小桐子毛油酶法脱胶工艺研究及机理分析

赵光辉，孙淑坤，曾群英，杨春基，马克存

（中国石油天然气股份有限公司 石油化工研究院，黑龙江 大庆 163714）

我国有上千种油料植物，其中以小桐子为代表的木本油料具有含油量高、适应范围广、耐干旱贫瘠等特点，广泛栽培或野生于我国的云南、四川、贵州、海南和广东等非农田用地，这不仅符合我国生物质能源“不与人争粮，不与粮争地”的发展原则，而且对改善生态环境、调整农业产业结构、促进农村经济发展、增加农民收入等都具有十分重要的意义。小桐子种籽的含油率在28%～40%之间，脱皮后种仁的含油率最高可达60%，是木本油料中含油量最高的一种植物[1]。其种籽经萃取或压榨出的毛油主要成分是甘油三酯和游离脂肪酸，同时含佛波醇酯和毒蛋白，有毒，不可食用，但却是制备生物液体燃料（航空生物燃料和生物柴油）和其它化工品的理想原料[2-4]。

由于小桐子毛油中存在一定量的胶溶性杂质，这些杂质通常条件下与蛋白质、黏液质及钙、镁、铁、钾等金属结合成配位化合物，形成1～100 nm的胶溶态微粒分散于毛油中[5-7]。将会对后续的脱色处理、贮存稳定性及下游用户造成极大影响，因此高效的脱胶技术已成为小桐子油应用的关键。目前国内外油脂加工厂普遍采用水化脱胶、酸法脱胶或碱炼等传统工艺脱除胶质，具有工艺简单易行、操作性强等优势，但也存在甘油三酯损失大、辅料消耗多及三废排放等问题[8-9]。而酶法脱胶具有反应过程温和、工艺简便、出油率高、节约能源及环境友好等优势，受到了学者和企业的广泛关注。本文通过对酶法脱胶工艺研究及机理分析，以期为小桐子油的工业化生产提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

小桐子毛油：磷含量221.8 μg/g，游离脂肪酸3.92%，自制；复合磷脂酶（磷脂酶B和磷脂酶C复配）：夏盛实业集团有限公司。

柠檬酸、硝酸、盐酸、过氧化氢：阿拉丁控股集团；硫酸钠、氧化钾：天津渤化化学试剂有限公司；甲醇、乙醇、石油醚、异辛烷：天津市瑞金特化学品有限公司。

Optima 5300DV型等离子发射光谱仪：美国PerkinElmer公司；ANTEK9000型总氮分析仪：美国ANTEK公司；Multi EA5000型总硫分析仪：德国耶拿公司；ECS3000型总氯分析仪：赛默飞世尔公司；Agilent7890气相色谱：安捷伦科技公司；ZK072型干燥箱：上海沪粤明科学仪器有限公司；BT323S型电子天平：赛多利斯电子有限公司；TDL-5A型离心机：凯特实验仪器有限公司。

1.2 毛油酶法脱胶方法

准确称取300 g小桐子毛油于500 mL的三口烧瓶中，水浴加热到 75 ℃后加入 50%柠檬酸0.42 g，高剪切搅拌条件下反应30 min。然后冷却至55 ℃以下，加入适量5%的NaOH溶液混合均匀，将反应体系调整到试验需要的 pH范围。再加入一定量的水稀释酶液，在预设温度和转速条件下反应。反应结束后进行离心分离，除去胶质，取定量样品进行分析。

1.3 分析方法

磷和金属含量：参照GB/T17476—1998；氮含量：参照ASTM D5762—2012；硫含量：参照ASTM D5453—2008；氯含量：参照 ASTM D5808—2009a；不皂化物含量：参照GB/T5535.1—2008；游离脂肪酸含量：参照GB/T5530—2005。

2 结果与分析

2.1 酶法脱胶单因素试验

2.1.1 反应体系pH对脱胶效果影响

在酶加量40 μg/g、反应温度50 ℃、反应时间2.5 h、搅拌转速300 r/min的条件下，通过控制NaOH溶液的加量，考察了反应体系pH对脱胶效果影响，结果如图1所示。

图1 反应体系pH对脱胶效果影响Fig.1 The pH of the reaction solution to degumming effect

由图1可见，随着反应体系 pH升高，脱胶油中的磷含量明显降低；当pH超过5.0以后，脱胶油中磷含量反而升高，这主要是随着碱量增加，导致磷脂酶活性降低所致，因此选择反应体系pH5.0时较适宜。

2.1.2 磷脂酶加量对脱胶效果影响

在反应温度50 ℃、反应时间2.5 h、搅拌转速300 r/min、pH5.0的条件下，考察了磷脂酶加量对脱胶效果影响，结果如图2所示。

图2 酶加量对脱胶效果影响Fig.2 Enzyme dosage to degumming effect

由图2可见，脱胶油中的磷含量随着酶加量的增加而降低，当酶加量超过40 μg/g以后，脱胶油中的磷含量降低趋势变缓。由此可见，磷脂酶加量在一定范围内决定着脱胶效果，再提高磷脂酶加量对脱胶效果的影响并不明显，但会增加脱胶成本。从经济性方面考虑，确定酶加量40 μg/g较适宜。

2.1.3 反应温度对脱胶效果影响

在反应时间2.5 h、搅拌转速300 r/min、pH5.0、酶加量40 μg/g的条件下，考察了反应温度对脱胶效果影响，结果如图3所示。

图3 反应温度对脱胶效果影响Fig.3 Reaction temperature to degumming effect

由图3可见，随着反应温度的升高，脱胶油的磷含量呈先降低后上升的趋势，当温度为55 ℃时，此时脱胶油含磷量降至14.36 μg/g，说明酶促进脱胶反应达到最大水平。由于温度过低或过高都会影响酶的活性，因此确定脱胶反应的最适温度为55 ℃。

