大豆油酶法精煉的應用實踐

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(廣州植之元油脂實業有限公司,廣東廣州 511462)

大豆油酶法精煉的應用實踐

羅日明,曹昱,黃嬈勤

(廣州植之元油脂實業有限公司,廣東廣州 511462)

以水化脫膠大豆油為原料,選用磷脂酶lecitase ultra進行小樣實驗,單因素實驗結果表明最優的反應條件為:酶添加量30 mg/kg,加水量3.0%,pH5.0,反應溫度50 ℃,反應時間5 h。在此基礎上,進行了800 t/d連續式酶法精煉工廠化實驗,生產實踐表明酶法成品油得率較化學精煉法提高0.8%,經濟效益明顯,同時對比了酶法精煉成品油與化學精煉成品油的理化指標及穩定性,兩者無明顯差異。

酶法精煉,大豆油,得率,穩定性

脫膠是油脂精煉中非常重要環節,主要是脫除磷脂為主的膠質物質。脫膠效果不好會增加后續脫色白土消耗、造成過濾困難以及導致設備結焦等,影響成品油的產品質量以及精煉經濟效益[1]。在傳統的油脂加工業中,通常采用化學堿煉法脫除油脂中的膠質,此法存在油脂精煉得率低、污水排放量大和環境污染嚴重等問題,而采用生物酶法脫膠替代化學法,可實現環保性和經濟性的雙重提高[2]。酶法脫膠的原理是利用磷脂酶特異的催化水解特性,把非水化磷脂轉化為水化磷脂,再利用水化磷脂具有很強親水性的優點,通過水合作用除去磷脂[3]。

目前國內進行酶法脫膠實驗室小試或中試的研究較多[4-8],鮮有規模化生產應用酶法脫膠技術的報道[9-10]。在大量實驗室小試研究基礎上,公司的800 t/d酶法脫膠物理精煉生產線經過多次生產調試,目前已可以穩定生產。本文就酶法脫膠小試及規模化應用進行簡要介紹,并對酶法脫膠物理精煉和堿煉脫膠物理精煉兩種方法的油品質量以及經濟效益做了對比,以期為酶法脫膠在油廠應用提供參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大豆毛油:已水化脫膠,含磷量為152 mg/kg,酸值(KOH)1.6 mg/g;磷脂酶lecitase ultra:活力11 KLU/g,具有磷脂酶A1 活性的脂肪酶,丹麥諾維信公司產品。

FJ2200 型高速均質機 上海標本模型廠;DF101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市科瑞儀器有限公司;752型分光光度計 上海光學儀器廠;827 型pH計 瑞士萬通;3K15型離心機 sigma公司;酶反應罐,108 m3,兩個串聯使用,攪拌速度50 r/min 廣州南洋國際工程技術服務有限公司;管線式乳化泵SNRS-45,轉速2900 r/min,上海索維;碟片式離心機PX115,最大轉速4800 r/min Alfa-Laval。

1.2實驗方法

圖1 800 t/d大豆油酶法脫膠工藝流程Fig.1 800 t/d soybean oil enzymatic degumming process

1.2.1 檢測方法 磷含量:按GB/T 5537-2008方法測定;酸值:按GB/T 5530-2005/ISO 660:1996方法測定;過氧化值:按GB/T 5538-2005/ISO 3960:2001測定;色澤:按GB/T 22460-2008方法測定;氧化誘導期:按GB/T 21121-2007/ISO 6886:2006方法測定(溫度120 ℃,通氣量20 L/h)。

1.2.2 酶法脫膠實驗方法 準確稱取300 g水化脫膠的大豆油于500 mL具塞三角瓶中,水浴加熱至75 ℃,接著加入45%檸檬酸0.36 mL,于高速均質機10000 r/min條件下均質1 min后,繼續于75 ℃水浴、機械攪拌下(500 r/min)維持30 min后,冷卻至50 ℃以下,加入適量的4% NaOH 溶液混合均勻,形成需要的pH環境(用pH計進行準確測定),再加入一定量的蒸餾水和一定量的酶液,500 r/min機械攪拌條件下進行反應,定時取樣分析。

