脂肪酶催化棕榈油甘油解反应合成单甘酯

(,---l口 第 25卷第2期 北 京 化 工 大 学 学 报 1998拒 JOURNAL OF BEllING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECI-~IOLOGY 25．No．2 1998 丁【52 了＼2， 脂肪酶催化棕榈油甘油解反应合成单甘酯 是 彭立风 谭天伟 (北京化工妥 ； 享 ■’i隙．100029) 擒 要 研究了以猪胰脂肪酶为催化剂在无有机溶剂体系中由棕桐油通过甘油解反应合成单 甘油醑。结果表明，当反应温度为20℃，甘油与油脂摩尔比为 2：1．甘油中古水质量分数 为4％，反应时间20 h左右时获得的单甘酯 叫达 24．17％．降低体系的反应温度到 12—13 ℃．单甘醇古量进一步提高．4 d后达到平衡．单甘酯 "为 30．93％。 耋! 苘相 油 M Gr 分类号 更l：i 一 ‘ ” ． 。 ． 槭 单脂肪酸甘油酯 (简称单甘酯，MG)是一种重要的非离子表面活性剂。其结构通式 CH2OCOR CH2OH C oH 1一 MG CHzOH 2一 MG 由于它具有一个亲油的长链烷基和两个亲水的羟基，因而具有良好的表面活性．被广 泛地作为乳化剂应用于食品中，作为组织改良剂应用于化妆品中。另外，在医药工业中也 有重要用途，如多不饱和脂肪酸 (EPA，DFIA)甘油醋具有顶防心血管疾病的作用。在 高分子合成领域中，单甘酯亦有广泛用途⋯。 早在1．924年。澳大利亚人Grun首先报道了脂肪与甘油在一定条件下能合成单甘酯， 产品具有较强的乳化能力，从而拉开了单甘酯合成与研究的序幕[2】。此后，单甘醇的研 制发展较快。目前工业上合成单甘酯主要采用化学法，反应类型包括酯化法和甘油解法。 其中以牛油衷其他天然油脂的甘油解法的工艺在工业上应用最为广泛。即在大于220℃的 高温下以碱为催化剂催化油脂与甘油之问的反应，产物主要为单甘酯和二甘醇的混合物 (各占45％左右)，分子精馏后达 90％以上。该工艺具有如下缺点：(1)需使用过量的甘 油；(2)需在高温条件下反应，能源消耗大且高温会导致油脂中不饱和脂肪酸发生降解， 降解产物具有较深的色泽和不愉快的气味；(3)为了分离单甘醋并除去副产物。必须进行 分子精馏，设备投资大，成本高I 。 为了获得高纯单甘酯．节约能源，降低消耗，减少设备投资．近年来人们开始探索以 收稿 日期：1997．11—28 第一作者：32岁，女，代培研究生，讲师．工作单位为河北师范大学 -国家自然科学基金资助项目 (29676001)；94级本科生橱洪梅参加了实验工作 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 彭立风等：脂肪酶催化棕榈油甘油解反应合成单甘酯 ’7 脂肪酶为催化剂在较低温度下合成单甘酯的新途径，至今已发展成为最具吸引力的脂肪酶 应用领域之一。脂肪酶催化法主要包括脂肪酸与甘油直接酯化法，天然油脂或合成三甘酯 与甘油的甘油解法和天然油脂或合成三甘酯水解或醇解法，甘油解反应方程式如下： cH20。oR CH2OH CH2COR CH~OH 2：Hoc。R+5H OH 堕 HoH+ H0。oR CHzOCOR CH2OH 油脂 甘油 CH2OH 1一 MG CH2OH 2一 MG 其中甘油解反应具有最高的理论产率 (每 1 tool三甘酯生成 3 mol单甘酯)。但脂肪酶催化 合成单甘酯的最大问题是底物油脂与甘油或水之间溶解度小，造成底物与酶、底物与底物 之间互不接触，因而反应很难进行，必须加入合适的溶剂或乳化剂[41。McNein 等人报 道了一种在无溶剂体系中通过油脂的甘油解反应合成单甘酯的新方法。通过准确控制反应 温度可达到较高的单甘酯含量。该法避免了有机溶剂和乳化剂给产品带来的污染，简化了 下游分离工艺，而且提高了底物浓度。文中采用猪胰脂肪酶作催化剂，在无有机溶剂体系 中由棕桐油合成单甘酯。 1 实验材料与方法 1．1 实验材料和仪器 猪胰脂肪酶：Sigma公司出品。测定酶活性为 4．42×1O mo s。 假丝酵母脂肪酶 ：中科院微生物所提供。测定酶活性为7．92×10一mol／s。 棕榈油：市场购置。测定熔点为 23--25℃。 化学试剂：甘油、高碘酸、高氯酸、冰醋酸均为分析纯。橄榄油为化学纯。 实验仪器：多孔磁搅拌器 [LB-78型]，I260—2F，D．7401型电动搅拌器。 1．2 实验方法 1．2．1 甘油解反应 将少量水加入到甘油中配成一定含水量的甘油。在反应器内加入一 定量的棕榈油，加热使其融化，冷却至反应温度，置于恒温水浴中稳定 15 rain，然后加入 一 定量的脂肪酶，高速搅拌，使其充分混合，滴加上述配制好的甘油，5 min内加完，保 持高速搅拌，定时取样分析。 1．2．2 脂肪酶水解活力的测定 橄榄油乳化法_6】 1．2．