Nghiên cứu sử dụng xúc tác enzyme để tổng hợp methylester từ dầu thực vật dùng thay nhiên liệu diesel

Hiện nay, một lĩnh vực ứng dụng mới của dầu thực vật đang được nghiên cứu trong việc sử dụng để sản xuất nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel, dùng làm chất bôi trơn thay cho các lo

NGUYỄN XUÂN NINH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XÚC TÁC ENZYME ĐỂ TỔNG HỢP METHYLESTER TỪ DẦU THỰC VẬT

DÙNG THAY NHIÊN LIỆU DIESEL

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Mã số ngành: 2.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 2 năm 2004

Cán bộ hướng dẫn khoa học:PGS.TS PHAN MINH TÂN

(Ghi rõ họ, tên, học hàm , học vị và chữ ký ) Cán bộ chấm nhận xét1:………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm , học vị và chữ ký ) Cán bộ chấm nhận xét 2:………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm , học vị và chữ ký )

Luận văn thạc sĩ đươc bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Xuân Ninh Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12 – 08 - 1968 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Công nghệ hoá học Mã số: 2.10.00

I-TÊN ĐỀ TÀI : Nghiên cứu sử dụng xúc tác enzyme để tổng hợp methyl ester từ dầu thực vật dùng thay nhiên liệu diesel

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan tài liệu về nguyên liệu biodiesel

2 Lựa chọn một số loại enzyme sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp

methyl ester từ dầu dừa và chọn một loại enzyme thích hợp

3 Khảo sát động học phản ứng alcol phân dầu dừa với xúc tác enzyme

4 Khảo sát tính chất của methyl ester và khảo sát khả năng sử dụng làm nhiên

liệu biodiesel

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:………

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ………

V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:PGS.TS PHAN MINH TÂN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng thông qua

Ngày tháng năm2004 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Để nghiên cứu đề tài này,từ những phương pháp thông thường và điều kiện phòng thí nghiệm,chúng tôi xác định vài chỉ số quan trọng của dầu dừa Kết quả quá trình nghiên cứu đã xác lập được điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp methyl ester dầu dừa bằng xúc tác enzyme

Chúng tôi xác địng những tính chất đặc trưng của methyl ester dầu dừa so với tiêu chuẩn nhiên liệu diesel Chúng tôi đã nghiên cứu khả năng phù hợp của methyl ester dầu dừa đối với động cơ diesel Bên cạnh, chúng tôi phối trộn methyl ester dầu dừa và nhiên liệu diesel thông dụng Hỗn hợp này là: 20% methyl ester dầu dừa và 80 % nhiên liệu diesel thông dụng Sau đó chúng tôi tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel

Kết quả đưa ra hướng tổng hợp mới methyl ester dầu dừa bằng xúc tác enzyme Sản phẩm dược xem như thay thế nguyên liệu diesel

To study this subject, from the normal methods and laboratory condition, we have determined some importand index figures from coconut oil The results from studies have also give the ultimate condition for sucessful synthesis of methyl ester by the methanolysis of triglycerid from coconut oil by enzymatic catalysis

We have determined the specification of methyl ester in diesel fuel standars We have also studied the suitability of methyl ester for diesel engines Beside, we blended methyl ester coconut oil conventional diesel fuel This blend was 20% methyl ester of coconut oil and 80% conventional diesel fuel After we carried to investigate on diesel engines

This result has ability to develop new synthesis of methyl ester by the methanolysis of triglycerid from coconut oil by enzymatic catalysis This products has refened to as alternative diesel fuel

MỞ ĐẦU……….……….1

Chương 1 : TỔNG QUAN………….……….3

1.1 Nguyên liệu……….3

1.1.1 Dầu thực vật……… 3

1.1.1.1 Khái quát chung dầu thực vật……….…… 3

1.1.1.2 Thành phần của dầu thực vật… … ……….5

1.1.1.3 Ứng dụng của dầu thực vật….… ……… 8

1.1.1.4 Giới thiệu về dầu dừa……….……….8

1.1.1.5 Một số tính chất của dầu thực vật……….13

1.1.2 Xúc tác và cơ chế xúc tác……….16

1.1.2.1 Xúc tác acid……… 16

1.1.2.2 Xúc tác base……….17

1.1.2.3 Xúc tác base không ion……….19

1.1.2.4 Phản ứng alcol phân không xúc tác……….19

1.1.2.5 Xúc tác enzyme……… 20

1.2 Sản phẩm……… 36

1.2.1 Methyl ester của acid béo……….37

1.2.2 Biodiesel……….39

Chương 2: THỰC NGHIỆM………… ………48

2.1 Mục tiêu nghiên cứu………48

2.2 Phương pháp nghiên cứu ……….49

2.3 Nguyên liệu……….49

2.4 Phương pháp tiến hành……….……50

2.4.1 Xác định một số chỉ tiêu hóa lý của dầu dừa………… ……….50

2.4.2 Phản ứng tổng hợp Methylester bằng xúc tác enzyme……….….52

2.4.3 Xác định loại enzyme thích hợp………53

2.4.4 Xác định các điều kiện tối ưu cho phản ứng tổng hợp Methylester từ dầu dừa………53

2.4.5 Phương pháp xác định sơ bộ hiệu suất phản ứng bằng phương pháp đo độ nhớt……… 55

Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN……….57

3.1 Khảo sát nguyên liệu……… ……… 57

3.1.1 Thành phần hóa học của dầu dừa……… 57

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Methylester trong hỗn hợp của chúng Và dầu dừa đến độ nhớt động học……… 61

3.2 Khảo sát phản ứng tổng hợp methylester dầu dừa bằng xúc tác enzyme.64 3.2.1 Ảnh hưởng của lọai Enzyme đến hiệu suất phản ứng……… 64

3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ mole methanol / dầu dừa đến hiệu suất phản ứng………68

3.2.3 Ảnh hưởng của quá trình thay đổi cách thêm Methanol vào đến hiệu suất phản ứng……….70

3.2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ xúc tác / dầu đến hiệu suất phản ứng………72

3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng………74

3.2.6 Ảnh hưởng hàm lượng nước đến hiệu suất phản ứng………76

3.3.2 Đường chưng cất ASTM của Diesel……… 84 3.3.3 So sánh đường chưng cất ASTM của MECO và Diesel ….………85 3.3.4 Các tính chất hóa lý đặc trưng khác của Methylester dầu dừa và

Diesel……….……… 87 3.3.5 Xác định các tính chất hóa lý đặc trưng của Biodiesel………90 3.4 Kiểm nghiệm trên động cơ………94

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Tài liệu tham khảo Phụ lục

Bảng 1.1 Liệt kê một số loại dầu thực vật trên thế giới ………4

Bảng 1.2 Các acid béo có trong thành phần các loại dầu………6

Bảng 1.3 Thành phần acid béo trong một số loại thực vật……….7

Bảng 1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dầu dừa trên thế giới………10

