不同来源脂肪酶催化制备生物柴油的研究进展

ChineseAgriculturalScienceBulletin

不同来源脂肪酶催化制备生物柴油的研究进展

朱俊任，郑旭煦，李强，殷钟意，蒋贞贞

（废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆工商大学环境与生物学院，重庆400067）

摘要：不可再生能源日益减少，脂肪酶催化合成生物柴油已受到普遍关注。综述了不同来源脂肪酶催化制备产生物柴油的研究现状、工艺特点及应用进展，提出了脂肪酶催化合成生物柴油的研究与发展方向，为今后脂肪酶催化制备生物柴油提供思路。关键词：脂肪酶；来源；生物柴油；研究进展中图分类号：S21

文献标志码：A

论文编号：2009-2294

ResearchofBiodieselPreparationbyLipasefromDifferentBacterialSources

(EngineeringResearchCenterforWasteOilRecoveryTechnologyandEquipment,MinistryofEducation,

ZhuJunren,ZhengXuxu,LiQiang,YinZhongyi,JiangZhenzhen

CollegeofEnvironmentandBioengineering,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067)

Abstract:Non-renewableenergysourcesaredeclining.Thetechnologyoflipasecatalyzedsynthesisbiodiesel

hasbeenpaidextensiveattentions.Thispaperreviewstheresearchstatus,technologicfeatureandindustrialpointsoutthetendencyoftheresearchanddevelopmentoflipasecatalyzedsynthesisbiodiesel.Lipase-catalyzedpreparationprovidesideasofbiodieselinfuture.Keywords:lipase;source;biodiesel;research0引言

自2007年起，国际市场油价开始不断飞涨，2008年纽约商品交易所轻质原油最高攀升至150美元/桶，世人震惊石油危机是否真的到来?它预示着人们寻找可再生的和低污染的能源已刻不容缓。生物柴油作为可替代石油原料的可再生清洁能源，2006年底，全球的产量已超过600万t，中国产量超过10万t。到2007年，欧美洲生物柴油产量已达750万t[1-2]。

生物柴油(biodiesel)是动植物油脂与短链醇经酯交换反应而得的脂肪酸单烷基酯。其酯交换反应是将甘油三酯最终转变成甘油，每一步反应均产生一个单酯[3]。酯交换使用的催化法主要有：化学法(碱催化法、酸催化法)、生物酶法、超临界法。生物酶法的主要优点是操作方便，能耗小，无三废，绿色环保。但生物酶法在大规模生产中也存在一些问题，如生产成本较高、

applicationprogressoflipasefromdifferentbacterialsourcesinthepreparationofbiodiesel.Meanwhile,it

反应效率较低、生产周期较长等。国内外很多学者针对这些问题进行了大量研究，以期获得更加廉价、高效、稳定、实用的脂肪酶。1产脂肪酶微生物的来源

脂肪酶(lipase，EC3.1.1.3)是一类特殊的酯键水解酶，主要水解由甘油和12碳原子以上的不溶性长链脂肪酸形成的甘油三酯[4]。脂肪酶在自然界分布很广，达65种属的微生物均产脂肪酶[5]。

脂肪酶是从自然界分离得到的许多菌株中获取的，菌株可从两方面筛选：对于催化转化植物油的菌种，大多从富含这类油脂的土壤中筛选，如种植大豆，油菜土壤里；对于催化转化动植物废油的菌种，就从食堂、厨房、油厂附近的富含地沟油的土壤中筛选。不同产脂肪酶微生物的来源见表1，各种产脂肪酶微生物的筛选分离方法可参见有关文献[6-9]。

基金项目：重庆市高校优秀成果转化项目(KJZH08211)；重庆市教委科技项目(KJ090706)。

第一作者简介：朱俊任，男，1984年出生，重庆人，硕士研究生，从事废弃物资源化技术研究，通信地址：400067重庆工商大研究生院环境工程08。E-mail：zhujunren008@163.com。

通讯作者：郑旭煦，女，19年出生，重庆人，博士，教授，硕导，从事废弃物资源化技术研究，E-mail：xuxuzheng@ctbu.edu.cn。收稿日期：2009-11-03，修回日期：2009-11-17。

朱俊任等：不同来源脂肪酶催化制备生物柴油的研究进展表1不同产脂肪酶微生物的来源

微生物种类

酵母根霉毛霉假单胞菌

来源

从富含糖类的环境，如水果(葡萄、苹果等)或者植物分泌物(如仙人掌的汁)中分离

从酒厂酒曲中分离

从土壤、动物粪便、动植物、食品中分离

从变质的肉及肉制品、鲜鱼贝类、禽蛋类、牛乳和蔬菜等食品中分离

·319·直接分离微生物的脂肪酶产量一般是较低的。可以通过改变培养基的成分和配比，或加入特定的化学物质，或外加一些诱变方法，来达到选定特异的产脂肪酶微生物菌株的目的[10]。为达到提高酶的稳定性、促进酶与底物、产物分离、增加产物收率、提高酶的使用效率等目的，可通过固定化方式[11-14]制备工程酶，用于生物柴油生产。

