基本信息
- 项目名称：
- 固定化脂肪酶催化植物甾醇油酸酯合成的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 植物甾醇是一类具有四环结构的甾体类化合物，具有降低胆固醇等生理作用，但是其在水相和油相中的溶解性差限制了其广泛使用。本文通过对其3位羟基进行结构修饰形成植物甾醇油酸酯达到改善其溶解性，降低熔点的效果。 本文选用无纺布为固定化载体，将Candida rugosa作为生物催化剂，催化植物甾醇与油酸的酯化反应。通过条件优化，植物甾醇的酯化率可达98.36%。
- 详细介绍：
- 植物甾醇是具有多环结构的甾体类化合物，目前主要用于医药、食品、饲料等行业，如在医药行业上，主要用于降低血液中胆固醇含量、调节免疫功能与抑制慢性关节炎；食品行业中用作为膳食食品和食品添加剂，起降胆固醇的作用；饲料工业用作促进动物生长的生长剂，此外还具有降低禽、蛋类等动物制品的胆固醇含量的作用。但其17位碳原子上的烃链导致它在水中的溶解很小，而3位碳原子上的羟基又限制了其在油脂中的溶解度。为了实现植物甾醇的多种生理功能，对植物甾醇活性基团C-3位羟基进行酯化修饰，使得其在具有植物甾醇的生理活性的同时，还有更好的水溶性和油溶性。随着2000年9月美国食品与药品监督管理局（FDA）批准添加了植物甾醇和植物甾醇酯的食品可以使用“有益健康”的标签后，植物甾醇酯的合成成为世界各国研究的热点。 本研究通过利用固定化的Candida rugosa脂肪酶催化植物甾醇和油酸合成植物甾醇油酸酯，拓宽植物甾醇的应用范围并提高其经济附加值，期望能建立一条酶法催化生产甾醇酯的绿色工艺路线。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 植物甾醇是具有多环结构的甾体类化合物，主要用于医药、食品等行业。但其C-17位上的烃链导致它在水中的溶解很小，而C-3位的羟基又限制其在油脂中的溶解度。为了实现其多种生理功能，对植物甾醇活性基团C-3位羟基进行酯化修饰，使得具有植物甾醇的生理活性和更好的水溶和油溶性。研究通过利用固定化的Candida rugosa脂肪酶催化植物甾醇和油酸合成植物甾醇油酸酯，拓宽植物甾醇应用范围并提高其经济附加值。
科学性、先进性及独特之处
- 目前植物甾醇酯的合成研究中以化学法和酶法为主。其中化学法合成已有相当成熟的工艺路线，但是在酶法合成研究中，国内研究起步比较晚，研究性的报道比较少。本工作有望在一定程度上为我国酶法合成植物甾醇酯的研究提供依据。还有以固定化的Candida rugosa脂肪酶作为催化剂，催化植物甾醇和油酸合成植物甾醇油酸酯。酶法催化合成植物甾醇酯的反应副产物少，反应条件温和，能耗少，克服了化学法中的不足。
应用价值和现实意义
- 植物甾醇是一类以环戊烷多氢菲为骨架的天然物质，广泛应用于食品、饲料等行业。研究发现，对甾醇C-3位活性羟基进行酯化修饰的甾醇酯和甾醇相比，前者具有更好的脂溶性和降胆固醇功效。本研究中的另外一种底物脂肪酸也是人体不可或缺的营养物质，某些脂肪酸具有降低血液粘稠度，改善血液微循环等功能。由植物甾醇与脂肪酸酯化合成的植物甾醇酯兼具有二者的功能，改善了植物甾醇溶解性的也增加了生理功能，将具有广泛的应用前景。
学术论文摘要
- 植物甾醇是一类具有四环结构的甾体类化合物，具有降低胆固醇等生理作用，但是其在水相和油相中的溶解性差限制了其广泛使用。本研究通过对其3位羟基进行结构修饰形成植物甾醇油酸酯达到改善其溶解性，降低熔点的效果。 本研究以无纺布为固定化载体，以Candida rugosa作为生物催化剂，催化植物甾醇与油酸的酯化反应。通过条件优化，植物甾醇的酯化率可达98.36%（反应温度50 ℃，反应时间18 h，酶量62.06 U/mg-phytosterols，底物摩尔比1:2( PS/OA)，正己烷用量1ml），而且该固定化脂肪酶在使用4批后，植物甾醇的转化率仍有82.51%。
获奖情况
- 2011年4月，第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
鉴定结果
- 论文采用固定化Candida rugosa脂肪酶催化合成植物甾醇酯并对其反应条件进行初步优化，设计研究思路清晰合理，能为植物甾醇酯合成和Candida rugosa脂肪酶的理论研究提供参考。
