The synthesis of structured lipids (SLs) by the lipase-catalyzed interesterification of flaxseed oil (FO) and tricaprylin (TC) in organic solvent media (OSM) and solvent-free medium (SFM) was carried out. The bioconversion yield (BY) of the medium-long-medium-type SLs (MLM-SLs), including CLnC (Y1, C-caprylic and Ln-linolenic acids), CLaC (Y2, La-linoleic acid) and COC (Y3, O-oleic acid) as well as their corresponding MML positional isomers, CCLn (Y4), CCLa (Y5) and CCO (Y6), were monitored as the responses. Based on the maximal BY and considering the ratio of the MLM- to MML-SLs, obtained under the established reaction conditions in OSM for each lipase, Novozym 435 from Candida antarctica and Lipozyme TL-IM from Thermomyces lanuginosus, were considered for further optimization of the process. Multiple response surface methodology on the basis of a central composite rotatable design and a fractional factorial design, with center points has been employed for the optimization of the interesterification reaction of both enzymes in OSM. In the preliminary trials, significant reaction parameters, namely TC to FO molar ratio (Mr, mol/mol), reaction temperature (Tr, ˚C), enzyme concentration (Ec, % w/v), reaction time (Rt, h) and initial water activity (aw) were selected for the optimization of the interesterification reaction, catalyzed by Novozym 435. On the other hand, the effects of reaction conditions including Mr, Tr, Ec, Rt and agitation speed (As, rpm) were studied in the case of Lipozyme TL-IM. Significant models for the responses Y1-Y6 were developed with the use of backward elimination procedure, whereas the adequacy of the models was statistically determined. The ability of the models to successfully predict new observations in the experimental space was evaluated and verified. Based on the objective of each response, the appropriate level combination of the process parameters and the solutions that met the defined criteria were also provided by means of desirability function. The maximal predicted BY of the MLM-SLs, synthesized by Novozym 435 and Lipozyme TL-IM, were found to be comparable; however, considering the lower optimal Tr (23% <), Ec (54% <) and Rt (8-folds <) predicted conditions as well as the aw-independency of Lipozyme TL-IM as compared to those for Novozym 435, Lipozyme TL-IM was selected for further optimization in SFM. For the biosynthesis of MLM-SLs in SFM by Lipozyme TL-IM, As and Tr were found to be the most significant parameters. The optimal conditions, generated by the means of desirability function, for a maximal Y1-Y3, were found to be 59.04˚C for Tr, 6.31 mol/mol for Mr, 4.42% for Ec, 13.62 h for Rt and 346 rpm for As. Under these optimum conditions, Y1, Y2 and Y3 were predicted to be 30.65, 1.08 and 4.21%, respectively. Since the monitored responses (Y1-Y6) were found to be highly correlated to each other, the distance approach which considers the correlated nature of the responses was also carried out for the optimization of the process in SFM. The scale-up (30-fold) of the interesterification reaction by Lipozyme TL-IM in SFM was also investigated; as a result, the BY of the desired MLM-SLs did not decrease as compared to those obtained at the micro scale. Silver-ion reversed-phase high-performance liquid chromatography enabled the separation and quantification of the synthesized MLM- and MML-SLs. In addition, atmospheric pressure chemical ionization-mass spectrometry analyses confirmed the formation of dicaprylyl-linolenyl glycerol, dicaprylyl-oleyl glycerol and dicaprylyl-linoleyl glycerol resulted from the lipase-catalyzed interesterification of FO and TC. / La synthèse de lipides structurés (SLs), catalysé par la lipase via une interésterification entre l'huile de lin (FO) et le tricarpryline (TC) dans un milieu réactionnel organique (OSM) et sans solvent (SFM), a été étudiée. Le rendement de bioconversion (BY) des SL de type moyen-longue-moyen (MLM-SLs), compris CLNC (Y1, C-caprylique et Ln-acide