JP4719476B2

JP4719476B2 - 油脂の加水分解方法

Info

Publication number: JP4719476B2
Application number: JP2005028570A
Authority: JP
Inventors: 良孝仙田; 利照小松; 浩明山口
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2006213832A

Description

本発明は、反応率の管理を、装置の運転を停止することなく、リアルタイムにかつ簡便に行うことのできる油脂の加水分解方法に関する。

油脂の加水分解反応は、通常、リパーゼ等の油脂分解酵素や、酸、塩基等の存在下で、トリグリセリドに水が逐次加わり、ジグリセリド、モノグリセリド、更に脂肪酸へと段階的に分解する反応である。従来、油脂加水分解反応における反応率の管理では、反応液を採取し、その酸価を測定することにより反応終了時を判断している。しかし、この方法では、測定試料を採取する際、その都度反応装置の運転を停止する必要があり非常に煩雑である、リアルタイムな測定ができないなどの問題があった。

一方、ポリマーの合成反応においては、粘度の測定値によってリアルタイムに管理する方法が知られている。例えば、縮合系合成樹脂の製造において、反応容器内の樹脂粘度を連続測定し、設定した粘度範囲になったときに反応を終了させる方法（特許文献１）、ポリマーの縮合反応、重合反応の反応工程を、温度による補正粘度値で管理する反応モニタリングシステム（特許文献２）が提案されている。また、反応率の管理とは異なるが、使用中の加工油の劣化を粘度測定値によって確認する方法も提案されている（特許文献３）。

しかし、反応の進行に従って生成物の分子量が増大し、粘度が上昇するポリマーの縮合や重合と異なり、油脂の加水分解反応での反応液の粘度変動は、油相・水相の組成や乳化状態が経時的に変化し、ポリマー合成の場合とは全く相違する上に、用いる酵素の活性や原料油脂の組成によっても相違するため、上記技術をそのまま利用することはできない。
特開2000-33261号公報特開平7-128210号公報特開平5-113395号公報

そこで、本発明は、油脂の加水分解反応における反応率の管理を、装置の運転を停止することなく、リアルタイムにかつ簡便に行う方法を提供することを目的とする。

本発明者は、油脂の加水分解反応における反応液の粘度及び反応系内の圧力の変化について検討を重ねたところ、その測定値は、反応開始後の初期の段階で乳化剤であるモノグリセリドの生成による反応液の乳化によってピークに達し、その後反応の進行に従って脂肪酸が増大し解乳化することによって漸次低下していくことが判明した。そして、反応液の粘度又は反応系内の圧力を経時的に測定し、その最大値を基準にして、測定値の低下の程度を観察することによって、反応終点の判断が可能となることを見出した。

すなわち本発明は、固定化酵素を利用した油脂の加水分解反応において、反応液の粘度又は反応系内の圧力を経時的に測定し、粘度が最大値に達した後の時点における測定値（η）の当該最大値（η_max）に対する比率（η／η_max）、又は圧力が最大値に達した後の時点における測定値（Ｐ）の当該最大値（Ｐ_max）に対する比率（Ｐ／Ｐ_max）によって、反応終点を決定する油脂の加水分解方法を提供するものである。

油脂の加水分解反応における反応率の管理を、運転を停止することなく、リアルタイムにかつ簡便に行うことができ、またコンピュータによる管理も可能である。

本発明で使用する固定化用担体としては、イオン交換樹脂やセラミック等々の公知の担体が使用できる。高い酵素活性の発現を得るためには、イオン交換樹脂が好ましい。イオン交換樹脂の材質や特性、及びイオン交換基に関しては、吸着する酵素の吸着活性や、活性発現性を考慮して選択すればよいが、陰イオン交換樹脂、特に多孔質弱アニオン交換樹脂が好ましい。このような多孔質担体は、大きな表面積を有するため、酵素のより大きな吸着量を得ることができる。樹脂の粒子径は200〜1000μmが好ましく、細孔径は10〜150nmが好ましい。材質としては、フェノールホルムアルデヒド系、ポリスチレン系、アクリルアミド系、ジビニルベンゼン系等が挙げられ、特にフェノールホルムアルデヒド系樹脂（例えば、Rohm and Haas社製Duolite A-568）が好ましい。

本発明で使用する油脂分解用酵素としては、油脂類を加水分解するものであれば特に制限なく使用でき、例えばリパーゼ、エステラーゼ等が挙げられる。また酵素の選択性はランダムタイプ、α位置選択タイプ等任意選択することができ、高い分解率を希望する場合は、ランダムタイプの酵素が好ましい。酵素としては、リパーゼが好ましく、リゾプス（Rhizopus）属、アスペルギルス（Aspergillus）属、クロモバクテリウム（Chromobacterium）属、ムコール（Mucor）属、シュードモナス属（Pseudomonas）属、ジオトリケム（Geotrichum）属、ペニシリウム（Penicilium）属、キャンデイダ（Candida）属等の微生物起源のリパーゼ、及び膵臓リパーゼ等の動物リパーゼが例として挙げられ、特にシュードモナス（Pseudomonas）属、キャンデイダ（Candida）属が好ましい。また用いる酵素量は、担体重量に対して５〜200％、特に10〜100％が望ましい。固定化の際、リパーゼは溶液状態にするが、緩衝液でpH３〜９、特にpH５〜７に調整して使用することが望ましい。また、固定化時の温度は０〜60℃、特に５〜40℃が好ましい。

