脂肪酶水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的研究
姓名:孙丽萍申请学位级别:硕士专业:水产品加工及贮藏工程
指导教师:章超桦
20060427
脂肪酶水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的研究摘要天然鱼油中DHA和EPA一般是以甘油酯的形式存在,含量相对较低,保健和医疗效果比较差。而DHA和EPA的甘油酯型易被人体消化吸收,性质稳定,是保健品和药品的最佳产品型式。为增强DHA和EPA的保健和医疗效果,就须提高DHA和EPA在甘油酯中的含量。脂肪酶催化鱼油水解法是提高DHA、EPA在甘油酯中含量的一种很有效的方法。本研究通过采用单因素和响应面试验设计,得到脂肪酶OF水解鱼油的较好的工艺参数:在油水比为1:4、缓冲溶液pH值6.5、酶浓度20mg/g油、反应温度为35℃的情况下水解24h后,产物中的DHA和EPA总含量可达61.48%,其中DHA和EPA含量分别为56.22%和5.26%。DHA和EPA甘油酯的理化性质符合鱼油的一级标准。DHA和EPA甘油酯经硅胶柱层析分离和傅立叶近红外光谱检测,结果表明产物中以甘油二酯为主,含量为64.32%;其次是甘油三酯和甘油一酯,含量分别为35.23%和0.45%。通过对脂肪酶催化鱼油水解反应动力学的研究,发现该反应在动力学控制条件下,基本符合Michaelis-Menten的单底物酶促反应动力学。通过对试验数据的回归分析,求得了酶促鱼油水解的动力学参数,米氏常数‰.:o.45mol/L,最大反应速‰。=0.15mol/S。差示扫描量热(DSC)分析表明,DHA和EPA甘油酯的热氧化过程与甘油酯组成及脂肪酸组成都密切相关:微商热重(DTG)分析表明,DHA和EPA甘油酯的热氧化过程主要发生在300℃.500℃,因此应当采取适当措旌避免DHA和EPA甘油酯热氧化的发生。利用Flynn.Wall.Ozawa法和Kissiger法分别计算出了DHA和EPA甘油酯的热氧化动力学参数,两种方法具有一致性。这都为预测DHA和EPA甘油酯产品的货架期提供了可靠的理论依据。关键词:黄鳍金枪鱼鱼油,DHA和EPA甘油酯,脂肪酶,水解Study011ConcentrationofDHAandEPAGlyceridesbyLipaseHydrolysisofFishOilAbstractDHAandEPAexistDHAandEPAisintheformofglycerideinthenaturalfishoil。Thecontentofrelativelylower,SOhealthcareandmedicalnatureeffectsarecomparativelybad,SinceDHAandEPAglycerideswitllstabledigestedandassimilatedbytheareeasilyhumanbody,theyarethebestproductsofhealthandmedicines.InordertostrengthenthetohealthcareandmedicaleffectsofDHAandEPA,somemeasuresmustbetakenItisaimproveDHAandEPAcontentintheglycerides.kindofveryeffectivemethodbyconcentratingDHAandEPAinnaturalfishoilbylipasehydrolysis.Thebetterhydrolysisparametershadbeenobtainedbytheresponsesurfaceexperimentdesignation,whichwerethattheratioofwatertooilis4,buffersolutionpH6.5,enzymeconcentration20mg/goil,thehydrolysiscontenttemperatureis35℃,hydrolysistime24h.Undertheseconditions,thetotalofDHAandEPAinthereactiveproductwas61.48%,DHAandEPAwas56.22%andthefirst5.26%respectively.PhysicalandchemicalpropertiesmeasureduptOstandardoffishoil.DHAandEPAglycerideswereseparatedbysilicagelcolumnchromatographandweredetectedbyFourierinfraredspectra.Diglyceridewerethemaincomponent,thecontentofwhichwas64.32%.ThecontentoftriacylglycerolsandmonoacylglycerolsThroughstudywas35.23%and0.45%respectively.ofhydrolysis,theonreactiondynamicsreactiononebasicallyaccordedwiththereactionkineticsofenzymaticreactionofonlyThroughregressionsubstrate.ofanalysisofexperimentaldata,thekineticparameterslipase—catalyzedhydrolysisofmol/S.tunaoilwereobtained,Jr(m=O.45mol/L,gm“=0.15Theanalysisofthedifferentialscanningcalorimetry(DSC)showedthatthermaloxidationprocessofDHAofglyceridesandEPAglyceridesWascloselyrelatedtothecomponentanalysisofthederivativeandfattyacids.Thethermogravimetry(DTG)showedthatthethermaloxidationofDHAandEPAglyceridesw够happenedbetween300℃-500℃.ThecorrespondingmeasuresshouldbetakentoavoidthethermaloxidativeemergenceofDHAandEPAglycerides.ThekineticparameterswerecalculatedusingFlynn-Wall—OzawaandKissigerequationsrespectively,whoseresultswerecoherent.ThesekineticparameterswouldprovidethereferenceforpredictingtheshelflifeoftheDHAandEPAglyeerides.Keywords:YellowfmTunaoil,DHAandEPAglycerides,Lipase,Hydrolysisll缩写DGDHADSCDTGEPAFT-IRGCMGPUFARSMTATG论文中的缩写名词及其含义全称DiglycerideDOCOSahexaenoicAcidDifferentialScanningCalorimetryDifferentialThermogravimetryEicosapentaenoicAcidFourierTransformInfraredAbsorptionSpectroscopyGasChromatographyMonoglyceridePolyunsaturatedFattyAcidSurfaceMethodologyAnalysis中文甘油二酯二十二碳六烯酸差示扫描量热法微商热重法二十碳五烯酸傅立叶变换红外光谱气相色谱甘油一酯多不饱和脂肪酸响应面法热分析ResponseThermalTriglyceride甘油三酯广东海洋大学学位论文独创性及知识产权声明本人郑重声明:所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得本校或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本学位论文成果归广东海洋大学所有。指护撒枷臌加孙膨,霜研究生签名:列鹂辫.劫口6年5日喀Bj广东海洋大学硕士学位论文第一章绪论二P碳五烯酸(EPA,eicosahexaenoicacid)和二r二碳六烯酸(DHA,docosahexaenoicacid)是水产生物中两种特有的n_3型多不饱和脂肪酸(n-3PUFA,n-3polyunsaturatedfattyacid)。EPA、DHA的分子结构式如图1—1。EM{Ei嘲ap酬始咖lcAc呻C舱5\,=、,兰、/曙=、一,=鬻、/冒\^/Co。H僻W咖|II霸哺f雠恕两C翌:S\/篁2\,2气。,:。、,‘=气。/==、/盏絮、^。{)oH图1一lDHA和EPA的结构式Fig1-1StructureformulaofDHAandEPA有关DHA和EPA的提取、富集、生理活’眭及临床应用,很多科研工作者都进行了大量的探索工作。目前对DHA和EPA的生理活性已经明确,它们不仅具有降血压、消除疲劳、预防动脉粥样硬化和脑血栓、抗癌等生理活性,而且能显著地促进婴儿的智力发育,改善大脑机能,提高记忆力,是生产预防心血管疾病和婴儿益智食品的良好基料。1.1DHA和EPA的生理功能和保健作用DHA和EPA对视力和大脑发育的促进作用【l。1DHA是视网膜的主要组成部分。约占40--50%。D}n和EPA能提供视觉神经所1.1.1需营养及机能成分,故可防止视力下降,多数中老年患者服用后视力明显改善,补充足够的DHA对活化衰弱的视网膜细胞有帮助,对用眼过度引起的疲倦、老年性眼花、视力模糊、青光眼、白内障等疾病有治疗作用。DHA是大脑细胞形成发育及运作不可缺少的物质基础。人的记忆力、思维功能都有赖于DHA来维持和提高。大脑脂肪中大约10%左右是由DHA组成,缺少DHA不仅感观功能衰退,还会影响记忆力与思维能力,DHA摄入量增加可提高人们的阅读能力和记忆的效果。补充DHA可促进脑细胞充分发育,防止智力下降、健忘、老年痴呆等。DHA对提高儿童智力有好处。联合国粮农组织和世界卫生组织早在1995年推荐的膳食指南中明确规定【4],婴儿配方奶粉中必须含有DHA,美、F1等发达国家己立1脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究法规定必须将DHA添加于各类婴幼儿食品中。据中华预防医学会负责人介绍,研究表明【5】,我国居民摄入的n.3系列脂肪酸主要是m亚麻酸,DHA和EPA的摄入量非常有限,很多内陆地区居民膳食中几乎检测不出DHA和EPA。因此,积极改善食物结构,增加含有DHA、EPA的海鱼产品的摄入量十分必要。当然,对于那些食用海产品困难,又十分需要增加DHA、EPA的人群,如早产儿,血甘油三酯高的成年人等,可以选择DHA、EPA补充荆。1.1.2DHA和EPA与心血管疾病根据国外最新的流行病学和临床实验提供的数据【6】,DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸的摄取量和冠心病的发病率呈负相关,40--80岁的男性病例摄取较多鱼肉可降低心脏猝死的危险。Frank等171对1513例冠心病患者进行了16年跟踪研究,比较摄取鱼类或DHA和EPA等1"1.3型多不饱和脂肪酸较少的人群和较多的人群发生冠心病和非致命性的心肌梗死的危险性。结果发现每周摄取的鱼类越多,相对危险度越低。在英国对2033名恢复期心肌梗塞的患者研究发现,吃富含DHA和EPA等n-3型多不饱和脂肪酸的海鱼组死亡率明显低于不吃海鱼组【8】。l。1‘3DHA和EPA抑制血栓的形成大量的人体和动物实验表明【9—01,DHA和EPA等n一3型多不饱和脂肪酸在体内经过转化,可产生多种衍生物,具有抑制血小板凝集、增加血小板细胞膜流动性和改变细胞信号作用,从而抑制血栓的形成。1.1.4DHA和EPA降低甘油三酯和胆固醇动物实验和临床研究表明,DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸可有效地降低血液中甘油三酯和胆固醇水平。DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸不仅有效降低严重高甘油三酯血症患者的甘油三酯;而且可降低餐后高甘油三酯血症,并可以有效治疗混合型高脂血症【”】。1.1.5DHA和EPA影响血浆脂蛋白.胆固醇水平高密度脂蛋白(highdensitylipoprotein,HDL)可逆向转运胆固醇,因而具有抗动脉粥样硬化的作用,而低密度脂蛋I!I(10wdensitylipoprotein,LDL)转运内源性胆固醇,被认为是动脉粥样硬化独立的危险因子。研究表明,DHA和EPA等n-3型多不饱和脂肪酸具有降低LDL.胆固醇和VLDL(极低密度脂蛋白).胆固醇,增加HDL胆固醇的作用【121。1.1.6DHA和EPA的降压作用降压实验表明,增加脂肪组织中的亚油酸不影响正常人的血压,而每增加1%的a.亚麻酸则使平均动脉压下降0.67kPa。用含不同脂肪酸的饲料喂食自发性高血压的幼鼠发现富含a.亚麻酸的饲料可使幼鼠舒张压比其它幼鼠低2.8KPa【13】。24小时动态血压监测显示,每天摄入3.659DHA和EPA等n-3型多不饱和脂肪酸16周,可使收缩压下降0.9KPa,舒张压下降0.68KPa。DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸2广东海洋大学硕士学位论文的降压作用可能是降低内源性血管活性物质(如去甲肾上腺素)对血管的反应,也可能是前列腺素的直接作用。