酶催化高酸價(jià)米糠油酯化脫酸工藝的研究

張 明,李桂華,許曉瑞

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

酶催化高酸價(jià)米糠油酯化脫酸工藝的研究

張 明,李桂華＊,許曉瑞

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450052)

采用Novozym 435酶催化高酸價(jià)米糠油與甘油酯化降低游離脂肪酸含量,探討了酯化脫酸過程中反應(yīng)溫度、時(shí)間、甘油添加量、酶加入量對脫酸效果的影響.單因素試驗(yàn)得出脫酸的最佳工藝條件:加酶量為油量的 3%,甘油添加量為 200%,溫度為 90℃,時(shí)間為 6 h,米糠油酸價(jià)由 24.1 mg/g降到了 4.01 mg/g.對酶催化脫酸進(jìn)一步做響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化反應(yīng)條件,結(jié)果表明:酶用量為油量的 3%,溫度為 86℃,甘油添加量為理論添加量的 222%,反應(yīng) 6 h,酸價(jià)由 24.1 mg/g降到了 3.9 mg/g.

米糠油;酸價(jià);酯化脫酸;響應(yīng)面分析

0 前言

米糠油是稻米加工的副產(chǎn)品——米糠制取的油脂.米糠約占稻谷質(zhì)量 6%～9%,按 2008年我國稻谷產(chǎn)量 1.93億 t計(jì),米糠約為 1 100萬 t,通常米糠含油 16%～22%,可產(chǎn)米糠油 170萬 t左右.由此可見,充分利用米糠生產(chǎn)加工油脂,對平衡我國食用植物油的供應(yīng)將起到舉足輕重的作用.

米糠油的脂肪酸組成較為均衡,其中飽和脂肪酸 15%～20%,不飽和脂肪酸含量高達(dá) 80%以上,十八碳以上的脂肪酸極少.米糠油中亞油酸含量為 38%,油酸含量 42%,比例為 1︰1.1,符合國際衛(wèi)生組織推薦的油酸和亞油酸比例為 1︰1的最佳比例[1].由于米糠中含有高活性內(nèi)源脂肪水解酶,能快速水解其中的甘三酯,所以制取的米糠毛油中游離脂肪酸含量較高,可達(dá) 30%～40%.目前,油脂工業(yè)上采用堿煉和高真空蒸餾工藝技術(shù)精煉米糠油,由于化學(xué)法脫酸精煉過程產(chǎn)生廢水、精煉率低使其應(yīng)用受到限制.近年來,人們研究新的脫酸技術(shù)即酶法脫酸、超臨界流體萃取法和膜法脫酸新技術(shù)精制米糠油,新技術(shù)與傳統(tǒng)脫酸技術(shù)相比,可克服傳統(tǒng)脫酸技術(shù)的缺點(diǎn),然而工業(yè)化應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)性評價(jià)還需要進(jìn)一步深入研究[2].

對于酶法精煉高酸價(jià)米糠油國內(nèi)外已有報(bào)道:楊博等[2]采用固定化脂肪酶 Lipozyme RM I M應(yīng)用于高酸值米糠油的脫酸,提高了米糠油的精煉率.Bhattacharyya等[3]采用一種 1,3-特殊脂肪酶 (Mucor miehei),成功地將米糠油的 FFA含量由 30%降低到 3.6%.B.K.De和 D.K.Bhattacharrya[4]研究了高酸值米糠油單甘酯再酯化脫酸法,可將脫膠脫蠟脫色米糠油的 FFA含量降低到 0.5%～3.5%(W/W).作者采用脂肪酶Novozym 435對高酸價(jià)米糠油進(jìn)行酶法催化酯化脫酸研究,為高酸價(jià)米糠油的精煉提供一種新的工藝技術(shù)方法.

1 材料與方法

1.1 原料

米糠油:固始縣豫申糧油工貿(mào)公司提供,主要理化性質(zhì)見表1.

1.2 試劑與儀器

1.2.1 試劑

脂肪酶 Novozym 435:Novozymes公司.甘油、無水乙醚、95%乙醇、酚酞、氫氧化鉀等試劑均為分析純.

表1 原米糠油理化指標(biāo)

1.2.2 儀器裝置

95—2雙向恒溫磁力攪拌器:金壇市杰瑞爾電器有限公司;BS210—S電子天平 (Max210 g,d=0.1 mg):北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;RE—52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠.

1.3 方法

1.3.1 原料制備方法

精確稱取一定量高酸價(jià)米糠油和甘油置于燒杯中,置恒溫?cái)嚢杵髦袛嚢杈鶆?并加熱至預(yù)定溫度后,加入一定量 Novozym 435酶于油脂中,定時(shí)取樣,測定其酸價(jià).