3 单甘酯总含量分析 高碘酸氧化法_7 J。 2 结果与讨论 2．1 脂肪酶来源的影响 图1为脂肪酶的来源对单甘酯质量分数 的影响。可以看出，猪胰脂肪酶比假丝酵 母脂肪酶的催化效果好。不同来源的脂肪酶表现出不同的催化活性可能是因为酶的来源不 同其结构也不同，因而在有机介质中表现出不同的催化活性及稳定性。 2．2 加酶量的影响 以猪胰脂肪酶为催化剂，酶加入量分别 为 8．34×10- tool、1．67×10～ tool、 3．33×10～tool、5×10一 tool、6．67×10～tool，体系中单甘酯的含量变化示于图2。可 维普资讯 http://www.cqvip.com · 8· 北 京 化 工 大 学 学 报 以看出，当酶的加入量从8．34x10。tool增加到 3．33Xl0～tool，单甘醋的含量提高较 大，而3．33 x 10 mol达到最高，此后则对单甘酯的平衡影响不大。 图1 脂肪爵的来源对单甘酯含量的影响 棒橱柚8．2 g，甘油古水 为4％．甘油与油脂摩尔比为 4：1 2．3 反应强度的影响 0 100 200 300400 ：~illtt x16-~xlO'／mol 图2 加酶量对单甘酯含量的影响 反应温度 28℃．脂肪酵加八量 3．33×10 moi 分别在20℃、25℃、28℃、35℃下，以猪胰脂肪酶为催化剂，催化棕榈油甘油解反 应合成单甘酯的时间进程如图3所示。可以看出，温度对单甘醋的平衡含量有十分明显的 影响。尤其值得注意的是当温度高于棕榈油的熔点时获得的单甘酯 较低，如在28℃时 最高为16．12％，在猪胰脂肪酶的最适温度35℃下最高仅为 lO．03％。当反应温度接近棕 桐油的熔点25℃时，单甘酯 最高为19．57％。当反应温度低于其熔点如在2O℃时，单 甘酯 最高为24．17％。可见，较低的温度对提高单甘酯的平衡含量有利。这是由于单 甘酯较其对应的三甘酯具有较高的熔点，随着反应的进行，单甘酯逐渐大量形成，在较低 的温度下单甘醋的含量会超出其溶解度而从反应体系中结晶析出，从而降低了溶液中单甘 酯的浓度，使甘油解反应平衡向着生成单甘醋的方向进一步偏移，直到建立新的平衡，因 而体系中单甘酯的总含量得以提高。而较高的温度下，单甘酯无法从体系中析出，其最终 含量只能维持在原来的平衡水平上。但在 20℃以下，由于反应物凝固，造成搅拌困难。 图4为温度对单甘醋形成初速度的影响，在2o～35℃范围内，随温度的升高单甘醋形成 的初速度迅速增加，在猪胰脂肪酶的最适温度35℃下达到最高。这是由于酶的活性在最 适温度以下随温度的升高而增加。 曹 x E 图3 不同温度下脂肪酶催化合成单甘酯的时间进程 图4 反应温度对单甘酯形成韧速度的影响 棕桐油 8—2g，甘油古承 为4％．甘油与油脂摩尔比为 4：1．猪胰脂肪酵加^量为 3．33x10 ‘tool 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 彭立风等：脂肪酶催化棕榈油甘油解反应合成单甘酯 。9‘ 2．4 水含量的影响 图5表明了水含量对单甘酯平衡含量的影响。其中水含量以甘油相中水的浓度表示。 可以看出，当水含量 为 4％时获得的单甘酯 最高，当水含量 w增加到 8％时，单甘 酯平衡含量降低． 仅为10．03％。推测可能是随着水含量的增高，棕榈油的水解副反应 得以加强，使得用于甘油解反应的底物 (棕榈油)的浓度减小，从而导致单甘酯平衡浓度 降低。 棕桐油甘油解反应中水含量对单甘酯形成初速度的影响示于图 6。在 0％～5％范围 内，单甘酯形成的初速度随水含量的增加而迅速增加，当甘油中水含量 为 5％时单甘 酯形成的初速度最高，当水含量 为8％时，单甘酯形成的初速度反而降低。上述结果 表明，在有机介质中，必须提供微量水以维持酶的活性构象．存在一最佳水含量，高于或 低于该最佳水含量均不能使脂肪酶获得最佳催化活性。 詈 × ￡ 三m s 专， 警6 犀 图 5 水含量对单甘酯平衡含量的影响 图 6 水含量对单甘酯形成初速度的影响 棕橱油 8．2 g，甘油与油脂摩尔比为 4：1．猪胰脂肪酵加八量 3．33×l0 moI，反应温度为28℃，反应时间20 h 2．5 甘油与油脂摩尔比的影响 甘油与油脂摩尔比对单甘酯平衡含量的影响示于图 7。 结果表明，当甘油与油脂的摩尔比为2：1时，反应达到平 衡时的单甘酯含量最高。这一结果与反应方程式计量关系 相一致，即 2tool的甘油与 1mol的油脂完全反应形成 3tool 的单甘酯。推渊反应历程如下：首先 l tooL的甘油与 1 tool 的油脂反应生成 1 mo!的单甘酯与 1 too!的二甘酯，而后另 1 too!的甘油反应与反应生成的二甘酯继续反应形成 2 mol 的单甘酯， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 果为1mol油脂与2tool甘油反应生成3 rnol 单甘酯。 