1.1.7DHA和EPA与动脉粥样硬化多数实验研究显示,DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸可以延缓动脉粥样硬化的进程。日本一项流行病学研究结果表明,农村居民动脉粥样斑块数是渔村居民的5~8倍,且DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸与颈动脉斑块数呈负相判141,n-6型多不饱和脂肪酸斑块数呈弱的正相关。一项尸检研究显示,爱斯基摩人血管内膜脂质条纹和呈现的损害更少,且在低龄时期脂质条纹与内陆居民的区别更大【15]。脂肪组织中的脂肪酸组成,可以客观的反映从食物中摄取的脂肪类型。Angerer等研究发现冠状动脉病变的程度和脂肪组织中DHA浓度和体重呈负相关。223例经冠状照影证实为冠心病的患者,每天摄入1.659的DHA和EPA等n.3型多不饱和脂肪酸,2年后结果表明n_3型多不饱和脂肪酸的摄入减缓了冠状动脉粥样硬化的进程‘M1。1.2脂肪酶法富集DHA和EPA甘油酯的研究进展DHA和EPA等n-3PUFA在人体生物学中的重要功能己得到世人的共识。目前,国际市场上的鱼油保健品,DHA和EPA的存在形式有三种:游离型,甲、乙酯型和甘油酯型。在天然鱼油中,DHA和EPA是以甘油酯的形式存在,其相对含量比较低,保健和医疗效果比较差,难以满足消费者的需要。为了提高DHA和EPA的保健和医疗效果,众多研究者将甘油酯中的DHA和EPA转酯化或者水解转化为相应的乙酯或者游离形式,然后再通过各种物理或者化学方法提高DHA和EPA的含量,以此来增强DHA和EPA的保健和医疗效果。1990年美国FDA的研究人员通过大量实验后,发现DHA和EPA的甘油酯型、乙酯型和游离脂肪酸型在人体内消化吸收有差异。Ikuo[17-191等研究的结果也表明,DHA和EPA乙酯型在人体中不仅消化和吸收比较困难,而且可能存在安全隐患;游离型的DHA和EPA虽然易于被人体消化和吸收,但是容易氧化生成对人体有害的物质,而且有酸味、口感不好,直接作为食用难以被人们接受;DHA和EPA的甘油酯型不仅性质稳定、不易氧化、口感好、易被人体消化吸收,而且是DHA和EPA的天然存在形式,因此DHA和EPA的甘油酯型是保健品和药品的最佳产品型式。再者,随着人们生活水平的提高,消费者对天然鱼油甘油酯型保健品中DHA和EPA含量低不再满足,期望提供安全性好,DHA和EPA含量高的甘油酯型保健品。海产鱼类中DHA和EPA的总含量在3%一30%之间。大型洄游性鱼类如金枪鱼、鲣鱼等的DHA和EPA含量在30%左右,而一些中上层低值鱼类如鲐鱼、蓝圆黪等的DHA和EPA含量在3%也O%。从海产鱼类中提取的天然鱼油,DHA和EPA基本都以甘油酯的形成存在,其含量相对较低,如不进行浓缩富集,其医疗和保健效果并不理想。目前,如何提高天然鱼油中DHA和EPA的含量是一个亟待解决的技术问题。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究因此,为了增强鱼油产品的竞争力和满足人们的物质文化生活需要,加强保健鱼油的技术丌发力度,扩大保健鱼油的生产就显得十分必要。DHA和EPA甘油酯是未来鱼油保健品及药品的主要发展方向。DHA和EPA甘油酯主要从海洋生物(如金枪鱼、沙丁鱼、鳕鱼等鱼油)中提取获得,但是鱼油中DHA、EPA含量较低,采用化学或物理方法很难将其中的DHA、EPA含量大大提高。近年来,利用微生物酶富集DHA和EPA的方法逐渐受到人们的重视。与物理和化学方法相比,酶法有一系列的优点,首先,酶催化效率高,在大规模的生产中用量很少,且固定化酶能多次的重复利用;再则,酶催化反应在温和的pH、温度和压力下进行,这对不稳定的长链DHA和EPA来说尤为重要。在通常的理化反应条件下长链DHA和EPA中顺式结构双键被氧化、顺反异构、双键的移位和聚合反应都易发生;最后,酶催化反应能降低能量的消耗,这在能源短缺的时代是非常必要的。进一步说,出于酶催化反应能在无溶剂条件下进行,可以避免庞大的设备和繁杂的工艺流程,而操作人员也能在安全的条件下工作。因此,利用酶工程技术将DHA和EPA富集在甘油酯上是~种非常有效的方法。脂肪酶法富集DHA和EPA甘油酯又分为脂肪酶选择性水解、脂肪酶选择性酯交换和脂肪酶选择性酯化等【20】。1.2.1脂肪酶选择性水解法通常认为鱼油的甘油三酯中2位上连接着DHA和EPA等n.3PUFA,l、3位上连接着饱和的和低度不饱和脂肪酸,这样其分子由上而下的三个酯键(1、2、3)有空间差异。有的脂肪酶具有1、3位置选择性,利用酶的位置选择性水解掉l、3位上的饱和的或单不饱和的脂肪酸,从而使n.3PUFA富集在甘油酯的2位上。有的脂肪酶虽然对甘油酯无位置选择性,但对酰基碳链有选择性,就可水解掉任何位置的非n-3PUFA脂肪酸,得到富含n-3PUFA的甘油一酯、甘油二酯和甘油三酯的混合物。Bottino等12lJ人认为脂肪酶对酰基碳链的选择性与鱼油中n-3PUFA对脂肪酶水解的抵抗作用有关。不饱和脂肪酸分子中存在碳碳双键和全顺式构型,引起整个链的弯曲,因此在甘油酯分子上不饱和脂肪酰中靠近酯键的最末端甲基对脂肪酶的进攻形成空间阻碍。DHA和EPA分子中分别有六个和五个双键,导致全顺式构型的整个链高度弯曲,加强了这种空间阻碍作用,使得脂肪酶难以接触到DHA和EPA与甘油形成的酯键,故脂肪酶对甘油酯上的DHA和EPA酰基作用较弱。但饱和的和单不饱和的脂肪酰在空间上对酶分子不存在这样的空问阻碍,因而很容易被水解掉。机理见图l-2。.......一0H厂[l薹一屿2E伽PUFA+RICOOH+R:COOH图l-2脂肪酶选择性水解的机理Fig1-2Mechanismoflipase-catalyzedselectivehydrolysis4广东海洋大学硕士学位论文利用脂肪酶水解法富集DHA和EPA甘油酯,国外已在20世纪90年代开展了大量的研究工作,我国是在2000年后才‘有资料报道这方面的研究。但是到目前为止,还没有高含量的DHA和EPA甘油酯产品上市。通过脂肪酶的选择性水解来富集DHA和EPA甘油酯,关键是要筛选出具有良好选择性的脂肪酶和控制好水解过程参数,以防止甘油酯的完全水解。Wanatmdara等I丑J人对多种商业化的脂肪酶进行筛选,发现柱形假丝酵母脂肪酶(Candidacylindracealipase)水解富集DHA和EPA的效果最好,可使海豹油中DHA和EPA含量提高至43.5%,使鲱鱼油中DHA和EPA含量提高至44.1%。Tankal23+24]等人在筛选六种脂肪酶的选择性水解金枪鱼油的能力中发现也是柱形假丝酵母脂肪酶水解富集DHA和EPA的效果最好,甘油酯中DHA含量增加了3倍,而其它五种酶,并没有使DHA含量明显增加。Shimada等[25-271用四种脂肪酶选择性水解富集EPA,发现通过高度水解来富集鱼油中的EPA是困难的。Hllrl281等人在研究中阐述了脂肪酶对sn一1、3位的特殊选择性的重要性。为了增加选择性水解富集DHA和EPA的效率,研究者采用了各种办法,Shimadat2930]等采用逐步酶水解法,第一步水解后,用物理的方法除去游离脂肪酸,剩余的甘油酯进一步用脂肪酶在同样的条件下再水解,甘油酯中DHA和EPA含量可增加至57.5%,得率为16.3%。Sun等川人以从鲑鱼内脏中提取的鱼油为原料,用6种脂肪酶催化水解富集DHA和EPA甘油酯,结果发现来自洋葱假单胞菌(Pseudomonascepacia)和假丝酵母(Candidarugosa)脂肪酶的富集效果比较好,可使原料鱼油中DHA和EPA含量增加两倍。Okada等1321人用假丝酵母(Candidarugosa)脂肪酶选择性水解沙丁鱼油6h,EPA和DHA在甘油酯中含量分别由26.86%和13.62%增加至34,45%和28.02%。Ko等【33】人利用表面活性包裹的假丝酵母(Candidarugosa)脂肪酶在水油两相中对金枪鱼油进行选择性水解,结果甘油酯中的n-3PUFA含量由原来的26.4%增加到49。8%,DHA含量由原来的19.1%增加到38.90/o。在我国,石红旗等134J人研究了以国产解脂假丝酵母(Candidarugosa)脂肪酶在适宜的条件下水解鱼油,制备了的富含DHA和EPA的甘油酯产品,DHA和EPA含量分别为34.0%和13.9%,总含量为47.9%,DHA甘油酯产品经高效液相色谱分离、红夕}光谱分析确证为甘油酯混合物,包括单甘油一酯(MG),甘油二酯(DG)和甘油三酯(TG)3种形态。吴可克等【35J人以鳕鱼油为原料,研究了国产假丝酵母(Candidarugosa)脂肪酶的选择性水解条件,结果表明在适宜条件下鱼油中的DHA和EPA含量由原来的7.975%和12.016%增加至29.37%和23.26%。吴可克等【36】人还以深海鱼油为原料,脂肪酶为催化剂,尝试了搅拌式反应器、渗透膜反应器、中空纤维式反应器对鱼油的选择性水解反应的影响,结果表明带有固定化酶的搅拌式反应器对酶促鱼油部分水解反应为最适反应器。王运吉等【37】人以聚氨酯泡沫为载体,采用固态培养的方法固定化RhizopuschinensisWZH-8细胞,研究了固态培养条件和固定化胞内脂肪酶的性质及其在选择性水解鱼油富集n-3多不饱和脂肪酸(n-3PUFA)@的应用,结果表明:脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究在最佳条件下,固定胞内脂肪酶与非固定化的自由菌丝胞内脂肪酶相比,前者水解活力提高了25%以上;pH和热稳定性也显著提高;半衰期为836h;酶法选择性水解鱼油,n一3PUFA由27%提高到53%9上。郑毅等‘3列人通过对5种不同来源脂肪酶的筛选,以来源于米曲霉脂肪酶为最佳酶种,在该酶的最佳水解鱼油的条件下,鱼油中EPA和DHA分别由3.0%和4.3%提高到9.O%和16.5%。1.2.2脂肪酶选择性酯交换法脂肪酶选择性酯交换法是通过选择不同活力的脂肪酶,使鱼油中的甘油酯与游离的rt-3PUFA、醇或另~酯发生的酰基交换反应,结果使鱼油中的n-3PUFA较多的分布在甘油酯中,达到富集的目的[39,40]。酯交换可分为三个过程:酸解、醇解、酯酯交换,反应的机理见图1.3。广一oCoRlr—PUFA+n-3卜一PUFAL—OCOR2PUFA·I*’}-——一PUFA+R1COOH十RjCOOHL—PUFA广oCoRl广一OHt-PUFAL—oHLoCoR2厂oCoRl广一PUFA卜_PUFA十R,COOR’;二二!卜一PUFA+RICOOR’,+R2COOR'’LL—OCOR2+ROH;=2卜_PUFA+RlCOOR+R2COORPUFA图1-3日目肪酶选择性醑交换机理(R’为PUFA)Fig1-3Mechanismoflipase-catalyzedselectiveesterexchange酸解富集是利用脂肪酶的选择性将连接在1、3位的饱和脂肪酰基和单不饱和脂肪酰基与高浓度的n-3PUFA发生酰基交换作用,从而将n.3PUFA富集在甘油酯上。Takashi等【4ll在底物比6:1(n-3PUFA:鱼油)、固定化脂肪酶30wt%、水分含量5wt%的条件下,经酸解富集甘油酯中小3PUFA含量增至62%。‰n粕e【421等在利用DHA酸解反应中发现鱼油中EPA含量在前5h是下降的,而DHA含量在正常酸解反应中是增加的,可能是由于鱼油中EPA被DHA所取代而达到一个新的平衡。为增加反应的效率,Yamane等[4al采用两步酸解法,首先在超临界C02中进行3h,然后在真空下进行5-24h,这样可使甘油二酯的含量减少;通过一套由水套式填充柱和底物混合器(温度保持在.10’C或.200C)中间由管道连接组成的循环装置可从反应混合物中除去结晶的饱和和单不饱和的脂肪酸,从而提高n.3PUFA的含量。Nozomi等m】还研究了将酶水解和酸解联合应用富集n-3PUFA中,认为将n-3PUFA可以富集到一些有价值的植物油中,生产出具有更高利用价值的构造脂质。在酸解反应中,水分含量和酶活性是影响反应效率的两个重要参数。如果底物中水分含量太高,酸解会向水解的副反应方向进行:另一方面如果水分太低,它又会影响酶活性。这种双重效应使得酸解6广东海洋大学硕士学位论文反应将n.3PUFA富集在甘油酯中的效率比较低,这是酸解反应的一个最大缺点。虽然酸解富集可以将甘油酯中n.3PUFA的含量提高到50%左右,但是需要较高浓度的n-3PUFA为前提。因此醇解富集为提高甘油酯中n一3PUFA的含量提供了另外一个技术途径。醇解富集n.3PUFA的机理和水解一样,利用脂肪酶的1、3位置选择性,使连接在1、3位的饱和脂肪酰基和单不饱和脂肪酰基与一些短链的脂肪醇发生酯化作用,从而将n.3PUFA富集在甘油酯上。Haraldsson等【45】在10%脂肪酶、一定量的乙醇、20℃和反应24h的条件下,甘油酯中n.3PUFA的含量增至50%左右,EPA和DHA的回收率分别是90%:fFl80%。Watanabe等【46】认为脂肪酶在…定量的乙醇中可能会失活,为了避免这种情况发生,采用逐步加入乙醇的方法,第一步醇解在40℃、1/3量的乙醇、4%固定化脂肪酶的条件下反应lOh,乙醇被消耗,33%的金枪鱼油被转化为相应的酯;第二步,加入剩余的乙醇,反应36h,经过逐步醇解95%的金枪鱼油被转化为相应的酯。在醇解反应中,水分含量和脂肪醇的类型是影响醇解效率的两个关键因素。Li等【47】人对十种醇进行醇解筛选,发现异丙醇和乙醇用于醇解最合适,也有研究者认为月桂醇最合适。酯酯交换反应是利用脂肪酶选择性催化甘油酯中1、3位的酰基与n一3PUFA的乙酯发生酰基交换反应,得到n一3PUFA含量更高的甘油三酯。目前关于这方面的报道还很少。1.23脂肪酶选择性酯化法乩●n-3PUFA和lipase,H--[OCHORl●222=2=2222=’卜—-UHL—OCOR2l-甘油一酯1、3·H油二酯U油醚位怯OR,罢篓肇OCORoc1:‘……‘……’LL2~酯峭…,;二详墙广_一oc0R2LOCORlI.