专利名称：一种茶油酶催化改性制备功能性油脂的方法
技术领域：
本发明涉及一种茶油酶催化改性制备功能性油脂的生产方法，属于油脂生物改性技术领域。具体涉及一种用特异性脂肪酶催化酸解制备富含单不饱和脂肪酸油酸和中碳链脂肪酸的甘油三酯的技术方法，所述功能性油脂中，中碳链脂肪酸主要位于甘油三酯的sn-1和sn-3位，单不饱和脂肪酸油酸主要位于甘油三酯的sn-2位。
背景技术：
油脂作为人类三大热能营养素之一，在提供能量的同时，还具有促进脂溶性维生素吸收、赋予食品美味口感等作用，特定油脂还含有人体生长、发育、健康及疾病预防所必须的营养因子。然而，过度膳食脂肪存在的危害同样不容忽视，众多研究表明，高脂肪膳食与肥胖症、高血脂、脂肪肝、高血压、脑血栓等疾病以及某些癌症(如乳腺癌、肠癌)发病率上升有着密切的关系。2007年，我国食用植物油消费达到2280.7万吨，人均17.54kg/年(48g/天)，远高于中国营养学会推荐的人均25g/天的标准。鉴于传统食用油脂对健康的负面作用，消费者及营养学家对食用油脂的组成及功能提出了新的需求，开发一种既能利用油脂有益作用，同时又减少过度膳食危害的功能性油脂是保障公众安全的重要途径。
油脂中脂肪酸的种类及其在甘油骨架上位置与代谢途径密切相关。中碳链脂肪酸(Medium-chain fatty acid，C8-C12)在体内代谢过程不同于长链脂肪酸，中碳链脂肪酸在消化吸收过程中，直接由胃部进入静脉循环，由门静脉达到肝脏，通过β-氧化快速地给肌肉提供能量，与长碳链脂肪酸(Long-chain fatty acid，C14及以上)相比，具有迅速提供人体能量(吸收速度是长链脂肪酸的4倍)而不造成脂肪在体内积聚的减肥功效；脂质代谢中位于甘油骨架sn-2位上的脂肪酸具有吸收率高的特点。
中国是四大木本油料之一油茶籽的主产国，来源于油茶籽的茶油是一种营养丰富的食用油，其物理和化学性质类似于被称为“植物油皇后”的橄榄油，单不饱和脂肪酸油酸含量高达70％以上，属于富含油酸的油脂。中国作为茶油的主要生产国，年产茶油约27.7万吨，产量占世界90％以上。营养界把油酸称为“安全脂肪酸”，油酸可降低血液总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，却不降低高密度脂蛋白胆固醇，摄入富含油酸的饮食，有助于调整人体血浆中高、低密度脂蛋白胆固醇的浓度比例，对由于胆固醇浓度过高引起的动脉硬化以及动脉硬化并发症、高血压、心脏病、心力衰竭、肾衰竭、脑出血等疾病均有非常明显的防治功效。因此，采用生物改性技术将中碳链脂肪酸结合到茶油甘油骨架sn-1，3位，并使sn-2位上富含单不饱和脂肪酸油酸，制得一种富含单不饱和脂肪酸油酸和sn-1，3位富含中碳链脂肪酸的油脂，不仅可以发挥中碳链脂肪酸在体内代谢快、为人体及时供能，代谢后不造成脂肪蓄积的优势，而且能充分发挥sn-2位单不饱和脂肪酸油酸的功效，是一种具营养保健(降血脂、减肥)功效的低热量油脂，同时又可作为一种为特殊人群快速提供能量的油脂。至今，还未有以本油料资源来源的茶油为原料进行酶法改性制备富含单不饱和脂肪酸油酸和中碳链脂肪酸甘油三酯的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种茶油酶催化改性制备功能性油脂的方法。该方法使用特异性脂肪酶尤其是固定化脂肪酶作为生物催化剂，在非水相体系中不添加任何有机溶剂，反应中不使用有毒的化学催化剂及有机溶剂，提高了操作安全性；反应条件温和，减少副反应的发生；延长固定化脂肪酶使用周期，可多次重复使用，有效地降低生产成本，利于连续化生产的实现；得到的功能性油脂中脂肪酸在甘油骨架上定位分布，提高了产品的使用性能，具有供能快速、热量低的特点。