一种酶法合成丙二醇脂肪酸单酯的方法

1.本发明属于油脂加工技术领域，具体涉及一种酶法合成丙二醇脂肪酸单酯的方法。


背景技术：

2.丙二醇脂肪酸单酯(propylene glyco fatty acid monoester)作为食品工业中常用的六大乳化剂之一，是美国食品和药品管理局(fda)批准使用的食品添加剂，其具有良好的乳化性能和发泡性，被广泛应用于面包、糕点、人造奶油和冰激凌中。在实际的食品生产过程中，丙二醇脂肪酸单酯常与甘油单酯复配使用，以提升乳化效果。
3.目前，工业上采用化学法如直接酯化法、环氧丙烷法和醇解法等合成丙二醇脂肪酸单酯。食品级丙二醇脂肪酸单酯通常采用直接酯化法制备，以酸或碱为催化剂，在120～200℃的高温下催化丙二醇与脂肪酸进行酯化反应，为了提高酯化效率，通常在反应体系中加入己烷、甲苯等有机溶剂作带水剂或在真空条件下进行反应，使酯化生成的水蒸出，从而推动反应向丙二醇脂肪酸酯生成的方向进行。由于化学催化剂的无选择性，酯化产物中既有丙二醇脂肪酸单酯，又有丙二醇脂肪酸二酯，且丙二醇脂肪酸单酯的产量通常低于70％；此外，化学酯化法合成丙二醇脂肪酸单酯的过程中存在能耗高、污染大、产品色泽较深及不饱和脂肪酸易氧化和异构化等问题。相比于传统化学法，酶法合成丙二醇脂肪酸单酯具有反应条件温和、特异性强、高效、安全及环保等优点，是丙二醇脂肪酸单酯合成的主要发展方向。刘壮等(lipase aol催化合成高纯度山茶籽油丙二醇单酯，中国油脂，2021)采用lipase aol催化丙二醇与山茶籽油脂肪酸酯化合成丙二醇脂肪酸单酯，在35℃的条件下反应12h后，产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量达到85.55％；李星星(脂肪酶smg1-f278n的固定化及其催化合成丙二醇油酸单酯的研究，华南理工大学2017)采用固定化偏甘油酯脂肪酶smg1-f278n催化丙二醇与油酸酯化制备丙二醇油酸单酯，在30℃的条件下反应12h后，产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量达到70％；为改善丙二醇和脂肪酸的互溶性，张凯(单油酸1,3-丙二醇酯的酶法合成、分离纯化与性质研究，华南理工大学，2011)在叔丁醇体系中采用novozym 435作催化剂催化1,3-丙二醇与油酸酯化合成单油酸1,3-丙二醇酯，在50℃的条件下反应7h后，产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量达到88.34％。总之，目前酶法合成丙二醇脂肪酸单酯时产物中丙二醇脂肪酸单酯含量普遍低于90％，且反应时间较长。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种酶法合成丙二醇脂肪酸单酯的方法，大大增加和稳定了酯化反应界面，且有效移除了酯化反应过程中生成的水分，酯化反应速率显著提升，反应时间大大缩短，产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量达到95％以上。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种酶法合成丙二醇脂肪酸单酯的方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇组成的低共熔溶剂中，采用固定化脂肪酶在预设转速下催化液态脂肪酸进行酯化反应；
8.步骤2：反应结束后进行离心处理，得到包含丙二醇脂肪酸单酯的上层油相产物。
9.优选地，步骤1中，氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇的摩尔比为1：1～3。
10.优选地，步骤1中，丙二醇与液态脂肪酸的摩尔比为3～7：1。
11.优选地，步骤1中，固定化脂肪酶为novozym 435或lipozyme 435。
12.进一步优选地，固定化脂肪酶的添加量为底物总质量的1％～5％。
13.优选地，步骤1中，酯化反应的温度为40～70℃。
14.优选地，步骤1中，酯化反应的时间为1～3h。
15.优选地，步骤1中，预设转速为200～400rpm。
16.优选地，步骤2中，离心的转速为8000～12000rpm，离心的时间为1～2min。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
18.本发明公开的酶法合成丙二醇脂肪酸单酯的方法，在氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇组成的低共熔溶剂中进行，由于氯化胆碱或甜菜碱的引入，脂肪酶催化酯化反应时反应界面变大、界面张力变小；此外，酯化反应过程中生成的水分可被氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇组成的低共熔溶剂通过形成氢键所捕获；在以上两点的共同作用下，脂肪酶在氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇组成的低共熔溶剂中催化酯化合成丙二醇脂肪酸单酯时，反应速率大大提升，产物中丙二醇脂肪酸单酯含量显著提升；再者，反应结束后通过离心即可实现丙二醇脂肪酸单酯与低共熔溶剂的分离，分离简单、效果好。相比于在无溶剂或有机溶剂中催化酯化合成丙二醇脂肪酸单酯，该方法反应速率快，丙二醇脂肪酸单酯产量高，产物分离简单、效果好且绿色环保，具有良好的经济、生态效益和工业应用前景。
19.进一步地，氯化胆碱或甜菜碱与丙二醇的摩尔比为1：1～3，有利于酶促酯化反应时较大和较稳定反应界面的形成。
20.进一步地，丙二醇与液态脂肪酸的摩尔比为3～7：1，可确保较高的酯化反应速率和丙二醇脂肪酸单酯产量。
21.进一步地，固定化脂肪酶采用novozym 435或lipozyme 435，能够确保较高的脂肪酸选择性和酯化活性。
22.进一步地，酯化反应的温度为40～70℃，能够确保较高的脂肪酶活性和稳定性。
23.进一步地，离心的转速为8000～12000rpm，离心的时间为1～2min，能够使产物快速、高回收率回收。