一OCOR3图1—4n.3PUFA和甘油的脂肪酶催化酯化机理Fig1-4Mechanismoflipase-catalyzedesterifieationofn-3PUFAandglycerol脂肪酶选择性水解法和脂肪酶选择性酯交换法由于受天然鱼油中n一3PUFA含量脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究低的限制,使得n.3PUFA在甘油酯中的含量仍然得不到较大提高,因此脂肪选择性酯化就成为提高n.3PUFA在甘油酯中含量的一个新的重要技术途径。脂肪酶选择性酯化是指脂肪酶选择性的催化游离脂肪酸中n-3PUFA与甘油反应生成甘油酯,而n一3PUFA富集在甘油酯分子上,从而达到富集的目的。这种方法一般先使鱼油完全水解,浓缩富集制得高纯度的n.3PUFA,再在脂肪酶的催化下与甘油发生酯化反应【4sJ。利用此法可得到n-3PUFA含量达70%以上的甘油酯。酯化反应机理见图1.4。Yh等149-5q研究在酶催化酯化反应中强调使用有机溶剂的重要性,选择合适的有机溶剂体系可为底物提供均一的系统,改变酶分予对底物的选择性和亲和力,产生各种各样的物理化学效应。“等”2J对甘油和n一3PUFA在有机溶剂体系中的酯化反应进行了深入研究,脂肪酶IM.60的酯化度达到了92.4%,由于该酶具有l、3位置选择性,产物主要以甘油二酯为主,而甘油三酯含量较少。Cerdan等[53,54]在对脂肪酶Ps、IM和435进行催化合成研究中发现,脂肪酶435的酯化度达到了95%以上,该酶具有宽广的专一性,产物中甘油三酯的含量达到93.5%,GC分析n-3PUFA的含量达到70%以上。He等[s51对多种脂肪酶进行酯化反应筛选,发现来源于染色粘性菌(Chromobacteriuml/lscosurll)的脂肪酶酯化富集的效果最好,在异辛烷体系和最佳工艺5%水(g/甘油)、底物比lO:1(g/g)、酶40mg、50℃反应48h条件下酯化率为94.3%。Haradsson等156】在无溶剂系统中进行酯化反应富集,添加10%的CandidaAntarcticanon.regiospecific脂肪酶,在真空、65℃下反应24h,n-3PUFA的酯化率为97%,若反应时间延长为72h,酯化率可达100%。Rosu等I”J认为Pseudomonas脂肪酶对DHA有较好的选择性,将该酶固定在碳酸钙粉上,在真空条件下反应5h,DHA的酯化率为90%。体系中水分含量影响着反应的平衡和酶的活性,因为水是反应的产物,大量水的生成又会导致已富集了n.3PUFA的甘油酯重新发生水解,分子筛的加入可以有效除去多余水分提高酯化率。影响酯化反应的因素较多,为更好的控制反应过程参数,Linder等[SSl利用响应面优化方法对酶法合成的过程参数进行了优化,在最佳的因素水平组合下,酯化度达到了97%。以上的研究都表明酶促合成法很容易将11.3PUFA富集到甘油酯中,酯化度可达90%以上,甘油酯中n-3PUFA的总含量可达70%以上。1.2。4小结脂肪酶选择性酯交换和脂肪酶选择性酯化,这两种方法反应的前提是需要高浓度的DHA、EPA做底物,而高浓度的DHA、EPA需要通过其它物理或者化学方法富集得到,生产工序繁多,操作复杂,生产成本较高,而且容易有有机溶剂残留。脂肪酶选择性水解法可以克服以上两种方法的缺点,其操作简单,投入设备少,只需要脂肪酶的一步水解就可以使甘油酯中的DHA和EPA达50%以上,能够满足保健鱼油的要求,而且生产成本较低。因此脂肪酶选择性水解富集DHA和EPA甘油酯是一种既实用又有效的方法。广东海洋大学硕士学位论文1.2.5展望DHA和EPA主要以甘油酯的形式存在于深海鱼类的脂肪组织中,一般DHA和EPA总含量为3%一30%。在过去,由于天然型的甘油酯所含DHA和EPA的浓度较低;而脂肪酸乙酯型易得到高纯度的产品,研究者们多偏重于对DHA和EPA乙酯型的研究,而对其甘油酯型产品研究相对较少。但是近年来,对鱼油保健品,人们对其剂型为脂肪酸型、甲乙酯型的安全性提出了质疑,对天然鱼油甘油酯型保健品中DHA和EPA含量低不再满足,期望提供安全性好、DHA和EPA含量高的甘油酯型保健品。另外,DHA和EPA甘油酯在消化道中的水解速率比物理或化学方法富集得到的相应的甲酯或乙酯快,同时,DHA和EPA的甘油酯比其甲酯或乙酯更适合机体吸收。从市场角度考虑,DHA和EPA的单酰、双酰和三酰甘油酯将因为比相应的游离脂肪酸和烷基酯更“天然”而畅销。因此,DHA和EPA的甘油酯产品将是未来鱼油保健品的主要发展趋势,我们应充分利用资源和技术上的优势,大力开发DHA和EPA甘油酯型产品。脂肪酶选择性水解富集DHA和EPA甘油酯,目前在国内外已有资料报道,但是还没有产品上市。因此,我们必须加强对这项技术的开发力度,争取有自主知识产权的专利技术,为开发高含量DHA和EPA甘油酯型鱼油保健品提供理论基础。另外,近年来随着捕捞强度增大,海洋渔业资源逐年衰减,海洋捕捞的中低值鱼产量呈上升趋势,占海洋捕捞产量的57%~59%,大部分用于生产饲料,产品的附加值低,企业经济效益低下,还有一部分资源被抛弃掉,这不仅浪费资源,而且污染环境。因此,该项目的关键技术也可为低值鱼资源的高效利用提供很好的技术途径,这对于高效利用海洋生物资源生产高附加值产品和促进海洋经济发展都具有积极和重要的现实意义。1.3研究内容和方法本研究在前人研究的基础上,以黄鳍金枪鱼鱼油为原料,采用脂肪酶选择性水解法富集DHA和EPA甘油酯,并对其反应机理,产物的理化性质和组成以及氧化动力学等进行一系列的研究。该项研究将不仅丰富水产品综合利用和油脂酶法改性的理论,而且也将为开发新一代的鱼油保健品提供技术途径。具体内容与方法如下:(1)脂肪酶选择性水解鱼油的工艺参数研究:在该项研究中先采用单因素试验考察影响DHA、EPA在甘油酯中含量的各个因素,确定其影响显著性和变化范围,然后再用响应面试验设计优化其工艺参数。(2)DHA和EPA甘油酯的理化性质和组成分析:在该项研究中首先对DHA和EPA甘油酯的理化性质(主要是过氧化值、酸值、碘值和皂化值)进行分析,并与天然鱼油的理化性质进行分析比较;然后采用气相色谱法分析其脂肪酸组成,同样与天然鱼油进行比较;为了分析DHA和EPA甘油酯的组成,采用硅胶柱层析技术进行9脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究分离,分离物进行红外扫描鉴定其甘油酯的类型。(3)对脂肪酶酶促鱼油水解的动力学进行研究:脂肪酶催化鱼油水解属于单底物的酶促反应,因此,根据单底物酶促反应动力学理论研究脂肪酶催化鱼油水解的反应机理和动力学模型,并由试验数据得出了动力学参数。在理论上阐明酶促反应的机制,了解反应的具体过程和途径,为控制反应进行的程度和估算水解反应进行到某种程度所需的时间等实际应用奠定了理论基础。(4)DHA和EPA甘油酯的热稳定性和氧化动力学研究:采用差示扫描量热(DSC)技术对DHA和EPA甘油酯在空气气氛下的热氧化反应,求出了热氧化反应的动力学参数,为甘油酯的加工、贮藏、和消费过程提供基础性数据。j0广东海洋大学硕士学位论文第二章脂肪酶水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的工艺研究鱼油是天然甘油酯,通常认为鱼油甘油三酯中2位上连接着DHA和EPA等高度不饱和脂肪酸,1、3位上连接着饱和的和低度不饱和脂肪酸,这样其分子由上而下的三个酯键(1、2、3)有空间差异,大多数脂肪酶作用在l、3位上。利用酶的位置选择性水解掉1、3位上的饱和的或单不饱和的脂肪酸,从而使DHA和EPA富集在甘油酯的2位上。有一些脂肪酶虽然对甘油三酯无位置选择性,但对酰基碳链有选择性,这样的选择性可水解掉任何位置的非DHA和EPA脂肪酸,得到富含DHA和EPA的甘油三酯、甘油二酯和少量甘油一酯,且DHA和EPA的回收率较高。Bottino等p州人的研究认为脂肪酶的这种选择性与鱼油中的长链n.3不饱和脂肪酸对脂肪酶水解作用的抵抗作用有关。由于不饱和脂肪酸分子中存在碳碳双键和全顺式构型,引起整个链的弯曲。因此在甘油酯分子上不饱和脂肪酸中靠近酯键的最末端甲基对脂肪酶的进攻形成空间阻碍。DHA和EPA分子中分别有六个和五个双键,导致全顺式构型的整个碳链高度弯曲,加强了这种空间阻碍作用,使得脂肪酶难以接触到DHA和EPA与甘油形成的酯键,故脂肪酶对甘油酯上的DHA和EPA酰基作用较弱。但饱和的和单不饱和的脂肪酸在空间上对酶分子不存在这样的空间阻碍,因而酶很容易水解。本章以黄鳍金枪鱼鱼油为原料,对影响脂肪酶催化水解甘油酯的因素(如脂肪酶的种类、油水比、有机溶剂的种类、反应的温度、激活剂的种类、缓冲液pH、脂肪酶浓度和反应时间等)分别选取5个以上的水平,以产物中DHA、EPA的总含量为指标,进行单因素试验,初步确定各个影响因素的显著程度和变化范围。对影响比较显著的因素选择合适的水平,采用响应面(RSM)试验设计对工艺参数进行优化,通过试验统计学的处理,得到合理的数学模型,确定反应的最佳因素水平组合。2.1材料与方法2.1.1材料黄鳍金枪鱼鱼油:利用蛋白酶酶解法从黄鳍金枪鱼鱼头中提取,然后采用脱胶、脱酸、脱色和脱臭等工艺对其进行精炼,除去杂质成分即得精制黄鳍金枪鱼鱼油。脂肪酶OF:是由CandidaCylindracea(C.rugosa)得到的脂肪酶,是一种没有位置专一性的酶,能把三酰基甘油酯水解成脂肪酸和甘油,有很高的活力。其外观为白色粉末,酶活力为360,ooou/g粉末,分子量为60,000(SDS.PAGE),最适pH为6-7,在pH为3.8该酶稳定,在温度为40.50"C的范围内有最高的活力,在低于37℃的水溶液中稳定,在低于25。C的条件下储藏。酶由日本MeitoSaagyoCo.,Ltd.Nagoya赠送。脂肪酶Novo435:是由Candidaantarctic得到的脂肪酶,用一种经过基因改良的脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究米曲霉(Aspergillusoryzee)微生物进行深层发酵并吸收在~种大孔型树脂上而制成,出直径范围为0.3mm,--O.9mm的小球状颗粒组成,产品含水量为l%~2%,其活力10000U/g。该酶具有宽广的底物专一性,耐热性很高,在70℃~80℃范围内有最高的活力,由于提高温度下的反应会引起酶的受热失活,为保持优化的生产率,推荐在406C~60℃范围内操作。可以在不用溶剂的体系中使用,也可以在石油醚和正己烷等惰性溶剂中使用,效果都是良好的。保存在0*C~25℃的密闭容器中,保持干燥,避免阳光直晒。购自丹麦诺维信公司。LipozymeTLIM:是一种由微生物制备的1、3位专一性的食品级脂肪酶固定在颗粒硅胶上的制剂。从Thermomyceslanuginosus得到的。用一种基因改性米曲霉微生物经过深层发酵生产的。催化活力250U/g,表观密度O.549/mL,颗粒直径0.3mm~1.Omm,水分含量5%(重量比)。在55℃oO℃范围内活力最大。该酶是一种能在机械力作用下保持稳定的颗粒,既可以使用在分批操作中,也可以在固定床连续操作中使用,但是它只能在非水介质中使用,因为在水中这种颗粒会崩解。保存在O'C~25℃的密闭容器中,保持干燥,避免阳光直晒。购自丹麦诺维信公司。LipozymeTL100L:是一种液体脂肪酶,具有1、3位专一性的食品级脂肪酶,主要用于油脂的水解。购自丹麦诺维信公司。2.1.2试剂与仪器试剂名称生产厂家纯度级别氢氧化钾广州化学试剂公司分析纯95%乙醇广州化学试剂公司分析纯丙酮广州化学试剂公司分析纯正己烷广州化学试剂公司分析纯氢氧化钾广东台山化工厂分析纯乙醚广州化学试剂公司分析纯氯仿广州化学试剂公司分析纯甲醇广州化学试剂公司分析纯氯化钙广东台山化工厂分析纯磷酸二氢钾广东台山化工厂分析纯磷酸氢二钾广东台山化工厂分析纯柠檬酸广东台山化工厂分析纯碳酸钠广东台山化工厂分析纯氯化镁广东台山化工厂分析纯氯化钾广东台山化工厂分析纯12广东海洋大学硕士学位论文仪器名称型号THZ一82型电热恒温震荡水浴槽FA2104S型电子天平N1000真空旋转蒸发仪GC.14B气相色谱仪CR.6A数字记录仪2.1.3试验方法生产厂家上海浦东跃欣科学仪器厂上海天平仪器厂上海托普仪器有限公司日本岛滓日本岛津2.1.3.1脂肪酶水解鱼油的工艺过程称取鱼油2.009于50mL锥形瓶中,加适量的酶,加入适量的水。充氮密封,放入恒温水浴锅以150r/min的速度震荡反应,反应完毕后加10mL乙醇和10mL丙酮摇匀,使油样充分溶解后,加入2滴酚酞指示剂,用O.5mol/LKOH溶液滴定至微红色。加25mL正己烷萃取,震荡后转移到分液漏斗,分层得到上层油层,用水洗涤除去脂肪酸赴,至上层澄清透明,转移到烧瓶旋转蒸发除去溶剂,即得DHA和EPA甘油酯。2.1.3.2脂肪酸组成分析[60,61]样品的甲酯化:将0.59样品放入一具塞试管中,加入5mL0.5mol/L氢氧化钾的甲醇溶液(2.89氢氧化钾溶于100mL甲醇中)。在50。C水浴中震荡30min,直至油滴消失,取出向混合物中加入5mL正己烷,震荡然后静止2分钟。取上清液然后加入适量无水硫酸钠脱除水分,贮存于试剂瓶中(-20。C),供气相色谱分析用。气相分析条件:岛津GC.14B气相色谱仪;色谱柱:FFAP石英毛细管柱(中科院大连化物所),30mx0.25mm(内径)×O.25um(膜厚):检测器FID:进样口温度250。C,检测器温度250"C;色谱柱升温程序:1904C保留15min,以5。C/min升至2304C,直到分析完成;载气为氮气,压力500kPa,空气压力50kPa,氢气压力50kPa,尾吹气压力200kPa:分流方式进样,分流比40:1,进样量1uL。脂肪酸的定性与定量:将脂肪酸甲酯的标准品的标准液和样品甲酯化后的溶液在相同条件下分别进样,进样量为luL,以脂肪酸甲酯的标准样品峰的保留时间进行定性,确定样品中的脂肪酸甲酯的样品峰,用面积百分比法进行定量(不计溶剂峰面积),以确定各种脂肪酸的相对百分含量。