武林賀,白新鵬,吳謙,徐小夢(mèng),馬若影,李雪(海南大學(xué)食品學(xué)院,海南???70228)
脂肪酶水解椰子油動(dòng)力學(xué)研究
武林賀,白新鵬*,吳謙,徐小夢(mèng),馬若影,李雪
(海南大學(xué)食品學(xué)院,海南海口570228)
椰子油;脂肪酶;水解;動(dòng)力學(xué)
脂肪酶催化油脂水解生成油脂衍生物是一種高效、環(huán)保、低能耗的方法[1-2],它是以酶作催化劑的酶解反應(yīng),這種反應(yīng)是在溫和的條件下進(jìn)行的,不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)的油脂水解產(chǎn)物顏色深、發(fā)生熱聚合等現(xiàn)象,而且具有選擇性,反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生腐敗變質(zhì)等現(xiàn)象,獲得的產(chǎn)物質(zhì)量較好,因此脂肪酶水解油脂的技術(shù)應(yīng)用逐漸廣泛[3-4]。椰子油[5-7]富含多種飽和脂肪酸甘油酯,椰子油衍生物是由椰子油水解產(chǎn)生的[8-9],其中月桂酸等飽和脂肪酸多用于食品和日用品領(lǐng)域,而且需求量日漸增大[10-11]。目前主要是用天然植物油脂皂化分離、高溫高壓分解和合成脂肪酸等方法生產(chǎn)月桂酸等飽和脂肪酸。這些方法不但成本較高,而且在生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)脂肪酸的氧化分解、產(chǎn)品顏色較深等現(xiàn)象[12-13]。在國(guó)外利用脂肪酶水解油脂生產(chǎn)油脂衍生物的方法已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中,美國(guó)和意大利已經(jīng)利用脂肪酶水解牛油和亞麻油來(lái)生產(chǎn)脂肪酸,其生產(chǎn)成本低,得到的脂肪酸的質(zhì)量較好[14]。而我國(guó)使用脂肪酶水解油脂的技術(shù)起步較晚,尤其是脂肪酶水解椰子油
1.1材料
海南本地高種椰子;脂肪酶(20萬(wàn)U/g)、纖維素酶(20萬(wàn)U/g)、木瓜蛋白酶(20萬(wàn)U/g)、β-葡聚糖酶(36萬(wàn)U/g):購(gòu)自北京夢(mèng)怡生物科技有限公司;其它試劑均為分析純。
1.2儀器與設(shè)備
Anke(GL21GII)高速冷凍離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;Re(52)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;SHZD(III)真空泵:鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;HR(1724)型打漿機(jī):珠海飛利浦家電公司;SHZ(B)恒溫水浴振蕩器:上海龍躍儀器有限公司;SHA(2)恒溫振蕩器:常州澳華儀器有限公司。
1.3方法
1.3.1椰子油的制備
采用水酶法制備椰子油,其工藝為采果、去椰衣、去種皮、打漿、酶解、滅酶、離心及干燥。將新鮮的椰子去椰衣和種皮后的椰肉破碎打漿,加入適量的水調(diào)節(jié)料液比,加入一定量的水解酶在一定的溫度下酶解一定的時(shí)間后進(jìn)行離心分離,將分離出的油脂部分進(jìn)行精煉處理得到椰子油。
1.3.2椰子油酸值的測(cè)定
將椰子油與水按一定比例混合,水浴加熱到反應(yīng)所需溫度,快速加入一定量脂肪酶,用玻璃棒攪拌均勻后放入恒溫水浴振蕩器開(kāi)始反應(yīng)。為保證反應(yīng)溫度恒定,每次取樣要少量快速。反應(yīng)后的樣品經(jīng)離心分離、干燥后,測(cè)定其酸值的變化。
1.3.3酶解動(dòng)力學(xué)的研究
1.3.3.1不同單因素條件對(duì)酶解速率的影響
研究底物質(zhì)量濃度、酶添加量、酶解溫度和酶解時(shí)間對(duì)脂肪酶水解椰子油的影響。試驗(yàn)條件為底物質(zhì)量濃度、酶添加量、酶解溫度和酶解時(shí)間,在其它條件不變的情況下,分別改變酶解時(shí)間(20、40、60、80、100、120 min)、酶解溫度(45、50、55、60、65℃)、酶添加量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)和底物質(zhì)量濃度[0.2、0.4、0.6、0.8、1.0(g/mL)],按1.3.2的方法進(jìn)行酶解試驗(yàn),測(cè)定酶解后的原生態(tài)椰子油的水解率,按照式(1)計(jì)算酸值變化速率,即反應(yīng)速率v[mg/(g·mL·min)]:
式中:A為酸值,mg/g;V為反應(yīng)體積,mL;t為反應(yīng)時(shí)間,min。
1.3.3.2酶解動(dòng)力學(xué)模型的建立
Michaelis-Menten對(duì)酶解反應(yīng)做了兩步假設(shè),即酶與底物的酶促反應(yīng)按下面反應(yīng)步驟進(jìn)行:
式中:k1為ES生成的反應(yīng)速率常數(shù);k2和k3分別代表ES分解為E+P和E+S的反應(yīng)速率常數(shù);k4為E+ P生成ES的反應(yīng)速率常數(shù)。
