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植物油精炼过程中,脱胶是非常重要的一步工序,脱胶效果的好坏直接影响到植物油精炼的效率和最终产品的质量。传统的脱胶方法常存在脱胶效果不稳定、得率较低、废水废物产生多等问题。植物油酶法脱胶工艺是现代工业生物催化技术在传统油脂行业中的应用,是对现有化学或物理脱胶工艺的改进,以提高过程的经济性、环保性和可靠性,具有重要的推广价值。本论文主要就运用新型脂肪酶Lecitase Ultra的植物油酶法脱胶工艺的过程优化和其中的科学问题进行了系统深入的研究,重点研究了Lecitase Ultra在不同反应体系中的催化特异性及其调控规律,并在完成实验室工艺优化的基础上进行了工厂规模的放大实验,为酶法脱胶的工业化应用提供最直接的参考依据。本文主要内容及结论如下:
(1)在单一底物的反应体系中分别进行了脂肪酶Lecitase Ultra催化水解甘油三酯和磷脂的酶学特性和反应动力学等研究,证明了该酶具有催化水解甘油三酯和磷脂两种底物的活力,而且这两种活力的表现受到反应体系条件的严格调控,其最适催化条件差异较大:在pH7.0、温度40℃时表现出最大脂肪酶酶活,在pH5.0、温度50~60℃时表现出最大磷脂酶酶活。由反应动力学参数可知,在各自的最适条件下,磷脂与Lecitase Ultra的亲和力比甘油三酯与Lecitase Ultra的亲和力要大一些:与Lecitase Ultra催化甘油三酯水解的反应相比,Lecitase Ultra催化磷脂水解的反应要更容易发生,催化效率也要高一些。金属离子对Lecitase Ultra催化甘油三酯水解反应的影响较小,但对Leeitase Ultra催化磷脂水解反应的影响却很大,此时此酶表现出金属酶的特性。
(2)研究了Lecitase Ultra在二元竞争体系中的催化特性和调控规律。在特定的二元竞争体系中,脂肪酶Lecitase Ultra的脂肪酶活力和磷脂酶活力的表现受到反应条件的调控,在反应条件为pH5.0、温度50℃时,Lecitase Ultra能表现出特异的磷脂酶A<,1>活力,优先与磷脂反应,同时该酶表现出的脂肪酶活力又很低,只是与极少量的甘油三酯发生反应;在反应条件为pH7.0、温度40℃时,Lecitase Ultra能同时表现出较高的磷脂酶活力和脂肪酶活力。
(3)以主要的植物油种类大豆油、菜籽油酶法脱胶的过程为范例,论证Lecitase Ultra应用于植物油脱胶的可行性,并进行了酶法脱胶工艺过程优化的研究。实验结果证明了运用脂肪酶Lecitase Ultra的酶法脱胶工艺是完全可以取代化学脱胶的一种可靠的脱胶方法,优化后的工艺条件为:酸预处理用油重0.06~0.08%的柠檬酸(使用浓度为40~45%)在温度70~80℃的条件下处理20~30min;酶反应条件为:温度50℃、pH4.7~5.0、加酶量20mg/kg、加水量2%,反应时间为3-4h;应用现代统计优化方法中心组合设计对主要的影响因素进行了深入的分析,在所取值范围内的各种因素中,加酶量和反应体系pH值对脱胶效果的影响最大;得到了菜油酶法脱胶的最佳的工艺条件以及一个能比较好的预测脱胶效果的二次模型方程。
(4) 以典型的米糠油脱胶为例,探讨了Lecitase Ultra应用于高酸值油脂精炼脱胶的效果。在米糠油酶法脱胶的过程中,在优化的条件下,米糠油残留的含磷量仍高达25.Smg/kg,说明米糠油中可能含有一些不与脂肪酶Lecitase Ultra反应的含磷胶质,但是经过脱色水洗,含磷量就能降到7mg/kg。酶法脱胶-脱色-水洗这一工艺路线的确立,能将含磷量降到理想水平,为解决米糠油乃至高酸值油的精炼困难、经济性和环保性差等问题提供一条切实可行的解决方案。
(5)在完成实验室阶段研究工作的基础上,进行了运用Lecitase Ultra的植物油酶法脱胶工艺工厂规模的放大实验。从在南海油脂公司和东海粮油公司完成的工厂放大实验结果来看,新型脂肪酶Lecitase Ultra大规模应用于植物油的脱胶是成功的,无论采用的是连续式工艺和还是间歇式工艺,只要满足有限的几个关键控制点的要求,就可以取得良好的脱胶效果,满足物理精炼的要求,而且,同其他的脱胶方法相比,酶法脱胶还具有工艺先进可靠、经济性提高、环保性更好等优点。
(6)对酶法脱胶副产物脱胶水固形物的主要成分进行了分析,以揭示植物油脱胶过程中脂肪酶Lecitase Ultra催化磷脂反应的分子机理。质谱分析的结果表明,脱胶水固形物中存在着一定量的甘油酰磷脂,揭示了在酶法脱胶过程中存在着溶血磷脂酰基转移及甘油酰磷脂生成的现象。在所研究脱胶水来源的酶法脱胶过程中磷脂有54.3%的转变为溶血磷脂,有45.7%的转变为甘油酰磷脂。
运用新型脂肪酶Lecitase Ultra的植物油酶法脱胶工艺,提供了经济节约,高效稳定、绿色环保的具有国际领先水平的脱胶方法。酶法解决方案是植物油精炼未来发展的趋势,特别是随着物理精炼技术的不断发展,酶法脱胶工艺必将发挥越来越重要的作用。脂肪酶Lecitase Ultra在植物油脱胶中的应用已经取得了阶段性成果,具备了大规模推广的条件,随着研究的不断深入和配套的工艺与设备的不断完善,酶法脱胶的推广将会得到顺利实施。