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案包括以下步骤 A、以茶油与中碳链脂肪酸为原料，茶油与中碳链脂肪酸的摩尔比为1∶1～1∶12，加入原料重量0.01％～2％的水，混合均匀，获得反应底物； B、将反应底物预热到反应温度，逆流通过装填有1，3-特异性固定化脂肪酶的填充柱酶反应器，反应温度为30℃～80℃，反应时间为0.5h～3h，获得反应产物； C、反应产物经分离除去游离脂肪酸，获得茶油改性后的功能性油脂；其中所述功能性油脂中，中碳链脂肪酸主要位于甘油三酯sn-1，3位，单不饱和脂肪酸油酸主要位于甘油三酯sn-2位。
上述步骤中，中碳链脂肪酸为辛酸、癸酸、月桂酸中的一种或一种以上混合物。
上述步骤中，茶油与中碳链脂肪酸的摩尔比优选为1∶2～1∶10。
上述步骤中，加水量优选为加入原料重量0.10％～1％的水。本发明中，在反应底物中添加适量的水是极其重要的。反应体系中存在酯化和水解两个反应，水分含量与调节两者的热力学平衡关系密切，过多水分促使反应由酯化向水解方向移动，由于反应平衡点的破坏，造成产物合成率降低，副产物增加。同时，水又是维持脂肪酶活性中心所必须的，水分含量过少，将使酶催化活性下降，酶使用周期受影响。本发明中，通过调节原料中水含量达到维持反应体系中水含量在一定范围的目的，这不仅有利于酶活性结构的保持，而且能显著地延长体系中固定化酶的使用周期，从而大幅降低生产成本。
上述步骤中，1，3-特异性固定化脂肪酶为从毛霉属、根霉属、曲霉属、细菌或酵母菌来源的微生物生产的脂肪酶。例如现已商品化的Lipozyme TL、Lopozyme RM、Novozyme-435等。
上述步骤中，所使用的填充柱酶反应器，通过购买1，3-特异性固定化脂肪酶进行填装，具体制备方法为首先在填充柱底部垫1cm高的玻璃纤维，以防酶流失，固定化酶从填充柱顶部装入柱内，不断轻摇，使柱内酶填充均匀紧凑，酶柱上部同样垫上1cm高的玻璃纤维，拧紧填充柱两端接头使填充柱酶反应器密封。
上述步骤中，反应温度优选为40℃～60℃。
上述步骤中，反应时间优选为1h～2h。
在上述步骤B中，所述反应模式为反应底物经过至少一个填充柱酶反应器反应以后，进入产物罐。通常多个填充柱酶反应器可串联使用。
反应结束后，得到含有目标功能性油脂与脂肪酸的混合物，采用分子短程蒸馏设备或者酸碱中和配合蒸发的方法分离纯化得到茶油酶催化改性以后的功能性油脂。
反应效果以反应前后油脂中碳链脂肪酸摩尔含量(mol％)、中碳链脂肪酸与单不饱和脂肪酸油酸在甘油骨架上的位置分布来表示。
本发明的优点如下 (1)以我国优势木本油料来源的茶油为原料，采用脂肪酶为绿色生物催化剂，反应条件温和，不需要在高温要进行，能尽可能的保留茶油中的有益营养因子与抗氧化成分，避免反式酸的形成。
(2)反应中避免使用传统的化学催化剂及有机溶剂介质，减少了副反应的发生和生产成本，提高了操作安全性，属于环境友好型生产方式。
(3)在特异性脂肪酶催化作用下得到的功能性油脂中特定的脂肪酸位于甘油骨架特定的位置，有利于最大程度的发挥中碳链脂肪酸与油酸在人体内的代谢优势。
(4)采用填充式固定床反应器，避免了酶与原料混合反应模式中酶用量大的缺点，避免了搅拌等操作对酶活性的影响，有效地简化了酶与产物的分离，同时可以提高产物油脂甘油骨架sn-1，3位上的中碳链脂肪酸比例。
(5)通过在原料中添加适量水分的方法不仅提高了功能性油脂中中碳链脂肪酸的含量(即合成率)，起到促进反应进行的作用，而且极大地延长了固定化脂肪酶的寿命，提高了固定化脂肪酶的有效重复利用次数，显著降低了成本，有利于促进该技术的规模化应用与产品的工业化生产。
(6)所得到的功能性油脂在食品、化妆品、功能性添加剂、药品等领域均有重要作用。
(7)此外，本发明以我国的特色优势木本油料来源的茶油和中碳链脂肪酸为反应原料，原料易得，而且有利于提高我国特色油源的附价值。
