一种基于淀粉基Pickering乳液体系实现煎炸废油资源化利用的方法

技术领域

本发明涉及到一种基于淀粉基Pickering乳液体系实现煎炸废油资源化利用的方法，属于食品废弃资源高值化利用领域。

背景技术

油脂是一类典型的可再生性生物质资源，且价格低廉、来源丰富。随着工业化和精细化水平的提高，世界范围内有很多油脂资源由于其低值性没有得到有效的开发，同时还有大量的废油脂由于没有合理的重复利用渠道而被直接进行废弃处理。我国每年产生的餐饮废油约有400～800万吨，其中煎炸废油约有150万吨，由此造成的资源浪费、增加的环境负担，也变相提高了其他工业行业的成本。因此，通过有效途径对煎炸废油回收再利用，符合现代社会对环保和可持续发展的需求。

餐饮煎炸废油中含有大量可回收再利用的有机物，而且廉价易得，经过加工精制后可变废为宝，在制备日化产品、化工原料、表面活性剂、生物柴油等领域表现出良好的应用前景。烃类燃料(如汽油等)作为石油能源的代表性能源，具有闪点低、抗稳定性高、粘度小、点火性能好等特点，广泛应用于航空、军事、运输机械等领域。然而，化石能源的过度开发与使用已经造成了世界能源危机，也导致了严重的环境问题。因此，如何将煎炸废油转化为绿色烃类燃料，在降低燃料生产成本的同时保证资源的回收利用一直是研究的焦点。

国内外在煎炸废油资源化利用方面的研究，常采用加氢催化制备可再生烷烃的方式，但该生产过程往往条件苛刻，副反应较多，后续产物分离困难。相比之下，利用酶法经水解、氧化、脱羧等步骤分步实现废油到烃类燃料的转化是更加绿色、可持续的方法，该方法操作简单，条件温和、产物易于分离；但采用分步催化生产在操作过程中中间产物损失较大，产率较低。酶与反应底物的不混溶性导致双相体系有限的反应接触面积以及有机溶剂对酶活性的损伤也会造成催化反应速率下降、酶活稳定性差，从而增加反应成本。目前已有许多研究利用Pickering乳液作为微反应体系进行废油处理，通常的方法是将油脂中的脂肪酸转化为相应的脂肪酸甲酯或乙酯；然而此种形式的生物燃料，其真实的能量与使用效率均不能代替以烷(烯)烃为主的传统石油燃料。此外，这些反应体系中大多采用无机粒子如二氧化硅等作为颗粒乳化剂，具有加工复杂、不可再生、生物相容性差等缺陷。

发明内容

针对上述至少一个问题，本发明提供了一种基于淀粉基Pickering乳液体系实现煎炸废油资源化利用的方法，通过构建脂肪酶偶联光脱羧酶的双酶级联Pickering乳液催化反应体系，可以有效减少反应步骤以及中间产物在分离过程的损失，实现烃类燃料的一锅级联生产。此外，采用淀粉基Pickering乳液作为生物酶反应体系，提供了极大的反应界面面积，且有效避免了有机溶剂和极性底物导致的酶变性及失活；同时以界面活性淀粉颗粒作为颗粒乳化剂稳定乳液体系，更加绿色安全，便于回收利用。

本发明的第一个目的是提供一种基于淀粉基Pickering乳液体系实现煎炸废油资源化利用的方法，所述方法是通过构建脂肪酶和脱羧酶的双酶级联淀粉基Pickering乳液催化反应体系，并将其用于以煎炸废油为原料的催化反应中。其中以脂肪酶、光脱羧酶分散于Tris-HCl缓冲液中作为水相体系，以反应底物煎炸废油作为油相体系，添加界面活性淀粉颗粒后经机械乳化制成Pickering乳液反应体系，通过双酶级联催化水解、脱羧反应，实现烃类生物燃料的一锅法生产。

在本发明的一种实施方式中，所述方法包括：

(1)界面活性淀粉颗粒的制备：在含有0.5％～1％(w/v，占乙醇溶液总体积)甲氧基硅烷的无水乙醇中加入1％～5％(w/v，占乙醇溶液总体积)纳米淀粉，用醋酸调节其pH为4，搅拌、离心取下层沉淀，热风干燥后于氮气氛围下干燥，制得具备界面活性的淀粉颗粒；

(2)水相体系的配制：将脂肪酶、光脱羧酶与pH＝7～9的Tris-HCl缓冲溶液混合均匀作为水相体系，其中脂肪酶的添加量为10～30U/g煎炸废油，光脱羧酶的添加量为30～50U/g煎炸废油；

