JP4279939B2 - 油脂の加水分解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理回数の増加に伴う酵素活性の低下がなく、効率的な油脂の加水分解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油脂の加水分解は、油化学工業の重要な基礎素材である脂肪酸及びグリセリンを提供する上で重要である。かかる油脂の連続的加水分解は、油脂分解酵素（リパーゼ）を樹脂や膜に固定した流通式反応器中を、油脂を通過させる方法が一般的であり、例えば以下の技術が知られている。（１）油脂に対して６０重量％程度の水を混合した混合液を、酵素充填反応器中を通過させる方法。（２）多量の水分を含む多糖類ゲルに固定化したリパーゼ中を、水相基質を含まない油脂のみを通過させる方法（特開昭５８−１４６２８４号公報）。（３）油脂貯留タンクと加湿装置とを循環させて、油脂と水とを均一に混合し、水分量を均一に維持した混合液を、酵素充填反応器中を通過させる方法（特開平４−３３５８８１号公報）。（４）油脂と水とを基質循環槽に投入し、油相と水相が分離した状態で油相基質のみを酵素塔内に供給し、排出した反応液を基質循環槽内水相底部に返送する方法（Kosugi, Y., Tomizuka, N, J. Am. Oil. Chem. Soc. 72；1329(1995)）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
（１）の方法は、混合液の水分含量が高いため、加水分解率は高くなるが、酵素が経時的に脱離するため、処理回数が増加すると酵素活性が低下してしまうという問題がある。（２）の方法は、（１）のように酵素が経時的に脱離することはないが、使用に従って加水分解に必要な水が不足しがちになり、また固定化酵素にグリセリンが蓄積して、平衡が油脂側に傾き、その結果油脂の分解が不十分となる場合がある。（３）の方法は、分解後の油相と水相の分離が困難であり、分離のための工程、付帯設備が必要となる。また（１）〜（３）いずれの方法も、装置が複雑であったり、酵素充填反応器の運転が非常に難しいという問題がある。（４）の方法は、酵素反応器を通過する油相の水分濃度が低く、分解後の油相と水相の分離も容易であるが、反応液中のグリセリンの抽出が不十分となり、高い分解率を得るのが難しいという問題がある。
【０００４】
本発明は、加水分解率が高く、経時的に酵素活性が低下することなく、かつ簡単な操作で効率よく油脂を加水分解する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基質循環槽内から油相基質を酵素塔に送液し、該酵素塔を通過した反応液を油水混合槽内で水相基質と接触させた後、基質循環槽内で油水分離すれば、酵素塔に送液される油相基質中の微量の水分によって酵素塔内での加水分解が促進されること、水分が微量であるため酵素の脱離がなく、酵素活性が長時間にわたって安定であること、その後反応液を水相基質と接触させることによって、加水分解で生じたグリセリンが水相基質に溶解するため、反応が油脂側に傾くことなく、加水分解が十分に行われること、さらに用いる装置が簡単で操作が容易であることを見出した。
【０００６】
すなわち、本発明は、基質循環槽から油相基質を、酵素固定化担体が充填された酵素塔に送液し、該酵素塔を通過した反応液を、油水混合槽内で水相基質と接触させた後、油水分離する油脂の加水分解方法を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、まず油相基質と水相基質が収容された基質循環槽から、油相基質を酵素固定化担体が充填された酵素塔に送液する。油相基質は、トリグリセリド、ジグリセリド、モノグリセリド、遊離脂肪酸等の混合物、好ましくは油脂であり、さらに、加水分解には水の存在が必要であることから、微量の水を含有していることが特に好ましい。ただし、水を多量に含有すると固定化酵素が経時的に脱離して酵素活性が低下するため好ましくない。油相基質中の水分量は、飽和溶解度（油相基質に溶解する水の最大量）〜５重量％（以下、単に「％」で表す。）が好ましく、飽和溶解度〜４％がより好ましく、飽和溶解度〜３％が特に好ましい。例えば、油相基質と水相基質とを基質循環槽に収容する際の両基質の接触や、後記する水相基質と反応液との接触等により、油相基質中の水分量を飽和溶解度〜５％とすることができる。水相基質は、グリセリン等の水溶性物質と水との混合物、好ましくは水である。水は、水道水、井戸水、蒸留水、イオン交換水のいずれでもよく、イオン交換水が特に好ましい。
【０００８】
