一种无溶剂体系中合成植物甾醇酯的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种合成植物甾醇酯的方法，包括在生物催化剂作用下将植物甾醇和脂肪酸直接混合，并在搅拌条件下进行恒温酯化反应制得植物甾醇酯，其中所述酯化反应的反应体系为无溶剂反应体系。本发明专利技术还提供实现上述方法的装置，所述装置采用干燥空气除水，克服了高粘度体系除水困难的问题，通过调节干燥气体流量来控制酶催化过程的水活度，能够有效打破以水为副产物的植物甾醇酯化反应平衡，提高转化率，同时增加酶使用批次和寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种合成植物甾醇酯的方法及装置，特别涉及一种无溶剂体系中脂肪酶合成高纯度植物甾醇酯的方法及装置。
技术介绍
植物甾醇脂肪酸酯是植物甾醇与脂肪酸酯化后的形式，具有更好的脂溶性和生物可利用性，且兼具脂肪酸的生理功能，所以植物甾醇酯比植物甾醇具有更好的应用前景。植物甾醇酯的合成方法主要包括化学法和生物酶法。化学法制备植物甾醇酯工艺条件简单，易于控制和实现工业化生产，但反应温度高，有碱性催化剂参与，易产生副反应产品褐变，导致不饱和脂肪酸氧化和植物甾醇脱水。与化学催化剂相比，酶作为生物催化剂具有显著优势：无毒、安全，特别适合在食品工业中加以利用；催化反应过程温和且环境友好的反应条件不仅可大大节省能耗，还可避免发生副反应，因此在医药、农业、环保、精细化工和食品工业等领域有着较为广泛的应用。有机相中酶反应并非在完全无水的体系中进行，一般要求含有约1%（w/w）的微量水。微量的水对酶有效发挥催化作用是必需的，因为水直接或者间接的参与了酶三维构象中所有的非共价作用，包括氢键、疏水相互作用、静电力和范德瓦尔斯力等。然而，过多的水则会使得酶分子的柔韧性增加，使得酶分子热不可逆失活速率以及热聚集失活速率增大，加快酶的失活，降低酶使用寿命。同时，在有机相反应中水往往是副产物，比如脂肪酶有机相酯化反应。过多的水抑制正向反应，加快逆向反应。因此，水分活度能否控制在最佳范围是有机相酶催化反应能够成功的关键要素。无溶剂体系具有低污染、能耗、操作简单的特点，而且时空产率更高，但反应过程中生成的水量也更多，因此，在高粘度的无溶剂体系中，如何将体系中生成的大量水及时除去非常关键。江南大学开发了一种高效合成植物甾醇酯的方法（CN101845473），采用非水相体系中脂肪酶合成植物甾醇酯，植物甾醇在5-20mL有机溶剂中，该方法为有溶剂体系酶催化反应。东北农业大学开发了一种用超临界CO2为溶解剂生物酶法催化合成植物甾醇酯的方法（CN101838675），采用超临界CO2为溶解剂，商业脂肪酶Novozym435为催化剂合成植物甾醇酯，也属于有溶剂体系的酶催化反应，且商业酶的成本较高。中国农业科学院油料作物研究所开发了一种无溶剂系统中固定化全细胞催化生产植物甾醇酯的方法（CN101200754），以匍枝根霉为菌株进行摇瓶培养40-60h，干燥后得到固定化细胞，反应46h得到62.2%的酯化率，没有涉及反应控制与水的移除方法。因此，需要开发一种在无溶剂体系中合成植物甾醇酯的方法及相应装置，能够反应体系中的水活度进行有效控制，以节约能耗，延长酶的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种无溶剂体系中合成植物甾醇酯的方法，所述方法的反应体系为固-液状态，反应过程不需要有机溶剂，以固相底物催化反应形式进行，提高了底物浓度，缩短了植物甾醇酯的生产周期。本专利技术的又一目的是提供实现上述方法的装置，所述装置采用干燥空气除水，克服了高粘度体系除水困难的问题，通过调节干燥气体流量来控制酶催化过程的水活度，能够有效打破以水为副产物的植物甾醇酯化反应平衡，提高转化率，同时增加酶使用批次和寿命。本专利技术涉及一种合成植物甾醇酯的方法，包括：在生物催化剂作用下将植物甾醇和脂肪酸直接混合，并在搅拌条件下进行恒温酯化反应制得植物甾醇酯，其中，所述酯化反应的反应体系为无溶剂反应体系。在本专利技术的一个实施例中，所述酯化反应在控制水活度的无溶剂反应体系中进行。由于必需水的存在对生物催化剂有效发挥催化作用是必需的，所述无溶剂反应体系的水活度控制在0.02-1，优选为0.02-0.3。所述水活度Aw=P/P0，取值范围0-1，其中P为体系表面水的蒸气压，P0为同温度下水的饱和蒸气压。在本专利技术的一个实施例中，通过向无溶剂反应体系内通入干燥空气的方式控制水活度，使生物催化剂在反应过程中处于最佳的水活度环境中，并且干燥空气的通气量为0-5vvm。具体方法为通过干燥空气将水分从反应体系中带离，并监控出口气体中的水分活度，进而对气体流量进行调节。