CN102965404A - 一种高纯度甘油二酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯度甘油二酯的制备方法，包括以下步骤：1）利用偏甘油酯脂肪酶催化脂肪酸供体与甘油反应合成含有甘油二酯和单甘油酯的混合物，将上述混合物进行离心分离，回收上层油相；2）利用单甘油酯脂肪酶催化步骤1)得到的油相中的单甘油酯与羟基供体反应转化成非甘油酯；3）将步骤2）中得到的混合物中非甘油酯成分与甘油二酯进行分离，得到高纯度的甘油二酯。本发明中，采取酶法选择性地除去混合物中的单甘油酯，简化了分离工艺，降低了分离工艺的能耗，很好地解决了混合物中MAG分离的问题。同时制备的产品中甘油二酯的含量高达98％以上。

Description

一种高纯度甘油二酯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高纯度甘油二酯的制备方法。

背景技术

甘油二酯(简称DAG)是由丙三醇（甘油）与两个脂肪酸酯化后得到的产物，是油脂的天然成分，也是油脂代谢的中间产物。甘油二酯功能性食用油是以天然食用油为原料、通过酶法或化学法改性而成的新型油脂，具有明确的防止肥胖、降血脂等功能且食用安全，作为普通食用油的换代产品，可以从根本上缓解由于高油脂、高热量的膳食结构所引起的肥胖、高血酯、糖尿病等慢性疾病日益流行的现状，在不改变现有饮食习惯的前提下调节人体亚健康水平及遏制相关慢性病的发生与发展。天然油脂中DAG的相对含量主要依据食用油的来源而不同，如橄榄油含有5.5%的甘油二酯，棉籽油中为9.5%。

由于脂肪酶可以在温和的条件下催化油脂改性，对油脂的品质和不饱和脂肪酸有很好的保护作用，因此近年来关于酶法合成甘油二酯的研究引起了越来越广泛的关注。高纯度的甘油二酯产品，是继续进行甘油二酯物化性质以及生理功能研究的重要原材料，也是甘油二酯生产工艺的发展方向之一。脂肪酶催化脂肪酸与甘油或脂肪酸低碳烷基酯与甘油通过酯化或酯交换反应是合成甘油二酯的重要途径，也是目前用来规模化制备较高纯度甘油二酯的唯一途径，与其他方法相比，该方法实现规模化生产的可行性大，得到的甘油二酯的纯度更高。控制酯化反应过程中产生的甘油三酯，是提高产物中DAG纯度的关键。

现有的甘油二酯合成工艺中一般含有甘油三酯和单甘油酯（MAG），由于甘油三酯与甘油二酯难以有效分离，使得产品中DAG的纯度较低；利用脂肪酶对甘油酯底物的特异性，可以首先利用偏甘油酯脂肪酶将酰基供体转化成含有DAG和MAG的混合物，然后通过分子蒸馏等工艺将反应混合物中的MAG和未反应的酰基供体分离除去。本课题组的研究表明，利用蒸馏的方式除去MAG需要较高的蒸发温度，这就导致了工艺的能耗提高，而且不适用于一些含有受热易氧化的脂肪酸的产品。

发明内容

为克服传统的高纯度甘油二酯合成工艺中MAG不易分离的缺陷，本发明提供一种高纯度甘油二酯的制备方法。在本发明中，采用偏甘油酯脂肪酶催化脂肪酸供体与甘油反应合成含有DAG和MAG的混合物，再利用单甘油酯脂肪酶将混合物中的MAG转化成非甘油酯形式，最后经过分离工艺获得高纯度的甘油二酯产品。

本发明的技术方案如下：

一种高纯度甘油二酯的制备方法，包括以下步骤：

1）利用偏甘油酯脂肪酶催化脂肪酸供体与甘油反应合成含有甘油二酯和单甘油酯的混合物，将上述混合物进行离心分离，回收上层油相；

2）利用单甘油酯脂肪酶催化步骤1)得到的油相中的单甘油酯与羟基供体反应转化成非甘油酯；

3）将步骤2）中得到的混合物中非甘油酯成分与甘油二酯进行分离，得到高纯度的甘油二酯。经过以上反应，反应产物中包括甘油二酯、脂肪酸或脂肪酸低碳烷基酯，对于该产物系统，一般是采用分子蒸馏或短程蒸馏的方式分离，根据物料的沸点的不同将以上各组分进行分离，得到以甘油二酯为主要组分的高温馏分，即为目的产物。

