（化学工程与技术专业论文）酶法油脂改性技术的应用.pdf

摘要 酶法油脂改性技术的应用 摘要 天然油脂的组成和结构在满足人们的营养需求上存在着某些方 面的不足，为了提高油脂的营养性和适用性，需要改变其结构和组成。 本论文通过酶法油脂改性技术选择合适的酶促反应制备了单甘 酯、二甘酯及人乳脂等酶法改性产品。 论文对比了c a n d i d as p 9 9 1 2 5 脂肪酶催化大豆油水解反应和甘 油油酸酯化反应制备单甘酯、二甘酯的两条工艺，最终选定无溶剂体 系中甘油和油酸酯化反应作为工艺路线，对反应中的重要影响因素进 行了单因素和响应面优化后，针对单甘酯和二甘酯分别得n 2 个最优 条件：其中最优的初始含水量和搅拌转速是相同的，均为1 0 和 1 9 0 r m i n 。甘油油酸摩尔比、d 环糊精游离酶、催化剂载量、反应温 度对单甘酯的最优条件分别为6 ：1 ，0 ，5 ，5 0 ；对二甘酯的最优条 件分别为5 ：1 ，1 5 ，1 0 ，4 0 。c 。最终可以得到4 9 6 的单甘酯和5 4 3 的二甘酯，且二者总量在2 h 时即可达最大，为8 1 4 。通过不同的最 佳反应条件可以控制体系中单甘酯和二甘酯的比例，从而满足不同的 市场需求。经过柱层析分离后，单甘酯和二甘酯的纯度均可达到9 0 以上，回收率达8 5 以上。并验证了水在无溶剂体系中c a n d i d as p 9 9 1 2 5 f 旨肪酶催化甘油和油酸酯化反应中不仅对酶的催化活性和稳 定性有影响，而且在酶的界面催化中起重要作用。 在人乳脂的合成中，针对产品指标建立了反应体系的分析方法， i 北京化工大学硕上学位论文 通过对比酸解工艺和乙醇解工艺确定酸解反应作为工艺路线，并对反 应的具体条件进行了正交实验优化，得到了最佳反应条件为：酶： c a n d i d as p 9 9 1 2 5 脂肪酶，l o w t 底物质量；摩尔比：猪油油酸 l ：5 5 ；温度：4 3 ；反应时间：4 h ；溶剂：正己烷，v ( m 1 ) = ( m 油酸+ m 猪油) x l o ，经过实验验证后可得o p o 含量3 9 8 3 ，s n 2 酸 c 1 6 ：0 占5 2 8 2 ，基本达到产品的2 个主要技术指标。 关键词：脂肪酶，单甘酯，二甘酯，人乳脂，响应面，正交 摘要 t h ea p p l i c a t i o no fe n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n o fs t r u c t u r e dl i p i d st e c h n o l o g y a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h en u t r i t i o na n da p p l i c a b i l i t yo ft h el i p i d s ，t h e l i p a s ew a su s e dt oc a t a l y z et h eh y d r o l y s i so rs y n t h e s i so ft h eg l y c e r i d e ， c h a n g i n gt h es t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no f t h el i p i d s i nt h i s s t u d y , e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n o fs t r u c t u r e dl i p i d sw a s e m p l o y e d t os y n t h e s i so fm o n o g l y c e r i d e ，d i g l y c e r i d ea n dh u m a nm i l kf a t e s t e r i f i c a t i o no fg l y c e r o la n do l e i ca c i dc a t a l y z e db yl i p a s ec a n d i d a s p 9 9 12 5w a ss e l e c t e d t o s y n t h e s i z em o n o g l y c e r i d e ( m a g ) a n d d i g l y c e r i d e ( d