かかる油相基質を送液するために、基質循環槽内では、撹拌等の剪断力を加えず、両相を分離しておくことが好ましい。また基質循環槽から油相基質を酵素塔へ送液する油相基質抜き出しラインの基質循環槽側末端は、基質循環槽内の油相基質の上面近傍に配置されることが好ましい。油相基質の送液量は、酵素の処理能力等を考慮して適宜決定することができる。酵素は、油脂を加水分解できるものであれば特に制限はなく、例えばリパーゼ、エステラーゼ等が挙げられる。またランダムタイプ、α−位選択タイプ等任意に選択することができる。酵素を固定化する担体及び固定化方法にも特に制限はなく、例えば特開平１−１５３０９０号公報記載の担体及び方法が挙げられる。また油相基質の酵素塔への供給は、塔底から塔頂への上方流、塔頂から塔底への下方流のいずれでもよい。
【０００９】
酵素塔に送られた油相基質は、酵素塔内の固定化酵素により分解されてジグリセリド、モノグリセリド及びグリセリンを生じる。油相基質中の水分が微量であれば、固定化酵素が担体から脱離することがなく、また酵素塔通過後の反応液中のグリセリンは、油水混合槽内の水相基質に移行するため、反応が油脂側に傾くことがなく、油脂の分解率を高めることができる。
【００１０】
次いで酵素塔から排出されたかかる反応液を、基質循環槽とは別個に設けられた油水混合槽内の水相基質と接触させる。かかる接触により、ジグリセリド及びモノグリセリドは油相基質に残留し、グリセリンは水相基質に移行するが、このとき接触時の剪断力により、微量の水が油相基質に包含される。
【００１１】
油水混合槽内で反応液と水相基質とを接触させる場合、反応液と水相基質とを十分に接触させるため、油水混合槽を撹拌するか、水相基質を槽頂から槽底への下方流とし、反応液を槽底から槽頂への上方流として向流接触させるか、あるいは両手段を併用することが好ましい。次いで油水混合槽中の反応液・水相基質混合液を、基質循環槽に送液する。基質循環槽内の油水界面に加わる剪断力が大きすぎると、油相基質中の水分量が高くなりすぎるため、反応液・水相基質混合液戻しラインの基質循環槽側末端は、基質循環槽内の油水界面近傍に配置されることが好ましい。なお基質循環槽の容量及び経済性の観点から、油水混合槽には、基質循環槽内の水相基質を供給することが好ましい。さらに、基質循環槽内の水相基質を油水混合槽に連続的に供給し、油水混合槽からオーバーフローした反応液と水相基質とを基質循環槽に戻す方法が特に好ましい。
【００１２】
次いで油相基質と水相基質を基質循環槽内で静置分離するか、又は遠心分離する。遠心分離する場合、基質循環槽手前のラインに遠心分離機を設置し、分離した油相基質と水相基質を別ラインを通して基質循環槽に送液することが好ましい。
【００１３】
かかる工程により、基質循環槽内の油相基質中には、油脂、ジグリセリド等の油脂分解生成物の他、水相基質との接触による微量の水が存在する。さらに上記工程を連続的に繰り返せば、油相基質中の微量の水の存在により、油脂の加水分解はさらに進行し、油脂を所望の分解率まで分解することができる。
【００１４】
図１は、本発明の油脂加水分解方法を実施するための装置の一例である。図１において、油脂加水分解用装置１は、基質循環槽２、酵素塔３、酵素塔３を通過した反応液と水相基質とを接触させる油水混合槽４、基質循環槽２内の油相基質を酵素塔３へ送液するための油相基質抜き出しライン５、反応液を油水混合槽４に送液するための反応液排出ライン６、基質循環槽２内の水相基質を油水混合槽４に送液するための水相基質供給ライン７及び油水混合槽４で接触させた反応液・水相基質混合液を基質循環槽２へ送液するための反応液・水相基質混合液戻しライン８を備えたものである。
【００１５】
基質循環槽２及び酵素塔３は、加温、保温用のジャケットを有している。基質循環槽２の形状（槽高／槽径等）は、基質循環槽２内での油水分離が良好に行えるものであれば、特に制限はない。酵素塔３の形状は、基質循環槽２から油相基質を酵素塔３に送液するときに用いるポンプの押し込み圧に耐えられるものであれば、特に制限はない。
油水混合槽４には、反応液と基質循環槽２から送液された水相基質とを十分に接触させるため、撹拌機１１が設置されている。油相基質抜き出しライン５中には、基質循環槽２内の油相基質を酵素塔３へ送液するためのポンプ９が配置されている。水相基質供給ライン７には、基質循環槽２から抜き出した水相基質を油水混合槽４に送液するためのポンプ１０が配置されている。反応液・水相基質混合液戻しライン８は、基質循環槽２での油水分離を容易に行うため、基質循環槽２側末端が基質循環槽２内の油水界面近傍に配置されている。水相基質供給ライン７と反応液排出ライン６は、油水混合槽４の槽内に設置されている。
【００１６】
【実施例】
実施例１