2.1‘3.3数据处理:采用SAS数据处理软件212结果与讨论酶作为一种具有活性的物质,其作用效率受多种因素的影响,本研究考查了酶种类、油水比、加酶量、水解温度、激活剂、有机溶剂、缓冲溶液、反应时间对DHA、EP:A浓度的影响。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究2.2.1不同来源的脂肪酶对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加水2mL和正己烷3mL,在40。C下反应10h,充氮气保护,研究不同来源的脂肪酶对DHA、EPA富集效果的影响。∞踮∞弱加坫m0Ol—OF孔100LTLIM435酶酶的种类图2-1不同脂肪酶对DHA、EPA含量的影响Fig2-1EffectofdifferentlipaseonthecontentofDHAandEPA油脂具有三个不同位嚣的酯键,按次序从上而下编为l、2、3。按费歇尔的投影式,把1,3位的酯键放在右边,把2位的酯键放在左边。从位置来看,这三个酯键是有立体差异的。脂肪酶对1、3位不能区分,常把l、3位称为a位,2位称为13位。大多数微生物脂肪酶作用于甘油三酯的a位,有位置专一性:但也有的脂肪酶无位置专一性,既能水解a位也能水解B位酯键。从图2.1可以看出,脂肪酶OF和TL100L对DHA、EPA浓度的提高效果较好,而脂肪酶TLIM和435两种酶对DHA、EPA含量的提高效果不明显。这可能由于脂肪酶TLIM在工业化生产中是用于酯交换的酶,该酶对水解效果不明显;脂肪酶435有很宽的底物专用性,既是一种有效的促进三酰基甘油酯水解的酶,又是可以促进范围很广的伯醇和仲醇与羧酸之间合成反应的一种酶,在本试验中,该酶可能催化合成的作用大于水解的作用,因此对DHA、EPA含量的提高效果不佳。脂肪酶OF和TL100L对DHA、EPA浓度的提高效果较好,浓缩效果差别不大,因此以下试验中我们对脂肪酶OF和TL100L的富集效果分别进行研究。本研究以2.009鱼油为原料,加入脂肪酶OF或TL100L的用量为10,000U/g油,加正己烷3mL,在40℃下反应10h,充氮气保护,研究不同水油比对DHA、EPA富集效果的影响。从图2.2中可以看出在脂肪酶OF的作用下,当水油比为4时,效果较好。水油比小于4时,DHA和EPA的总含量随水油比的增大而增大,水油比大于4时,DHA142.2.2水油比对DHA、EPA富集效果的影响广东海洋大学硕士学位论文和EPA的总含量略微下降,这可能是由于在一定范围内水分的增加可激活酶的活性,为反应起始提供水,水的微微升高会加速反应速度,但另一方面过量水的存在又会导致生成物反应中的大量副反应发生。因此,在反应开始及反应过程中,严格控制水分量是十分重要的。根据油脂水解反应理论,我们想得到DHA或EPA甘油酯是lmol黄鳍金枪鱼鱼油、2mol水在脂肪酶作用下起反应,但脂肪酶水解鱼油的反应是可逆的,随着反应的进行,水相中的甘油单酯浓度会增加,逆合成作用也逐渐加强,至甘油单酯浓度达到30%,油酯水解反应就严重受阻。所以实际使用的水量要大于计算值。∞%∞嘶的蛎蚰∞23456水油比图2-2在脂肪酶OF的作用下水油比对DHA、EPA总含量的影晌Fig2-2Effectoftheratioofwatertooil0nthecontentofDHAandEPAhydrolyzedbylipaseOF39专37删35篓33盆31自29暑27。252345水油比图2-3在脂肪酶TLIOOL作用下水油比对DHA、EPA总含量的影响Fi92-3EffectoftheratioofwatertooilonthecontentofDHAandEPAhydrolyzedbylipaseTLIOOL从图2—3中可以看出在脂肪酶TLlOOL的作用下,DHA和EPA的总含量随水油比的增大而明显降低,这可能是该脂肪酶在水中酶颗粒崩解,催化作用减弱。从上述分析结果可以明显看出,脂肪酶OF在最佳的水油比下对DHA、EPA的富集效果明显好于脂肪酶TL100L,因此以下的研究中选择脂肪酶OF,水油比为4。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究2.2.3酶浓度对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加水8mL和正己烷3mL,在40。C下反应10h,充氮气保护,在脂肪酶OF的作用下研究不同酶浓度对DHA、EPA富集效果的影响。50.女-x孟45篓40善35童305富250l2341020酶浓度(rag/g油)图2-4酶浓度对DHA、EPA总含量的影响Fig2-4EffectofenzymeconcentrationonthecontentofDHAandEPA从图2-4可以看出,酶浓度为15mg/g油时效果较好。在脂肪酶浓度为0-2mg/g油时,DHA和EPA的总含量随着酶浓度的升高明显增加;在脂肪酶浓度为2-10mg/g油时,DHA和EPA的总含量随着酶浓度的升高而增加不明显;在脂肪酶浓度为10-15mg/g油时,DHA和EPA的总含量随着酶浓度的升高而增加较为明显;在脂肪酶浓度大于15mg/g油时,DHA和EPA的总含量逐渐趋于稳定。脂肪酶用量太少或太多,水解效果都不好,甚至难以使产物中甘油酯含量达到要求。当脂肪酶用量太少时,酶的活力不足以使甘油酯水解到所要求的程度;但此时若适当提高脂肪酶的用量,水解效率则会显著提高。当脂肪酶用量较大时,产物对酶的抑制作用等不利因素在反应中起主导作用,使水解效率降低。在工业生产中,须参考具体反应体系、操作条件及酶的价格等诸多因素,选择适宜的脂肪酶用量,以获取最好的经济效益。例如酶用量较低时,可以采取加强搅拌、延长水解反应时间等方法加以弥补。因此,综合考虑,以下研究选择酶浓度为15mg/g油。2.2.4温度对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加水8mL和正己烷3mL,脂肪酶OF浓度为15mg/g油,反应10h,充氮保护,研究不同反应温度对DHA、EPA富集效果的影响。从图2.5可以看出,脂肪酶OF在温度为40℃时,催化效果最好,DHA和EPA的总含量最高。在体系温度低于400C时,DHA和EPA的总含量随温度升高而增大,在体系温度高于40"C时,DHA和EPA的总含量下降很快,这可能是温度对脂肪酶酶促鱼油水解反应的影响较复杂,温度升高对酶促反应产生两种相反的效果。一方面,16广东海洋大学硕士学位论文反应速度随温度升高而加快,这表现在0℃一40。C范围内,DHA和EPA的总含量随温度升高而增加。另一方面,脂肪酶变性失活的速度随温度升高也迅速增加,在超过酶的适宜温度范围时,酶失活的速度比反应速度大得多,从而使水解反应速度急剧下降,这表现在40"C.70*O范围内,DHA和EPA的总含量随温度升高而降低。因此,以下研究选择反应温度为4000。∞踮的蛎鲫∞髂∞3040506070温度(℃)图2-5温度对DHA、EPA总含量的影响Fi92-5EffbctoftemperatureOilthecontentofDHAandEPA2.2.5添加剂对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加水8mL和正己烷3mL,脂肪酶OF浓度为15mg/g油,在40。C下反应lOh,充氮气保护,研究不同的添加剂种类对DHA、EPA富集效果的影响。58S56鳝g48麦46嚣44叠42。40空白氯化钙氯化钠碳酸钠氯化镁氯化钾激活剂的种类图2-6激活剂对DHA、EPA总含量的影响Fi92-6EffectofactivatoronthecontentofDHAandEPA从图2-6可以看出,在添加氯化钾的情况下,DHA和EPA的总含量有所提高,而氯化钙、氯化钠、碳酸钠和氯化镁,对DHA和EPA的富集起抑制作用。这可能是K十对脂肪酶OF起激活作用,而其它离子Na+、Ca2+、M92+对脂肪酶OF起抑制作用。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究氯化钾对脂肪酶OF的催化虽然有一定激活作用,但是效果并不明显。如果在反应体系中添加了氯化钟,在水解后进行产物分离的过程中还需要除去金属盐类,增加了操作工序,而且容易造成DHA和EPA甘油酯的损失,因此,综合考虑,以下研究中不添加激活剂。2+2.6有机溶剂对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加水8mL,脂肪酶OF浓度为15mg/g油,在40“C下反应10h,充氮气保护,研究不同的有机溶剂种类对DHA、EPA富集效果的影响。S67。0篓器喜i:喜1:空白|l_¨.u异辛烷正己烷正庚烷丙酮有机溶剂种类on氯仿图2.7有机溶剂的种类对DHA、EPA总含量的影响Fig2-7EffectoforganicsolventthecontentofDHAandEPA脂肪酶催化油脂水解是水油两相的反应体系,水油互不相溶,为了增加其脂肪酶与两种底物的充分接触,本研究尝试采用添加有机溶剂来促进脂肪酶催化油脂水解反应。从图2.7中可以看出有机溶剂对催化效果的影响,添加丙酮、氯仿等溶剂,DHA和EPA的总含量大量减少:添加异辛烷、正己烷、正庚烷等弱极性或非极性的溶剂,DHA和EPA的总含量有所增加,但是和不添加有机溶剂的相比,效果并不明显。高桥穰二等研究了脂肪酶在水.有机溶剂双相体系中催化油脂水解的反应,发现了水解效果与溶剂性质之间的相关性,但并不十分明确其原因。他们用溶剂的溶解参数(6)比较好地描述了这一相关性,6值越小,即与水相溶性越小,促进水解效果越高。有机溶剂的添加量对水解率也有明显的影响。添加适量的异辛烷,不仅能提高油脂水解率,而且有利于酶的回收。Fearirheller.S.H等在用固定化酶水解牛脂时添加非极性溶剂,反应速度至少提高2倍。然而本试验由于有机溶剂对DHA和EPA的总含量的提高效果不是很明显,并且考虑到食品的安全性,因此以下研究中不添加有机溶剂。2.2.7DH对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加缓冲溶液8mL,脂肪酶OF浓度为15mg/g油,在40"C下反应10h,充氮气保护,研究不同pH值的缓冲溶液对DHA、EPA富集效广东海洋大学硕士学位论文果的影响。58誉56袈54霎52基50璧48Zo46—-…一水46578910缓冲溶液pH值图2-8缓冲溶液pH对DHA、EPA总含量的影响Fig2-8EffectofbuffersolutionpHonthecontentofDHAandEPA从图2.8可以看出,用pH=7的缓冲液时酶的水解效果最好,DHA、E墩.的总含量最高,在缓冲溶液pH为4.7时,DHA、EPA的总含量随缓冲溶液pH的增大而增大,在缓冲溶液pH为7.10时,DHA、EPA的总含量随缓冲溶液pH的增大而减小。当加入缓冲溶液pH为7时,用pH试纸测水解前后反应体系的pH,反应前为7.0,反应后为6.5,而脂肪酶OF的最适pH范围为6—7,整个反应过程都基本处于酶的最佳pH范围内。在此最佳pH范围内,酶分子的空间结构的有关基团处于最佳解离状态,最有利于与底物结合并发生催化作用,活力最高。因此,在以下的试验中使用pH为7的缓冲溶液,而不再添加水。2.2.8反应时间对DHA、EPA富集效果的影响本研究以2.009鱼油为原料,加pH为7的缓冲溶液8mL,脂肪酶OF浓度为15mg/g油,充氮气保护,在40"C下反应,研究不同反应时间对DHA、EPA富集效果的影响。75芭70臻65要60蛊55量50o454812162024304050反应时间(h)图2-9反应时间对DHA、EPA总含量的影响Fig2-9Effectofreactiontime19onthecontentofDHAandEPA脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究从图2-9可以看出,水解反应进行24小时之后,曲线趋于平缓,DHA、EPA的总含量达到最高,水解反应在0.24小时之内,随反应时问的延长,DHA、EPA的总含量不断升高。反应时间长是脂肪酶催化油脂水解反应的缺点之一。在理论上,反应时问越长,甘油酯水解会越彻底。但是从工业生产角度考虑,总是希望反应时间越短越好。根据生产要求,选择水解反应时间为24小时较适宜。2.2.9工艺参数的优化通过单因素试验,我们初步确定了如下水解工艺参数:脂肪酶OF;缓冲液pH为7.0;水油比为4;酶浓度为15mg/g油;在40"C的条件下反应24d'时。在单因素分析的基础上采用四因素响应面试验设计(ResponseSurfaceMethodology,RSM),对油水比例、缓冲溶液的pH、酶浓度和反应温度等四个工艺参数进行优化。2.2.9.1响应面试验设计旧”1以油水比例(X1)、缓冲溶液的pH(Xz)、酶浓度(X3)和反应温度(X4)为决定变量因素,以反应产物中DHA和EPA的总含量(Y)为响应变量,采用四因素响应面试验设计。除了在中心点进行3次重复试验外,其它每个试验点重复2次,中心点的重复是为了估计整个试验过程中的纯误差。所有试验均以随机化顺序进行,以避免其它因素的影响。利用二次多项式回归模型来预测响应变量Y,该模型的基本形式如下:Y=鳓m#∑脯qw∑嘏斗∑∑如x尚岛,屈,居,岛分别为回归模型的截距、一次项、平方项和交叉项的回归系数,xi和Xi是决定变量,Y为响应变量。利用SAS中RSREG过程进行多元回归(Multipleregression)分析、方差(Variance)分析、Cannonical分析等。利用上述分析可得到二次多项式数学模型,通过使其中一个决定变量保持在对响应变量影响最小的值也即中心点,改变其它两个变量的水平,来描绘各个响应变量的响应曲面图和等高线图,从而得出响应变量随着决定变量的变化发展趋势,以及该模型是否具有极大值,还是极小值,还是鞍点,最终优化出最佳的因素水平组合。