脂肪酶生产生物柴油研究进展

【摘要】生物酶催化酯交换反应由于其较高的转化率以及为了回收副产物和纯化生物柴油所需采用的下游处理工艺相对简单，受到了较大程度的关注。酯交换反应的生物催化使用商品纯化酶占据了成本的主要部分。然而，具有更好成本-收益比的基于胞外酶和胞内酶固定化的技术促进了催化剂的重复使用性。其他影响因素，包括醇和甘油的存在以及水的活度都能对脂肪酶的活性以及反应过程中的稳定性产生深远的影响。

【关键词】生物柴油；脂肪酶；酯交换反应；影响因素

0.引言

当前世界的能源消耗主要是来自地壳中的化石燃料，包括气态和液态的碳氢化合物（天然气和石油）以及固态燃料（煤），并且在可以预见的未来将维持这样的情况。然而，能源安全和环境问题已经强烈要求全球范围发展可持续、可替代的运输燃料。作为一种可生物降解的无毒燃料，生物柴油可以替代化石燃料，已经吸引了广泛的关注。

1.生物柴油的原料

当前世界上生物柴油的生产大部分来源于可食用植物油，导致了与食物生产的冲突。缺乏足够的油料也限制了生物柴油产业化的扩大。因此，诸如麻疯树油，餐饮废油以及微藻油灯不可食用油表现为下一代生物柴油的可持续、可替代原料。

2.酯交换反应

植物油主要由甘油三酸酯组成，还包括游离脂肪酸、磷脂、固醇、水和其他杂质。酯交换反应是从甘油三酸酯生产生物柴油的第一步反应。酯交换反应属于醇解反应的一种，是酯中的醇被另一种醇取代的过程，类似于水解，不同的是用醇替代了水。

虽然化学催化酯交换反应可以在短时间内得到可接受的转化率，这种反应还是有一些弊端的，比如说能耗高、甘油的回收有难度、酸催化剂或碱催化剂必须从产品中分离，废水需要处理并且游离脂肪酸和水对反应有干扰。因此，使用脂肪酶作为生物催化剂的酶法甲醇分解反应已经成为更具有吸引力的生物柴油生产方法，因为这种方法可以克服以上这些缺陷。

3.脂肪酶作催化剂

脂肪酶（甘油三酸酯水解酶，EC3.1.1.3）是一种普遍分散在高级动植物体内的酶，对脂类的生物转化起着很关键的作用。从多种微生物（包括细菌、酵母、藻类）中可以分离纯化得到各种各样的脂肪酶。

3.1胞外脂肪酶

3.1.1纯化脂肪酶

许多从各种各样微生物中提取的商品脂肪酶已经用于催化醇解甘油三酸酯生产生物柴油。粉末状的商品脂肪酶可以直接用于非水溶液介质或者水溶液系统中的分散形式。有研究发现从洋葱假单胞菌中提取的脂肪酶在有水存在的条件下对甲醇的抗性相对较好。粉末状的脂肪酶很难回收用于后续操作，因此，认为其成本-收益不符合产业化生产生物柴油的要求。

3.1.2固定化胞外酶

改进的固定化技术使得脂肪酶能够具有很好的操作稳定性以及重复使用性。各种固定化技术已经开展用于固定化脂肪酶生产生物柴油，即吸附法、交联法、包埋法以及胶囊法。Hsu等[1]研究了用页硅酸盐溶胶凝胶基质固定化的洋葱假单胞菌和洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶催化牛油合成烷基酯。洋葱假单胞菌脂肪酶被固定于一种具有化学惰性的疏水溶胶-凝胶载体中使用，通过水解四甲氧基硅烷和异丁基三甲氧基硅烷的缩聚可以得到凝胶包埋脂肪酶。

3.2胞内脂肪酶

胞外脂肪酶在用作生物催化剂之前需要复杂的纯化过程，而能过产生胞内脂肪酶的微生物细胞则可以直接用作全细胞生物催化剂，并且能在较低的成本下获得较好的甘油三酸酯转化率。

3.2.1非固定化全细胞脂肪酶

在已经建立的全细胞生物催化剂系统中，丝状真菌是一种坚固的全细胞生物催化剂。大量的真菌种属都能产生足够的脂肪酶，像黑霉和曲霉都被广泛用于全细胞生物催化剂。有研究者使用分离于酵母的干燥华根霉菌丝作为全细胞脂肪酶生物催化剂，用短链脂肪酸合成甲酯可以得到96.5%的脂肪酸甲酯得率。

3.2.2固定化全细胞脂肪酶。

有研究者使用菌丝结合全细胞脂肪酶，发明了一种用多孔生物质载体颗粒的固定化技术。相对于其他用于产业化的方法，这种方法有多种优势，比方说，不需要化学添加剂；不需要试制细胞；不必对载体颗粒进行无菌操作；底物和产物在BSP中有很好的传质速率；颗粒可以重复使用；颗粒有较强的抗剪切性能；生物反应器规模容易扩大；成本较低。

4.影响酶催化酯交换反应的因素

酶催化甲醇解反应的反应速率有很多影响因素，主要包括温度、醇类、水分和甘油。

4.1温度

总的来说，酶催化酯交换反应比化学催化反应反应温度更低，可以减小酶活性的损失。为了降低生物柴油生产过程中的能耗需要采取很低的反应温度。有研究者[2]报道用米根霉甲醇解餐饮废油，在反应温度超过40℃时，会导致脂肪酶活性降低。

4.2醇类

短链醇可以使酶的亲水端发生改性，导致其失活。当往反应系统中添加醇类时，有机相需要更高的极性，这就使得水向流动相转移。因此，由于商品酶中水分的去除使得这种作用受到抑制。一般的，当底物处于溶解状态时，脂肪酶可以就能够充分地催化反应的进行。

4.3水分

同低水分含量有机介质一样，水分对非水溶液介质中的酶的热力学稳定性和活性都很重要，因为其对蛋白质的三维结构起着关键的作用，不管是固体状态还是溶液状态。水分的作用也许是同官能团形成氢键，从而可以隔绝离子化基团之间的静电作用并且使得折叠多肽链中的肽键单元和极性侧基之间的偶极-偶极作用被中和。

4.4甘油

甘油是酯交换反应的主要副产物，对酶活性有抑制作用。生成的甘油不溶于油和有机溶剂，因而会限制底物和产物的扩散从而阻碍催化反应的进行。在一个固定化床反应器中，甘油的高粘度使其保留在反应器底部。甘油干扰底物向脂肪酶分子扩散，并且反应效率的降低使得未反应的甲醇量逐渐增加了。过量的甲醇从甘油酯和甲酯层向甘油层转移，脂肪酶则被甘油层更高浓度的甲醇导致失活。一般的，吸附分离过程可以减少甘油的副作用。

5.结论

生物柴油作为一种行之有效的矿物石化柴油的替代燃料，在近些年来一直受到重视。至今大部分关于酯交换反应的研究都是使用可食用的植物油。通过使用不可食用的原料（像餐饮废油、麻疯树和微藻类植物油）可以增加生物柴油生产的可持续性。　[科]

【参考文献】

［１］Hsu AF,Jones KC,Foglia TA et al.Continuous production of ethyl esters of grease using an immobilized lipase[J].Journal of the American Oil Chemists’ Society,2004(81):749-752.

［２］Chen G,Ying M,Li W.Enzymatic conversion of waste cooking oils into alternative fuel-biodiesel[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2006(129-132):911-921.