一种固定化脂肪酶催化法制备月桂酸单甘油酯的方法

摘要

本发明公开一种固定化脂肪酶催化法制备月桂酸单甘油酯的方法，其工艺步骤如下：（1）酯交换：将适量椰子油与甘油混合，加热到预设温度，以固定化脂肪酶作为催化剂进行酯交换反应；（2）离心：酯交换反应后的混合物经离心，得上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物；（3）分子蒸馏：将甘油酯的混合物在一定条件下进行分子蒸馏，经一级分子蒸馏取蒸余物，蒸余物进行二级分子蒸馏，蒸出轻相即为月桂酸单甘油酯成品。本发明反应条件温和，操作简便，生产效率高、成本低，对环境无危害，催化剂专一性强并可重复利用，能制备得到较高纯度的月桂酸单甘油酯。

说明书

技术领域

本发明涉及月桂酸单甘油酯的制备方法，具体涉及用固定化脂肪酶催化椰子油与甘油进行酯交换来制备月桂酸单甘油酯的方法，属于表面活性剂合成技术领域。

背景技术

椰子为棕榈科单子叶多年生常绿乔木，是一种典型的热带木本油料作物。约87%的椰子种植地位于亚太椰子共同体（APCC）成员国家，其中，印度尼西亚和菲律宾的种植面积分别占全世界的23.4%和27.5%，在我国椰子主要产于海南省东南沿海。椰子油是椰子的胚乳经碾碎烘蒸后所榨取的油，为世界公认的具有多重生理功能的植物油，不仅能促进人体内营养物质的吸收，改善消化机能，还能调节人体内血糖水平，尤其重要的是能增强机体免疫机能，以抵抗有害病原微生物的侵袭。椰子油所含脂肪酸中约94%为中链饱和脂肪酸，其中约50%为月桂酸。在食品添加剂行业和化工行业中，椰子油主要用于制备脂肪酸单甘油酯，并以月桂酸单甘油酯为主。月桂酸单甘油酯（GML）是一种高效表面活性剂，具有极强的乳化能力，此外，它还是一种高效安全的广谱抗菌剂，其抑菌效果几乎不受pH限制，在中性和微碱性条件下仍具有较好的抗菌效果，优于苯甲酸等常规抗菌剂。我国于2005年批准月桂酸单甘油酯可作为杀菌剂及消炎剂添加到食品、日用品或化妆品中。 

目前，以椰子油为原料制备月桂酸单甘油酯的常规工艺如下：先将椰子油水解分离出月桂酸，再通过月桂酸和甘油的酯化反应生成月桂酸单甘油酯。但此类工艺存在下述不足：所使用催化剂为液体或固体酸碱，不可重复利用；酸碱盐排放量较大，危害环境；通常需高温高压工艺，反应条件苛刻，操作繁琐，设备投资大，生产成本高。

发明内容

针对常规月桂酸单甘油酯制备方法存在的上述缺陷，本申请人经过研究改进，提供一种固定化脂肪酶催化法制备月桂酸单甘油酯的方法。该方法反应条件温和，操作简便，生产效率高、成本低，对环境无危害，催化剂专一性强并可重复利用，能制备得到较高纯度月桂酸单甘油酯。

本发明的技术方案如下：

一种固定化脂肪酶催化法制备月桂酸单甘油酯的方法，是以椰子油和甘油为底物，以固定化脂肪酶作为催化剂，经过酯交换、离心、一级分子蒸馏和二级分子蒸馏，得到月桂酸单甘油酯，其具体制备工艺如下：

（1）酯交换：将椰子油和甘油混合，于40~60℃加热并充分搅拌，待混合物温度达到上述温度后加入固定化脂肪酶，在不断搅拌的条件下进行酯交换反应，时间24~48h；

（2）离心：将步骤（1）所得酯交换产物于5000~6000g离心，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物；

（3）一级分子蒸馏：将步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数为进料温度50~55℃，蒸馏温度100~105℃，冷凝面温度40~45℃，空气残压0.5~1.5Pa，料液流速1.4~2.0mL/min。

