超声作用下脂肪酶催化豆油水解反应的研究

论文摘要

当前应用最为广泛的高温高压油脂水解技术及传统的中压催化水解技术存在着副反应严重和污染环境等不可避免的缺陷,而超声波和酶催化技术都具有投资低、条件温和、耗能低、副反应少、环境友好等特点,本文结合两者的优势潜质,对超声波-脂肪酶协同催化油脂水解反应进行了研究。选择具有安全无毒,成本低,可提高底物及产物体积浓度,产物分离纯化步骤少等优点的无溶剂体系,对常规恒温振荡水浴方式下的C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解的反应进行了研究。得到C. lipolytica的反应特性为:最佳反应温度在45℃附近;该酶为碱性脂肪酶,从pH 6.1-8.3范围内酶活力呈波浪式变化;当C. lipolytica浓度超过1%（w/w）时,出现明显的酶浓度抑制现象;水油比超过0.675:1（w/w）后,反应速率的变化趋于平衡。在此基础上进行了响应面分析,建立了能够反映各条件因素对反应进程影响程度的数学模型,对实验数据进行的方差分析和典型分析结果显示:温度、加酶量对水解反应影响高度显著,而缓冲溶液pH、水油比在实验范围内对反应的影响不显著。C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解反应的最优反应条件为:温度42.2℃、pH 7.51、加酶量0.85%（w/w）、水油比1.24（w/w）。超声反应中,超声功率的大小是酶催化反应非常重要的影响因素,在本文所研究的功率范围内没有发现酶失活现象。实验结果显示随着超声强度的增加水解反应速率增大,当超声强度超过1.20W/cm2时,反应速率随功率的增加变化缓慢,但是通过精密度实验发现随着超声强度的增加实验结果的稳定性得到了提高,说明在较低超声强度下,输出功率的波动对反应速率的影响较大,综合考虑后选择了1.64W/cm2的超声波进行后续研究。研究了超声波对C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解反应的影响作用,通过与振荡水浴方式下实验结果的对比发现超声波使C. lipolytica的耐热性有了5℃左右的提高;可以避免或是减少酶在油水界面的聚集,没有出现酶浓度抑制反应现象;在超声反应中,水变得更加“有效”,即水解反应按照假单底物规律进行时水的浓度临界值较低;而pH的变化规律与振荡水浴中一致,表明超声作用没有改变该酶的离子化反应状态。对超声作用下的C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解反应进行了响应面分析,建立了能够反映各条件因素对反应进程影响程度的数学模型,并得到超声作用下的最优反应条件为:温度47.0℃、pH 7.77、加酶量0.77%（w/w）、水油比0.71（w/w）。复合酶反应是通过两种或多种酶的协同作用,使其催化能力得到明显提高的一种酶反应技术。本文对Sigma-3126,生工PPL,CLL,Novo435和Amano-G五种不同来源的脂肪酶进行了筛选和复配,得到了水解效果较好的CLL和Amano-G组合。对各种反应条件进行了研究,确定最优工艺条件为:CLL和Amano-G的加入量分别为1%（w/w）和0.1%（w/w）;在CLL反应进行1h后加入Amano-G;反应温度45℃;去离子水直接加入反应体系作为水相,水油比1:1（w/w）。在此条件下,超声波对反应有一定的促进作用,在反应开始阶段其作用尤为明显,24h的豆油水解率可以由常规振荡水浴中的45.7%提高到94.2%。酶催化反应动力学是了解酶作用机理的重要途径之一,动力学模型能够比较准确的反映某个酶反应系统中的各种相互作用对反应的影响程度。目前大多数脂肪酶油脂水解反应模型都是假设油水两相的界面面积为常数,这样的假设在无溶剂体系中是不恰当的。本文在建立了有效底物浓度模型的基础上,将有效底物浓度和油水界面面积的变化相结合,建立了一个新的动力学模型。对所建立模型的适用范围应用亚甲基蓝染色-显微镜法进行了验证,证明该模型在油相体积分数Φ从0.1-0.9范围内适用;应用TLC扫描分析法证明有效底物浓度模型的假设条件在Φ=0.1-0.9范围内可靠。并将所得动力学模型应用于C. lipolytica脂肪酶催化的豆油水解反应中,在求得反应初速度和Sauter直径随Φ变化规律的基础上,应用非线性回归拟合技术分别求出了振荡水浴和超声作用下模型参数的具体数值。分别讨论了动力学参数Ke、k*cat和kd/kp对反应速率的影响作用,并结合具体反应对参数的实际物理意义进行了解释与分析。应用所建立的有效底物浓度模型,对底物抑制现象给出了合理的解释,指出实验中出现的底物抑制现象只是“表观”底物浓度抑制,反应速率实际是由有效底物浓度所控制,超声波能够减小底物抑制,加快反应进行,其根本原因是由于超声波对有效底物浓度的影响而引起的。热力学研究可以避免体系结构和过程机理所造成的局限,有利于对反应的宏观特征进行分析。本文对热力学公式进行了推导,测得了C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解反应在200rpm振荡水浴和240V超声功率条件下的反应活化能Ea分别为10.33kJ/mol和10.24kJ/mol;指前因子A分别为2.85和3.35。并以45℃下的反应为例,计算并讨论了热力学常数Δ≠H、Δ≠G和Δ≠S在振荡水浴和超声作用下的变化情况。在综合前人的研究成果和本论文的实验基础上,对超声促进C. lipolytica脂肪酶催化豆油水解反应的作用机理进行分析,提出了超声波对脂肪酶催化水解反应有促进局部O/W乳化作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 脂肪酶简介
