（食品科学专业论文）高酸值米糠油酶法酯化脱酸研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金把里些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：关甄邑 签字日期：矽j 7 年尹月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 p - 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权j 金盟 王些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：凳鹤 签字日期：知i 1 年7 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 沙年尹月刁日 电话： 邮编： 高酸值米糠油酶法酯化脱酸研究 摘要 米糠油中的脂肪酸组成合理，油酸和亚油酸比例大约为1 ：1 ，并且含有丰富的 营养物质，如维生素e 、谷维素、甾醇等，是种理想的食用植物油。米糠中含 有非常活泼的脂肪酶，在适当条件下能在短时间内使米糠中所含脂肪水解成甘油 和脂肪酸。由于生产条件，特别是米糠生产和米糠油生产企业间运输和存放时间 的限制，生产的米糠毛油酸值很高。油脂工业中常用的碱炼脱酸和物理脱酸方法 用于高酸值米糠油都存在损耗过高的问题，化学精炼还会造成油脂中谷维素等营 养成分的大量损失，此外，还将产生大量的有机废水，污染环境。而目前研究较 多的化学催化酯化米糠油脱酸则存在操作过程中温度过高的问题。因此，寻找高 酸值米糠油的合适精炼方法是油脂精炼的难点，也是油脂精炼研究的热点。 为解决高酸值米糠油的精炼问题，本文系统研究并优化了高酸值米糠油酶法 酯化脱酸工艺，得到如下结论： 1 通过对四种常用商品脂肪酶的比较和筛选，结果表明脂肪酶n o v o z y m 4 3 5 的催化酯化效果最好。 2 分别对初始甘油添加量、酶添加量、酯化温度以及酯化时间四个因素进行 考察，通过响应曲面优化酶法酯化脱酸工艺条件，得出酯化脱酸的最佳工艺参数 为：酶的质量分数为1 1 ，甘油添加量为理论甘油添加量的1 3 倍，反应温度为 5 6 4 ，反应时间为2 3 h ，米糠油酸值( k o h ) 从5 6 1 l m g g 降低至5 0 4 m g g 。 3 酶法酯化脱酸后，谷维素等营养成分在酯化脱酸过程中几乎无损失。单甘 油酯、甘油二酯、甘油三酯含量分别从原先的1 4 0 、7 0 5 、5 8 6 3 增加至2 5 7 、 1 2 2 0 、7 9 2 5 ，酯化后谷维素含量为油重的1 6 7 。 关键词： 米糠油；脂肪酶；n o v o z y m 4 3 5 ；酸值；酯化脱酸；响应面分析法 d e a c i d i f i c a t i o no fh i g ha c i dv a l u eo fr i c eb r a no i lb y e n z y m a t i ce s t e r i f i c a t i o n a b s t r a c t f a t t ya c i dc o m p o s i t i o no fr i c eb r a no i li sr e a s o n a b l e o l e i ca c i da n dl i n o l e u m a c i dr a t i oo f1 ：1 ，a n dr i c hi nn u t r i e n t ss u c ha sv i t a m i ne ，o r y z a n o l ，p h y t o s t e r o l s ，e t c ，i s a ni d e a lv e g e t a b l eo i l r i c eb r a nc o n t a i n sa c t i v e l yl i p a s e ，u n d e ra p p r o p r i a t ec o n d i t i o n s c a nb ec o n t a i n e di nas h o r tt i m e ，r i c eb r a no i lh y d r o l y z e di n t og l y c e r o la n df a t t ya c i d s a st h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ，p a r t i c u l a r l yr i c eb r a na n dr i c eb r a no i l p r o d u c t i o n e n t e r p r i s e sp r o d u c i n gt r a n s p o r t a t i o na n