首先,脂肪酶(E)與反應(yīng)底物(S)結(jié)合成反應(yīng)中間產(chǎn)物(ES),然后反應(yīng)中間產(chǎn)物分解成產(chǎn)物(P)后,脂肪酶被釋放出來(lái)。在反應(yīng)開(kāi)始階段,如果產(chǎn)物(P)的濃度較低或沒(méi)有產(chǎn)物(P)的反應(yīng)體系中,可逆反應(yīng)是不能發(fā)生的,因此k4過(guò)程可以忽略,第二步的反應(yīng)就可以看作是單向反應(yīng),即可得出酶解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程:
式中:[S]為底物質(zhì)量濃度,g/mL;[E]total/(g/mL)=[E]+[ES];[ES]為中間產(chǎn)物,g/mL。令km=(k2+k3)/k1,vm=k2[E]total,則方程(3)可簡(jiǎn)化為:
方程(4)即為米氏方程,其中km[mg/(g·mL)]為米氏常數(shù);Vm[mg/(g·mL·min)]為最大反應(yīng)速率。將米氏方程進(jìn)行變形,即可得到方程(5):
1.3.4分析方法
酸值按GB/T 5009.37-2003《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》測(cè)定。
1.3.5數(shù)據(jù)處理方法
每組試驗(yàn)分別進(jìn)行3次獨(dú)立的重復(fù)試驗(yàn),用spss19.0 for Windows軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,并用Duncan法進(jìn)行多重比較。
2.1酶解時(shí)間對(duì)椰子油酸值的影響
酶解時(shí)間是脂肪酶酶解油脂的主要影響因素。圖1顯示了酶解時(shí)間對(duì)椰子油酸值影響。
圖1 酶解時(shí)間對(duì)椰子油酸值的影響Fig.1 Effects of enzymolysis time on acid value
在一定的條件下,脂肪酶能夠結(jié)合在油脂的特定部位水解油脂,隨著酶解時(shí)間的增加椰子油不斷被脂肪酶水解,油脂中甘油一酯、甘油二酯和脂肪酸的含量逐漸增加,從而使脂肪酶可利用的底物濃度降低,導(dǎo)致反應(yīng)速率不斷下降,最終使得反應(yīng)速率基本保持恒定。從圖1可知,酶解反應(yīng)60 min最為適宜。
2.2溫度對(duì)椰子油水解速率的影響
圖2為溫度對(duì)椰子油酶解速率的影響。
圖2 溫度對(duì)椰子油水解速率的影響Fig.2 Effect of temperature on hydrolysis rate of coconut oil
由圖2可知,隨溫度不斷升高,椰子油的酸值變化速率逐漸增大,50℃時(shí)酸值變化速率最大,50℃以后,反應(yīng)速率迅速下降。隨著溫度的升高,首先達(dá)到酶反應(yīng)的最適溫度,使得反應(yīng)速率達(dá)到最大;但是當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),脂肪酶會(huì)因溫度的升高逐漸失活,從而導(dǎo)致酶促反應(yīng)速度迅速下降。
2.3酶添加量對(duì)椰子油水解速率的影響
圖3為酶添加量對(duì)椰子油酶解速率的影響。
由圖3可知,在反應(yīng)的起始階段,當(dāng)脂肪酶添加量逐漸增加時(shí),反應(yīng)速率也隨之增大,反應(yīng)速率和酶添加量幾乎呈線性關(guān)系變化。在反應(yīng)體系中如果底物比較充足,隨著酶添加量的增加,反應(yīng)速率也隨之增大;當(dāng)酶添加量繼續(xù)增加時(shí),此時(shí)反應(yīng)底物不能滿足酶的需求,反應(yīng)速率開(kāi)始減小,并逐漸變慢。本試驗(yàn)是在底物充足的條件下進(jìn)行的,因此,酶添加量與酸值的變化速率幾乎呈現(xiàn)線型的規(guī)律變化。
圖3 酶添加量對(duì)椰子油水解速率的影響Fig.3 Effect of enzyme concentration on hydrolysis rate of coconut oil
2.4底物質(zhì)量濃度對(duì)椰子油酶解速率的影響
圖4為底物質(zhì)量濃度對(duì)椰子油酶解速率的影響。
圖4 底物質(zhì)量濃度對(duì)椰子油水解速率的影響Fig.4 Effect of substrate concentration on hydrolysis rate of coconut oil
由圖4可知,當(dāng)酶添加量一定時(shí),酶解反應(yīng)速率隨著底物質(zhì)量濃度的增加,酶解速率先增大然后趨于平緩。反應(yīng)剛開(kāi)始,反應(yīng)體系中底物質(zhì)量的濃度較低,水解速率較快,反應(yīng)速率基本成線性增加;當(dāng)繼續(xù)增加底物質(zhì)量濃度時(shí),水解速率逐漸變得平緩,這可能是由于酶幾乎全部與底物結(jié)合,此時(shí)反應(yīng)的速率和底物的濃度基本無(wú)關(guān)。圖4顯示了[S]與v的關(guān)系,兩者符合典型的雙曲線關(guān)系,符合米氏方程酶促反應(yīng)特征的,因此可以采用米氏方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,求得動(dòng)力學(xué)模型。
