脂肪酶在油脂水解反应上的应1

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Ｅ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0．01％ 的CaC12，在48小时内油脂水解率达94．1％。

1．2 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。

1．3 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）：①脂肪酸链越短，脂解速度越快；②不饱和脂肪酸比饱和脂肪酸脂解速度快；③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 15 C18:0 3.5

C15:0 10 C14:1 19 C18:1 6.5

C18:0 4 C15:1 11 C18:2 3

C19:0 3.5 C16:1 6 C18:3 1.5

2.2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1／40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7～9 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 1:0.25 1:0.50 1:0.75 1:1.0 1:1.25 1:1.50 1:1.75 1:2.0 1:1.25

X 14.4 11.17 8.68 6.37 4.59 2.56 1.91 1.67 1.09

水解率(%) 63.91 72.04 78.30 84.06 88.50 91.31 93.27 94.10 95.88

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1:7～1:10.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（℃） 25 30 35 40 45 50

甘油酯含量（%wt） 19.32 11.56 6.40 1.94 26.26 36.27

水解率（%） 48.12 68.93 82.25 94.78 23.32 2.57

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0～40℃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 rugosa 6.5 5.5～6.5 37

Aspergillums Niger 6.0 5.5 40

Rhizopus 7.0 6.5 10

Mucus 7.0 7.8～8.2 10

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5.0～7.5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、ＰＨ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。