优选地，步骤1）中所述的脂肪酸供体为脂肪酸、脂肪酸低碳烷基酯或是含有脂肪酸、脂肪酸低碳烷基酯的原料中的一种或两种以上的混合物；步骤2）中所述羟基供体为水和短链醇中的一种或两种的混合物。

优选地，所述脂肪酸为具有6~22个碳原子的脂肪酸中的一种或两种以上的混合物。

优选地，所述脂肪酸低碳烷基酯为甲酯、乙酯、丙酯、丁酯、戊酯中的一种或两种的混合物。

优选地，所述短链醇甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇中的一种或两种以上的混合物。

优选地，采用程序降温的方法，将步骤2）中酶反应的温度控制在单甘油酯（MAG）混合物的熔点区间。

优选地，所述程序降温的方法为每小时降低5~10℃，降至30℃持续1个小时。

优选地，步骤1）中所述脂肪酸供体与甘油的摩尔比1:（0.3~4）；步骤2）中所述单甘油酯（MAG）与羟基供体的摩尔比1:（4~10）。

优选地，所述偏甘油酯脂肪酶的添加量为基于步骤1）反应混合物总质量120~240U/g；所述单甘油酯脂肪酶的添加量为基于步骤2）反应混合物总质量100~200U/g。

优选地，步骤1）中所述的偏甘油酯脂肪酶是LipaseSMG1、LipaseG50中的一种或两种；步骤2）中所述的单甘油酯脂肪酶为单甘油酯脂肪酶MGL、单甘油酯脂肪酶bMGL中的一种或两种。

利用偏甘油酯脂肪酶的产物特异性，可以将脂肪酸的酰基供体转化成以DAG和MAG为主的甘油酯混合物，混合物中不含有TAG，产物中的DAG分离纯化后可以得到纯度在90%以上的甘油二酯产品。但是，众所周知，MAG是一种常见的非离子型乳化剂，具有较强的乳化性，不能利用碱中和的方式除去，一般是通过分子蒸馏的方式进行分离。但是由于单甘油酯的分子量较大，在通过分子蒸馏时所需的蒸发温度较高，使得一些受热易氧化的脂肪酸容易受到破坏，加重了后续分离提取的负担和难度。本发明步骤2）是在步骤1）的反应基础上，取步骤1）反应物的油相，加入水或短链的醇，该混合物经单甘油酯脂肪酶催化，选择性地将步骤1）产物中的MAG转化成脂肪酸或脂肪酸的低碳烷基酯。这就使得所需分离的成分为DAG和脂肪酸或脂肪酸的低碳烷基酯的混合物，脂肪酸可以通过碱中和的工艺除去，脂肪酸和脂肪酸的低碳烷基酯也可以通过萃取工艺或者分子蒸馏的工艺在较低的蒸发温度下除去，优选分子蒸馏的方式除去脂肪酸。

利用单甘油酯脂肪酶可以选择性地将MAG转化成非甘油酯形式，如脂肪酸或脂肪酸的短链醇酯，这就可以利用较低的蒸馏温度对混合物中的DAG进行分离纯化，降低了分离工艺的能耗，同时可以避免高温对易氧化脂肪酸产生的损伤。但是，发明人研究表明，单甘油酯脂肪酶在恒定的温度下催化油脂混合物中的MAG与羟基供体反应时，存在反应进程慢或者反应不彻底的现象。进一步的研究发现，在单甘油酯脂肪酶催化MAG与羟基供体反应时，在单甘油酯脂肪酶不失活的温度范围内，温度越高反应速率越快，但是在反应达到平衡时MAG的去除程度反而越小；而在MAG的熔点的温度下进行反应时，反应速率低，但是MAG的去除程度高。因此，综合考虑反应速率和MAG的去除效果，本发明在利用单甘油酯脂肪酶催化MAG与羟基供体进行反应时采用程序降温的方式，温度范围为底物中MAG的熔点区间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明中，采取酶法选择性地除去混合物中的单甘油酯，简化了分离工艺，降低了分离工艺的能耗，很好地解决了混合物中MAG分离的问题。

