（轻工技术与工程专业论文）酶促蜡酯合成及长链酯的改性研究.pdf

憾淞 f 学位论文数据集 中图分类号 q8 1 4 学科分类号 1 8 0 7 1 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l l1 1 4 3 密级 内部事项 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王晓静学号 2 0 0 8 0 0 n 4 3 获学位专业名称轻工技术与工程获学位专业代码 0 8 2 2 0 3 课题来源国家自然科学基金研究方向酶催化 论文题目 酶促蜡酯合成及长链酯的改性研究 关键词脂肪酶，酯化反应，蜡酯，羊毛脂，分离纯化，理化性质 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 3论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师邓利副教授北京化工大学酶催化、油脂综合利用 评阅人l徐家立研究员中科院微生物所酶工程、生物化工 评阋人2王芳教授北京化工大学生物化工 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会捕冯嵬教授北京化工大学生物工程 答辩委员l王芳教授北京化工大学生物化工 答辩委员2张丽叶教授北京化工大学生物材料 答辩委员3田平芳副教授北京化工大学分子生物学 答辩委员4张鹏副教授北京化工大学微生物学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在氍中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 目前不饱和蜡酯的资源紧张，无法满足各行业的需求。本课题的目的就 是在无溶剂体系中，以脂肪酶劬甩前如s p 9 9 1 2 5 为催化剂，催化天然 的脂肪酸脂肪醇酯化反应合成天然不饱和蜡酯的替代品。 本文首先利用5 0m l 的具塞锥形瓶，以试剂级油酸和十六醇为底物 对脂肪酶催化酯化反应合成蜡酯的反应条件进行优化，分别对反应体 系、酸醇摩尔比、酶用量、反应时间、反应过程除水进行了考察。结果 表明：在无溶剂体系中，酸醇摩尔比1 o 9 ，固定化c 册幽妇s p 9 9 1 2 5 酶布用量1 0 ( w w ) ，开口反应8h 后，转化率均在9 5 以上，最高可 达9 9 。将反应逐级放大至1l 的搅拌式反应器中，最优反应条件为： 无溶剂体系，酸醇摩尔比i o 9 ，开口反应除水，固定化酶布用量2 5 ( 训，w ) ，酶粉用量0 7 o 8 ( w 钾) ，搅拌转速2 0 0 2 5 0 印m ，温度4 0 ， 反应2 4h 转化率达9 5 以上。固定化酶布和酶粉都可以重复使用6 7 个批次。 l f i f i | i f | 6 0 北京化工大学硕上学位论文 本文还研究了脂肪酶催化混合脂肪酸和混合脂肪醇合成蜡酯的反 应，在5 0m l 的具塞锥形瓶中，油酸与八碳以上偶数碳原子的混合脂肪 醇反应，反应条件同上，最终的转化率仍在9 5 以上；在5 0 0m l 的搅 拌式反应器中，以工业级的豆油脂肪酸和十六醇为反应底物，同样得到 了9 5 以上的转化率；c a 聆西如s p 9 9 1 2 5 脂肪酶还可以催化羊毛脂酸与 短链烷醇反应，在优化的反应条件下，酶催化羊毛脂酸与正戊醇反应的 转化率达8 0 ，可见，该酶可以应用在羊毛脂改性中。 本文还在前人的工作基础上进一步优化了酯化反应后产品的分离 提纯工艺。通过乙醇萃取除十六醇，饱和或近饱和碳酸钠溶液除脂肪酸， 得到了不同醇( 8 c 1 6 c ) 对应的蜡酯，测试它们的理化性质，结果表明： 合成的不饱和蜡酯可以替代天然鲸蜡油。 