由于脂肪酶催化体系中，酶的催化活力与反应系统中的含水量密切相关，而无溶剂反应体系的黏度较大，在反应初始阶段的粘度可以达到4000mPa·s，采用干燥空气除水法可以解决高粘度体系除水困难的问题。在本专利技术的一个实施例中，所述无溶剂反应体系包括植物甾醇、脂肪酸和生物催化剂。其中，脂肪酸与植物甾醇的质量比为1-5：1，生物催化剂的质量为两种底物，即脂肪酸与植物甾醇质量之和的3-20%。甾醇并不能完全溶解于脂肪酸，但是反应仍然以固相反应的形式进行。优选将脂肪酸以摩尔量过量形式添加，尽可能使得甾醇反应完全，降低了后续分离难度。优选所述酯化反应的温度为35-60℃，搅拌转速为150-600rpm，反应时间为60-174h。优选所述脂肪酸包括饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸。所述的饱和脂肪酸选自辛酸、己酸、月桂酸、棕榈酸和硬脂酸中的至少一种；所述的不饱和脂肪酸选自油酸、亚油酸、共轭亚油酸、α-亚麻酸、γ-亚麻酸、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)中的至少一种。优选所述植物甾醇选自谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇和菜籽甾醇中的至少一种。优选所述生物催化剂为脂肪酶，使用的脂肪酶可以是多种类型，如固定化酶、游离酶和/或液体酶，可以为商业酶制剂或成本较低的自制酶制剂。所述商业酶选自根酶、假丝酵母、黑曲霉中的至少一种。在本专利技术的一个优选实施例中，所述方法包括：将脂肪酸加入到密闭搅拌式反应器中，待温度上升到35-60℃时加入植物甾醇，混合均匀后加入脂肪酶类催化剂，将反应体系的水活度控制在0.02-1，优选为0.02-0.3，在转速为150-600rpm的机械搅拌下反应60-174h。其中，脂肪酸与植物甾醇的质量比为1-5：1，酶的质量为两种底物质量之和的3-20%。酯化反应结束后，将酯化产物采用有机溶剂萃取的方式进行分离，具体方法为将酯化产物（重相）和有机溶剂（轻相）分别注入到离心萃取机中，在转速为3000rpm，温度为25℃，轻相/重相的进料速度比为25:25（mL/min）的条件下进行分离，流出重相中的产品即为植物甾醇酯，纯度在80-95%。所述有机溶剂优选自甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯和四氯化碳中的至少一种，更优选所述有机溶剂与酯化产物的体积比为1-5:1。本专利技术具有以下主要特点：（1）干燥空气除水，克服了高粘度体系除水困难的问题，通过调节干燥气体流量来控制酶催化过程的水活度，可以有效降低过程的气体使用量，降低能耗。（2）反应过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合成植物甾醇酯的方法，包括：在生物催化剂作用下将植物甾醇和脂肪酸直接混
合，并在搅拌条件下进行恒温酯化反应制得植物甾醇酯，其中，所述酯化反应的反应体系为
无溶剂反应体系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无溶剂反应体系的水活度控制在
0.02-1，优选为0.02-0.3。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过向无溶剂反应体系内通入干燥空气的
方式控制水活度，且干燥空气的通气量为0-5vvm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述无溶剂反应体系包括植物甾
醇、脂肪酸和生物催化剂，优选脂肪酸与植物甾醇的质量比为1-5：1，生物催化剂的质量为
脂肪酸与植物甾醇质量之和的3-20%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酯化反应的温度为35-60℃，搅拌转
速为150-600rpm，反应时间为60-174h。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述脂肪酸包括饱和脂肪酸及不饱和
脂肪酸，优选所述饱和脂肪酸选自辛酸、己酸、月桂酸、棕榈酸和硬脂酸中的至少一种；所
述的不饱和脂肪酸选自油酸、亚油酸、共轭亚油酸、α-亚麻酸、γ-亚麻酸、二十碳五烯酸和二
十二碳六烯酸中的至少一种。
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈必强，管楠，谭天伟，陶一峰，崔彩霞，行辰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：