一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的方法
2023-08-11 18:41:46
專利名稱：一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的方法
技術領域：
本發明涉及一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的生產方法，屬於油脂生物改性技術領域。具體涉及一種用特異性脂肪酶催化酸解製備富含單不飽和脂肪酸油酸和中碳鏈脂肪酸的甘油三酯的技術方法，所述功能性油脂中，中碳鏈脂肪酸主要位於甘油三酯的sn-1和sn-3位，單不飽和脂肪酸油酸主要位於甘油三酯的sn-2位。
背景技術：
油脂作為人類三大熱能營養素之一，在提供能量的同時，還具有促進脂溶性維生素吸收、賦予食品美味口感等作用，特定油脂還含有人體生長、發育、健康及疾病預防所必須的營養因子。然而，過度膳食脂肪存在的危害同樣不容忽視，眾多研究表明，高脂肪膳食與肥胖症、高血脂、脂肪肝、高血壓、腦血栓等疾病以及某些癌症(如乳腺癌、腸癌)發病率上升有著密切的關係。2007年，我國食用植物油消費達到2280.7萬噸，人均17.54kg/年(48g/天)，遠高於中國營養學會推薦的人均25g/天的標準。鑑於傳統食用油脂對健康的負面作用，消費者及營養學家對食用油脂的組成及功能提出了新的需求，開發一種既能利用油脂有益作用，同時又減少過度膳食危害的功能性油脂是保障公眾安全的重要途徑。
油脂中脂肪酸的種類及其在甘油骨架上位置與代謝途徑密切相關。中碳鏈脂肪酸(Medium-chain fatty acid，C8-C12)在體內代謝過程不同於長鏈脂肪酸，中碳鏈脂肪酸在消化吸收過程中，直接由胃部進入靜脈循環，由門靜脈達到肝臟，通過β-氧化快速地給肌肉提供能量，與長碳鏈脂肪酸(Long-chain fatty acid，C14及以上)相比，具有迅速提供人體能量(吸收速度是長鏈脂肪酸的4倍)而不造成脂肪在體內積聚的減肥功效；脂質代謝中位於甘油骨架sn-2位上的脂肪酸具有吸收率高的特點。
中國是四大木本油料之一油茶籽的主產國，來源於油茶籽的茶油是一種營養豐富的食用油，其物理和化學性質類似於被稱為「植物油皇后」的橄欖油，單不飽和脂肪酸油酸含量高達70％以上，屬於富含油酸的油脂。中國作為茶油的主要生產國，年產茶油約27.7萬噸，產量佔世界90％以上。營養界把油酸稱為「安全脂肪酸」，油酸可降低血液總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平，卻不降低高密度脂蛋白膽固醇，攝入富含油酸的飲食，有助於調整人體血漿中高、低密度脂蛋白膽固醇的濃度比例，對由於膽固醇濃度過高引起的動脈硬化以及動脈硬化併發症、高血壓、心臟病、心力衰竭、腎衰竭、腦出血等疾病均有非常明顯的防治功效。因此，採用生物改性技術將中碳鏈脂肪酸結合到茶油甘油骨架sn-1，3位，並使sn-2位上富含單不飽和脂肪酸油酸，製得一種富含單不飽和脂肪酸油酸和sn-1，3位富含中碳鏈脂肪酸的油脂，不僅可以發揮中碳鏈脂肪酸在體內代謝快、為人體及時供能，代謝後不造成脂肪蓄積的優勢，而且能充分發揮sn-2位單不飽和脂肪酸油酸的功效，是一種具營養保健(降血脂、減肥)功效的低熱量油脂，同時又可作為一種為特殊人群快速提供能量的油脂。至今，還未有以本油料資源來源的茶油為原料進行酶法改性製備富含單不飽和脂肪酸油酸和中碳鏈脂肪酸甘油三酯的報導。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的方法。該方法使用特異性脂肪酶尤其是固定化脂肪酶作為生物催化劑，在非水相體系中不添加任何有機溶劑，反應中不使用有毒的化學催化劑及有機溶劑，提高了操作安全性；反應條件溫和，減少副反應的發生；延長固定化脂肪酶使用周期，可多次重複使用，有效地降低生產成本，利於連續化生產的實現；得到的功能性油脂中脂肪酸在甘油骨架上定位分布，提高了產品的使用性能，具有供能快速、熱量低的特點。