关键词：脂肪酶，酯化反应，蜡酯，羊毛脂，分离纯化，理化性质 l l b o t hw i t hd l a i nl e n g m so f 俩e l v ec 羽b o n so rm o r e t h e r ea r es a t u r a t e dw a x e s t e r sa n du n s a t u r a t e dw a xe s t e r sa c c o r d i n gt om e i rc h e m i c a ls t l l l c t u r e s s a t u r a t e dw a xe s t e r sh a v ee x t e n s i v es o u r c e s ，m o s to fw h i c ha r ed e r i v e d 仔o ma n i m a lw a xa n dv e g e t a b l ew a x u n s a t u r a t e dw a xe s t e r sa l s oc a n e d l i q u i dw a x a r eb i o d e g r a d a b i l i 坝g o o dl u b r i c i t ya th i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ea n dh i g hs p e e d t h e ya r ew i d e l yu s e di ns u p e rt e c h l o nl u b r i c a n t a n ds e n i o re m b e l l i s hs k i no i l h o w e v e r ，t h en a t u r a lu n s a t u r a t e dw a xe s t e r s a r et o os c a r ea n de x p e n s i v et oc o m m e r c i a lu s e t h u s ，w ea r et 咖n gt o s y n t h e s i z ew a xe s t e r sb ye s t e r i f i c a t i o no fn a t u r a lf a t t ya c i d sa n da l c o h o l s c a t a l y z e db yi m m o b i l i z e dl i p a s e 勖即讲如s p 9 9 12 5i ns o l v e n t 舶es y s t e m f i r s t ，r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e du s i n go l e i ca c i da n dc e t y l a l c o h o l ，a n dm er e a c t i o n sw e r ec a r r i e do u ti n5 0m lc o n e s h a p e db o t t l e s w i t hp l u g t h er e a c t i o ns y s t 锄，a c i d a l c o h o lm o l a rm t i o ，l i p a s ed o s a g e ， r e a c t i o nt i m ea n dw a t e rr e i n o v i n gm e t h o dw e r ei i e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n sw e r e 弱旬l l o w s ：s o l v e n tf b es y s t 锄，a c i d a l c o h o lm o l a r 瑚t i o 1 o 9 ，i m m o b i l i z e dl i p a s em e i i i b r a n eu s a g e10 ( 砌w ) ，o p e nr e a c t i o nf o r m 北京化t 大学硕十学位论文 w a t e rr e m o v i n g ，t h ec o i e r t i o nr a t e sw e r ea b o v e9 5 a r e r8hr e a c t i o nt i m e t h er e a c t i o nw a ss c a l e d u pt o o n el i t e rs t i r r e dt a i 出 r e a c t o r ， a n dt h e o p t i m i z e dc o n d i t i o n sw e r e ：s o l v e n tf k es y s t e m ，a c i d a l c o h o lm o l a rr a t i o 1 o 