一种三聚甘油酯的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种固定化脂肪酶和磷脂酶A1催化制备三聚甘油酯的方法。具体先制备三聚甘油，然后在固定化脂肪酶和磷脂酶A1的存在下，与脂肪酸反应而得。该方法在非均相、高粘度反应体系下高效制备三聚甘油酯。各物料容易分离，可循环使用从而降低成本，所得三聚甘油酯的收率高，其中酯化率可达97%以上；所得三聚甘油酯的纯度高，所含游离脂肪酸小于0.1%。
【专利说明】一种三聚甘油酯的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工合成领域，具体涉及一种固定化脂肪酶和磷脂酶Al催化制备三聚甘油酯的方法。
【背景技术】
[0002]聚甘油脂肪酸酯(简称聚甘油酯，PGFE)是由聚甘油与脂肪酸形成的酯，其结构依甘油的聚合度、脂肪酸的种类及其酯化度的不同而不同。聚甘油酯是多羟基酯类非离子表面活性剂，由于其亲水性随甘油脂聚合度的增大而增强，亲油性随脂肪酸脂的不同而不同，所以通过改变甘油的聚合度，脂肪酸的种类及酯化度，可以得到HLB值由1-16的不同性能的表面活性剂。间可任意调整，故可做0/W型乳化剂，也可做W/0型乳化剂。因其无毒、无臭、具有生物降解性能，是一类高效安全的添加剂，被联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO和WHO)推荐使用。
[0003]PGFE是仅次于单甘酯的食品乳化剂，被广泛应用于焙烤食品、人造奶油和饮料中，主要做乳化剂、结晶控制剂、粘度调节剂和淀粉改良剂等。另外，由于其无色无味，且不易发生水解，对产品外观、气味均无不良影响，可与其他乳化剂复配，具有良好的协同增效作用，因此其应用也已经逐步扩展到日化、石油、纺织、医药等领域，产品市场容量大。而我国聚甘油酯产业的起步和发展相对较晚，而且技术层次相对较低。
[0004]由于PGFE的纯度及乳化性能在很大程度上是由聚甘油的聚合度及纯度决定，因此合成高质量的聚甘油是合成高质量PGFE的关键。
[0005]其中，三聚甘油酯是聚甘油酯产品中应用开发潜力最大的一类产品，已被广泛应用于化妆品、洗涤剂、食品工业和高分子材料等领域。三聚甘油酯为浅黄色粉末或粒状固体，不溶于水，但易分散于水中，溶于乙醇、有机溶剂和油类。属非离子表面活性剂，具有耐高温、耐酸的特点。HLB值为7~8。
[0006]现有技术中合成三聚甘油的方法大多都是以甘油为原料直接缩水聚合制备。由于该类反应随机性较大、选择性较低，所以对催化剂的选择就要求较高，导致生产成本的增加，而且还存在反应温度高、能耗大及环境污染等问题。并且，由于甘油分子有两个伯羟基，在酸或碱作为催化剂存在下，聚合反应可以继续进行下去，形成三聚、四聚及多聚甘油。一般我们把甘油伯羟基缩合而成的三聚甘油成为线性聚甘油，但是在甘油自身过程中，可以发生伯羟基和仲羟基之间的缩合，形成支链聚甘油，甚至是环状聚甘油，如果三聚甘油副产品越多，则潜在的安全性问题越严重。
[0007]在制备三聚甘油酯的技术上，国内主要采用化学法。以液体酸催化，在均相反应体系下高效合成三聚甘油酯。存在的问题主要有产品纯度低、残留脂肪酸含量高、色泽差、有异味等，而且化学法合成PGFE具有能耗大、设备投资多、分离提纯困难等缺点。然而国外主要采用生物催化法，多以脂肪酶催化三聚甘油和脂肪酸或者脂肪酸甲酯反应制备PGFE。酶法克服了传统化学法须在高温或者高压下才能制取PGFE及产品提纯弊端；可在较温和条件下反应，减少副反应，有助于提高产品质量。但是，这种方法仍需考虑催化剂成本、催化效率及新型反应器的开发等问题。同时存在酯化率低，酶的使用次数低，所得产品的纯度低等技术问题，成为主要的技术难点。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种三聚甘油酯的制备方法，该方法具有产率高，成本低，产品纯度高的优点。
[0009]本发明提供的技术方案，为一种三聚甘油酯的制备方法，包括如下步骤:
第一步三聚甘油的制备:
在真空和加热条件下，以强酸性阳离子交换树脂作催化剂，甘油与缩水甘油反应合成三聚甘油；
具体的，将甘油和强酸性阳离子交换树脂混合，加热到100-120°C后恒定，滴加缩水甘油，保持真空10pa以下，保温反应2h以上，反应完全后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油产品，纯化得三聚甘油，优选经分子蒸馏技术纯化三聚甘油；
其中，所述的甘油与缩水甘油摩尔比为0.9-1.4:2，最佳摩尔比为1:2 ;树脂的用量为3wt% (占反应物的质量分数)；真空度优选为在5-50pa。反应时间为2-5h，优选为3h。
