亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        游離脂肪酶催化蓖麻油制備蓖麻油酸

        2014-11-05 13:53:12劉德華
        生物技術(shù)進展 2014年5期
        關(guān)鍵詞:蓖麻油脂肪酶油水

        楊 威, 杜 偉, 劉德華

        清華大學(xué)化學(xué)工程系應(yīng)用化學(xué)實驗室,北京 100084

        高級脂肪酸是油脂化工產(chǎn)品中最重要的基礎(chǔ)化學(xué)品之一[1],其中的蓖麻油酸是工業(yè)應(yīng)用中唯一的羥基脂肪酸。蓖麻油酸是蓖麻油的水解產(chǎn)物,在蓖麻油中占脂肪酸組成的90%左右,遠高于其他油脂中最高的脂肪酸含量比例[2]。蓖麻油酸也稱為12-羥油酸,可直接作為添加劑應(yīng)用于紡織、制皂和樹脂等行業(yè)[3]。因蓖麻油酸具有特殊的羥基和不飽和雙鍵,它最重要的應(yīng)用是作為中間體生成眾多衍生物,在增塑劑、兩性表面活性劑產(chǎn)業(yè)中具有不可替代的地位[4]。此外,產(chǎn)蓖麻油植物蓖麻出油率高、耐干旱且耐鹽堿,因此易于種植和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)[5]。

        利用蓖麻油獨特羥基基團的眾多反應(yīng)雖然能夠制備許多重要衍生物,但羥基的存在也對蓖麻油的加工工藝造成了不利的影響,如體系粘度大,易發(fā)生副反應(yīng)等[6]。目前大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中最常用的油脂水解方法為高溫高壓法[7],這種方法生產(chǎn)效率高,但應(yīng)用于催化蓖麻油水解易形成聚酯且產(chǎn)物顏色深,導(dǎo)致后續(xù)純化代價高。傳統(tǒng)的先皂化后酸化的油脂水解方法相對于高溫高壓法要溫和的多,蓖麻油在該方法處理下水解效率高,但生成的脂肪酸帶有特殊的氣味和顏色,且該過程會產(chǎn)生大量難以處理的廢水和鹽[8]。選用生物酶法水解油脂可以克服以上兩種應(yīng)用最為普遍的油脂水解方法的缺點,在溫和條件下獲得高質(zhì)量的產(chǎn)物,且具有環(huán)境友好特性[8]。其中固定化脂肪酶水解法以其易分離、穩(wěn)定性高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于天然油脂水解的研究中,其在蓖麻油水解中已取得一定進展,但普遍存在水解效率低的問題。以水解效果較好的褶皺假絲酵母脂肪酶和KKA-5 脂肪酶為例。Goswami等[10,11]對固定化的褶皺假絲酵母脂肪酶催化蓖麻油水解進行響應(yīng)面優(yōu)化,在最優(yōu)條件下6 h蓖麻油酸得率為63%。Sharon 等[12,13]研究了不同金屬離子對 KKA-5 脂肪酶催化蓖麻油水解的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入Mg2+效果最佳,192 h水解率為87%。同時由于固定化脂肪酶成本相對較高,其推廣應(yīng)用仍存在一定限制。

        與固定化脂肪酶相比,游離脂肪酶具有生產(chǎn)成本較低、油水界面活性高等優(yōu)點,且通過離心分離可重復(fù)使用,是生物酶在油脂化學(xué)中新的研究方向。本課題組前期研究工作表明,游離脂肪酶NS81006在催化大豆油及其多種低品質(zhì)的含酸廢棄油脂甲酯化制備生物柴油中表現(xiàn)出良好的催化效果。由此,進一步考察NS81006催化油脂水解,對游離脂肪酶在油脂工業(yè)應(yīng)用的拓展具有重要意義。

        本文系統(tǒng)研究了不同因素對游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油水解過程的影響,并通過離心回收乳化層的方式重復(fù)使用游離脂肪酶,考察其回用穩(wěn)定性。將該游離脂肪酶水解蓖麻油與工業(yè)生產(chǎn)中常用的高溫高壓法水解蓖麻油的效果進行了比較,為其工業(yè)應(yīng)用提供了依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 主要試劑與儀器