2.5動(dòng)力學(xué)研究
2.5.1Lineweaver-Burk雙倒數(shù)法求解方程參數(shù)
圖5Lineweaver-Burk雙倒數(shù)法作圖Fig.5 Lineweaver-Burk plot
方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.991 2,方程極顯著。
2.5.2Wilkinson法求解酶解方程參數(shù)
Wilkinson統(tǒng)計(jì)法是研究動(dòng)力學(xué)的一種方法,一般應(yīng)用于酶解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中,研究方法可靠,但是計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。它有兩步計(jì)算,第一步是最小二乘法求估算解,求得估算值,在估算值的基礎(chǔ)上再利用泰勒展開(kāi)式求精校解,得出動(dòng)力學(xué)的模型。Wilkinson統(tǒng)計(jì)法求估算解見(jiàn)表1,Wilkinson統(tǒng)計(jì)法求精校解見(jiàn)表2。
表1為最小二乘法求估算解。由表1可知,△= αε-γδ=0.000 84
式中:Vm0、km0分別為最大反應(yīng)速率和米氏常數(shù)的估算解。
表2泰勒展開(kāi)式求精校解。由表2可得到,
式中:a1、a2分別為Vm、km計(jì)算修正系數(shù)。
最后可得到精校解為:Vm=Vm0a1=0.969 6[mg/(g· mL·min)];km=km0+a2/a1=1.273 9[mg/(g·mL)]。
2.5.3Lineweaver-Buck和Wilkinson的比較
對(duì)于Lineweaver-Buck法而言,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單,用于質(zhì)量濃度在0.33 km~2.0 km反應(yīng)體系統(tǒng)較為精確;而Wilkinson統(tǒng)計(jì)法可用于動(dòng)力學(xué)的分析計(jì)算研究中,計(jì)算結(jié)果比較精確,但是其分析計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。因此本試驗(yàn)又做了Wilkinson統(tǒng)計(jì)法校正,求出經(jīng)過(guò)精確校正后的Vm=0.969 6[mg/(g·mL·min)],km= 1.273 9[mg/(g·mL)]。即得脂肪酶水解椰子油的米氏方程:
表1 Wilkinson統(tǒng)計(jì)法求估算解Table 1 Calculation of provisional values by Wilkinson method
表2 Wilkinson統(tǒng)計(jì)法求精校解Table 2 Fine adjustment of values by Wilkinson method
2.5.4椰子油酶解動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)
取不同質(zhì)量濃度的椰子油反應(yīng)體系,在酶添加量為1%、酶解溫度50℃條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),對(duì)比兩種計(jì)算方法可以得到的脂肪酶酶解椰子油的動(dòng)力學(xué)方程的理論值和實(shí)測(cè)值,然后對(duì)方程進(jìn)行驗(yàn)證,以確定方程的準(zhǔn)確性和可靠性,見(jiàn)圖6。
圖6 酶解動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.6 Validation of the developed hydrolysis kinetic model
由圖6可知,底物質(zhì)量濃度在0~0.6 g/mL范圍內(nèi),可采用Lineweaver-Buck法計(jì)算反應(yīng)速率,計(jì)算得到的值與實(shí)際值比較接近;當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度大于0.6 g/mL,使用Wilkinson統(tǒng)計(jì)法計(jì)算得到的計(jì)算值與真實(shí)值比較接近。而本試驗(yàn)中的底物質(zhì)量濃度為0.6 g/mL,Wilkinson統(tǒng)計(jì)法可進(jìn)行方程的求解。而本試驗(yàn)米氏方程的擬合度較高,因此米氏方程也適合脂肪酶水解椰子油的動(dòng)力學(xué)研究。
[1]Sharma A,Chaurasia S P,Dalai A K.Enzymatic hydrolysis of cod liver oil for the fatty acids production[J].Catalysis Today,2013,207:93-100