更に、固定化酵素の活性を高めるために、酵素の固定化前にあらかじめカプリン酸、ラウリン酸、ミスチリン酸、オレイン酸、リノール酸、α-リノレン酸、リシノール酸、イソステアリン酸等の炭素数８〜18の脂溶性脂肪酸又はその誘導体を担体に吸着させたものを用いることも好ましい。

本発明で加水分解に使用する油脂としては、大豆油、オリーブ油、パーム油、ナタネ油等の植物油、牛脂、豚脂、魚油等の動物油が挙げられる。水相基質としては、水、グリセリン等の水溶性物質又はその混合物が用いられ、水が好ましい。水は水道水、井戸水、蒸留水、イオン交換水等のいずれでもよいが、イオン交換水が好ましい。

本発明の油脂加水分解方法は、回分式、連続式のいずれで行ってもよく、またそのスケールも問わない。

本発明における反応液の粘度測定に用いる粘度計としては、細管式粘度計、振動式粘度計等が挙げられ、特に振動式粘度計が好ましい。

本発明において油脂の加水分解反応は、反応液の粘度が最大値に達した後の時点における測定値（η）の当該最大値（η_max）に対する比率（η／η_max）が、0.98〜0.4となった時点で終了させることが好ましい。

生産規模が工業的スケールであるか、実験室スケールであるか、また油脂、固定化酵素、反応条件等によっても相違するため、一律に規定することはできないが、例えば高純度の脂肪酸を製造する場合には、η／η_maxが0.8〜0.4、更には0.75〜0.45、特に0.75〜0.5となった時点で反応を終了させることが好ましく、部分加水分解の段階で反応を中止し、グリセリンを添加してエステル交換により部分グリセリドを製造する場合には、η／η_maxが0.98〜0.6、更には0.9〜0.7、特に0.9〜0.75となった時点で加水分解反応を終了させることが好ましい。また蒸留、膜分離、クロマト分離等により、生成した脂肪酸を回収する場合には、反応時間を短縮するためにη／η_maxが0.98〜0.7、更には0.98〜0.75、特に0.98〜0.8となった時点で反応を終了させることが好ましい。

なお、以上の反応液粘度での分解率の管理に代えて、酵素塔にかかる圧力から求めた圧力損失によっても同様に分解率の管理が可能である。その場合、油脂の加水分解反応は、圧力損失が最大値に達した後の時点における測定値（Ｐ）の当該最大値（Ｐ_max）に対する比率（Ｐ／Ｐ_max）が、0.98〜0.4となった時点で終了させることが好ましい。

例えば高純度の脂肪酸を製造する場合には、Ｐ／Ｐ_maxが0.9〜0.4、更には0.8〜0.4、特に0.8〜0.45となった時点で反応を終了させることが好ましく、部分加水分解の段階で反応を中止し、グリセリンを添加してエステル交換により部分グリセリドを製造する場合には、Ｐ／Ｐ_maxが0.98〜0.5、更には0.95〜0.6、特に0.95〜0.75となった時点で加水分解反応を終了させることが好ましい。また蒸留、膜分離、クロマト分離等により、生成した脂肪酸を回収する場合には、反応時間を短縮するためにＰ／Ｐ_maxが0.98〜0.7、更には0.98〜0.75、特に0.98〜0.85となった時点で反応を終了させることが好ましい。

〔固定化酵素の調製〕
Duolite A-568（ロームアンドハース社製，粒径分布100〜1000μm）を粉砕して分級した樹脂１重量部をN/10のNaOH水溶液10重量部中で１時間攪拌した。ろ過した後10重量部のイオン交換水で洗浄し、500mMのリン酸緩衝液（pH７）10重量部でpHの平衡化を行った。その後50mMのリン酸緩衝液（pH７）10重量部で２時間ずつ２回pHの平衡化を行った。ろ過して担体を回収した後、エタノール５重量部でエタノール置換を30分行った。ろ過した後、リシノール酸を１重量部含むエタノール５重量部を加え30分間、リシノール酸を担体に吸着させた。ろ過して担体を回収し、50mMのリン酸緩衝液（pH７）５重量部で30分ずつ４回洗浄し、エタノールを除去した。ろ過して担体を回収した後、市販のリパーゼ（リパーゼAY，アマノ天野製薬社製）0.39重量部を50mMのリン酸緩衝液（pH７）18重量部に溶解した酵素液と２時間接触させ、固定化を行った。ろ過して固定化酵素を回収し、50mMのリン酸緩衝液（pH７）５重量部で洗浄を行い、固定化していない酵素やタンパクを洗浄した。その後ナタネ油を４重量部加え２時間攪拌した。以上の操作はいずれも20℃で行った。ろ過して油脂と分離し、固定化酵素とした。