a g ) i n s o l v e n t - f r e e s y s t e mt h r o u g hc o m p a r i n gw i t h h y d r o l y s i so fs o y b e a r lo i l s i xr e a c t i o nv a r i a b l e s w e r eo p t i m i z e db ys i n g l e v a r i a b l ee x p e r i m e n ta n dt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) t h e o p t i m a lc o n d i t i o n st ot h es y n t h e s i so fm a g a n dd a gw e r ed i f f e r e n t ：t h e o p t i m a lg l y c e r o l o l e i c a c i dm o l a rr a t i o ，b e t a - c y c l o d e x t r i n l i p a s em a s s r a t i o ，c a t a l y s tl o a da n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew e r e6 ：1 ，0 ，5 ，5 0 。c f o r m a g , a n d5 ：1 ，1 5 ，10 ，4 0 。cf o rd a g , r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a lw a t e r c o n t e n ta n da g i t a t o rs p e e df o rb o t hm a ga n dd a gs y n t h e s i sw e r e10 a n d19 0 r m i n ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，4 9 6 m a g a n d5 4 3 d a gw e r eo b t a i n e da f t e r8 ha n d4 h ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h e i i i 北京化工大学硕士学位论文 m a x i m u mo f8 1 4 m a gp l u sd a g ( 2 8 1 m a ga n d5 3 3 d a g ) w a so b t a i n e da f t e r2 h a b o v e 9 0 p u r i t ya n d85 r e c o v e r yo fm a ga n d d a gc a nb eo b t a i n e db ys i l i c ac o l u m ns e p a r a t i o n e f f e c to fw a t e ro nt h e e s t e r i f i c a t i o no fg l y c e r o la n do l e i ca c i dc a t a l y z e db yl i p a s ec a n d i d as p 9 9 - 12 5w a si n v e s t i g a t e da n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rp l a y sm u l t i p l e r o l e s ，i tn o to n l yh a ss t r o n gi n f l u e n c eo nt h ec a t a l y t i ca c t i v i t ya n ds t a b i l i t y o ft h el i p a s eb u tp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h ei n t e r f a c i a lc a t a l y s i so f l i p a s e i nt h es y n t h e s i so fh u m a nm i l kf a t ，d i f f e r e n ta n a l y s i sm e t h