Lipase-Catalyzed Interesterification for The Synthesis of Medium-Long-Medium Structured Lipid (MLM-SL) from Palm Oil Products

Abstract

Medium-long-medium structured lipid (MLM-SL) is a lipid with a specific arrangement of fatty acid at which medium chain fatty acids (MCFA/C6-C12) located at sn-1,3 positions and long chain fatty acids (LCFA/C14-C24) at sn-2 position. LCFA located at sn-1,3 positions show a low absorption coefficient due to their possibilities to react with calcium to produce calcium soap. Whereas, MCFA located at sn-1,3 position is easier to be hydrolyzed by the pancreatic lipase and have a little tendency to accumulate in adipose tissue. This indicates the combination of MCFA and LCFA on same triacylglycerol (TAG) molecule is very potential to be developed due to their nutritional benefits such as reduced calorie lipid, controlling obesity, and improve fat malabsorption. The primary objective of this study was to synthesize MLM-SL using palm oil products (palm olein and palm kernel oil) as substrates in batch and continuous system. To achieve the aforementioned primary objectives, this research was carried out through five main stages: (1) determining characteristics of substrates and blended substrates for MLM-SL synthesis; (2) selection of the suited reaction type for MLM-SL (between acidolysis and transesterification); (3) determination of the Lipozyme TL IM stability during acidolysis and transesterification of MLM-SL; (4) investigating the optimum reaction condition in batch and continuous system; (5) characterization of thermal properties of MLM-SL product. This dissertation is arranged to follow the stages of the research. In the first chapter, the comprehensive review about MLM-SL is reported to give recent updates on the MLM-SL synthesis through enzymatic reaction. The second chapter discusses about the suited reaction method (acidolysis or transesterification) for MLM-SL synthesis. In addition, this chapter also explains the stability of Lipozyme TL IM during MLM-SL synthesis. The third chapter disclose the MLM-SL synthesis in continuous operation using the suited reaction type previously determined. Moreover, the effect of enzyme loading and the information of productivity are provided as well. The last chapter describes the synthesis of MLM-SL using PKO as the alternative substrate for MCFA source. MLM synthesis was carried out in batch and continuous operation to determine the effect of substrate mol ratio, reaction time, and residence time. The results showed that palm olein-tricaprylin (transesterification) and palm olein - caprylic acid (acidolysis) were potentially to produce MLM-SL, especially 1,3-dicapryloyl-2-oleoyl-sn-glycerol (COC/ECN32). In general, new triacylglycerol (TAG) species was produced after acidolysis and transesterification reaction as compared to that their blended products. In batch-wise, transesterification reaction required a shorter reaction time (2-4 h) to produce high concentration of MLM-SL than that of acidolysis reaction (20 h). Moreover, Lipozyme TL IM shows better stability in the transesterification reaction as compared to that of acidolysis reaction. In continuous systems, 15 min of residence time and 2 g of enzyme loading were selected as optimal conditions of transesterification reaction due to their high concentration of MLM-SL and lower by-products (diacylglycerol/DAG, monoacylglycerol/MAG, free fatty acid/FFA, and glycerol). In addition, transesterification reaction between palm olein and palm kernel oil (PKO) was potentially to produce MLM-SL, especially 1,3-dilauryl-2-oleoyl-sn-glycerol (LaOLA/ECN40). In general, the increasing residence time or reaction time affects the possibility of producing higher by-products. Moreover, slip melting point (SMP) of MLM-SL product showed the suitability for food product application.