Bảng 1.5 Một số tính chất của dầu dừa………12

Bảng 1.6 Hàm lượng các acid béo có trong dầu dừa……… 12

Bảng 1.7 So sánh phản ứng sử dụng xúc tác hoá học và xúc tác enzyme………32

Bảng 1.8 Tính chất của một số loại methyl ester của các acid béo……….42

Bảng 1.9 Tính chất nhiên liệu của một số loại dầu……… 43

Bảng 1.10 Tiêu chuẩn ASTM cho Biodiesel……… 45

Bảng 3.1 Thành phần acid béo của dầu dừa xác định bằng phương pháp sắc ký……… 57

Bảng 3.2 Một số tính chất hoá lý của dầu dừa………59

Bảng 3.3 AnhÛ hưởng của hàm lượng methyl ester đến độ nhớt của hỗn hợp methyl ester và dầu dừa……… 62

Bảng 3.4 AnhÛ hưởng của loại enzyme lên phản ứng tổng hợp methyl ester từ dầu dừa với thời gian phản ứng là 36h ……….64

Bảng 3.5 AnhÛ hưởng của loại enzyme lên phản ứng tổng hợp methyl ester từ dầu dừa với thời gian phản ứng là 96h ……….65

Bảng 3.6 AnhÛ hưởng của tỉ lệ mole methanol/ dầu đến hiệu suất phản ứng.68 Bảng 3.7 AnhÛ hưởng của quá trình thay đổi cách methanol thêm vào đến hiệu suất phản ứng………70

Bảng 3.12 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo phần trăm thể tích của methyl ester dầu

dừa(MECO)………81 Bảng 3.13 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo phần trăm thể tích của diesel(DO)……84 Bảng 3.14 Các tính chất đặc trưng của MECO và DO……….87 Bảng 3.15 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo thể tích của Biodiesel………90 Bảng 3.16 Các tính chất hoá lý đặc trưng của Biodiesel……… 92 Bảng 3.17 Lượng tiêu hao nhiên liệu và độ mờ khói thải của DO và

Biodiesel…….……… 94

độ nhớt động học hỗn hợp methyl ester dầu dừa và dầu dừa………….63

Hình 3.2 AnhÛ hưởng của loại enzyme đến hiệu suất phản ứng với thời gian phản ứng là 36h……… 65

Hình 3.3 AnhÛ hưởng của loại enzyme đến hiệu suất phản ứng với thời gian phản ứng là 96h……….66

Hình 3.4 AnhÛ hưởng của tỉ lệ mole methanol/ dầu đến hiệu suất phản ứng…69 Hình 3.5 AnhÛ hưởng của quá trình thay đổi cách methanol thêm vào đến hiệu suất phản ứng……… 71

Hình 3.6 AnhÛ hưởng của tỉ lệ xúc tác/ dầu đến hiệu suất phản ứng………73

Hình 3.7 AnhÛ hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng………75

Hình 3.8 AnhÛ hưởng của hàm lượng nước đến hiệu suất phản ứng……….77

Hình 3.9 AnhÛ hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng………79

Hình 3.10 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo phần trăm thể tích của methyl ester dầu dừa(MECO)………82

Hình 3.11 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo phần trăm thể tích của diesel(DO)…85 Hình 3.12 Đường chưng cất ASTM của MECO và DO……….85

Hình 3.13 Sự phân bố nhiệt độ sôi theo phần trăm thể tích của Biodiesel……91

MỞ ĐẦU

Nêú không kể các dạng năng lượng khác, năng lượng phần lớn chúng ta đang sử dụng là các dạng nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên đây không phải là nguồn tài nguyên vô tận Theo dự đoán của các nhà khoa học, trữ lựơng dự trữ cuả các laoị nhiên liệu hoá thạch sẽ không đãm bảo nhu cầu năng lượng cho thế giới trong vòng 50 ÷ 100 năm tới Do đó việc tìm kiếm những nguồn nhiên liệu thay thế là một cấp thiết

Dầu thực vật và dẫn suất của nó đựơc coi là sự thay thế thích hợp nhiên liệu Diesel truyền thống Về cơ bản đây là nguồn nhiên liệu mà con ngừơi có thể sản xuất được Do đó chủ động đựơc nguồn nguyên liệu và tạo đầu ra cho sản phẩm nông nghiệp đang gặp khó khăn thị trường và giá cả Bên cạnh đó nhiên liệu thay thế này còn có ý nghĩa to lớn trong vấn đề ô nhiễm môi trường Các nước Châu Aâu, Châu Mỹ và khu vực Đông Nam Aù cũng bắt đầu đưa vaò thữ nghiệm và sản xuất

Việt Nam chúng ta là nước thuộc khu vực nhiệt đới nên dầu thực vật rất phong phú đặc biệt dầu Dừa, nên việc sản xuất nguồn nhiên liệu này có thể thực thi được Trong quá trình tổng hợp nguồn nhiên liệu mới có rất nhiều xúc tác được sữ dụng cho phản ứng chuyển hóa như: xúc tác hoá học , xúc tác enzyme,…Vì xúc tác hoá học còn có những mặt hạn chế riêng của nó nên xúc tác enzyme đựơc chọn cho đề tài nghiên cứu này

TOÅNG QUAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1.NGUYÊN LIỆU :

1.1.1.DẦU THỰC VẬT :

1.1.1.1 Khái quát chung về dầu thực vật:

Dầu thực vật là một nguồn nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp và trong thực phẩm Từ dầu thực vật, người ta có thể điều chế được rất nhiều sản phẩm khác nhau Hiện nay một lượng lớn dầu thực vật được sử dụng làm dầu

dùng trong thực phẩm, chế biến xà phòng, chất hoạt động bề mặt và rất nhiều sản phẩm hữu dụng khác Phần lớn các loại dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt của các cây tương ứng (trừ một số loại như dầu dừa, cọ…) bằng cách làm khô, nghiền, nấu… sau đó ép cơ học hoặëc chiết để tách dầu ra Sau đó dầu cần được trải qua một số công đoạn xử lý như lọc tạp chất, xử lý kiềm… mới có thể sử dụng Dầu thực vật rất phong phú như thống kê bảng (1.1) , nhưng không phân bố đều Các nước như Mỹ, Nga, Ấn Độ có nhiều dầu đậu nành, dầu lanh… Các quốc gia vùng Địa Trung Hải nhiều dầu oliu Các nước vùng nhiệt đới như các quốc gia Đông Nam Á, Châu Phi có nhiều dầu cọ, dầu dừa…

Bảng 1.1 Liệt kê một số loại dầu thực vật trên thế giới [12], [14]

STT Tên Loài

Khối lượng riêng

D 15/15 (g/cm 3 )