図１において、イオン交換樹脂（Duolite A-568 、ダイヤモンドシャムロック社製）にリパーゼ（リパーゼAY、天野製薬（株）製）を固定した固定化リパーゼ２０ｇを、ジャケット付きのステンレス製カラム（酵素塔３：内径４３ｍｍ、充填高さ４７ｍｍ）に充填し、ジャケットにて４０℃に保温した。基質循環槽２（内径１３２ｍｍ、高さ３８０ｍｍ）にイオン交換水１２００ｇを投入し、さらに水相上に大豆白絞油（トリグリセリド１００％）、２０００ｇを静かに加え、ジャケットで４０℃に保温した。ポンプ１０を用いて、基質循環槽２の下端より水相基質を０．２４Ｌ／ｍｉｎで、油水混合槽４（容量２００ｍＬ、４００ｒｐｍで撹拌）へ連続的に供給し、オーバーフローした水相基質は、反応液・水相基質戻しライン８を通して基質循環槽２の油水分離界面へ返送した。酵素塔３及び油相基質、水相基質が４０℃になった後、ポンプ９を用いて、油相基質上端より油相基質を０．２４Ｌ／ｍｉｎで、酵素塔３へ供給し、分解を開始した。酵素塔３から排出された反応液は、反応液排出ライン６を通して油水混合槽４に入り、水相基質と混合されて、生成したグリセリンが水相基質に移行した。また水の一部が撹拌により油相基質に移行した。オーバーフローした反応液・水相基質混合液は、反応液・水相基質戻しライン８を通して基質循環槽２の油水分離界面に返送され、静置して油水分離された。かかる工程を連続的に繰り返し、加水分解率が９５％に達した時点で反応を終了させた。この間、基質循環槽２の油相基質を定期的にサンプリングし、油脂の分解率と油相中の水分量を測定した。油脂の分解率は、（酸価／ケン化価）×１００（％）により算出し、水分量は、水分測定装置（AQUACOUNTER AQ-7、平沼産業（株）製）を用いて測定した。基質循環槽２の油相基質中の水分量は、０．０５〜２．１％であった。かかる操作を４回行ったときの、加水分解率が９５％に達するまでの各回の所要時間を表１に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
比較例１
実施例１において、ポンプ１０を駆動せず、水相基質を油水混合槽４に送液せず、基質循環槽２内を４００ｒｐｍで撹拌した以外は、実施例１と同様にして加水分解処理を行った。油脂の加水分解率は、基質循環槽２内の油水混合液をサンプリングし、１０００Ｇ、５ｍｉｎの条件で遠心分離したときの油相の酸価から算出した。加水分解率が９５％に達するまでの各回の所要時間を表１に示す。
【００１９】
実施例１では、処理回数を重ねても所要時間にほとんど差はなかったが、比較例１では、処理回数を重ねるに従って所要時間が長くなり、４回目では実施例１より約３６％長くなった。
【００２０】
比較例２
実施例１において、油水混合槽４、水相基質供給ライン７及び反応液・水相基質混合液戻しライン８を用いず、反応液排出ライン６の基質循環槽２側の末端を基質循環槽２の底部近傍に位置するように配設した以外は、実施例１と同様にして加水分解処理を行った。油脂の分解率は、基質循環槽２内の油相の酸価から測定した。この時の加水分解率の経時変化を表２に示す。
【００２１】
【表２】

【００２２】
実施例１では、約２４hr後に加水分解率９５％が得られたが、比較例２では、酵素塔３から排出された反応液の基質循環槽２でのグリセリン抽出が不十分なため、反応が分解側に傾きにくく、分解時間が非常に長くなった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の方法により、従来の加水分解方法と同等の分解速度を有し、かつ処理回数の増加に伴う酵素活性の低下がなく、長時間にわたり安定した油脂加水分解が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の油脂加水分解方法を実施するための装置の一例である。
【符号の説明】
１：油脂加水分解用装置
２：基質循環槽
３：酵素塔
４：油水混合槽
５：油相基質抜き出しライン
６：反応液排出ライン
７：水相基質供給ライン
８：反応液・水相基質混合液戻しライン
９：ポンプ
１０：ポンプ
１１：攪拌機

Claims (4)

1. 基質循環槽から油相基質を、酵素固定化担体が充填された酵素塔に送液し、該酵素塔を通過した反応液を、油水混合槽内で基質循環槽から供給した水相基質と接触させた後、油水分離する油脂の加水分解方法。
2. 油水分離後の油相基質中の水分濃度が、飽和濃度〜５重量％である請求項１記載の油脂の加水分解方法。
3. 油水分離を、基質循環槽内で静置分離及び／又は基質循環槽手前のラインで遠心分離することで行う請求項１又は２記載の油脂の加水分解方法。
4. 油水混合槽中での反応液と水相基質との接触を、撹拌及び／又は向流接触方式により行うものである請求項１〜３のいずれか１項記載の油脂の加水分解方法。

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