本发明属于油脂深加工技术领域，具体涉及一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法。
背景技术：
甘油二酯(dag)是公认安全(gras)的食品成分，天然存在于植物油中的含量一般在1-6％之间，在棉籽油中可达10％。它们以两种异构体形式存在，分别是1,3-dag和1,2-dag，在热平衡下约以1:2的比例存在。dag主要用于在食品，化妆品和制药领域生产乳化剂，稳定剂和作为载体。dag具有与甘油三酯(tag)相似的消化率和能量值。dag富集油由于其对脂质代谢的有益影响而被广泛研究作为tag基油的代替品。由于dag与tag之间的结构差异，使得dag具有抑制人体脂肪积累和降低人餐后血清中的tag。自1999年以来，相较于传统的tag，美国等国家将dag视为功能性食用油脂，因为其具有较高的熔点，2016年dag被确认成为新食品资源。
现有技术中，一般的制备甘油二酯大都是甘油三酯通过甘油解，或者水解得到的；而脂肪酸与甘油进行酯化制备甘油二酯，如果利用化学方法，需要很高的反应温度，不节能环保，同样利用酶法的话，则需要价格更高的酶进行催化酯化，实用性差，并且产品中会存在大量的未反应的游离脂肪酸。而利用酶催化mag与tag的酯交换制备dag的研究，鲜有报道。
技术实现要素：
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备中长链甘油二酯的方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)将长链脂肪酸单甘酯加入反应装置并加热熔化，然后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀；
(2)调节温度为60～80℃，加入重量百分含量为3％～9％(基于底物的总质量)的脂肪酶，真空及搅拌的条件下进行酯交换反应，酯交换反应时间为15～120min，得到粗甘油二酯产物。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(1)中所述长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为1:9～9:1，优选为7:3。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(1)中长链脂肪酸单甘酯加热至80℃熔化。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(2)中所述酯交换反应温度优选为60℃。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(2)中所述酯交换反应时间优选为100min。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(2)中所述脂肪酶为固定化脂肪酶lipozymetlim。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(1)中所述搅拌转速为90～120r/min。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(1)中所述反应装置为旋转蒸发器，酯交换反应中通过旋转蒸发器的旋转实现搅拌条件，旋转蒸发器的转速为90～120r/min。
本发明中可以优选反应装置为旋转蒸发器，从而通过旋转蒸发器的旋转实现酯交换反应所需的搅拌条件，旋转反应的方式比较温和，对酶不会产生破坏作用。与普通的搅拌反应相比，相同的原料摩尔比、酶添加量、反应时间和温度条件下，通过旋转蒸发器的旋转实现搅拌条件制得的粗产品中的甘油二酯含量更高。
如上所述的酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，步骤(2)中所述脂肪酶的加入量为底物总质量的8％。
针对上述技术方案，本发明还研究了以下实验例：
1、单因素试验
1.1反应时间对酯交换反应的影响
在底物摩尔比为3:7(mag:mct)，温度为60℃，加酶量为5wt％条件下反应，研究在反应时间对产物中dag含量变化的影响，结果如图1所示。
在一定的时间范围内，dag的含量呈上升趋势，超过这一范围将会导致目标产物dag的减少或趋于平衡。由图1可知，dag含量在100min前逐渐增加，达到31.32％，100min以后其含量基本保持不变；而由图也可知，mag和tag的含量呈下降趋势。liu等(liun,wangy,zhaoq,etal.fastsynthesisof1,3-dagbylecitase(r)ultra-catalyzedesterificationinsolvent-freesystem[j].europeanjournaloflipidscienceandtechnology,2011,113(8):973-979.)研究了反应时间对酯化反应的影响，指出了当脂肪酶和反应底物在界面达到饱和状态时，反应时间对dag的生成影响较为显著，随着反应时间的延长，dag最终会达到一个平衡值。综合考虑到能耗等因素，选定100min为最佳反应时间。