        游離脂肪酶NS81006,來源于黑曲霉(Aspergillus niger),諾維信公司產(chǎn)品;固定化脂肪酶Novozym435,來源于南極假絲酵母(Candida antarctica),諾維信公司產(chǎn)品;化學(xué)純蓖麻油,購自西隴化工股份有限公司;蓖麻油毛油,購自國華油脂有限公司;95%乙醇、無水乙醇、NaOH、KOH,均為分析純,購自北京化工廠。三丁酸甘油酯,分析純,ACROS ORGANICS公司產(chǎn)品。

        XS105 Dualrange分析天平(瑞士METTLER TOLEDO公司);HQ45A恒溫空氣搖床(中國科學(xué)院武漢科學(xué)儀器廠);CR22F高速離心機(日本HITACHI公司);TFCF5-15型高溫高壓釜(天舟海泰科技公司);CA-05卡爾菲休水分測定儀(日本三菱化學(xué)工業(yè)公司)。

        1.2 蓖麻油理化性質(zhì)測定

        采用GB/T 2559-2005方法測定蓖麻油的皂化值,GB/T 5009.37-2003方法測定蓖麻油的酸價,GB/T 2559-2003方法測定蓖麻油的碘值,GB/T 18619.1-2002方法測定蓖麻油含水量。

        1.3 脂肪酶水解活力的測定

        酶活力單位(U)定義:每分鐘催化三丁酸甘油脂水解產(chǎn)生1 μmoL/L丁酸所需的酶量為一個酶活單位。將1.0 mL三丁酸甘油酯與3.0 mL Gly-NaOH緩沖液(pH 9.4)加入50 mL具塞三角瓶中,在140 r/min、40℃恒溫空氣搖床中振蕩乳化15 min后,取出并加入脂肪酶,再置回恒溫空氣搖床中,10 min后取出立即加入10 mL 95%乙醇和3滴酚酞指示劑,并用0.1 mol/L NaOH溶液滴定。重復(fù)上述步驟但不加酶制劑即為空白實驗。

        脂肪酶酶活力的計算公式為:

        其中,V1為滴定樣品所消耗的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL);V0為滴定空白所消耗的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL);V為加入的游離脂肪酶酶液的體積(mL)。

        1.4 蓖麻油酸的制備

        游離脂肪酶催化蓖麻油水解步驟為:在500 mL三口瓶中加入一定比例的蓖麻油、去離子水和游離脂肪酶,控制反應(yīng)溫度和攪拌速度進行水解反應(yīng)(見圖1),定時觀察反應(yīng)現(xiàn)象并取樣,經(jīng)高速離心后取上層油相,測定其酸價。

        高溫高壓法水解步驟為:在高壓釜中加入一定比例的蓖麻油和去離子水,在高溫高壓條件下進行水解反應(yīng),定時取樣,經(jīng)高速離心后取上層油相,測定其酸價。

        圖1 蓖麻油水解實驗裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of castor oil hydrolysis experimental installation.

        根據(jù)測定的酸價可計算出蓖麻油水解率,即:

        1.5 游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油水解回用穩(wěn)定性研究

        單批次反應(yīng)24 h后,隔夜靜置,反應(yīng)體系達分層穩(wěn)定,回收水層和油層之間的乳化層并應(yīng)用到下一個批次反應(yīng)。通過測量蓖麻油水解率隨反應(yīng)批次的變化情況判斷游離脂肪酶的回用穩(wěn)定性。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 反應(yīng)溫度的影響

        反應(yīng)溫度對于油脂水解反應(yīng)的平衡具有顯著的影響。水解反應(yīng)宏觀上為吸熱反應(yīng),高溫有利于油脂反應(yīng)的進行,但是過高的溫度會導(dǎo)致游離脂肪酶喪失催化活性。對不同反應(yīng)溫度下蓖麻油水解度隨時間變化的實驗結(jié)果如圖2所示。從結(jié)果看出,在所選不同溫度下,NS81006催化蓖麻油水解反應(yīng)曲線形狀相似。在開始2 h內(nèi)反應(yīng)迅速,水解率可達50%,后期水解率呈逐步上升,24 h后達到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)溫度為45℃時,蓖麻油水解效果最佳。溫度提高到50℃或降低到40℃,水解率在相同反應(yīng)時間都有不同程度的下降。

        2.2 酶添加量的影響

        圖2 不同溫度下蓖麻油水解率 Fig.2 Hydrolysis rates of castor oil at different temperatures.