9 ，l i p a s em e i n b r a n ed o s a g e2 5 ( 、彬w ) o rp o w d e rl i p a s eo 7 一o 8 ( w ) l ，) ，2 0 0 一2 5 0 印ma g i t a t i o ns p e e d ，t e i l l p e r a t u r e4 0 ，a n d2 4hr e a c t i o n t i m e t h ec o n v e n i o nr a t ew a sa b o v e9 5 a tt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s t h e l i p a s e sc o u l db er e u s e df i o r6 7b a t c h e s t h ef a t t ya c i d sm i x t u r ea n dl o n gc h a i na l c o h o l sm i x t u r ew e r ea l s ou s e d a st h es u b s t r a t e so fe s t e r i f i c a t i o n t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n sw e r et h es a m e a sd e s c 抽e da b o v e i l l5 0i n lc o n e - s h 印e db o t t l e sw i t hp l u g ，o l e i ca c i da n d m i x t u r ea l c o h o l s ( w i t hc h a i nl e n 分ho f8 c 一16 c ) w e r eu s e da ss u b s t r a t e sa n d t h ec o i l v e r s i o nr a t er e a c h e d9 5 i n5 0 0m ls t i n e dt a n kr e a c t o r ，i n d u s t r i a l g r a 【d es o y b e a no i lf a t t ya c i da n dc e t y la l c o h o lw e r eu s e da ss u b s t r a t e sa n d t h ec o n v 瞰i o nr a t ea l s or e a c h e d9 5 t l l el i p a s e ，z 比如s p 9 9 一1 2 5c o u l d a l s ob eu s e di nl a n o l i n 珈l o d i f i c a t i o nb ye s t r i f i c a t i o nw i t hs u i t a b l ea l c o h o l s t h e1 a n o l i na c i dc o u l dr e a c tw i t hs h o r tc h a i na l c o h o l s ，a n dc o n v e r s i o nr a t e r e a c h e d8 0 w h e nr e a c t e dw i t h 锄y 1a l c o h o la tt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s t h ep u r i f i c a t i o np r o c e s sw a sa l s os 伽i e d ：e t h a n o lw a su s e df o rc e t y l a l c o h 0 1r e m o v i n ga n ds 咖r a t e ds o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o nw a ss e l e c t e df o r f a t t ya c i d sr e m o v i n g a f t e rp u r i f i c a t i o n ，t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f