CN105671094B - 一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法 - Google Patents

一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法，包括如下步骤：(1)取脂肪酸并升温使其熔化处于液态，然后添加丙二醇并均质处理，作为酯化反应底物；(2)偏甘油酯脂肪酶与酯化反应底物接触，添加pH为4～8的缓冲液，搅拌进行酯化反应合成丙二醇单酯；(3)分离反应产物，回收油相，对油相进行分离纯化即获得高纯度的丙二醇单酯。本发明采用偏甘油脂肪酶催化脂肪酸与丙二醇酯化合成丙二醇单酯，反应过程中没有副反应发生，脂肪酸酯化率高，底物得到更有效利用；丙二醇单酯的得率和纯度更高，得率在90％以上，经分子蒸馏分离纯化后丙二醇脂肪酸单酯的纯度在98％以上。

Description

一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法
技术领域
本发明涉及一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法。
背景技术
丙二醇脂肪酸单酯，是由一个脂肪酸酰基和丙二醇形成的单酯，具有良好的亲油性和消泡性。自上个世纪五十年代开始，丙二醇脂肪酸单酯即已经成为广泛使用的食品添加剂，是一种性能优良的非离子型表面活性剂。专利CN103533845A即公布了一种以丙二醇脂肪酸单酯为主要成分的组合物，用于控制食品***加热时的起泡程度。在食品中丙二醇脂肪酸单酯一般与其他乳化剂复合使用，在糕点、面包、人造奶油、巧克力等食品中，具有乳化、起酥、保鲜、消泡等作用。在医药中，丙二醇脂肪酸单酯可作为稳定剂、乳化剂用于乳剂和油膏等药剂中。
丙二醇脂肪酸单酯制备方法有脂肪酸、丙二醇直接酯化法，脂肪酸与环氧丙烷反应法以及丙二醇与动植物油脂的醇解法。食品级的丙二醇脂肪酸单酯，一般采用脂肪酸与丙二醇直接酯化法生产。目前，工业生产中的丙二醇单酯，多是利用酸、碱等化学催化剂，在120～180℃催化丙二醇与饱和脂肪酸进行酯化，得到丙二醇单酯和二酯的混合物。化学催化工艺中，由于存在高温过程，脂肪酸只能选择稳定性更好的饱和脂肪酸，而且丙二醇单酯的得率一般只能达到70％，需要再经分子蒸馏分离纯化，才能得到品质更好、纯度更高的丙二醇单酯产品(论文：食品添加剂丙二醇脂肪酸酯中总单酯含量的化学分析法)。随着人们对食品安全和食品原材料加工工艺重视程度的提高，越来越多的研究开始探索更加安全、环保、低能耗的丙二醇单酯的酶法生产工艺。脂肪酶也被称为脂肪酸酰基甘油酯水解酶，在油脂加工工艺中的应用越来越广泛。黑曲霉脂肪酶催化脂肪酸(硬脂酸、软脂酸、油酸、肉豆蔻酸、月桂酸)与丙二醇反应，酯化产物中的丙二醇脂肪酸单酯的含量(酯化反应产物中丙二醇单酯的得率)可以达到21.3～63.5％，多次萃取分离纯化后可以达到97％(不同脂肪酸丙二醇单酯的酶法合成及性质比较)。脂肪酶Novozym 435在正己烷体系中催化月桂酸和丙二醇反应，酯化率可以达到90.16％，丙二醇单酯的纯度可以达到81.37％，酯化产物中丙二醇单酯的得率为73.36％；在无溶剂体系中催化月桂酸与丙二醇酯化制备丙二醇单酯时，酯化率可以达到90.29％，丙二醇单酯的纯度可以达到78.22％，酯化反应产物中丙二醇单酯的得率为70.62％(酶法合成月桂酸丙二醇酯及其性质研究)。脂肪酶Novozym 435在无溶剂体系中催化油酸与丙二醇反应，油酸的酯化率可以达到89.64％，丙二醇单酯的纯度达到48.21％，酯化反应产物中丙二醇单酯的得率为43.21％；在叔丁醇为溶剂的反应体系中，油酸的酯化率可以达到91.15％，丙二醇单酯的纯度达到88.34％，酯化反应产物中丙二醇单酯的得率为80.52％(单油酸1,3丙二醇酯的酶法合成、分离纯化及性质研究)。脂肪酶Novozym 435催化丙二醇与椰子油进行醇解反应，反应产物中丙二醇单酯的得率为53.17％(酶法合成椰子油基丙二醇单酯及其性质研究)。综上可知，目前已经开发的丙二醇单酯的酶法制备方法中，由于存在丙二醇酯、甘油酯等副产物，丙二醇单酯的得率和产品的纯度均受到极大的限制。