o d sw e r e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r o d u c ts t a n d a r d s a c i d o l y s i sw a ss e l e c t e d a st h ep r o d u c t i o nm e t h o dt h r o u g hc o m p a r i n ga l c o h o l y s i sa n dw a s o p t i m i z e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h eo p t i m a lc o n d i t i o n s w a s l i p a s ec a n d i d as p 9 9 12 510 w t 一s u b s t r a t e ，l a r d o l e i ca c i dm o l a r r a t i o1 ：5 5 ，t e m p e r a t u r e4 3 。c ，r e a c t i o nt i m e4 h ，h e x a n ea st h es o l v e n t ，v ( m 1 ) = ( o l e i ca c i dm a s s + l a r dm a s s ) 1 0 3 9 8 3 o p ow a so b t a i n e da f t e r o p t i m i z a t i o n ，t h ep r o p o r t i o no fp a l m i t i ca c i da ts n 一2p o s i t i o na c c o u n t e d f o r5 2 8 2 ，w h i c hh a sm e tt h ed e m a n d a c i da ts n 一2p o s i t i o na c c o u n t e df o rt h e o p o ( ) 4 0 k e y w o r d s ：l i p a s e ，m o n o g l y c e r i d e s ， r e s p o n s es u r f a c e ，o r t h o g o n a l i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 油脂酶法改性的产品1 1 2 1 单甘酯2 1 2 2 二甘酯2 1 2 - 3 人乳脂3 1 3 油脂酶法改性的方法4 1 3 1 单甘酯和二甘酯的生产方法4 1 3 2 人乳脂的生产方法7 1 4 改性产品的分离纯化8 1 4 1 分子蒸馏法：8 1 4 2 溶剂结晶法9 1 4 3 柱层析法9 1 4 4 超临界二氧化碳萃取法10 1 4 5 液液萃取系统1 0 1 5 国内外研究进展l0 1 5 1 单甘酯l o 1 5 2 二甘酯1 2 1 5 3 入乳脂1 3 1 6 ，j 、结1 4 1 7 本论文研究思路和内容1 4 第二章脂肪酶催化大豆油水解制备单甘酯、二甘酯1 7 2 1 前言1 7 2 2 实验材料和方法17 2 2 1 实验原料1 7 2 2 2 实验设备。18 2 2 3 实验方法18 北京化工大学硕士学位论文 2 3 实验结果与讨论1 9 2 3 1 水含量对水解反应的影响1 9 2 3 2 酶量对水解反应的影响2 0 2 3 3 反应温度对水解反应的影响2 1 2 3 4 传质与传质方式对水解反应的影响。2 1 2 3 5 流加底物水对水解反应的影响2 3 2 3 6 添加剂c a c l 2 对水解反应的影响2 4 2 3 7 构建微乳介质对水解反应的影响2 5 2 4 小结2 6 第三章脂肪酶催化酯化反应制备单甘酯、二甘酯2 7 3 1 引言2 7 3 2 实验材料和方法2 7 3 2 1 实验原料2 7 3 2 2 实验设备2 8 3 2 3 实验方法2 9 3 3 实验结果与讨论3 2 3 3 1 固定化酶催化甘油油酸酯化反应3 2 3 3 2 游离酶催化甘油油酸酯化反应3 3 3 3 3 甘油油酸酯化反应液的分离4 0 3 3 4 不同脂肪酸与甘油的酯化反应4 3 3 4d 、结4 4 第四章响应面优化脂肪酶催化合成单、二甘酯的工艺研究4 7 4 1 引言4 7 4 2 材料与方法4 7 4 2 1 试剂与仪器4 7 4 2 2 实验方法4 7 4 3 结果与讨论4 9 4 3 1 