linolénique), CLaC (Y2, La-acide linoléique) et COC (Y3, O-acide oléique) ainsi que leurs isomères en position correspondants, MML, CCLn (Y4), CCLa (Y5) et CCO (Y6), ont été suivis en tant que réponses. En se basant sur le BY maximal et en considérant la proportion du MLM- à MML-SLs, obtenu sous les conditions réactionnelles établies en milieu organique pour chaque lipase, Novozym 435 de Candida antarctica et Lipozyme TL-IM de Thermomyces lanuginosus, ont été considérés dans l'optimisation additionnelle du processus. La méthode de surface de réponses multiples, basé sur un plan composite central à caractère rotatif et un plan d'expérimental factoriel fractionnel avec des points au centre, a été utilisée pour l'optimisation de la réaction d'interésterification par les deux enzymes en OSM. Dans les essais préliminaires, des paramètres de réaction significatifs, à savoir TC à FO ratio molaire (Mr, mol/mol), température de réaction (Tr, ˚C), concentration de l'enzyme (Ec, % w/v), temps de réaction (Rt, h) et l'activité initiale de l'eau (aw), ont été choisies pour l'optimisation de la réaction d'interésterification, catalysée par Novozym 435. D'un autre part, les effets des conditions de la réaction y compris Mr, Tr, Ec, Rt et la vitesse d'agitation (As, rpm) ont été étudiés dans le cas de la Lipozyme TL-IM. Des modèles significatifs pour les réponses Y1-Y6 ont été développés avec l'utilisation de la procédure d'élimination à l'arrière, alors que l'adéquation des modèles a été déterminée statistiquement. La capacité des modèles de prédire avec succès des observations nouvelles dans l'espace expérimental a été évaluée et vérifiée. En se basant sur l'objectif de chaque réponse, la combinaison de niveaux les plus appropriés des paramètres du processus et des solutions, qui ont satisfaits les critères définis, ont été aussi fournis au moyen de la fonction de désirabilité. Les BY maximals prédits des MLM-SLs, synthétisés par Novozym 435 et Lipozyme TL-IM, ont été trouvés pour être comparables. Cependant, en considérant les valeurs optimales de la plus petite Tr (23% <), Ec (54% <) et Rt (8-fois <) conditions prédites ainsi que l'indépendance de l'aw de la Lipozyme TL IM comparée à celles de la Novozym 435, la Lipozyme TL-IM a été sélectionnée pour toute optimisation additionnelle en SFM. Pour la biosynthèse de MLM-SLs en SFM par Lipozyme TL-IM, As and Tr ont été trouvés pour être les paramètres les plus significatifs. Les conditions optimales, engendrées au moyen de la fonction de désirabilité, pour un maximum Y1-Y3, ont été trouvées pour être 59.04˚C pour Tr, 6.31 mol/mol pour Mr, 4.42% pour Ec, 13.62 h pour Rt et 346 rpm pour As. Sous ces conditions optimales, Y1, Y2 and Y3 ont été prédits pour être 30.65, 1.08 et 4.21%, respectivement. Puisque les réponses choisies (Y1-Y6) ont été trouvés pour être extrêmement liées les uns aux autres, l'approche de distance qui considère la nature corrélée des réponses a été aussi considérée pour l'optimisation du processus en SFM. La mise à l'échelle (30-fois) de la réaction d'interésterification par Lipozyme TL-IM en SFM a été étudiée; par conséquent, le BY du MLM-SLs désirés n'a pas diminué en comparison à ceux obtenus à l'échelle micro. La chromatographie en phase liquide à haute performance avec une colonne échangeuse d'ion d'argent a permis la séparation et la quantification des MLM- et MML-SLs synthétisés. De plus, l'analyse structurals en spectro de mass a confirmé la formation du glycérol dicaprylyle-linolényle, glycérol dicaprylyl-oléyl et glycerol dicaprylyl-linoléyl formés par la réaction d'interestérification de FO et TC catalysée par la lipase.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107813 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Khodadadi, Maryam |
| Contributors | Selim Kermasha (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Food Science and Agricultural Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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