发明内容
针对现有的酶法合成丙二醇脂肪酸单酯方法得到的丙二醇单酯产品中单酯纯度不高、得率较低的缺点，本发明的目的是提供一种高纯度丙二醇脂肪酸单酯的酶法生产制备方法。在本发明中，通过偏甘油酯脂肪酶限制性地仅在丙二醇的羟基上链接一个脂肪酸酰基，酯化产物中丙二醇单酯的得率更高；而且，产品经分离回收后得到的丙二醇脂肪酸单酯产品的纯度最高可以达到98％以上。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法，包括如下步骤：
(1)取脂肪酸并升温使其熔化处于液态，然后添加丙二醇并均质处理，作为酯化反应底物(降温至35℃～65℃)；
(2)偏甘油酯脂肪酶与酯化反应底物接触，添加pH为4～8的缓冲液，搅拌进行酯化反应合成丙二醇脂肪酸单酯；
(3)分离反应产物，回收油相，对油相进行分离纯化即获得高纯度的丙二醇脂肪酸单酯。
步骤(1)所述脂肪酸的碳原子数在2～22之间。
步骤(1)所述丙二醇与脂肪酸的摩尔比为2:1～6:1。
步骤(1)所述丙二醇与脂肪酸的摩尔比在3:1～4:1。
所述偏甘油酯脂肪酶的添加量为脂肪酸质量的0.5％～10％。
步骤(2)所述缓冲液的添加量不高于丙二醇质量的1％。
步骤(2)所述缓冲液为磷酸盐缓冲液，pH为5～7。
步骤(2)所述酯化反应的温度为20℃～65℃，搅拌条件200rpm以上，反应时间12～24h。
步骤(2)所述酯化反应的温度为40℃～65℃。
步骤(2)所述分离为离心分离，物料温度在40℃以下。
所述的限制性地催化脂肪酸与丙二醇酯化反应生成丙二醇脂肪酸单酯所使用的偏甘油酯脂肪酶是可以催化单甘油酯和甘油二酯与羟基供体发生反应，不能催化甘油三酯反应。
所述偏甘油酯脂肪酶包括来源于动物器官(如大鼠的小肠或猪)的脂肪组织的单甘油酯脂肪酶或甘油二酯脂肪酶、来源于Bacillus sp.H-257(J.Biochem.,127,419-425,2000)的单甘油酯脂肪酶、来源于Penicillium camembertii U-150(Journal offermentation and bioengineering,72(3),162-167,1991)的甘油二酯脂肪酶和来源于Malassezia globosa的甘油二酯脂肪酶Lipase SMG1。
本发明反应产物的分离是利用离心的方法分离回收未反应的丙二醇和催化剂，从油相中分离纯化丙二醇单酯过程可以是分子蒸馏、溶剂萃取、碱中和，也可以是一种以上上述分离方法的联合。
本课题组在丙二醇单酯的酶法制备领域进行了大量研究，本发明研究发现偏甘油酯脂肪酶可以催化脂肪酸与丙二醇进行酯化反应制备丙二醇单酯，得到的酯化产物中不存在丙二醇二酯。而且，由于丙二醇粘度较大，脂肪酸与丙二醇的互溶性差，极大地限制了酯化反应过程中的传质效率，使得脂肪酸的酯化率低。本发明，将脂肪酸加热至熔化后，与两倍摩尔数以上的丙二醇混合，然后经过均质再与偏甘油酯脂肪酶接触进行酯化反应，提高了酯化率和丙二醇单酯的得率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用偏甘油脂肪酶催化脂肪酸与丙二醇酯化合成丙二醇单酯，反应过程中没有副反应发生，脂肪酸酯化率高，底物得到更有效利用。
(2)本方法利用偏甘油酯脂肪酶为催化剂，通过对酯化反应体系水分含量的控制，提高了丙二醇脂肪酸单酯的纯度和得率，酯化产物中丙二醇脂肪酸单酯的得率在90％以上，经分子蒸馏分离纯化后丙二醇脂肪酸单酯的纯度在98％以上，可以根据具体需要选择不同的脂肪酸为底物。