表1 加酶量對脫膠效果的影響Table 1 Effect of enzyme content on degumming efficiency

表2 反應溫度對脫膠效果的影響Table 2 Effect of reaction temperature on degumming efficiency

1.2.3 單因素實驗 采用1.2.2下法進行實驗室酶法脫膠,脫膠條件為:固定反應條件為反應時間5 h,溫度50 ℃,加水量3.0%,pH5.0,考察不同加酶量(20、30、40、50、60 mg/kg)對脫膠效果的影響;固定反應條件為反應時間為5 h,加水量為3.0%,加酶量為30 mg/kg,pH5.0,考察不同反應溫度(45、50、55、60、65 ℃)對脫膠效果的影響;固定反應條件為反應時間5 h,反應溫度50 ℃,加水量3.0%,加酶量30 mg/kg,考察不同pH(4.2、4.6、5.0、5.4、5.8)對脫膠效果的影響;固定反應條件為反應時間5 h,加酶量30 mg/kg,溫度50 ℃,pH5.0,研究不同加水量(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0%)對脫膠效果的影響;固定反應條件為50 ℃,加水量3%,加酶量30 mg/kg,pH5.0,考察不同反應時間(2、3、4、5、6 h)對脫膠效果的影響。

1.2.4 酶法脫膠生產工藝 如圖1所示,水化脫膠大豆油經過換熱器加熱到75 ℃,以一定流量添加檸檬酸溶液,酸化反應后冷卻至50 ℃,NaOH溶液、軟水、10倍稀釋磷脂酶Lecitase Ultra溶液分別以一定流量與酸化反應后的油經過管線式乳化泵混合,形成乳化液,pH控制在5.0左右,乳化液進入酶反應罐反應后,經換熱器加熱至85 ℃進入破乳罐停留0.5 h,最后進入高速離心機分離,脫膠油進入真空干燥罐干燥后進行后續脫色脫臭。

1.3數據處理

實驗均做3次以上平行,取平均值,使用SPSS 17.0統計分析軟件進行處理。不同平均值之間利用最小顯著差異法進行差異顯著性檢驗,實驗數據以平均值±標準差表示。

2 結果與討論

2.1酶法脫膠條件優化實驗

2.1.1 加酶量對脫膠效果影響 一般來說,酶的添加量越大,底物與活性中心結合的機率越大,反應速率就越快;但當酶的活性中心與底物接近飽和時,繼續增加酶量對反應速率的影響較小[11]。如表1所示。脫膠油中的磷含量隨著酶加量的增加而降低,當酶濃度達到30 mg/kg時,脫膠油磷含量低于10 mg/kg,滿足后續物理精煉要求,繼續增大加酶量降低磷含量有限。綜合考慮脫膠效率與脫膠成本,將30 mg/kg確定為酶法脫膠的最適加酶量。

2.1.2 反應溫度對脫膠效果影響 酶促反應需要適宜的反應溫度,只有當反應體系溫度在最適溫度時,酶的催化活性才能夠達到最大值。因為Lecitase Ultra在溫度低于40 ℃時,主要表現脂肪酶活性;當溫度高于40 ℃時,其脂肪酶活性會受到抑制,主要表現出磷脂酶活性。因此,本實驗將反應溫度設為45～65 ℃。結果如表2所示,脫膠油的磷含量隨著反應溫度的升高呈先降低后上升的趨勢,當溫度為50 ℃時,酶促反應達到最大水平,此時脫膠油含磷量為8.9 mg/kg，繼續升溫，磷含量下降程度有限，并且有上升趨勢。當溫度較低時,因油脂的粘度較大流動性差,會影響油-水界面的形成,從而影響酶與底物的結合,導致酶促反應效果不佳;當溫度過高則會使得酶活性中心發生不可逆的變化,降低了酶的活性與穩定性[12]。因此,將50 ℃確定為最適脫膠溫度。

表3 pH對脫膠效果的影響Table 3 Effect of pH on degumming efficiency

表4 加水量對脫膠效果的影響Table 4 Effect of water content on degumming efficiency

表5 反應時間對脫膠效果的影響Table 5 Effect of reaction time on degumming efficiency

2.1.3 pH對脫膠效果影響 pH是影響酶促反應的重要因素。酶在最適的pH范圍內才能保持較高的活性,當反應體系中的pH超過酶自身的耐受程度時,會使酶出現不同程度的變性和結構變化,最終導致酶活性降低甚至失去催化活性。如表3所示。在pH4.6～pH5.0的范圍內,添加酶能有效降低大豆毛油中的磷含量。在pH5.0時,脫膠油的磷含量為8.6 mg/kg,磷含量顯著低于其他pH(p<0.05)，因此,確定pH5.0為最適pH。