实验结果回归分析4 9 4 3 2 影响因素重要性5 2 2 5 2 2 实验设备6 2 5 2 3 实验方法6 2 5 3 实验结果与讨论6 4 5 3 1 不同的水替代物的影响6 4 5 3 2 不同的除水策略6 6 5 4 小结6 8 第六章脂肪酶催化合成人乳脂7 l 6 1 前言7 1 6 2 实验材料和方法7 l 6 2 1 实验原料7 1 6 2 2 实验设备7 2 6 2 3 实验方法7 2 6 3 实验结果与讨论7 5 6 3 1 分析条件的建立7 5 6 3 2 原料的选择7 7 6 3 3 乙醇解工艺7 8 6 3 4 酸解工艺8 1 6 4 小结8 3 第七章正交实验优化酸解反应合成人乳脂 3 北京化工大学硕士学位论文 7 1 前言8 5 7 2 材料和方法8 5 7 2 1 试剂8 5 7 2 2 酸解反应8 5 7 2 3 分析方法8 6 7 3 结果与讨论8 6 7 3 1 正交实验设计及其结果。8 6 7 3 2 实验结果分析j 一8 7 7 3 3 正交实验优化结果及验证9 2 7 4 小结9 2 第八章结论和建议。9 3 8 1 结论9 3 8 2 创新点9 4 8 3 问题和建议。9 4 8 3 1 脂肪酶c a n d i d as p 9 9 1 2 5 催化合成单甘酯、二甘酯9 4 8 3 2 脂肪酶催化合成人乳脂9 5 参考文献9 7 j i ；【谢1 0 5 研究成果及发表的学术论文。： 1 0 7 作者及导师简介1 0 9 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 油脂是人体必需的六大营养素( 蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质和 水) 之一，它的主要功能是提供给人体热量和其自身无法合成的必需脂肪酸，并赋予 食品独特的风味。油脂在人们的日常饮食中不可或缺，但是它的高热量及高含量的甾 醇类的胆固醇，是导致肥胖、心脏病、高血压等疾病的重要原因。如何提高天然油脂 的营养价值，降低其热量并拓宽它在食品工业及相关行业的利用价值目前已成为热点 问题【l 】，为了实现这一目的，通常采用包括脂质重构在内的油脂改性技术。 目前，分提、氢化和重构是油脂改性的3 种主要方法。分提是利用油脂中的不同 种类三甘酯的熔点和溶解度的不同将其分为固、液两部分，来生产专用油脂。氢化是 用催化剂催化油脂酰基中的不饱和键与氢发生加成反应，改性成为稳定性及塑性更好 的油脂，从而提高其应用价值。重构则是通过改变甘油分子连接的脂肪酸结构及位置 来改变油脂的功能，从而产生营养功能更优的新油脂，称为结构脂质( 或重构脂质) 口j ， 根据需要能生产出不同的三甘酯、二甘酯、单甘酯和脂肪酸甲酯，现已广泛应用于各 个领域如人造奶油、食品乳化剂、生物柴油等方面。 脂质重构的方法有化学法和酶法两种。化学法是用碱金属或碱金属烷基化合物作 催化剂在高温、无水条件下催化油脂进行随机酯交换反应【3 1 。油脂酶法改性则是利用 脂肪酶( l i p a s ee c3 1 1 3 ) 选择性地催化甘油酯的分解或合成，从而改变油脂的结构和 组成，提高其营养性和适用性。与化学催化剂相比，酶法催化的专一性强，副产物少， 分离纯化容易，反应条件温和，因而酶法油脂改性是极具研究开发前景的油脂改性方 式 4 1 。 1 2 油脂酶法改性的产品 酶法油脂改性经过2 0 年的发展已从最初的实验室想法变成了现在的工业现实。 在世界范围内这一领域已发表了很多研究成果。这也使得在油脂加工及其应用的各个 环节中有了生产各种新产品的可能。相关的工业部门也都对酶法油脂改性技术的应用 非常重视，越来越多的公司下大力气去探索使用酶技术的可能性。目前已有1 0 多家 国际公司将酶法油脂改性技术应用于生产。一些产品已上市，如：人奶脂肪替代物 ( h m f s ) 、可可脂替代物( c b e ) 、二酰甘油( d a g ) 、食用油、多不饱和脂肪酸浓缩 物( p u f a ) 中长链三酰甘油( m c t ) 等。下面就论文研究的三种甘油酯进行详细介 绍。 北京化r t 大学硕十学位论文 1 2 1 单甘酯 单甘酯( m g 或m a g ) 即脂肪酸单甘油酯，有1 - m a g 和2 - m a g 两种构型。象 牙色或淡黄色，存在形式有油状、脂状或蜡状等，根据其脂肪酸基团的大小及饱和程 度可以无味或有油脂味，其结构通式如图1 1 。与油脂类似，单甘酯以多种晶型或变晶 型存在，同一种0 【单硬脂酸甘油酯会出现不同的熔点【5 】。