(3)淀粉基Pickering乳液催化体系的构建：以反应底物煎炸废油作为油相体系，在油-水两相体积为1:1～1:5，界面活性淀粉颗粒添加量为0.5％～4％(w/v，占油水两相总体积比)的条件下，混合后经高速剪切机于8000～12000r/min剪切2～4min制得淀粉基Pickering乳液催化体系；

(4)烃类燃料的制备：将步骤(3)制备所得的淀粉基Pickering乳液催化反应体系置于30～37℃旋转培养器或摇床上，转速设置为100～200r/min，外加蓝光照射反应15～18h；

(5)分离纯化：反应结束后，振荡、静置分离上层有机相，经多次萃取和硅胶柱层析分离，通过真空旋转蒸发仪去除溶剂得到制备的烃类燃料。

在本发明的一种实施方式中，所述(1)中，是室温下搅拌2h后离心取下层沉淀，45℃下热风干燥后于氮气氛围下以120℃干燥2h。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述甲氧基硅烷可包括十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷中的至少一种。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述纳米淀粉指以天然淀粉为原料，粒径小于300nm的有机材料。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述纳米淀粉的制备方法包括以下步骤：将淀粉原料用磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液(pH＝4.8～5.2)配成浓度为10％(w/w，淀粉干基占水相总质量)淀粉乳，将其在沸水浴中加热糊化，冷却后加入普鲁兰酶在58℃下酶解8h，酶解结束后进行加热灭酶、离心，取上清液进行重结晶，经洗涤和干燥得到纳米淀粉。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中纳米淀粉的制备方法中所述的淀粉种类可包括玉米淀粉、大米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、藜麦淀粉和小麦淀粉中的任意一种；普鲁兰酶是以10～20U/g干淀粉的酶活添加；重结晶温度和时间分别为4℃和6～10h。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述煎炸废油的油脂成分主要为游离脂肪酸和甘油酯，游离脂肪酸含量约占总质量的40％。

在本发明的一种实施方式中，所述(5)中分离纯化具体是：反应结束后，经漩涡振荡静置30min分离上层有机相，经多次萃取和硅胶柱层析分离，通过真空旋转蒸发仪去除溶剂得到制备的烃类燃料。

在本发明的一种实施方式中，步骤(5)中所述萃取为采用2倍体积乙酸乙酯萃取反应混合物；所述硅胶柱层析采用含10％～50％乙酸乙酯的正庚烷溶液进行梯度洗脱；所述旋转蒸发的真空度设置为0.2MPa、温度为40℃。

在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括步骤(6)：回收再利用；具体是回收Pickering乳化剂和/或回收催化剂，并继续用于步骤(3)～(5)。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(6)具体是：一次反应结束后，将上一批反应的下相于恒温振荡器中50℃振荡1h以蒸发掉残余在下相的微量有机溶剂，然后再加入反应底物煎炸废油重新乳化，经高速剪切后之后开始下一次循环。

在本发明的一种实施方式中，步骤(6)还可以是：分离上层油相后将剩余物料加热水充分溶解，过滤得到滤饼后水洗3～5次后烘干，可作为Pickering乳化剂重复使用；水溶液蒸发结晶回收得到催化剂可重复使用。

本发明的第二个目的是提供一种食品废弃油脂资源高值化利用的方法，扩增油脂的应用领域，实现资源的有效循环。

本发明的第三个目的是提供上述方法制备得到的烃类生物燃料以及其在食品工业、军事等领域的应用。

本发明的有益效果：

(1)本发明将纳米淀粉作为Pickering乳液稳定剂制备的基材，原料环保、易得；通过硅烷偶联对淀粉进行表面化学改性，条件温和，操作简便。

(2)本发明通过构建脂肪酶和脱羧酶的双酶级联Pickering乳液催化反应体系，通过水解、脱羧反应，实现了以煎炸废油为原料的烃类燃料的一锅法生产，具有操作步骤少、副产物少、中间产物损失少等优势。

(3)本发明利用Pickering乳液作为烃类燃料合成体系，提供了较大的催化反应界面，相对于传统两相反应体系，生产效率由54.3％提高至98.5％，实现了烃类燃料的高效合成。

(4)本发明制备的包封脂肪酶和光脱羧酶的Pickering乳液，乳液中的水相介质能为酶分子提供一个天然的环境，有效地解决水溶性酶制剂和有机反应底物两者之间互不相容的问题，同时可实现催化剂、Pickering乳化剂的回收利用，经济性好。

(5)本发明将煎炸废油资源化利用生产烃类燃料，完成了废弃油脂的再利用，实现了资源的有效循环，为发展安全高效、低碳环保的农业废弃资源高值化利用技术提供依据；制备的烃类燃料可广泛应用于航空航天、军事、食品工业等领域。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用限制于本发明。