1.2底物摩尔比对酯交换反应的影响
在反应时间为100min，温度为60℃，加酶量为5wt％条件下反应，研究在不同底物摩尔比下对产物的影响，结果如图2所示。从图2中可以看出，随着底物摩尔比的变化，产物中dag的含量呈现先增加后减少的趋势，而tag和mag则分别呈现下降和上升趋势。在一定范围内，底物摩尔比的增加会促使反应向正方向进行，加快产物的生成。但过多的底物会降低脂肪酶与反应底物表面的接触程度，从而限制脂肪酶的活力，导致反应速率下降。当底物摩尔比mag:mct为7:3时，dag的含量达到最大值，dag的最大值为32.68％，而在摩尔比为9:1时，dag含量下降，可能是因为高的mag含量降低了传质效率并抑制反应。综合考虑产物得率，选择底物摩尔比mag:mct为7:3。
1.3酶添加量对酯交换反应的影响
在底物摩尔比为7:3，反应温度为60℃，反应时间为100min条件下，考察了酶添加量对酯交换反应的影响，结果如图3所示。由图3可知，酶添加量从4wt％提高到7wt％时，产物中dag的含量呈上升趋势，在一定范围内酶添加量增加会导致产物含量的增加，但是当超出这一范围，则会导致产物含量下降，可能是因为增加脂肪酶浓度可以促进反应速度，但是通过扩散和聚集，其过多会使酶活性位点失活。在7wt％酶添加量时达到最大含量为38.72％，但是，当加酶量为8wt％时，dag含量为36.42％，相差不大，但是脂肪酸和mag含量有明显上升而tag含量下降明显，因为考虑到后面的分离提纯因而基于以上分析，选择8wt％的加酶量。
1.4反应温度对酯交换反应的影响
本实验在酶的添加量为8wt％，底物摩尔比为7：3，反应时间为100min条件下，探究了不同的反应温度对酯交换反应的影响，结果如图4所示。
由图4可知，随着反应温度的升高，产物中dag的含量逐渐降低，而mag和tag的含量则呈现逐渐增加的趋势；这是因为在酶进行催化酯化反应时，温度对于其热动力学平衡有着重要的作用，高温会降低反应底物的黏度并增加底物的扩散作用和互溶性，从而加快反应速率，提高产物的生成量，但过高的温度会使脂肪酶活性下降甚至使酶失活。可以看出，当温度为60℃时，dag的含量为最高，可以达到36.42％，综合考虑，选择60℃为反应温度。
2、物化特性分析
2.1脂肪酸和甘油酯组成
参考王丽丽(王丽丽.磷脂酶a1催化脂肪酸酯化法合成dag的研究[d].广州:暨南大学,2011.)气相色谱条件进行甘油酯组成分析，db-17ht(30m×0.32mmid，0.15μm)毛细管柱，以n2为载气，n2流速为4.41ml/min，升温程序为：初始温度为50℃，然后以50℃/min升至100℃，接着以80℃/min升至220℃，然后以15℃/min升至290℃，接着以50℃/min升至330℃并保持2分钟，然后以50℃/min升至340℃并保持3分钟。
脂肪酸甲酯化参照国标gb/t17376–2008，样品经bf3甲醇快速甲酯化方法处理后进行气相分析，并参照zhang等(zhangz,wangy,max,etal.characterisationandoxidationstabilityofmonoacylglycerolsfrompartiallyhydrogenatedcornoil[j].foodchem,2015,173:70-79.)气相色谱条件分析原料中脂肪酸组成。
表1.脂肪酸和甘油酯组成分析
由表1数据可以看出，mag富含长链脂肪酸，主要由硬脂酸和棕榈酸两种脂肪酸组成，其中棕榈酸含量为57.75％，原料mag的mag含量为95.00％。mct则主要由中链的辛酸和癸酸组成，它们的含量分别为53.03％和46.77％，其中tag的含量为97.73％。在选定条件下mag+mct进行酯交换后的dag产品的甘油酯组成发生了显著变化，其中游离脂肪酸含量明显升高，达到10.63％，这与lipozymetlim酶有倾向水解作用有关。mag和tag因为参与了酯交换反应，所以含量下降，分别由57.95％，38.11％下降到36.81％和15.94％，从而生成的dag的含量提高到36.41％左右。
2.2热力学特性的测定
利用dsc分析样品的熔化与结晶特性。精确称取样品8.0～10.0mg于铝制坩埚内加盖密封，并以空坩埚作为参比。控温程序为：初始温度25℃，以40℃/min升温至80℃并保持10min；以5℃/min的速率降温至-50℃并保持10min，再以5℃/min的速率升温至80℃，高纯n2流速为45ml/min。通过动态的升温过程，得到样品的熔融和结晶曲线。图5和图6展示的是反应原料与反应产物dag的结晶熔融特性(图5为结晶曲线，图6为熔融曲线)，具体曲线特征温度点总结在表2里面。
