固定化脂肪酶催化高酸废油脂酯交换生产生物柴油

摘要：探讨了固定化脂肪酶Novozym 435催化高酸废油脂与乙酸甲酯酯交换生产生物柴油，Novozym 435能催化高酸废油脂与乙酸甲酯的酯交换反应，反应24h后甲酯产率为77.5%，但该值大大低于以精制玉米油为原料时的甲酯产率(86.2%)，系统研究了反应体系中的水、游离脂肪酸和乙酸对反应的影响，当反应体系中的水含量低于0.05%时，水对酶反应速率和甲酯产率影响甚小，而水含量高于0.05%时，酶反应速率和甲酯产率随着水含量的增加而降低，游离脂肪酸对反应有较大影响，甲酯产率随着游离脂肪酸含量的增加而急剧下降，乙酸甲酯与游离脂肪酸反应产生的副产物乙酸是导致甲酯产率显著下降的原因，在反应体系中添加适量(油重的10%)的有机碱三羟甲基氨基甲烷或三乙胺可有效提高酶促高酸废油脂的酯交换反应速率和甲酯产率，使反应12h后的甲酯产率分别达到85.9%和80.8%；碱的加入还提高了酶的操作稳定性，添加有机碱三羟甲基氨基甲烷或三乙胺可使反应10批次后Novozym 435的相对酶活力分别由对照值86%提高到97%和93%。
关键词：固定化脂肪酶；高酸废油脂；乙酸甲酯；酯交换反应；生物柴油
餐饮业废油脂是现代餐饮业的副产品。由于经过多次反复高温煎炸，其中不仅游离脂肪酸含量高，而且含有上百种醛、酮和聚合物等氧化产物，是不可食用的废油脂。我国每年的餐饮业废油脂排放量超过200万吨，废油脂除部分用于生产低附加值的肥皂外，大部分非法进入饮食业，产生了危害极大的“潲水油”问题。以废油脂为原料生产生物柴油，不仅可以废物资源化，降低生物柴油的生产成本，而且能有效地解决“潲水油”问题。
生物柴油是生物质能的一种形式，是以动植物油脂为原料生产的可再生的绿色能源，其主要成分为脂肪酸甲酯。目前工业上生产生物柴油均采用化学法，该法对原料要求较严格，导致生产成本过高(原料成本占总成本的75%左右)。能否利用廉价的原料生产生物柴油是生物柴油广泛应用的关键。严重酸败的餐饮业废油脂不适用于化学转化工艺，这是因为废油脂中大量(>2%)的游离脂肪酸会与碱催化剂发生不可逆的皂化反应，导致催化剂中毒，使甲酯产率大大降低。酶法转化不仅克服了化学法能耗高、产物难于回收和废碱液污染环境等缺点，而且反应条件温和，对原料要求低，能以餐饮业废油脂等廉价的动植物油脂为原料，故日益受到人们的青睐。
酶法生产生物柴油一般采用以甲醇为酰基受体的醇解法，但高浓度甲醇易使酶失活，且副产物甘油可聚集在固定化酶载体表面，对反应产生严重的副作用。反应中需通过分批添加甲醇及用有机溶剂洗涤除去固定化酶表面的甘油等方法来提高甲酯产率和酶的操作稳定性。近年来的研究表明，以乙酸甲酯代替甲醇进行酶促酯交换反应不仅工艺简单，转化率高，而且大大提高了酶的操作稳定性，具有良好的工业应用前景。
由于餐饮业废油脂组成的复杂性和波动性，影响其酶法转化过程的因素较多。迄今，关于以废油脂为原料采用酶法生产生物柴油，只有日本大阪市立工业研究所及本实验室为数不多的报道。这些报道中均采用醇解法，且废油脂中的游离脂肪酸含量(<3%)较低。本文首次探讨了无溶剂系统中固定化脂肪酶Novozym 435催化餐饮业高酸废油脂与乙酸甲酯酯交换生产生物柴油的可能性，并针对餐饮业高酸废油脂的组成特点，研究了各相关因素对酯交换反应的影响规律，以期建立适宜的酶法转化工艺。
1实验部分
1.1主要试剂
来源于Candida antarctica的固定化脂肪酶Novozym 435(固定化于大孔丙烯酸树脂)购自丹麦Novo Nordisk Industries公司，酶的转酯活力为164U/g(一个酶活力单位U定义为每分钟催化三油酸甘油酯与甲醇反应生成1μmol产物油酸甲酯所需的酶量)。豆蔻酸甲酯、棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯和十七碳酸甲酯(内标)为色谱纯，购自Sigma公司。餐饮业高酸废油脂取自广州市越秀区废油脂回收站，精制玉米油购自当地超市。其它试剂均为市售分析纯。
1.2高酸废油脂的预处理及部分理化性质的检测
取一定量的高酸废油脂，加热至60℃，边搅拌边加入油重10%的活性白土，然后在105℃下搅拌25min进行脱色处理，趁热过滤。在752型分光光度计(上海棱光公司)上于520nm波长下测定油脂的吸光度。分别以公式100%×(A0-A1)／A0和w1／w0计算脱色率及收率，其中A0和A1分别为脱色前和脱色后油脂的吸光度，w0和w1分别为脱色前和脱色后废油脂的质量。在上述脱色条件下，高酸废油脂的脱色率为82.4%，收率为91.0%。分别参照国家标准GB/T17376-1998GB/T5530-1998和GB/T5534-1995的方法检测处理后高酸废油脂的脂肪酸组成、酸度及皂化值。水含量采用瑞士万通787KF型水分测定仪测定。气相色谱分析表明，废油脂的脂肪酸主要为油酸、亚油酸、棕榈酸和硬脂酸，由其脂肪酸组成可计算出废油脂的平均分子量为854.4。