Chỉ số xà phòng hóa

Chỉ số Iốt

1 Bông (hạt) Gossypium hirsutum 0.920 – 0.926 189 – 199 100 – 200

2 Cải bẹ (hạt) Brassica Annuus 0,914 - 0,917 170 – 188 92 – 123

4 Cọ (cùi) Elaeis guineensis 0,915 196 – 206 51 – 58

5 Cọ (nhân) Elaeis guineensis 0,918 - 0,925 248 – 250 23 – 37

6 Cao su (hạt) Hevea brasilliensis 0,923 - 0,924 183 – 190 125 – 145

8 Dừa Cocos nucifera 0,917 - 0,930 246 – 268 7,5 – 12

9 Đậu nành Glycinemax (G.soja) 0,922 - 0,928 188 – 195 120 – 140

10 Gai dầu Caunabis sativa 0,929 - 0,934 190 – 194 145 – 167

11 Hướng dương Heliauthus Annuus 0,923 – 0,926 186 – 194 120 – 135

12 Lạc Arachis hypogaca 0,914 – 0,926 187 – 207 83 – 105

13 Lai Aleurites moluccana 0,925 – 0,930 180 – 193 130 – 145

14 Ngô (phôi) Zea mys 0,921 – 0,928 187 – 193 115 – 125

15 Lanh Linum usitatissinum 0,930 – 0,938 188 – 195 170 – 204

17 Thầu dầu Ricinus communis 0,957 – 0,967 177 – 185 81 – 90

18 Trẩu Aleurites montana 0,925 – 0,943 185 – 197 145 – 176

20 Vừng Sesamum indicum 0,914 – 0,925 187 - 195 103 – 116

1.1.1.2 Thành phần của dầu thực vật:

Dầu thực vật có thành phần chủ yếu (95%) là hỗn hợp các ester của glycerine với các acid béo cao phân tử (triglyceride), trong đó tính chất của dầu phụ thuộc vào thành phần của các mạch acid béo cũng như sự phân bố của chúng trong các triglyceride Mặc dù thành phần của dầu có sự dao động nhất định phụ thuộc vào điều kiện khí hậu ở vùng trồng hạt dầu nhưng nhìn chung các tính chất cơ bản của

Ngoài glyceride trong dầu còn chứa một lượng nhỏ rất nhiều tạp chất khác nhau: các acid béo tự do, chất màu, phosphatide, protein, hydrocacbon…

Công thức tổng quát tổng quát của triglycerid

Thông thường các loại dầu thường ở thể lỏng tại điều kiện nhiệt độ thường Thể lỏng là do các acid béo ngắn hoặc dây acid béo dài nhưng mang nhiều nối đôi

Các acid béo trong các triglyceride và các acid béo tự do tồn tại trong dầu thực vật thường có dạng mạch thẳng, có số carbon chẵn, từ C6 đến C24 và thường không chứa nhóm định chức khác trên dây nhưng có thể mang một vài nối đôi C=C, dẫn đến sự khác biệt về bản chất của các loại dầu Chỉ có một số ít trường hợp acid có thêm dây nhánh hoặc chứa nhóm –OH, vòng epoxide, hoặc vòng cyclepentan…

Acid béo có 2 loại: acid béo no và không no

- Acid béo no thường gặp là: acid caproic (C6), acid capilic (C8), acid capric (C10), acid miristic (C14), acid paltimic (C16), acid stearic (C18)

- Acid béo không no thường gặp là: acid oleic, acid linoleic, acid arachidomic, …

Trong dầu thực vật, acid béo C18 thường chiếm nhiều nhất, trừ một vài trường hợp có tỉ lệ acid C12 lớn nhất như: dầu dừa, dầu cọ, …

Chính các acid béo quyết định phần lớn đặc trưng hoá lý của dầu thực vật mạch acid béo càng dài, no thì nhiệt độ nóng chảy của dầu càng cao, áp suất hơi

OCOR 1 OCOR 2

CH 2

CH 2

CH 2

OCOR 3

càng kém, do đó ít có mùi Cùng một chiều dài mạch carbon, acid béo có chứa

nhiều nối đôi thì nhiệt độ nóng chảy càng thấp

Phần lớn các acid béo có mạch dài cấu tạo nên triglyceride của dầu thực vật

Đó chính là nguyên nhân dẫn đến dầu thực vật không tan trong nước, ít tan trong

rượu có mạch ngắn như methanol

Bảng 1.2 Các acid béo có trong thành phần các loại dầu [5]

Bảng 1.3 Thành phần acid béo trong một số loại dầu thực vật [1]

Thành phần acid béo (% khối lượng) Dầu

a:b : Acid béo có a carbon, có b liên kết đôi

Ngoài ra, dầu thực vật còn chứa một lượng nhỏ các tạp chất như:

- Photpholipit: những hợp chất này còn là photphalit, chiếm tỉ lệ thấp hơn

3% như: lexitin, xephalin, …

- Sáp: là ese của acid béo có dây Carbon dài thường từ 24C đến 26C với

một rượu đơn chức hoặc đa chức

- Sterol: một số dầu thực vật chứa 100mg đến 150mg sterol trong 100g dầu

thực vật

- Các chất màu như: carotenoit, clorophil, … chính các chất này tạo sắc tố

màu cho dầu từ vàng đến đỏ

Các chất chống oxy hoá có mục đích bảo vệ dầu như: tocopherol

1.1.1.3 Ứng dụng của dầu thực vật:

Về mặt sinh lý, chất béo là những chất cơ bản không thể thiếu trong quá

trình cấu thành tế bào và đảm bảo cho các hoạt động sinh lý trong cơ thể con người Giá trị dinh dưỡng của chất béo thể hiện ở chỗ nó là loại thực phẩm có năng lượng cao Do đó, trong cơ thể dinh dưỡng chất béo được chuyển hoá và cung cấp năng lượng cho cơ thề hoạt động và bù đắp lại sự giảm thân nhiệt do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài

Trong y học, chất béo có quan hệ trực tiếp đến sự sống của vật chất, đặc biệt là dầu thực vật Nhiều loại acid béo và dẫn xuất của nó có trong dầu thực vật có hoạt tính sinh học cao Một số loại dầu thực vật còn được trực tiếp làm thuốc và biệt dược Trong công nghiệp, dầu thực vật là nguồn nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành như: thực phẩm, công nghiệp sản xuất các chất tẩy rửa, công nghiệp chất dẻo, công nghiệp sợi, da, cao su nhân tạo, dùng trong sơn, verni, keo, mực in, chất tạo nhũ, chất thấm ướt, vật liệu cách điện, phụ gia cho dầu bôi trơn,

…Tóm lại, dầu thực vật không thể thiếu trong đời sống và sản xuất

Hiện nay, một lĩnh vực ứng dụng mới của dầu thực vật đang được nghiên cứu trong việc sử dụng để sản xuất nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel,

dùng làm chất bôi trơn thay cho các loại dầu nhờn có nguồn gốc từ dầu mỏ…

-

1.1.1.4 Giới thiệu về dầu dừa:

¾ Nguồn gốc và phân bố

Dừa là một trong 5 cây có dầu quan trọng nhất thế giới, cung cấp nguyên liệu cho các ngành thực phẩm, công nghiệp chế biến

Cây dừa được phân bố ở các nước nhiệt đới: Châu Á và các đảo Thái Bình

Các nước có diện tích trồng dừa lớn nhất trên thế giới là Indonesia(3.7 triệu ha) Phillippine(3.1 triệu ha), Aán Độ(632 ngàn ha)