[0010]分子蒸馏技术纯化三聚甘油的具体步骤为:①一级分子蒸馏去除甘油:将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸馏，在压力20pa以下，刮膜转速250±20r/min，流量1-3滴/秒，冷凝温度50±5 °C，储料罐温度80±5 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油。②二级分子蒸馏提纯三聚甘油产品:将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸馏，在压力20pa以下、刮膜转速250±10 r/min条件下流量1-2滴/秒，冷凝温度50±5 °C，储料罐温度95±5 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
[0011]第二步制备三聚甘油酯:在鼓泡式反应器体系中，脂肪酸与步骤一所得三聚甘油在固定化脂肪酶和磷脂酶Al (Lecitase Ultra)的催化下制备三聚甘油醋，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油；
其中，所述的脂肪酸为植物油或动物油；为了取得最佳的产品质量，和最合适的产率，选择三聚甘油和脂肪酸的物质的量配比为(1-2):1，优选为(1-1.5):1 ;反应时间为2-6h，优选反应时间为2.5h ;反应温度为20-40°C ;鼓泡式反应器的气流速率为l_3L/min ;固定化脂肪酶和磷脂酶Al的质量比为1:1 ;加酶量与底物(即脂肪酸与三聚甘油)的质量比为(1-3):1000o从理论角度讲，反应物三聚甘油和脂肪酸的物质的量配比为1:1时，三聚甘油酯的产率最高(产率均以反应物较少的一方计算，以下没有特别说明，均按此方法计算)，在配比为1:1附近时，产率应该以1:1为中心，呈对称减少的变化趋势。但发明人通过多次试验发现，当三聚甘油和脂肪酸物质的量配比低于1:1时，其副产物增多，且不易与终产品分离，所得终产品纯度较低，产率显著较低；反而当三聚甘油的量适当较多时，即当三聚甘油和脂肪酸为本发明的物质的量配比时，才能得到较高的产率，副产物相对较少且容易与终产品分离，所得终产品纯度较高。同时，本领域技术人员知晓，磷脂酶Al的催化效果较脂肪酶差，但价格较低，本发明发明人为降低成本选用磷脂酶Al代替部分的脂肪酶，但意外发现当磷脂酶Al和脂肪酶以质量比为1:1时，其催化效果和等量的脂肪酶的相当。酶的固定化为现有技术。酶可固定于涂布、无机粒子(如二氧化硅、白炭黑)、天然高分子材料(如苎麻、桑蚕丝、竹纤维)、合成高分子材料(如树脂)。
[0012]第三步分离纯化:通过分子蒸馏将步骤二所得三聚甘油酯混合物首先通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的三聚甘油和脂肪酸。
[0013]分子蒸馏是一种基于一定温度和真空度下不同物质分子运动平均自由程的差别而实现分离的液-液分离技术。其工作原理是在极高真空度下，依据混合物分子运动平均自由程的差别，在远低于其沸点的温度下将其分离。由于其分离能力不仅依赖于分离物系各组分相对挥发度，而且与各组分的相对分子质量大小有关，所以可用来分离挥发度相近而相对分子质量不同的物系。具有操作温度远低于沸点、操作压力低、受热时间短、分离程度高的优点。
[0014]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优异特点:与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优异进步:
(I)本发明三聚甘油绿色合成新技术有益于提高甘油聚合反应的选择性和控制性，解决产品纯度低、色泽差、有异味、环状聚甘油含量高、直链聚甘油含量少等缺点。
[0015](2)本发明技术方案探索新途径合成三聚甘油脂肪酸酯，采用直接法反应制备三聚甘油酯，避免了三聚甘油混合中间产物的合成过程，从而可得到高质量、高产率的三聚甘油脂肪酸酯产品。所得三聚甘油酯的收率高，其中酯化率可达97%以上；所得三聚甘油酯的纯度高，所含游离脂肪酸小于0.1%。
[0016](3)本发明技术方案采用无溶剂非均相体系酶法催化合成三聚甘油酯的控制机理和共性关键技术；采用鼓泡式柱反应器进行扩大化反应，在非均相、高粘度反应体系下高效合成三聚甘油酯。
[0017](4)本发明技术方案非均相体系高效催化技术，产品容易分离，固定化酶可重复使用，成本低，污染小。采用固定化酶催化，使用鼓泡式柱反应器，反应体系将出现三相甚至四相，粗酯产物中，单甘酯含量达到50%以上，固定化酶重复使用80次以上，酶活性没有明显的下降。与脂肪酶相比，磷脂酶Al价格更便宜，成本优势较为明显，两者以最优的比例混合使用可得到优异效果。同时该体系不受原料中游离脂肪酸和水分的影响，可以利用廉价的废弃油脂为原料，如潲水油、酸化油等，在降低生产成本的同时也减少了环境污染。剩余反应物可返回循环利用，如三聚甘油可返回循环使用，从而降低成本。
