專利名稱：脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機(jī)化合物合成領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種無(wú)溶劑法酶法合成脂肪酸甘油酯的工藝。
脂肪酸甘油單酯是一類優(yōu)良的食品和化妝品助乳化劑，尤其在化妝品中的使用量較大，其加入量為在食品中的3倍左右?；瘜W(xué)法生產(chǎn)單甘酯需要在堿性催化劑催化下220~240℃時(shí)通氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)，其產(chǎn)品主要為棕櫚酸和硬酯酸單甘酯，所用油脂原料須預(yù)先加氫氫化，對(duì)其碘價(jià)有嚴(yán)格的要求，否則產(chǎn)品會(huì)有較深的色澤?；瘜W(xué)法單甘酯的含量一般為40~50％，甘油殘留量為9~10％。然后再以分子蒸餾法提純產(chǎn)品，可得到單甘酯含量為90％的高純單甘酯，能耗大，收率僅為50％左右。酶法生產(chǎn)單甘酯具有反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)品色澤好，在生產(chǎn)高含量單甘酯時(shí)無(wú)須昂貴的分子蒸餾設(shè)備，而且無(wú)任何廢氣廢料排出的優(yōu)勢(shì)，屬于綠色表面活性劑。此外，酶法單甘酯的成分有別于化學(xué)法單甘酯，可以作為單甘酯產(chǎn)品中的一種新產(chǎn)品，可能會(huì)賦予單甘酯類產(chǎn)品在工業(yè)上新的應(yīng)用性能。按需求量3000噸計(jì)，年降低產(chǎn)品成本預(yù)計(jì)為1000萬(wàn)元左右。同時(shí)，將節(jié)約大量能源和設(shè)備投資，減少排放廢氣，可實(shí)現(xiàn)全清潔生產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
近年來(lái)，隨著非水相酶學(xué)研究的展開，酶法合成單甘酯的研究也得以發(fā)展，至今已發(fā)展成為最具吸引力的脂肪酶應(yīng)用領(lǐng)域之一。其合成方法大體上可以分為溶劑相或微乳狀液中以脂肪酸和甘油進(jìn)行酯化反應(yīng)；非水相、微乳狀液體系或超臨界CO2中的油脂甘油解或酯交換反應(yīng)。其中，非水相油脂甘油解也包括了油脂的無(wú)溶劑法甘油解，這也是迄今為止見(jiàn)報(bào)的單甘酯產(chǎn)率較高的一種工藝。根據(jù)以往的研究，很多脂肪酶可用于非水相催化合成脂肪酸單甘酯。日本名古屋大學(xué)Yamane研究小組開展了在固相體系中，脂肪酶催化三油酰甘油酯甘油解合成油酸單甘酯的能力和穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細(xì)菌脂肪酶在反應(yīng)中的穩(wěn)定性和催化能力較高。在研究的六種酵母和霉菌的脂肪酶中，酶在反應(yīng)中的穩(wěn)定性和催化活性都很低。許多其它研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)細(xì)菌脂肪酶催化反應(yīng)種類最多、反應(yīng)活性與穩(wěn)定性最高。他們認(rèn)為可能是細(xì)菌脂肪酶的空間結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)溶劑所導(dǎo)致的破壞作用具有較強(qiáng)的抗性。而細(xì)菌脂肪酶中又以來(lái)源于假單胞菌屬和色桿菌屬的脂肪酶催化效果最佳。他們用兩步溫程法，在10g規(guī)模中，以油脂/甘油摩爾比為1∶4.8，一次性加入酶粉，反應(yīng)24小時(shí)后，4℃下繼續(xù)放置反應(yīng)96小時(shí)，脫去甘油后，單甘酯含量近90％(不脫甘油計(jì)則為75％左右)，該工藝雖然是目前見(jiàn)報(bào)的最好報(bào)道，但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，反應(yīng)體系固化后不易出料，不適合于工業(yè)化。
國(guó)內(nèi)目前除本研究室外，對(duì)非水相酶催化合成單甘酯的研究基本局限于微乳體系中的酶催化反應(yīng)等工業(yè)化前景較小而理論意義較大的領(lǐng)域中。
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝，以便能在低溫下合成脂肪酸單、二甘酯產(chǎn)品，并在溫和的反應(yīng)條件下獲得較高含量的單甘酯產(chǎn)品，也可以按實(shí)際需要獲得酯含量適中的產(chǎn)品，以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。