        酶的添加量的多少不僅影響油脂水解反應(yīng)速率,也在很大程度上決定了該工藝流程的成本。根據(jù)測定,NS81006酶活為3 340 U/mL,在足夠的水量和適宜溫度下,選擇了不同酶用量催化蓖麻油水解,結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示水解率隨酶用量增加而增加,但單位酶用量對水解率的貢獻逐漸減小。以24 h的水解率為例,當(dāng)酶用量達100 U/g油時,水解率為90.2%,繼續(xù)增加酶用量至167 U/g油,水解率增加到 93.8%,提高了3.6%。而再增加酶用量分別至267 U/g油和333 U/g油時,水解率分別提高2.3%和1.7%。因此,在保證水解速率的同時使單位成本酶的效用最大化,應(yīng)該選擇酶用量在100~167 U/g油范圍內(nèi)。

        2.3 水用量的影響

        圖3 不同酶添加量下蓖麻油水解率 Fig.3 Hydrolysis rates of castor oil under different enzyme dosage.

        蓖麻油水解反應(yīng)是可逆反應(yīng),隨著反應(yīng)進行,水相中甘油濃度會增加,逆向反應(yīng)隨之加強,因此增加水在反應(yīng)體系中的含量可以推動反應(yīng)平衡右移,同時促進反應(yīng)體系的乳化,為游離脂肪酶提供了更多的活化界面。兼顧反應(yīng)器設(shè)計加工和后期水相處理等,水用量也不宜過多,因此實驗選擇了油水質(zhì)量比1∶0.5~1∶4的一系列條件進行研究,結(jié)果如圖4。

        圖4 不同水用量下蓖麻油水解率 Fig.4 Hydrolysis rates of castor oil under different water usage.

        從實驗結(jié)果可以看出,整體上水解率隨著水用量的增加而增加。在油水質(zhì)量比高于1∶1時,在所選條件下48 h水解率相當(dāng),均超過94%。因此選擇油水質(zhì)量比1∶1能夠保證較快的蓖麻油水解反應(yīng)速度和較高的最終水解率。

        2.4 酶用量和水用量的組合優(yōu)化

        在所研究的脂肪酶催化蓖麻油水解的影響因素中,酶用量和水用量作為水解反應(yīng)的催化劑和反應(yīng)物影響極為關(guān)鍵,且兩者的比例變化會導(dǎo)致體系乳化程度出現(xiàn)差異。根據(jù)前述對NS81006催化蓖麻油水解影響因素的研究,選擇酶用量100 U/g油、167 U/g油與不同油水質(zhì)量比進行組合實驗,以期獲得更高水解效率的優(yōu)化條件。從實驗結(jié)果可以看出(見圖5),與酶用量100 U/g油,油水質(zhì)量比1∶0.5的條件比較,提高酶用量至167 U/g油同時減小油水質(zhì)量比到1∶0.25,反應(yīng)48 h水解率從92.1%降到88.8%。這說明了水用量偏低會造成水解率降低,且不能通過酶用量的增加來彌補。對于48 h水解率最高且相當(dāng)?shù)膬山M,酶用量167 U/g油、油水質(zhì)量比1∶0.5的水解率為95.2%;酶用量100 U/g油、油水質(zhì)量比1∶1的水解率為94.8%??紤]到游離脂肪酶成本遠高于水,因此選擇酶用量100 U/g油,油水質(zhì)量比1∶1。

        圖5 不同酶用量和水用量組合條件下蓖麻油水解率 Fig.5 Hydrolysis rates of castor oil under different combinations of enzyme dosage and water usage.

        2.5 攪拌速度的影響

        游離脂肪酶在水解反應(yīng)體系中會集中在油水界面上,具有乳化作用。攪拌能夠增加體系混合程度,增大油水表面積,使酶和底物更好地接觸。實驗選擇了150~1 000 r/min的一系列攪拌速度進行研究,結(jié)果如圖6。

        圖6 不同攪拌速度下蓖麻油水解率 Fig.6 Hydrolysis rates of castor oil at different stirring speeds.