1.3.2 酸價(jià)的測定方法

參照 G B/T 5530-2005,采用酸堿滴定法測定[5].

2 結(jié)果與分析

2.1 Novozym 435酶催化酯化脫酸的研究

2.1.1 最佳反應(yīng)時(shí)間的確定

按照 1.3.1進(jìn)行試驗(yàn),甘油添加量為理論量的 200%,加酶量為 3%,反應(yīng)溫度分別為 60℃、70℃、80℃和 90℃.每隔 1 h取樣測定酸價(jià),結(jié)果如圖 1所示.

圖1 反應(yīng)時(shí)間對米糠油酸價(jià)的影響

由圖 1可以看出,最初 3 h酸價(jià)下降很快,3 h后酸價(jià)降低速度減緩.各試驗(yàn)條件下 6 h以后酸價(jià)曲線趨于水平,可見 6 h是最佳的試驗(yàn)條件,90℃反應(yīng)條件下所得曲線在 6 h后酸價(jià)還有上升趨勢,這可能是因?yàn)?Novozym 435酶有雙向催化作用引起的,但是在反應(yīng)的開始 6 h主要是催化酯化脫酸,因此并不影響試驗(yàn).由此知最佳酯化反應(yīng)時(shí)間為 6 h.

2.1.2 最佳反應(yīng)溫度的確定

溫度是Novozym 435酶催化酯化的一個(gè)重要因素,溫度升高有利于酶的催化.按照 1.3.1所述方法,甘油添加量為 200%,Novozym 435酶加入量為油質(zhì)量的 3%,溫度為 60℃、70℃、80℃、90℃和 95℃,反應(yīng)時(shí)間為 6h,結(jié)果見圖 2.

圖2 反應(yīng)溫度對米糠油脫酸效果的影響

由圖 2可知,在選定的 5個(gè)溫度條件下,90℃條件下脫酸效果最好,米糠油酸價(jià)最低.95℃時(shí)候的酶的活力有所下降,這可能是由于Novozym 435酶的最適溫度在 80～90℃之間,溫度過高導(dǎo)致酶的部分失活.而且試驗(yàn)采用的是水浴加熱的方式,故溫度不宜過高,因此,確定后續(xù)試驗(yàn)溫度為 90℃.

2.1.3 甘油添加量的確定

按照 1.3.1所述方法,加酶量為 3%,溫度為90℃,甘油添加量分別采用理論添加量的 150%、200%、250%和 300%,反應(yīng) 6 h,確定最佳甘油添加量,結(jié)果見圖 3.

圖3 甘油添加量對米糠油脫酸效果的影響

由圖 3可知,甘油添加量為理論添加量的200%時(shí),樣品的酸價(jià)最低,脫酸效果最好,這是因?yàn)镹ovozym 435酶是一種界面酶,過多的甘油添加量降低了酶在接觸面的濃度,故而 200%以上的甘油添加量使得脫酸效果有所降低.綜合考慮試驗(yàn)效果和經(jīng)濟(jì)效益,確定甘油添加量為理論添加量的 200%.

2.1.4 加酶量的選擇

為研究Novozym 435酶添加量對催化酯化效果的影響,Novozym 435酶加入量分別為 0.1%、0.5%、1%、2%和 3%,甘油添加量為 200%,溫度為 90℃,反應(yīng) 6 h,測定米糠油酸價(jià),結(jié)果見圖 4.

圖4 加酶量對米糠油酸價(jià)的影響

圖 4表明,加酶量為 0.5%比 0.1%的脫酸效果明顯提升.加酶量為 3%時(shí)脫酸效果最好,酸價(jià)降到 4.01 mg/g,但是相對于加酶量 1%和 2%,脫酸效果提高有限,但是 1%和 2%的加酶量均沒有將酸價(jià)降到 4 mg/g以下,由于增加酶量降低酸價(jià)的作用有限,從經(jīng)濟(jì)和脫酸效果綜合考慮不宜再增加酶用量,故選用加酶量為 3%.

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化反應(yīng)條件

2.2.1 響應(yīng)面因素水平選擇

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,甘油添加量、溫度、加酶量對米糠油的酸價(jià)影響均較大,因此,選擇這 3個(gè)因素作為響應(yīng)面試驗(yàn)的因素,運(yùn)用 Design-Expert 7軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),試驗(yàn)因素水平見表2.

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果及分析

根據(jù) 2.2.1所確定的因素和水平進(jìn)行試驗(yàn),反應(yīng)時(shí)間 6 h,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果見表3.

由表3的預(yù)測值和實(shí)測值進(jìn)行回歸模型方差分析,結(jié)果見表4.

