乙醇的质量比为3:1，高速搅拌混合均匀，加热至30℃后连接回流装置，待加入30g Novozym 435后，反应开始计时，反应6h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(30.11％)和甘油二酯(11.24％)的总量为41.35％，脂肪酸乙酯的含量为56.43％。继续以上述醇解产物为底物，添加166.47g海洋鱼油游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.15Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至30℃后添加12.42g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的2％)Lipase SMG1和24.83g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的4％)，反应8h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为1.13％，甘油单酯含量为0.55％，游离脂肪酸含量为0.47％，脂肪酸乙酯含量为47.89％，甘油二酯含量为48.65％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为96.52％，甘油三酯含量为2.35％，甘油单酯含量为1.02％，游离脂肪酸含量为0.11％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
实施例4
称取500g菜籽油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(菜籽油与无水乙醇的质量比为2.8:1，高速搅拌混合均匀，加热至30℃后连接回流装置，待加入20g Novozym 435后，反应开始计时，反应4h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(33.11％)和甘油二酯(16.42％)的总量为49.53％，脂肪酸乙酯的含量为53.69％。继续以上述醇解产物为底物，添加167.32g菜籽油游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.13Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至35℃后添加15.36g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的2.5％)Lipase AOL和30.72g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的5％)，反应10h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为1.89％，甘油单酯含量为0.72％，游离脂肪酸含量为0.56％，脂肪酸乙酯含量为44.26％，甘油二酯含量为52.57％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为95.18％，甘油三酯含量为3.42％，甘油单酯含量为1.17％，游离脂肪酸含量为0.23％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
实施例5
称取500g花生油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(花生油与无水乙醇的质量比为3:1，高速搅拌混合均匀，加热至32℃后连接回流装置，待加入25g Novozym 435后，反应开始计时，反应5h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(32.23％)和甘油二酯(13.68％)的总量为45.91％，脂肪酸乙酯的含量为53.03％。继续以上述醇解产物为底物，添加175.76g花生油和菜籽油混合游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.18Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至40℃后添加7.38g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的1.2％)Lipase G50和27.68g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的4.5％)，反应12h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为2.45％，甘油单酯含量为0.78％，游离脂肪酸含量为0.46％，脂肪酸乙酯含量为45.69％，甘油二酯含量为50.62％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为93.97％，甘油三酯含量为4.54％，甘油单酯含量为1.29％，游离脂肪酸含量为0.20％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
实施例6
称取500g茶油和无水乙醇的混合物置于2L圆底烧瓶中(茶油与无水乙醇的质量比为3.3:1，高速搅拌混合均匀，加热至27℃后连接回流装置，待加入40g Lipozyme 435后，反应开始计时，反应3h后，离心回收乙醇和固定化酶，分析得醇解产物中甘油单酯(33.86％)和甘油二酯(21.59％)的总量为55.45％，脂肪酸乙酯的含量为40.26％。继续以上述醇解产物为底物，添加164.09g茶油游离脂肪酸(游离脂肪酸摩尔数Z与甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的比例关系为：Z＝X+0.14Y)，将上述底物混合物搅拌均匀后预热至30℃后添加16.37g(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的3％)Lipase AOL和30.02g的4A分子筛(占甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的5.5％)，反应12h后，离心得到酯化混合物。对酯化混合物进行高效液相色谱分析，发现酯化混合物中：甘油三酯含量为5.71％，甘油单酯含量为0.84％，游离脂肪酸含量为0.68％，脂肪酸乙酯含量为39.92％，甘油二酯含量为52.85％。采用分子蒸馏分离纯化后(蒸发面温度120℃)，产物中甘油二酯含量为88.88％，甘油三酯含量为9.60％，甘油单酯含量为1.30％，游离脂肪酸含量为0.22％。分子蒸馏纯化产物中未检测到氯丙醇酯、缩水甘油酯及反式脂肪酸等脂类风险因子。
下表为各实施例的原料和纯化后产物组成的数据对比：
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以固定化脂肪酶作为催化剂，油脂作为反应底物，在乙醇中进行醇解反应，反应结束后回收乙醇和固定化脂肪酶，得到反应中间产物；
步骤2：将步骤1得到的反应中间产物作为底物，加入游离脂肪酸和分子筛，以偏甘油酯脂肪酶作为催化剂，继续进行酯化和转酯化反应，反应结束后得到反应混合物；游离脂肪酸摩尔数Z、甘油单酯摩尔数X和脂肪酸乙酯摩尔数Y之间的数值关系为：Z＝X+(0.1～0.2)Y；
步骤3：将步骤2得到的反应混合物进行离心分离，再进行分子蒸馏，得到甘油二酯。
2.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤1中，固定化脂肪酶为Novozym 435或Lipozyme 435，固定化脂肪酶得添加量为反应底物总质量的4％～10％。
3.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤1中，油脂为陆地动植物油脂、海洋动植物油脂或微生物发酵产生的油脂。
4.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤1中，所述反应中间产物中甘油单酯和甘油二酯的总量在反应中间产物中所占质量百分比为40％～60％，且脂肪酸乙酯与甘油单酯的比例为1～2：1。
5.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤1中，醇解反应的条件为：醇油质量比为2.5～3.5，醇解温度为25～35℃，醇解时间为2～6h。
6.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤2中，游离脂肪酸为单一脂肪酸或混合脂肪酸。
7.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤2中，偏甘油酯脂肪酶为Lipase G50、Lipase SMG1或Lipase AOL。
8.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤2中，反应条件为：反应温度为25～45℃，反应时间为6～12h，酶添加量为甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的0.5％～3％；分子筛为4A分子筛，分子筛的添加量为甘油单酯、游离脂肪酸和脂肪酸乙酯总质量的3％～6％。
9.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤3中，离心分离的条件为：转速为12000～15000rpm，时间为1～2min。
10.根据权利要求1所述的酶法制备甘油二酯的方法，其特征在于，步骤3中，分子蒸馏的进料温度为60℃，进料流速为2.0～3.0mL/min，蒸发面温度为110～120℃，分离柱真空度为0.1～10Pa。
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