本發(fā)明在無(wú)溶劑體系中對(duì)一些脂肪酶催化油脂甘油解以及脂肪酸和甘油的酯化工藝的活性進(jìn)行了研究。以脂肪酶為催化劑，研究了無(wú)溶劑體系中酶催化油脂甘油解以及脂肪酸和甘油的酯化反應(yīng)合成單甘酯的工藝條件，在10kg規(guī)模上合成出單甘酯含量約為40～78％的脂肪酸甘油酯產(chǎn)品。其特征在于在一帶有控溫水浴、溫度計(jì)和機(jī)械攪拌的反應(yīng)器中，加入甘油、油脂(或脂肪酸)、酶和水。甘油和油脂的摩爾比為1～5∶1，甘油中水含量為甘油的0～12％，脂肪酶加入量為50～1000u/g油脂或脂肪酸。加酶量因反應(yīng)時(shí)間和所需單甘酯含量而定，反應(yīng)時(shí)間越短，單甘酯含量要求越高，加酶量越多。將體系溫度升至第一反應(yīng)溫度(25～50℃)后攪拌一定時(shí)間，停止攪拌，然后按反應(yīng)溫度程序進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)溫度程序的范圍為4～50℃，第一反應(yīng)溫度為25～50℃，油脂或脂肪酸熔點(diǎn)越高，該溫度越高，一般在所用油脂或脂肪酸熔點(diǎn)附近；后續(xù)反應(yīng)溫度程序因所需產(chǎn)品中單甘酯含量而定，可以為2～4步，反應(yīng)溫度逐漸降低。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于與國(guó)外文獻(xiàn)比較，將原來(lái)的兩步改為多步溫度程序優(yōu)化工藝條件，提高了反應(yīng)速度，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，將原來(lái)的五天縮短為兩天；此外，前人的工作中，酶的加入方式為一次性加入，反應(yīng)體系在反應(yīng)器中迅速凝固，不能出料，不利于工業(yè)放大，同時(shí)酶的穩(wěn)定性也相對(duì)較差。本發(fā)明將加酶方式由一次加入改為批次加入，提高了酶的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)體系前期固化時(shí)間，使體系在酶粉完全加入后不致迅速凝固，方便出料，有利于工業(yè)放大，本發(fā)明的規(guī)模在目前公開的文獻(xiàn)中為最大規(guī)模。
本發(fā)明所用原料為各種動(dòng)植物油脂，氫化油脂，混合油脂，C6-22的飽和或不飽和脂肪酸，甘油脂肪酶Lipolase 100L，龍馬酶，Pseudomonasfluorescens(PF)，Pseudomonas aeruginosa(PJW)PPW4092，等等。


圖1為工藝流程圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行實(shí)施例的描述，實(shí)施例以棕櫚油、牛羊油、大豆油和脂肪酶Pseudomonas fluorescens(PF)及PJW為例，加酶量為100～500u/g油脂。實(shí)施例如下實(shí)施例1 PF催化合成75％棕櫚油單甘酯4722g熔化的棕櫚油和1177g甘油(1∶2.3mol/mol)以及一定量的水一并加入反應(yīng)釜中，用恒溫水浴打入35～30℃的循環(huán)水，用水抽泵抽氣并恒溫?cái)嚢?.5hr。加入50u/g油脂的PF，攪拌2hr后加入450u/g油脂的PF，攪拌3hr。然后用空氣鋼瓶導(dǎo)入0.1kgf的壓縮空氣，出料，將其置于溫度為35～30℃的環(huán)境中放置，共反應(yīng)18hr，然后環(huán)境溫度調(diào)為25～20℃，再放置10hr后將溫度調(diào)為4～10℃，放置20hr即可。產(chǎn)品中單甘酯含量為75.9％。
實(shí)施例2 PF催化合成75％棕櫚油單甘酯酶法單甘酯合成時(shí)，為了提高單甘酯產(chǎn)率，需要在較低溫度下深化反應(yīng)，因此加酶量較大。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明40％單甘酯也有較好的使用性能，而且加酶量可降低，所以本發(fā)明也在低酶活加入量下合成了40％的單甘酯。
4722g熔化的棕櫚油和1177g甘油(1∶2.3mol/mol)以及一定量的水一并加入反應(yīng)釜中，用恒溫水浴打入35～30℃的循環(huán)水，用水抽泵抽氣并恒溫?cái)嚢?.5hr。立即加入100u/g油脂的PF，攪拌5hr。然后用空氣鋼瓶導(dǎo)入0.1kgf的壓縮空氣，出料，再將其置于溫度為30～25℃的環(huán)境中放置8hr，然后將其溫度依以下程序調(diào)節(jié)25～20℃15hr+4～8℃20hr℃，放置即可。產(chǎn)品中單甘酯含量為45.5％。
