酶促酯交換椰子油制備富含MCT油脂工藝研究與優(yōu)化

孟鵬程 梁少華 楊青坪 呂新新 李茹洋

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

酶促酯交換椰子油制備富含MCT油脂工藝研究與優(yōu)化

孟鵬程 梁少華 楊青坪 呂新新 李茹洋

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

對脂肪酶Lipozyme RM IM催化癸酸與椰子油酯交換制備富含MCT油脂的工藝條件進行研究。結(jié)果表明：在反應(yīng)溫度46 ℃，底物摩爾比8:1，加酶量6%，加水量15%，反應(yīng)時間8 h的優(yōu)化工藝條件下進行多次平行試驗，酯交換產(chǎn)物甘三酯中癸酸和MCT質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)42.31%和50.85%，與原料油相比分別增長37.57%和35.87%。產(chǎn)物甘三酯脂肪酸組成和甘三酯結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，酯交換產(chǎn)物甘三酯中共含有9種MCT成分，主要成分及其在產(chǎn)物甘三酯中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為DLaD(23.57%)、DLaLa(16.88%)和DDD(4.83%)等。

椰子油 脂肪酶 酯交換 癸酸 MCT

椰子油一般由椰子干壓榨而得[1-2]，飽和酸大于90%[2]，以中碳鏈脂肪酸(Medium-chain Fatty Acid, MCFA)為主，其中含月桂酸41%～56%[2-4]，是主要以MCFA組成的植物油脂，在醫(yī)藥[5]、減肥美容[6]、調(diào)節(jié)人體代謝和血漿血脂[7-8]等方面具有較高價值。中碳鏈甘三酯(Medium-Chain Triglycerides，MCT)能直接進入線粒體供能，吸收快，不易引起肥胖[9-11]，主要制備方法有水解酯化法、酰氯醇解法和酶法等。目前，富含MCT油脂及MCT產(chǎn)品主要是以椰子油、棕櫚仁油等含有MCFA較多的油脂為原料，經(jīng)水解純化得到MCFA，然后再進行酯化而得，工藝較復(fù)雜[1-2]。此外，我國對利用椰子油制備富含MCT油脂的研究還相對較少，因此，研究對椰子油的深加工與利用和MCT制備具有重要意義。

本研究以酶促酯交換為手段，利用椰子油脂肪酸組成特性和脂肪酶位置專一性使癸酸接入椰子油甘三酯sn-1,3位而高效制備富含MCT產(chǎn)品，提高了椰子油市場價值，也適宜我國加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃[12]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

椰子油：印度尼西亞米南伽奧甘農(nóng)業(yè)公司；脂肪酶Lipozyme RM IM(Rhizomucormiehei)：丹麥諾維信公司；豬胰脂酶：自制；正癸酸(AR，99%)：阿拉丁試劑(上海)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 7890A氣相色譜儀：Agilent Technologies；80-2離心機：金壇市華鋒儀器有限公司；DF-101K集熱式恒溫磁力攪拌器：鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料椰子油品質(zhì)分析

酸值測定：參照GB/T 5530—2005方法；皂化值測定：參照GB/T 5534—2008；過氧化值測定：參照GB/T 5538—2005；水分與揮發(fā)物含量：參照GB/T 5528—2008；磷脂含量：參照GB/T 5537—2008；色澤：參照GB/T 22460—2008。

1.3.2 脂肪酶催化酯交換椰子油

依預(yù)設(shè)底物摩爾比(油/酸)稱取一定量椰子油和癸酸于燒瓶中，預(yù)熱至反應(yīng)溫度后加入一定量脂肪酶(以總底物質(zhì)量計)和去離子水(以酶的質(zhì)量計)，密閉反應(yīng)裝置，開始計時。到達(dá)預(yù)定時間后停止反應(yīng)，離心去除酶，干燥，以備分析。

1.3.3 脂肪酸組成、癸酸含量與MCT含量分析

采用氣相色譜法，結(jié)合面積歸一化法和sn-1,3-隨機-sn-2隨機理論對原料油和產(chǎn)物甘三酯進行分析并得到癸酸和MCT在產(chǎn)物甘三酯中的相對百分含量[13]。產(chǎn)物甘三酯中癸酸含量和MCT含量指酯交換反應(yīng)混合物經(jīng)薄層分離后得到的甘三酯混合物中的相對百分含量。

