碱性脂肪酶催化大豆油合成生物柴油

[摘要]以叔丁醇为反应介质，研究碱性脂肪酶加入量、醇油摩尔比、甲醇加入次数和加入时间、反应温度、反应时间对酯交换合成生物柴油的转化率影响，得到最佳的反应条件：酶的加入量为每1mmol大豆油加入256U；醇油摩尔比4:1；反应温度32℃；摇床转速150r/min；反应时间48h；甲醇分四次加入（t＝0，4，12，28h），每次加入总量的1/4。用气相色谱测定，其转化率达到90.1%。

[关键词]脂肪酶酯交换生物柴油

生物柴油是由可再生的动植物油脂与短链醇（甲醇或乙醇）经转酯化反应制得的脂肪酸酯（甲酯或乙酯），生物柴油一般由不饱和脂肪酸甲酯（如油酸甲酯、亚麻酸甲酯、亚油酸甲酯等）与饱和脂肪酸甲酯（如软脂酸甲酯、硬脂酸甲酯等）组成[1]，各种甲酯的含量也是不一样的。它是一种可再生、易生物降解的绿色能源，燃烧后无毒，属环境友好型燃料[2]，面对生物能源短缺和环境污染的今天，它可以作为生物能源的补充甚至替代品，因而显得特别重要。目前工业上主要是用动植物油脂与甲醇在酸碱催化剂条件下酯化合成，但存在反应废液污染环境、转化率较低、产物分离很困难等缺点。

用脂肪酶代替酸碱催化剂催化合成生物柴油的报道已有很多。如Yomi Watanabe，Yuji Shimada，Weiyang Zhou等都用脂肪酶催化动植物油脂合成生物柴油[3-5]。利用酶法合成生物柴油条件温和、醇用量少、产物易分离、反应废液排放无污染、生物柴油燃烧对环境无污染、可再生。但目前的主要瓶颈是：酶的成本比较高和寿命短，低碳醇转化率低[6-7]。随着世界范围能源短缺的出现，以及人们对环境保护的日益重视，研究生物柴油这一绿色环保型燃料，不仅可以开发出新型能源，而且可充分利用我国的土地资源，调整农作物结构，促进农业的发展，同时还可促进新兴的生物柴油工业的发展，从而产生巨大的社会效益和经济效益。国产扩展青霉碱性脂肪酶是一种生物催化剂，现在已经广泛用于医药、食品、洗涤剂、饲料、轻工业等行业，是发展前景广阔的工业酶制剂[8-10]。用国产碱性脂肪酶催化生物柴油的合成正在填补酶法合成生物柴油的空白。本文利用碱性脂肪酶在叔丁醇有机介质中催化大豆油进行酯交换反应合成生物柴油，采用气相色谱法检测合成产物，用单因素实验对其制备工艺进行优化，得出了酶法酯交换合成生物柴油的最佳反应条件。

1材料与方法

1.1 材料和仪器

大豆油：市购金龙鱼转基因一级大豆油；扩展青霉碱性脂肪酶：由福建师范大学生命科学学院提供；叔丁醇：化学纯；其他试剂均为分析纯。

恒温摇床：KYC-100型；电子分析天平：型号TG328A；气相色谱：6890型。

1.2 实验体系的构建

在100ml的三角瓶中，加入1mmol的大豆油、一定量甲醇、5ml叔丁醇组成非水相酯交换反应体系，加入一定量的脂肪酶粉，混合均匀。于一定的温度条件下，在恒温摇床中以150r/min的速度旋转振荡，定时取样分析。

1.3 气相色谱法测定转化率

气相色谱分析条件：柱温采用程序升温:第一阶段,初始温度170℃,保持0.5min；第二阶段，以升温速率4℃/min升至200℃，保持1min；第三阶段以升温速率3℃/ min升至250℃,保持20min，进样器温度280℃，检测器温度280℃。

2结果与讨论

2.1 脂肪酶酶活对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、醇油摩尔比3:1，t=0，8，16时分别加入甲醇总量的1/3、反应温度28℃、转速150r/min，反应时间24h，探讨酶量对酯交换转化率的影响。从图1中看出，脂肪酶量在20～100mg内的酯交换转化率变换比较明显，增加到120mg时反而有下降的趋势。这是因为过大的酶量可能造成酶的团聚，从而增加反应过程中的传质阻力[11]，因而最佳脂肪酶量为100mg。 用经典橄榄油乳化法[12]测定脂肪酶酶活力2560U/g，因此，每1mmol大豆油加入256U为最佳加酶量。

