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脂肪酶在油脂水解反应上的应用作者：彭成银 班级：10食品科学与工程班 学号：1002061004摘要：利用脂肪酶催化油脂水解反应，实现豆油脱臭馏份中甘油酯的水解分离，以利于天然维生素的提取。其中，选择的脂肪酶为解脂假丝酵母，本文对脂肪酶用量、油水比、反应时间及反应温度等工艺条件进行了探索。并论述目前国内应用量最大、发展最迅速的碱性脂肪酶的现状和发展前景。关键词：脂肪酶 油脂水解 碱性脂肪酶 脱臭馏份引言：脂肪酶作为表面活性剂工业的基础原料，需求量很大。通常采用的生产路线有Col-gate-Emery优质高温蒸汽裂解法，中压皂化及化学催化法，但效率较低。植物油脱臭馏出物是提取天然维生素E和植物甾醇的宝贵资源。美国、日本、德国等国家从40年代就开始探索天然维生素E与植物甾醇的提取工艺。植物油脱臭馏份（Deodorized distillate）主要含有游离脂肪酸、甘油酯、甾醇、维生素E及烃类物质等天然成分。其中，甘油酯的分离极为关键，因为甘油脂的大量存在会给其后的高真空蒸馏或分子蒸馏带来困难，同时也影响甾醇的结晶分离及产品质量。国外多采用皂化法和酯交换法来分解并除去甘油酯。然而，皂化是在碱性环境中进行的，酯交换也必须加碱催化，而维生素E在强碱性条件下易氧化分解，从而降低了天然维生素E的提取收率，也给工艺设计和生产操作带来困难。正文：1 、脂肪酶在油脂水解上的应用脂肪酶催化油脂水解反应分解甘油酯，是一种简捷而又比较经济的方法。酶反应温度不高，专一性强，有助于减少副反应，提高产品的质量和收率。脂肪酶是将油脂水解成脂肪酸和甘油的酶，具有对油水界面的亲和力，并能在油水界面上以高催化速率水解不溶于水的油脂。脂肪酶的天然产物（催化对象）是油脂，它必需与底物结合才能起催化作用。但是，这种酶底物复合体中是不会存在亲脂结合的，因为酶是水溶性的，而底物（油脂）不溶于水。因此，脂肪酶水解反应只能发生在油水界面上。为了是脂肪酶充分利用，需要利用搅拌或振荡来产生足够大的界面，有时甚至需要加入乳化剂，以利于两相的分散。利用脂肪酶进行油脂水解是脂肪酶应用的一个重要方面。脂肪酸多种类型的衍生物可广泛用作洗涤剂、药品、化妆品、塑料润滑剂、防霉剂、静电防止剂、造纸工业脱墨剂、脱树脂剂、印刷油墨、染料、纺织工业精炼洗净剂、柔软剂、防水剂、食品乳化剂、农用乳剂和消泡剂等的原料。工业上脂肪酸的生产有以石油、天然气为原料进行化学合成及以油脂为原料进行水解两条途径。虽然前一条途径所需成本低，可以进行大规模工业化生产，但在化学合成过程中可能会产生有害物质。随着食品洗涤剂、食品乳化剂、化妆品、药品等方面应用的发展，需要天然脂肪酸作为中问原料。同时，由于油脂是农副业产品，易于再生，我国素有农业大国之称，近年来油料作物生产飞速发展，利用油脂生产脂肪酸是有广泛基础的酯法油脂水解有以下方面：1.1通过添加某些试剂来提高油脂水解率在水不溶性二价以上的金属氢氧化物存在的情况下，酶法水解油脂的速度可以加快，如油脂量13的Ca(OH) 存在可使牛脂48小时内的水解率达100%。无机盐类也可提高油脂水解率。0.01%-0.1%的多种无机盐均能提高油脂的水解率，如添加001 的CaC12，在48小时内油脂水解率达941。12 改变工艺条件，提高水解率减少酶消耗将水解反应分为几段，套用甘油水，即第三段的甘油水供下次第二段水解时用，第二段的供第一段套用，从而使每一段水解与甘油浓度达到平衡，而酶随甘油水相移动活性几乎不损失。