2不同来源脂肪酶催化制备生物柴油的研究及产业化

目前，国内外用于催化制备生物柴油的脂肪酶主要有酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、假单胞菌脂肪酶、猪胰

脂肪酶等。由于脂肪酶价格昂贵，目前还未在工业上广泛应用。在催化制备生物柴油的反应过程中，不同的脂肪酶表现出不同的活性和特异性，它们之间的区别值得研究，以便从中选出最适宜的脂肪酶用于生物柴油的生产。2.1酵母脂肪酶催化法

在生物酶法制备生物柴油的研究中，国内外研究最多是酵母脂肪酶催化法。酵母产脂肪酶效率高，发酵活力可达8000U/ml[15]。有文献报道酵母脂肪酶制备生物柴油速度快、效率高，主要研究情况见表2。

表2酵母脂肪酶催化制备生物柴油的研究

原料棉籽油菜籽油菜籽油餐饮废油菜籽油菜籽油色拉油

脂肪酶Novozym435Novozym435Novozym435Novozym435C.antarcticaC.rugosaCandidasp.99-125

15

3:1

430用量/%30

醇油摩尔比

4:13:1质量比1:13:13:1

温度/℃50304030303740

反应时间/h

7361215486036

产率/%91.59992>80959096

优点与不足价格昂贵，活性1U/g

甲醇分3次加入乙酸甲酯萃取毛油餐饮废油转化率偏低

该酶有潜力该酶国内鲜有研究自制酶，效果好

文献[16-17][18][19][20][21][22][23]

Novozym435是诺维信生产的昂贵酵母脂肪酶，由表2可知，利用菜籽油为原料，催化转化率可以达到95%以上。但该酶催化餐饮废油的效果一般。C.antarctica脂酶的转化率高，价格较Novozym435便宜，该酶很具有研究推广潜力。此外，Kakugawa等[24]纯化了一种由能制备糖脂的酵母Kurtzmanomycessp.1-11产生的胞外脂肪酶制备生物柴油，优先选择十八碳酰基，在质量分数为40%的各种有机溶剂中其活性十分稳定。

原料猪油废食用油植物油金鱼油植物油

脂肪酶Candidasp.99-125固定化Candida固定化Candida固定化C.antarcticaNovozym435

温度/℃4045502552

反应工艺3步甲醇法三级固定床反应器两步反应工艺脂酶逐步醇解工艺分批加入甲醇

谭天伟及其团队在国内外发表了大量研究成果[25-28]，他们采用自制的固定化Candidasp.99-125脂肪酶催化制备生物柴油，固定化酶使用半衰期达200h以上。在ISBBE2009会议期间，笔者和谭教授有过交谈：酵母脂肪酶催化制备生物柴油技术已经比较成熟，在他们指导下1万t/年生物柴油生产线已经建成并投入使用。目前，酵母脂肪酶生产生物柴油已引起人们越来越多的关注，相关生产报道见表3。

连续运行时间

180h100h500h100d400h

产率/%87.491979095

优点与不足利用猪油好，转化率偏低产品绝大多数指标优于中国0#柴油

可反复使用100次循环可保持较长时间生产

酶稳定性好

文献[28][29][30][31][32]

表3酵母脂肪酶催化制备生物柴油的生产

从表3可知，利用生物酶法生产生物柴油是可行的。但中国产业不允许使用食用油生产生物柴油，而利用废油脂生产生物柴油的研究还远远不够，提

示我们应该对废油脂生产生物柴油加以重视。随着生物柴油研究进程的推进，酵母脂肪酶制备生物柴油会逐步被工业化生产所接受。

·320·2.2根霉脂肪酶催化法

中国农学通报http://www.casb.org.cn

甚远，但因其1,3-位置专一性，常用于油脂加工、对酯类改性等，在提高油脂的品质等方面[5]有重要用途。

国外研究者大量研究了根霉生产生物柴油，并提出了很多观点和建议参见表4。

根霉属(Rhizopussp.)微生物是脂肪酶的重要生产菌。根霉脂肪酶发酵水平低，Murat[33]固定培养少根根霉仅获得300U/mL的酶活力，和假丝酵母脂肪酶相比