表2.结晶熔融温度对比
从结晶曲线来看，mag的结晶温度最高，在62.60℃开始结晶，相反mct因为本身富含熔点低的中链脂肪酸(表1)，且在室温条件下就是液态，所以结晶温度相对滞后，在-30.47℃时才出现结晶。两者混合之后，所得的结晶曲线同时含有了两种原料的结晶峰，出现三个结晶峰。经过酯交换后的产品ie(7molmag+3molmct)，结晶峰变得相对集中(峰1，2)，这是因为反应使得包含mag，dag和tag在内的甘油酯组成发生了变化(表1)，使得高熔点mag和低熔点tag含量下降，居中熔点的dag含量上升，使得整个体系更加均一，同样结晶温度也相应有所延后(酯交换前56.19℃，反应后42.71℃)。
熔融特性与结晶特性趋势相一致，因为mct的熔点较低(-0.63℃)，在与较高熔点的mag(66.37℃)混合之后，起到了折中的作用(60.71℃)，经过酯交换后的产品熔点降低，与结晶结果对应。酯交换之后的产品熔点在45.96℃。
2.3固体脂肪含量(sfc)
采用p-nmr测定样品的sfc。取样后，设置温度为80℃进行熔化，待历史结晶消除后转移至恒温器中，然后先在60℃下保持30min，测定sfc值，然后放在0℃下90min，同样测出sfc值接着，将样品在5-40℃温度范围内，每5℃恒温30min，依次测定其sfc值，并绘制sfc曲线。
产品的sfc曲线展示在图7，由图可知，因为原料mag拥有长链饱和的脂肪酸(表1)，所以其熔点较高，因此在设定的各个温度点均具有很高的sfc，即便是在40℃下，sfc含量也在80％以上。相反，mct因为其较低的熔点，在所测温度点均没有sfc含量，这与其熔融特性一致(图6，熔点-0.63℃)，将两种原料按照摩尔比7:3混合之后的混合样品的sfc曲线平缓，这主要是因为mag的sfc特性导致(mct混合后不提供系统sfc)。经过酯交换后的产品，sfc曲线变化明显，整体sfc值下降，特别是在20-40℃区间范围下降尤为明显，其中20℃的sfc由酯交换前的59.78％，在酯交换后降低到40.77％，40℃的sfc也降低到15.19％，这可能是因为酯交换改变了体系的mag，dag和tag等的甘油酯组成，与熔融趋势变化相一致。
2.4晶体微观形态
采用plm观察分析样品的微观晶体结构。显微镜放大倍数为400倍(目镜10×，物镜40×)。
晶体形态图见图8，摩尔比7：3的mag和mct混合样品的结晶形态与mag一样，因为较高的熔点，在结晶时的结晶速率较快，所以呈现片状聚集，结晶较为粗大，而酯交换后，因为体系的mag含量下降，产物dag含量上升，在调和产品熔点的同时，dag在体系中的还能起到稳定晶型的作用，即抑制结晶生长，所以酯交换后样品的晶体形态更加细小均一。
2.5晶型
采用xrd测定样品的晶型。检测条件如下：工作电压36kv，电流20ma，cu靶，扫描步长0.02°，扫描速度2°/min，扫描范围2θ为5～30°。
对产品的晶型进行xrd观察，结果见图9，由图可知，mag的特征衍射峰主要是两个(在4.1和
本发明对由mag与mct以及酯交换后的产物的制备与相关性质进行了研究，通过单因素实验获得了合适的反应条件，此条件为原料摩尔比(mag:tag)为7:3、反应时间100min、8wt％加酶量、反应温度60℃，此条件下产物中dag含量为36.42％，而且由于mct含量低，便于后续分离纯化，提高酯交换产品中dag含量。根据热力学特性测定结果可知，酯交换后的产品熔点更加集中均一；由sfc图可得，酯交换后产品的高温固脂含量显著下降，sfc曲线更加陡峭；plm观察，酯交换后产品相比与酯交换前晶型更加细小均一，由xrd分析可知，晶型主要由β和β′型组成。
以上实验例通过研究不同底物比、反应时间、加酶量和温度对产物dag的影响，获得了本发明方法的最佳实施方案；然后通过气相色谱仪(gc)、差示扫描量热仪(dsc)、脉冲核磁共振仪(p-nmr)、x-衍射仪(xrd)和偏振光显微镜(plm)等对产物进行理化性质的分析，为产品在食品领域的应用提供相应的理论依据。
除了最佳实施方案之外，本发明所述的工艺参数范围都能成功制得甘油二酯，酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量在21.36％，与现有技术相比具有很大的成本优势，原料易得，且固定化脂肪酶lipozymetlim价格便宜，因此本发明方法可应用于实际工业生产。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明通过固定化脂肪酶lipozymetlim催化长链脂肪酸单甘酯(mag)与中链甘油三酯(mct)酯交换合成dag，制备的产品中将同时含有快速供能的中链脂肪酸和人体必需的长链脂肪酸。本发明方法工艺简单，成本低，原料易得，在实现工业化生产甘油二酯中具有良好前景。