表6 兩種脫膠方法成本效益分析Table 6 Cost analysis of two degumming methods

2.1.4 加水量對脫膠效果影響 酶水解磷脂需要在油水界面上進行,水在酶催化反應過程中起到提供反應介質的作用,加水量是決定油水界面大小的重要因素之一。同時,在脫膠過程中,需要適量的水才能使膠質絮凝,水量不足時,磷脂膠粒不能充分絮凝,影響其脫除效果;加水量過多,有可能引起磷脂的乳化,從而增加后期分離難度。如表4所示。當加水量低于3.0%時,脫膠效果比較差,當加水量為3.0%時,脫膠油磷含量達到最低為8.3 mg/kg,繼續增大加水量磷含量反而有所上升,而且增大加水量會引起乳化,可能導致后續分離困難。因此初步確定脫膠的最適加水量3.0%。

2.1.5 反應時間對脫膠效果影響 酶促反應時間太短則反應不充分,脫膠達不到效果;反應時間過長則會降低生產效率。如表5所示。隨著脫膠時間的增加,脫膠油含磷量呈現遞減趨勢。當反應時間達到5 h后,含磷量基本不再發生變化,繼續增大時間至6 h,磷含量無顯著性變化(p>0.05),因此較優的酶反應時間可以,確定為5 h。磷脂酶脫膠后,毛油中的磷含量降至8.9 mg/kg,這說明只要反應時間足夠充分,磷脂酶幾乎能水解毛油中的所有磷脂,從而使脫膠后的大豆油達到物理精煉的要求。

2.2酶法脫膠生產與化學堿煉生產對比

2.2.1 化學堿煉脫膠 化學堿煉脫膠是由Alfa-Laval公司推廣的一種方法,目前大多數油廠采取此工藝,其主要原理是向經磷酸酸化反應后的油中加入過量堿液,在一定的混合強度下,堿液與游離脂肪酸發生中和反應生成鈉皂,同時鈉皂會吸附其他雜質(如膠質、色素等),再通過離心機分離出脫膠油和皂腳,后續脫色脫臭同酶法脫膠。堿煉化學脫膠的優點是鈉皂吸附能力強,能起到脫膠、脫色以及吸附重金屬離子的作用,缺點是少量中性油被皂化和被鈉皂夾帶造成損耗,同時水洗工段和處理皂腳產生大量廢水。

2.2.2 兩種脫膠方法成本效益分析 在前期大量實驗室小試的基礎上,進行了800 t/d連續式酶法脫膠生產實驗,為了論證酶法脫膠工藝的經濟性,利用工廠實驗的一些數據進行比較全面的經濟核算,并與堿煉化學精煉中的相關數據進行對比。分別計算出大豆油每噸的成本及收益,主要考慮了在精煉過程中的物料消耗和能源消耗,還有產生的各種收益,如表6所示。

如表6所示,采用酶法脫膠的精煉工藝雖然在輔料(包括酸、堿和脫色劑)及能源(包括電、蒸汽和天然氣)消耗上比傳統化學精煉多,但由于避免皂腳產生,杜絕因中性油被皂化及被皂腳大量夾帶而造成損耗,而且酶法工藝離心出來的油腳夾帶中性油極少,最終成品油得率提高了0.8%左右(成品油得率會因原料情況而波動,初始酸值越高的毛油經酶法精煉后得率會提高更多)。通過對比兩種工藝精煉得到成品油經濟效益,酶法工藝比傳統化學法每噸油可創造額外利潤19.9元,還未計算酶法工藝所節約的環保費用。

表7 兩種脫膠方法油品理化指標Table 7 Physicochemical index of two degumming methods

表8 兩種方法成品油穩定性Table 8 Stability of product oil of two degumming methods

2.2.3 兩種脫膠方法油品質量對比分析 在傳統化學堿煉過程中,因為有鈉皂產生,而鈉皂具有強吸附性,可吸附油脂中的金屬離子、色素等微量物質,有助于降低成品油色澤并且提高成品油穩定性。而酶法工藝不產生皂,為避免金屬離子等微量雜質對成品油穩定性造成影響,在采用酶法精煉過程中,脫色工段增加了0.4%脫色劑并添加0.01%的活性炭。表7和表8列舉了酶法和化學法油品理化指標和穩定性情況。