e s t e r s 谢md i 伍锄m tc h a i nl e n g t hw e r et e s t e d t l l er e s u l t ss h o w e dm a tt h e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e n i e so ft h ew a xe s t e r sc o u l db ea d j u s t e db ys e l e c t i n g v u l db eu s e da s i s o l a t i o na n d 北京化- t 大学硕上学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 酶催化合成生物蜡酯一1 1 1 1 蜡酯1 1 1 2 天然不饱和蜡酯1 1 1 3 酶法合成蜡酯的研究现状2 1 1 3 1 脂肪酶2 1 1 3 2 酶促合成蜡酯的反应类型3 1 2 非介质体系中酶法合成蜡酯6 1 2 1 酶促合成蜡酯反应体系的研究6 1 2 2 无溶剂体系在酶催化中的应用7 1 3 蜡酯分离纯化8 1 4 羊毛脂综合利用9 1 5 蜡酯在润滑剂中的应用。1 0 1 6 实验室己取得的研究成果1o 1 7 小结1 1 1 8 本文的研究思路和内容1 2 第二章酯化反应合成蜡酯反应条件优化15 2 1 引言l5 2 2 实验材料和方法l5 2 2 1 实验原料与设备1 5 2 2 1 1 实验原料15 2 2 1 2 实验设备15 2 2 2 实验方法l5 2 2 2 1 酶活测定15 2 2 2 2 反应结果的测定1 6 2 2 2 3 底物油酸的成分分析17 2 2 2 4 酯化反应条件优化1 7 2 3 实验结果与讨论1 8 北京化t 大学硕十学位论文 2 3 1 油酸的成分18 2 3 2 反应体系考察1 9 2 3 3 酶用量考察2 0 2 3 4 反应时间考察2 1 2 3 5 酸醇摩尔比考察2 2 2 3 6 开口反应除水效果的考察2 3 2 4 小结2 3 第三章酯化反应放大工艺研究2 5 3 1 引言2 5 3 2 实验材料与方法2 5 3 2 1 实验原料和设备2 5 3 2 1 1 实验原料2 5 3 2 1 2 实验设备2 5 3 2 2 实验方法2 5 3 2 2 1 酶活测定2 5 3 2 2 2 反应结果的测定2 5 3 2 2 3 反应放大工艺研究2 6 3 2 2 4 反应放大至2 5 0m l 搅拌式反应器2 6 3 2 2 5 反应放大至5 0 0m l 搅拌式反应器2 6 3 2 2 6 反应放大至ll 搅拌式反应器2 6 3 2 2 7 酶粉为催化剂的放大工艺研究2 7 3 2 2 8 酶的使用寿命研究2 7 3 3 结果与讨论一2 8 3 3 1 反应放大至2 5 0m l 的工艺优化2 8 3 3 2 反应放大至5 0 0m l 的工艺优化2 9 3 3 3 反应放大至1l 的工艺优化3 0 3 3 3 1 反应温度和固定化酶用量对反应的影响3 0 3 3 3 2 分批加酶对反应的影响31 3 3 3 3 分批加油酸对反应的影响3 2 3 3 4 酶粉为催化剂的放大工艺优化3 2 3 3 4 1 酸醇摩尔比对转化率的影响3 2 3 3 4 2 酶粉用量对转化率的影响3 3 3 3 5 脂肪酶使用寿命考察3 4 i i 目录 3 z i 。3 5 3 6 成蜡酯的工艺研究3 7 3 7 4 2 实验材料和方法。3 7 4 2 1 实验原料和设备3 7 4 2 1 1 实验原料3 7 4 2 1 2 实验设备3 7 4 2 2 实验方法3 7 4 2 2 1 酶活测定3 7 4 2 2 2 反应结果的测定3 7 4 2 2 3 酶促豆油脂肪酸和十六醇反应3 7 4 2 2 4 酶促混合脂肪醇与油酸反应3 8 4 2 2 5 酶促羊毛脂酸与短链烷醇反应3 8 4 3 结果与讨论3 9 4 3 1 酶促豆油脂肪酸与十六醇反应效果3 9 4 3 1 1 固定化酶催化豆油脂肪酸与十六醇反应3 9 4 3 1 2 酶粉催化豆油脂肪酸与十六醇反应4 0 4 3 2 固定化酶催化混合脂肪醇与油酸的反应效果4 l 4 3 3 羊毛脂酸和羊毛脂醇的成分分析4 3 4 3 4 羊毛脂酸与短链烷醇的反应效果4 5 4 3 5 羊毛脂酸与正戊醇反应条件优化4 6 4 3 5 1 酶用量考察4 6 4 3 5 2 初始水含量考察4 7 4 3 5 3 溶剂用量考察4 7 4 3 5 4 酸醇摩尔比考察。