        可以看出,水解率隨著攪拌速度增加而增加,即反應(yīng)體系混合越充分,水解反應(yīng)速率越快。當(dāng)在500 mL三口瓶中攪拌速度達800 r/min以上時,24 h水解率可達90%以上,而提高攪拌速度至1 000 r/min后,相同時間下水解率沒有明顯變化,因此選擇800 r/min為最適攪拌速度。

        2.6 酶的重復(fù)使用

        在生物酶的應(yīng)用過程中,酶的循環(huán)利用可有效降低酶的使用成本。因此,在游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油水解的過程中,考察游離脂肪酶NS81006的回用穩(wěn)定性尤為重要。前期研究表明,反應(yīng)結(jié)束后,體系自上而下分為油層、乳化層和水層,游離脂肪酶主要集中在乳化層,少部分存在于水層。若回收水相則其中的甘油會抑制水解反應(yīng)進行,因此僅將乳化層直接回復(fù)使用,考察其催化蓖麻油水解的效果,結(jié)果如圖7所示。

        研究結(jié)果表明,在游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油水解的過程中,NS81006連續(xù)回用5個批次,蓖麻油水解率仍保持75%以上?;赜眠^程中,水解率隨著批次增加不斷下降,主要原因是部分酶存在于水層,回收酶過程中還不可避免會造成脂肪酶的損失。

        圖7 各回用批次下蓖麻油水解率 Fig.7 Hydrolysis rates of castor oil in different recovery batches.

        2.7 高溫高壓法水解蓖麻油

        油脂高溫高壓水解法具有水解率高、處理量大等優(yōu)點,是目前世界普遍采用的先進工藝,但其操作溫度高,不適合用于含羥基的蓖麻油水解。實驗分析了高溫高壓法水解蓖麻油反應(yīng)速率提高幅度和副反應(yīng)發(fā)生的程度,同時比較了攪拌與否帶來的差異,結(jié)果如圖8。從圖中可以看出,高溫高壓法水解蓖麻油速率明顯高于酶法。在攪拌操作下,水解率2 h接近70%,酶法達到相同水平需要約8 h,但高溫高壓法最高水解率僅為75%,遠低于酶法可以達到的95%左右的水解率。另外,在未攪拌情況下,蓖麻油水解在開始后1 h內(nèi)存在較大傳質(zhì)阻力,而1 h后反應(yīng)速率加快,與攪拌時前2 h反應(yīng)速率相當(dāng)。該現(xiàn)象表明在高溫高壓條件下,當(dāng)反應(yīng)體系進入平衡狀態(tài)后,攪拌的存在對水解反應(yīng)促進作用很小。同時可以看出不論在是否有攪拌的情況下,高溫高壓條件下蓖麻油水解率均會出現(xiàn)下降的情況,這說明水解后期副反應(yīng)成為主導(dǎo),很可能是產(chǎn)物蓖麻油酸與帶有羥基的甘油三酯及其本身發(fā)生酯化反應(yīng),形成聚酯,從而導(dǎo)致酸價下降,水解率也因此下降。當(dāng)然,高溫下高級脂肪酸的熱敏性共軛雙鍵也可能發(fā)生斷裂,但這不會直接引起水解率的變化。

        圖8 高溫高壓條件下蓖麻油水解率 Fig.8 Hydrolysis rates of castor oil under conditions of high temperature and pressure.

        3 討論

        通過對酶法催化油脂水解影響較大的幾個因素分別進行研究,得到游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油水解的最佳反應(yīng)條件為:溫度45℃,酶添加100 U/g油,油水質(zhì)量比 1∶1,攪拌速度800 r/min。該條件下反應(yīng)48 h水解率可達94.8%,相比目前文獻報道結(jié)果優(yōu)勢明顯。對脂肪酶回用的實驗發(fā)現(xiàn)重復(fù)使用脂肪酶至第5批次,仍能有效催化蓖麻油水解,水解率76.8%。同時對高溫高壓條件下的蓖麻油水解的研究發(fā)現(xiàn),采用該方法,蓖麻油水解率難以達到較高水平,最高在75%左右,且反應(yīng)后期由于副反應(yīng)的發(fā)生出現(xiàn)水解率下降的現(xiàn)象,說明該方法不適宜用于蓖麻油的水解。游離脂肪酶NS81006催化蓖麻油進行水解雖然成本相對較高,但其集反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、原料適應(yīng)性強和水解率高等優(yōu)點于一體,具有較好的應(yīng)用前景。

        [1]張華濤.中國油脂化工行業(yè)現(xiàn)狀與展望[J].中國油脂,2010,(9):9 -12.

        [2]劉潤哲,王云昆,張華,等.蓖麻油的理化性質(zhì)及脂肪酸組成分析[J].糧食與食品工業(yè),2011,(6):14-16.

        [3] 汪多仁.蓖麻油的應(yīng)用開發(fā)[J].印染助劑,2001,(1):4-8.

        [4]Ozcan H M,Sagiroglu A.Production of ricinoleic acid from castor oil by immobilised lipases.[J].Prep.Biochem.Biotechnol.,2009,39(2):170 -182.

