脂肪エステル交換

食品産業と生化学において、エステル交換（IE）は、脂肪製品（通常はトリグリセリドの混合物）の脂肪酸を再配置するプロセスです。このプロセスでは、脂肪酸鎖を脂肪分子のグリセロールハブに結び付けるエステル結合C–O–Cを切断して再形成します。反応には、無機化学物質（化学的エステル交換、CIE）または酵素（酵素的エステル交換、EIE）のいずれかの触媒が関与します。 ^[1]

このプロセスは、通常、特定の用途に合わせて融点や可塑性などの脂肪の物理的特性を調整するために使用されます。たとえば、他の固形脂肪と組み合わせることで、油を固形または半固形の製品に変えることができます。また、パーム油やラウリン脂肪の固形分の分離を防ぐ、^[2]または酸化を遅らせるために、または揚げ物に適した油を作るためにも使用できます。

水素化とは対照的に、エステル交換自体は一般に製品中の脂肪酸の元の分布を維持するため、栄養価や健康上の特性が維持されると期待されます。しかし、水素化やその他の技術は、出発脂肪やIEの製品に適用され、製品は他の脂肪と混合される可能性があります。また、IEによって生成される新しいトリグリセリドの一部は、制御された結晶化によって分画（分離）される可能性があります。^[3]

エステル交換脂肪は、クッキー、クラッカー、ビスケット、ケーキ、アイシング、乳脂肪代替品、パイ生地、ポップコーン、フラットブレッド、トルティーヤなど、多くの工業食品に使用されています。^[4]

通常、原料（出発物質）は 2 種類以上の油の混合物です。

特に、不飽和植物油は、右の図に示すように、完全に水素化されたバージョンとエステル交換することができます。この手順により、部分的な水素化で生成されるトランス脂肪を生成することなく、飽和脂肪が少なくなります。 ^[3]反応は完了せず、生成物は飽和度の異なるトリグリセリドの混合物になります。

原理的には、それぞれ3つの同一の脂肪酸（AAAとBBB）を持つ2つの純粋なトリグリセリドにエステル交換反応を適用すると、結果物には6つの異なるトリグリセリド（AAA、AAB、ABA、ABB、BAB、BBB）が含まれる可能性があります。グリセロール骨格の対称性のため、その数は2 ³ = 8ではなく6です。^[5] 原料に3つ以上の異なる脂肪酸がある場合、その数ははるかに多くなります。

いわゆる化学的エステル交換では、触媒はメトキシドナトリウムなどの無機化合物です。反応は高温で行われ、エステル交換された脂肪に加えて、ナトリウム石鹸、脂肪酸メチルエステル、モノグリセリドの3つの副産物が生成されます。^[6]

酵素的エステル交換反応（IE）は、酵素を使用してエステル結合を切断および再形成する。このプロセスに最も適した酵素は、エステラーゼ、リパーゼ、アシラーゼ、酸分解反応、エステル 交換反応、エステル合成、またはエステル交換反応を促進する酵素、ホスホリパーゼまたはプロテアーゼ活性（耐熱性および耐熱性加水分解活性を含む）を有する酵素、およびポリヌクレオチドである。^{[7] [8] [9] [10] [11]}

いくつかの酵素はグリセロールハブの位置1と3（sp1とsp3）でのみエステル結合を切断して再形成し、位置2（sp2）の酸は固定したままにします。^[5]

最も一般的な工業用EIEプロセスでは、液体脂肪原料を固定床反応器に通します。固定床反応器には通常、油精製床とそれに続く酵素床が含まれます。酵素床では、酵素が不活性な粒状基質に固定されています。最初の床では、酵素を不活性化したり、酵素の性能に影響を与えたりする可能性のある不純物を油混合物から除去します。酵素の活性は時間の経過とともに低下するため、変換を維持するためには、流量を注意深く監視し、時間の経過とともに調整する必要があります。^[5]

2つ以上のリアクターを直列で使用することもできます。最初のリアクターは酵素活性が最も低く、不純物や有害化合物のほとんどを吸収します。この順序により、最後のリアクターにある最も活性の高い酵素が保護されます。^{[12] [13]}

IEは処理工程が少なく、低温で処理でき、副産物を生成せず、生産コストが低いため、CIEに取って代わっています。^{[14] [15] [12]}

単純なブレンドと比較して、エステル交換脂肪は可塑性範囲が広く、成分が分離することなく、より広い温度範囲で物理的特性を維持します。^{[16] IEは}大豆油 などのより多様な原料を使用することができ、世界中で生産されるパーム油よりも優れたリスク管理プロファイルを提供します。

酵素によるエステル交換に関する最も古い記録は1844年、テオフィル・ジュール・ペルーズが酪酸によるグリセロールのエステル化によるトリグリセリドの合成に関する研究を発表したときである。^[17] 1920年、脂肪酸の触媒水素化の特許も取得したヴィルヘルム・ノーマンは、食用脂質の化学的エステル交換の特許を取得した。 ^{[18]このプロセスは、一般的なショートニング}ラードの伸びやすさとベーキング特性を改善したため、食品業界にとって実行可能な選択肢となった。

酵素エステル交換は、1970年代にイギリスのコルワースハウスにあるユニリーバ研究センターのチームによって開発されました。彼らの研究により、特定の酵素の使用により、トリグリセリドのグリセロール骨格上の1位と3位の脂肪酸が予測通りに再配列されることが証明されました。これにより、利用可能なトリグリセリドの種類の範囲が広がりました。^[19]

それでも、酵素価格が高かったため、EIEは主に研究室に限定されていました。トランス脂肪酸の健康への影響に関する一般的な懸念から、業界は2000年代になってようやく、低コストのため油の硬化方法として好まれていた部分水素化の代わりにエステル交換を採用するようになりました。^[20]ノボザイムズ社などの企業によるシリカ などの不活性固体基質に結合した酵素の開発により、採用が大幅に促進されました。^[15]