4 8 4 4 ，j 、结4 9 第五章蜡酯的分离纯化与理化性质测试5 1 5 1 引言5 l 5 2 实验材料与方法5 1 北京化t 大学硕：上学位论文 5 2 1 实验原料与设备5 1 5 2 1 1 实验原料“5l 5 2 1 2 实验设备5l 5 2 2 实验方法51 5 2 2 1 酯化反应产物分析5 l 5 2 2 2 除醇条件优化5 2 5 2 2 3 除酸条件优化5 2 5 2 2 4 分离纯化工艺放大5 2 5 2 2 5 蜡酯的理化性质测试5 2 5 3 实验结果与讨论5 4 5 3 1 酯化反应粗产品分析5 4 5 3 1 1 蜡酯粗品的水含量分析5 4 5 3 1 2 蜡酯粗品的酸值测定5 5 5 3 1 3 蜡酯粗品的成分分析5 5 5 3 2 除脂肪醇条件的确定5 5 5 3 3 除脂肪酸条件的确定5 6 5 3 4 分离纯化工艺放大效果5 7 5 3 5 不同链长蜡酯理化性质测定及比较5 7 5 4 小结5 8 第六章结论与建议5 9 6 1 结论5 9 6 2 创新点。6 0 6 3 问题及建议6 0 参考文献6 1 附录6 5 1 药品和试剂6 5 2 仪器和设备6 6 致谢6 7 研究成果及发表的学术论文6 9 日录 7 1 v 北京化t 大学硕十学位论文 v i 符号说明 符号说明 英文缩写英文全称中文注释 s t rs t i 仃迥t a i l kr e a c t o r搅拌式反应器 f f af r e ef 撕ya c i d游离脂肪酸 f a f a t t ya c i d脂肪酸 g cg a sc h r o m a t o 黟锄气相色谱 g c m sg a sc b r o m a t o g 姗& m a s ss p e c t r o m e t e r 气质：联用 w e sw 奴e s t e r s 蜡酯 o a o l e i ca c i d 油酸 c a c e t y la l c o h o l鲸蜡醇十六醇 h t f h e a v yt r i g l y c e r i d ef r a c t i o n 三酸甘油脂重组分 r s m r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o 斟 响应面法 r b d r e f i n e db l e a c h e da n dd e o d o r i z e d精制、漂白和脱臭 北京化工大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 酶催化合成生物蜡酯 1 1 1 蜡酯 第一章绪论 蜡酯是由含1 2 个以上的偶数碳原子的长链脂肪酸和长链脂肪醇组成的长链酯， 在润滑剂、增塑剂、化妆品及药品等领域具有广阔的应用前景【。蜡酯仅仅属于蜡的 一种，蜡的范围很广，包括动物蜡和植物蜡等自然界中所有的蜡状固体和液体，其成 分不只包括长链酯，还包括烃类、酸类和醇类等具有蜡性质的蜡状物2 捌。蜡酯可分 为饱和蜡酯和不饱和蜡酯，二者的差异如下表所示： 表1 1 饱和蜡酯与不饱和蜡酯的比较嗍 t h b l el lc o m p 赫s o no fs a t l l r a t e dw a xe s t e r sa n du n s a t i l r a t e dw a xe s t e r s 1 1 2 天然不饱和蜡酯 天然不饱和蜡酯的主要来源是鲸蜡油和霍霍巴油。鲸蜡油取自抹香鲸的大脑，在 抹香鲸脑腔中含有鲸蜡和鲸蜡油，鲸蜡在常温下为固体，鲸蜡油的主要成分为不饱和 蜡酯，低温性能较好，因此可以通过冷冻提取法将鲸蜡和鲸蜡油分开【5 1 。天然鲸蜡油 用途广泛，但是，由于人类对抹香鲸的过度捕杀使其面临物种灭绝的灾难，因此在 1 9 7 0 年，抹香鲸被列为濒临灭绝的物种，各国禁止捕杀抹香鲸。天然鲸蜡油的来源 中断，鲸蜡油在各行业中供不应求。天然鲸蜡油含有约8 5 的蜡酯，其中7 0 为不 饱和蜡酯，所含脂肪酸的主要成分为c 2 0 ：1 ，c 1 8 ：1 ，c 1 6 ：o ，c 1 6 ：1 ，c 1 4 ：o ，c 1 4 ：1 ， 脂肪醇的主要成分为c 1 6 ：o ，c 1 8 ：1 州。 