参考文献
- 郭玉宝对植物甾醇和植物甾醇脂肪酸酯的溶解性进行了对比实验，其实验结果显示：在25 ℃下， 游离植物甾醇、甾醇脂肪酸酯在大豆色拉油中的溶解度分别为1.09%、40.68%（wt），可见，通过酯化改性修饰后其脂溶性大大提高。 酶法合成方面：Villeneuve等人的研究发现在同等催化条件下，Candida rugosa 脂肪酶能有效地催化植物甾醇与油酸的酯化反应，紧接着研究了反应底物摩尔比、酶用量以及反应温度对植物甾醇油酸酯合成的影响，最终当植物甾醇与油酸摩尔比为1:3， 酶用量为5%，35 ℃下反应72 h植物甾醇的酯化率可达85%。 参考文献： 1. 郭玉宝. 植物甾醇酯的制备及降血脂功能的研究[D], 无锡轻工大学, 2001. 2. Higgins III. Preparation of sterol and stanol-esters[P]. US No.6184397. 3. Villeneuve P, Turon F, Caro Y, Escoffier R, Barea B, Barouh B, Lago R, Piombo G, Pina M. Lipase-catalyzed synthesis of canola phytosterols oleate esters as cholesterol lowering agents[J]. Enzyme and Microbial Technology, 2005, 37:150-155。
同类课题研究水平概述
- 随着酶催化研究进展，特别是脂肪酶（Lipase EC3.1.1.3）作为生物催化剂的商品化，及在非水介质中的催化特性，使脂肪酶成为有机合成中重要的生物催化剂，广泛应用于食品、医药等有机合成领域。而利用脂肪酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯近年也成为研究热点。国内目前关于酶法合成植物甾醇脂肪酸酯的起步较晚，报道较少。而国外近年来开展了一系列的探索工作，如Villeneuve等人首先对酶的种类进行筛选，在同等催化条件下，Candida rugosa 脂肪酶能有效地催化植物甾醇与油酸的酯化反应，紧接着研究了反应底物摩尔比、酶用量以及反应温度对植物甾醇油酸酯合成的影响，最终当植物甾醇与油酸摩尔比为1:3， 酶用量为5%，35 ℃下反应72 h植物甾醇的酯化率可达85%。Yuji shimada 等人以Pesudomonas aeruginosa 脂肪酶为催化剂催化多不饱和脂肪酸（PUFA）甾醇酯的合成。Kim 等人研究了Candida rugosa 脂肪酶催化合成植物甾醇油酸酯的反应体系，并通过响应面分析方法对反应条件进行优化并建立相关的反应模型。研究了反应温度（35-55 ℃），反应时间（4-24 h）， 底物摩尔比（PS/OA：1-3）和酶量（2-10%）在上述范围内催化的最优条件及相应的反应模型。经响应面分析在最优实验条件下，植物甾醇的转化率可达97.0%（ 反应温度：51.3 ℃；反应时间： 17 h；酶量：7.2%；底物摩尔比1：2.1）。上述这些酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯具有反应条件温和，不会导致产品色泽过深的问题；酶催化对反应底物的选择性高，副反应少，简化了产品的后续分离纯化工作。虽然酶催化合成植物甾醇酯在实验室阶段达到了97%的转化率，但是酶制剂的昂贵价格仍是其工业化发展的一大障碍。因此降低酶催化的生产成本是酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯工业化发展的必经路之一。而酶的固定化则是实现降低酶催化生产成本的一种有效方法。所谓酶的固定化就是指在一定空间内呈闭锁状态存在酶，使反应连续进行，反应后酶可回收重复使用。脂肪酶固定化技术在工业规模生产中极具前途，因为固定化脂肪酶具有以下优点：a、容易从产品中分离，可再生利用；b、在反应器内位置固定；c、稳定性高，可长时间连续操作；d、保留活性，并有获得超超活性的可能；e、资源方便，减少污染。而以固定化酶催化植物甾醇油酸酯的报道较少。