2.1.4 反应时间对脱胶效果影响

在搅拌转速 300 r/min、pH5.0、酶加量 40 μg/g、反应温度 55 ℃的条件下，考察了反应时间对脱胶效果影响，结果如图4所示。

图4 反应时间对脱胶效果影响Fig.4 Reaction time to degumming effect

由图4可见，随着反应时间的增加，脱胶油含磷量呈现递减趋势。当反应时间超过3.0 h后，磷含量基本不再发生变化，因此较优的酶反应时间确定为3.0 h。

2.1.5 搅拌转速对脱胶效果影响

在pH5.0、酶加量40 μg/g、反应温度55 ℃、反应时间3.0 h的条件下，考察了搅拌转速对脱胶效果影响，结果如图5所示。

由图5可见，搅拌转速在250～350 r/min范围内时，增加转速能够使磷脂酶和水在油相中分散均匀，反应界面越大，脱胶油中的磷含量越低。但随着搅拌继续增加，可能是由于搅拌形成的剪切力影响了酶的活性或反应体系乳化造成磷脂的残留，从而造成脱胶效果，因此确定脱胶反应转速为350 r/min。

2.2 酶法脱胶正交试验

根据单因素酶法脱胶试验结果，选取pH、酶加量、反应温度、反应时间和搅拌转速等五个因素作为变量，每个因素选取4个水平，以脱胶油中的磷含量作为考察指标，根据因素数和水平数选择L16(45)正交表开展脱胶试验，结果见表1。

由极差分析结果可知，表1中正交试验各因素的影响顺序依次是酶加量＞pH＞反应温度＞搅拌转速＞反应时间，由正交试验结果可以看出优化后的组合为A3B4C3D2E1，即在酶加量 50 μg/g、pH5.5、反应温度50 ℃、搅拌转速350 r/min、反应时间2 h的条件下，酶法脱胶试验效果最好。

2.3 酶法脱胶验证试验及微量组分分析

以小桐子毛油为原料，在酶加量 50 μg/g、pH5.5、反应温度50 ℃、搅拌转速350 r/min、反应时间2 h的条件下，开展了酶法脱胶工艺验证试验，并对脱胶油中的微量组分进行了分析，试验数据见表2。

表1 正交试验设计与结果Table 1 Orthogonal test design and results

表2 酶法脱胶验证试验及脱胶油微量组分分析Table 2 Enzymatic degumming verifying test and analysis of trace components in degumming oil

从表2可以看出，在该条件下进行验证试验，脱胶油中的磷含量最低为9.93 μg/g。脱胶油中的磷、金属及氮的含量大幅度降低，这主要是由于毛油磷脂中含有金属离子和氨基，在脱胶过程中酶可将非水化磷脂中的酰基切断转化为溶血性磷脂或磷脂酰基，与水化磷脂遇水时形成液态水合结晶[10-11]，再同硫化物、氯化物、不皂化物等同时被沉淀分离出来，使脱胶油中的杂质得到不同程度的降低，这对于油品储存及下游用户的应用是非常有利的。由于毛油脱胶反应体系中存在碱液和水，在一定条件下会造成甘油三酯水解，生成游离脂肪酸，导致脱胶油酸度有所升高。

2.4 酶法脱胶反应机理分析

毛油中的胶质主要是磷脂，所以说“脱胶”也称“脱磷”。根据磷脂酸羟基相连的官能团不同，磷脂通常分为水化磷脂和非水化磷脂。酶法脱胶就是利用磷脂酶与油中的非水化磷脂发生特异性反应，切除非水化磷脂中的一个或两个脂肪酸，生成水化磷脂[12-13]。然后再利用水化磷脂具有很强亲水性的特点，通过沉淀或离心分离从油中除去。此法减少了精炼过程中酸碱用量和废水排放量，提高了生产效率，降低了经济成本，显示出明显优势和发展潜力。

图6 不同磷脂酶的作用位点Fig.6 The site of different phospholipase Hydrolysis phosholipids

由图6可见，试验采用磷脂酶B和磷脂酶C的复合酶，直接作用于磷脂的1号和2号位以及甘油与磷酸盐之间的P-O键上进行特异性反应。其中磷脂酶B能特异性水解磷脂1号和2号位上的脂肪酸，生成游离脂肪酸和溶血磷脂[14-16]。由于溶血磷脂具有较强的亲水性，可以通过水化作用去除。磷脂酶 C作用于甘油与磷酸盐之间的P-O键，使磷脂分解为亲水性组分和溶于油脂的甘油二酯，从而减少油脚产出及其夹带损失，增加了中性油的产出，具有良好的应用前景。磷脂酶C在生物细胞较为常见，目前己有企业通过发酵培养无毒、无致病性的转基因毕赤酵母，提取磷脂酶C，用于油脂的脱胶[17-18]。

3 结论

利用正交试验对酶法小桐子毛油脱胶工艺进行了优化，确定最佳工艺条件为A3B4C3D2E1，即在酶加量50 μg/g、pH5.5、反应温度50 ℃、搅拌转速350 r/min、反应时间2 h的条件下，脱胶油的磷含量可降9.93 μg/g，其它杂质也有不同程度的降低，说明开发出的酶法脱胶工艺除杂效果明显。

由于小桐子毛油中的磷、金属、氮等杂质受产地、品种、储藏时间及压榨工艺等多因素的影响，其含量变化大、性质均不相同，因此油脂加工企业应根据毛油的性质及产品要求，选择适当的磷脂酶和脱胶工艺条件，以期达到最佳效果。