新疆棉籽油脱臭馏出物酶法甲酯化工艺研究

郭文波，田童童，童军茂，张 建

（石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832003）

新疆棉籽油脱臭馏出物酶法甲酯化工艺研究

郭文波，田童童，童军茂，张 建*

（石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832003）

以新疆棉籽油脱臭馏出物为研究对象，采用Novozyme435脂肪酶催化其中的游离脂肪酸进行甲酯化反应，通过单因素试验对影响酯化反应的反应温度，反应时间，酶用量及酸醇比4个因素进行优化，选取最佳的工艺参数。在单因素试验的基础上应用响应面设计确定最优的棉籽油脱臭馏出物脂肪酸甲酯化反应的工艺参数。结果表明，棉籽油脱臭馏出物甲酯化最优工艺条件是反应温度60℃，酶用量62.86 plu/g，反应时间9 h和酸醇比1.00∶1.65（g∶mL），模型预测酯化率97.27%，实际试验值为（97.09±0.09）%，基本与预测值一致。

棉籽油脱臭馏出物；固定化脂肪酶；甲酯化

棉籽油脱臭馏出物是棉籽油精炼脱臭时产生的副产物，其主要由游离脂肪酸、甘油酯、甾醇、甾醇酯、维生素E和氧化副产物如醛、酮、烃等组成。近年来，随着社会生产力及科学技术的不断发展，我国的油脂行业也在以惊人的速度向前发展，油脂精炼生产规模不断扩大，脱臭馏出物作为其副产物也在不断的积累。通过甲酯化的处理，游离脂肪酸可以转化为脂肪酸甲酯，甲酯化可使植物甾醇从原料中析出，过滤后可进一步提高生育酚的纯度[1-6]。

目前，用于催化脂肪酸甲酯化的试剂主要有浓硫酸、浓盐酸、离子交换树脂及各类脂肪酶。利用浓硫酸、浓盐酸进行催化有反应时间短，成本低，酯化率高等优点，其酯化率高达95%以上，且在整个反应过程中因反应条件较为温和，所以生育酚几乎都被保留下来，但硫酸与盐酸属于强酸性化学试剂，在实际工业生产中，对生产设备有很强的腐蚀性。为避免设备的腐蚀，可采用强酸性阳离子交换树脂作为催化剂。这样的交换树脂可以重复利用，酸性强但对设备腐蚀性极弱，树脂孔径较大，活性好，但也存在反应时间较长、价格昂贵，活化及再生处理繁琐等缺点。近十几年来，各种脂肪酶在甲酯化工艺中应用较广，如Novozyme 435，lipozyme TL IM等。生物酶催化反应条件温和，选择性高，但反应时间普遍较长，且成本较高[7-11]。

新疆是中国重要的优质商品棉生产基地，棉花年产量约占全国六分之一，出口量占到一半，2013年新疆兵团棉花播种面积达882.78万亩，相比往年增长7.1%[12-17]。在为国家提供大量优质棉花的同时产生大量的棉籽。棉籽的主要用途是加工成棉籽油，新疆棉籽油产量居于全国前列，以目前新疆棉籽油产量40万t来计算，脱臭馏分按植物油处理量的0.3%计算，可利用的棉籽油脱臭馏出物为1 200 t。

目前新疆棉籽油厂家仅仅把脱臭馏出物作为废料处理，造成了这一宝贵资源的巨大浪费，因此如何合理利用棉籽油脱臭馏出物，提高其附加值，减少脱臭馏出物对环境的污染，是新疆棉籽油加工企业亟待解决的问题。

鉴于此，本实验以新疆棉籽油脱臭馏出物为研究对象，采用Novozyme 435脂肪酶作为催化剂，通过单因素及响应面分析法对甲酯化的工艺参数优化，以期棉籽油脱臭馏出物的综合开发利用及增加其附加值提供有利的数据基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

棉籽油脱臭馏出物：石河子市康龙油脂有限公司。Novozym 435酶（10 000 plu/g）（plu/g指的是每一克酶生成的月桂酸丙酯单位）：丹麦诺维信公司；无水甲醇、无水乙醇、氢氧化钾等试剂均为分析纯：天津市福晨化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

10μL、100μL、1 000μL微量移液器：德国Eppendorf公司；FA1004电子天平：上海精科电子天平厂；DK-8D数显恒温水浴锅、85-1磁力搅拌器：江苏省金坛市医疗仪器厂；PHS-3C精密酸度计：上海仪电科学仪器股份有限公司；BL-206-II高速冷冻离心机：上海安亭科技仪器厂；1800紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 酶法甲酯化单因素试验

称取一定量的棉籽油脱臭馏出物样品置于250 mL锥形瓶中，置于恒温水浴锅中预热至预设温度分别为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，同时分别加入酸醇比为1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50、1∶1.75、1∶2.00（g∶mL）及Novozym 435酶用量分别为20 plu/g、40 plu/g、60 plu/g、80 plu/g、100 plu/g以开始不同反应时间分别是2 h、4 h、6 h、8 h、10 h的酯化反应[13-14]。反应过程中应不断的缓慢搅拌以使反应更加充分，反应结束后恒温下静置分层，然后弃去沉淀物，在真空状态下脱水，最后测定样品的的酸价并且计算酯化率。