因素水平编码表如表2-l。表2—1因素水平编码表!竺丝::!兰2璺!坚:!!坚!!墅塑堡竺兰!:弓xlx2x3)(4编码变量水平油水比缓冲液的pH酶浓度(mg/g)温度(℃)广东海洋大学硕士学位论文!!==!==!!=|},●_EEE======!!=!======E=|___e|自自!!===!!!!E!!!====j=!=_E_●-_III。==!=皇2.2.9.2酶促水解反应的数学模型分析根据表2—1的因素和水平进行响应面试验设计,按照设计的试验点进行试验,测得各因素水平组合下的DHA和EPA总含量(Y)如表2-2。表2.2试验设计方案与结果Table2-2Schemeandresultsofexperiment油水比nH酶浓度温度DHA和EPA试验号ZiZ4z,Z1Z总含量(Y,%)总岔蕈(t%)1-1.10052.632-110030,8431.10054.404110031.92500.1—153.39600-1129.757001.157.08800l135.259.100-155.9610-100131.9311100-157.9912100136.95130.1.1051.63140-11054.23150l-1031.50160l103t.7817.10-1033.9618-101042.571910-1037.092010l060.39210.10-149.81220-10I37。81230l0-131.85240l0l29.8325000056.3326000054.6627000053.2021脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究对试验结果进行因素方差分析,结果见表2.3。从表2-3可以看出缓冲溶液pH(ZD和反应温度(磊)对响应变量DHA和EPA总含量(Y)的影响是极显著的,油水比(Zi)和酶浓度(z3)对响应变量DHA和EPA总含量(Y)的影响是不显著的。表2-3因素的方差分析:::翌塑!!竺坐塑竺:!变量因素ZlZ2Z3自由度平方和223.471505.04353.85均方44.69301.0l70.77F值1.238.271.95P值0.350.00l0.16垒!:!!!:型!::!!:!竺注:P<0.01为极显著,O.01<P<o.05为显著,P>O,05不显著。表2^4响应变量=次多项式模型的回归系数Table2.4RegressiontoefficientsofpredicatedseconddarderpolynomialmodeIforresponsevariables变量回归系数(B)54.732.57-9.39T检验P值15.721.48截距一次项ZlZ,Z,Z^0.000O.170.0002O.06O.0003O.150.005O.080.03—5.402.113.66.8.71-4.06-5.00-1.55—3.39-1.94-2.47平方项Zllz22Z33Z44-8.86-5.06-6.44-O.17交叉项z12Z13Z14·O.061.220.25—0.19O.96O.25O.8lO.850.42O.883.67O.75一O.582.50O.45o.87Z23z24z340.830.15R2注:P<0.01极显著;P<0.05显著:P>0.05不显著响应变量的二次多项式模型的回归系数如表2-4所示,各项系数经t.检验得缓冲溶液pH(ZD和反应温度(z4)的一次项和二次项对DFLA和EPA的总含量(Y)影22广东海洋大学硕士学位论文响都呈极显著;其它因素的一次项和二次项以及四个因素之间的交互作用均不显著。这说明DHA和EPA的总含量是由缓冲溶液pH和反应温度的一次项和二次项所决定。试验因素对响应变量的影响经过回归拟合,去除不显著的因素项后可用如下二次多项式表示:Y254.73-9.39z2—8.71Z4—8.86乏一6.44霉对该模型进行方差分析,结果见表2.5。从表2.5可以看出对响应变量Y起决定作用主要是一次项和平方项,它们对数学模型的贡献率分别为68%和16%:交叉项也就是因素之间的交互作用是不显著的;回归方程呈极显著,决定系数R2为O.86,达到了比较好的水平。对数学模型进行失拟性检验,结果见表2-6。从表2-6可以看出失拟项不显著(P>0.05)。决定系数和失拟性检验的结果表明:该模型与实际情况拟合程度比较高。Table2-5、嘶a11ce表2-5回归模型的方莓霉笺analysisofreg÷蔷sio署蠢萄e1注:P<O.Ol为极显著,o.01<P<0.05为显著,P>O.05不显著表2-6回归模型的误差分析Table2-6Erroranalysisofregressionmode2.2.9.3数学模型的稳定点分析稳定点的分析可用数学方法来求解。如果一个函数的稳定点存在,它应该使其对每个决定变量的偏导数分别为零,这样可以联立一个方程组,求出该稳定点。利用此方法求出四个数学模型的稳定点的坐标为(0.51,.0.66,O.55,.O.76)。稳定点的坐标在试验的区域(一1,1)之内,由此得到相应的预测值为62.79%。为了找出稳定点的特征,可以首先利用坐标变换,将模型用一个新的坐标系表示,脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究它的原点在稳定点z。处,然后作坐标轴旋转,直至它们与拟合曲面的主轴平行为止,这样得到模型的正则形式为:Y=62.79-2.61∞;-5.91【I)22-6.48(^);一9.42co:从模型的正则形式的各个变量的系数的符号可以看出,Y具有最大值。对于二次多元回归模型,响应变量和决定变量之间的关系都可用一个三维响应曲面图和一个二维等高线图来描述。从三维响应曲面图上可以清楚地看出,响应变量随寿决定变量变化的变化趋势,并能看出该模型是具有极大值,还是极小值还是鞍点。模型中决定变量对响应变量DHA和EPA总含量(Y)的三维响应曲面图和二维等高线图见图2.10。从图2.10的三维曲面图和等高线图可以直观的看出DHA和EPA总含量应具有最大值,因素对DHA和EPA含量的影响趋势均为先增大后减小。图2.10缓冲溶液pH值和温度对DHA和EPA总含量的响应面图和等高线图Fig2-10ResponsesurfaceandcontourplotsfortheeffectofsufferpHandthereactiontemperature前面的分析中zj是因素的编码值,将规范变量zj用自然变量xj表示,数学模型即为:Y=一151.78+52.84X2+2.00X4—3.94X;一o.03X;稳定点的坐标也即变换为(4,6.5,19.83,33.6),也就是说,在油水比1:4、缓冲溶液pH为6.5、酶浓度为19.83mg/g、反应温度为33.6"C的情况下,模型的最大预测值为62.79%。为了操作方便,选择在油水比l:4、缓冲溶液pH为6.5、酶浓度为20mg/g、反应温度35℃的情况下做验证试验,得到DHA和EPA总含量为61.48%,与预测值60.05%基本相符,误差仅为2%。这也说明了建立的数学模型的拟合程度比较高,在一定程度上可以用于预测反应的过程。24广东海洋大学硕士学位论文252225。’。‘222222222。22222585522225目_·___●_牛‘-自E==一2.3本章小结’本章在对单因素的试验结果分析的基础上,对脂肪酶选择性催化鱼油水解富集DHA和EPA甘油酯的工艺参数采用四因素响应面试验设计进行优化,利用SAS进行多元回归分析,获得了脂肪酶选择性水解富集DHA和EPA甘油酯的二次多项式数学模型:Y=一151.78+52.84X,+2.OOX。一3.94X;一o.03X:,优化出的工艺参数为:油水比为l:4、缓冲溶液pH值6.5,酶浓度20mg/g油,反应温度为35。C的情况下水解24h,通过试验验证,数学模型与实际情况拟合比较好。在此条件下获得的DHA和EPA甘油酯中的DHA和EPA总含量可达61.48%,其中DHA含量为56.22%,EPA含量为5.26%。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究第三章DHA和EPA甘油酯的理化性质和组成分析脂肪酶催化水解法有效的提高了甘油酯中DHA、EPA的含量,本章我们对DHA和EPA甘油酯的理化性质和其组成进行分析,为开发新一代鱼油保健品提供基础数据。对黄鳍金枪鱼鱼油和经酶水解富集得到的DHA和EPA甘油酯的理化性质进行比较分析,为产品的评价提供理论依据;对脂肪酸组成进行分析比较,可以看出脂肪酶作用的机理。对脂肪酶催化水解得到的DHA和EPA甘油酯用硅胶柱层析技术对DHA和EPA甘油酯的类型进行组分分离,然后经红外光谱(IR)对每一组分进行扫描,验证柱层析分离的效果。3.1材料与方法3.1.1试验材料黄鳍金枪鱼鱼油,DHA和EPA甘油酯(按照第二章的工艺参数制取),脂肪酸甲酯标准品购自Sigma公司,主要有Ca—C24等多种脂肪酸甲酯(商品号18919-1AMP)。3.1.2试剂与仪器试剂名称纯度级别生产厂家氯仿AR广州化学试剂厂甲醇AR广州化学试剂厂正己烷AR广州化学试剂厂苯AR广州化学试剂厂邻苯二甲酸氢钾AR广东台山化工厂浓硫酸AR广州化学试剂厂乙醚AR广州化学试剂厂无水硫酸钠AR广州化学试剂厂氢氧化钠AR广州化学试剂厂95%乙醇AR广州化学试剂厂冰乙酸AR广州化学试剂厂硫代硫酸钠AR广州化学试剂厂氯化钠AR广东台山化工厂氢氧化钾AR广东台山化工厂硅胶HAR上海荧光化学厂26广东海洋大学硕士学位论文仪器型号名称THZ.82型电热恒温震荡水浴槽FA21生产厂家上海浦东跃欣科学仪器厂上海天平仪器厂上海托普仪器有限公司日本岛津上海浦东跃欣科学仪器厂只本岛津04S型电子天平N1000真空旋转蒸发仪GC.14B101A.2数显电热恒温鼓风干燥箱CR6A记录仪2.6cm*30cm层析柱SpectrumGX型傅立叶变换红外光谱仪上海沪西仪器厂美国PE公司3.1.3试验方法3.1.3.1鱼油理化性质的测定(1)酸值的测定:GB/T5530.1998[删(2)过氧化值的测定:GBfr5538.1995[65】(3)皂化值的测定:GB/T5534.1995[661(4)碘值的测定:GB/T5532—1995【67J3.1.3,2脂肪酸组成分析:具体方法同第二章。3.1.3_3DHA和EPA甘油酯的分离(1)称309处理好的硅胶于150ml烧杯中,加入50-60ml石油醚,用玻璃棒轻轻搅拌排除气泡。将上述匀浆通过一个漏斗转移至色谱注中,打开下端的开关,使液体流出,要保证色谱柱中的液面高于硅胶2cm。用少量的石油醚冲洗烧杯和漏斗,同样转移至色谱柱中。硅胶沉积好后,要保持色谱柱中的液面位置高于硅胶2cm。(2)上样:小心将制备好的样品加到色谱柱上,打开色谱柱下面的开关,调整洗脱速度为2ml/min。然后用5ml氯仿冲洗样品烧杯,将洗液同样加到色谱柱上。当液面降至硅胶上2cm处。弃去洗出液。(3)洗脱向色谱柱上加200ml苯,用500ml的烧瓶收集。这部分洗脱液既包含有甘油三酯部分。当液面降至硅胶上2em处时,向色谱柱中加入200ml的乙醚和苯的混合溶液(1:9,v/v),用500ml的烧瓶收集。这部分包含有甘油二酯和游离的脂肪酸。当液面降至硅胶上2cm处时,向色谱柱中加入200ml的乙醚,用500ml的烧瓶收集。这部分含有甘油单酯。为了检验是否洗脱完毕,可再用500ml的烧瓶收集50ml的乙醚。用旋转蒸发仪除去各部分的溶剂,然后用氯仿将残留物分别转移至50ml的烧瓶(已知质量)中,在热水浴上挥去溶剂,室温下冷却15min,称重。在加热5min,称重,这样连续几次,直到连续两次的质量之差在2mg范围之内。27脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究甘油三酯(%):——型生一MM2。loo甘油二酯(%)=MM3×100甘油单酯(%)=M×100MI:苯洗脱部分的质量;M2:乙醚和苯的混合溶液洗脱部分的质量;M3:乙醚沈脱部分的质量:M:上样的质量。3.1.3.4傅立叶变换红外光谱分析利用SpectrumGX型傅立叶变换红外光谱仪对分离的三类组分甘油三酯,甘油二酯,甘油一酯分别进行红外光谱分析。分析条件为:分辨率为8cm"1,扫描次数5次,波数范围4000--400cml。制样方法:KBr压片法,是将KBr和样品混合在~起,研磨,然后用油泵压成透明圆形薄片,取出来后用软磁铁固定后放入样品室测量。3.2结果与讨论3_2.1DHA和EPA甘油酯的理化性质表3一lDHA和EPA甘油酯的理化性质Table3-1PhysicalandchemicalpropertyofDHAandEPAglyceride注:参考鱼油标准为SC/T3502-2000:过氧化值单位mmol/kg是以l彪(12)为基本单位。对DHA和EPA甘油酯的理化性质进行分析,并与天然鱼油和我国水产行业有关鱼油的标准进行了比较,结果见表3.1。从表3.1中看出黄鳍金枪鱼鱼油水解的产物DHA和EPA甘油酯的理化指标仍然达到了我国水产行业标准规定的鱼油一级标准。表中还可以看出水解后甘油酯的酸值比较低,说明游离的脂肪酸含量比较低;过氧化值略高于水解前,充氮保护能有效的阻止多不饱和脂肪酸的氧化;皂化值反映的是脂肪酸混合物的平均分子量的大小,皂化值越小,平均分子量越大,水解后甘油酯的皂化值低予水解前鱼油,说明水解后甘油酯中脂肪酸的平均分子量比水解前鱼油中脂肪酸的平均分子量大,这是因为甘油酯中的脂肪酸主要是长链的PUFA,分子量比较大,而水解前鱼油中含有一定量的中碳链的脂肪酸,分子量相对较小。水解后甘油酯的碘广东海洋大学硕士学位论文值比较高,再次说明了水解后DHA和EPA甘油酯中含有大量的不饱和双键,脂肪酸以多不饱和脂肪酸为主。