為解決上述技術問題，本發明所提供的技術方案包括以下步驟 A、以茶油與中碳鏈脂肪酸為原料，茶油與中碳鏈脂肪酸的摩爾比為1∶1～1∶12，加入原料重量0.01％～2％的水，混合均勻，獲得反應底物； B、將反應底物預熱到反應溫度，逆流通過裝填有1，3-特異性固定化脂肪酶的填充柱酶反應器，反應溫度為30℃～80℃，反應時間為0.5h～3h，獲得反應產物； C、反應產物經分離除去游離脂肪酸，獲得茶油改性後的功能性油脂；其中所述功能性油脂中，中碳鏈脂肪酸主要位於甘油三酯sn-1，3位，單不飽和脂肪酸油酸主要位於甘油三酯sn-2位。
上述步驟中，中碳鏈脂肪酸為辛酸、癸酸、月桂酸中的一種或一種以上混合物。
上述步驟中，茶油與中碳鏈脂肪酸的摩爾比優選為1∶2～1∶10。
上述步驟中，加水量優選為加入原料重量0.10％～1％的水。本發明中，在反應底物中添加適量的水是極其重要的。反應體系中存在酯化和水解兩個反應，水分含量與調節兩者的熱力學平衡關係密切，過多水分促使反應由酯化向水解方向移動，由於反應平衡點的破壞，造成產物合成率降低，副產物增加。同時，水又是維持脂肪酶活性中心所必須的，水分含量過少，將使酶催化活性下降，酶使用周期受影響。本發明中，通過調節原料中水含量達到維持反應體系中水含量在一定範圍的目的，這不僅有利於酶活性結構的保持，而且能顯著地延長體系中固定化酶的使用周期，從而大幅降低生產成本。
上述步驟中，1，3-特異性固定化脂肪酶為從毛黴屬、根黴屬、麴黴屬、細菌或酵母菌來源的微生物生產的脂肪酶。例如現已商品化的Lipozyme TL、Lopozyme RM、Novozyme-435等。
上述步驟中，所使用的填充柱酶反應器，通過購買1，3-特異性固定化脂肪酶進行填裝，具體製備方法為首先在填充柱底部墊1cm高的玻璃纖維，以防酶流失，固定化酶從填充柱頂部裝入柱內，不斷輕搖，使柱內酶填充均勻緊湊，酶柱上部同樣墊上1cm高的玻璃纖維，擰緊填充柱兩端接頭使填充柱酶反應器密封。
上述步驟中，反應溫度優選為40℃～60℃。
上述步驟中，反應時間優選為1h～2h。
在上述步驟B中，所述反應模式為反應底物經過至少一個填充柱酶反應器反應以後，進入產物罐。通常多個填充柱酶反應器可串聯使用。
反應結束後，得到含有目標功能性油脂與脂肪酸的混合物，採用分子短程蒸餾設備或者酸鹼中和配合蒸發的方法分離純化得到茶油酶催化改性以後的功能性油脂。
反應效果以反應前後油脂中碳鏈脂肪酸摩爾含量(mol％)、中碳鏈脂肪酸與單不飽和脂肪酸油酸在甘油骨架上的位置分布來表示。
本發明的優點如下 (1)以我國優勢木本油料來源的茶油為原料，採用脂肪酶為綠色生物催化劑，反應條件溫和，不需要在高溫要進行，能儘可能的保留茶油中的有益營養因子與抗氧化成分，避免反式酸的形成。
(2)反應中避免使用傳統的化學催化劑及有機溶劑介質，減少了副反應的發生和生產成本，提高了操作安全性，屬於環境友好型生產方式。
(3)在特異性脂肪酶催化作用下得到的功能性油脂中特定的脂肪酸位於甘油骨架特定的位置，有利於最大程度的發揮中碳鏈脂肪酸與油酸在人體內的代謝優勢。
(4)採用填充式固定床反應器，避免了酶與原料混合反應模式中酶用量大的缺點，避免了攪拌等操作對酶活性的影響，有效地簡化了酶與產物的分離，同時可以提高產物油脂甘油骨架sn-1，3位上的中碳鏈脂肪酸比例。
(5)通過在原料中添加適量水分的方法不僅提高了功能性油脂中中碳鏈脂肪酸的含量(即合成率)，起到促進反應進行的作用，而且極大地延長了固定化脂肪酶的壽命，提高了固定化脂肪酶的有效重複利用次數，顯著降低了成本，有利於促進該技術的規模化應用與產品的工業化生產。
(6)所得到的功能性油脂在食品、化妝品、功能性添加劑、藥品等領域均有重要作用。
(7)此外，本發明以我國的特色優勢木本油料來源的茶油和中碳鏈脂肪酸為反應原料，原料易得，而且有利於提高我國特色油源的附價值。