附图说明
图1为反应时间对反应中各组分含量的影响。
图2为底物摩尔比对反应中各组分含量的影响。
图3为酶添加量对反应中各组分含量的影响。
图4为温度对反应中各组分含量的影响。
图5为原料与产物的结晶特性曲线。
图6为原料与产物的熔融特性曲线。
图7为原料与产品的sfc曲线。
图8为原料与产品的plm图(×400倍)。
图9为原料与产品的xrd谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
以下实施例中的长链脂肪酸单甘酯是富含硬脂酸与棕榈酸的单甘酯混合物(单甘酯含量在95％以上)，由广州美晨科技实业有限公司提供；中链脂肪酸甘油三酯是富含辛酸和癸酸的甘油三酯，由中航(铁岭)药业有限公司提供。
以下实施例中所使用的固定化脂肪酶lipozymetlim由丹麦诺维信公司生产。
实施例1
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为7:3；
(2)调节水浴温度为60℃，加入重量百分含量为8％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为100min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为36.42％。
实施例2
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为3:7；
(2)调节水浴温度为65℃，加入重量百分含量为3％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为15min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为21.36％。
实施例3
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为4:6；
(2)调节水浴温度为75℃，加入重量百分含量为4％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为30min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为24.51％。
实施例4
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为5:5；
(2)调节水浴温度为80℃，加入重量百分含量为5％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为45min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为26.18％。
实施例5
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为6:4；
(2)调节水浴温度为80℃，加入重量百分含量为6％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为60min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为31.64％。
实施例6
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为9:1；
(2)调节水浴温度为60℃，加入重量百分含量为7％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为80min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为32.38％。
实施例7
一种酶催化单甘酯与中链甘油三酯酯交换制备甘油二酯的方法，包括以下步骤：
(1)取一定量的长链脂肪酸单甘酯加入到旋转蒸发器中，设置水浴温度为80℃，待长链脂肪酸单甘酯熔化后加入一定量的中链脂肪酸甘油三酯，混合均匀，其中加入的长链脂肪酸单甘酯和中链脂肪酸甘油三酯的摩尔比为9:1；
(2)调节水浴温度为60℃，加入重量百分含量为9％(基于底物的总质量)的固定化脂肪酶lipozymetlim，反应在真空条件下进行，旋转蒸发器的转速为100r/min，酯交换反应时间为120min，得到粗甘油二酯产物。
经实验例所述的气相色谱条件进行甘油酯组成分析，本实施例步骤(2)酯交换反应后所得粗产品中的甘油二酯含量为32.89％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。