ds t o r a g et i m el i m i t s ，t h ep r o d u c t i o no fr i c e b r a ng r o s sv a l u eo fh i g ho l e i ca c i d o i li n d u s t r yi nc o m m o na l k a l in e u t r a l i z a t i o na n d p h y s i c a ld e a c i d i f i c a t i o nm e t h o d se x i s tf o rh i g h - a c i dr i c eb r a no i l ，e x c e s s i v ew e a ra n d t e a rp r o b l e m s ，b u ta l s oc a u s ec h e m i c a lr e f i n i n go fo r e g a n oa n do t h e rn u t r i e n t si na l a r g en u m b e ro fl o s s e s ，w i l la l s op r o d u c el a r g ea m o u n to fo r g a n i cw a s t e ，p o l l u t et h e e n v i r o n m e n t t h ec u r r e n ts t u d ym o r ec h e m i c a lc a t a l y t i ce s t e r i f i c a t i o no fr i c eb r a no i l d e a c i d i f i c a t i o no p e r a t i o n ，t h e r ee x i s tt h ep r o b l e mo fh i g ht e m p e r a t u r e s e e kf o rt h e b e s tr e f i n i n gm e t h o di sad i f f i c u l ta n dh o ti s s u eo fr b o r e f i n i n g i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h eh i g h - a c i dv a l u eo fr i c eb r a no i lb ye n z y m a t i c e s t e r i f i c a t i o nw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t si n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e s ： 1 c o m p a r e df o u rd if f e r e n tk i n d so fl i p a s e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn o v o z y m 4 35 h a dt h eb e s tc a t a l y s i sa c t i v i t y 2 t h ei n f l u e n c eo fg l y c e r o ld o s a g e ，e n z y m ed o s a g e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m ew e r e s t u d i e d a c c o r d i n gt or e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) a n d b o x - - b e n h n k e ne x p e r i m e n t a ld e s i g n ，t h eb e s tc o n d i t i o n so fe n z y m a t i ce s t e r i f i c a t i o n w e r eo p t i m i z e db a s e do nt h ea n a l y s i so f s i g n i f i c a n tf a c t o r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n s t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sw e r e ：e n z y m ec o n c e n t r a t i o no f1 1 ，i n i t i a lg l y c e r o li s 1 