圖1為本發明中所用的一種流程及裝置示意圖， 1原料罐，2恆流泵，3填充柱，4水循環溫度控制器， 5產物罐，6溫度控制器。
具體實施例方式 實施例1 將摩爾比為1∶4的茶油和辛酸放入原料罐(帶攪拌裝置)，加入原料重量1.0％的水，混合均勻得到反應底物，保持底物溫度為60℃並以0.5ml/min流速從反應器底部通過裝有Lipozyme RM(購自Novozyme公司)的填充柱酶反應器(內徑2.6cm，外徑4.2cm，酶填充高度18.5cm，裝酶量為35g；溫度60℃)進入產物收集罐，底物與固定化脂肪酶的接觸時間為2h，如圖1所示。反應產物經分子蒸餾分離後除去游離脂肪酸得到改性後的功能性油脂，茶油原料與功能性油脂的脂肪酸組成(mol％)與脂肪酸位置分布見表1。
得到的功能性油脂中辛酸摩爾含量為45.77％，即100g油脂中含辛酸30.2g，其中99％的辛酸位於sn-1，3位，sn-2位單不飽和脂肪酸油酸含量高達84.59％；每克產物的燃燒值比原料油脂下降6-8％；因此，該產物是一種理想的富含單不飽和脂肪酸油酸的快速供能、低熱量油脂。由於產物中飽和脂肪酸辛酸替代了原料油中的不飽和脂肪酸，使產物不飽和度降低。因此，本發明得到的快速供能、低熱量油脂具有比原料茶油更好的氧化穩定性與儲藏穩定性。
表1
注表1中各脂肪酸的量為摩爾百分含量，其中C8:0辛酸，C16:0棕櫚酸，C18:0硬脂酸，C18:1油酸，C18:2亞油酸，C18:3亞麻酸，C20:1二十碳稀酸。
本發明中，通過直接在原料中添加適量水的方法達到延長酶使用周期的目的。原料中不添加水，本發明體系中固定化酶半衰期僅約為17天。在原料中添加適量的水，固定化酶連續使用1.5個月，酶催化茶油改性的效果基本保持穩定，即實施例1中功能性油脂的辛酸摩爾含量穩定在45-48％範圍內。
實施例2 操作步驟同實施例1，不同之處在於底物以1.5ml/min流速從反應器底部通過填充柱酶反應器，底物與固定化脂肪酶的接觸時間為0.7h，加入的水為原料重量的0.5％，如圖1所示。反應產物除去其中的游離脂肪酸得到功能性油脂，其中辛酸摩爾含量為39.57％。固定化酶的使用周期超過1.5個月。
實施例3 操作步驟同實施例1，不同之處在於茶油與辛酸的摩爾比為1∶1，加入的水為原料重量的0.1％，反應溫度為30℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩爾含量為23.03％。固定化酶的使用周期超過1.5個月。
實施例4 操作步驟同實施例1，不同之處在於茶油與辛酸的摩爾比為1∶1，加入的水為原料重量的1.2％，反應溫度為70℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩爾含量為26.35％。
實施例5 操作步驟同實施例1，不同之處在於茶油與辛酸的摩爾比為1∶12，加入的水為原料重量的1.5％，反應溫度為40℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩爾含量為43.97％。
實施例6 操作步驟同實施例1，不同之處在於茶油與辛酸的摩爾比改為1∶10，加入的水為原料重量的2.0％，催化溫度為70℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩爾含量為60.34％。
實施例7 將茶油與辛酸放入原料罐，兩者摩爾比約為1∶4，混合均勻並加熱至60℃，底物從裝有固定化脂肪酶Lipozyme TL(購自Novozyme公司)的填充柱反應器(內徑1.1cm，外徑2.6cm，酶填充高度17.5cm，裝酶量約為6g；溫度60℃)底部以0.15ml/min的流速通過反應器，底物與固定化脂肪酶的接觸時間為2.2h。除去反應產物中的游離脂肪酸，用GC和HPLC測定產物中脂肪酸組成、辛酸合成率以及脂肪酸位置分布，結果見表2。得到的功能性油脂中辛酸(mol％)為38.12％，其中95.5％的辛酸位於sn-1，3位上；sn-2位單不飽和脂肪酸油酸(mol％)為79.48％。