3-2.2DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成分析对DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成进行气相色谱分析,并与天然的黄鳍金枪鱼鱼油进行比较,结果见图3—1和表3—2。从图3.1和表3.2中比较可以明显看出,黄鳍金枪鱼鱼油经水解后的甘油酯中一些饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸如C14C旧l等含量明显降低,DHA含量明显提高,EPA含量提高效果不明显。AABo,Cl6=o,鲫OAH队~^~:d。L眺6i兮~和I』扎J~㈨止~一.L聃止一几一IJ』0儿~A:天然黄鳍金枪鱼鱼油;B:DHA和EPA甘油酯图3-1DHA和EPA甘油酯和黄鳍金枪鱼鱼油的脂肪酸组成Fig3-1FattyacidscompileOfDHAandEPAglyceridesandyellowfintunaoil脂肪酶OF是一种不具有位置选择性的酶,从气相色谱图的比较来看,脂肪酶OF对各种脂肪酸的水解有一定差异,对DHA的富集效果好于对EPA的富集效果,这可能是由于脂肪酶OF对脂肪酸的水解具有一定的选择性,脂肪酸的链越长、双键越多就越难被脂肪酶OF水解掉,从而被富集在甘油酯中。在较佳的反应条件下,黄鳍金枪鱼鱼油经过脂肪酶OF的水解,甘油酯中DHA的含量由反应前的25.10%提高至反应后的56.22%,EPA的含量由反应前的4.45%提高至反应后的5.26%。有关脂肪酶对脂肪酸的选择性水解机理还需要进一步研究。3.2.3DHA和EPA甘油酯的分离对DHA和EPA甘油酯采用柱层析进行组分分离,结果见表3.3。柱层析分离甘油酯主要是利用甘油三酯、甘油二酯和甘油一酯在极性上的差别。甘油三酯是没有极性的,用非极性溶剂洗脱,甘油二酯极性稍弱,用非极性溶剂和极性稍弱的溶剂混合洗脱,甘油一酯用极性稍弱的溶剂洗脱。柱层析常用的固定相吸附剂是硅胶和氧化铝等。对DHA和EPA甘油酯采用柱层析进行组分分离的结果见表3—3。29脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究表3.2DHA和EPA甘油醑和黄鳍金枪鱼鱼油的脂肪酸组成(相对百分含量,%)Table3-2FattyacidscompileOfDHAandEPAglycerideandyellowfintunaoil(relativepercent,嘞表3-3分离组分的含量j兰!!!垡!翌竺坐!!!巴£211坐分离物甘油三酯甘油=酯甘油一酯含量(%)35.2364.320.45从表3-3中可以看出,DHA和EPA甘油酯中的组分主要以甘油二酯为主,含量为64.32%;其次是甘油三酯和甘油一酯,含量分别为35.23%和0.45%。DHA和EPA甘油酯中的组成主要与脂肪酶水解的程度有很大关系。广东海洋大学硕士学位论文3.2.4傅立叶变换红外光谱分析图3-2甘油三酯的红外光谱Fig3-2Infraredabsorptionspectroscopyoftriglyceride图3-3甘油二酯的红外光谱Fig3-3Infraredabsorptionspectroscopyofdiglyceride‘¨●■l¨●图34甘油一酯的红外光谱Fig3-4Infraredabsorptionspectroscopyofmonoglyeeride3l脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究对通过柱层析法分离得到的甘油三酯、甘油二酯和甘油一酯,进行红外光谱测定。甘油一酯分子中含有两个羟基(.OH),甘油二酯分子中含有一个羟基(.OH),这两种物质应在3300cmo附近呈现一个又宽又强的吸收峰,利用峰的面积大小可判断羟基的数量,甘油~酯分子中羟基的峰面积大约应为甘油二酯分子中羟基峰面积的2倍。甘油三酯分子中无羟基(.OH)存在,因此在3300cm“附近处没有吸收峰。甘油酯中有羰基(C=O),应在1745cml附近有强的吸收峰;分子中的.C…O1000C,应在cml~1300cml区域中有两个吸收峰,在1300cm-l~1150cm’1处为强的吸收峰,cm-I1030是不对称伸缩振动,在1140cm“处为较弱的吸收峰,是对称伸缩振动,这两类峰是判断分子中是否有酯键的重要依据【681。对DHA和EPA甘油酯中甘油三酯、甘油二酯和甘油一酯的傅立叶变换红外光谱分析分别见图3.2、3.3和3-4。从图中可以看出,这三类物质分子在3000cml~400cmo范围的吸收特征相似,在1745cm~,1300cm-l_1150cm。和1140em-I~1030cm。处都有特征吸收,这表明了这三类物质都是酯类物质;谱图中的最大不同是在3300cm。处的吸收特征,可以明显看出甘油三酯在此处几乎没有吸收,表明了分子中没有羟基(一OH)的存在,而甘油二酯和甘油一酯在此处都有明显的吸收,表明了这两类物质分子中有羟基的存在(.OH),还可以明显看出,它们在此处吸收峰的面积有比较大的差异,甘油一酯的峰面积大约是甘油二酯的峰面积的2倍,这也充分表明,甘油一酯分子中存在两个羟基而甘油二酯分子中存在一个羟基。这些结果都表明,DHA和EPA甘油酯的组成有甘油一酯、甘油二酯和甘油三酯,而且通过硅胶柱层析得到了很好的分离。3.3本章小结对DHA和EPA甘油酯理化性质分析结果表明DHA和EPA甘油酯达到了我国水产。行业标准规定的鱼油一级标准。DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成特点为:饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量较低,C14,o,C16=0和c18:o含量分别为1.04%、7.400,4、1.390,4,C16l和Ci8l含量分别为3.01%、l1.690,4,主要以多不饱和腊肪酸为主,总含量为70.63%,其中DHA和EPA的含量分别为56.22%和5.26%。DHA和EPA甘油酯经硅胶柱层析分离并利用傅立时近红外光谱鉴定,结果表明:DHA和EPA甘油酯中的组分主要以甘油二酯为主,含量为64.32%;其次是甘油三酯和甘油一酯,含量分别为35.23%和0.45%。通过对黄鲳金枪鱼鱼油和DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成进行分析比较可以推断,脂肪酶OF对鱼油中脂肪酸的水解可能具有~定的选择性,饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸如C伸0、C16;o、C18。l容易被水解:对DHA的富集效果好于对EPA的富集效果,这可能是由于脂肪酶OF对脂肪酸的水解具有一定的选择性,脂肪酸的链越长、双键越多就越难被脂肪酶OF水解掉,从而被富集在甘油酯中。有关脂肪酶对脂肪酸的选择性水解机理还需要进~步研究。广东海洋大学硕士学位论文第四章脂肪酶催化鱼油水解反应动力学的研究酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学。在研究酶的作用机制时,需要动力学提供试验证据;为了发挥酶催化反应的高效率,寻找最有力的反应条件;为了了解酶在代谢中的作用,都需要掌握酶促反应速率的规律。因此,酶促反应动力学的研究既有重要的理论意义又具有一定的实践意义。本章研究了脂肪酶催化鱼油水解反应的动力学,得出了反应机理和动力学模型,并由试验数据得出了动力学参数。通过动力学研究,在理论上阐明酶促反应的机制,了解酶促反应的具体过程和途径。在实际应用上,可以根据反应速率来估计反应进行到某种程度所需的时间;也可以根据影响反应速率的因素进一步对反应进行控制。因此动力学的研究无论在理论上和实践中都是很重要的。4.1材料与方法4.1.1试验材料黄鳍金枪鱼鱼油4.1.2试剂与仪器试剂名称氯仿纯度级别AR生产厂家广州化学试剂厂广州化学试剂厂广州化学试剂厂广东台山化工厂广州化学试剂厂广州化学试剂厂广州化学试剂厂广州化学试剂厂广东台山化工厂甲醇正己烷邻苯二甲酸氢钾乙醚丙酮氢氧化钠95%乙醇ARARARARARARAR氢氧化钾AR仪器名称及型号FA2104型分析天平(0.00019)THZ一82型电热恒温震荡水浴槽101A一2数显电热恒温鼓风干燥箱生产厂家上海天平厂上海浦东跃欣科学仪器厂上海浦东跃欣科学仪器厂脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究4.1.3试验方法4.1.3.1脂肪酶催化鱼油水解反应称取鱼油2.009于50mL锥形瓶中,加适量的酶,加入适量的水。充氮密封,放入恒温震荡水浴锅以150r/min的速度震荡反应,反应5min后加10mL乙醇和10mL丙酮摇匀,使油样充分溶解后,加入2滴酚酞指示剂,用0.1moI/LKOH溶液滴定至微红色30秽不消失为止,计算水解后体系的酸值。酸值:j燮mv:滴定时所用氢氧化钾溶液的体积(mL);e:氢氧化钾溶液的浓度(mol/L);111:油样的质量(g)4.1.3.2反应动力学试验设计(1)以2.009鱼油为原料,加40mg脂肪酶OF,在35。C下反应5min,研究不同的底物浓度对反应速度的影响。(2)以2.009鱼油为原料,加pH为6.5的缓冲溶液8mL,在35。C下反应5min,研究不同的酶浓度对反应速度的影响。(3)以2.009鱼油为原料,加pH为6.5的缓冲溶液8mL,在40mg脂肪酶OF的作用下,反应5min,研究不同的反应温度对反应速度的影响。(4)以2.OOg鱼油为原料,在40mg脂肪酶OF的作用下,反应5min,研究反应体系的pH对反应速度的影响。(5)根据试验所得数据按照赖氏双倒数方程作图,根据截距得出Vmax,然后求出Km。反应速度=—巫堕匿雩曩等产E+s≯1芷1Es4.1.3.3Michaelis-Menten学说理论【691Michaelis-Menten学说的要点是他们假设有酶,底物中间产物的形成,并假设反应中底物转变成产物的速度取决于酶.底物复合物转变成反应产物和酶的速度,其关系如下:髫E+PE为酶,s为底物,ES为酶.底物复合物,P为产物,K1、臣1和施为三个假设过程的速度常数。广东海洋大学硕士学位论文设竺挚=K。,Vmax=K2【晶】’局为酶的总浓度,则:。:垡幽[S】+K。这就是Michaelis.Menten方程,Jo为米氏常数,它是酶的一个重要参数。1当v=去%。时,则岛=【司所以米氏常数Km为反应速度达到最大速度一半时的底物浓度。测定墨,值有许多种方法,最常用的是Lineweaver-Burk的双倒数作图法。取Michaelis.Menten方程的倒数,可得下式:!:坠。上+上V‰。【踟‰。用y=l/v,x=l/[s]对该方程进行代换,即可得到相当于一直线方程的数学表达式:尸bx+a,利用直线方程的截距和斜率即可求得‰和‰。。4.2结果与讨论4.2.1底物浓度对反应速率的影响O.10O0O∞\_讲瑙O∞衄钾∞i搔o.050.04o—————————。—————。1720253350底物浓度(%)图4—1底物浓度对反应速率的影响Fig.4—1Effectsubstrateconcentrationonreactionrate由图4.1可以看出,酶浓度保持不变,当底物浓度增加,反应初速度随之增加,并以双曲线形式达到最大速度。酶促反应速度并不是随着底物浓度的增加直线增加,而是在高浓度时达到一个极限速度。这时所有的酶分子已被底物所饱和,即酶分子与底物结合的部位已被占据,速度不再增加。这个问题可以用Michaelis与Menten于1913年提出的学说来解释。符合典型的米氏方程,进一步说明该酶促水解反应受动脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究力学所控制。4.2.2酶浓度对反应速率的影响从图4.2可以看出,在一定条件下酶促反应的速度与酶浓度成正比。符合基本的米氏方程,且此反应为可逆反应,因而从理论上符合Briggs-Haldanc对米氏方程的修订,即稳态处理法。因为酶进行反应时,首先要与底物形成一中间物,即酶底物复合物。当底物浓度大大超过酶浓度时,反应达到最大速度,如果此时增加酶的浓度,可增加反应速率,酶促反应速率与酶浓度成正比关系。OOOO0∞\_艟避O∞∽{宝惦舛∞O0O00OO∞\【Ⅲ埒蹲理堪O∞昕宝∞∞乏;毗3540455055温度(℃)图4.3温度对反应速率的影响Fig.4-3EffecttemperatureOnthereactionrate从图4.3可以看出,反应温度在40"C时反应速率达到最大值。而第二章我们得出反应温度在35"C时浓缩效果较好,原因是最适温度不是酶的特征物理常数,常受其他条件如底物种类、作用时间、pH和离子强度等因素影响而改变。最适温度随着酶36广东海洋大学硕士学位论文促作用时间的长短而改变,由于温度使酶蛋白变性是随时间累加的,反应时间短则最适温度高,因此在反应丌始阶段酶的最适温度是40。C,反应后期酶的最适温度是35℃。4.2.4缓冲溶液pH对反应速率的影响0.060\名V吕05僻蚓04i/,/~、45、搓堪030.02678910缓冲溶液pH图4-4.缓冲溶液pH对反应速率的影响Fig4-4EffectbuffersolutionpHonthereactionrate由图4-4可以看出缓冲溶液pn为7时反应速率达到最大值。酶的活力受环境pH的影响,在环境pH为7时酶表现出最大活力。当pH改变不很剧烈时,酶虽未变性,但活力受到影响。pH影响了底物的解离状态;或者使底物不能和酶结合,或者结合后不能生成产物:pH影响酶分子活性部位上有关基团的解离,从而影响与底物的结合或催化,使酶活性降低;也可能影响到中间络合物ES的解离状态,不利于催化生成产物。4.2.5反应动力学参数的求解岛.是酶的一个特性常数,‰的大小只与酶的性质有关,而与酶浓度无关,故对某一酶促反应而言,在一定条件下都有特定的‰.值,可用来鉴别酶。‰值可以判断酶的专一性和天然底物,有的酶可作用于几种底物,因此就有几个‰值,其中‰值最小的底物称为该酶的最适底物也就是天然底物。