3t i m e s t h e o r e t i c a la m o u n to fg l y c e r o l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f5 6 4 ，t h er e a c t i o nt i m eo f2 3 h u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n st h ea c i dv a l u e ( k o h ) d r o p p e df r o m5 6 1lm g gt o5 0 4 m g g 3 t h ec o n t e n to 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 dt r i g l y c e r i d er a i s et 0 2 57 ， 1 2 2 0 ，7 9 2 5 f r o m1 4 0 ，7 0 5 ，5 8 6 3 a f t e re s t e r i f i c a t i o n t h ec o n t e n to f o r y z a n o lo fr i c eb r a no i li s1 6 6 9 a f t e re s t e r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：r i c eb r a no i l ；l i p a s e ；n o v o z y m 4 3 5 ；a c i dv a l u e ；e s t e r i f i c a t i o n ：r s m 致谢 本课题的研究和论文的完成是在曾庆梅老师的悉心指导下进行的。曾老师不 仅给我提供了优质的实验环境，而且在论文的选题、实验方案的设计以及论文的 成稿方面都做了大量的工作，倾注了大量心血。曾老师鼓励我大胆创新和尝试， 培养了我独立进行试验、分析和解决问题的能力。曾老师渊博的学识和严谨的治 学态度一直深深影响着我，使我深感荣幸和自豪，在此，向曾老师表示衷心的感 谢和崇高的敬意! 在三年的学习过程中，感谢潘见教授、谢慧明老师、张文成老师、杨毅老师、 甘昌胜老师、惠爱玲老师等诸位老师给予我的指导和帮助，同时，靳靖、魏春燕、 黄博英等许多同学在试验过程中也提供了热情的帮助，在此一并致以诚挚的谢意， 衷心感谢各位老师和同学在研究生期间所给予的诸多关心和帮助! 有了他们，我 的论文才得以顺利完成。同时0 8 级研三十班的同学在学习和生活上对我的关心令 我十分感激! 我还要向我的父母及亲朋好友表示感谢，他们的支持是我不断前进的动力。 回首在工大三年的研究生生活，感触非常多。学校的悉心培养，老师的谆谆教 诲，同学的关心帮助，历历在目，令我永生难忘。在此，我要向敬爱的老师和友善 的同学致敬! 作者：吴聪 2 0 11 年4 月 目录 第一章前言1 1 1 问题的提出1 1 2 研究现状3 1 2 1 物理蒸馏脱酸3 1 2 2 化学碱炼脱酸4 1 2 3 油水混合精炼脱酸4 1 2 4 超临界萃取脱酸4 1 2 5 膜技术脱酸5 1 2 6 化学酯化脱酸5 1 2 7 生物脱酸6 1 3 课题的来源、研究内容和研究意义7 1 3 1 课题来源7 1 3 2 课题的主要研究内容8 1 3 3 课题的研究意义8 第二章理论分析9 2 1 非水相介质中脂肪酶的催化特点9 2 2 响应面法( r s m ) 的理论及应用9 第三章米糠油的脱酸前处理“ 3 1 米糠油的脱胶：1 1 3 1 1 材料1 l 3 1 2 方法1 1 3 1 3 结果1 2 3 1 4 讨论1 2 3 2 米糠油的脱色1 2 3 2 1 材料1 2 3 2 2 方法；1 3 3 2 3 结果与讨论1 4 第四章米糠油酶法酯化脱酸工艺研究1 5 4 1 材料1 5 4 2 方法1 6 4 3 结果1 6 4 4 讨论2 6 第五章米糠油中成分分析2 7 5 1 材料2 7 5 2 方法2 7 5 3 结果3 0 5 4 讨论3 3 第六章结论3 4 参考文献3 5 插图清单 3 1 米糠油色值波长扫描图1 3 4 1 不同酶制剂酯化催化效果比较1 7 4 2 酶的质量分数对脱酸效果的影响1 8 4 3 甘油添加量对脱酸效果的影响1 8 4 - 4 温度对脱酸效果的影响1 9 4 5 酶质量分数与甘油添加量交互作用响应面图2 2 4 6 酶质量分数与温度交互作用响应面图2 2 4 7 甘油添加量与温度交互作用响应面图2 3 4 8 酶质量分数与时间交互作用响应面图2 3 4 9 甘油添加量与时间交互作用响应面图2 4 4 1 0 温度与时间交互作用响应面图2 4 5 1 谷维素特征波长2 8 5 2 谷维素浓度标准曲线3 1 5 3 甘油酯的分离3 2图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表1 1 常见植物油脂成分含量比较，1 表1 。