2.2 醇油摩尔比对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、酶量100mg、反应温度28℃、转速150r/min，反应时间24h，t=0，8，16h时分别加入甲醇总量的1/3，探讨醇油摩尔比对酯交换转化率的影响。从图2可以看出，醇油摩尔比为4:1时，酯交换转化率相对较高，再增加摩尔比，转化率反而下降。这主要是由于随着甲醇浓度的增加，甲醇对脂肪酶起到蛋白质变性的作用[13]，从而导致反应转化率降低。因此，甲醇和大豆油的摩尔比取4:1为最好。

2.3 甲醇加入次数对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、酶量100mg、反应温度28℃、转速150r/min，反应时间24h，探讨甲醇加入次数对酯交换转化率的影响（二次：t=0，12h分别加入总量的1/2；三次：t=0，8，16h分别加入总量的1/3；四次t=0，6，12，18h分别加入总量的1/4；五次：t=0，5，10，15，20h分别加入总量的1/5）。从图3中看出：甲醇分四次加入转化率相对较高，分四次加入可以避免过多的甲醇对脂肪酶的抑制作用。

2.4 反应温度对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、醇油摩尔比4:1，t=0，6，12，18h时分别加入总量的1/4、酶量100mg、转速150r/min，反应时间24h，探讨反应温度对酯交换转化率的影响。温度低，转化率低，酯交换速率低，但温度过高会导致酶失活和甲醇挥发，降低固定化酶的使用寿命，所以适宜温度有利于酶活性的最佳发挥。从图4中可以看出：反应温度为32℃时，酯交换转化率相对较高。

2.5 反应时间对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、醇油摩尔比4:1，t=0，6，12，18h时分别加入总量的1/4、酶量100mg、反应温度32℃、转速150r/min，探讨反应时间对转化率的影响。对于酯交换这个可逆平衡反应，如图5所示，从0～48h，转化率随时间的延长变化较显著；反应时间从48h增加到60h，转化率变化非常小，说明反应进行到48h时已基本达到平衡，再延长反应时间，转化率也不会有明显的提高，而且还会增加能量的消耗、时间的浪费和仪器的磨损。因此，最适反应时间选择为48h。

2.6 甲醇加入时间对合成转化率的影响

反应体系为5ml叔丁醇、醇油摩尔比4:1、酶量100mg、反应温度32℃、转速150r/min，探讨甲醇加入时间（方式1: t=0,8,16,24h；方式2: t=0,4,12,28 h；方式3: t=0,12,24,36h）对转化率的影响。从图6看出，t=0,4,12,28h分别加入甲醇总量的1/4时，转化率较高。根据酶促反应动力学[14]，反应初期大豆油的浓度比较大，故反应速率相对较快，消耗的甲醇就快，所以反应前期加入甲醇的间隔时间短，随着反应进行大豆油被消耗，反应速率变慢，故加入甲醇间隔时间应增长。故甲醇加入时间为t＝0，4，12，28h时分别加入甲醇总量的1/4最为适宜。

2.7 酶催化酯交换合成反应转化率的测定

根据前述优化实验得到最佳反应条件进行生物柴油的生物合成：叔丁醇5ml；醇油摩尔比4:1；t＝0，4，12，24h分别加入甲醇总量的1/4；每1mmol大豆油中加入碱性脂肪酶100mg；反应温度32℃；摇床转速150r/min。反应48h后，取样经处理并按1.3的方法进行气相色谱分析，得到气相色谱图（图7）。图中，保留时间分别为10.502、14.68、15.211、16.319、17.703min其对应的组分分别为棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯、亚麻酸甲酯，求出转化率达90.1%。

3结论

国产扩展青霉碱性脂肪酶在以叔丁醇为反应介质中催化合成生物柴油的最佳工艺条件为: 在100ml三角瓶中加入叔丁醇5ml；醇油摩尔比4:1；甲醇的加入方法为在反应时间t＝0，4，12，28时分别加入甲醇总量的1/4；每1mmol大豆油中加入酶活为256U的酶量；反应温度为32℃；在摇床中以150r/min的转速旋转振荡；反应48h后，转化率达到90.1％。

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