表4根酶脂肪酶催化制备生物柴油的研究

原料大豆油大豆油大豆油大豆油大豆油

脂肪酶米根霉MT8-1米根霉IFO4697米根霉IFO4697华根霉CCTCCM201021固定化全细胞葡枝根霉YF6

反应技术

预先经冻融或风干方法增强了渗透性的酵母细胞用丙酮干燥的细胞固定在聚氨酯泡沫微粒内催化

全细胞无溶剂系统中制备无溶剂体系全细胞脂肪酶催化

以聚氨酯为载体

产率/%719068.586

优点与不足基因构建优良菌种转化率较高

叔丁醇中酶活性略有亏损该酶具有很好的催化潜力

文献[34][35][36][37][38]

Ban[35]和LiWei[36]在不同反应系统中的转化率相差巨大，WeiLi等[39]进一步研究表明，在叔丁醇系统中酶活性略有亏损是由蛋白质泄漏引起的。在根酶脂肪酶生产生物柴油方面，ShinjiHama等[40-41]采用PBR系统，利用米根霉产生1,3-位置特异性酶菌细胞进行生产，通过低流速反应，第一个周期有90%以上油被醇解，约80%的高值仍能保持10批次循环往复反应，说明米根霉工业化制生产生物柴油燃料具有一定的前景。

由表4可知，根霉脂肪酶在酯类改性中表现出较强的能力，大豆油催化甲酯转化率达到90%以上。但在废油脂催化转化方面研究较少，且提高根酶转化率也值得进一步研究。2.3假单胞菌脂肪酶催化法

近几年假单胞菌成了国内外最新研究热点。2000年，国外学者MamoruIso和国内学者Chen等[42]合作，开始对假单胞菌制备生物柴油可行性进行了系统研究，参见表5。

表5假单胞菌脂肪酶催化制备生物柴油的研究

原料大豆油麻疯树油高游离脂肪酸油

大豆油大豆油

脂肪酶洋葱假单胞菌固定化洋葱假单胞菌固定化假单胞菌荧光假单胞菌新型

2015

4:14:1

3050

4048

9296.4

用量/%4.5

醇油摩尔比7.5:1

温度/℃35

98

高游离脂肪酸的油有取得了一定进展此酶具有良好的催化转酯活性

油需含水量5%

反应时间/

h

产率/%

优点与不足

文献[43][44][45][46][47]

lipB52固定化假单胞菌

由表5可见，假单胞菌表现出的转化率不逊于酵母菌，且好于根酶。假单胞菌脂肪酶催化制备生物柴油的潜力较大，特别对含有较高游离脂肪酸的油脂有很好的转化效果[46]，与酵母脂肪酶制成复合脂肪酶很

原料菜籽油巴巴苏仁油混合猪油菜油

大豆油

脂肪酶LipozymeRMIM固定化猪胰脂肪酶

猪胰脂肪酶

Penicillium40

20

3:1

用量/%20

醇油摩尔比

值得研究。

2.4其他脂肪酶催化法

此外，能产生脂肪酶的菌种还有很多，比如毛霉、猪胰脂肪酶等，它们也能用于生物柴油的生产，参见表6。

温度/℃60

反应时间/h

56

产率/%9575-95

148

3692.6

优点与不足不能用于工业生产提供可行性理论依据

转化率偏低

多次使用酶活损失也很少

文献[48][49][50][51]

表6其他脂肪酶催化制备生物柴油的研究

ExpansumTS414

但以猪胰脏为原料生产的胰脂肪酶国内外较少，停留在实验阶段，这制约了猪胰脂肪酶的应用研究。且国内毛霉的催化研究还仅停留在制备甘二酯，这些酶的研究还远没有达到大规模生产生物柴油的要求。

对于这些新兴的脂肪酶还有待进一步加强研究。3发展前景与展望

综上所述，生物酶法制备生物柴油已成为国内外研究者关注的热点。国内外研究者已取得的研究成

朱俊任等：不同来源脂肪酶催化制备生物柴油的研究进展

·321·果，特别是获得了许多转化率极高的不同来源脂肪酶，为脂肪酶催化制备生物柴油的产业化进程奠定了坚实的基础。笔者认为今后的研究方向为：1）实验室阶段的研究应逐步扩大到连续性生产试验；2）对于已发现的转化率高、连续生产酶活损失少的脂肪酶，应着重考虑如何降低其制造成本和使用成本；3）对研究进展不足的产脂肪酶的微生物，如毛霉、猪胰脂肪酶等的微生物，应加大研究力度；4）鉴于国家产业不允许利用食用油生产生物柴油，应加大对非食用油脂，如餐饮废油脂等的脂肪酶催化转化研究。

随着石油资源的日益枯竭以及人们对环境的日益关注，可再生、对环境友好的生物柴油已被认为是一种新的可替代石化柴油的清洁燃料，国内外已经建成了各种规模的生物柴油生产厂。随着生物酶法合成生物柴油的研究与产业化进程的加速，脂肪酶催化制备生物柴油技术将以其高效、安全、节能、环保、成本低等优点得到广泛推广应用。

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