Diện tích trồng dừa ở Việt Nam là 250000ha, chủ yếu tập trung ở đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh duyên hải miền Trung , nhiều nhất là ở Bến Tre, Bình Định, Ninh Thuận, Bình Thuận và một số huyện ở Thanh Hoá

Đặc điểm cây dừa ở Việt Nam là năng suất tương đối thấp , trung bình

35-40 trái/cây/năm, trong khi con số này của thế giới là 70-80 trái/cây/năm.Với năng suất trên đây sẽ thu được 1.0-1.2 tấn cơm dừa/ha trong năm ,tức là tương đương 600-700kg dầu dừa/ha.Như vậy , lượng dầu dừa hằng năm ở nước ta là khoảng

200000 tấn

Ở Việt Nam có khá nhiều loại dừa, một số giống dừa thường gặp như là : Dừa

ta, dừa dâu, dừa Tam Quan, dừa Mawa, dừa Philippin

Dầu dừa là một trong các sản phẩm thương mại quan trọng nhất được lấy ra từ cây dừa Việc sản xuất và tiêu thụ dầu dừa hiện nay đang được nâng cao Dầu dừa có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm và chế biến

Bảng 1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ dầu dừa trên thế giới

(tài liệu tham khảo từ “ Oil World, APCC, BUROTROP Coconut 1997)

Một vài số liệu thống kê về tình hình trồng dừa trên thế giới :

-Diện tích canh tác : 11.9 triệu ha

-Sản lượng : 10.0 triệu tấn copra tương đương 6.0 triệu tấn dầu

-Những nước sản xuất chính :

+ India : 1.11 triệu tấn dầu

+ Indonesia : 1.55 triệu tấn dầu

+ Philippines : 1.57 triệu tấn dầu

- 96% sản phẩm được sản xuất theo dạng tiểu chủ ( diện tích canh tác trong

khoảng 0.5-4.0 ha)

-Năng suất trung bình : 850 kg copra/ha/năm

-70% sản lượng dừa sản xuất được tiêu thụ trong nước

-Nước xuất khẩu chính :

Philippines : 1.08 triệu tấn dầu ; 0.08 triệu tấn dừa sấy khô

-Nước nhập khẩu chính:

Europe : 0.7 triệu tấn dầu

USA : 0.6 triệu tấn dầu

Tình hình xuất khẩu dầu dừa trên thế giới vào năm 2003:

-Philippines:900,000 tấn dầu

-Indonesia : 500,000 tấn dầu

Giá dầu dừa trên thế giới trong những năm gần đây liên tục giảm và nhu cầu cũng giảm mạnh 1984 giá 1 tấn dầu dừa lọc , sấy, không tinh luyện là 1156 USD thì năm 1986 còn 827 USD và thời điểm 3/2002 dầu dừa tinh luyện tại cửa khẩu Lạng Sơn là 510 USD/ tấn , còn dừa chưa tinh luyện là 320 USD/ tấn

Ở Việt Nam , dầu dừa chủ yếu sử dụng vào các mục đích sản xuất một số thực phẩm như kẹo dừa , nước cốt dừa , sửa dừa ….Tuy nhiên lượng dầu dừa sử dụng trong lĩnh vực này không nhiều , chỉ vào khoảng 15-20% tổng lượng dầu dừa sản xuất được , lượng dầu dừa còn lại được xuất khẩu chủ yếu xuất khẩu tiểu ngạch qua Trung Quốc Tuy nhiên nguồn xuất khẩu này thường không ổn định về số lượng cũng như chất lượng Công ty Vacarimex hàng năm xuất đươc 15000-20000 tấn qua các nước Malaysia , Hong Kong Nhìn chung , dầu dừa hiện nay rất khó tiêu thụ , trong khi xơ dừa lại là mặt hàng có sức hút mạnh trên thị trường

¾ Tính chất vật lý và hoá học

- Dầu dừa là chất béo, lỏng ở nhiệt độ thường, màu vàng nâu Khi hạ nhiệt độ thì dầu dừa trở nên đông đặc

- Dầu dừa không thể chưng cất được vì chúng bị phân hủy ngay cả dưới áp suất thấp

- Dầu dừa là hỗn hợp phức tạp bao gồm các triglyceride của acid béo nên không nóng chảy ở một nhiệt độ nhất định mà ở một khoảng nhiệt độ rộng

- Dầu dừa không tan trong nước, rượu 95% Tan nhiều trong rượu tuyệt đối, tan rất nhiều trong ete, aren (benzen, toluen, …) Tuy không tan trong nước nhưng có thể tạo nhũ tương hoặc dung dịch keo bền với nước khi có mặt chất hoạt động bề mặt

Bảng 1.5 Một số tính chất của dầu dừa [5]

Sức căng bề mặt (20oC) (dyn/cm)

(80oC) (dyn/cm)

33,4 28,4

Thành phần của dầu dừa là các triglyceride của các acid béo no và không

no, ngoài ra còn có một số mono-, di-glyceride

Bảng 1.6 Hàm lượng các acid béo có trong dầu dừa[1]

Acid có mạch Carbon no

1.1.1.5 Một số tính chất hóa học của dầu thực vật:

¾ Phản ứng xà phòng hóa

Các triglyceride khi phản ứng với kiềm sẽ tạo thành muối xà phòng (muối của các acid béo) và glycerine

¾ Phản ứng thủy phân

Triglyceride bị thủy phân trong nước tạo thành acid béo và glycerine, phản ứng cần có sự hiện diện của xúc tác (base, acid…)

¾ Phản ứng alcol phân

Tương tự phản ứng thủy phân, triglyceride khi tác dụng với alcol với sự có mặt của xúc tác thích hợp sẽ bị phân tách thành glycerine và ester của các acid béo với alcol tham gia

¾ Phản ứng khử

Khi có mặt của xúc tác cromit đồng ở 200 –4000C dưới áp suất 100-200 atm, triglyceride bị khử thành rượu Đây là phản ứng dùng để điều chế rượu béo từ dầu mỡ

RCOOR' + H2 ⎯ ⎯→xt RCH2OH + R'OH

¾ Phản ứng làm ôi dầu

Trong quá trình tồn trữ, bảo quản dầu có thể bị biến đổi màu sắc, mùi vị Hiện tượng này gọi là phản ứng làm ôi dầu Nguyên nhân gây ra do ảnh hưởng của tạp chất trong dầu, nước, vi sinh vật, men, các muối kim loại…

Việc tìm các biện pháp chống sự ôi của dầu hiện nay là một vấn đề quan trọng cần nghiên cứu giải quyết

¾ Phản ứg đồng phân hóa

Phản ứng này xảy ra đối với những loại triglyceride có chứa các acid béo không no Dưới tác dụng của xúc tác, các nối đôi phân bố lại vị trí trên mạch từ những vị trí không liên hợp đến những vị trí liên hợp Phản ứng này làm tăng tính

khô của dầu mỡ

¾ Phản ứng cộng hợp

Trong điều kiện thích hợp , các acid béo không no có trong dầu sẽ thực hiện phản ứng cộng hợp với một số chất khác Một trong những phản ứng quan trọng nhất là phản ứng hydro hóa, phản ứng tiến hành trong điều kiện nhiệt độ 90-2800C , áp suất 6-10 atm , có mặt xúc tác Ni

Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng trong việc chuyển dầu dạng lỏng sang dạng rắn.Trong những điều kiện thích hợp , dầu có acid béo không no có thể cộng hợp với halogen Người ta ứng dụng một số phản ứng cộng hợp của

halogen vào phân tích

¾ Phản ứng oxy hóa

Phản ứng xảy ra tại các nối đôi của acid béo không no Tùy theo bản chất của chất oxy hóa và điều kiện phản ứng mà tạo thành các sản phẩm oxy hóa khác

nhau, như các peroxide, ceton, acid…

¾ Phản ứng trùng hợp

Ở điều kiện thích hợp, các nối đôi có thể tham gia phản ứng trùng hợp Sản phẩm là các hợp chất cao phân tử

1.1.2 XÚC TÁC VÀ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG [10],[5],[8]:

Phản ứng alcol phân triglyceride bao gồm 3 phản ứng thuận nghịch liên tiếp Ban đầu triglyceride được chuyển hóa thành diglyceride, tiếp theo là phản ứng chuyển hóa diglyceride thành monoglyceride và cuối cùng là phản ứng chuyển hóa monoglyceride thành glycerine Hệ 3 phản ứng nối tiếp được mô tả trong các phương trình sau:

1 Triglyceride (TG) + ROH Diglyceride (DG) + ROCOR1

2 Diglyceride (TG) + ROH Monoglyceride (MG) + ROCOR2

3 Monoglyceride(MG) + ROH Glycerine + ROCOR3

Phản ứng alcol phân triglyceride là phản ứng thuận nghịch diễn ra dưới tác dụng của xúc tác (base, acid, enzyme) hoặc điều kiện đặc biệt không xúc tác (dưới tác động của ozon, sóng siêu âm hoặc điều kiện nhiệt độ, áp suất cao) Các loại xúc tác hóa học đã được nghiên cứu rất lâu, các hướng nghiên cứu mới hiện nay là về xúc tác enzyme, xúc tác base không ion hoặc các điều kiện phản ứng không sử dụng xúc tác

1.1.2.1 Xúc tác acid

Acid xúc tác cho phản ứng là các acid Bronsted, như acid sulfuric, photphoric, hydrocloric và acid sulfonic hữu cơ, trong số đó acid sunfuric được sử dụng và nghiên cứu nhiều nhất Xúc tác acid thường cho hiệu suất phản ứng rất cao, tuy

Xúc tác

Xúc tác

Xúc tác

100oC Mặc dù phản ứng diễn ra dưới tác dụng của xúc tác acid chậm, nhưng xúc tác dạng này có thể được sử dụng cho các loại nguyên liệu có hàm lượng acid béo tự do cao và chứa nhiều nước

1.1.2.2.Xúc tác base

Xúc tác base sử dụng cho phản ứng alcol phân bao gồm NaOH, KOH, carbonate kim loại kiềm, các alkoxide như natri methoxide, natri ethoxide…Phản ứng alcol phân dưới tác dụng của xúc tác base có tốc độ lớn hơn khoảng 4000 lần

so với phản ứng với xúc tác acid với cùng lượng xúc tác Nên hiện nay xúc tác base được sử dụng rộng rãi do có tính kinh tế cao hơn

Xúc tác base có ưu điểm là rẻ tiền, phản ứng tiến hành nhanh (thời gian phản ứng thường kéo dài không quá 2 h), hiệu suất sản phẩm tương đối cao, quy trình và thiết bị đơn giản Phản ứng alcol phân bằng xúc tác base bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như sau:

♦ Ảnh hưởng của hàm lượng nước và hàm lượng acid béo tự do:

- Khi tiến hành phản ứng, triglyceride và alcohol phải hoàn toàn không có nước vì nước gây ra phản ứng xà phòng hóa, tạo ra muối xà phòng, làm giảm hiệu suất phản ứng do làm tiêu hao xúc tác; làm tăng độ nhớt, tạo thành gel; và gây khó khăn trong việc tách glycerine

- Nguyên liệu sử dụng trong quy trình tổng hợp bằng xúc tác base thường yêu cầu có hàm lượng acid béo tự do dưới 0,5%, hàm lượng nước thấp Khi tiến hành phản ứng phải đảm bảo xúc tác (natri hydroxide, natri

methoxide…) không bị hút ẩm, hay phản ứng với carbon dioxide trong không khí, làm giảm hiệu quả của xúc tác

- Do những yêu cầu trên về nguyên liệu nên xúc tác base không thể hiện họat tính xúc tác tốt đối với những nguyên liệu có phẩm chất kém (chứa nhiều nước, hàm lượng acid béo tự do cao) như dầu thải, mỡ động vật…

♦ Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa alcohol và triglyceride: Theo lý thuyết phản ứng thì tỉ lệ mol vừa đủ của alcohol và triglyceride là 3:1 Tuy nhiên để đạt được hiệu suất cao thì cần phải sử dụng khá dư alcohol so với triglyceride Theo các nghiên cứu hiện nay, tỉ lệ mol alcohol : triglyceride tốt nhất là 6:1

Do phải sử dụng một lượng dư methanol trong phản ứng nên chi phí nguyên liệu tăng lên, cần có thêm công đoạn bốc hơi hoàn lưu methanol ở các pha sản phẩm sau phản ứng

♦ Ảnh hưởng của loại xúc tác: Xúc tác base tốt nhất cho phản ứng là natri methoxide Natri hydroxide và kali hydroxide có hoạt tính yếu hơn do có tạo thành một lượng nhỏ nước khi hòa tan chúng vào mathanol Natri hydroxide và kali hydroxide vẫn được sử dụng rộng rãi do chi phí thấp

♦ Quy trình phản ứng sử dụng xúc tác base không thu hồi được xúc tác và tạo ra một lượng nước thải rất lớn (sử dụng nhiều nước để rửa sản phẩm), nên phương pháp sử dụng xúc tác base bị đánh giá là không thân thiện với môi trường

♦ Hiện nay, quy trình tổng hợp methyl ester bằng xúc tác base là quy trình gián đoạn nên năng suất chưa cao

1.1.2.3 Xúc tác base không ion

Để cải thiện đặc tính xúc tác của xúc tác hóa học, các xúc tác base không ion, đã được nghiên cứu phát triển như một hướng đi riêng đối với xúc tác phản ứng alcol phân Mục đích chính là nhằm tiến hành phản ứng trong điều kiện đơn giản hơn Các xúc tác đã và đang được nghiên cứu là nhóm các aminde hữu cơ như triethylamine, piperidine, pyridine…; amidine như 1,8-diazabicyclo[5.4.0] undec-7-ene(DBU)…; guanidine như 1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene(TBD), 1,2,3 triphenylguanidine (PBG)…; triamino(imino)phosphorane như tert-butylimino-2-diethylamino-1,3-dimethyl-perhydro-1,3,2-diazaphosphorane(BEMP)…