单甘酯不溶于水和甘油，但 是在水中能形成稳定的水合分散体，h l b 值一般为2 3 ，其值可通过改变其组成的脂 肪酸碳链长度和饱和性而调整。 l i c 一o l l i 垤g l i c 一o h 2 m g 图1 i 单甘酯的2 种结构构型 r i g i - 1t w o s t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o n so f m o n o g l y c e r i d e 一个亲油的长链烷基和两个亲水的羟基使单甘酯具有良好的表面活性，又因为它 可以1 0 0 被生物降解为甘油和脂肪酸，安全无毒，是公认的“绿色”环保产品，所以作 为乳化剂被广泛应用于食品、化妆品、医药、洗涤剂、塑料、纺织和高分子加工工业 中【6 】。如含有多不饱和脂肪酸( e p a 、d h a ) 的单甘酯可预防心血管疾病【7 1 。 单甘酯是世界上用量最大的食品乳化剂，约占乳化剂总量的1 2 2 3 。其中5 0 用 做面粉类产品的加工。目前市场上主要有单甘酯含量3 0 , - 一4 5 和经过分子精馏后含 量9 0 以上两种规格的产品。 1 2 2二甘酯 二甘酯又称甘油二酯( d i # y c e r i d e 或d i a c y l g l y c e r o l ，d g 或d a g ) ，它是油脂的天 然成分，是由两个脂肪酸取代甘油骨架与甘油酯化后得到的。其分子结构式如下： c l h 2 0 c o r c l h 2 0 c o r c h o c o r 或 c h o h li c h 2 0 h c h 2 0 c o r 图l - 2 二甘酯的2 种结构构型 f i g 1 - 2t w os t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o n so f d i g l y c e r i d e 2 第一章绪论 其中c o r 、c o r 为饱和或不饱和脂肪酰基，它们在甘油的不同位置构成了1 ， 2 和1 ，3 二种异构体，在热力学平衡时，二者之比为1 3 - 2 1 8 9 】，在酸碱或受热情况下 能催化二者之间的转化【1 0 , 1 1 】。5 0 。c 时1 ，3 d a g 1 ，2 d a g 的平衡常数为o 3 9 【1 2 】。 d a g 是油脂摄入体内后代谢产生的中间体。营养学研究【l 弘1 5 】表明富含1 ，3 d a g 的食用油具有同等量的三甘酯( t a g ) 相似的热值，小鼠食用后不仅能抑制血清中的 血脂含量升高，而且能减少其内脏脂肪的积累，这是因为1 ，3 d a g 的代谢产物是l 或3 - m a g ，其在小肠黏液中不会重新合成三甘酯，而是直接经门静脉进入肝脏后经d 氧化释放能量，从而防止体内脂肪的积累；另外乳糜微粒及由它转运经淋巴循环进入 血液中的t a g 及胆固醇量也由于t a g 在小肠内的合成减少而相应减少，从而血脂浓 度降低，起到预防和治疗高血脂及与其相关的心脑血管疾病的作用，经血液吸收t a g 的减少会进一步降低皮下、内脏、肌肉等组织对外源t a g 的吸收；另外d a g 还可抑 制相关合成t a g 的酶并激活b 氧化酶进而减少内源t a g 的合成。 d a g 除可作为健康食用油外，还广泛应用在食品添加剂、制药、化工等领域有。 如二甘酯可以改善面包、蛋糕等焙烤食品的风味，使其口感更加油润，硬化速度减缓， 从而延长储存期。作为促溶剂，可加速固体饮品溶解，使产品更加润滑并具有期望的 泡沫。作为增塑剂用于果蔬保鲜涂层具有抑菌作用。另外，l ，3 一二甘酯可以作为磷脂、 树脂、糖酯、酯蛋白、重构脂质等许多化工产品的起始合成原料，也可用在生物工业 合成中，如酶激活剂、抑制剂等，在化妆品工业中可用作乳化剂、稳定剂和润湿剂等 1 1 6 。 1 2 3 人乳脂 人乳被认为是婴幼儿健康成长和发育的最理想食品。人乳中脂质成分占3 5 ， 其中三甘酯含量占脂质的9 8 ，这部分三甘酯称为人乳脂( h u m a nm i l kf a t ) ，可给0 6 个月的婴儿提供4 5 左右的能量，还可提供人体必需的脂肪酸和长链多不饱和脂肪 酸，且可促进脂溶性维生素的吸收【1 7 】。人乳脂中有大量的长链脂肪酸，如亚油酸、油 酸、棕榈酸和硬脂酸，这种三甘酯有着与植物油和反刍动物乳不同的结构，其棕榈酸 的6 0 7 0 分布在s n 2 位，s n 1 ，3 位主要由不饱和脂肪酸占据，这种特殊的结构使 得s n 2 位的饱和酸在婴幼儿体内以单甘酯的形式被吸收，而不是形成钙皂，因此促进 了钙的吸收【l 引。