実施例１高純度脂肪酸の製造
加水分解反応に用いた装置を図１に示す。
充填厚み150mmの酵素カラム１に、固定化酵素１重量部（乾燥基準）を充填嵩比重0.284g/cm³で充填した。充填層の空隙率εは、固定化酵素の真比重ρ₀が0.619g/cm³、充填嵩比重ρ₁が0.284g/cm³より、ε＝(ρ₀−ρ₁)／ρ₀＝0.541であった。35℃に昇温された菜種白絞油40重量部を基質循環槽２に投入した。菜種白絞油を循環ポンプ３により空塔基準通液線速度150mm/min.の流量で酵素カラム１に供給しながら、基質循環槽２にイオン交換水を油に対して60％投入し、循環反応を開始した。流量及び塔にかかる圧力は、それぞれ流量計４及び圧力計５にて測定した。また、基質循環槽２底部に設けたオンライン式振動粘度計６（SUPERVISCO，ジャパンマシナリー社製）により粘度を経時的に測定した。ある任意の粘度で反応液の循環を停止すると同時に、サンプリングライン７から反応液をサンプリングして油脂の酸価とケン化価を測定した。油脂の分解率は（酸価／ケン化価）×100（％）により算出した。循環反応開始時の液粘度は0.353mPa・sであった。経時的に液粘度η及び圧力Ｐを測定し、最大粘度η_maxとして0.644mPa・sを示した後に、η／η_MAX、及びＰ／Ｐ_maxの値をモニターし、η／η_max＝0.59、及びＰ／Ｐ_max＝0.57となった時点で反応を停止した。なお、この時の反応時間は18時間であり、分解率は91.6％であった。反応生成物のグリセリド組成をガスクロマトグラフにて分析した。得られた反応物のグリセリド組成を表１に示す。

実施例２部分グリセリドの製造
実施例１と同様の実験を行い、η／η_max＝0.78、Ｐ／Ｐ_max＝0.84となった時点で反応を停止した。この時の反応時間は８時間であり、分解率は76.4％であった。
反応終了後、遠心分離により油相と水相を分離した。次に市販の固定化酵素である1,3位選択性リパーゼLipozyme RM IM（Novozymes社製）を17ｇ、上記の反応で得た油相300ｇ及びグリセリン39ｇを４つ口フラスコ内で混合し（脂肪酸基／グリセリン基＝２）、50℃で攪拌しながら系内を５mmHgに減圧した状態で４時間反応を行った。その後、反応生成物からリパーゼ製剤を濾別した。得られた反応生成物のグリセリド組成を表１に示す。

実施例３反応液からの分離・精製による脂肪酸の製造
実施例１と同様の実験を行い、η／η_max＝0.95、Ｐ／Ｐ_max＝0.97となった時点で反応を停止した。この時の反応時間は3.5時間であり、分解率は50.5％であった。
固定化酵素と反応液を遠心分離（6000rpm×30min）し、油層を得た。得られた油層を遠心薄膜蒸留機（ULVAC社製）にて分子蒸留し、留分と残渣に分離した。得られた留分のグリセリド組成を表１に示す。

実施例１〜３における「反応液粘度」、「反応液粘度／最大粘度」、「圧力損失／最大圧力損失」、「油脂分解率」及び「グリセリド組成」を表１に、並びに「反応液粘度」と「油脂分解率」との関係を図２に示す。

以上より、固定化酵素による油脂の加水分解を行うに際し、反応液の粘度又は圧力損失を測定し、反応途中の最大粘度又は最大圧力損失との比を算出することにより、一定範囲内で反応終点を判断することができることが分かった。

実施例１〜３で使用した装置を示す図である。実施例１における反応液粘度と油脂分解率の関係を示す図である。

符号の説明

１酵素カラム
２基質循環槽
３循環ポンプ
４流量計
５圧力計
６粘度計
７サンプリングライン

Claims

固定化酵素を利用した油脂の加水分解反応において、反応液の粘度又は反応系内の圧力を経時的に測定し、粘度が最大値に達した後の時点における測定値（η）の当該最大値（η_max）に対する比率（η／η_max）、又は圧力が最大値に達した後の時点における測定値（Ｐ）の当該最大値（Ｐ_max）に対する比率（Ｐ／Ｐ_max）によって、反応終点を決定する油脂の加水分解方法。
反応液の粘度が最大値に達した後の時点における測定値（η）の当該最大値（η_max）に対する比率（η／η_max）が0.98〜0.4、又は圧力が最大値に達した後の時点における測定値（Ｐ）の当該最大値（Ｐ_max）に対する比率（Ｐ／Ｐ_max）が、0.98〜0.4となった時点で反応を終了させる請求項１記載の油脂の加水分解方法。