（4）二级分子蒸馏：将步骤（2）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品，蒸馏工艺参数为进料温度50~55℃，蒸馏温度120~125℃，冷凝面温度50~60℃，空气残压0.5~1.5Pa，料液流速1.4~2.0mL/min。

其进一步的技术方案为：

步骤（1）所述甘油含水量为4~6%，所述椰子油和甘油的摩尔比为1:2~1:4。

步骤（1）所述固定化脂肪酶为选自Novozym 435、Lipozyme TL IM或Lipozyme RM IM，其添加量为所述椰子油重量的4~8%。

步骤（3）和步骤（4）所述分子蒸馏操作采用刮膜式分子蒸馏仪，其刮板转速设为100~120r/min。

本发明具有如下有益技术效果：

（1）本发明采用椰子油与甘油直接进行酯交换的无溶剂反应体系来制备月桂酸单甘油酯，与先油酯水解再酯化反应的常规工艺相比，省去了高温高压等繁琐的工艺步骤，反应条件温和，操作简便，生产效率高、成本低。

（2）本发明采用固定化脂肪酶作为生产催化剂，专一性强，催化效率高，可重复利用，节省资源和成本。

（3）本发明制备过程不产生对环境有害的酸水和碱水，符合环境友好型工业发展方向。

（4）本发明采用两级分子蒸馏法进行提纯，可制备得到较高纯度（平均约85%）的月桂酸单甘油酯，旨在充分发挥椰子油资源优势，为制备更高纯度的产品奠定了技术基础。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。 

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体说明。

以下实施例所涉及各原料和试剂均为市售商品，所使用各仪器设备均为本领域常规设备。

实施例1

（1）酯交换

在150mL的平底烧瓶中加入55.7克椰子油和29.1克甘油（二者摩尔比为1:3，甘油含水量4%），置于50℃恒温水浴锅中，充分搅拌，待油温达到上述预定温度（50℃）后，加入4.456g Novozym 435固定化脂肪酶（诺维信公司）（添加量为上述椰子油重量的8%），不断搅拌，并继续置于上述恒温水浴锅中进行酯交换反应，时间36h。

（2）离心

将步骤（1）所得酯交换产物置于离心机离心，离心力5000g，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，取上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物。

（3）一级分子蒸馏

采用刮膜式短程分子蒸馏仪（德国UIC公司产品，型号：KDL1）对步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度50℃，蒸馏温度100℃，冷凝面温度40℃，空气残压0.7Pa，料液流速1. 5mL/min，刮板转速100 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

（4）二级分子蒸馏

 将步骤（3）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度50℃，蒸馏温度120℃，冷凝面温度50℃，空气残压0.7Pa，料液流速1.5mL/min，刮板转速100 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

 实施例2

（1）酯交换

在150mL的平底烧瓶中加入55.7克椰子油和38.8克甘油（二者摩尔比为1:4，甘油含水量5%），置于40℃恒温水浴锅中，充分搅拌，待油温达到上述预定温度（40℃）后，加入3.342g Lipozyme TL IM固定化脂肪酶（同上）（添加量为上述椰子油重量的6%），不断搅拌，并继续置于上述恒温水浴锅中进行酯交换反应，时间24h。

（2）离心

将步骤（1）所得酯交换产物置于离心机离心，离心力5500g，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，取上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物。

（3）一级分子蒸馏

采用刮膜式短程分子蒸馏仪（同上）对步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度52℃，蒸馏温度103℃，冷凝面温度40℃，空气残压1.0Pa，料液流速1.8mL/min，刮板转速110 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

（4）二级分子蒸馏

 将步骤（3）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度52℃，蒸馏温度120℃，冷凝面温度52℃，空气残压1.0Pa，料液流速1.8mL/min，刮板转速110 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

 实施例3

（1）酯交换

在150mL的平底烧瓶中加入55.7克椰子油和38.8克甘油（二者摩尔比为1:4，甘油含水量5%），置于40℃恒温水浴锅中，充分搅拌，待油温达到上述预定温度（40℃）后，加入2.785g Lipozyme RM IM固定化脂肪酶（同上）（添加量为上述椰子油重量的5%），不断搅拌，并继续置于上述恒温水浴锅中进行酯交换反应，时间48h。