• 1.2.1 脂肪酶的反应特性
• 1.2.2 脂肪酶的催化选择性
• 1.2.3 脂肪酶的蛋白质结构特征
• 1.3 超声波简介
• 1.3.1 超声波的作用机理
• 1.3.2 超声波技术应用概况
• 1.4 超声波在脂肪酶酶促反应中的国内外研究进展
• 1.4.1 酯化反应
• 1.4.2 酯交换反应
• 1.4.3 水解反应
• 1.4.4 手性化合物合成
• 1.4.5 在分析化学中的应用
• 1.4.6 脂肪酶的抗超声波辐照能力
• 1.4.7 超声波在脂肪酶酶促反应中的研究进展小结
• 1.5 脂肪酶催化油脂水解反应的机理
• 1.6 立题背景及意义
• 1.7 研究内容
• 参考文献
• 第二章 无溶剂体系中脂肪酶催化豆油水解反应的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 响应面实验设计
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 反应条件对脂肪酶水解反应影响的单因素实验
• 2.3.2 脂肪酶水解反应条件的优化与统计分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 超声波对脂肪酶催化豆油水解反应影响的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 主要实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 响应面实验设计
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 超声功率对反应的影响
• 3.3.2 超声作用下反应条件对脂肪酶催化豆油水解反应的影响
• 3.3.3 脂肪酶水解反应条件的优化与统计分析
• 3.3.4 超声波对C. lipolytica 催化豆油水解反应的促进作用
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 复合酶催化豆油水解反应的研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与仪器
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 仪器设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 水解反应操作方法
• 4.3.2 水解率计算公式
• 4.3.3 酸价测定方法
• 4.3.4 缓冲溶液配制
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 不同来源脂肪酶对水解反应的影响
• 4.4.2 复合酶的筛选
• 4.4.3 Amano-G 添加程序对水解反应的影响
• 4.4.4 缓冲溶液pH 值对水解反应的影响
• 4.4.5 Amano-G 加入量对水解反应的影响
• 4.4.6 添加剂对水解反应的影响
• 4.4.7 优化条件下超声对豆油水解反应的影响研究
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 脂肪酶催化豆油水解反应动力学
• 5.1 引言
• 5.2 材料与仪器
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 仪器设备
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 反应初速度的测定
• 5.3.2 产物浓度的测定方法
• 5.3.3 油水反应界面面积的测定
• 5.3.4 油水分散体系类型的鉴别
• 5.4 反应动力学理论模型的建立
• 5.4.1 有效底物浓度模型
• 5.4.2 反应物理模型
• 5.4.3 反应数学模型的推导
• 5.5 结果与讨论
• 5.5.1 反应初速度的测定
• 5.5.2 油滴粒径分布
• 5.5.3 模型参数求解
• 5.5.4 模型验证
• 5.5.5 动力学参数对C. lipolytica 催化豆油水解反应的影响
• 5.5.6 底物抑制现象及超声促进反应的机理解释
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 脂肪酶催化豆油水解反应热力学
• 6.1 引言
• 6.2 材料与仪器
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 仪器设备
• 6.3 实验方法
• 6.3.1 反应初速度的测定
• 6.3.2 产物浓度的测定方法
• 6.4 热力学公式的推导
• 6.5 结果与讨论
• 6.5.1 反应速度常数k 的确定
• a 的测定'>6.5.2 表观反应活化能E_a的测定
• 6.5.3 C. lipolytica 催化豆油水解反应的热力学特征
• 6.6 超声促进脂肪酶水解反应机理分析
• 本章小结
• 参考文献
• 论文主要结论
• 论文创新点
• 致谢
• 附录一 动力学方程的求解过程
• 附录二 油滴粒径分布图
• 附录三 攻读博士学位期间以第一作者发表的学术论文