Production of specifically structured lipids by enzymatic interesterification in a pilot enzyme bed reactor: process optimization by response surface methodology

Pilot production of specifically structured lipids by Lipozyme IM-catalyzed interesterification was carried out in a continuous enzyme bed reactor without the use of solvent. Medium-chain triacylglycerols and oleic acid were used as model substrates. Response-surface methodology was applied to optimize the reaction system with four process para-meters, these being volume flow rate, water content in the substrates, reaction temperature, and substrate ratio. The incorporation of acyl donors, product yields, and the content of diacylglycerols were measured as model responses. Enzyme activity was not identical for the sequential experiments in the same enzyme bed due to the deactivation of the Lipozyme IM. Therefore, the results were normalized based on enzyme deactivation models. Well-fitting quadratic models were obtained after normalizing the data for the incorporation of oleic acid and the production of mono-incorporated and di-incorporated structured lipids with multiple regression and backward elimination. The coefficient of determination (R2) for the incorporation was 0.93 and that for the diincorporated products was 0.94. The optimal conditions were flow rate, 2 ml/min; temperature, 65 °C; substrate ratio, 5.5; and water content, 0.1%. The production of diacylglycerols was not well correlated with any of the parameters, and the yield generally decreased with the experimental sequence. This was due to the stoichiometric water in the substrate mixture in the packed enzyme bed being complicated by the water binding and absorption of the immobilized lipase. The main effects of parameters were also examined, and conclusions in agreement with our previous results were made. Produktion von spezifisch strukturierten Lipiden durch enzymatische Interesterifizierung in einem Versuchs-Emzymbettreaktor: Prozesoptimierung mit der Response Surface Methodik.Die Produktion spezifisch strukturierter Lipide durch Lipozyme IM-katalysierte Interesterifizierung wurde als Versuch in einem kontinuierlichen Enzymbettreaktor ohne Verwendung von Losungsmitteln durchgefuhrt. Triacylglycerole mittlerer Kettenlange und Olsaure wurden als Modellsubstrate verwendet. Die Response Surface Methode wurde zur Optimierung des Reaktionssystems mit den vier Prozesparametern angewendet, und zwar mit der volumetrischen Fliesgeschwindigkeit, dem Wassergehalt der Substrate, der Reaktionstemperatur und dem Substratverhaltnis. Die Integration von Acyldonoren, die gewonnene Produktmenge und der Gehalt von Diacylglycerolen wurden als Modellantwort gemessen. Die Enzymaktivitat war bei aufeinanderfolgenden Versuchen im selben Enzymbett aufgrund der Deaktivierung von Lipozyme IM nicht gleichbleibend. Daher wurden die Ergebnisse basierend auf Enzym-Deaktivierungsmodellen normalisiert. Es wurden gut angepaste quadratische Modelle erhalten, nachdem die Daten uber die Integration der Olsaure und die Bildung von monoinkorporierten und diinkorporierten strukturierten Lipiden mit multipler Regression und ruckwartiger Elimination normalisiert wurden. Der Determinationskoeffizient (R2) fur die Integration war 0,93 und der fur die diinkorporierten Produkte 0,94. Die optimalen Bedingungen lagen bei folgenden Werten: Fliesgeschwindigkeit 2ml/min, Temperatur 65 °C, Substratverhaltnis 5,5 und Wassergehalt 0,1 %. Die Produktion von Diacylglycerolen war nicht gut mit den anderen Parametern korreliert, und die Ausbeute sank generell mit fortschreitender experimenteller Sequenz. Dieses lag an dem stochiometrischen Wasser in der Substratmischung im gepackten Enzymbett und wurde weiterhin kompliziert durch die Wasserbindung und -absorption der immobilisierten Lipase. Die Hauptauswirkungen der Parameter wurden ebenfalls untersucht und Schlusfolgerungen gezogen, die mit unseren fruheren Ergebnissen ubereinstimmen.