[0018](5)本发明技术方案中以酶为催化剂，对设备腐蚀性小、副反应少，反应条件温和，固定化酶可回收利用，易分离，不产生废液，生产工艺简单，降低了对设备的投资。在倡导绿色化工和能源紧缺的情况下，以固体酸催化生产三聚甘油酯无疑提供了一条可持续发展的道路。
【具体实施方式】
[0019]以下通过【具体实施方式】进一步描述本发明，但本发明不仅仅限于以下实施例。执行标准 GB13510-92。
[0020]实施例1
将1kg甘油和9g强酸性阳离子交换树脂(D001SS大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂)，加热到110°C后恒定，滴加20kg缩水甘油，保持真空1pa反应3h，后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油产品，将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸饱，在压力15 pa，刮膜转速250 r/min，流量3滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度80 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油，将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸馏，在压力8pa、刮膜转速250 r/min条件下流量I滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度95 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
[0021]在鼓泡式反应器体系中，鼓泡式反应器的气流速率为2L/min，30°C下，1kg的脂肪酸与上述制得的8.4kg三聚甘油在存在25g (按酶的质量算)固定化脂肪酶和磷脂酶Al(质量比为1:1)的催化下，反应2.5h，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油；所得三聚甘油酯混合物通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的三聚甘油和脂肪酸；所得三聚甘油酯的产率为65.9% (以脂肪酸计)纯度为99.0% (wt%)中脂肪酸含量为0.5wt%, HLB为7.0，熔点为54.3°C.，为合格产品。
[0022]其中，酶的固定化步骤为:取0.25kg脂肪酶和磷脂酶Al的混粉(两者质量比为1:1)，将其均匀分散溶解于IL水中，搅拌至均相。再向脂肪酶混合水溶液中加入IL聚氨酯粘合剂R120，充分搅拌形成浆状物；用排笔蘸取混合液，并将全部的混合浆状物均匀的涂刷于10*100dm2丝绸基布的上下两个表面；固定基布的一个角，置于阴凉通风处，室温下晾干即可。
[0023]实施例2
将1kg甘油和9g强酸性阳离子交换树脂(D001SS大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂)，加热到110°C后恒定，滴加20kg缩水甘油，保持真空1pa反应3h，后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油产品，将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸饱，在压力15 pa，刮膜转速250 r/min，流量3滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度80 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油，将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸馏，在压力8pa、刮膜转速250 r/min条件下流量I滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度95 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