2 米糠油酶催化脱酸和其他精炼脱酸精炼特性比较7 表4 1 响应面试验因素及水平1 9 表4 2 响应面分析结果2 0 表4 3 方差分析表2 l 表4 4 酶制剂的重复利用2 5 表5 1 谷维素含量的测定3 1 表5 2 酯化前后米糠油中f f a 和甘油酯含量的变化3 2 表5 3 米糠油酸值变化3 3 第一章前言 1 1 问题的提出 稻谷由外壳向中心分为稻壳、外果皮、中果皮、交连层、种皮和糊粉层、 糊粉内胚乳，下部是胚芽。米糠由外果皮、中果皮、交连层、种皮和糊粉层组 成。米糠约占稻谷重量的5 一5 5 纠1 , 2 】。我国是农业大国，稻米年产量约为2 亿吨，稻谷加工后年产米糠量可达1 0 0 0 万吨，约占世界总产量的1 3 【3 】。长期 以来，我国对于米糠的应用主要是作为畜禽饲料，而对于其含有的丰富营养成 分并没有进行充分提取和利用，造成了资源的极大浪费。近年来，随着对于米 糠研究的深入，研究人员发现稻谷中6 0 以上的重要营养成分都储存在只占稻 谷总质量一小部分的米糠当中，其不仅含有大量的蛋白质、脂肪、维生素、膳 食纤维和矿物质等基本营养成分【4 】，而且还富含生育酚、谷维素、生育三烯酚、 角鲨烯等多种生物活性物质成分，这些生物活性物质对人体的健康和现代疾病 的预防和治疗具有重要意义【5 1 。据研究报道【6 - 1 0 ，米糠具有明显的营养保健功 能，能够降低血糖、血清胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇含量，增加高密度脂蛋 白胆固醇含量，抗肿瘤，增强免疫力以及促进人体骨骼生长发育和新陈代谢。 联合国工业发展组织( u n i d o ) 根据米糠的营养价值以及开发应用现状将其认定 为一种未充分利用的原料。由此可见，加大我国米糠资源的深度开发和利用的 力度，必将成为国民经济的增长点并由此产生巨大的社会效益。 米糠含油率为1 6 2 2 ，据本草纲目记载，米糠油具有通畅、下气、 开胃之功，主治噎隔、脚气等症【l 。用压榨法或浸出法从米糠中提取的米糠油 ( r i c eb r a no i l ，r b o ) 不饱和脂肪酸和v e 含量及营养价值在常见植物油脂中相对 较古【12 1 。 表1 一l 常见植物油脂成分含量比较 t a b l e1 1c o m p a r i s o no fc o m m o ni n g r e d i e n t so fp l a n to i l s 饱和脂肪酸含量( )不饱和脂肪酸含量( )其它物质 品名 ，、 烯酸二烯酸谷维素 v e ：g ! 堡! 里型! q q 曼迪望型! q q 垒迪 一 米糠油 1 2 2 0 2 4 0 5 02 9 4 2 1 0 0 1 5 09 1 1 6 8 向日葵油 1 1 玉米油 7 1 3 花生油 6 7 3 棉籽油 2 0 2 9 菜籽油4 豆油 6 5 1 1 茶油 7 5 6 3 4 5 2 4 2 4 o 8 o 0 o o o 6 0 8 7 - 2 5 0 2 0 3 4 7 8 8 6 5 6 - 6 7 5 0 1 1 8 注：一表示无参考数据 4 3 4 1 l 记 吣勉h 川 5 ”毖们钞弘 3 l 5 2 4 凹 蚶硒 ” ”懈 2 5 2 2 7 ( 1 ) 由表1 一l 可以看出米糠油中的的脂肪酸组成比较合理，饱和脂肪酸占 1 4 2 3 ，不饱和脂肪酸含量很高，其中油酸含量约为4 0 5 0 ，亚油酸约为 2 9 - 4 2 ，接近于国际卫生组织( w h o ) 推荐的l ：1 的比例。不饱和脂肪酸是人 体必须的脂肪酸，但人体自身不具有合成此类脂肪酸的功能，所以必须从食物 中获取。研究结果表明，油脂中单不饱和及多不饱和脂肪酸能够降低血液中低 密度脂蛋白的含量，而动脉粥样硬化及冠心病的祸首就是低密度脂蛋白【”】。 ( 2 ) 米糠油每一百克油中含有10 0 1 5 0 m g 左右的谷维素，这是其它常见植物 油脂中所不含的。谷维素在医学上主要是作为一种植物神经调节剂，对治疗植 物神经失调有明显疗效，能够改善及调节肠胃神经官能症，缓和人体进入更年 期后出现的身体障碍1 1 4 。引。此外，米糠油降低低密度脂蛋白的特性也与其中的 谷维素有关，谷维素还有降低血小板凝聚，减少肝脏中胆固醇的合成和吸收等 方面的作用i l 引。 ( 3 ) 米糠油每一百克油中约含有3 0 0 m g 角鲨烯，鱼鲨烯是生物体代谢中不 可缺少的物质，在脏器、皮肤脂质中均有一定量的角鲨烯【1 3 】。角鲨烯是一种脂 质不皂化物，最初是从鲨鱼的肝油中发现的，属于开链三萜，又称鱼肝油萜，具有 提高体内超氧化物歧化酶( s o d ) 活性、增强机体免疫能力、改善性功能、抗疲 劳、抗衰老、抗肿瘤等多种生理功能，还能促进胆汁分泌，强化肝功能，增进 食欲，是一种无毒性的具有防病治病作用的生物活性物质【1 3 , 1 7 】。 ( 4 ) 生育三烯酚( t o e o t r i e n 0 1 ) 是米糠油中存在的一种功能性成份。试验证 明：生育三烯酚具有改善高血脂症的效果，以y 生育三烯酚的功能最强。现代 医学研究证明，生育三烯酚不仅能够有效的降低血液中血清胆固醇含量，还具 有改善粥样动脉硬化以及抑制肿瘤等作用 1 8 , 1 9 】。 随着研究的不断深入，米糠油已经受到世界上许多发达国家的普遍关注。 近年来，日本的米糠油年产量达到1 0 万吨。由于使用原料为米糠，没有诸如大 豆、棉籽之类的转基因植物的担忧，其中也不含过敏反应物，因此，学校、机 关等集体用油中米糠油的用量不断增加。据相关数据统计，日本全国中小学学 校集体伙食用油中米糠油的比例超过4 0 ，并且还在不断增加。 安徽省是农业大省，稻谷产量约2 4 0 0 万吨年，如果全部加工成大米，米 糠的产量可达1 2 7 万吨年，全部用来生产米糠油则每年可以生产出2 1 5 万吨 米糠油，这是一个较为可观的数目。 但是米糠中含有非常活泼的脂肪酶，米糠在保存过程中脂肪酶始终处于活 性状态，当外部条件适宜时，脂肪酶能够在短时间内将米糠中所含的脂肪水解 成为脂肪酸和甘油。由于生产条件和生产成本限制，特别是米糠产地和米糠油 生产加工企业之间的运输及存放时间限制，米糠在保存过程中没有经过杀灭酶 活的过程，由此造成了企业生产的米糠毛油中游离脂肪酸酸值( k o h ) 达到 2 0 m g g 以上，有的甚至达到5 0 6 0 m g 9 1 2 0 】。油脂中游离脂肪酸含量过高不但会 2 产生刺激性气味影响油脂的风味，而且还造成中性油脂的进一步加速水解酸败， 更有甚者，酸值过高还会降低油脂对热和氧的稳定性，妨碍油脂氢化顺利进行 并腐蚀设备。 因此，对于高酸值米糠毛油需要对其进行处理以降低酸值。油脂工业中常 用的碱炼脱酸和物理脱酸方法等传统方法用于高酸值米糠油都存在损耗过高的 问题，化学精炼还会造成油脂中谷维素等营养成分的大量损失，使油脂的营养 品质下降，此外，还将产生大量的有机废水，污染环境。而目前研究较多的化 学催化酯化米糠油脱酸则存在操作过程中温度过高的问题，一般均要达至t j 2 0 0 以上，这对于能源的消耗较大 2 i - 2 4 】。因此寻找一种高效率、低能耗的高酸值米 糠油脱酸工艺是米糠油加工过程中急需解决的问题，对于米糠油的生产具有重 要的经济意义。 1 2 研究现状 国内外对于米糠油脱酸工艺方法的研究非常活跃，并且有些方法已经开始 应用于实际生产。主要有传统的精炼方法如物理蒸馏脱酸、化学碱炼法以及新 开发的化学酯化法，还有目前研究较多的生物催化法。 1 2 1 物理蒸馏脱酸 物理蒸馏脱酸法的原理是利用油脂主要成分甘油三酯和引起酸值过高的 游离脂肪酸( f f a ) 的相对挥发度不同，在高温以及抽真空条件下，使油脂中的 f f a 因为气化温度低于甘油三酯而先行蒸馏出来，从而达到降低油脂中f f a 含 量的目的【2 5 1 。油脂的物理蒸馏脱酸常用的方法有水蒸汽蒸馏法和短程分子蒸馏 法两种。水蒸汽蒸馏法具体是指在压强为2 5 0 p a 4 0 0 p a ，温度为2 5 0 2 7 0 的 条件下，通过水蒸气蒸发从而带出f f a 蒸气的过程【2 6 1 。该法操作条件简单，但 是其不足之处在于消耗时间过长，油脂长时间处于高温条件下，不仅能耗高、 排污大，还会造成米糠油油脂品质下降，油脂中的营养物质如维生素e 、谷维 素等也会随水蒸汽气提而损失。而短程分子蒸馏法则可以避免上述现象。马传 国等【2 7 】利用短程分子蒸馏装置，在压强为110 p a 2 10 p a ，进口料温10 5 11 0 ， 出口料温1 0 0 1 0 5 条件下，对的花椒籽油进行脱酸处理，具有较好的效果， 油脂的酸值( k o h ) 由4 1 2 m g g 降至3 8 m g g 。 物理蒸馏脱酸工艺流程简单，可以直接获得精炼油和副产品脂肪酸。但是 对于高酸值米糠油来说，应用物理蒸馏脱酸工艺进行脱酸处理并不理想，主要 原因是酸值炼耗比达到1 ：o 8 ( 脱除一个酸值，原油损耗率为o 8 ) ，而且长时间 的高温作用下，谷维素的破坏达到5 0 6 0 2 5 j 。 1 2 2 化学碱炼脱酸 化学碱炼脱酸是指向油脂中加入碱液来中和f f a 的油脂精炼方法，是目前 油脂行业中运用最为广泛的脱酸方法，其操作简单、成本低廉。但是化学碱炼 法酸值炼耗比达1 ：1 2 1 5 【2 引，辅助材料消耗量较大，而且生成的皂脚需要硫酸 处理，产生大量废水污染环境。谷维素等营养物质也随着皂脚一起除去，使成 品油的营养价值大大降低。 1 2 3 油水混合精炼脱酸 油水混合脱酸工艺具有较低的精炼损耗、无需脱色就能得到浅色泽油以及 排除了水洗精炼油和油水混合物的需要的优点【2 9 1 其工艺过程为：将浸出得到 的混合油通过添加或除去部分溶剂以达到到一定的浓度，然后进行碱炼，除去 皂脚后再脱出溶剂【2 5 1 。