從表7可以得知,酶法和化學法的脫膠(皂)油的磷含量都低于10 mg/kg,都滿足后續精煉要求,而由于化學法有鈉皂吸附,脫皂油中的磷含量比酶法脫膠油的低。在酶法工藝中,因只添加少量堿來調反應pH,而且磷脂酶將磷脂水解出脂肪酸,故脫膠油的酸值反而比毛油增加了0.2左右,經過后續脫色脫臭后,各項理化指標符合一級大豆油國家標準規定,兩種成品油在酸值、磷含量、過氧化值和色澤方面并無明顯差別。

從表8可以看出,在105 ℃烘箱中放置6 h后,酶法成品油色澤從R 0.4升到R 1.3,而化學堿煉成品油則從R 0.4升到R 1.1,色澤穩定性方面酶法成品油稍差于化學堿煉成品油。其他指標如酸值穩定性、氧化穩定性、常溫儲藏穩定性都與化學堿煉成品油無明顯差異。

2.3連續式大豆油酶法脫膠操作注意事項

在工廠化規模生產應用實踐中,必須注意以下幾個對脫膠效果影響較大的控制節點:

反應pH。酶法脫膠效果好壞往往取決于反應pH,根據實際生產經驗,脫膠水pH要控制在4.6～5.0。而pH則與酸堿的濃度以及流量相關,準確滴定酸堿濃度以及精確計量酸堿流量是控制pH的關鍵。

反應溫度。因磷脂酶Lecitase Ultra在低溫(低于40 ℃)時,是以脂肪酶活性為主導,當溫度高于40 ℃時,以磷脂酶活性為主導,但最高耐受溫度是55 ℃,因此在生產實踐中,綜合考慮換熱因素、磷脂酶活性以及最高耐受溫度,反應溫度以50～55 ℃為宜。

酶液保存。在實際生產中,為了適應計量泵的要求,通常用軟水數倍稀釋酶液,但為了保證連續式生產中酶液的活力,酶液罐需保溫在10 ℃以下且每罐酶液最長使用時間不能超過12 h。

破乳分離。在傳統堿煉工藝中,皂腳和油的比重差較大,而且堿煉中和生成的鈉皂將磷脂等雜質吸附,從油中脫離,故而碟片式離心機能較好分離油和皂腳。而酶法脫膠工藝中,因油腳和油密度差較小,而且如果油水過度混合導致乳化嚴重,則可能會出現離心分離困難現象,因此,在離心分離前,有必要將反應后的乳化液進行升溫,并在破乳罐停留破乳,有助于提高離心分離效果,也可在脫膠離心之后增加水洗離心以進一步提高脫膠效果。

3 結論

通過單因素實驗確定了酶法脫膠最優條件:酶添加量30 mg/kg,加水量3.0%,pH5.0,反應溫度50 ℃,反應時間5 h。在此基礎上,進行了800 t/d連續式酶法精煉工廠化操作,經過生產應用實踐,酶法脫膠取得了良好的效果,滿足后續物理精煉的要求,成品油的品質穩定,經濟效益和環保性明顯,證明該工藝是切實可行的。近些年來,隨著生物技術的不斷發展,酶的穩定性和催化效率會不斷提高,而且酶的成本也勢必會越來越低,酶法脫膠工藝將會顯示出更大的優勢。目前國外已有多家工廠成熟應用酶法脫膠工藝,國內也有幾家工廠籌備建立酶法生產線,筆者相信隨著研究的不斷深入以及配套設施的不斷完善,酶法脫膠將會更加順利地推廣應用,提高油脂加工行業的經濟效益和降低環境污染。

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Applicationofenzymaticrefininginsoybeanoil

LUORi-ming,CAOYu,HUANGRao-qin

(Guangzhou Green Oil Industrial Co.,Ltd.,Guangzhou 511462,China)

The laboratory experiments were conducted with hydration degumming soybean oil as raw material by the phospholipase lecitase ultra. The single factor results showed that the optimum reaction conditions were as follows:enzyme dosage of 30 g/t oil,water content of 3.0%,pH5.0,reaction temperature of 50 ℃,reaction time of 5 h. Under these conditions,the continuous enzymatic degumming production experiments were carried out on the 800 t/d production line.The results showed that the oil yield increased by 0.8% compared to the chemical method,it showed obvious economic benefits.The physical and chemical indexes and stability of refined oils produced by both methods were compared,and the results showed no obvious difference.

enzymatic refining;soybean oil;yield;stability

2017-04-11

羅日明(1989-)，男，碩士，研發工程師,主要從事油脂化學研究,E-mail:luoriming2005@163.com。

廣東省產學研項目(2013B090200015)。

TS224.6

:B

:1002-0306(2017)17-0178-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.034