1、反应产率

用气相色谱仪测定烃类物质的含量。反应结束后经漩涡振荡后静置30min，取1mL上层有机相经有机微孔滤膜过滤后置于2mL的色谱进样瓶中，使用气相色谱仪进行检测。气相色谱条件为：安捷伦KB-FFAP(0.25mm×0.25μm×30m)；进样口温度：250℃；FID检测器温度：280℃；载气为高纯氮气；恒压模式，压力20psi；进样量1μL；分流比10:1；升温程序：初始温度110℃，保持3min，以25℃/min的速率升到190℃，保持2min；再以25℃/min的速率升到230℃，保持2min；最后以30℃/min的速率升到250℃，保持12min。采用正辛醇作为内标进行定量分析。反应收率根据以下公式计算：

反应产率(％)＝(W

式中：W

2、循环稳定性测试

一次反应结束后，将上一批反应的下相于恒温振荡器中50℃振荡1h以蒸发掉残余在下相的微量有机溶剂，然后再加入反应底物煎炸废油重新乳化，经高速剪切后之后开始下一次循环。测定每一循环中反应产率以表征体系的循环稳定性。

3、试剂

以下实验所使用的普鲁兰酶购于诺维信(中国)生物技术有限公司，酶活为3000U/mL；脂肪酶(来源于褶皱假丝酵母)购于美国Sigma有限公司，酶活为10000U/g；光脱羧酶为根据文献(SOROGUE D.,HADJIDEMETRIOU K.,BLANGY S.,et al.Mechanism and dynamicsof fatty acidphotodecarboxylase[J].Science,2017,372(6538):5687.)使用小球藻Chlorella variabilis NC64A菌株发酵所得，酶活为3000U/g。

实施例1：

(1)界面活性淀粉颗粒的制备：将玉米淀粉分散于pH 5.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中，在沸水浴中加热糊化，其中玉米淀粉在缓冲溶液中的浓度为10.0％(w/w，淀粉干基占水相总质量)；之后冷却至58℃，添加30U/g干淀粉的普鲁兰酶，在58℃下酶解8h，之后在沸水浴中加热灭酶，离心取上清液；然后将上清液在4℃重结晶8h，将得到的沉淀物洗涤至中性、干燥得到纳米淀粉；将5％(w/w，占乙醇溶液总质量)纳米淀粉分散于无水乙醇中，添加1％(w/w，占乙醇溶液总质量)的十六烷基三甲氧基硅烷，用醋酸调节其pH为4，室温下搅拌2h后于5000r/min离心15min取下层沉淀，45℃下热风干燥除去乙醇，然后于氮气氛围下以120℃干燥2h制得具备界面活性的淀粉颗粒；

(2)水相体系的配制：添加30U/g煎炸废油脂肪酶、50U/g煎炸废油光脱羧酶与pH＝8的Tris-HCl缓冲溶液混合均匀作为水相体系；

(3)淀粉基Pickering乳液催化体系的构建：以反应底物煎炸废油作为油相体系，在油-水两相体积为1:5，添加界面活性淀粉颗粒质量为1％(w/v，占油水两相总体积比)，混合后经12000r/min高速剪切2min制得淀粉基Pickering乳液催化体系；

(4)烃类燃料的制备：将步骤(3)制备所得的Pickering乳液反应体系置于恒温摇床上，保持温度为30℃，转速为200r/min，外加蓝光照射反应18h；

(5)分离纯化：反应结束后，经高速离心静置30min分离上层有机相，采用乙酸乙酯萃取反应混合物，收集上液层产物进一步通过硅胶层析进行分离提纯，使用含10％～50％乙酸乙酯的正庚烷溶液进行梯度洗脱；最后在0.2MPa真空度、40℃下旋转蒸发去除溶剂得到制备的烃类燃料。

经气相色谱测定，产物主要为C

实施例2：

(1)界面活性淀粉颗粒的制备：将十六烷基三甲氧基硅烷添加量由1％调整为0.8％(w/w，占乙醇溶液总质量)，其他操作条件与实施例1相同；

(2)～(5)与实施例1相同。

经气相色谱测定，该反应体系产率可达到98.6％。

实施例3：

(1)界面活性淀粉颗粒的制备：与实施例1相同；

(2)水相体系的配制：添加10U/g煎炸废油脂肪酶、30U/g煎炸废油光脱羧酶与pH＝8的Tris-HCl缓冲溶液混合均匀作为水相体系；

(3)～(5)与实施例1相同。

经气相色谱测定，该反应体系产率可达到95.6％。

实施例4：

(1)～(2)：与实施例1相同；

(3)淀粉基Pickering乳液催化体系的构建：以反应底物煎炸废油作为油相体系，在油-水两相体积为1:1，添加界面活性淀粉颗粒质量为1％(w/v，占油水两相总体积比)，混合后经12000r/min高速剪切2min制得淀粉基Pickering乳液催化体系；