b h a t t a c h a r r y aac 等【3 0 l 采用f f a 含量分别为1 5 3 、 2 0 5 、3 0 2 的米糠毛油脱胶后，用氯化钙和表面活性剂在1 5 士1 、己烷中进 行脱蜡、结晶，并用离心机分离。然后将己烷加入油中配成适当浓度的混合油 ( 3 0 、4 0 、5 0 ) ，加入碱液后洗涤皂脚，然后蒸去溶剂，再将油进行干燥， 即可得到低酸值的米糠油。此法为化学碱炼方法的改进，但是仍然无法完全避 免化学碱炼法的不足之处。 1 2 4 超临界萃取脱酸 超临界流体萃取( s f e ) 是指超临界流体为溶剂，从固体或液体中萃取可溶组 分的传质分离操作。超临界流体萃取是近代化工分离的高新技术，s f e 将传统 的蒸馏和有机溶剂萃取结合一体，利用超临界溶剂优良的溶剂力，将基质与萃 取物有效分离、提取和纯化。s f e 最常用的溶剂是c 0 2 ，c 0 2 是安全、无毒、 廉价的液体。超临界c 0 2 具有类似气体的扩散系数、液体的溶解力，表面张力 为零，能迅速渗透进物质之中，提取其精华，具有高效、不易氧化、纯天然、 无化学污染等特点。 l e a n d r od a n i e l s k i a 等【3 i 】利用间歇式超临界流体萃取米糠油，萃取压力 1 0 4 0 m p a 、温度为5 0 和6 0 ，米糠油得率为2 0 。在逆流柱中，2 5 m p a 、 6 7 下脱酸，脱酸后米糠油的f f a 含量降低至不足1 。 b r u n e t t i 等1 3 2 j 在压力2 0 m p a 和3 0 m p a 、温度4 0 和6 0 条件下，用超临 界c 0 2 萃取对高酸值橄榄油进行脱酸，在2 0 m p a 和6 0 下脂肪酸选择性较高， 且随着油脂f f a 含量下降明显增加。 超临界萃取脱酸成本相对较为昂贵，目前其应用仍局限于实验室阶段，应 用于工业化生产尚需时间。 4 1 2 5 膜技术脱酸 膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，由 膜两侧存在某种推动力( 压力差、浓度差电位差等) ，而实现选择性分离、提纯 目的的技术p 引。膜分离技术由于具有常温操作、无相态变化、高效节能、生产 过程中无污染等特点，因此在食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、 精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到石油、机械、电力、冶金、纺织、化 工、生物、制药、发酵等各个领域。 k a l e 等【3 4 j 通过先甲醇萃取，然后膜分离，研究了米糠毛油的脱酸。在甲醇 油的比例为1 8 ：1 时，米糠毛油中的f f a 浓度由1 6 5 减少n 3 7 。第二次在l ：1 比率下萃取，油脂f f a 降到了o 3 3 。甲醇萃取物中的f f a 用商业膜纳滤回收。两 步膜体系可回收9 7 8 的f f a ，最终保留物含有2 0 以上的f f a ，而渗透物中含 o 1 3 f f a ，渗透物可循环萃取f f a 。 膜技术脱酸的主要优势在于可以避免氧化，因为其反应条件较为温和。而 且运用膜技术可简化过程，降低能耗，减少废水，因而具有广阔的应用前景。 但膜本身易被污染，出现堵塞，从而影响滤过速率，此外，适合亲油性介质的 膜较少，许多有机膜在油中会出现膨胀现象而不能形成多孔结构使得过滤速度 非常慢，因此其运用于工业化生产还存在着困难【2 5 1 。 1 2 6 化学酯化脱酸 以上介绍的脱酸方法都是利用物理或者化学方法将油脂中的f f a 除去的 脱酸方法，而近年来研究较多的化学酯化脱酸法则是高温、高真空条件下，利 用化学催化剂( z n o 、s n c l 2 2 h 2 0 、a i c l 3 6 h 2 0 、m g 、苯磺酸、对甲苯磺酸、甲 醇钠等) 催化油脂中f f a 与添加的甘油( 或单甘脂、甘二酯) 酯化合成甘油酯。 该方法不仅可以降低f f a 的含量，而且还可以增加中性油含量，是目前较为推 荐的脱酸方法。 曾庆梅等【2 - j j 通过比较了z n o 、s n c l 2 2 h 2 0 、z n c l 2 、z n 、对甲苯磺酸五种化 学催化剂的催化效果，并且考察了温度、真空度、初始甘油添加量、反应时间 的交互作用，得出较优工艺参数：真空度为0 1 m p a ，甘油添加量为理论甘油添 加量，催化剂添加量为油重的o 1 ，反应温度2 0 0 4 c ，反应时间6 h 。在此条件 下，米糠油的酸值( k o h ) 从3 8 1 4 m g g 降至5 1 7 m g g 。