试验所得数据见表4.1,对其按照Lineweaver-Burk双倒数作图见图4.5,得回归直线方程为:y=3.001x+6.602胆0.8045由1:娄坠×去+0一y二【s】‰。V,可得1/Vmax=6.602,Km/Vm。=3.001,因此可求得Vmax=0.15mol/S,Km=o.45mol/L脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究表4.1反应底物浓度的倒数和反应速度的倒数Table4-1reactivesubstrateconcentrationreciprocalandreactionratereciprocal1/V15.3413.8216.1320.971/IS]26.77302520‘x≥㈠501二23451/[明图4-5反应底物浓度的倒数对反应速度的倒数图Fig4-5reciprocalgraphofreactivesubstrateconcentrationreciprocalandreactionratereciprocal4.3本章小结本章以酶促反应动力学为基础讨论了底物浓度、酶浓度、缓冲溶液pH、反应温度等因素对酶促反应速率的影响。通过试验,获得了该酶促鱼油水解反应的动力学参数:米氏常数Km=0.45mol/L,最大反应速度‰。x-O.15mol/S,相应的米氏方程为:矿:竺:!型10.45+【吲研究结果表明在动力学控制条件下,脂肪酶OF催化鱼油水解的反应符合Michaelis.Menten单底物酶促反应动力学理论。广东海洋大学硕士学位论文第五章DHA和EPA甘油酯的热稳定性和氧化动力学热分析是广泛应用于油脂的一种分析技术,在所有的热分析方法中,差示扫描量热法(DSC)是应用比较多的一种方法。DSC法是指在程序控温下,测量输给待测物质与参比物的功率差与温度(或时间)的关系。它可以用于测定油脂的单变性多晶型,油脂的氢化程度,油脂酯交换反应前后物性的改变以及油脂掺伪的鉴定,还可以测定油脂的比热容和油脂的固体脂肪指数(SFI)等等,近儿年来,对DSC法在油脂领域的应用研究不断发展,目前已成功应用于检测油脂在深度煎炸和加热过程中的氧化,测定油脂的氧化稳定性以及油脂的氧化动力学和抗抗氧化剂在油脂中的抗氧化活性等等【70】。油脂的热稳定性和氧化稳定性是其加工、贮藏和消费的重要指标之一,本章利用DSC法研究了DHA和EPA甘油酯在空气气氛下的热氧化反应,求出了热氧化反应的动力学参数,为甘油酯的加工、贮藏、和消费过程提供基础性数据。5.1材料与方法5.1.1试验材料DHA和EPA甘油酯(按第二章工艺参数制取)5.1.2试验方法试验在NETZSCHSTA449C热分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司生产)上进行,配有计算机数据记录和处理系统。大约5.5mg样品放入陶瓷(A1203)坩埚里,盖上盖子,在气氛为空气的情况下进行热反应,每次的样品量不能相差太大,因为样品量对热分析峰的形状和重现性有明显的影响。测量模式采用样品+校正,每一升温速率下,都用一空坩埚做参比在相应的扫描温度范围内扫描作为基线。空气流量50mL/min,试验过程中维持恒定。DSC分析和DTG(微商热重法)分析同时进行。5.2结果与讨论5.2.1DSC和DTG曲线分析在热分析过程中,样品池的大小对峰的位置没有明显影响,但样品池是否加盖则对峰的位置有一定的影响,这可能是由于反应气的进入和挥发性的降解产物的排出的不平衡所造成的。在DSC热分析中,峰值温度和峰的形状主要取决于升温速率。峰脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究的相对强度随着升温速率的增加而增加,蜂的位置随着升温速率的增加向高温方向移动。升温速率也会影响峰的尖锐性。高的升滠速率,峰的位置就偏向高温方向,这主要是由于油是热的不良导体的原因,在高的升温速率下,热量从样品池的加热装置传到样品的时问被延长。随着升温速率的变化,DSC曲线的变化是很复杂的,有的DSC曲线有很多个峰,有的只有一个峰,造成这种现象的主要原因主要是甘油三酯中的脂肪酸的分布特征的不同。一般来说,高度饱和的甘油三酯(由三种饱和脂肪酸组成的酰基甘油)的峰值温度要比高度不饱和的甘油三酯(由三种高度不饱和脂肪酸组成的酰基甘油)的高,其它组成的甘油三酯的峰值温度在上述两种类型之间。对于DSC峰的分析可以初步决定油脂的相对组成复杂程度。峰越尖锐,峰的温度范围越窄,浇明甘油三酯中的脂肪酸组成具有高度的协调性(cooperativenature)。在DSC的加热过程中,复杂的甘油三酯氧化热反应可能同时发生,因此在某一温度范围内,两种或两种以上的甘油三酯可能同时发生氧化反应,造成温度范围的变宽或重叠。当油样被加热时,热稳定性差的甘油三酯先发生氧化反应,热稳定性好的甘油三酯在高温时发生氧化反应【7l】。畸叫侣幅¨佗们oo4:o温度,℃图5-1不同升温速翠下的DSC曲线Fig5-1DSCCUI'VeofvariousrateoftemperatureriseDHA和EPA甘油酯在不同升温速率下的DSC分析见图5-1,从中可以看出,每一升温速率下的DSC曲线的基本趋势是一致的,但是升温速率越高,峰的相对强度就越高,峰的位置也向高温方向偏移,热氧化反应发生在比较宽的温度范围内,说明DHA和EPA甘油酯的组成比较复杂,有较宽的分子质量分布。DHA和EPA甘油酯的DSC曲线在达到最大峰值温度以前,曲线比较弯曲,有一个小峰出现,造成这种现象的原因可能是DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成比较复杂。利用气相色谱对DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成迸行分析,发现DHA和EPA甘油酯中的脂肪酸种类比较多,而且有一定量的饱和脂肪酸,与DSC曲线分析结果相~致。40广东海洋大学硕士学位论文对DHA和EPA甘油酯同时进行了DTG(微商热重法)分析,结果见图5.2。从图5.2中可以看出,随着热氧化反应的进行,形成的过氧化物的分解速率快速增加,产生一些挥发性的化合物,随着气流被带走,质量开始逐渐减少;到达氧化反应的最后阶段,一些氧化产物会发生聚合反应,产生高分子量的产物和低分子量的羰基及羟基化合物,所以在图中的曲线表现为曲线不回到零点。从图5.2中还可以看出,甘油酯的热氧化降解过程主要发生在300℃--500℃阶段。DTG/(%/rain)100200300400温度m一升韫远军5。C/min…一升温速单15。O/min…一升温速宰20。C/m血……升楹逯军10。C/mJ.n图5-2不同升温速率下的DTG曲线Fig5-2DTGctlrveofvariousrateoftemperaturerise5.2.2热分析动力学理论【72-74]化学反应的热分析动力学方程如下:r=da/dt=k(73fia)……一一……q)贝a):反应模型;at反应程度;颤D:速率常数;f:时间;r:反应速率“玲利P咧册一………………②E:活化能,kJ/mol;A:指前因子;R:气体常数,其值为8.314J/(K·m01);n绝对温度,K。转换决定函数苁a),是比较复杂的,仅在有限的试验条件范围内有效。假定反应是一个简单的胛级反应,函数Aa)可表示为:瓜a)=(1—以产阡_~一…一…一③胍剩余的质量百分比;玎:反应级数。一般的热动力学分析都是基于上述3个基本的方程。可以对单一升温速率的热动力学进行分析,也可对多个升温速率的热动力学进行分析等等。脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究对方程①进行积分得:Ha刊矿血/他)=对o『df-_-…~~一一④升温速率口的方程为:#=dT/dt-……一…一一~….⑤经过上述方程的代换,方程④变为:足n爿oada/J(a)=(A/B)船’础朋d卜……⑥试验是在大量的空气条件下进行的,氧浓度是固定的,氧化过程中的氧的消耗量可以不计,这就意味着在这种条件下,反应速率是不依赖于氧浓度的,只要氧化起始速率是常数,反应就可被认为是一级反应。氧化反应的起始:RH—R。,R’+02"--R02+(【R‘]“【R02’】)。(1)FlynnandWallandOzawa对方程⑥进行处理得到下面的方程:log萨·0.4567E/(RD+常数……~一一⑦从方程⑦可以看出,】o酗与1/T成线性关系,以lo够对1/T作图得到一直线,通过直线的斜率可求出活化能E。(2)Kissinger得到如下方程:log(B/r)一0.4343E/(RT)+常数~…一⑥从方程⑧可以看出,log拶而与1/T成线性关系,以log够/吩对l仃作图得到一直线,通过直线的斜率可求出活化能五。5.2.3DSC热氧化动力学对于不同升温速率的DSC曲线,在最大反应速率(即峰顶温度乃)处,样品的转化率基本相同[75,761。(1)Flynn—Wall.Ozawa法动力学参数分析利用Flynn—Wall.Ozawa方程对DSC曲线的动力学进行分析,从图5.1中得到各项动力学参数见表5-I。分别以Io妒对I/T作图,见图5.3。表5-1Flyrm-Wall-Ozawa法动力学参数Table5-1KineticparametersofFlyrm-Wall-Ozawaequation甘油酯的lo:与1/%的线性关系方程为y=-15.257x+19.01,相关系数(舻)为0.997,直线具有较高的相关系数。计算求得其它动力学参数见表5.2。活化能E的大广东海洋大学硕士学位论文小反映了反应速率随温度的变化程度。活化能较大的反应,温度对反应速率影响较显著,升高温度能够显著加快反应速率,活化能较小的反应则反之。表5-2Flynn.Wall.Ozawa动力学参数计算值Table5-2KineticparameterscalculationvaluesofFlynn-Wall-Ozawaequation升温速率卢(℃/min)5101520活化能毋kJ/m01)277.75277.75277.75277.75峰值温度E/(RD瓦(K)836.3845,8854.6865.739.9539.5039.0938.590.240.470.690.89k(min“)lnA38.5138.7438.7l38.48ha(min)2.901.48l-0l0.781.419.011.2吨匕01三0.80.60.41.151.161.171.181_191.21.211/Tp(×103)图5-3峰值温度与升温速率的关系Fig5-3Relationofpeaktemperatureandrateoftemperaturerise(2)Kissiger法动力学参数分析利用Kissiger方程对DSC曲线的动力学进行分析,从图5—1中得到动力学参数见表5.3。分别以log(fl/Te)对l仃作图,见图5-4。DHA、EPA甘油酯的log∥,)与1/Tp的线性关系方程为J,=.14.686x+12.477,相关系数(R2)为0.9979。直线具有较高的相关系数。计算求得其它动力学参数见表5-4。表5-3Kissiger法动力学参数Table5-3KineticparametersofKissigerequation脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究,=一14.686x+12.477一4·4』酽=0.9979£:『善一s“:瓢1.16J.一——J....。....1j…-1.16L171.181.191.21.21图5。4峰值温度与升温速率的关系Fi95-4Relationofpeaktemperatureandrateoftemperaturerise表5-4Kissiger动力学参数计算值Table5-4KineticparameterscalculationvaluesofKissigerequation升温速率卢活化能峰值温度龇RDk(min-1)1州“月(min)!!塑虫!里!!塑!生墨!坠5281.14836.340.430.2439.012.8710勰4蚪58扣%O卯”∞l盯15勰4:246的卯O毋强∞1∞20勰4%57盼嘶O帅强%0"从表5-4中同样可以得到Flyrm.Wall.Ozawa法一样的结论。对表5—2和表5-4中的活化能数据比较可知,Kissiger法计算得到活化能稍大于Flyrm—Wall—Ozawa法,其它动力学参数值也都基本接近,误差在热动力学分析允许的范围内。蜕明这两种热动力学分析计算方法具有一致性。5.3本章小结通过对DSC曲线的分析表明,DHA和EPA甘油酯组成复杂,脂肪酸种类比较多,有较宽的分子量分布。分别用Flynn—Wall.Ozawa法和Kissinger法计算了鱼油的热氧化反应动力学参数,两种计算方法得到的动力学参数具有一致性,对鱼油的加工、贮藏、和消费具有一定的指导意义。广东海洋大学硕士学位论文第六章总结论天然鱼油中DHA和EPA相对含量比较低,直接食用或者添加到其它食品中保健和医疗效果比较差。为了增强DHA和EPA的生理活性,就必须提高产品中的DHA和EPA的含量。DHA和EPA作为医药和保健品最佳的存在形式为甘油酯形式。脂肪酶催化鱼油选择性水解法是富集高含量DHA和EPA甘油酯的一种有效方法。通过对该课题系统而深入的研究,主要得出以下结论:(1)对脂肪酶催化鱼油水解工艺参数的研究。在单因素的基础上采用响应面试验设计对工艺参数进行了优化,经SAS多元统计分析,获得了脂肪酶OF催化水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的一个关于响应变量(DHA和EPA的总含量Y)随决定变量(油水比例Xl,缓冲溶液pHX2,酶浓度x3,温度X4)变化的数学模型。Y=一151.78+52.84盖2+2.00X4—3.94X;一0.03X;该模型的决定系数R2=o.86,回归方程呈极显著,失拟项不显著,这都充分说明模型与实际情况拟台较好。