(4)～(5)与实施例1相同。

经气相色谱测定，该反应体系产率可达到92.9％。

实施例5：

(1)～(3)：与实施例1相同；

(4)烃类燃料的制备：将步骤(3)制备所得的淀粉基Pickering乳液反应体系置于恒温摇床上，保持温度为35℃，转速为100r/min，外加蓝光照射反应18h；

(5)分离回收：与实施例1相同。

经气相色谱测定，该反应体系产率可达到94.1％。

对比例1:

省略实施例1步骤(1)中的十六烷基三甲氧基硅烷，其他条件或参数与实施例1一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为55.0％。此过程中无降低表面能的甲氧基硅烷的修饰，纳米淀粉颗粒呈现较强的亲水性，无法形成稳定的油水界面，从而底物分子和酶分子扩散距离增大，催化剂与反应底物接触困难。

对比例2：

省略实施例1步骤(1)中纳米淀粉的制备，选择天然玉米淀粉与十六烷基三甲氧基硅烷反应，其他条件或参数与实施例1保持一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为59.8％。此过程中完整的淀粉颗粒很难与硅烷偶联剂高效反应，因此该颗粒用于稳定油水界面形成的Pickering乳液液滴较大，酶分子与底物分子之间的传质距离增大，导致反应效率降低。

对比例3：

省略实施例1步骤(2)中与Tirs-HCl缓冲液混合均匀，添加脂肪酶与脱羧酶于反应底物煎炸废油中，其他条件或参数与实施例1一致。与实施例1相比，该体系是单相(油相)体系，该反应体系产率下降为37.9％。

对比例4：

将实施例1中步骤(2)中脂肪酶和脱羧酶添加量分别调整为非最佳参数范围的5U/g煎炸废油、20U/g煎炸废油，其他条件或者参数与实施例1一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为61.5％。

对比例5：

省略实施例1步骤(3)中添加界面活性淀粉颗粒，其他条件或者参数与实施例1一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为50.3％。

对比例6：

将实施例1中步骤(3)中油-水比调整为非最佳参数范围的3:1，其他条件或者参数与实施例1一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为50.1％。

对比例7：

将实施例1中步骤(4)中反应温度调整为非最佳参数范围的45℃，其他条件或者参数与实施例1一致。与实施例1相比，该反应体系产率下降为81.1％。

对比例8：

省略实施例1中步骤(1)界面活性淀粉颗粒的制备，替换实施例1步骤(3)中的界面活性淀粉颗粒为磷脂分子，其他条件或者参数与实施例1一致。与实施例1相比，该体系为传统乳液体系，一次反应结束后，该反应体系产率下降为93.7％；对该体系进行循环稳定性测试，重复利用6个周期后，该反应体系产率降低为65.8％。

对比例9：

改变实施例1中烃类燃料的制备方法，采用分步催化法制备烃类燃料：

(1)界面活性淀粉颗粒的制备：与实施例1相同；

(2)水相体系的配制：分别添加30U/g煎炸废油脂肪酶、50U/g煎炸废油光脱羧酶与pH为8的Tris-HCl缓冲溶液混合均匀作为水相体系1、水相体系2；

(3)载脂肪酶Pickering乳液催化体系的构建：以反应底物煎炸废油作为油相体系，在油-水相体系1两相体积为1:5，添加界面活性淀粉颗粒质量为1％(w/v，占油水两相总体积比)，混合后经12000r/min高速剪切2min制得Pickering乳液催化体系；

(4)脂肪酶催化煎炸废油水解：将上述反应体系置于恒温摇床上，保持温度为30℃，转速为200r/min，反应18h；反应结束后，经漩涡振荡静置30min分离上层有机相，用于下一步反应；

(5)载脱羧酶Pickering乳液催化体系的构建：以步骤(4)收集上层有机相作为油相，在油-水相体系2两相体积为1:5，添加界面活性淀粉颗粒质量为1％(w/v，占油水两相总体积比)，混合后经12000r/min高速剪切2min制得Pickering乳液催化体系；

(6)烃类燃料的制备：将步骤(5)所得反应体系置于恒温摇床上，保持温度为30℃，转速为200r/min，外加蓝光照射反应18h；

(7)分离纯化：反应结束后，经漩涡振荡静置30min分离上层有机相，采用乙酸乙酯萃取反应混合物，收集上液层产物进一步通过硅胶层析进行分离提纯，使用含10％～50％乙酸乙酯的正庚烷溶液进行梯度洗脱；最后在0.2MPa真空度、40℃下旋转蒸发去除溶剂得到制备的烃类燃料。

经气相色谱测定，产物主要为C

表1循环稳定性测定结果

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。