d e b k 等【3 5 】研究了高温 ( 2 1 0 ) 、低压( 1 3m p a ) 下利用单甘j 1 旨( m g ) 的催化酯化工艺，对高酸值 ( 9 5 一3 5 ) 米糠油脱酸。研究表明，加入m o 催化酯化可以有效地降低米糠油 的f f a 含量至0 5 一3 5 。 化学酯化脱酸克服了物理蒸馏法、化学碱炼等在应用过程中存在的一些缺 点，其具有成本低廉，工艺简单，反应条件易控，不污染环境、降低酸值的同 时增加中性油含量等优点，但是其操作过程中需要高温和低压的环境，高温破 5 坏了米糠油中的重要营养成分如谷维素的结构，使得米糠油的营养价值遭到损 失。 1 2 7 生物脱酸 生物脱酸包含两个方面，一种是利用生物方法除去油脂中所含的f f a 以降 低酸值，另一种是利用生物方法( 酶催化酯化) 催化油脂中的f f a 与添加的甘油 ( 单甘脂、甘二酯) 生产甘油酯，以达到降低油脂酸值，增加中性油含量的目的。 1 2 7 1 微生物吸收f f a 脱酸 该方法是利用特征微生物的选择性吸收来除去油脂中的f f a 。研究表明： 从土壤中筛选出来的假单胞菌b g l 的微生物具有吸收长链脂肪酸而不分泌胞外 脂肪酶的特点。因此，假单胞菌b g l 在甘油三油酸酯及油酸混合物中生长时， 它能有选择地除去游离脂肪酸而不损失甘油三油酸酯【3 6 1 。 1 2 7 2 酶催化酯化脱酸 随着生物酶催化技术的研究深入，在米糠油脱酸工艺中利用酶法催化酯化 脱酸受到大量关注，其是近年来出现的一种新型油脂脱酸方法。酶催化酯化脱 酸有许多突出的优点【37 】：( 1 ) 减少水介质可能带来的副反应；( 2 ) 酶在有机介质 中的热稳定性增加；( 3 ) 具有区域专一性；( 4 ) 催化反应类似生物体代谢，反应条 件温和，能量低。 酶催化酯化脱酸是利用特定脂肪酶在适当条件下催化油脂中游离脂肪酸 与甘油( 单甘脂、甘二酯) 间的酯化反应，使油脂中的游离脂肪酸合成甘油酯， 从而除去游离脂肪酸，降低油脂的酸值。 杨博等【3 8 】研究了固定化脂肪酶l i p o z y m er mi m 应用于高酸值米糠油的脱 酸，得到了以下的优化条件：酶添加量为油重的5 ，甘油添加量为理论甘油添 加量，反应温度6 5 ，真空条件为1 2 0 0 p a ，反应时间为8 h 。在此条件下，米糠 油的f f a 由1 4 4 7 降至2 5 0 ；脱酸后米糠油中的甘油三酯含量由7 4 6 8 升至 8 4 3 5 。 s e n g u p t a 等【”】研究了加入商业单甘酯( m g ) 来代替甘油，利用脂肪酶 ( m m i e h e i ) 催化酯化以降低米糠油中f f a 的方法，游离脂肪酸含量由初始的 8 6 一16 9 降低至2 州。 除了以上提出的脂肪酶l i p o z y m er mi m 、脂肪酶( m m i e h e i ) ) b ，固定化脂 肪酶n o v o z y m 4 3 5 的催化酯化效率也非常高，研究人员对其催化效果也做了较深 入的研究。 孙素玲等【4 0 】研究了脂肪酶n o v o z y m 4 3 5 的催化游离多不饱和脂肪酸与甘油 酯化合成的工艺，分别考察了甘油与脂肪酸的质量比、酶用量、初始加水量、 6 反应温度、时间等单因素对酯化效果的影响。结果显示，较优的酶促酯化合成 条件为：甘油与脂肪酸的质量比o 1 2 ：1 ，反应时间4 8 h ，温度为5 0 ，加酶量 与底物游离脂肪酸的比例1 ：4 ( w w ) ，初始加水量o 。在此条件下，酯化率达到 9 6 5 8 ，且反应前后各脂肪酸含量变化不大。 夏木西卡玛尔等1 4 l j 采用直接酯化法，以脂肪酶n o v o z y m 4 3 5 为催化剂催化 亚麻酸和甘油分别在无溶剂体系和有溶剂体系中合成亚麻酸甘油酯。结果表明， 当亚麻酸与甘油摩尔比为l ：2 5 ，酶添加量为体系总质量的l ，反应温度为6 0 ， 反应2 4h 后，无溶剂体系亚麻酸的转化率达至( 1 9 2 。7 ，有溶剂体系亚麻酸的转化 率为9 2 3 。所得亚麻酸甘油酯为淡黄色油状透明液体，酸值( k o h ) 低于3 m g g 。 b h o s l ebm 等1 4 2 】比较了酶法酯化脱酸与其他脱酸方法在用于米糠油脱酸上 的精炼特性，其结果如表1 2 所示： 表l - 2 米糠油酶催化脱酸和其他精炼脱酸精炼特性比较【4 2 1 t a b l e1 - 2r e f i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o nw i t he n z y m a t i ca n do t h e rm e t h o d so f d e a c i d i f i c a t i o no fr i c eb r a no i l 注：一表示未检测 综上所述，脂肪酶催化酯化米糠油脱酸不仅能够显著降低f f a 的含量，满 足传统精炼的要求，使高酸值米糠油的精炼得以顺利进行，而且反应体系在脱 酸的同时还提高了中性油的含量，减少了废水废渣的产生。