图1为本发明中所用的一种流程及装置示意图， 1原料罐，2恒流泵，3填充柱，4水循环温度控制器， 5产物罐，6温度控制器。
具体实施例方式 实施例1 将摩尔比为1∶4的茶油和辛酸放入原料罐(带搅拌装置)，加入原料重量1.0％的水，混合均匀得到反应底物，保持底物温度为60℃并以0.5ml/min流速从反应器底部通过装有Lipozyme RM(购自Novozyme公司)的填充柱酶反应器(内径2.6cm，外径4.2cm，酶填充高度18.5cm，装酶量为35g；温度60℃)进入产物收集罐，底物与固定化脂肪酶的接触时间为2h，如图1所示。反应产物经分子蒸馏分离后除去游离脂肪酸得到改性后的功能性油脂，茶油原料与功能性油脂的脂肪酸组成(mol％)与脂肪酸位置分布见表1。
得到的功能性油脂中辛酸摩尔含量为45.77％，即100g油脂中含辛酸30.2g，其中99％的辛酸位于sn-1，3位，sn-2位单不饱和脂肪酸油酸含量高达84.59％；每克产物的燃烧值比原料油脂下降6-8％；因此，该产物是一种理想的富含单不饱和脂肪酸油酸的快速供能、低热量油脂。由于产物中饱和脂肪酸辛酸替代了原料油中的不饱和脂肪酸，使产物不饱和度降低。因此，本发明得到的快速供能、低热量油脂具有比原料茶油更好的氧化稳定性与储藏稳定性。
表1
注表1中各脂肪酸的量为摩尔百分含量，其中C8:0辛酸，C16:0棕榈酸，C18:0硬脂酸，C18:1油酸，C18:2亚油酸，C18:3亚麻酸，C20:1二十碳稀酸。
本发明中，通过直接在原料中添加适量水的方法达到延长酶使用周期的目的。原料中不添加水，本发明体系中固定化酶半衰期仅约为17天。在原料中添加适量的水，固定化酶连续使用1.5个月，酶催化茶油改性的效果基本保持稳定，即实施例1中功能性油脂的辛酸摩尔含量稳定在45-48％范围内。
实施例2 操作步骤同实施例1，不同之处在于底物以1.5ml/min流速从反应器底部通过填充柱酶反应器，底物与固定化脂肪酶的接触时间为0.7h，加入的水为原料重量的0.5％，如图1所示。反应产物除去其中的游离脂肪酸得到功能性油脂，其中辛酸摩尔含量为39.57％。固定化酶的使用周期超过1.5个月。
实施例3 操作步骤同实施例1，不同之处在于茶油与辛酸的摩尔比为1∶1，加入的水为原料重量的0.1％，反应温度为30℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩尔含量为23.03％。固定化酶的使用周期超过1.5个月。
实施例4 操作步骤同实施例1，不同之处在于茶油与辛酸的摩尔比为1∶1，加入的水为原料重量的1.2％，反应温度为70℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩尔含量为26.35％。
实施例5 操作步骤同实施例1，不同之处在于茶油与辛酸的摩尔比为1∶12，加入的水为原料重量的1.5％，反应温度为40℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩尔含量为43.97％。
实施例6 操作步骤同实施例1，不同之处在于茶油与辛酸的摩尔比改为1∶10，加入的水为原料重量的2.0％，催化温度为70℃，茶油酶催化得到的功能性油脂中辛酸摩尔含量为60.34％。
实施例7 将茶油与辛酸放入原料罐，两者摩尔比约为1∶4，混合均匀并加热至60℃，底物从装有固定化脂肪酶Lipozyme TL(购自Novozyme公司)的填充柱反应器(内径1.1cm，外径2.6cm，酶填充高度17.5cm，装酶量约为6g；温度60℃)底部以0.15ml/min的流速通过反应器，底物与固定化脂肪酶的接触时间为2.2h。除去反应产物中的游离脂肪酸，用GC和HPLC测定产物中脂肪酸组成、辛酸合成率以及脂肪酸位置分布，结果见表2。得到的功能性油脂中辛酸(mol％)为38.12％，其中95.5％的辛酸位于sn-1，3位上；sn-2位单不饱和脂肪酸油酸(mol％)为79.48％。