水解结束时中间乳化层集中了90 的酶，取出乳化层回用可节省酶用量。尤其是采用分隔式或固定化酶的方法进行水解，是近年来广泛研究的课题，利用醋酸纤维反渗透膜隔开脂肪酶油相悬浮液和甘油水相，进行连续循环水解。用亲油亲水两种膜隔开油相与水相，酶处于两膜之间，油水分别穿过膜后在酶相中反应，产物分别返回原相进行循环水解。13 针对特殊底物的水解鱼油及海生哺乳动物的油脂富含长链高不饱和脂肪酸，可用作药物治疗和预防脑血栓、动脉硬化等症，并可作为原料制备前列腺素，酶法水解鱼油是生产长链高度不饱和脂肪酸的好方法。牛油是制造肥皂的重要原料，但酶法水解牛油的关键难点是牛油的熔点高于脂肪酶的作用温度。针对这一情况科研人员通过研究提出如使牛油融化后与预低温的酶液一起乳化形成正常温度下凝固的但已成为分散液滴的底物，可达到较高水解率。油脂精炼副产物油脚的数量也相当大用脂肪酶水解法从油脚中生产脂肪酸也获得了成功，水解率达88 。2.影响脂肪酶水解的因素2.1 脂肪酸性质与脂解反应脂肪酸的性质是脂解反应的内在影响因素。多数油脂的水解情况非常符合下列规律（见表1）：脂肪酸链越短，脂解速度越快；不饱和脂肪酸比饱和脂肪酸脂解速度快；不饱和键数目多的脂肪酸脂解速度慢。表1：脂肪酸性质对脂解反应的影响饱和脂肪酸 脂酶比活单不饱和脂肪酸 脂酶比活C18脂肪酸 脂酶比活C12:0 15C18:0 3.5C15:0 10C14:1 19C18:1 6.5C18:0 4C15:1 11C18:2 3C19:0 3.5C16:1 6C18:3 1.52.2酶用量与反应时间对水解反应的影响称取200g油样5份，分别加入40、10、5、4、2g解脂假丝酵母脂肪酶（已活化1h），各加入300g去离子水，反应温度均控制在39，让水解反应持续14h。反应期间，每隔1 h取样分析一次，计算出不同时刻油样中甘油酯的含量及甘油水解率。由计算观察可知，当脂肪酶用量为5g，即脂肪酶与原料油的重量比为140时，水解反应的效果最好，反应4 h后，产物中甘油脂含量即可低于3%。脂肪酶用量太少或太多，水解效果都不好，甚至难以使产物中甘油酯含量达到要求。当脂肪酶用量太少时，酶的活力不足以使甘油酯水解到所要求的程度；但此时若适当提高脂肪酶的用量，水解效率则会显著提高。当脂肪酶用量较大时，产物对酶的抑制作用等不利因素在反应中起主导作用，使水解产率降低。在工业生产中，须参考具体反应体系、操作条件及酶的价格等诸多因素，选择适宜的脂肪酶用量，以获取最好的经济效益。例如：酶用量较低时，可以采取加强搅拌、延长水解反应时间等方法加以弥补。反应时间长是脂肪酶催化油脂水解反应的缺点之一。在理论上，反应时间越长，甘油酯水解会越彻底。但是从工业生产角度考虑，总是希望反应时间越短越好。由实验可知，选择水解反应的时间为79 h较适宜。2.3油水比对酶促水解反应的影响原料油加入量为200g，脂肪酶用量为5g，水解量分别为50、100、150、200、250、300、350、400、450g，反应温度为40，反应时间为8h，进行系列水解实验，考察油水比对反应结果的影响。实验结果如下表2所示：表2 油水比对水解效果的影响油水比1:0.251:0.501:0.751:1.01:1.251:1.501:1.751:2.01:1.25X14.411.178.686.374.592.561.911.671.09水解率(%)63.9172.0478.3084.0688.5091.3193.2794.1095.88注：X甘油酯含量根据油脂水解反应理论，反应中加入油中7%10%的水已足够，但酶水解油脂的反应是可逆的，随着反应的进行，水相中甘油浓度会增加，逆合成作用也逐渐加强，至甘油浓度达到30%，酯解反应就严重受阻。