題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 固定化脂肪酶催化植物甾醇油酸酯合成的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 植物甾醇是一類具有四環(huán)結(jié)構(gòu)的甾體類化合物，具有降低膽固醇等生理作用，但是其在水相和油相中的溶解性差限制了其廣泛使用。本文通過(guò)對(duì)其3位羥基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾形成植物甾醇油酸酯達(dá)到改善其溶解性，降低熔點(diǎn)的效果。 本文選用無(wú)紡布為固定化載體，將Candida rugosa作為生物催化劑，催化植物甾醇與油酸的酯化反應(yīng)。通過(guò)條件優(yōu)化，植物甾醇的酯化率可達(dá)98.36%。
- 詳細(xì)介紹：
- 植物甾醇是具有多環(huán)結(jié)構(gòu)的甾體類化合物，目前主要用于醫(yī)藥、食品、飼料等行業(yè)，如在醫(yī)藥行業(yè)上，主要用于降低血液中膽固醇含量、調(diào)節(jié)免疫功能與抑制慢性關(guān)節(jié)炎；食品行業(yè)中用作為膳食食品和食品添加劑，起降膽固醇的作用；飼料工業(yè)用作促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)的生長(zhǎng)劑，此外還具有降低禽、蛋類等動(dòng)物制品的膽固醇含量的作用。但其17位碳原子上的烴鏈導(dǎo)致它在水中的溶解很小，而3位碳原子上的羥基又限制了其在油脂中的溶解度。為了實(shí)現(xiàn)植物甾醇的多種生理功能，對(duì)植物甾醇活性基團(tuán)C-3位羥基進(jìn)行酯化修飾，使得其在具有植物甾醇的生理活性的同時(shí)，還有更好的水溶性和油溶性。隨著2000年9月美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)添加了植物甾醇和植物甾醇酯的食品可以使用“有益健康”的標(biāo)簽后，植物甾醇酯的合成成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。 本研究通過(guò)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，拓寬植物甾醇的應(yīng)用范圍并提高其經(jīng)濟(jì)附加值，期望能建立一條酶法催化生產(chǎn)甾醇酯的綠色工藝路線。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 植物甾醇是具有多環(huán)結(jié)構(gòu)的甾體類化合物，主要用于醫(yī)藥、食品等行業(yè)。但其C-17位上的烴鏈導(dǎo)致它在水中的溶解很小，而C-3位的羥基又限制其在油脂中的溶解度。為了實(shí)現(xiàn)其多種生理功能，對(duì)植物甾醇活性基團(tuán)C-3位羥基進(jìn)行酯化修飾，使得具有植物甾醇的生理活性和更好的水溶和油溶性。研究通過(guò)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，拓寬植物甾醇應(yīng)用范圍并提高其經(jīng)濟(jì)附加值。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 目前植物甾醇酯的合成研究中以化學(xué)法和酶法為主。其中化學(xué)法合成已有相當(dāng)成熟的工藝路線，但是在酶法合成研究中，國(guó)內(nèi)研究起步比較晚，研究性的報(bào)道比較少。本工作有望在一定程度上為我國(guó)酶法合成植物甾醇酯的研究提供依據(jù)。還有以固定化的Candida rugosa脂肪酶作為催化劑，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應(yīng)副產(chǎn)物少，反應(yīng)條件溫和，能耗少，克服了化學(xué)法中的不足。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 植物甾醇是一類以環(huán)戊烷多氫菲為骨架的天然物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品、飼料等行業(yè)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)甾醇C-3位活性羥基進(jìn)行酯化修飾的甾醇酯和甾醇相比，前者具有更好的脂溶性和降膽固醇功效。本研究中的另外一種底物脂肪酸也是人體不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，某些脂肪酸具有降低血液粘稠度，改善血液微循環(huán)等功能。由植物甾醇與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，將具有廣泛的應(yīng)用前景。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 植物甾醇是一類具有四環(huán)結(jié)構(gòu)的甾體類化合物，具有降低膽固醇等生理作用，但是其在水相和油相中的溶解性差限制了其廣泛使用。本研究通過(guò)對(duì)其3位羥基進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾形成植物甾醇油酸酯達(dá)到改善其溶解性，降低熔點(diǎn)的效果。 本研究以無(wú)紡布為固定化載體，以Candida rugosa作為生物催化劑，催化植物甾醇與油酸的酯化反應(yīng)。通過(guò)條件優(yōu)化，植物甾醇的酯化率可達(dá)98.36%（反應(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間18 h，酶量62.06 U/mg-phytosterols，底物摩爾比1:2( PS/OA)，正己烷用量1ml），而且該固定化脂肪酶在使用4批后，植物甾醇的轉(zhuǎn)化率仍有82.51%。