[0024]在鼓泡式反应器体系中，鼓泡式反应器的气流速率为2L/min，30°C下，1kg的脂肪酸与上述制得的7.6kg三聚甘油在存在25g (按酶的质量算)固定化脂肪酶和磷脂酶Al(质量比为1:1，酶的固定化步骤同实施例1)的催化下，反应2.5h，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油；所得三聚甘油酯混合物通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的聚甘油和脂肪酸；所得三聚甘油酯的产率为60.2% (以三聚甘油计)纯度为99.1% (wt%)中脂肪酸含量为0.5wt%,HLB为7.1，熔点为54.3 °C，为合格产品。
[0025]实施例3
将1kg甘油和9g强酸性阳离子交换树脂(D001SS大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂)，加热到110°C后恒定，滴加20kg缩水甘油，保持真空1pa反应2h，后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油产品，将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸饱，在压力10 Pa，刮膜转速250 r/min，流量3滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度80 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油，将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸馏，在压力6 pa、刮膜转速250 r/min条件下流量2滴/秒，冷凝温度50 °C，储料罐温度95 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
[0026]在鼓泡式反应器体系中，鼓泡式反应器的气流速率为lL/min，30°C下，1kg的脂肪酸与上述制得的12.6kg三聚甘油在存在60g (按酶的量计算)固定化脂肪酶和磷脂酶Al(质量比为1:1)的催化下，反应2h，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油；所得三聚甘油酯混合物通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的三聚甘油和脂肪酸；所得三聚甘油酯的产率为76.8%(以脂肪酸计)，纯度为99.5% (wt%)，脂肪酸含量为0.7wt%，HLB为7.2，熔点为54.4°C，产品合格。
[0027]其中，酶的固定化步骤为:(I)苎麻的活化:剪取若干苎麻，用0.5mol/ L KOH煮沸0.5小时除去苎麻表面的杂质，然后用0.1 mo I/L浓度的Na104溶液氧化，6小时后取出用去离子水洗净，加甘油于苎麻表面静置40 min，以除去未反应的Na104，用去离子水洗净待用。
[0028](2)酶液制备:将一定量猪胰脂肪酶干粉溶于50mL的磷酸缓冲液(0.025mol/L，pH 7.5)中，4°C低温下搅拌均匀，在10000r/min转速下离心10 min，然后取上清液贮于冰箱内备用。
[0029](3)交联:将步骤(I)活化的苎麻置于锥形瓶中与步骤(2)得到的酶液在4°C下进行交联，每交联35分钟，震荡15分钟，反应3个小时。交联完毕后，用去离子水在室温下反复洗涤固定化酶5次以上，以确保苎麻表面未交联上的游离酶被洗下。为提高醛基的交联度，采取重复步骤(3)的方法进行反复交联。每次取出苎麻后，用滤纸吸干苎麻表面水分，再放入酶液中进行交联。
[0030]实施例4
制备三聚甘油酯:将20kg甘油和18g强酸性阳离子交换树脂(D001SS大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂)，加热到110°C后恒定，滴加40kg缩水甘油，保持真空1pa反应2h，后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油产品，将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸馏，在压力8 pa，刮膜转速250 r/min,流量2滴/秒，冷凝温度50 V，储料罐温度80 V的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油，将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸馏，在压力3 pa、刮膜转速250 r/min条件下流量2滴/秒，冷凝温度50 V，储料罐温度95 V的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