（2）本发明在步骤1）的基础上，通过增加了步骤2）操作，弥补了步骤1）反应的不足，将步骤1）反应产物中的单甘油酯转化成非甘油酯成分，使后续的分离工艺得到了简化。

（3）步骤2）中酶法选择性地去除MAG的反应，采用程序降温的方法，温度控制范围为MAG的熔点区间，可以在保证MAG的去除效果的同时，提高了反应速率。

（4）本发明所使用的偏甘油酯脂肪酶不合成甘油三酯，单甘酯脂肪酶只能催化单甘油酯发生反应，因此本方法制备的产品中甘油二酯的含量高（98%以上）。

具体实施方式

以下通过实施例更详细地介绍本发明的实施。在所述实施例中，所有百分比均以质量计。

实施例1

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和184g甘油（摩尔比为1:2）和4.7g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于单甘油酯（MAG）摩尔数4倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶MGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，程序降温（反应起始温度为60℃，每小时降低10℃，降至30℃，在30℃持续1个小时），反应4h后水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

实施例2

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseG50，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数4倍的无水乙醇，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，程序降温（反应起始温度为60℃，每小时降低10℃，降至30℃，在30℃持续1个小时），反应4h后水解反应产物组成见表1。醇解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸或脂肪酸乙酯得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

实施例3

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数6倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，程序降温（反应起始温度为60℃，每小时降低10℃，降至30℃，在30℃持续1个小时），反应4h后水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

实施例4

取295g的油酸乙酯（脂肪酸组成为：80%的油酸乙酯，10%的亚油酸乙酯，2%的硬脂酸乙酯，8%的棕榈酸乙酯）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.7g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数6倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，程序降温（反应起始温度为60℃，每小时降低10℃，降至30℃，在30℃持续1个小时，反应4h后水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

对比实施例1

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

对比实施例2

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度170℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

对比实施例3

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数2倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，控制反应温度为60℃，反应24h，水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

对比实施例4

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数6倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，控制反应温度为恒温60℃，反应4h后水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

对比实施例5

取285g油酸（脂肪酸组成为：80%的油酸，10%的亚油酸，2%的硬脂酸，8%的棕榈酸）和368g甘油（摩尔比约为1:4）和6.5g蒸馏水，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的恒温磁力搅拌器上反应，加入基于反应混合物总质量240U/g的偏甘油酯脂肪酶LipaseSMG1，控制反应温度为25℃；反应24h后，将酯化产物混合物进行离心分离，回收上层油相，产物组成见表1。回收得到的油相中添加相对于MAG摩尔数6倍的水，基于反应混合物总质量200U/g的单甘油酯脂肪酶bMGL，装入具塞三角瓶中混合均匀，并置于转速为400rpm的磁力搅拌器上反应，控制反应温度为恒温30℃，反应24h后水解反应产物组成见表1。水解反应产物离心后对上层油相进行分子蒸馏，分离除去其中的脂肪酸得到以甘油二酯为主要成分的产物。分子蒸馏的主要操作参数为蒸发温度130℃，真空压力为10Pa，分子蒸馏后产品中的DAG含量见表1。

表1

Claims (10)

1.一种高纯度甘油二酯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用偏甘油酯脂肪酶催化脂肪酸供体与甘油反应合成含有甘油二酯和单甘油酯的混合物，将上述混合物进行离心分离，回收上层油相；

2）利用单甘油酯脂肪酶催化步骤1)得到的油相中的单甘油酯与羟基供体反应转化成非甘油酯；

3）将步骤2）中得到的混合物中非甘油酯成分与甘油二酯进行分离，得到高纯度的甘油二酯。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的脂肪酸供体为脂肪酸、脂肪酸低碳烷基酯或是含有脂肪酸、脂肪酸低碳烷基酯的原料中的一种或两种以上的混合物；步骤2）中所述羟基供体为水和短链醇中的一种或两种的混合物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸为具有6~22个碳原子的脂肪酸中的一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸低碳烷基酯为甲酯、乙酯、丙酯、丁酯、戊酯中的一种或两种的混合物。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述短链醇甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇中的一种或两种以上的混合物。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的制备方法，其特征在于，采用程序降温的方法，将步骤2）中酶反应的温度控制在单甘油酯混合物的熔点区间。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述程序降温的方法为每小时降低5~10℃，降至30℃持续1个小时。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述脂肪酸供体与甘油的摩尔比1:（0.3~4）；步骤2）中所述单甘油酯与羟基供体的摩尔比1:（4~10）。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的制备方法，其特征在于，所述偏甘油酯脂肪酶的添加量为基于步骤1）反应混合物总质量120~240U/g；所述单甘油酯脂肪酶的添加量为基于步骤2）反应混合物总质量100~200U/g。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的偏甘油酯脂肪酶是LipaseSMG1、LipaseG50中的一种或两种；步骤2）中所述的单甘油酯脂肪酶为单甘油酯脂肪酶MGL、单甘油酯脂肪酶bMGL中的一种或两种。