Mặc dù cũng đã có những kết quả khả quan về khả năng xúc tác của các base-không ion nhưng điều kiện phản ứng còn phức tạp, tách sản phẩm tương đối khó, nên xúc tác base- không ion đang trong giai đoạn nghiên cứu chi tiết để có thể ứng dụng được

1.1.2.4 Phản ứng alcol phân không xúc tác

Tiến hành phản ứng alcol phân không sử dụng xúc tác là một hướng nghiên cứu mới để đạt được hiệu suất cao hơn và sản phẩm sạch hơn Những xu hướng nghiên cứu hiện nay

- Sử dụng siêu mathanol ở áp suất và nhiệt độ cao Phản ứng được thực hiện

ở khoảng 350oC, áp suất 45 MPa với một lượng rất dư methanol Những kết quả thu được rất tốt như hiệu suất sản phẩm cao, sản phẩm sạch do không dùng xúc tác… tuy nhiên do sử dụng công nghệ và thiết bị rất phức tạp và đắt tiền nên mới chỉ thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm

- Sử dụng ozôn hoặc sóng cao tần Hai phương pháp này đang được tiến hành nghiên cứu

1.1.2.5 Xúc tác enzyme [3], [6], [11],[13],[15],[17]:

Sử dụng xúc tác enzyme trong phản ứng tổng hợp methanol là một hướng mới trong nghiên cứu và được đánh giá là có nhiều triển vọng Chi tiết về xúc tác enzyme được trình bày như sau

Enzyme, hay còn gọi là men, là chất xúc tác sinh học có bản chất protein Enzyme có trong tế bào của mọi cơ thể sinh vật Enzyme không những làm nhiệm vụ xúc tác đặc hiệu cho những phản ứng hóa học nhất định trong tế bào của cơ thể sinh vật mà còn xúc tác phản ứng ngoài tế bào

Về mặt sinh học, phần lớn enzyme là những protein, enzyme đảm bảo cho sự trao đổi thường xuyên giữa cơ thể sống và môi trường bên ngoài, nghĩa là đảm bảo điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại của cơ thể sống Nói cách khác, hoạt động của enzyme gắn liền với hoạt động sống và là biểu hiện đầu tiên của hoạt động sống

Enzyme là những phân tử hữu cơ có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000 dvc, enzyme không đi qua được màng bán thấm Enzyme có thể hòa tan trong nước, trong dung dịch muối loãng, trong các dung môi hữu cơ có cực, không hòa tan trong các dung môi hữu cơ không cực Do bản chất của enzyme là protein nên enzyme không bền dưới tác động của nhiệt độ, khi ở điều kiện nhiệt độ cao, enzyme bị biến tính và mất khả năng xúc tác, mức độ giảm hoạt tính của enzyme phụ thuộc vào mức độ biến tính của protein enzyme Enzyme bị mất khả năng hoạt động dưới tác dụng của acid, kiềm mạnh hoặc muối kim loại nặng Enzyme có tính lưỡng tính, nghĩa là tùy theo điều kiện điện ly của môi trường mà enzyme có thể tồn tại ở dạng anion, cation hoặc dạng trung hòa điện Điều

Enzyem là protein nên ở những điều kiện nhất định, dưới tác dụng của các proteinaza, acid hoặc kiềm, enzyme có thể bị thủy phân Sản phẩm thủy phân có thể bao gồm các acid amin hoặc các hợp chất khác tùy thuộc vào thành phần cấu tạo của enzyme

¾ Enzyme đơn cấu tử

Nếu sản phẩm thủy phân hoàn toàn chỉ gồm các acid amin thì phân tử enzyme này là những phân tử protein thuần

¾ Enzyme đa cầu tử

Nếu sản phẩm thủy phân gồm acid amin và cả những hợp chất khác thì enzyme này thuộc loại protein tạp Chúng được cấu tạo bởi hai phần : phần protein thuần là apoprotein hay apoenzyme và phần còn lại không phải là protid Phần không phải là protid thường là những chất hữu cơ đặc hiệu có nhiệm vụ cộng tác với enzyme trong quá trình xúc tác (đối với loại enzyme này, nếu thiếu phần chất hữu cơ đặc hiệu thì enzyme không có họat tính xúc tác) Phần chất hữu

cơ đặc hiệu này liên kết với phần protid thì gọi là nhóm phụ prostectic, nếu có thể tách dễ dàng ra khỏi phần protid thì được gọi là coenzyme Trong thành phần của một số lọai enzyme có chứa các cation kim loại Các kim loại này đóng vai trò quan trọng trong họat động xúc tác của enzyme, nếu mất cation kim loại thì enzyme không còn hoạt tính xúc tác

Trung tâm hoạt động của enzyme

Trung tâm hoạt động là một bộ phận nhỏ của enzyme, nó kết hợp với cộng tố (nếu có) và với cơ chất Nó gồm những nhóm hóa học trực tiếp tham gia tạo thành hoặc cắt đứt các liên kết của cơ chất, được gọi là nhóm xúc tác Trung tâm

họat động được tạo thành từ một số acid amin, thường là serin, histidin, trytophan, cystein, lysin, arginin, glutamat…

Những acid amin của trung tâm hoạt động ở những vị trí khác nhau trong chuỗi polypeptit và thường ở những vị trí xa nhau Trong phản ứng enzyme, cơ chất kết hợp với enzyme một cách đặc hiệu nhờ có sự ăn khớp về mặt cấu trúc giữa cơ chất và trung tâm hoạt động của enzyme Có hai lý thuyết về sự ăn khớp này : Mô hình “chìa khóa – ổ khóa“ của Fischer (một cách tương đối xem cơ chất như chìa khóa và trung tâm họat động của enzyme như ổ khóa, cấu trúc không gian của cơ chất và trung tâm hoạt động có sự phù hợp trước khi có sự kết hợp) và mô hình “cảm ứng” của Koshland (giữa cơ chất và trung tâm hoạt động của enzyme không có sự tương xứng về mặt cấu trúc trước, chỉ khi có sự tiếp xúc thì trung tâm hoạt động mới cảm ứng và thay đổi cấu trúc phù hợp Ngày nay người

ta thừa nhận mô hình của Koshland

Tất cả các enzyme đều có trung tâm hoạt động, số lượng trung tâm hoạt động

ở mỗi enzyme có thể là 1, 2 hoặc nhiều hơn

Enzyme được sử dụng làm chất xúc tác trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, y học, dược học, mỹ phẩm, nghiên cứu khoa học…Những đặc tính nổi bật của enzyme:

- Tính lựa chọn cao

Mỗi loại enzyme chỉ xúc tác cho một loại phản ứng nhất định Ngòai ra, enzyme còn có tính lựa chọn đối với cơ chất, vị trí….Điều này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình tiến hành phản ứng, hạn chế sự xuất hiện của sản phẩm phụ do các phản ứng không mong muốn