(3)本方法由于在酶催化酯化反应前，对底物混合物进行均质处理，使得酯化反应能够更快速进行，缩短了酯化反应达到平衡所需的时间，在实际应用中具有更好的经济性和环保性。
具体实施方式
以下通过实施例更详细地介绍本发明的实施。在所述实施例中，所有百分比均以质量计。
实施例1
将280g大豆油脂肪酸和230g丙二醇(丙二醇与脂肪酸的摩尔比为3:1)加热至40℃，利用高速分散均质机均质1min；添加pH为6.0、离子浓度0.1N的磷酸盐缓冲液2g，和10g偏甘油酯脂肪酶Lipase SMG1(Wang W-f,Li T,Qin X-l,Ning Z-x,Yang B,Wang Y-h.Production of lipase S MG1and its application in synthesizingdiacylglyecrol[J].Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic 2012；77:87-91)，混合后置于400rpm的恒温磁力搅拌器中进行酯化反应，反应温度40℃。每隔1h取样，滴定酯化产物的酸度，当酯化反应进行18h后，反应体系的酸价降低至17.1mgKOH/g，继续反应酸价降低不显著，表明酯化反应已达到平衡。终止反应并将酯化产物进行离心分离，回收油相和未反应的丙二醇及催化剂。利用液相色谱分析油相组成，计算丙二醇脂肪酸单酯的得率，结果见表1。可见酯化反应18h后丙二醇脂肪酸单酯的得率可以达到91.5％以上。
将酯化产物离心分离回收油相利用二级分子蒸馏分离纯化酯化产物油相中的丙二醇脂肪酸单酯。分子蒸馏的进料流速为1.0mL/min，一级蒸发温度为100℃，二级蒸发温度为150℃，进样温度为90℃，冷凝温度为60℃，可以得到纯度为99.35％的丙二醇脂肪酸单酯。
实施例2
将280g大豆油脂肪酸和306g丙二醇(丙二醇/脂肪酸的摩尔比为4:1)加热至40℃，利用高速分散均质机均质1min；添加pH为6.0、离子浓度0.1N的磷酸盐缓冲液3g，和15g偏甘油酯脂肪酶Lipase SMG1，混合后置于400rpm的恒温磁力搅拌器中进行酯化反应，反应温度35℃。每隔1h取样，滴定酯化产物的酸度，当酯化反应进行12h后，反应体系的酸价降低至13.2mgKOH/g，继续反应酸价降低不显著，表明酯化反应已达到平衡。终止反应并将酯化产物进行离心分离，回收油相和未反应的丙二醇及催化剂。利用液相色谱分析油相组成，计算丙二醇脂肪酸单酯的得率，结果见表1。可见酯化反应12h后基本达到平衡，丙二醇脂肪酸单酯的得率可以达到93.4％以上。
将酯化产物离心分离回收油相和未反应的丙二醇及催化剂，利用二级分子蒸馏分离纯化酯化产物油相中的丙二醇脂肪酸单酯。分子蒸馏的进料流速为1.0mL/min，一级蒸发温度为100℃，二级蒸发温度为150℃，进样温度为90℃，冷凝温度为60℃，可以得到纯度为99.6％的丙二醇脂肪酸单酯。
实施例3
将280g大豆油脂肪酸和306g丙二醇(丙二醇/脂肪酸的摩尔比为4:1)加热至40℃，利用高速分散均质机均质1min；添加pH为6.0、离子浓度0.1N的磷酸盐缓冲液3g，和15g偏甘油酯脂肪酶Lipase G50，混合后置于400rpm的恒温磁力搅拌器中进行酯化反应，反应温度40℃。每隔1h取样，滴定酯化产物的酸度，当酯化反应进行18h后，反应体系的酸价降低至16.5mgKOH/g，继续反应酸价降低不显著，表明酯化反应已达到平衡。终止反应并将酯化产物进行离心分离，回收油相和未反应的丙二醇及催化剂。利用液相色谱分析油相组成，计算丙二醇脂肪酸单酯的得率，结果见表1。可见酯化反应18h后基本达到平衡，丙二醇脂肪酸单酯的得率可以达到91.8％以上。
将酯化产物离心分离回收油相和未反应的丙二醇及催化剂，利用二级分子蒸馏分离纯化酯化产物油相中的丙二醇脂肪酸单酯。分子蒸馏的进料流速为1.0mL/min，一级蒸发温度为100℃，二级蒸发温度为150℃，进样温度为90℃，冷凝温度为60℃，可以得到纯度为98.35％的丙二醇脂肪酸单酯。