首 × 暮 图7 底物摩尔比对单甘酯 平衡含量的影响 2．6 两步温程法提高单甘醢含量 掾榈油日lz g1甘油古术 为4％， 根据图3得出的结论，较低的反应温度对单甘酯的合 猎胰雇肪酶加^ 量3．33 。 · 成有利，于是我们设计两步温程法提高单甘酯含量的实验，温度为28℃·时间20 即先在较高的温度 (20℃)下达到平衡以后，然后降低反应温度至室温 (12--l3℃)，此 时反应混合物完全固化，但酶催化反应仍在进行，单甘酯的含量继续提高，4 d后达到新 的平衡，单甘酯 为30．93％。 维普资讯 http://www.cqvip.com 10· 北 京 化 工 大 学学 报 1998 3 结 论 - (1)在无有机溶剂体系中由天然油脂以猪胰脂肪酶为催化剂可合成单甘酯。与化学法 合成单甘酯相比，该法反应条件温和，设备简单，能耗少。与有机溶剂乳化体系相比，减 少产品污染，使下游分离工艺简化。本法是一种有前途的合成单甘醋的方法。 (2)该法合成单甘酯的最佳条件为：反应温度2O℃。甘油与油脂摩尔比为2：1，甘 油中水含量 为4％，反应20 h左右，然后降低反应温度．在常温下放置4d，单甘酯 可达 30．93％。 参 考 文 献 I Bornscheu~,U T Lipase-catalyzed synth~e of monoacylglycemh．Enzyme and Technolo~，1995 (17)： 578--586 。 2 Sonntag N O V．Glycerolysis of fats and methyl este ——一 mtus，renew and critique．J Am Oil Chem S【，c， 1982(59)A：795～802 3 湛日景，孙叠文 ．单甘醇的1铐备和分离 ．中国油脂，1993．26(2)：26～29 4 Holmberg K，Lassen B．Stark M B．Enzymatic glycerolysis of a triglyeeride in aqueous and nonaquem~s mi— croemulsions JAOCS．1989，66(12)：1796～l800 5 MeNeill G P．Sh／mizu S．Yaman~T． h—yidd e~ymatic glycerol s of fats and oils．J of the Am Oil Chem，1991 68(I)：1～5 6 W atanabe N．O Y，Minoad Y．et a1．Isohtion and Identification of Iodine lip~e producing mlcroorgan． i~ euhural conditions and properties of crude enzymes．Agric Bid Chem，1977，41(8)：1353～1358 7 吕糟水．石明孝．金刚 ．单脂肪酯甘油醇总单醇含量的测定 ．日用化学工业，1996(3)：39--44 Lipase-- catalyzed synthesis of monoglycerides by glycerolysis of palm oil Peng Lffeng Tan Tianwei (College oi cI． Eaglneeri~．Beijiag Umv~sIty ch曲 Techado~．8eti．哪．100029) Abstract MonogIycerides can be produced by pordne pancreatic lipese--eataly~xl glycerolysis of palm oil in no solvent system．The study shows that the maximal content of monoglyceridea given up to 24．17％ after 20 hours when the reaction temperature w&s kept at 20℃．the molar ratio of glycerol to palm oil was 2：1 and water content in glycerol was 4．0％ ．The con． tent of monoglyceddes continued t0 increase up to 30．93％ after 4 days when the temperature of reaction mixture decreased to 12～13℃ ． Key words lipase~rom；porcine pancreas；monoglyceride glycemlysis 维普资讯 http://www.cqvip.com