        [5]林巖,陸建飛,周桂生.基于產(chǎn)業(yè)鏈視角的中國蓖麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(29):124-127.

        [6]Rathod V K,Pandit A B.Effect of various additives on enzymatic hydrolysis of castor oil[J].Biochem.Eng.J.,2009,47(1 -3):93 -99.

        [7]王輝.油脂高溫高壓連續(xù)水解機理及工業(yè)因素討論[J].糧食與油脂,2000,(4):35 -36.

        [8]朱培基.國外油脂水解工藝發(fā)展概況及趨勢[J].上?;?,1993,18(4):24 -26.

        [9]Yamamoto K,F(xiàn)ujiwara N.The hydrolysis of castor oil using a lipase from Pseudomonas sp.F-B-24:positional and substratespecificity of the enzyme and optimum reaction conditions[J].Biosci.Biotechnol.Biochem.,1995,59(7):1262 -1266.

        [10] Goswami D,Basu J K,De S.Optimization of process variables in castor oil hydrolysis by Candida rugosa lipase with buffer as dispersion medium[J].Biotechnol.Bioprocess Eng.,2009,14(2):220-224.

        [11] Goswami D,Sen R,Basu J K, et al..Maximization of bioconversion of castor oil into ricinoleic acid by response surface methodology[J].Bioresour.Technol.,2009,100(18):4067-4073.

        [12] Sharon C,Ogawa H I.Lipase-induced hydrolysis of castor oil:Effect of various metals[J].J.Ind.Microbiol.,1998,21(6):292-295.

        [13] Sharon C,Yamakido T,Kato Y.Purification and characterization of a lipase from Pseudomonas aeruginosa KKA-5 and its role in castor oil hydrolysis[J].J.Ind.Microbiol.,1998,20(5):304-307.

        猜你喜歡
        蓖麻油脂肪酶油水
        水平井油水兩相中的RAT流體成像分析
        云南化工(2021年11期)2022-01-12 06:06:42
        油水混合
        油水兩相流超聲波衰減測試方法
        脂肪酶Novozyme435手性拆分(R,S)-扁桃酸
        脂肪酶N435對PBSA與PBSH的酶催化降解和分子模擬
        中國塑料(2016年7期)2016-04-16 05:25:53
        蓖麻油制取癸二腈的理論與工程
        蓖麻油基多元醇改性聚氨酯膠黏劑的研究
        中國塑料(2015年8期)2015-10-14 01:10:52
        一種新型蓖麻油酸季戊四醇酯的制備及應(yīng)用
        中國塑料(2015年7期)2015-10-14 01:02:49
        誤區(qū):維生素K需補充,但要遠離“油水”
        膨脹石墨阻燃蓖麻油磷酸酯聚氨酯保溫材料
        中國塑料(2014年3期)2014-10-27 08:26:52
        中文亚洲成a人片在线观看| 又硬又粗进去好爽免费| 亚洲av无码片vr一区二区三区| 亚洲熟女一区二区三区| 亚洲精品你懂的在线观看| 国产成人av综合亚洲色欲| 深夜福利国产| 亚洲视频中文字幕更新| 日韩激情视频一区在线观看| 一本色道久久亚洲加勒比| 亚洲欧美日韩综合一区二区| 在线亚洲欧美日韩精品专区| 99久久久无码国产精品动漫| 日韩av在线不卡观看| 日本高清视频一区二区| 人成午夜大片免费视频77777| 1区2区3区高清视频| 久久久精品3d动漫一区二区三区 | 日韩激情视频一区在线观看| 国内精品久久久久影院优| 国产揄拍国产精品| 亚洲中文字幕无码久久2020| 亚洲AV无码成人网站久久精品| 一区二区三区精品偷拍| 日本亚洲中文字幕一区| 亚洲精品电影院| 男女野外做爰电影免费| 欧美巨大xxxx做受中文字幕| 日本在线观看不卡一区二区| 少妇性饥渴无码a区免费| 无码一级视频在线| 久久婷婷国产色一区二区三区| 国产精品无码人妻在线| 久久久久亚洲av片无码v| 日日摸夜夜添夜夜添无码免费视频| 国产在线不卡免费播放| 久久色悠悠亚洲综合网| 亚洲乱妇熟女爽到高潮视频高清| 精品国产天堂综合一区在线 | 少妇做爰免费视频了| 国产高潮刺激叫喊视频|