对比实施例1
将280g大豆油脂肪酸和306g丙二醇(丙二醇/脂肪酸的摩尔比为4:1)加热至40℃，利用高速分散均质机均质1min；添加pH为6.0、离子浓度0.1N的磷酸盐缓冲液3g，和15g脂肪酶Lipase CALB，混合后置于400rpm、40℃的恒温磁力搅拌器中进行酯化反应。每隔1h取样，滴定酯化产物的酸度，当酯化反应进行18h后，反应体系的酸价降低至20.5mgKOH/g，继续反应酸价降低不显著，表明酯化反应已达到平衡。终止反应并将酯化产物进行离心分离，回收油相和未反应的丙二醇及催化剂。利用液相色谱分析油相组成，计算丙二醇脂肪酸单酯的得率，结果见表1。可见酯化反应18h后基本达到平衡，丙二醇脂肪酸单酯的得率为52.8％，丙二醇二酯的含量为36.9％。
将酯化产物离心分离回收油相和未反应的丙二醇及催化剂，利用二级分子蒸馏分离纯化酯化产物油相中的丙二醇脂肪酸单酯。分子蒸馏的进料流速为1.0mL/min，一级蒸发温度为100℃，二级蒸发温度为150℃，进样温度为90℃，冷凝温度为60℃，得到的丙二醇脂肪酸单酯的纯度为57.8％。
对比实施例2
将280g大豆油脂肪酸和306g丙二醇(丙二醇/脂肪酸的摩尔比为4:1)混合，添加pH为6.0、离子浓度0.1N的磷酸盐缓冲液3g，和15g偏甘油酯脂肪酶Lipase SMG1，置于400rpm、35℃的恒温磁力搅拌器中进行酯化反应。每隔1h取样，滴定酯化产物的酸度，当酯化反应进行26h后，反应体系的酸价降低至21.9mgKOH/g，继续反应酸价降低不显著，表明酯化反应已达到平衡。终止反应并将酯化产物进行离心分离，回收油相和未反应的丙二醇及催化剂。利用液相色谱分析油相组成，计算丙二醇脂肪酸单酯的得率，结果见表1。可见酯化反应26h后才可以基本达到平衡，丙二醇脂肪酸单酯的得率为88.72％。
将酯化产物离心分离回收油相和未反应的丙二醇及催化剂，利用二级分子蒸馏分离纯化酯化产物油相中的丙二醇脂肪酸单酯。分子蒸馏的进料流速为1.0mL/min，一级蒸发温度为100℃，二级蒸发温度为150℃，进样温度为90℃，冷凝温度为60℃，可以得到纯度为97.5％的丙二醇脂肪酸单酯。
表1酯化反应平衡时油相组成和分子蒸馏后产品组成

Claims (5)

1.一种丙二醇脂肪酸单酯的酶法制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取脂肪酸并升温使其熔化处于液态，然后添加丙二醇并均质处理，作为酯化反应底物；所述丙二醇与脂肪酸的摩尔比为2:1~6:1；
（2）偏甘油酯脂肪酶与酯化反应底物接触，添加pH为4~8的磷酸盐缓冲液，搅拌进行酯化反应合成丙二醇脂肪酸单酯；偏甘油酯脂肪酶为Lipase SMG1或Lipase G50，偏甘油酯脂肪酶的添加量为脂肪酸质量的0.5%~10%；所述缓冲液的添加量不高于丙二醇质量的1%；所述酯化反应的温度为20℃~65℃，搅拌条件200rpm以上，反应时间12~24h；
（3）分离反应产物，回收油相，对油相进行分离纯化即获得高纯度的丙二醇脂肪酸单酯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述丙二醇与脂肪酸的摩尔比在3:1~4:1。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述缓冲液的pH为5~7。
4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述酯化反应的温度为40℃~65℃。
5.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述分离为离心分离，物料温度在40℃以下。
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