废弃食用油酶法绿色合成食品级乳化剂的可持续策略研究

《Journal of Agricultural and Food Chemistry》：Sustainable Synthesis of Food-Grade Emulsifiers from Waste Cooking Oil via Enzymatic Glycerolysis in a Green Solvent System

本研究报道了一种通过脂肪酶（Novozym435）催化甘油解反应，在绿色溶剂叔戊醇（TAA）中将废弃食用油（WCO）高效转化为单酰基甘油（MAG）的创新工艺。通过实验设计（DoE）优化反应参数，获得67%的MAG产率，产物乳化性能与商业表面活性剂相当。该技术将废弃物资源化、绿色溶剂与酶催化相结合，为食品工业提供了一条符合循环经济原则的可持续乳化剂生产路径。

　　

废弃食用油表征

研究首先对废弃食用油（WCO）的理化特性进行全面分析。薄层色谱（TLC）显示WCO主要成分为三酰基甘油（TAG），含少量游离脂肪酸（FFA）、单酰基甘油（MAG）和双酰基甘油（DAG）。气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明其脂肪酸组成以不饱和脂肪酸为主（81%），其中油酸（C18:1ⁿ-9）占45.3%，亚油酸（C18:2ⁿ-6）占35.7%，饱和脂肪酸中棕榈酸（C16:0）和硬脂酸（C18:0）分别占9.5%和5.3%。WCO的平均分子量为877.5 g/mol，碘值为120，过氧化值为70 m_eqO₂，聚合物化TAG含量低于3%，总极性化合物（TPC）为15%。

转酯化反应条件的初步筛选

通过溶剂筛选发现，叔戊醇（TAA）在促进TAG向MAG转化方面表现最优，其三级醇结构可最小化酯化副反应并改善甘油与油脂的相容性。初步实验表明，酶用量过高会导致水解副反应，将Novozym435用量控制在20 mg（31 U）时可有效抑制FFA生成。当WCO/甘油摩尔比从1:2提高至1:10时，MAG和DAG产量显著增加；溶剂用量减少至WCO/TAA重量比1:1时仍能保持较高反应效率，进一步降低则导致产率下降。

基于实验设计（DoE）的反应优化

采用2⁴全因子设计对WCO/溶剂比（x₁）、WCO/甘油比（x₂）、酶/WCO比（x₃）和反应时间（x₄）进行优化。方差分析（ANOVA）显示四个主效应均显著（p < 0.05），交互作用不显著。模型方程表明：降低溶剂用量（负效应）、提高甘油比例和酶负载量（正效应）、延长反应时间至24小时（正效应）可最大化MAG产率。在验证实验（WCO/溶剂=1:1，WCO/甘油=1:4，酶/WCO=70 mg/g，24小时）中，实际MAG产率为67.5±5.2%，与预测值70.6±6.4%高度吻合。

Novozym435的稳定性与循环使用

酶在TAA中50°C下孵育48小时后仍保留96%活性。在最优条件下连续使用10个反应周期，每周期MAG转化率均维持在85%以上，且酶活性未显著下降，证明其优异的操作稳定性和可重复使用性。

单酰基甘油的制备与表征

放大实验（5 g WCO）在最优条件下经闪蒸色谱纯化，获得白色蜡状MAG，分离收率达67%。GC-MS分析显示产物脂肪酸组成与原料WCO高度一致。近红外（NIR）光谱结合主成分分析（PCA）表明，纯化MAG在光谱特征上与商业标准品Geleol（含MAG/DAG的混合物）接近，而非纯化混合物因含甘油而在O-H伸缩振动区（1400–1450 nm）呈现明显信号。

界面活性与乳液稳定性评估

通过Du Noüy环法测定界面张力，纯化MAG在0.1 wt%浓度下可使油水界面张力从25.03 dyn/cm降至18.3 dyn/cm（降低27%），与非纯化混合物（20.4 dyn/cm）和Geleol（19.3 dyn/cm）相比表现出优异性能。多重光散射分析显示，含1 wt%纯化MAG的乳液界面高度降低42%，与SDS（39.4%）和Geleol（38.5%）相当。乳液稳定性测试中，纯化MAG配方在40°C下3天内背散射变化小于5%，而非纯化样品出现底部沉淀峰，稳定性较差。

结论

本研究成功开发了一条基于废弃食用油酶法转化生产食品级MAG的绿色工艺。通过优化反应体系与溶剂选择，实现了高效、可持续的乳化剂合成，产物性能与商业标准媲美，为食品工业的循环经济模式提供了技术支撑。