酵素催化酯化反應合成單硬酯酸甘油酯

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

酵素催化酯化反應合成單硬酯酸甘油酯

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC91-2214-E-011-022-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學化學工程系

計畫主持人： 朱義旭

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 年 10 月 25 日

酵素催化酯化反應合成單硬脂酸甘油酯

Synthesis of Monostearin via Lipase-catalyzed Esterification

執行期限91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

主持人：朱義旭 執行機構：臺灣科技大學 單位名稱：化工系

計劃中文摘要：

單酸甘油酯(Monoglyceride, MG)常被廣 用於食品、化妝品或醫藥中做為添加劑或 乳化劑。本研究先以脂解酵素催化硬脂酸 和甘油進行反應，以找出一有效合成單酸 甘油酯的方法。在適當條件下，甘油酯中 MG 的含量可達 82.4 wt%，酯化程度達 85.5 %。再將所獲得之甘油酯產物以酸鹼 中和法及溶劑萃取純化MG。由酸鹼中和 法所得 MG 的純度及產率分別 89.7 wt%

及92.7 %。而經酸鹼中和法所得之 MG 的 純度及產率分別為 95.5 wt% 及 84.3 %

（總產率 72.5%）。再經己烷處理後 MG 之純度及產率分別為99.4 wt% 及 92.1 %

（總產率66.8%）

關鍵詞：單酸甘油酯，酸鹼中和，硬酯酸，

酯化反應

Abstract：

Monoglyceride (MG) is widely used as additives and emulsifiers in the food, cosmetic and pharmaceutical products. In this study, lipase-catalyzed reaction was employed for the synthesis of MG from glycerol and stearic acid. Under suitable conditions, the content of MG in the acylglycerides reaches 82.4 wt% with a degree of esterification of 85.5%. After purification of MG by alkali neutralization and hexane washing, the content and overall yields of monostearin are 99.4 wt% and 66.8 %, respectively.

Keywords ： monostearin, esterification,

計劃的緣由與目的：

乳化劑的種類相當繁多，有天然的，如 卵 磷 酯(Lecithin) 及 膽 固 醇 (Cholesterol) 等，有人工合成的，如MG。乳化劑可分 成陽離子型、陰離子型及非離子型，而 MG 亦屬於一種非離子型乳化劑。

由於MG 具有一個親油的長鏈烷基和兩 個親水的烴基，因而具有良好的表面活 性，所以常被用於食品、化妝品或醫藥中 做為乳化劑或添加劑。MG 尚有許多其它 功 用 ， 如 ： 2- 單 棕 櫚 酸 甘 油 酯 (2-Monopalmitin) 是 合 成 嬰 兒 食 品 OPO (1,3-Oleyl-2-palmitoyl-glycerol) 之 重 要 原 料；長鏈的MG 可用作一些紡織品的潤滑 劑；單硬脂酸甘油酯(Monostearate)和單油 酸甘油酯(Monooleate)可用於 PVC 製程中 的潤滑劑及增加PVC 的熱穩定性。MG 可 用做為軟質 PVC 的抗靜電劑(Antistatic agent)；高純度之 MG 亦可作為反應用之 基質；藥物的釋放控制。含多元不飽和脂 肪酸（EPA、DHA）的 MG 對心血管疾病 具有預防作用；於食品工業中常添加接有 支鏈脂肪酸(C11~C20)的 1-MG，由於此種 1-MG 可將存於食品中之細菌或黴菌的細 胞膜打破，進而促使細菌或黴菌的死亡，

而增加食品的保存期限。Omura et al (1986) 更 進 一 步 指 出 此 種 接 有 支 鏈 脂 肪 酸 的 1-MG，具有抑制血小板凝結的功能，如 添加入藥物中則可用來增加治療心臟、腦 血管疾病及減少發生血栓的機會。Hoet and Chow (2000)指出利用添加 MG，減少 油和水之間的界面張力，可增加油脂的加 工性。Boyle and German (1996)指出 MG 在人體的吸收或代謝作用和醯基的種類

青 青

有很大的關係。MG 也可以用來修飾含蛋 白質食品中的蛋白質或控制脂肪的結晶 晶相。MG 的功用性除了和其表面的性質 有關之外並和其物理特性，如結晶方式、

油脂中的溶解度及和水的交互作用有關 (Flack and Krog, 1970)。

脂肪酸也具有抑制細菌生長的能力，在 許多情況下，MG 比脂肪酸的效果要好得 多，而食品工業上以8 碳數以上的 MG 應 用最多，如再併用其它抗菌劑，其抗菌效 果將更完美。有文獻(Ping et al., 1998；

Akeda et al., 1994) 指出，當 1-MG 上的脂 肪酸為碳數介於 11~20 的支鏈(Branched chain) 脂肪酸時，對於細菌和黴菌具有良 好的抑制效果。