北京化工大学硕士学位论文 为了满足各行业对鲸蜡油的需求，人们开始寻找天然鲸蜡油的替代品，研究了很 多的鱼类、植物类和微生物，最终找到了霍霍巴油作为天然鲸蜡油的替代品。霍霍巴 油来源于一种沙漠植物霍霍巴的豆子，通过冷压的方式得到霍霍巴油。其中脂肪酸的 主要成分为1 1 二十烯酸( 6 4 4 ) ，2 二十二烯酸( 3 0 2 ) ，油酸( 1 4 ) ，饱和脂肪 酸( 3 5 ) ，脂肪醇的主要成分为二十烯醇和二十二烯斟6 。霍霍巴油与鲸蜡油某些性 质类似，但是在成分和用途方面有差别。 表l - 2 霍霍巴油与鲸蜡油的比较【4 】 7 i a b k1 - 2c o m p a r i s o no f j o j o b ao i la n ds p e 彻a c e t io i l 1 1 3 酶法合成蜡酯的研究现状 1 1 3 1 脂肪酶 脂肪酶是一类具有高度的选择性，环境友好的生物催化剂，主要作用于酯键，已 被广泛应用于脂类的水解反应、醇解反应、酯化反应及转酯化反应过程中【7 1 。与化学 催化反应过程相比，酶催化反应具有反应条件温和，专一性强，副反应少，而且反应 产物的分离纯化较容易，化学催化法很难实现长链酸与长链醇的酯化反应，即使在高 温高压或强酸强碱条件下【8 】。 目前，脂肪酶已经应用在很多领域，随着天然石化资源的日渐短缺，生物柴油的 研究具有广阔的应用前景，近年来脂肪酶催化合成生物柴油的技术越来越成熟【9 1 。脂 肪酶在油脂综合利用和生物基化学品的合成中有广泛的应用，如：棕榈酸异辛酯、手 性化合物、单甘脂、二甘酯、糖酯和蜡酯等的合成【n 阚。脂肪酶催化合成蜡酯具有广 阔的应用前景。 蜡酯是由长链脂肪酸和长链脂肪醇组成，主要通过脂肪酸和脂肪醇直接酯化或者 甘油酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯与长链醇转酯化反应合成，近年来的研究中，蜡酯 2 l i c 珏2 一。一c - r l i o l n 脂肪酶 s 珏o c 抛+ 3 r o 珏；= = = 兰 l o i l l c 2 o c 囊b 动植物油腊长链醇 或者： r 一。一c u 1 ，3 位选择性 选择性的固定 c 丑【2 o 珏 i +c 丑o h i c 2 一。珏 甘油 脂肪酶 r e o o r + r - o h + + r e 0 0 r+ r i - o 珏 脂肪酸甲醢或乙酯长链醇蜡酯 甲醇或乙醇 近几年，国内外对蜡酯的研究进展总结如下表： 表l _ 3 蜡酯合成的研究进展 t a b i el - 31 l l er e s e a r c ha n dd e v e l o p i i l e n to f w a xe s t 懿踟1 t h e s i s 3 r r 匕日 o i c o i c 轴。=l。也糈 北京化t 大学硕七学位论文 4 第一章绪论 续表1 3 取得成果 参考文 献 正己烷体系，4 0 反应1 2h ，油醇摩尔比l 2 ， 酶量1 5 ( w w ) ，水含量7 5 ，产率8 5 8 7 ； 无溶剂体系，5 0 反应2 0 h ，油醇摩尔比l 1 5 ， 蜡酯产率8 0 6 8 填充床反应器中( 内径3 5c m ) ，酶量4 7g ，填 充高度4 0 锄，油醇摩尔比l 2 4 ，底物流速4 m ，保留时间4h ，产率8 3 。固定化酶 在使用1 6 批时，产率仍保持在7 0 以上 在5 0 0m l 的搅拌式反应器中，以庚烷或己烷 作为溶剂，通过r s m 设计了4 因素5 水平的 试验。在庚烷或己烷中的最优条件分别为： 5 3 9 ，3 0 9 5 或3 0 9 印m ，酶用量4 8 2 或5 6 5 g ，底物摩尔比2 9 4 或3 3 9 1 ，得到的产率 9 6 2 或9 1 4 ，与响应面的结果相符 在脂肪酶催化合成蜡酯的研究中，长链醇主要采用十六醇和油醇，油醇含有不饱 和键，是液体蜡酯合成底物的最佳选择，但价格较高；十六醇的价格相对较便宜，原 料来源广泛，在研究中应用较多。酯化反应中采用的脂肪酸碳链长度在6 1 8 范围内， 以油酸为主，采用不饱和脂肪酸或者碳链较短的脂肪醇均可改善合成蜡酯的低温性 能。在酯化反应的研究中，主要考察了各种脂肪酶催化脂肪酸脂肪醇合成长链酯的反 应效果，为了寻找更便宜的原料，很多酶催化合成蜡酯的研究开发开始转向转酯化反 应，原料主要采用动、植物油脂，如：羊乳脂、大豆油、菜籽油、海甘蓝油等，还可 以采用长链脂肪酸对应的甲酯或乙酯。