（2）离心

将步骤（1）所得酯交换产物置于离心机离心，离心力5000g，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，取上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物。

（3）一级分子蒸馏

采用刮膜式短程分子蒸馏仪（同上）对步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度55℃，蒸馏温度105℃，冷凝面温度45℃，空气残压1.2Pa，料液流速2.0mL/min，刮板转速115 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

（4）二级分子蒸馏

 将步骤（3）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度55℃，蒸馏温度125℃，冷凝面温度55℃，空气残压1.2Pa，料液流速2.0mL/min，刮板转速115 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

实施例4

（1）酯交换

在150mL的平底烧瓶中加入55.7克椰子油和19.4克甘油（二者摩尔比为1:2，甘油含水量6%），置于60℃恒温水浴锅中，充分搅拌，待油温达到上述预定温度（60℃）后，加入2.228g Novozym 435固定化脂肪酶（同上）（添加量为上述椰子油重量的4%），不断搅拌，并继续置于上述恒温水浴锅中进行酯交换反应，时间24h。

（2）离心

将步骤（1）所得酯交换产物置于离心机离心，离心力6000g，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，取上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物。

（3）一级分子蒸馏

采用刮膜式短程分子蒸馏器（同上）对步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度51℃，蒸馏温度100℃，冷凝面温度42℃，空气残压1.5Pa，料液流速1.4mL/min，刮板转速120 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

（4）二级分子蒸馏

 将步骤（3）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度51℃，蒸馏温度125℃，冷凝面温度51℃，空气残压1.5Pa，料液流速1.4mL/min，刮板转速120 r/min，具体操作按照上述刮膜式分子蒸馏仪使用说明书进行。

实施例5  

（1）酯交换

在150mL的平底烧瓶中加入55.7克椰子油和19.4克甘油（二者摩尔比为1:2，甘油含水量6%），置于45℃恒温水浴锅中，充分搅拌，待油温达到上述预定温度（45℃）后，加入3.899g Lipozyme TL IM固定化脂肪酶（同上）（添加量为上述椰子油重量的7%），不断搅拌，并继续置于上述恒温水浴锅中进行酯交换反应，时间36h。

（2）离心

将步骤（1）所得酯交换产物置于离心机离心，离心力6000g，以分离出固定化脂肪酶和未反应甘油，取上层油相即为脂肪酸甘油酯混合物。

（3）一级分子蒸馏

采用刮膜式短程分子蒸馏仪（同上）对步骤（2）所得脂肪酸甘油酯混合物进行一级分子蒸馏，蒸出的轻相为残余甘油和少量脂肪酸；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度54℃，蒸馏温度105℃，冷凝面温度43℃，空气残压0.5Pa，料液流速2.0mL/min，刮板转速120 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

（4）二级分子蒸馏

 将步骤（3）所得蒸余物进行二级分子蒸馏，取蒸出的轻相即为月桂酸单甘油酯成品；蒸馏工艺参数控制如下：进料温度54℃，蒸馏温度125℃，冷凝面温度54℃，空气残压0.5Pa，料液流速2.0mL/min，刮板转速120 r/min，具体操作按照分子蒸馏仪使用说明书进行。

实施例1~实施例5月桂酸单甘油酯成品纯度测定

采用液相色谱法测定月桂酸单甘油酯的含量，根据月桂酸单甘油酯标样的保留时间和峰面积，采用外标法定量，具体液相色谱分析条件参考如下文献：

VALE??RIO A, KRU??GER R L, NINOW J, et al. Kinetics of Solvent-Free Lipase-Catalyzed Glycerolysis of Olive Oil in Surfactant System [J]. J Agr Food Chem, 2009, 57(18): 8350-8356。

测定结果参见表1。

表1

由表1数据可知，与常规制备工艺相比，本发明工艺反应条件温和，操作简便，生产效率高、成本低，对环境无危害，可制备得到较高纯度（平均为85%）的月桂酸单甘油酯。

上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。