实际使用的水量要远大于计算值，在测酶活性时，为使反应充分进行，油水比通常达到1:71:10.根据对油脂水解率要求的不同（90%98%），油水比可以在一较宽的范围内变动，这样兼顾水解反应速度、最终水解率和反应器的设计加工。由表2可知，当用水量为300 g，即油水比为1:1.5时，产物中甘油酯含量已低于3%，水解率也已超过90%。因为实验目的是要使水解产物中甘油酯含量尽可能低，所以为了提高水解率，选取油水比1:1.5较合适。2.4 温度对水解反应的影响原料油加入量为200 g，脂肪酶用量为5 g，水用量为300 g，反应时间为8 h，反应温度取一组不同的值，进行水解实验。实验结果如表3所示:表3 反应温度对水解效果的影响温度（）253035404550甘油酯含量（%wt）19.3211.566.401.9426.2636.27水解率（%）48.1268.9382.2594.7823.322.57温度对脂肪酶促油脂水解反应的影响较复杂，温度升高对酶促反应产生两种相反的效果。一方面，反应速度随温度升高而加快，这表现在040范围内，甘油酯浓度降低的速度随温度升高而增加，另一方面，脂肪酶变性失活的随温度升高也迅速增加，在超过酶的适宜温度范围时，酶失活的速度比反应速度大得多，从而使水解反应速度急剧下降。由表3可知，反应温度为40时，水解效果最佳，产物中甘油酯的含量为1.94%，水解率达到94.78%。2.5 PH值对酶催化反应的影响在酶催化水解反应中为保证酶分子中极性基团解离状态的稳定性，从而保持酶的活性稳定，须使用一定PH值的缓冲液。如表4所示表4 脂肪酶的最适PH值脂酶来源商品脂酶最适PH值催化橄榄油水解时最适PH值温度（）Candida rugosa6.55.56.537Aspergillums Niger6.05.540Rhizopus7.06.510Mucus7.07.88.210从表4可知，不同脂酶具有不同的最适PH值，且脂酶单独存在是与参与反应时所表现出的最适PH值不甚相同。原因是反应中PH值的影响是同其他的一些因素如底物的性质、浓度和缓冲液种类等的影响相联系的。相对而言，PH值在5.07.5之间变化时，对多数脂解反应影响不大。2.6 有机溶剂和乳化剂对脂解反应的影响有机溶剂用于溶解固态油脂，常用的有正己烷、异辛烷等链烷烃。其中异辛烷被认为效果最好。尤其在固定化酶催化时，很多文献都记载采用异辛烷。为使脂酶既能均匀分散于有机相中，又不因与有机溶剂接触而失活，可向反应混合物中加乳化剂和少量水，产生由一层乳化剂分子包围着小水珠的透明可逆胶束，包容脂酶并保持其催化活性，从而使系统具有较高动力学及热力学稳定性。但由于有机溶剂有毒，易挥发，且影响脂酶活性，而乳化系统又存在着产品分离困难、脂酶流失严重等不利因素。所以在实际生产中溶剂和乳化机都不宜使用。因此还应尽量寻找一些其它能促进脂解的有效方法。结论：脂肪酶水解油脂反应的主要影响因素有：反应液状态、反应液含水量、脂肪酸的性质、加酶量、油水比、温度、值、有机溶剂和乳化剂等。脂肪酶水解油脂是在油水界面上进行的，决定反映的主要因素是界面大小，油在水中分散越细，界面就越大，反应也越好。这需要用机械方法使油水充分混合，直至呈乳化液状态。脂肪酶催化油脂水解的工艺，无论从原料来源、生产工艺、还是从产品质量上看，前景都是广阔的。许多国家的开发步伐正在加快，我国能源相对贫乏，无论对于精细化工，还是对于资源利