转酯化反应的原料较便宜，但是蜡酯产率没有 酯化反应的高，而且转酯化反应得到的产物成分较复杂，产物的分离纯化困难。 在酯化与转酯化反应中，脂肪酶l i p o z y m el u m i m 催化合成蜡酯的研究最多，反 应效果也是最好的，有溶剂体系酯化反应的产率达9 0 ，在庚烷或己烷体系中转酯化 反应蜡酯产率也在8 0 左右【2 0 1 。在转酯化反应中，商业化的固定化脂肪酶c a 以矗如s p 9 9 一1 2 5 催化大豆油或菜籽油与十六醇反应得到的蜡酯产率都达到了8 0 以上。以上 反应都是在实验室规模的基础性研究，反应器形式主要包括搅拌式反应器和填充床式 反应器两种。由于长链脂肪酸脂肪醇的凝固点较高，大部分反应都是在有溶剂体系( 己 烷、庚烷、石油醚) 下进行的，无溶剂体系中的反应，温度一般要高一些。有溶剂体 系中反应的传质较好，在反应过程中反应底物和产物不容易凝固。但是，由于有机溶 5 晶 婷 m 卅 罪 ， 娉 ， 姐洲 ， 目阴 昕 婷 凹 姐n 龋嘲 雌 北京化工大学硕七学位论文 剂的易挥发性以及易燃易爆性，使得反应存在较大的危险性，而且有机溶剂的使用增 加了生产成本，因此，无溶剂体系中合成蜡酯更具备工业化生产的发展前景。 1 2 非介质体系中酶法合成蜡酯 1 2 1 酶促合成蜡酯反应体系的研究 在脂肪酶催化的反应中，有些反应底物需要在较高温度下才能溶解，而在较高温 度条件下，脂肪酶活性会降低甚至失活；有些底物对酶的催化有底物抑制作用，特别 是在浓度较高的条件下。在脂肪酸甲酯的酶法合成中，高浓度甲醇会使脂肪酶失活， 因此在反应过程中需要分批次流加甲醇。为了解决以上问题，可以采用加溶剂的方法， 有机溶剂的加入可以稀释底物，降低反应底物抑制作用，而且还可以溶解反应底物， 促进反应过程中的传质。但是，有机溶剂的使用会增加生产成本，使产物的分离纯化 变得复杂，更重要的是有机溶剂容易挥发，使反应具有燃爆的潜在危险。另外，有些 有机溶剂具有毒性，无法应用在食品及药品领域的生物基化学品的合成，近年来，对 脂肪酶催化的反应体系的研究成为热点，包括：有机溶剂体系、反相胶束体系、超临 界体系、气相体系等，其中无溶剂体系中的酶促反应是非水体系中酶促反应的特例【2 5 1 。 酶催化合成蜡酯的反应体系主要概括为3 类：无溶剂体系、有机溶剂体系和超临界体 系。 表l 一4 酶促合成蜡酯反应体系的研究进展 t a b l e1 _ 4t h er & do fr e a 嘶0 ns y s t e l i l sf o rw a xe s t e r ss y n t h e s i sc a t a l y z c d b yl i p a s e 6 第一章绪论 续表l _ 4 反应底 。 脂肪酶反应体系 研究成果 参考文献 物 工业油 自制的固定化无溶剂体系最优条件下，转化率在9 0 9 5 ，收率为 中科院微 酸和十假丝酵母脂肪 9 3 2 生物所【2 6 】 六醇酶 ( 2 0 0 2 ) 三油酸 来自彳 姐妇册嚣无溶剂体系 从8 种微生物源脂肪酶和一种动物脂肪酶d e c a 印y 甘油酯够的脂肪酶中筛选出彳加坛绷嚣踱脂肪酶，反应5b 【2 7 1 和硬脂 h ，蜡酯产率达5 3 ，并研究了其催化反( 1 9 9 8 ) 醇应的机制 三油酸l i p o z 舯e 超临界c 0 25 0 条件下，在o 1 - 2 0m p a 范围内研究了n a l 【a y a 甘油酯砌订i m 体系压力对反应的影响，压力为5 9 m p a 时蜡h 【2 8 】 和硬脂 酯的产率最高 ( 1 9 9 8 ) 醇 油醇系；超临界 中酶催化合成油酸油醇酯的反应结果，结( 1 9 9 9 ) c 0 2 体系 果证明超临界c 0 2 可以替代有机溶剂 有机溶剂的加入可以促进反应体系的融合，促进传质，但是会造成环境污染，使 反应具有潜在的危险性，而且还会增加生产成本。为了改善反应体系，后来研究了超 临界c 0 2 体系，该反应体系无污染，但是反应条件比较苛刻。无溶剂体系对环境污 染少，生产成本降低，而且安全隐患较少，酶催化合成蜡酯的反应可以在无溶剂体系 中实现，因此无溶剂体系是最佳的选择。 