具体实施方式
24.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。如非写明，所有百分比均为质量百分比。
25.实施例1
26.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由氯化胆碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：1，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为3：1，将反应混合物预热到40℃后，加入20g的novozym 435，反应在200rpm的搅拌速度下进行。反应3h后，在12000rpm的转速下离心1min分离得到反应
产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为96.01％。
27.实施例2
28.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由氯化胆碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：3，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为7：1，将反应混合物预热到50℃后，加入40g的lipozyme 435，反应在400rpm的搅拌速度下进行。反应1h后，在8000rpm的转速下离心2min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为97.22％。
29.实施例3
30.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由氯化胆碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：2，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为5：1，将反应混合物预热到70℃后，加入100g的novozym 435，反应在300rpm的搅拌速度下进行。反应1h后，在10000rpm的转速下离心1.5min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为97.46％。
31.实施例4
32.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由甜菜碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：2，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为4：1，将反应混合物预热到60℃后，加入60g的novozym 435，反应在250rpm的搅拌速度下进行。反应1h后，在12000rpm的转速下离心1min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为96.39％。
33.实施例5
34.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由甜菜碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：3，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为6：1，将反应混合物预热到50℃后，加入40g的lipozyme 435，反应在300rpm的搅拌速度下进行。反应1h后，在12000rpm的转速下离心1min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为96.94％。
35.实施例6
36.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由甜菜碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：1，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为4：1，将反应混合物预热到50℃后，加入60g的lipozyme 435，反应在400rpm的搅拌速度下进行。反应1h后，在10000rpm的转速下离心1.5min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为97.88％。
37.实施例7
38.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由氯
化胆碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：1，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为3：1，将反应混合物预热到45℃后，加入50g的novozym 435，反应在300rpm的搅拌速度下进行。反应2h后，在10000rpm的转速下离心1.5min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为95.67％。
39.实施例8
40.在5l的反应瓶中加入2kg的低共熔溶剂和脂肪酸的混合物，其中低共熔溶剂由甜菜碱和丙二醇组成，二者的摩尔比为1：1，脂肪酸为大豆油脂肪酸，低共熔溶剂中的丙二醇与大豆油脂肪酸的摩尔比为4：1，将反应混合物预热到65℃后，加入30g的lipozyme 435，反应在200rpm的搅拌速度下进行。反应3h后，在10000rpm的转速下离心1.5min分离得到反应产物。采用液相色谱分析产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量，发现产物中丙二醇脂肪酸单酯的含量为96.97％。