由表4可以看出,響應(yīng)面模型達(dá)到了顯著水平,因素 2(反應(yīng)溫度)和因素 3(甘油添加量)以及這兩個(gè)因素的交互項(xiàng)均達(dá)到了顯著水平,由此可見,模型建立比較成功.

2.2.3 交互效應(yīng)分析

根據(jù)各項(xiàng) F值的大小,可以得出交互作用對酯化脫酸效果的影響順序?yàn)?X2X3＞X1X2＞X1X3,即反應(yīng)溫度與甘油添加量交互作用 ＞加酶量與反應(yīng)溫度交互作用 ＞加酶量與甘油添加量交互作用,從表4中可以看出,只有溫度與甘油添加量交互作用達(dá)到了顯著的水平.運(yùn)用 Design-Expert 7軟件進(jìn)行交互作用效應(yīng)分析,并做出交互效應(yīng)響應(yīng)面圖,見圖 5.

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

表4 回歸模型方差分析

由圖 5可以看出,在一定的溫度條件下,甘油添加量為 222%,而不是試驗(yàn)選擇的 250%,這和單因素的結(jié)果相同,說明過多的甘油添加量對酶法脫酸效果有抑制作用,原因是過多的甘油添加量,降低了酶在接觸面的濃度.結(jié)合回歸模型方差分析與響應(yīng)面圖可得到米糠油酶法脫酸的優(yōu)化條件:加酶量為 3%,溫度為 86℃,甘油添加量為理論添加量的 222%,反應(yīng) 6 h,米糠油酸價(jià)由24.1mg/g降到了 3.9 mg/g.

圖5 溫度和甘油添加量交互項(xiàng)響應(yīng)面圖

2.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化工藝條件,進(jìn)行 3組驗(yàn)證性試驗(yàn),結(jié)果見表5,得到米糠油酸價(jià)平均值約為 3.9 mg/g,試驗(yàn)值與預(yù)測值接近,證明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的工藝條件最佳.

表5 響應(yīng)面優(yōu)化的驗(yàn)證試驗(yàn)

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示 Novozym 435酶催化酯化脫酸的最佳工藝條件是:加酶量為油量的 3%,甘油添加量為理論量的 200%,溫度為 90℃,反應(yīng)時(shí)間為 6 h,酸價(jià)由 24.1 mg/g降到了4.01mg/g.

響應(yīng)面分析Novozym 435酶催化脫酸得到的優(yōu)化條件是:Novozym 435用量為油量的 3%,反應(yīng)溫度為 86℃,甘油添加量為理論添加量的222%,反應(yīng) 6 h,酸價(jià)由 24.1 mg/g降到了 3.9 mg/g.

[1] 張松濤,楊振娟,徐子謙,等.米糠油脫酸工藝的選擇和產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì) [J].中國油脂,2005,30(10):45-46.

[2] 楊博,楊繼國,王永華,等.米糠油酶法酯化脫酸的研究 [J].中國油脂,2005,30(7):22-24.

[3] Sengupta R.Bhattacharyya D K.Acomarative study between bicoefining combined with other processes and physica refining of high-acid mohua oil[J].J A O C S,1992,69(11):1146-1149.

[4] Kale V.Deacidifying rice bram oil by solvent extraction and membrane technology[J].Journal of the American oil Chemists Society,1999,76:723-727.

[5] 李桂華.油料油脂檢驗(yàn)與分析 [M].北京:化工出版社,2006:89-90.

ENZY MATIC DEACI D IFICATI ON PROCESS OF H IGH-ACI D-VALUE R ICE BRAN O I L BY ESTER IFICATI ON

ZHANGMing,L I Gui-hua,XU xiao-rui
(School of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

In this paper,we selected Novozym 435 as catalyst for the esterification of high-acid-value rice bran oil and glycerol to reduce the content of free fatty acids,and studied the effects of reaction temperature,time,glycerol amount and enzyme amount on the esterification process.Through single factor tests,we deter mined the optimal deacidification conditions as follows:enzyme amount 3%,glycerol 200%,temperature 90℃,reaction ti me 6 hours,and the acid value of the rice bran oilwas reduced from 24.1 mg/g to 4.01 mg/g under the conditions.We further optimized the reaction conditions by response surface analysis.The results showed that the acid value was reduced from 24.1 mg/g to 3.9 mg/g under the conditions of enzyme amount 3%,temperature 86℃,glycerol 222%the theory amount and reaction ti me 6 hours.

rice bran oil;acid value;esterification;deacidification;response surface analysis

TS224

B

1673-2383(2010)05-0018-04

2010-07-19

張明(1985-),男,湖南衡陽人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛椭瘜W(xué).

＊通信作者