1 2 2 无溶剂体系在酶催化中的应用 无溶剂体系中，脂肪酶能够与反应底物直接接触，其优点概括如下：l 、底物浓 度高，反应速度快；2 、反应体积小、时空产率高、最终的收率也高；3 、产物分离纯 化容易，对环境的污染小，生产成本降低【2 5 1 。表1 5 为非介质体系中脂肪酶催化反应 的应用举例。 无溶剂体系中脂肪酶可以催化合成各类酯，如：短链酸短链醇酯、单甘脂、二甘 酯、糖酯以及长链脂肪酸脂肪醇酯，因此可以应用在蜡酯的合成反应中。无溶剂体系 可以避免有溶剂体系的一些不足，具有广阔的应用前景。 7 北京化丁大学硕上学位论文 1 3 蜡酯分离纯化 目前，对酶催化合成蜡酯的分离纯化研究较少，原因有两个：第一，天然的鲸蜡 油中蜡酯的含量只有8 2 8 5 ，而且商业化的蜡酯对纯度的要求也不高；第二，大部 分酶催化合成蜡酯的研究都属于基础性研究，主要的目的是提高蜡酯的产率，对分离 纯化的工艺没有继续研究，有的反应扩大到了中试的规模，但反应得到的产品中蜡酯 纯度能够达到8 0 ，符合商业化蜡酯产品的纯度，所以没有对产品继续分离纯化。 一般商业化蜡酯的纯度不高，只能应用在对纯度要求较低的领域。为了得到高附 加值的产品，蜡酯分离纯化的研究已有报道【4 1 ，酶催化合成蜡酯的反应包括酯化反应 和转酯化反应，两种反应生产蜡酯的情况对比如下： 。 8 第一章绪论 表l _ 6 酯化反应与转酯化反应合成蜡酯的比较 t a b l el 石c o m p 撕s o no fe s t 商f i c a t i o na i l d 仃a n s e s t 鲥f i c a t i o ni i lw a 】【e s t e r ss y i l m e s i s 比较 酯化反应 转酯化反应 反应底物脂肪酸、脂肪醇动植物油脂、脂肪醇 产物成分蜡酯、未反应的脂肪酸和脂肪醇蜡酯、脂肪酸、脂肪醇、单甘脂、二甘 酯、三甘酯、甘油 反应过程直接酯化先水解再酯化或水解酯化同时进行 反应结果转化率一般较高，且反应时间快转化率要低一些，反应时间慢 参数调控 温度、底物摩尔比、加酶量、反应过程温度、底物摩尔比、加酶量、反应开始 中除水 时加水过程中要控制反应体系中的水 含量 分离纯化 除溶剂、除酸、除醇 除溶剂、除酸、除醇、除甘油 产物纯度较高较低( 含有甘油酯) 在蜡酯合成中，一般采用十六醇和油醇作为反应底物，不饱和脂肪醇的价格较高， 温性能，使产品的倾点和凝点升高；脂肪酸成分则会使产品的酸值升高，影响产品的 性质及稳定性，少量的甘油酯一般不会影响产品的性质，因此利用转酯化反应合成的 蜡酯一般不除甘油酯，甘油成分具有亲水性，在水洗的过程中即可除掉。采用无溶剂 反应体系则不需要除溶剂这一步，对有机溶剂的反应体系，一般采用石油醚、正己烷 和正庚烷作溶剂，在反应结束后通过旋转蒸发即可将溶剂蒸出。 我们实验室已根据应用要求对反应产物进行了分离纯化的初步研究【4 3 3 1 ，根据蜡 酯和未反应的脂肪酸、脂肪醇在甲醇或乙醇中溶解度的差异，可以采用溶剂萃取的方 法降低产物中游离脂肪酸、脂肪醇的含量。另外，借鉴酶法合成棕榈酸异辛酯文献中 的分离纯化方法【1 1 1 ，游离脂肪酸还可以通过饱和碳酸钠溶液中和后水洗的方法除掉， 根据产品的酸值加入适量的饱和碳酸钠溶液进行中和反应，使脂肪酸生成皂，再水洗 2 3 次除去生成的皂，即可得到较纯的蜡酯产品。 1 4 羊毛脂综合利用 羊毛脂是羊的皮脂腺中分泌出来一种有臭味，较粘稠的褐色的天然物质，主要来 自洗毛废水中，属天然的油脂原料3 4 1 。羊毛脂的用途在古希腊时期就已经被人类发现， 其主要的应用领域是日化用品及医药领域，羊毛脂的成分复杂，含有一些难降解的组 分，如果直接排放掉，不仅造成了资源的浪费，更重要的是会造成环境污染问题【3 5 1 。 羊毛脂的主要成分包括：胆固醇、脂肪醇类、三萜烯醇和长链的脂肪酸，其中脂 9 北京化r 丁大学硕上学位论文 肪酸有3 0 多种，多数为支链脂肪酸，由于羊毛脂具有很好的乳化作用和渗透性等优 点，被广泛应用在化妆品行业，但是其黏腻、表面活性差的缺点限制了它的使用，衍 生化法可以改善以上缺点，目前羊毛脂的衍生化方法主要有两种：物理法和化学法， 其中化学法包括氢化、乙酰化和水解等。【3 4 ，3 5 j 目前，国内外对羊毛脂综合利用的研究越来越多，包括：洗毛废水中羊毛脂的回 收方法及粗羊毛脂的提纯工艺研究【3 6 】，羊毛脂中胆固醇的提取与精制工艺研究【3 7 ，3 引， 羊毛脂的衍生化方法和羊毛脂及其衍生物的应用研究【3 1 1 。但是，利用生物法对羊毛 脂综合利用的改性研