- Hiệu suất cao

Các phản ứng do enzyme xúc tác luôn có hiệu suất rất cao, thường xấp xỉ 100%

- An toàn cho môi trường

Do enzyme có tính đặc hiệu cao nên hạn chế các sản phẩm phụ, tạo ra sản phẩm có độ tinh kiết cao, ít chất thải Ngòai ra, do enzyme là các chế phẩm sinh học nên có khả năng tự phân hủy nên không gây nguy hiểm cho môi trường

Giới thiệu chung về enzyme lipase[11], [15], [18]:

Lipase là loại enzyme được sử dụng rất nhiều trong công nghệ sinh học hiện đại Lipase, triacylglycerol acylhydrolase (EC 3.1.1.3), thuộc loại enzyme Lipolytic (loại này gồm 2 nhóm enzyme chính: Lipase (EC 3.1.1.3), phospholipase A1 (3.1.1.32), A2 (3.1.1.4) (A1, A2 là các enzyme phosphoglyceride acyl hydrolase) và hai nhóm phụ phospholipase C(3.1.4.3), D(3.1.4.4) (C, D : không phải enzyme thủy phân acyl) Ezyme lipase trong cơ thể các sinh vật nhằm mục đích sinh chuyển hóa lipid Nhờ những đặc điểm sinh học đặc biệt, enzyme lipase có một tiềm năng to lớn trong các ngành thực phẩm, dược và hóa học…

Enzyme lipase là loại enzyme xúc tác cho cả hai phản ứng ester hóa và thủy phân ester Đặc điểm này để phân biệt giữa enzyme lipase và enzyme esterases, là loại enzyme chỉ xúc tác cho phản ứng ester hóa Hoạt động xúc tác của lipase được thực hiện trên bề mặt phân chia pha giữa pha nước ( aqueous) và và không nước (non-aqueous) Khái niệm về hoạt động của lipase tại bề mặt phân chia pha bắt nguồn từ hiện tượng xúc tác của enzyme phụ thuộc vào trạng thái của cơ chất Hoạt động xúc tác của enzyme liên quan đến sự biến đổi của trung tâm hoạt động, quá trình thay đổi này yêu cầu có sự hiện diện của giọt dầu trong nước

Lipase xúc tác rất nhiều loại phản ứng khác nhau bao gồm phản ứng thủy phân, phản ứng chuyển ester, ngoài ra, lipase cũng xúc tác cho các phản ứng alcol phân, phản ứng acid phân, phản ứng ester hóa và phản ứng amino phân Enzyme lipase hoạt động trong điều kiện rất nhẹ nhàng, nó có thể xúc tác phản ứng trong nhiều loại dung môi hữu cơ khác nhau và thể hiện sự lựa chọn cho từng loại phản ứng riêng biệt

Mặc dù lipase đã được nghiên cứu rất lâu và đã được sản xuất ở mức độ công nghiệp bằng cách nuôi cấy vi sinh vật, việc sử dụng lipase đầu tiên cũng chỉ giới hạn chủ yếu trong việc sản xuất các sản phẩm hoạt động bề mặt và công nghiệp thực phẩm từ sữa Thật sự, một phần tư thập kỉ cuối của thế kỉ 20 đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của việc sử dụng lipase trong những chân trời mới của công nghệ sinh học với những lĩnh vực đã được thiết lập như dược phẩm, chất diệt côn trùng… và gần dây hơn là trong công nghệ sản xuất protein đơn bào, mỹ phẩm, xử lý chất thải và sử dụng làm dầu dò sinh học Lý do chính cho sự phát triển mạnh mẽ của khả năng ứng dụng liapse trong công nghiệp, được minh họa bởi sự xuất hiện khoảng 1000 công trình nghiên cứu mới mỗi năm, chính là sự đa dụng của chúng

Mặc dù enzyem lipase có mặt trong trong toàn bộ hệ động thực vật của trái đất, nhưng lipase được tìm thấy nhiều nhất trong các loài vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc và nấm men Ngoài ra lipase cũng được tìm thấy trong tụy của các động vật hữu nhũ như heo, người…, trong các lòai thực vật bậc cao như cây cải dầu (Brassica napus), cây thầu dầu (Ricinus communis)… Trong phạm vi công nghệ sinh học, ezyme liapse được sử dụng chủ yếu có nguồn gốc vi sinh vật

Ba dòng vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất là Candida sp., Pseudomanas sp.,

Rhizopus sp., trong đó chủng Candida rugosa được sử dụng nhiều nhất trong quá trình sản xuất enzyme lipase

Ứng dụng của lipase trong công nghiệp:

Enzyme lypase là sự thay thế rất tốt cho công nghệ hữu cơ truyền thống trong việc chuyển hóa các hợp chất phức tạp Nó có thể xúc tác cho những phản ứng mà xúc tác hóa học không thể thực hiện được Ngoài ra nó hạn chế các sản phẩm phụ do các phản ứng không mong muốn gây ra Quy trình sử dụng xúc tác lipase thực sự có tính cạnh tranh về mặt kinh tế so với các quy trình truyền thống khác

do tiết kiệm năng lượng và tạo ra sản phẩm có độ tinh kiết cao hơn

¾ Trong công nghệ thực phẩm

Lipase đã trở thành một thành phần không thề thiếu trong công nghiệp thực phẩm Việc sử dụng enzyme trong những năm gần đây đã cải thiện rất nhiều các công nghệ hóa học truyền thống trong sản xuất thực phẩm Ngày nay, các enzyme công nghiệp, đặc biệt là lipase, được sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất nhiều lọai sản phẩm từ nước trái cây, bánh… cho đến việc làm tăng mùi cho bơ, pho mát và các lọai thực phẩm khác Ngoài ra lipase được sử dụng để thực hiện phản ứng chuyển ester chất béo và dầu để thu được sản phẩm theo yêu cầu, đây là phản ứng mà công nghệ hóa học truyền thống không thực hiện được

¾ Trong công nghiệp dược

Do tính đặc hiệu vị trí với nhiều loại cơ chất khác nhau trong nhiều dung môi hữu cơ khác nhau, lipase trở thành một loại xúc tác sinh học quan trọng trong công nghiệp sản xuất các lọai dược phẩm Rất nhiều loại dược phẩm sử dụng hiện nay là các chất quang hoạt có chứa carbon bất đối Các tổng hợp hóa học truyền thống tạo ra các hỗn hợp ceramic có chứa đồng thời cả hai đồng phân đối quang

với hàm lượng bằng nhau, tuy nhiên chỉ một trong hai đồng phân quang học là có đặc tính dược học, đồng phân còn lại có thể gây ra những phản ứng phụ không mong muốn Sử dụng enzyme lipase có một hiệu quả rất lớn do khả năng phản ứng mà không làm thay đổi phân bố các nhóm thế của carbon bất đối, từ đó có thể tổng hợp được các chất quang họat chỉ chứa một lọai đồng phân quang học, nghĩa là có thể tạo ra dược phẩm tinh kiết, loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng không tốt của đồng phân còn lại

¾ Biosensor[4]