由前述可知MG 於乳化劑的使用中佔有 重要的地位，且用量不斷的逐年增加，但 傳統製備MG 的方法卻有很大之缺點。傳 統商業上生產MG 的方法乃利用甘油和油 脂在高溫(220~250℃)、高壓下，以酸或鹼 觸媒催化進行反應，產物主要是MG 與二 酸甘油酯的混合物(各占 45 % 左右)。此 方法於經濟上有許多缺點，如：(1)此製程 需較高之能源及設備投資，(2)低產率，(3) 易產生不芳香的氣味及大量的副產物，增 加純化之困難，(4)易造成多元不飽和脂肪 酸的氧化等。由於(4)之限制，故製備時在 原料上較有限制，常以碳數介於16~18 的 飽和脂肪酸為主(Lauridsen, 1986)。而脂解 酵素的專一性及可以在接近室溫的條件 下進行反應，故近幾年來有許多人從事以 脂解酵素生產MG 之研究，期盼改善其生 產成本和提高產物純度及產率。

實驗步驟 酯化反應：

於有機溶劑中以固定化脂解酵素催化 硬脂酸與甘油行酯化反應，先將FFA 與甘 油以適當比例置入反應瓶中，溶於丙酮後 加入磁石攪拌形成兩相系統，置於恒溫水 槽預熱30 min 後，加入酵素開始反應。

酸鹼中和法：

以酯化反應產物作為基質，先以蒸餾水 洗去基質中之甘油。待溶劑揮發完後，將 產物秤重，並加入10 mL 的丙酮，待其完 全溶解後續加入100µL 的鹼溶液，加熱攪 拌，並以布克納漏斗快速過濾鹽類。以旋 轉濃縮機去除丙酮。加入15 mL 的正己烷 和100µL 的 HCl (0.01 N)溶液，置於 50℃

的水浴中加熱攪拌，以布克納漏斗快速過 濾分離固液相。以高溫氣相層析儀分析固 相產物之組成。

己烷萃取：

將經酸鹼中和處理之產物置於低溫己 烷中，分離固液相，收集固相即為產物。

結果與討論

酵素對反應之影響：

本研究發現當使用 Novozym 435 時可 得到較佳之結果，酯化程度約85.5%，MG 佔甘油酯的比例約82.4 wt%。

溶劑種類對反應之影響：

本 研 究 所 測 試 之 溶 劑 包 括 ： 正 己 烷 (logP=3.5) 、 氯 仿 (logP=2.0 ) 、 乙 醚 (logP=0.85)及丙酮(logP= -0.23)。在極性較 高 的 溶 劑 下 反 應 ， 所 得 之 產 物 主 要 為 MG(Janssen et al., 1993)，其優點為產物的 純化較簡單，但缺點是酯化程度較非極性 溶劑低。在極性較低的溶劑下反應，所得 產物主要為二酸甘油酯(DG)和三酸甘油 酯(Castillo et al., 1998)。本實驗選用極性 高的丙酮作為反應溶劑，因其酯化程度較 低，故如何進一步的增進酯化程度，是接 下來探討的重點之一。

溫度對反應之影響：

當溫度越高時，平衡酯化程度越高。但 在探討之溫度範圍內(30 ~50 )℃ ℃ ，溫度對 產物甘油酯中MG 之含量幾乎無影響，本 研究選用50℃作為反應溫度。

基質莫耳比對反應之影響：

基質莫耳比對酯化程度幾乎無影響，而 較高基質莫耳比(甘油比例較大)，則較有

利於MG 之生成(Jose et al., 2000)，但影響 不大。

水含量對反應之影響：

由於水是酯化反應的產物，故如何有效 的控制水分即是一個重要的關鍵。文獻中 以不同的方法將水移除，如蒸發(Ergan et al., 1990)或添加分子篩(Gancet. 1990)等。

水含量的多寡將會影響反應基質和產物 間的平衡關係，如在反應期間將反應時產 生的水份移除，可促進反應朝向合成方向 進行(Hoq et al., 1984)。由圖 1 可知於反應 中添加分子篩除水，的確有助於反應的進 行。但水含量對產物中MG 含量則無影響。

增進酯化程度之研究：

於 極 性 溶 劑 中 反 應 較 易 生 成 MG(Janssen et al., 1993)，但缺點為酯化程 度較低。故本研究嘗試於反應達平衡時，

探討增加溶劑量、添加甘油、改變溫度及 溶劑極性時，對酯化程度之影響。於反應 平衡後，圖2 顯示添加溶劑對酯化反應之 影響。由圖 2 可知當反應達至平衡(8 h) 時，添加溶劑可進一步的增進酯化程度，