表2
注表2中各脂肪酸的量為摩爾百分含量，其中C8:0辛酸，C16:0棕櫚酸，C18:0硬脂酸，C18:1油酸，C18:2亞油酸，C18:3亞麻酸，C20:1二十碳稀酸。
權利要求
1.一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟
A、以茶油與中碳鏈脂肪酸為原料，茶油與中碳鏈脂肪酸的摩爾比為1∶1～1∶12，加入原料重量0.01％～2％的水，混合均勻，獲得反應底物；
B、將反應底物預熱到反應溫度，逆流通過裝填有1，3-特異性固定化脂肪酶的填充柱酶反應器，反應溫度為30℃～80℃，反應時間為0.5h～3h，獲得反應產物；
C、反應產物經分離除去游離脂肪酸，獲得茶油改性後的功能性油脂；其中所述功能性油脂中，中碳鏈脂肪酸主要位於甘油三酯sn-1，3位，單不飽和脂肪酸油酸主要位於甘油三酯sn-2位。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述中碳鏈脂肪酸為辛酸、癸酸、月桂酸中的一種或一種以上混合物。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述茶油與中碳鏈脂肪酸的摩爾比為1∶2～1∶10。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於加入原料重量0.10％～1％的水。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述1，3-特異性固定化脂肪酶為從毛黴屬、根黴屬、麴黴屬、細菌或酵母菌來源的微生物生產的脂肪酶。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述1，3-特異性固定化脂肪酶為Lipozyme TL、Lopozyme RM、Novozyme-435脂肪酶。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述反應溫度為40℃～60℃。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述反應時間為1h～2h。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在步驟B中，所述反應模式為反應底物經過至少一個填充柱酶反應器反應以後，進入產物罐。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在步驟C中，採用分子短程蒸餾設備或者酸鹼中和配合蒸發的方法分離除去游離脂肪酸，獲得茶油改性後的功能性油脂。
全文摘要
本發明公開了一種茶油酶催化改性製備功能性油脂的方法。該方法以茶油與中碳鏈脂肪酸為原料，以1∶1～1∶12的摩爾比混合，加入原料重量0.01％～2％的水，在非水相體系中不以有機溶劑為介質，逆流通過裝填有1，3-特異性固定化脂肪酶的填充柱酶反應器，在30℃～80℃反應0.5h～3h，產物分離後得到具有快速供能、低熱量功能的油脂，其中所述功能性油脂中，中碳鏈脂肪酸主要位於甘油三酯sn-1，3位，單不飽和脂肪酸油酸主要位於甘油三酯sn-2位。本發明通過在原料中添加適量水達到保持酶穩定的催化活性、延長酶使用周期的良好效果。
文檔編號C12P7/64GK101736047SQ201010104448
公開日2010年6月16日 申請日期2010年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者王瑛瑤, 欒霞, 陳翔, 杜傳林, 侯冰冰, 徐學兵 申請人:國家糧食局科學研究院