Trong công nghiệp dầu mỡ và chất béo, công nghiệp thực phẩm và trong chẩn đóan bệnh, việc xác định hàm lượng tryacylglycerol là rất quan trọng Phương pháp hóa học dùng để phân tích có chi phí cao và tốn nhiều thời gian Danilov và Egorov đã phát triển một phương pháp xác định mới sử dụng enzyme lipase [4] Trong phương pháp này, lipase sẽ phân ly glycerine ra khỏi triacylglycerine, sau đó lượng glycerine sẽ được phân tích bằng phương pháp hóa học Phương pháp này tỏ ra hiệu quả, nhanh chóng và chính xác hơn rất rất nhiều so với phương pháp hóa học

¾ Công nghiệp sản xuất thuốc trừ vật hại (pesticide)

Nhiều loại thuốc diệt vật hại hiện nay ( thuốc diệt côn trùng, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm…) được tổng hợp bằng công nghệ mới sử dụng enzyme lipase, với đặc điểm nổi bật là giảm chi phí và không gây hại cho môi trường Ứng dụng quan trọng của enzyme lipase trong công nghệ là giai đoạn tổng hợp các chất quang học (có chứa carbon bất đối) mà rất khó có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học

¾ Công nghiệp sản xuất các chất tẩy rửa

Ngòai các chất tẩy rửa hóa học, các chất tẩy rửa sinh học đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ Enzyme như lipase, protease, amylase và cellulase đã được cho vào các chất tẩy rửa để xúc tác cho quá trình bẻ gẫy các liên kết hóa học các chất bẩn Lipase sẽ thủy phân chất béo, protease thủy phân protein, amylase thủy phân tinh bột, cellulase thủy phân các sợi cotton Ngoài ra còn có sự tham gia của các enzyme như peroxidase, oxidase Hiện nay các chất tẩy rửa sinh học đã được sử dụng rộng rãi trong gia dụng, công nghiệp tẩy rửa, trong công nghiệp da

¾ Công nghiệp da

Công nghiệp thuộc da có một lọat các quy trình liên quan đến việc loại bỏ các chất béo, tẩy lông …Trước đây công việc này được thực hiện bằng các xúc tác hóa học, tạo ra rất nhiều nước thải cũng như chất thải rắn, đồng thời hiệu quả cũng không cao Hiện nay công nghệ mới trong lĩnh vực thuộc da có sử dụng enzyme đã được áp dụng Quy trình enzyme sử dụng enzyme lipase và một số enzyme thủy phân khác như protease Quy trình enzyme không sử dụng thêm các chất hóa học phụ trợ, hạn chế chất thải đồng thời làm tăng chất lượng của da thuộc

¾ Quản lý bảo vệ môi trường

Phân hủy sinh học bằng công nghệ enzyme lipase là một hướng đi mới trong các biện pháp sử lý chất thải Các chất thải, nước thải chứa dầu trong các nhà máy dầu mỡ, nhà hàng được xử lý dễ dàng khi sử dụng enzyme lipase

¾ Công nghiệp mỹ phẩm và nước hoa

Khả năng ứng dụng của lipase trong công nghiệp mỹ phẩm và nước hoa chủ yếu dựa trên khả năng ứng dụng của nó để sản xuất các chất hoạt động bề mặt, chất tạo nhũ và chất giữ mùi Monoacylglycerine, diacylglycerine là sản phẩm thủy phân của triacylglycerine bằng lipase được sử dụng làm chất hoạt động bề mặt trong các chất mỹ phẩm Phản ứng chuyển ester của 3,7-dimethyl-4,7-

octadien-1-ol với lipase để tổng hợp oxide hoa hồng, là thành phần quan trọng trong ngành công nghiệp nước hoa

Những nghiên cứu mới về ứng dụng của enzyme lipase đang được tiếp tục, như công nghệ sản xuất protein đơn bào, sản xuất dầu ăn không calori, sử dụng trong tổng hợp các chất trong dược phẩm, thực phẩm, biodiesel…

Cấu trúc của enzyme lipase

Nhóm lipase được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp là các lipase có nguồn gốc vi sinh vật Đây là những enzyme thuần protein không có coenzyme (khác với các pancreatic lipase có coenzyme) Trung tâm hoạt động của lipase tạo thành bởi nhóm các acid amin : His-Ser-Asp-Glu, được che dưới một “lid”, là một cấu trúc trên bề mặt của enzyme Trong phản ứng cấu trúc này sẽ biến đổi để mở ra đường cho cơ chất đi vào phần hoạt động của enzyme

Tính lựa chọn đặc hiệu của enzyme lipase

Enzyme lipase có tính lựa chọn đặc hiệu như sau :

¾ Lựa chọn đặc hiệu vị trí :

Mặc dù enzyme lipase là enzyme thủy phân triacylglycerine, tuy nhiên điều đó không có nghĩa là lipase sẽ thủy phân tất cả các nhóm ester có mặt Enzyme lipase được chia làm hai nhóm :

ƒ Nhóm không lựa chọn : enzyme nhóm này thủy phân tất cả liên kết ester của triacylglycerine, như lipase từ Staphylococcus, Penicillium cyclopium, Cadida cylindracea…

ƒ Nhóm lựa chọn đặc hiệu vị trí 1,3: Enzyme thuộc nhóm này thủy phân liên kết ester tại vị trí số 1 và vị trí số 3 nhanh hơn rất nhiều so với thủy phân liên kết ester vị trí số 2 của triacylglycerine Enzyme thuộc nhóm này như : Rhizopus cryzae, Rhizopus delemar…

¾ Lựa chọn đặc hiệu cơ chất

Enzyme lipase có tính lựa chọn đối với từng loại cơ chất riêng Việc phân loại này chủ yếu dựa trên khả năng xúc tác thủy phân của enzyme đối với từng loại liên kết ester của các acid béo khác nhau Mỗi loại enzyme chỉ hoạt động tốt đối với những nhóm acid béo nhất định Ví dụ : Lipase từ chủng nấm mốc Geotrichum cadidum xúc tác rất tốt cho các liên kết ester của gốc acid béo không no có chứa liên kết đôi dạng cis ở vị trí carbon số 9, hoặc cis-cis 9,12 , trong khi các đồng phân trans hoặc đồng phân vị trí lại xảy ra rất chậm

Do enzyme có tính lựa chọn đặc hiệu riêng như vậy nên không có một lọai enzyme nào có khả năng xúc tác cho tất cả mọi loại cơ chất Đối với mỗi lọai cơ chất xác định, cần tiến hành xác định loại enzyme xúc tác thích hợp nhất thông qua thực nghiệm

Cơ chế xúc tác enzyme

Enzyme lipase hoạt động tại bề mặt phân chia pha của hệ nhũ tương dầu nước Hoạt độ của enzyme độc lập với nồng độ của cơ chất, tuy nhiên phụ thuộc vào rất nhiều nồng độ của những hạt cơ chất rất nhỏ phân bố trong nước Đây chính là điểm khác biệt giữa enzyme lipase và enzyme xúc tác tổng hợp ester esterase, enzyme esterase chỉ xúc tác cho những cơ chất tan lẫn trong nước và phụ thuộc vào nồng độ cơ chất, hay tuân theo phương trình Michaelis-Menten