而普通牛乳或植物油制成的脂肪在婴幼儿的消化吸收过程中会形成不 溶水的饱和脂肪酸钙或镁盐，导致脂肪和矿物质的吸收率低，容易产生便秘或干结等 病症【1 9 1 。因此人乳脂比牛乳等动植物脂肪的功能优越，但是由于个人、社会等外界因 素的影响，母乳不足，缺乏母乳喂养条件或母乳营养缺乏等现象普遍存在，因此母乳 替代品婴幼儿配方奶粉的研究备受重视。 3 北京化工人学硕上学位论文 1 3 油脂酶法改性的方法 脂肪酶用于油脂改性中的催化反应主要有【4 】： ( 1 ) 水解反应：r o c o r l + h 2 0 _ r o h + r 1 c o o h ( 2 ) 醇解反应：r 1 0 c o r + r 2 0 h - + r 2 0 c o r + r 1 0 h ( 3 ) 酯化反应：r 1o h + r 2 c o o h - + r 1 0 c o r 2 + h 2 0 ( 4 ) 酸解反应r o c o r l + r 2 c o o h - + r o c o r 2 + r 1 c o o h ( 5 ) 酯交换反应：r 1 0 c o r 2 + r 3 0 c o r 4 + r 1 0 c o r 4 + r 3 0 c o r 2 下面就单甘酯、二甘酯及人乳脂的具体生产方法进行详细介绍。 1 3 1 单甘酯和二甘酯的生产方法 1 3 1 1 水解( 或者醇解) 法 油脂水解是用脂肪酶催化油脂水解生成脂肪酸和甘油。油脂醇解是用脂肪酶催化 低级醇和三甘酯反应生产单甘酯、二甘酯，同时生成副产物脂肪酸低级醇酯。这两种 方法的优点是反应速度快、产物容易分离，副产物价值高。 水解或醇解反应都是可逆反应。一般认为油脂水解反应分三步进行，如图1 3 中( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 所示。 图l - 3 油脂水解反应 f i g 1 - 3t h eh y d r o l y s i so f o i l 4 - r c o o h( 1 ) + r c o o h( 2 ) + r c o o h( 3 ) 以上反应均是双分子反应。可通过控制反应速度控制产品种类，将反应控制在第 一步即得二甘酯，控制在第二步即得单甘酯。反应速度取决于催化剂和温度，利用三 甘酯在脂肪酶的催化作用下选择性水解可生产高纯度的1 ，3 一二甘酯【l 】，该方法极大的 缩短了二甘酯的制备过程，为天然油脂经过简单工艺即转化为化工原料提供了新的可 4 e e e e e e 第一章绪论 能性。 然而水解法的主要缺点是m a g 产率低，因为每产生l m o lm a g 就生成2 t o o l 脂 肪酸，脂肪酸会通过抑制酰基转移从而阻止水解反应的继续进行，所以芥茉油等种子 油料只能部分水解【2 0 】。 1 3 1 2 直接酯化法 直接酯化法是以酰基供体和甘油为原料，利用1 ，3 位特异性脂肪酶在微水相条件 下通过控锘m j _ - 者比例催化合成单甘酯或二甘酯的反应。其反应式如图1 - 4 ： i - o e i d e r i f ；c s t t o n f o c o r e s t e h f i 0 8 t i o n 广o c o r i o h ；= = = = 毒 o h ；= = = = 2卜o h i o hh y d r o l y mlo h h y d r o l y s i so c o r a 聃e r o l1 m o n o a c y l g l y c e r o l 1 3 d i s c y l g i y c e r o l t 1 m a g )1 3 - d a g ) 1 1 a 口y im 白r m i o n h c y m 幻m t i 。n r o h i ：s t e r i f i c a t i o n ro c o r e s t e r i f i c e t i o n ro c o r k o c o 薯= = = 童1 o c o r ；= = = 置i o c o r i - o h h y d r o l y w lo h h y d r o l y s i s lo c o r 2 一m o n o a c y l g l y c e r o l 2 ( 2 。3 - d i a c y l g l y c e r o lt r i a o y i g l y c e r o i 担一m a g )1 1 2 ( 2 。