原料和產(chǎn)物經(jīng)薄層色譜分離得中性油后再進行全樣和sn-2位脂肪酸組成分析。sn-2位組成分析采用豬胰脂酶水解法(薄層色譜分離得到甘一酯)。脂肪酸甲酯依GB/T 17376—2008制備；脂肪酸甲酯氣相色譜分析參考GB/T 17377—2008。

氣相色譜條件：BPX-70毛細(xì)管柱(30.0 m×250 μm,0.25 μm)，進樣口溫度230 ℃，柱溫190 ℃，氫火焰離子化檢測器(FID)，檢測器溫度300 ℃，氮氣、氫氣和空氣流速分別為1.2、40、450 mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料油脂品質(zhì)分析

由表1可知，原料油品質(zhì)較好。未檢出磷脂，磷脂大于0.5%會影響酶促反應(yīng)進行[14-15]。

表1 椰子油理化指標(biāo)

2.2 脂肪酶催化椰子油酯交換單因素試驗

2.2.1 溫度和底物摩爾比對癸酸含量和MCT含量的影響

加酶量4%、加水量10%、反應(yīng)8 h時，控制底物摩爾比或溫度，癸酸和MCT含量的變化如圖1所示。55 ℃之前，產(chǎn)物含量呈上升趨勢。此時，癸酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.35%，MCT質(zhì)量分?jǐn)?shù)37.05%，分別增長25.61%和22.12%。55 ℃后，曲線趨于平緩。溫度影響脂肪酶活性位點暴露和體系黏度，從而影響酶與底物碰撞幾率[16-17]。故溫度選擇55 ℃。

底物摩爾比小于6∶1，增速較快。之后，癸酸和MCT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由6∶1時的37.34%和46.28%增長為42.25%和53.21%，增長緩慢。底物摩爾比增加會增加酶與底物分子碰撞幾率，但較高的游離脂肪酸含量也會影響脂肪酶活力[18]。Lee等[19]的研究也證實了這一點。故底物摩爾比選擇6∶1。

圖1 溫度和底物摩爾比對癸酸含量和MCT含量的影響

2.2.2 加酶量、加水量和反應(yīng)時間對癸酸含量和MCT含量的影響

反應(yīng)溫度55 ℃、底物摩爾比6∶1時，控制加酶量、加水量和時間，癸酸和MCT含量的變化如圖2所示。兩者都隨加酶量的增加而增加，加酶量大于4%，基本不再增加。此時，癸酸和MCT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為37.98%和44.67%。酸解反應(yīng)是復(fù)雜的可逆反應(yīng)，酶量增加使合成反應(yīng)加快，但水解副反應(yīng)也加速[20-21]。所以加酶量選擇4%。

隨著加水量增加，兩者呈先增加再趨于平衡后降低的趨勢。小于10%時，均有明顯增加。10%時，癸酸和MCT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.54%和44.10%，增長32.80%和30.07%。酶促反應(yīng)主要在油水界面進行，故合適的水分含量會促進反應(yīng)進行[22]，加水量選擇10%。

反應(yīng)6 h時，合成速率開始減緩，癸酸和MCT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到35.25%和43.46%。6 h后的低速增長主要受底物濃度降低的影響。故反應(yīng)時間為6 h較適宜。

圖2 加酶量、加水量和反應(yīng)時間對癸酸含量和MCT含量的影響

2.3 脂肪酶催化癸酸與椰子油酯交換反應(yīng)工藝優(yōu)化

響應(yīng)面優(yōu)化試驗分析方案及結(jié)果見表2。

利用Design-Expert 8.0.5.0軟件對癸酸含量和MCT含量試驗結(jié)果進行回歸分析，得到對應(yīng)的多項回歸方程和方差分析如表3所示。

癸酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)=34.29+2.92A+2.44B+7.36C+1.36D+2.67E-2.61AC-0.89CD-1.47CE-0.66B2-3.84C2

MCT質(zhì)量分?jǐn)?shù)=41.75+2.45A+2.93B+6.73C+0.81D+2.88E-4.46AC+2.79BC-1.72CE-1.08B2-4.44C2

結(jié)果顯示，失擬項均不顯著(P>0.05)，模型P<0.000 1，模型高度顯著。癸酸和MCT含量回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.989 9和0.978 8，校正相關(guān)系數(shù)為0.981 7和0.961 8，模型擬合程度較好。變異系數(shù)均較低，說明試驗可靠性較高，模型可用于預(yù)測癸酸和MCT含量的變化。