但對產物中MG 含量則無影響。經由增進 酯化程度之研究後，約可將酯化程度由 85.5 %提昇至 92.7 %，而其中 MG 約佔產 物甘油酯含量的89.7 wt%。

從產物中純化MG：

由於世界健康組織對於乳化劑的要求 (E.E.C. code: E471)為:MG 和 DG 必須佔的 百分之七十以上，MG 不得少於百分之三 十，脂肪酸的含量不得超過百分之三，甘 油的含量不得超過百分之七且三酸甘油 酯的含量不得超過百分之十(Plou et al., 1996)。由表一可知，經由本研究可得到大 約含89.7 wt% MG 之混合產物，此產物中 尚有 9~10 wt%之硬脂酸，遠大於食品級 MG 所能容許之極限(< 3 wt%)，故必須進 一步純化方可達到食品級乳化劑之要求。

將酯化反應含 89.7 wt% MG 之甘油酯 產物利 KOH 處理後，結果如表一所示。

由表一可知，游離脂肪酸可完全被移除，

MG 含量增至 95.5%，回收率達 84.3%（總 回收率 72.5%）。續以-30℃的正己烷進一 步純化，去除少量的二硬脂酸甘油酯和三 硬脂酸甘油酯，可將MG 含量提昇至 99.4 wt%，回收率達 92.1%（總回收率 66.8%）。

結論

本研究藉由Novozyme 435 脂解酵素催 化甘油與硬酯酸之酯化反應可得到含89.7 wt% MG 之甘油酯 混 合物，酯化程度 92.7%。經由酸鹼中和法處理後可將 MG 的純度由89.7 wt%提昇至 95.5 wt%，且脂 肪酸可完全去除，再以正己烷洗除產物中 少量的二硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油 酯，最後可提高單硬脂酸甘油酯的純度至 99.4 wt%，總產率為 66.8%。

參考文獻

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計劃成果自評

本計劃達成預期目標，經由固定化脂解 酵素催化甘油及硬酯酸之酯化反應配合 簡單之鹼中和及溶濟清洗，可得到純度 99.4% 之 單 硬 酯 酸 甘 油 酯 ， 總 產 率 有

66.8%。

圖 1. 水含量對硬脂酸及甘油反應時酯化程度之 影響。丙酮先以分子篩除水，酵素為 Novozym 435，反應溫度=50℃，硬脂酸與甘油的莫耳比=1：

4，酵素量=266.5 U，硬脂酸濃度=0.44 M，丙酮體 積=4 mL，轉速=600 rpm。水含量：□未控制，○

加入分子篩，▽1%的水，△5%的水。

圖 2. 於反應平衡後，添加溶劑對酯化程度之影 響。丙酮先以分子篩除水，酵素為Novozym 435，

反應溫度=50℃，硬脂酸與甘油的莫耳比=1：4，

酵素量=266.5 U，硬脂酸濃度=0.44 M，丙酮體積

=4 mL，轉速=500 rpm，添加分子篩。反應 8 h 後 增加溶劑量。符號代表：□未加入，○1 mL，△2 mL，▽3 mL。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ｄｅ ｇｒ ｅｅ 　ｏ ｆ　 ｅｓ ｔｅ ｒｉ ｆｉ ｃａ ｔｉ ｏｎ 　（

％）

Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ 　 ｔ ｉ ｍ ｅ 　 （ ｈ ）

0 4 8 12 16 20 24

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ｄｅ ｇｒ ｅｅ 　ｏ ｆ　 ｅｓ ｔｅ ｒｉ ｆｉ ｃａ ｔｉ ｏｎ 　（

％）

Ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ 　 ｔ ｉ ｍ ｅ 　 （ ｈ ）

表一：單硬酯酸甘油酯合成過程中各階段產物中MG 之含量及產率

酯化程度

MG

MG

產率 純度 反應條件

TG DG

MG

FA (%) (%) (%)

平衡 1¹

(反應 8 小時)

(反應 24 小時)

經 KOH 95.5

處理 1.44 2.98 95.5 n.d --- 84.3 [72.5]⁵

經 hexane 99.4

沖洗 n.d. 0.55 99.41 n.d. --- 92.1 [66.8]⁵

1Reaction conditions: Novozym 435 lipase = 25mg (5% based on weight of FA), temperature =50°C, stearic acid (0.5 g) to glycerol (0.65 g) molar ratio = 1: 4, volume of solvent 4 ml acetone, stirring speed = 400 rpm.

2After 8h reaction, 3 mL acetone was added and reaction was continued for another 16h (total 24 h)

3Total wt% of both 1,2 and 1,3 regioisomers of distearin

4Total wt% of both 1 and 2 – regioisomers of monostearin.

5Overall yield n.d.= not detected