3 ) - d a ( 秘( t a g ) 图l - 4 甘油酯化反应 f 逛1 - 4t h ee s t e r i f | c a r i o no f g l y c e r o l 甘油与脂肪酸的直接酯化按二级动力学分两步进行。通过控制反应过程中的反应 速率之差，可以控制反应产物是单甘酯或二甘酯的其中一种。反应速率之差与甘油和 脂肪酸的比例有关：当脂肪酸和甘油为等物质的量时，反应速率之差与脂肪酸在甘油 中的溶解度有关；当脂肪酸和甘油等质量时，其反应速率相近；而在共溶剂中反应物 为等物质的量与等质量的酯化反应速率相近。水是酯化反应的产物，因此及时除去产 生的水可以促进反应的进行；高温能加速酯化反应，因为温度高时甘油在酸中的溶解 度也高【2 1 1 。 直接酯化法的优点是反应步骤少，反应时间短，酶反应器利用率高，产物纯度高， 易分离。但要求反应原料的纯度要高，因此费用较高，不一定适合大规模生产。 1 3 1 3 转酯化法 转酯化法是利用脂肪酸组成不同的三甘酯与脂肪酸酯或单甘酯之间发生酰基转 北京化1 = 大学硕十学位论文 移合成单甘酯或二甘酯的方法，其简式如图1 5 所示： c i t i ：- 删 脂睹酶f h f h - o h + r c o o r 一f h c h3 - o h c h 甘油脂舫酸隧 2 - f h ， o c o 。r r +c h -o h c h ，- o h l - 挚甘酪 引c 岫h 2 0 0 r 1 一 h o h c h 2 0 0 r i 甲 h 2 0 h ，十c 疆- 1 2 0 0 r 2 + 盂 c l i ：0 hc h 2 0 0 r ! 亡h ，o o r lc h 2 0 h c i - 1 2 0 0 r lc i i i p 0 r 1 转酯化反应包括水解和酯化两步。通过在水解和酯化反应中建立动态平衡，可 以优化转酯化反应。然而由于反应中的水含量难于控制，过高有利于水解反应，过低 则有利于酯化反应，因此建立动态平衡是很困难的。而且反应如果以单甘酯为原料时， 价格昂贵成本太高，而以三甘酯为原料时，转化率低且反应时间长，因此不适合生产 二甘酯。 1 3 1 4 甘油解法 p h ：o hf c h 2 0 0 r 一乒鲫2 0 0 r i + f ：f l ll 图1 _ 6 甘油解法制备单甘酯、二甘酯的反应式 f i g 1 - 6g l y c e r o l y s i st op r o d u c em a g a n dd a g 甘油解法是目前工业上生产单甘酯的主要方法，一般是由硬化油甘油解生产，其 中二甘酯是作为高纯单甘酯的副产品得到。脂肪酸酰基在油脂分子和游离甘油分子之 间重新分布，生成的部分甘油酯的脂肪酸组成与原料脂肪酸相同，因此甘油解过程不 发生质量损失。利用特异性脂肪酶选择性催化，可获得特定结构的二甘酯。利用甘油解 法可生产纯度较高的单甘酯、二甘酯，成本低但反应速度慢且产率较低，工业生产不 是十分满意【l 6 1 1 6 0c h h & 洲 盯 伽! 璧 第一章绪论 1 3 2 人乳脂的生产方法 1 3 2 1 酯酯交换 酯酯交换即三甘酯和另一种酯( 包括另外一种三甘酯) 进行酶促酰基交换，此 反应不形成副产物如甘油、水、脂肪酸和醇等。酯交换的目的是降低产物与起始物之 间的差别，因此不能像其它反应一样通过去除副产物而反应向合适的方向移动。但可 以利用起始油脂的熔点不同将其分成固液两相，在反应中将固相组分除去，而使这种 组分不断生成。 u n i l c v e r 公司【2 2 】的人乳脂生产即是用棕榈油和棕榈仁油在1 ，3 位选择性脂肪酶催 化下进行酯交换后再将酯交换产物与高油酸含量的葵花籽油、高亚油酸含量的菜籽油 和椰子油按一定比例进行调配，得到的三甘酯混合物中饱和脂肪酸占3 0 ，其中s n 2 位上的饱和脂肪酸占总饱和脂肪酸的4 0 ，低于母乳脂肪7 0 的比例。c o m a d u k o 等 1 2 3 用l i p o z y m er mi m 专一性脂肪酶催化三棕榈酸甘油酯与椰子油、红花籽油和大豆 油进行酯交换反应，反应产物与山羊乳脂进行调配后得到母乳化脂肪产品。 1 322 酸解反应 酸解反应是在脂肪酶的作用下催化游离脂肪酸与三甘酯进行酰基交换。酶法酸解 是可逆反应，一般认为是水解，酯化两步。达平衡时产物产率取决于脂肪酸和酯的比 例，可将产物移出反应体系使平衡向产物方向移动。酸解反应的产品分离容易，通过 蒸馏即可将游离脂肪酸分离出去。 