Lipida terstruktur tipe medium-long-medium (MLM-SL) merupakan lipida dengan susunan asam lemak tertentu, dimana asam lemak rantai sedang (medium chain fatty acid, MCFA/C6-C12) berada pada posisi sn-1,3 dan asam lemak rantai panjang (long chain fatty acid, LCFA/C14-C24) pada posisi sn-2. LCFA yang terletak pada posisi ¬sn-1,3 menunjukkan koefisien penyerapan yang rendah sebagai akibat adanya kemungkinan reaksi dengan kalsium untuk membentuk sabun kalsium. Sedangkan, MCFA yang terletak pada posisi sn¬-1,3 relatif lebih mudah dihidrolisis oleh enzim pankreatik lipase dan memiliki kecenderungan untuk tidak mengalami akumulasi pada jaringan adiposa. Hal ini menunjukkan kombinasi LCFA dan MCFA pada molekul triasilgliserol (TAG) yang sama memiliki manfaat kesehatan dan sangat potensial untuk dikembangkan. Berbagai manfaat MLM-SL antara lain memiliki nilai kalori yang rendah, cocok digunakan untuk mengontrol obesitas, serta dapat memperbaiki gangguan penyerapan lemak Tujuan utama dari penelitian ini adalah mensintesis MLM-SL menggunakan produk minyak sawit (palm olein dan minyak inti sawit) sebagai substrat pada sistem reaksi batch dan kontinyu. Untuk mencapai tujuan umum tersebut, beberapa tahapan penelitian yang dilakukan antara lain: (1) analisis karakteristik awal dari masing-masing susbtrat dan campuran substrat (blending product) sebagai bahan baku pada sintesis MLM-SL; (2) pemilihan tipe reaksi yang tepat antara reaksi asidolisis dan transesterifikasi pada sintesis MLM-SL; (3) karakterisasi stabilitas enzim Lipozyme TL IM pada sistem reaksi batch; (4) penentuan kondisi reaksi optimum pada sistem batch dan kontinyu; dan (5) analisis karakteristik termal produk MLM-SL. Disertasi ini disusun secara sistematik sesuai tahapan penelitian. Pada bagian awal menjelaskan ulasan komprehensif mengenai sintesis MLM-SL. Pada bagian kedua, diskusi tipe reaksi (asidolisis atau transesterifikasi) yang tepat pada sintesis MLM-SL disampaikan. Selain itu, pada bagian ini dijelaskan mengenai stabilitas Lipozyme TL IM selama sintesis MLM-SL. Selanjutnya, tipe reaksi yang terpilih digunakan pada sistem kontinyu untuk penentuan kondisi reaksi optimum, yakni berupa jumlah enzim dan waktu tinggal (residence time) reaksi. Pada bagian terakhir, minyak inti sawit (palm kernel oil/PKO) digunakan sebagai sumber alternatif substrat MCFA. Sintesis MLM-SL dilakukan pada sistem batch dan kontinyu untuk menentukan pengaruh rasio mol substrat, waktu reaksi, dan waktu tinggal pada reaksi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa palm olein - trikaprilin (transesterifikasi) dan palm olein - asam kaprilat (asidolisis) memiliki potensi sebagai substrat untuk produksi MLM-SL, terutama 1,3-dicapryloyl-2-oleoyl-sn-gliserol (COC/ECN32). Secara umum, kedua jenis reaksi yang digunakan menghasilkan spesies triasilgliserol (TAG) baru jika dibandingkan dengan campuran kedua substrat (blending product). Pada sistem batch, transesterifikasi membutuhkan waktu yang lebih cepat (2-4) jam untuk menghasilkan MLM-SL dengan konsentrasi tertinggi dibandingkan dengan asidolisis (20 jam). Selain itu, Lipozyme TL IM menunjukkan stabilitas yang lebih baik pada transesterifikasi dibandingkan asidolisis. Pada sistem kontinyu, waktu tinggal 15 menit dan enzyme loading 2 g dipilih sebagai kondisi optimal karena menghasilkan MLM-SL yang lebih tinggi dengan produk samping (diasilgliserol/DAG, monoasilgliserol/MAG, asam lemak bebas/FFA, dan gliserol) yang lebih rendah. Sementara itu, penggunaan minyak inti sawit (palm kernel oil/PKO) sebagai pengganti sumber asam lemak rantai sedang pada reaksi transesterifikasi dengan palm olein berpotensi menghasilkan MLM-SL, terutama 1,3-dilauryl-2-oleoyl-sn-gliserol (LaOLa/ECN40). Peningkatan waktu tinggal atau waktu reaksi menunjukkan peningkatan peluang terbentuknya produk samping. Selain itu, slip melting point (SMP) produk MLM-SL menunjukkan kesesuaian untuk aplikasi produk makanan.