獲獎(jiǎng)情況
- 2011年4月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
- 論文采用固定化Candida rugosa脂肪酶催化合成植物甾醇酯并對(duì)其反應(yīng)條件進(jìn)行初步優(yōu)化，設(shè)計(jì)研究思路清晰合理，能為植物甾醇酯合成和Candida rugosa脂肪酶的理論研究提供參考。
參考文獻(xiàn)
- 郭玉寶對(duì)植物甾醇和植物甾醇脂肪酸酯的溶解性進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在25 ℃下， 游離植物甾醇、甾醇脂肪酸酯在大豆色拉油中的溶解度分別為1.09%、40.68%（wt），可見(jiàn)，通過(guò)酯化改性修飾后其脂溶性大大提高。 酶法合成方面：Villeneuve等人的研究發(fā)現(xiàn)在同等催化條件下，Candida rugosa 脂肪酶能有效地催化植物甾醇與油酸的酯化反應(yīng)，緊接著研究了反應(yīng)底物摩爾比、酶用量以及反應(yīng)溫度對(duì)植物甾醇油酸酯合成的影響，最終當(dāng)植物甾醇與油酸摩爾比為1:3， 酶用量為5%，35 ℃下反應(yīng)72 h植物甾醇的酯化率可達(dá)85%。 參考文獻(xiàn)： 1. 郭玉寶. 植物甾醇酯的制備及降血脂功能的研究[D], 無(wú)錫輕工大學(xué), 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。
同類課題研究水平概述
- 隨著酶催化研究進(jìn)展，特別是脂肪酶（Lipase EC3.1.1.3）作為生物催化劑的商品化，及在非水介質(zhì)中的催化特性，使脂肪酶成為有機(jī)合成中重要的生物催化劑，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等有機(jī)合成領(lǐng)域。而利用脂肪酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯近年也成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)目前關(guān)于酶法合成植物甾醇脂肪酸酯的起步較晚，報(bào)道較少。而國(guó)外近年來(lái)開(kāi)展了一系列的探索工作，如Villeneuve等人首先對(duì)酶的種類進(jìn)行篩選，在同等催化條件下，Candida rugosa 脂肪酶能有效地催化植物甾醇與油酸的酯化反應(yīng)，緊接著研究了反應(yīng)底物摩爾比、酶用量以及反應(yīng)溫度對(duì)植物甾醇油酸酯合成的影響，最終當(dāng)植物甾醇與油酸摩爾比為1:3， 酶用量為5%，35 ℃下反應(yīng)72 h植物甾醇的酯化率可達(dá)85%。Yuji shimada 等人以Pesudomonas aeruginosa 脂肪酶為催化劑催化多不飽和脂肪酸（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應(yīng)體系，并通過(guò)響應(yīng)面分析方法對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化并建立相關(guān)的反應(yīng)模型。研究了反應(yīng)溫度（35-55 ℃），反應(yīng)時(shí)間（4-24 h）， 底物摩爾比（PS/OA：1-3）和酶量（2-10%）在上述范圍內(nèi)催化的最優(yōu)條件及相應(yīng)的反應(yīng)模型。經(jīng)響應(yīng)面分析在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，植物甾醇的轉(zhuǎn)化率可達(dá)97.0%（ 反應(yīng)溫度：51.3 ℃；反應(yīng)時(shí)間： 17 h；酶量：7.2%；底物摩爾比1：2.1）。上述這些酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯具有反應(yīng)條件溫和，不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品色澤過(guò)深的問(wèn)題；酶催化對(duì)反應(yīng)底物的選擇性高，副反應(yīng)少，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的后續(xù)分離純化工作。雖然酶催化合成植物甾醇酯在實(shí)驗(yàn)室階段達(dá)到了97%的轉(zhuǎn)化率，但是酶制劑的昂貴價(jià)格仍是其工業(yè)化發(fā)展的一大障礙。因此降低酶催化的生產(chǎn)成本是酶催化合成植物甾醇脂肪酸酯工業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)路之一。而酶的固定化則是實(shí)現(xiàn)降低酶催化生產(chǎn)成本的一種有效方法。所謂酶的固定化就是指在一定空間內(nèi)呈閉鎖狀態(tài)存在酶，使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)后酶可回收重復(fù)使用。脂肪酶固定化技術(shù)在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中極具前途，因?yàn)楣潭ɑ久妇哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：a、容易從產(chǎn)品中分離，可再生利用；b、在反應(yīng)器內(nèi)位置固定；c、穩(wěn)定性高，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作；d、保留活性，并有獲得超超活性的可能；e、資源方便，減少污染。而以固定化酶催化植物甾醇油酸酯的報(bào)道較少。
