基于脂肪酶催化的油脂高值化改造研究.pdf

1、油脂資源綠色可再生，天然產(chǎn)量豐富，是生物質(zhì)資源的重要組成部分。生物催化在區(qū)域選擇性、副反應(yīng)控制等方面具有傳統(tǒng)的油脂加工工藝不可比擬的優(yōu)勢，因而成為近年來的研究熱點(diǎn)。然而，生物催化劑高昂的市場售價(jià)，限制了該類技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。本課題組開發(fā)的Candida sp.99-125脂肪酶系列產(chǎn)品具有成本低，比酶活高，穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比優(yōu)于同類國外產(chǎn)品。目前，以Candida sp.99-125脂肪酶為核心的綠色催化平臺技術(shù)日漸成熟，并已成功

2、應(yīng)用于多類脂肪酸酯類化合物的合成與生產(chǎn)。但Candida sp.99-125脂肪酶針對于結(jié)構(gòu)型酯類化合物（糖醇酯，甘油結(jié)構(gòu)酯等）的催化特性及催化區(qū)域選擇性尚有深入挖掘潛力，相關(guān)工藝尚未系統(tǒng)性開發(fā)并進(jìn)一步優(yōu)化。另外，近年來脂肪酶催化的不飽和雙鍵環(huán)氧化反應(yīng)也逐漸成為油脂改造的研究熱點(diǎn)之一，Candida sp.99-125脂肪酶在該方面的應(yīng)用尚需發(fā)展。
　　為進(jìn)一步完善以Candida sp.99-125脂肪酶為基礎(chǔ)的綠色平臺催化技術(shù)

3、，本論文針對結(jié)構(gòu)型類化合物產(chǎn)品及環(huán)氧油脂類產(chǎn)品，分別選取具有產(chǎn)品代表性的木糖醇脂肪酸酯、人乳脂肪替代結(jié)構(gòu)酯(HumanMilk Fat Substitutes，HMFS)、環(huán)氧脂肪酸為目標(biāo)產(chǎn)物，進(jìn)行了合成過程分析及工藝開發(fā)的研究。論文通過探討Candida sp.99-125脂肪酶的催化區(qū)域選擇性;優(yōu)化反應(yīng)水含量及底物摩爾比等參數(shù)，構(gòu)建合理的反應(yīng)微環(huán)境;結(jié)合過程反應(yīng)機(jī)理及副反應(yīng)進(jìn)程，調(diào)控反應(yīng)溫度、過程傳質(zhì)等參數(shù);最終設(shè)計(jì)開發(fā)了Candi

4、da sp.99-125脂肪酶針對于相應(yīng)產(chǎn)品的高效催化工藝。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.Candida sp.99-125脂肪酶催化木糖醇脂肪酸酯合成中，首先建立了叔丁醇溶劑催化反應(yīng)體系。通過預(yù)加熱處理制備木糖醇-叔丁醇過飽和溶液，有效地提高反應(yīng)體系中木糖醇濃度，從而提高木糖醇脂肪酸酯的轉(zhuǎn)化率。在該體系中反應(yīng)6h后，木糖醇轉(zhuǎn)化率約為70％，產(chǎn)品中1(5)-O-木糖醇單脂肪酸酯含量約95％.在此基礎(chǔ)上，本研究建立了更為綠色的木糖醇酯

5、無溶劑反應(yīng)體系。通過木糖醇等摩爾分批5次加入，解決反應(yīng)底物溶解問題。反應(yīng)120 h后，糖醇酯的轉(zhuǎn)化率為70％。其中1(5)-O-木糖醇癸酸單酯相對含量為16％，1，5-O-木糖醇癸酸二酯相對含量為60％，木糖醇1，2，5-O-癸酸三酯與1，3，5-O-木糖醇癸酸三酯相對含量為24％.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，體系最終產(chǎn)品構(gòu)型同脂肪酶的催化選擇性無關(guān)，反應(yīng)能量壁壘和體系熱力學(xué)特性決定了最終產(chǎn)品的構(gòu)型和組成。
　　2.母乳脂肪中甘油三酯具有特定結(jié)構(gòu)，

6、其從頭合成對催化選擇性及反應(yīng)過程控制要求較高，極具挑戰(zhàn)性。本研究結(jié)合酶催化過程中?；D(zhuǎn)移副反應(yīng)的機(jī)理實(shí)現(xiàn)了對反應(yīng)過程進(jìn)行調(diào)控，并有效控制了催化過程的位置選擇性，得到了針對Candida sp.99-125脂肪酶催化合成HMFS的最佳工藝條件。催化得到的產(chǎn)品經(jīng)分離純化后，產(chǎn)品的酸價(jià)為2 mgKOH/g，甘油三酯中sn-2位棕櫚酸占總棕櫚酸比例的含量為52％-55％，棕櫚酸甘油三酯在總甘油三酯中的含量為8.4％-9.6％，目標(biāo)產(chǎn)品型甘油三酯

7、含量為55-59％，產(chǎn)品過氧化值1.41-1.89meq/g，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足并超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　3.不飽和脂肪酸的環(huán)氧化過程中，由于游離羧基的作用，使得該反應(yīng)過程相對于脂肪酸酯的環(huán)氧化更加復(fù)雜，副反應(yīng)更難于控制。本研究首先針對化學(xué)催化脂肪酸環(huán)氧化過程中，環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)副反應(yīng)嚴(yán)重的問題，通過過程分析與優(yōu)化，建立了過程動(dòng)力學(xué)模型，通過分析各反應(yīng)的速率及能量問題，得到了化學(xué)催化過程各類開環(huán)反應(yīng)難以避免的結(jié)論。在化學(xué)催化研究的

8、基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了Candida sp.99-125脂肪酶催化的不飽和脂肪酸環(huán)氧化反應(yīng)體系。以油酸為底物，在30℃條件下，反應(yīng)10h后，產(chǎn)物環(huán)氧值可達(dá)4.12％，環(huán)氧轉(zhuǎn)化率76.58％，環(huán)氧化選擇性0.98。以無患子油混合脂肪酸為原料，驗(yàn)證了該催化工藝的穩(wěn)定性和可靠性。最終，從反應(yīng)條件、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面，對比了化學(xué)催化甲酸原位環(huán)氧化和Candida sp.99-125脂肪酶催化環(huán)氧化過程的區(qū)別，討論了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。