荷兰l o d e r sc r o k l a a n 公司t 2 4 用l i p o z y m er mi m 催化棕榈硬脂( p p p ) 与油酸连续 酸解反应生产的母乳脂替代品已用于商业化生产并获得我国新资源食品批准。 n e s e 等) k 2 5 l 用l i p o z y m er mi m 催化榛子油脂肪酸经尿素富集后的多不饱和脂 肪酸( d h a ，e p a ) 与棕榈酸三甘油酯酸解反应生产人乳脂替代品。并采用响应面法优 化得到最优实验条件为：反应温度5 5 ，底物比为1 2 4 ：1 ( 摩尔比) ，反应时间2 4 h 。生 产出s n 一2 位的棕榈酸质量分数达到7 6 6 的人乳脂替代品。杨天奎等【2 6 】用s n 1 ，3 特异 性脂肪酶l i p o z y m ei m 催化游离脂肪酸与猪油酸解反应制备出脂肪酸组成基本符合人 乳脂组成的人乳脂替代品。经过响应面法优化后得到最优条件为：水分含量3 7 ( 以 酶量计) ，反应温度6 1 ，脂肪酸与猪油的摩尔比2 4 ：1 ，酶量1 0 ( 以底物质量计) ， 反应时间1 h 。 1 3 2 3 乙醇解反应 7 乙醇解反应是用s n - 1 ，3 特异脂肪酶催化三甘酯醇解成s i i 2 单甘酯( m a g ) 后， 再用s n - 2 m a g 与特定脂肪酸酯化可形成a b a 型的结构酯。 s c h m i d 等人睇川用专一性脂肪酶先催化棕榈硬脂( p p p ) 与乙醇醇解反应生产s n - 2 单甘酯，单甘酯再在1 ，3 - 专一性脂肪酶作用下与油酸酯化生成高纯度的o p o 型人乳 脂替代品。产物o p o 中s n 一2 位棕榈酸含量达9 6 ，s n 1 ，3 一位油酸占有率达9 0 。 但是由于该过程使用了高纯度的三甘酯作为原料，成本昂贵，工业化的可能性不大。 1 4 改性产品的分离纯化 单甘酯、二甘酯、人乳脂均属于甘油酯类，因此其分离方法大同小异，目前已报 道过的甘油酯提纯方法主要有5 种：分子蒸馏法、溶剂结晶分离法、柱层析分离法、 超临界c c h 萃取法和液液萃取法。 1 4 1 分子蒸馏法 分子蒸馏又称短程蒸馏，是一种在高真空度下进行液液分离操作的连续蒸馏过 程，加热面上的物料蒸汽分子通过较短路程的飞行即可到达冷凝面。与一般的常规蒸 馏不同，分子蒸馏是在不同物质的挥发度不同的基础上，在低于物料沸点下进行的分 离操作。图1 7 为分子蒸馏分离原理图。 歹 七 九镊 - 7 、l铡 - 謦豸 ，、 夕 ， 重组分 轻组分 图l - 7 分子蒸馏原理示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o l e c u l a rd i s t i l l a t i o n 分子蒸馏特别适合分离油脂等高沸点、高粘度、热敏性的天然产物，因为在高真 空度下，待分离组分在远低于常压沸点的温度下即挥发，并且各组分在受热时的停留 时间很短。多级分子蒸馏用来制备高纯度且色泽理想的产品，可分离混合甘油酯中的 甘油、脂肪酸、单甘酯、二甘酯和三甘酯等多种组分。如图1 8 所示。 8 第一章绪论 广1级分子蒸馏广1= 级分予蒸馏广1 i 超金圭主迪缝l 1 l 二塑盟l 1 1 - l 二塑业i l _ _ _ _ - _ _ 一 l _ _ _ _ _ _ _ - 一 i 一 图1 - 8 多级分子蒸馏工艺流程 f i g 1 - 8t h ep r o c e s so f m u l t i s t a g em o l e c u l a r d i s t i l l a t i o n 其中，一级轻相有甘油、脂肪酸、单甘酯，一级重相有二甘酯和三甘酯。二级 轻相油有二甘酯，二级重相有三甘酯。经过多级分子蒸馏以后，可得单甘酯9 0 以上， 二甘酯8 5 9 0 。孟祥河【2 8 】在无溶剂体系中用酶催化亚油酸和甘油合成l ，3 甘油 二酯的工艺中，最后酯化所得的产品中有二甘酯、游离脂肪酸及少量的三甘酯、单甘 酯。经4 0 0 p a ，1 9 5 的分子蒸馏后可一步除去9 8 的游离脂肪酸和单甘酯，剩余9 0 的二甘酯和1 0 的三甘酯，分离相对困难。因此分子蒸馏可方便的分离脂肪酸和单甘 酯，但是由于m a g 的蒸汽压很低，需要较高的真空度才能分离，设备费用较贵，且由 于高温操作，会色泽变深、质量变差并产生苦味。 1 4 2 溶剂结晶法 溶剂结晶是利用混合物中各组分在某种溶剂和不同温度下的溶解度差异，通过控 制温度而使各组分结晶分离。选用合适