表2
注表2中各脂肪酸的量为摩尔百分含量，其中C8:0辛酸，C16:0棕榈酸，C18:0硬脂酸，C18:1油酸，C18:2亚油酸，C18:3亚麻酸，C20:1二十碳稀酸。
权利要求
1.一种茶油酶催化改性制备功能性油脂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
A、以茶油与中碳链脂肪酸为原料，茶油与中碳链脂肪酸的摩尔比为1∶1～1∶12，加入原料重量0.01％～2％的水，混合均匀，获得反应底物；
B、将反应底物预热到反应温度，逆流通过装填有1，3-特异性固定化脂肪酶的填充柱酶反应器，反应温度为30℃～80℃，反应时间为0.5h～3h，获得反应产物；
C、反应产物经分离除去游离脂肪酸，获得茶油改性后的功能性油脂；其中所述功能性油脂中，中碳链脂肪酸主要位于甘油三酯sn-1，3位，单不饱和脂肪酸油酸主要位于甘油三酯sn-2位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述中碳链脂肪酸为辛酸、癸酸、月桂酸中的一种或一种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述茶油与中碳链脂肪酸的摩尔比为1∶2～1∶10。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于加入原料重量0.10％～1％的水。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述1，3-特异性固定化脂肪酶为从毛霉属、根霉属、曲霉属、细菌或酵母菌来源的微生物生产的脂肪酶。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述1，3-特异性固定化脂肪酶为Lipozyme TL、Lopozyme RM、Novozyme-435脂肪酶。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应温度为40℃～60℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应时间为1h～2h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤B中，所述反应模式为反应底物经过至少一个填充柱酶反应器反应以后，进入产物罐。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤C中，采用分子短程蒸馏设备或者酸碱中和配合蒸发的方法分离除去游离脂肪酸，获得茶油改性后的功能性油脂。
全文摘要
本发明公开了一种茶油酶催化改性制备功能性油脂的方法。该方法以茶油与中碳链脂肪酸为原料，以1∶1～1∶12的摩尔比混合，加入原料重量0.01％～2％的水，在非水相体系中不以有机溶剂为介质，逆流通过装填有1，3-特异性固定化脂肪酶的填充柱酶反应器，在30℃～80℃反应0.5h～3h，产物分离后得到具有快速供能、低热量功能的油脂，其中所述功能性油脂中，中碳链脂肪酸主要位于甘油三酯sn-1，3位，单不饱和脂肪酸油酸主要位于甘油三酯sn-2位。本发明通过在原料中添加适量水达到保持酶稳定的催化活性、延长酶使用周期的良好效果。
文档编号C12P7/64GK101736047SQ201010104448
公开日2010年6月16日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者王瑛瑶, 栾霞, 陈翔, 杜传林, 侯冰冰, 徐学兵 申请人:国家粮食局科学研究院