[0031]在鼓泡式反应器体系中，鼓泡式反应器的气流速率为3L/min，30°C下，1kg的脂肪酸与上述制得的16.8kg三聚甘油在存在25g (按酶的量计算)固定化脂肪酶和磷脂酶Al (两者的质量比为1:1，固化方法同实施例3)的催化下，反应2.5h，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油；所得三聚甘油酯混合物通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的聚甘油和脂肪酸；所得三聚甘油酯的产率为63.7% (以脂肪酸计)纯度为98.6% (wt%)，脂肪酸含量为0.8wt%’ HLB为7.8，熔点为54.3 °C，产品合格。
【权利要求】
1.一种三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步三聚甘油的制备: 在真空和加热条件下，以强酸性阳离子交换树脂作催化剂，甘油与缩水甘油反应合成三聚甘油； 第二步制备三聚甘油酯:在鼓泡式反应器体系中，脂肪酸与步骤一所得三聚甘油在固定化脂肪酶和磷脂酶Al的催化下合成三聚甘油酯，反应后的混合液经离心分离得到三聚甘油酯混合物和过量三聚甘油； 其中，三聚甘油和脂肪酸的配比为(1-2):1 ;反应时间为2-6h ;反应温度为20-40°C;固定化脂肪酶和磷脂酶Al的质量比为1:1 ; 第三步分离纯化:通过分子蒸馏将步骤二所得三聚甘油酯混合物首先通过一级分子蒸馏进行脱水、脱气，然后进行二级分子蒸馏除去剩余的三聚甘油和脂肪酸，得三聚甘油酯τ?: 口广PR ο
2.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤一的具体步骤为将甘油和强酸性阳离子交换树脂混合，加热到100-12(TC后恒定，滴加缩水甘油，保持真空10pa以下，保温反应2-5h，反应完全后冷却至80°C以下，将产物移出，封口继续冷却至室温，过滤回收树脂，滤液为粗三聚甘油。
3.如权利要求2所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的甘油与缩水甘油摩尔比为0.9-1.4:2，树脂的用量为3 wt% (其占反应物的质量分数)；真空度为5-50pa ;反应时间为3h。
4.如权利要求3所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤一中所述甘油与缩水甘油的摩尔比为1:2。
5.如权利要求2所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，粗三聚甘油在进行第二步骤前经分子蒸馏技术纯化，具体步骤为:①一级分子蒸馏去除甘油:将反应制备得到的粗三聚甘油倒入储料罐进行一级分子蒸馆?，在压力20pa以下，刮膜转速250±20 r/min，流量1-3滴/秒，冷凝温度50±5 °C，储料罐温度80±5 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物即为甘油；②二级分子蒸馏提纯三聚甘油产品:将蒸馏得到的重相产物再次倒入洗净的储料罐进行二级分子蒸饱，在压力20pa以下、刮膜转速250±10 r/min条件下流量1_2滴/秒，冷凝温度50±5 °C，储料罐温度95±5 °C的条件下进行蒸馏，蒸馏出轻相产物为三聚甘油。
6.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的脂肪酸为植物油或动物油。
7.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤二中所述三聚甘油和脂肪酸的物质的量之比为(1-1.5):1。
8.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤二中加酶量与底物(即脂肪酸与三聚甘油)的质量比为(1-3):1OOOo
9.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤二中鼓泡式反应器的气流速率为l_3L/min。
10.如权利要求1所述的三聚甘油酯的制备方法，其特征在于，步骤二中的反应时间为.2.5h0
【文档编号】C12P7/64GK104498545SQ201410739469
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】徐怀义 申请人:广州嘉德乐生化科技有限公司