1.3.2 响应面试验设计

试验对甲酯化反应温度，酶用量，反应时间，酸醇比做了系统的单因素考察，然后利用响应面分析法优化棉籽油脱臭馏出物甲酯化反应的工艺参数。试验采用Design-Expert8.0软件的中心组合设计（centralcomposite design，CCD）原理，以反应温度（A），酶用量（B），反应时间（C），酸醇比（D）4因素，以酯化率（Y）为响应值，设计4因素5水平共29个试验点，其中1～16为析因试验，17～24为星点试验，25～29为中心点试验。星点试验用来估算曲面的曲率，中心点试验用来估算试验的纯误差。所有的试验随机进行，每组试验至少重复3次。响应面中心组合设计的因素与水平编码如表1所示。

1.3.3 指标测定

酸价测定方法参考GB/T 5530—2005《动植物油脂酸值和酸度测定》。

2 结果与分析

2.1 反应时间对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响

将反应温度，酶用量和酸醇比分别设置为55℃，60 plu/g和1.00∶1.50（g∶mL），分析不同反应时间对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着反应时间的不断延长，棉籽油脱臭馏出物酯化率也在不断的增加，当反应时间达到8 h时，酯化率为95.78%；10 h时酯化率为95.96%。这可能是因为酯化反应是一个可逆的化学反应，反应始终都不能进行到底。尽管有脂肪酶的催化，但是随着反应时间的不断的延长，反应物不断减少，产物不断增加，从而使得酯化反应受到一定程度的限制，甚至会发生逆反应。因此，棉籽油脱臭馏出物的酯化率在8 h到10 h时趋于动态平衡。考虑到反应效率及成本因素，反应时间选取8 h为宜。

2.2 酶用量对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响

将反应时间，反应温度和酸醇比分别设置为8 h，55℃和1.00∶1.50（g∶mL），分析不同酶用量对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响，结果如图2所示。

由图2可知，随着酶用量的不断增加，棉籽油脱臭馏出物的酯化率在不断的上升，当酶用量达到60 plu/g时，酯化率达到最高，91.62%。继续增加脂肪酶的添加量，酯化率反而呈现下降的趋势，当酶用量为100 plu/g时，酯化率＜90%。这可能是因为酯化反应在脂肪酶的催化作用下反应加速，又因为该反应是可逆反应，在正反应增加的同时，逆反应也在迅速增加，酶浓度过大，反应总体系含水量过多，因此反应向逆方向进行，故酯化率呈现出下降的趋势。综上所述，60 plu/g为最佳酶用量。

2.3 反应温度对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响

将反应时间，酶用量和酸醇比分别设置为8 h，60 plu/g 和1.00∶1.50（g∶mL），分析不同反应温度对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响，结果如图3所示。

温度不但影响酶的催化活力、稳定性，也影响底物的状态，酶-底物络合物转化为产物的速度，而且温度的选择将直接关系到反应产物中维生素E的含量变化。由图3可知，在40～55℃范围内，脂肪酸酯化率随着温度的升高而增大，当反应温度达到55℃时，酯化率达到最高，为93.67%。但当温度＞55℃时，脂肪酸酯化率出现下降。该脂肪酶属于高温酶，温度高时其催化活力大，但是由于甲醇沸点为64.7℃，当反应温度上升到60℃时，甲醇部分转化为气体形式，虽然有回流但冷凝效果不明显，从而导致底物比发生变化，酯化率下降。综上所述，55℃为最佳反应温度。

2.4 酸醇比对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响

将反应温度，反应时间和酶用量分别设置为55℃，8 h 和60 plu/g，分析不同酸醇比对棉籽油脱臭馏出物酯化率的影响，结果如图4所示。

由图4可知，随着甲醇与棉籽油脱臭馏出物的游离脂肪酸比例的不断增加，酯化率也在随之不断的升高，当游离脂肪酸与甲醇的比例为1.00∶1.50（g∶mL）时，酯化率达到最大，为95.78%。继续增加甲醇的比例，酯化率呈现出下降的趋势。当游离脂肪酸与甲醇的比例达到1.00∶2.00（g∶mL）时，酯化率下降到92.82%。这可能是因为随着甲醇的不断增加使得反应物浓度不断加大，从而促使反应向正方向进行，所以酯化率一开始呈现上升的趋势。继续向反应体系中添加甲醇，酯化率呈现下降的趋势，一方面可能是由于甲醇过量致使反应体系不能充分有效的利用，反应物浓度高可以促进正向反应的进行，另一方面过量的甲醇很有可能会使脂肪酶的催化作用减弱从而导致酯化率的下降。因此，酸醇比为1.00∶1.50（g∶mL）最为合适。

2.5 响应面分析结果

响应面中心组合设计试验结果及方差分析分别如表2、表3所示。以反应温度（A）、酶用量（B）、反应时间（C）、酸醇比（D）为响应变量，以棉籽油脱臭馏出物的酯化率（Y）为响应值，利用响应面软件对表2给出的试验结果进行多元拟合，得到的酯化率的多元线性回归方程：