综合考虑,获得酶促水解的最佳工艺参数为:油水比为1:4、缓冲溶液pH值6.5,酶浓度20mg/g油,反应温度为35。C的情况下水解24h,在该反应条件下DHA和EPA总含量的模型预测值为60.05%,而实际获得产物中DHA和EPA总含量达61.48%,其中DHA含量为56.22%,EPA含量为5.26%,模型预测值与实际值的误差仅为2%。由于影响因素的复杂性,该数学模型的准确性还需要进一步的论证。(2)脂肪酶催化水解得到的DHA和EPA甘油酯的理化性质均达到了我国水产行业标准规定的鱼油一级标准,充氮气保护能有效的防止多不饱和脂肪酸的氧化。DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成特点为:饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸含量较低,c140,c160和C180含量分别为1.04%、7.40%、1.39%,C16:1和Cis:I含量分别为3.01%、11.690,4,主要以多不饱和脂肪酸为主,总含量为70.63%,其中DHA和EPA的含量分别为56.22%和5.26%。DHA和EPA甘油酯经硅胶柱层析分离并利用傅立叶近红外光谱鉴定,结果表明:DHA和EPA甘油酯中的组分主要以甘油二酯为主,含量为64.32%:其次是甘油三酯和甘油一酯,含量分别为35.23%和O.45%。通过对黄鳍金枪鱼鱼油和DHA和EPA甘油酯的脂肪酸组成进行分析比较可以推断,脂肪酶OF对鱼油中脂肪酸的水解可能具有一定的选择性,一些饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸如C14o、C16lo、C18,l容易被水解,对DHA的富集效果好与对EPA的富集效果,这可能是由于脂肪酶OF对脂肪酸的水解具有一定的选择性,脂肪酸的链越长、双键越多就越难被脂肪酶OF水解掉,从而被富集在甘油酯中。45脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究(3)以对酶促反应为基础研究发现脂肪酶催化鱼油水解反应符合单底物酶促反应动力学理论。根据试验获得了脂肪酶催化鱼油水解反应的米氏方程:矿:!:!墅j。O.45+fs】(4)由于DHA和EPA甘油酯中多不饱和脂肪酸含量比较高,容易发生氧化,影响产品的质量。采用差示扫描量热(DSC)法和微商热重(DTG)法对DHA和EPA甘油酯进行了分析。DSC的分析表明,DHA和EPA甘油酯的热稳定性和氧化过程都与甘油酯组成及脂肪酸组成密切相关;DTG的分析表明,DHA和EPA甘油酯的热氧化过程发生在300.500℃阶段。利用Flynn.Wall,Ozawa法和Kissiger法分别计算出了DHA和EPA甘油酯的热氧化动力学参数,两种方法具有一致性。为预测DHA和EPA甘油酯产品的货架期提供了可靠的理论依据。本论文创新点主要体现在以下三个方面:(1)关于脂肪酶水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的研究,国内外都已有报道,一般DHA和EPA甘油酯中DHA和EPA总含量在50%左右,DHA和EPA甘油酯中DHA和EPA总含量与原料鱼油中DHA和EPA总含量有着直接的关系。本研究在查阅了大量外文文献的基础上,选择了脂肪酶OF对黄鳍金枪鱼鱼油进行水解,有效的富集了DHA和EPA甘油酯,确定了酶法水解的较佳工艺参数。在该条件下甘油酯中DHA、EPA的含量分别由22.06%和4.81%提高到为56.22%和5.26%,DHA和EPA总含量达到了61.48%。(2)目前关于脂肪酶催化鱼油水解富集DHA和EPA甘油酯的研究主要集中在工艺参数方面,对其反应动力学研究较少。本研究以酶促反应理论为基础研究了脂肪酶催化鱼油水解的动力学,通过试验获得了酶促反应动力学的米氏方程,为控制反应的进行程度,估算反应进行某种程度所需要的时间等实际应用奠定了理论基础。(3)关于DHA和EPA甘油酯的分析.国内的研究主要为分析其脂肪酸组成,而对DHA和EPA甘油酯组分的分离未见报道。本文通过硅胶柱层析对DHA和EPA甘油酯进行分离,得到甘油一酯、甘油二酯和甘油三酯三个组分,这三个组分经傅立叶变换红外吸收光谱扫描,进一步验证了其组分和分离的效果。广东海洋大学硕士学位论文参考文献lJeffrey,BG.Weisinger,HS.Theroleofdocosahexaenoicacidinretinalfunction[J】.Lipids,2001,36(9):859-87l2Neuringer,M.Infantvisionandretinalfunctioninstudiesofdietarylong—chainpolyunsaturatedfattyacids:methods,results,andimplications[J】.AmericanJoumalofClinicalNutrition,2000,7l(1):256-2673Kalmijn,S.Polyunsaturatedfattyacids,antioxidants,andcognitivefunctioninveryoldmen[J】.AmericanJournalofEpidemiology,1997,145(1):33—414http://www.chihaola.com/info/detail.asp?id=33115http://www.kangqiaonet.com/newspub/yanxianni.php?tid=20&id22352&mainid=23756BucherHC,HengstlerP,SchindlerC,etal,Omega-3polyunsaturatedfattyacidsincoronaryheartdisease:ametaanalysisofrandomizedcontrolledtrials[J】.TheAmericanJournalofMedicine,2002,112(4):298~3047FrankBH,WalterC,WilletMD,cta1.Fishandomega-3fattyacidintakeandriskofcoronaryheartdiseaseinwomen【J】.TheJournaloftheAmericanMedicalAssociation,2002.287:1815-18218吴克刚,柴向华,杨连生.n.3系多不饱和脂肪酸防治心血管疾病的研究进展[J].食品研究与开发,2000,21(6):6~99万瑞香,隋忠国,陈德利,等.鱼油多烯脂酸对血小板聚集和抗凝血作用的实验研究[J].中国海洋药物,2001,82(4):24~2510DasUN,FamsMD.Estrogen,statins,andpolyunsaturatedfattyacids:similaritiesintheiractionsanddenefitsisthereacommonlink?【J】.Nutrition,2002,18:178-18811NordoyA,BonaaKH,SandsetPM,eta1.Effectofomega-3fattyAcidsandsimvastatinonthehemostaticriskfactorsandpostprandialhyperlipemiainpatientswithcombinedhyperlipemia[J1.ArteriosclerosisThrombosisVascularBiology,2000,20:259-26512HelenMR.MichaelJGEffectoflongchainn-3polyunsaturatedfattyacidsonfastingandpostprandialtriacylglycerolmetabolism.TheAmericanJournalofClinicalNutrition,2000,71(suppl):232S~237S13AngererP,VonSchackyC.n-3polyunsaturatedfattyacidsandthecardiovascularsystem【J】.CurrentOpinioninLipidology,2000,11:57~6314YamadaT,StrongJP,IshiiT'eta1.Atherosclemsisandomega-3fattyacidsinthepopulationofafishingvillageandafarmingvillageinJapan[J].Atheroscterosis,2000,47脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究!=E■■■■|E!一I|1●==!目E=_■■_=!E=|自●■E目!E!j■■jE=j!!j■●E=2jE自日■■EE-z!=自●■E===日_■●≈E=!jj■■E,==!=■■■=目|=自■■■I153:469—48l15洪衡,项志敏.omega-3脂肪酸对心血管的作用及机制.中华老年医学杂志,2003,22(4):254~25616Angerer只KothnyW:StorkS,ela1.Effectofdietarysupplementationwithomega-3fatryacidsonprogressionofatherosclerosisincarotidarteries【J】.CardiovascularResearch,2002,54:183-19017IkuoI.,EijiS.,HarukoY.,eta1.DigestionandlyreIphatictransportofeicosapentaenoicanddocosahexaenoicacidsgivenintheformoftriacylglycerol,freeacidandethylesterinrats【J】.InternationalJournalofBiochemistry,Bioph37sitsandmolecularBiology,1995(1259):297~30418YangLY,KuksisA,Myher,eta1.Hydrolysisofmenhadenandrapeseedoilandtheirfattyacidmethylandethylestersintherats【J】.BiochemistryandCellBiology,1989,67:19219LawsonLD,Hughes,HumanBG.Absorptionoffishoilfattyacidastriacylglycerols,freefattyacidorethylesters【J】.BiochemicalandBiophysicalResearchCommurdcations,1988,152~32820刘书成.黄鳍金枪鱼鱼头中鱼油的提取及蛳3PUFA甘油酯的酶法合成:【博士学位论文】.北京:中国科学院研究生院,200521BottinoNR,VandenburgGA,ReiserR.Resistanceofcertainlong·chainpolyunsaturatedfattyacidofmarineoiltopancreaticlipasehydrolysis[J】.Lipid,1967,2:48922WanasundaraUN,ShahidiF,Lipase--assistedconcentrationofn-3PUFAinacylglyeerolsfrommarineoils【J】.JournaloftheAmericanoilChemists’society,1998,75:945 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!最后,向论文评阅和答辩委员会的专家、教授致以最诚挚的谢意!I!脂肪酶水解鱼油富集DHA、EPA甘油酯的研究作者简介孙丽萍,女,中共党员,出生于1979年1月,山东烟台人。教育经历;1999年9月.2003年6月就读于山东农业大学食品科技学院食品科学与工程专业,获工学学士学位2003年9月.2006年6月就读于广东海洋大学食品科技学院水产品加工及贮藏工程专业。发表论文情况:章超桦,孙丽萍,刘书成.脂肪酶水解鱼油富集中DHA和EPA甘油酯的过程参数优化.中国水产学会第六届青年学术年会论文集,2005,12.导师简介本人导师章超桦教授,现任广东海洋大学食品科技学院院长、海洋食品研究所所长,日本东京水产大学博士,中国科学院南海海洋研究所海洋生物专业博士生导师,国务院政府特殊津贴专家,广东省“千百十工程”省级培养对象。主要研究方向为南海海洋生物资源的加工与综合利用、海洋功能性因子和功能性食品的开发应用研究等。主持和已完成了国家教委、省科技厅、省教育厅、省海洋与渔业局等各类科研课题十多项,在国内外权威学术杂志上发表了论文40多篇,其中SCI3篇;参编教材2部;获国家海洋局科技进步三等奖一项(第一完成人),省级教学成果二等奖一项(第一完成人):申请国家发明专利4项。获广东省南粤教书育入优秀教师(特等奖),广东省农业科技先进工作者、全国优秀教师等荣誉称号。现担任教育部高等学校食品与营养科学教学指导委员会委员,中国水产学会水产品加工与综合利用专业委员会副主任委员;广东省水产学会理事、水产品加工与质量控制专业委员会主任委员;广东省食品学会副理事长、海洋食品专业委员会主任委员等学术团体职务。脂肪酶水解鱼油富集DHA和EPA甘油酯的研究
作者:
学位授予单位:
孙丽萍
广东海洋大学
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1005782.aspx
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