[2]徐志文,孟永宏,周志奇,等.一種利用脂肪酶水解油脂生產(chǎn)脂肪酸的方法:CN 101294170[P].2008-10-29
[3] 吳瓊,代永剛,鄒險(xiǎn)峰.響應(yīng)面法優(yōu)化脂肪酶水解大豆油工藝[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2012(6):62-64
[4]向小樂(lè),黃群,楊萬(wàn)根,等.超聲波輔助脂肪酶水解茶葉籽油條件的優(yōu)化與動(dòng)力學(xué)研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2015,41(2):141-146
[5]陳秀菊,彭捷,白新鵬,等.椰子油在溫度梯度場(chǎng)中定向結(jié)晶動(dòng)力學(xué)[J].食品科學(xué),2014,35(17):17-21
[6]Marina A M,Man Y B C,Amin I.Virgin coconut oil:emerging functional food oil[J].Trends in Food Science&Technology,2009,20(10)481-487
[7]劉小琴.原生態(tài)椰子油熔融分提及物性研究[D].??冢汉D洗髮W(xué),2012
[8]金文飚.脂肪酶在油脂工業(yè)中的應(yīng)用[J].食品科技,2005(7):13-15
[9]Phuah E T,Lai O M,Choong S Y,et al.Kinetic study on partial hydrolysis of palm oil catalyzed by Rhizomucor miehei lipase[J].Journal of Molecular Catalysis B Enzymatic,2012,78:91-97
[10]梁準(zhǔn)成,楊繼國(guó),劉冬蘄,等.月桂酸衍生物的合成與抑菌性的比較研究[J].現(xiàn)代食品科技,2015,31(3):84-90
[11]趙國(guó)志,劉喜亮,劉智峰.中碳鏈脂肪酸甘油酯研究概況中碳鏈脂肪酸甘油酯的應(yīng)用[J].糧油加工與食品機(jī)械,2005(4):19-21
[12]羅春燕.中碳鏈脂肪酸類食品添加劑的制備及性能研究 [D].南昌:南昌大學(xué),2011
[13]周星.中碳鏈脂肪酸聚甘油酯的制備和性能研究[D].南昌:南昌大學(xué),2012
[14]Lencki R W,Smink N,Snelting H,et al.Increasing short-chain fatty acid yield during lipase hydrolysis of a butterfat fraction with periodic aqueous extraction[J].Journal of Oil&Fat Industries,1999,75 (9):1195-1200
[15]Chua L S,Alitabarimansor M,Lee C T,et al.Hydrolysis of virgin coconut oil using immobilized lipase in a batch reactor[J].Enzyme Research,2012,2012:DOI:10.1155/2012/542589
Kinetic Modeling of Enzymatic Hydrolysis of Coconut Oil with Lipase
WU Lin-he,BAI Xin-peng*,WU Qian,XU Xiao-meng,MA Ruo-ying,LI Xue
(College of Food Science and Technology,Hainan University,Haikou 570228,Hainan,China)
coconut oil;lipase;hydrolysis;enzymatic kinetics
2012-05-09
國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目(31160325);海南省自然科學(xué)基金(20153159);海南省自然科學(xué)基金(314075);海南省高等學(xué)??蒲许?xiàng)目(Hnky2016ZD-1)
武林賀(1988—),男(漢),在讀碩士研究生,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。
白新鵬(1963—),男,教授,博士。的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此利用脂肪酶水解椰子油來(lái)生產(chǎn)其衍生物的研究具有重要意義。本文對(duì)脂肪酶水解椰子油的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究,考察了底物的質(zhì)量濃度、酶添加量、酶解溫度和酶解時(shí)間等工藝條件對(duì)椰子油水解速率的影響,建立動(dòng)力學(xué)模型,以期為今后產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)椰子油衍生物產(chǎn)品提供理論模型[15]。