酶法催化酯化脱酸 的反应条件温和，无需高温条件，这样能够最大限度地保留米糠油的营养功能 成分，显著的提高米糠油精炼的经济性。 1 3 课题的来源、研究内容和研究意义 1 3 1 课题来源 国家自然科学基金资助项目( 3 0 8 7 1 7 3 9 、3 1 0 7 1 5 5 6 ) 、安徽省教育厅重点科 研项目( k j 2 0 0 7 a 0 9 9 ) 、安徽省重点攻关项目( 0 7 0 1 0 3 0 2 1 1 7 ) 。 7 1 3 2 课题的主要研究内容 我国生产的米糠油毛油酸值普遍过高，而传统的物理蒸馏、化学碱炼以及 化学酯化脱酸法都存在不足之处，本课题拟采用脂肪酶催化酯化脱酸法来降低 米糠毛油的酸值。 主要有以下几个问题需要考察： ( 1 ) 米糠毛油的脱酸前的预处理( 脱胶、脱色) 。 ( 2 ) 选择合适的脂肪酶以及考察酶催化酯化脱酸的较优工艺条件。 ( 3 ) 脂肪酶的重复利用情况。 ( 4 ) 脱酸前后米糠油中各种营养成分含量的变化。 1 3 3 课题的研究意义 米糠油属优良植物油脂，与其他植物油脂相比，它不但含有较多的不皂化 物和其它微量成分，具有降低血清胆固醇的功效，而且米糠油在加热过程中不 易氧化，食用安全。同时米糠油风味较好，烹出的菜肴色调鲜美，非常适宜作 为食用油。 由于米糠中含有活泼脂肪酶的特性，直接生产的米糠油往往存在酸值过高 而不适合食用的问题，所以米糠油的脱酸就成为了米糠油生产过程中的一个重 要问题。然而，传统的物理、化学脱酸往往存在各种各样的不足，最重要的一 点就是其中重要营养成分的损失使得米糠油的营养保健功能大打折扣。 利用脂肪酶催化酯化法对米糠油进行脱酸处理，不仅可以显著的降低米糠 毛油的酸值，更重要的是可以保存油脂中的营养成分，做到几乎零损失。由此 生产出来的米糠油真正的保留了米糠油的原有营养成分，使米糠油体现出了其 高营养的附加值。 8 第二章理论分析 本课题主要利用脂肪酶在非水相介质中的催化特点，考察不同的脂肪酶对 米糠油酯化脱酸的效率。再选取合适的脂肪酶后，考察酶添加量、初始甘油添 加量、反应温度以及时间对反应的影响，利用响应面分析法( r s m ) 考察各个因 素之间的交互作用，并且优化实验条件，得出米糠油酶法酯化脱酸的较优工艺 参数。 2 1 非水相介质中脂肪酶的催化特点 非水相介质脂肪酶催化是指利用脂肪酶在微量的含水环境下催化脂肪酸进 行酯化。其作一种环保、节能的绿色化学工艺引起了化工界的广泛关注。水是 酶维持催化活性必不可少的因素，因为酶表面需要少量的水参与许多非共价作 用，维持酶的活性构象。所以非水相介质催化并非是绝对的无水环境，而是需 要微量的水。 由于酶在有机溶剂中并不溶解，反应过程中易出现团聚，使得酶的可利用 率降低。而如果将酶固定化在惰性载体上，不仅可以提高酶在有机溶剂中的扩 散效果和热力学稳定性，而且还有利于酶的回收和重复利用 4 3 - 4 4 】。所以在非水 相介质酶催化反应中一般运用固定化脂肪酶。 脂肪酶的非水相催化是一项底物、酶以及介质三者相互依存、相互影响的 系统工程。反应介质的选择不仅对酶活、酶的选择性、稳定性产生影响，还会 影响底物和产物的扩散以及分配【4 5 1 。利用纯底物作为溶剂( 即无溶剂体系) 不仅 避免了溶剂的选择和回收，避免了后续分离步骤，降低了能耗和对环境污染的 压力，而且底物没有经过溶剂的稀释，其初始浓度较高，反应速率较快。 为了保证米糠油酶法催化酯化的效率，故实验采取固定化脂肪酶在底物为 介质的体系( 即无溶剂体系) 中进行催化反应。 2 2 响应面法( r s m ) 的理论及应用 随着科技发展的不断加速，工程计算的模型也越来越复杂，规模变的越来 越大。同时，许多工程问题的目标函数和约束函数是不光滑的或者具有强烈的 非线性。这样，就需要一种新的高效可靠的数学方法来满足工程优化计算的需 要。响应面法( r 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 ) 作为一个渐进近似的优化 方法很好地解决这种问题【4 6 1 。r s m 是利用合理的试验设计以及一定的实验数 据，通过多元二次回归方程来拟合因素和响应值间的函数关系，然后对回归方 程进行分析获得最优工艺参数的一种统计方法【4 7 。4 8 1 。 响应面法包括b o x - - b e h n k e n 设计( b b d ) 、中心组合设计( c e n t r a lc o m p o s i t e d e s i g n ，c c d ) 和均匀外壳设计( u n i f o r ms h e l ld e s i g n ，u s d ) - 一- - 种常用设计方法， 9 它们各有优点及适用范围。而b o x w b e h n k e n 设计由于具有因素水平少( 每个因素 三个水平) 的优点，所以