表2 酶催化椰子油酯交換中心組合試驗設(shè)計方案與結(jié)果

表3 RSM立體模型對癸酸和MCT含量影響的方差分析

注：**表示P<0.01，極顯著；*表示P<0.05，顯著；N表示P>0.05，不顯著。

表4 酶促酯交換產(chǎn)品脂肪酸組成與立體專一分布/%

各因素交互作用對癸酸和MCT含量的影響經(jīng)響應(yīng)曲面分析，結(jié)合方差分析可知，加酶量與溫度、加酶量與底物濃度、加酶量與時間對響應(yīng)值影響極顯著。

2.4 酶促酯交換最佳工藝條件確定與驗證

結(jié)合上述結(jié)果，最優(yōu)條件為溫度46 ℃，底物摩爾比8∶1，加酶量6%，加水量15%，反應(yīng)時間8 h，癸酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.31%，MCT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.85%，與理論預(yù)測值較接近。

2.5 產(chǎn)物甘三酯脂肪酸組成與成分分析

最優(yōu)條件下產(chǎn)物甘三酯脂肪酸組成及立體專一分布如表4所示，MCT組成如表5所示。

由表4可知，原料油中己酸、豆蔻酸、軟脂酸、硬脂酸和油酸主要分布在sn-1,3位，因此它們在產(chǎn)物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈不同程度下降，各降低0.24%、11.35%、7.64%、2.51%和2.95%。產(chǎn)物中MCFA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.34%，增長24.72%，在sn-2位占比33.14%(依公式sn-2位脂肪酸相對含量=sn-2位脂肪酸含量/(3×sn-1,2,3位脂肪酸含量))，sn-1,2,3位分布較均勻。其中，辛酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17%，降低3.80%；癸酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.31%，增長37.57%；月桂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)35.89%，降低8.79%。

如表5所示，原料油MCT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.98%，酯交換產(chǎn)品含50.85%，增長35.87%。產(chǎn)品中MCT成分主要為DLaD(23.57%)、DLaLa(16.88%)、DDD(4.83%)和LaLaLa(3.30%)。原有的HLaLa、HLaOc和HLaD酯交換后未檢出，該結(jié)果與表4中所得的己酸主要分布在sn-1,3位的結(jié)論相互驗證。產(chǎn)物中MCT在種類和含量上與原料油差別較大，說明該方法制備富含MCT油脂效果較好。

表5 原料油和產(chǎn)物甘三酯中MCT組成與含量

3 結(jié)論

脂肪酶Lipozyme RM IM催化酯交換反應(yīng)最優(yōu)條件為溫度46 ℃，底物摩爾比8∶1，加酶量6%，加水量15%，反應(yīng)時間8 h。

最優(yōu)條件下產(chǎn)物甘三酯癸酸和MCT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.31%和50.85%，較原料油分別增長37.57%和35.87%。利用sn-1,3特異性脂肪酶催化MCFA與椰子油酯交換制備富含MCT油脂可行且得率較高。

產(chǎn)品中共含9種MCT成分，主要為DLaD(23.57%)、DLaLa(16.88%)、DDD(4.83%)和LaLaLa(3.30%)。

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Lipase-Catalyzed Transesterification of Coconut Oil for MCT-Rich Oil: optimized by the Response Surface Methodology

Meng Pengcheng Liang Shaohua Yang Qingping Lü Xinxin Li Ruyang

(Department of Agriculture and Food, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001)

This paper focused on the enzymatic-catalyzed transesterification of capric acid and coconut oil using immobilized R.mieheilipase (Lipozyme RMIM) for the preparation of MCT. Optimum reaction conditions for temperature, substrate molar ratio, enzyme load, water load and time were 46 ℃, 8∶1, 6%, 15% and 8 h, respectively. 42.31% and 50.85% of capric acid content and MCT content were obtained under optimized conditions, increased by 37.57% and 35.87% compared with raw material oil. The fatty acid and triglycerides composition of product were analyzed, and DLaD (23.57%), DLaLa (16.88%) and DDD (4.83%) were the 3 species of higher content in 9 species of product.

coconut oil, lipase, transesterification, capric acid, MCT

TS225.1；TS201.2

A

1003-0174(2016)12-0084-06

河南省超級產(chǎn)糧大省農(nóng)業(yè)科研資助(ZX2011-2)

2015-04-10

孟鵬程，男，1989年出生，碩士，脂質(zhì)化學(xué)與品質(zhì)

梁少華，男，1964年出生，教授，植物油料資源綜合利用、脂質(zhì)化學(xué)與品質(zhì)