Y=96.66+0.066A+0.65B+0.29C+0.27D+0.054AB+0.027AC-0.02AD-0.3BC+0.097BD+0.14CD-0.019A2-0.41B2+0.021C2-0.38D2

回归方程中各因素对酯化率影响的显著性由表3方差分析中的F值与概率P值来判断，F值越大，P值越小，说明该因素对指标的影响越显著。当P＜0.05时，影响因素对响应值影响为差异显著，当P＜0.001时为差异高度显著，P＜0.000 1时为差异极显著[17]。方差分析表中显示模型的P＜0.000 1，失拟项的P＞0.05，说明试验选取的模型表现出高度的显著性，失拟项不显著，表明响应面中心组合试验设计的模型与实际试验拟合良好。

由表3可知，4个因素中除了反应温度P=0.265 9＞0.05，对酯化率的影响不显著之外，其他3个因素的P值均＜0.001，说明酶用量、反应时间和酸醇比对酯化率都表现出差异高度显著。从两两因素交互作用来看，从表3中还可以得出酶用量和反应时间的交互作用（P=0.000 8＜0.001）差异高度显著。这表明对棉籽油脱臭馏出物甲酯化影响最显著的两因素为酶用量和反应时间。

2.6 响应曲面图

响应面分析方法的图形是特定的响应面（Y）与对应的因素X1、X2、X3、X4构成的一个三维空间在二维平面上的等高图，每个响应面对其中的两个因素进行分析，另外两个因素固定在零水平。回归的优化响应曲面及等高线如图5所示。

图5A表明，随着酶用量不断增加，酯化率也在逐渐升高，然而反应温度则对其影响不是很显著。图5B明显表现出酯化率增减的趋势图5C可以明显看出反应温度对酯化率的影响是呈现出线性关系，而酸醇比则显示出二次影响。随着反应温度不断升高，酯化率没有表现明显的变化，而随着酸醇比的不断上升，酯化率呈现出先增加后减少的趋势，这说明酸醇比对酯化率有较显著的影响。图5D可以看出曲面的坡度比较陡，说明二者之间的交互作用对酯化率的影响特别显著，该结果在表2方差分析中也得到验证。图5E可以看出酶用量和酸醇比对酯化率都表现出二次效应，这个结果表明随着酶用量和酸醇比的增加，酯化率也在不断的上升，说明酶用量和酸醇比交互作用对酯化率的影响是非常显著的。图5F显示的是反应时间和酸醇比对酯化率的影响。结果表明，反应时间对于酯化率没有显著性的影响，但是随着酸醇比的增加酯化率呈现先上升后下降的趋势。

通过响应面软件的优化程序模块对提取条件进行优化，结果表明，在反应温度60℃，酶用量62.86 plu/g，反应时间9 h和酸醇比1.00∶1.65（g∶mL）的条件下，模型预测酯化率可以达到97.27%。

2.7 验证试验

应用响应面软件本身自带的最优工艺参数统计模块，由软件给出的最优甲酯化工艺条件为：反应温度60℃，酶用量62.86 plu/g，反应时间9 h和酸醇比1.00∶1.65（g∶mL）的条件下，模型预测酯化率可以达到97.27%。按照软件给出的最优工艺参数，进行多次重复试验，得到的酯化率为（97.09±0.09）%，说明模型预测值与试验实际值相对偏差较小，说明本实验所选模型具有很高的拟合性。

3 结论

在单因素试验基础上，通过响应面设计优化棉籽油脱臭馏出物甲酯化工艺条件是反应温度60℃，酶用量62.86 plu/g，反应时间9 h和酸醇比1.00∶1.65（g∶mL），模型预测酯化率97.27%，实际试验值为（97.09±0.09）%，基本与预测值一致。

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Technology optimization of enzymatic methyl esterification of Xinjiang cottonseed oil deodorizer distillate

GUOWenbo,TIAN Tongtong,TONG Junmao,ZHANG Jian*

(College of Food,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Xinjiang cottonseed oildeodorizerdistillate was used as the material,and the Novozyme 435 lipase was employed to catalyze methylesterification of free fatty acids.The effect of different reaction temperature,reaction time,enzyme addition and acid-alcoholratio on esterification rate was optimized by single factor experiment.On the basis of single factor results,with the application of response surface methodology,the optimal process parameters of methyl esterification were optimized as follows:reaction temperature 60℃,enzyme addition 62.86 plu/g,reaction time 9 h and acid-alcoholratio 1.00∶1.65(g∶ml).The modelpredicted the esterification rate was up to 97.27%,the actualexperimentalvalue was(97.09±0.09)%, which was similarto the predicted value.

cottonseed oildeodorizerdistillate;immobilized lipase;methylesterification

TQ645.6

A

0254-5071（2015）02-0109-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.02.025

2015-01-01

新疆生产建设兵团工业科技攻关计划（2014GY07）

郭文波（1990-），男，硕士研究生，研究方向为食品生物化学。

*通讯作者：张 建（1979-），男，副教授，博士，研究方向为食品生物化学。