實(shí)施例3 PJW催化合成牛羊油單甘酯2360g熔化的油脂和587g甘油以及一定量的水一并加入反應(yīng)釜中，用恒溫水浴打入42℃的循環(huán)水，用水抽泵抽氣并恒溫?cái)嚢?.5hr。加入50u/g油脂的PJw，攪拌2hr。將但溫水浴溫控調(diào)節(jié)為35～30℃，0.5hr后加450u/g油脂的PJW，攪拌6hr。然后停止攪拌，出料，在此溫度下放置12hr，再將溫度依以下程序調(diào)節(jié)25～20℃10hr+18～10℃18hr。反應(yīng)完畢，物料中單甘酯含量為60.0％。
實(shí)施例4 PJW催化合成大豆油單甘酯2360g油脂和587g甘油以及一定量的水一并加入反應(yīng)釜中，用恒溫水浴打入30℃的循環(huán)水，用水抽泵抽氣并恒溫?cái)嚢?.5hr。加入50u/g油脂的PJW，攪拌2hr。將恒溫水浴溫控調(diào)節(jié)為25～20℃，0.5hr后加450u/g油脂的PJW，攪拌10hr。然后停止攪拌，出料，在此溫度下放置8hr，再將浴溫依以下程序調(diào)節(jié)20～15℃10hr+8～4℃18hr。反應(yīng)完畢，物料中單甘酯含量為50.0％。
總單甘酯含量測(cè)定方法稱取0.10～0.18g樣品于25ml容量瓶中，用22ml氯仿將其室溫下溶解后放置1hr以上使酶失活。用4×3ml的5％硫酸鈉水溶液洗滌氯仿層，用滴管吸出水層，合并水相，再用3×5ml的氯仿洗滌水相，然后合并所有氯仿層。將氯仿層置于500ml碘量瓶中，移入25ml高碘酸—冰醋酸溶液和0.5ml60％的高氯酸水溶液，搖勻，25℃下避光放置90～120min。在此碘量瓶中加入10ml碘化鉀溶液(20gKI/100gH2O)，然后用0.1mol/l的硫代硫酸鈉溶液滴定，同時(shí)以30ml氯仿作空白實(shí)驗(yàn)。按以下公式計(jì)算單甘酯含量MG％＝(V0-V1)×N×17.3/W其中，V0為空白所耗硫代硫酸鈉溶液毫升數(shù)；V1為樣品所耗硫代硫酸鈉溶液毫升數(shù)；N為硫代硫酸鈉的摩爾濃度；W為樣品克數(shù)；17.3為以油脂平均碳數(shù)為17之基準(zhǔn)計(jì)算的單甘酯分子量除以20所得值。但目前各廠家均以平均碳數(shù)為18為基準(zhǔn)，該系數(shù)為17.9。
權(quán)利要求
1.脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝，其特征在于，在一反應(yīng)器中，加入甘油、油脂、酶和水，甘油和油脂的摩爾比為1～10∶1，甘油中水的含量為甘油的0～12％，脂肪酶加入量為50～1000u/g油脂，再將體系溫度升至第一反應(yīng)溫度25～50℃后攪拌一定時(shí)間，停止攪拌，然后按反應(yīng)溫度程序進(jìn)行程序降溫放置反應(yīng)。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝，其特征在于所說(shuō)的固相體系為無(wú)溶劑體系。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝，其特征在于所說(shuō)的油脂為所有天然油脂或氫化油脂以及混合油脂。
4.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的脂肪酶固相催化油脂甘油解工藝，其特征在于所說(shuō)的反應(yīng)器帶有控溫水浴、溫度計(jì)和機(jī)械攪拌結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及有機(jī)化合物合成領(lǐng)域,具體地說(shuō)是一種無(wú)溶劑法酶法合成脂肪酸甘油酯的工藝。其特征在于,在一帶有控溫水浴、溫度計(jì)和機(jī)械攪拌的反應(yīng)器中,加入甘油、油脂、酶和水,然后,將體系溫度升至第一反應(yīng)溫度后攪拌一定時(shí)間,停止攪拌,再按反應(yīng)溫度程序進(jìn)行程序降溫放置反應(yīng),以脂肪酶為催化劑。本發(fā)明用程序降溫工藝合成出單甘酯含量約為40—78%的脂肪酸甘油酯產(chǎn)品,其工藝流程反應(yīng)條件溫和,無(wú)污染,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C07C69/00GK1244587SQ9911423
公開日2000年2月16日 申請(qǐng)日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者章克昌, 石貴陽(yáng), 夏詠梅 申請(qǐng)人:無(wú)錫輕工大學(xué)