Construction of a control system for optimization of water activity in lipase-catalyzed reactions for production of structured triacylglycerols

Abstract

Due to climate change, cocoa harvests have decreased yearly, leading to increased scarcity and rising market prices of cocoa butter. At the same time, cocoa butter is a key ingredient in chocolate, responsible for its unique melting properties. Thus, there is a growing interest in producing fats with similar characteristics, so called cocoa butter equivalents. Cocoa butter equivalents consist of structured triacylglycerols (STAGs) with a specific fatty acid composition, which can be synthesized via enzymatic catalysis using 1,3-specific lipases. The aim of this thesis is to optimize a transesterification reaction to produce a specific cocoa butter equivalent, namely 1,3-stearin-2-olein (SOS).

In this work, transesterification of high oleic sunflower oil (HOSO) with ethyl stearate (ES), catalyzed by Lipase DF “Amano” IM from Rhizopus oryzae, was performed to produce SOS with desirable physiochemical properties. Key process parameters influencing the reaction include temperature, substrate ratio and water activity. This thesis focuses on investigating the effect of water activity on the transesterification reaction.

A control system was developed and constructed to control the water activity in a SpinChem® rotating bed reactor. Dry or humidified nitrogen gas streams were sparged through the reaction mixture to regulate the water activity at predefined setpoints. Product formation and reaction progress were monitored by quantifying component concentrations using High-Performance Liquid Chromatography.

It was possible to influence the final component composition by controlling the reaction conditions. By using 0.75 % (w/w) enzyme and 5 h of reaction at 45 ºC, 61-95 % of the theoretical maximum yield of SOS was reached, with several reactions reaching over 85 %. This was an improved yield compared to previous work by Causevic (2022, Paper IV), where 70-82 % of the theoretical maximum yield was obtained. The high regioselectivity of the lipase resulted in maximum 1.3 % of undesired fatty acid incorporation on the sn-2 position. Furthermore, by applying drying at the end of the reaction it was possible to decrease the final DAG content by up to 71%. The results indicate that that running under optimized conditions yields an efficient reaction that is of interest for further study.

Popular Abstract (Swedish)

Effektivisering av en enzymatisk reaktion för tillverkning av kakaosmör-substitut

Kakaosmör utvinns från kakaobönor som huvudsakligen växer i Västafrika och Sydostasien. Kakaosmör är en viktig ingrediens i choklad och ger den dess karakteristiska egenskaper såsom glans, att den smälter i munnen och att den ger ett knäppande ljud när den bryts. Dessa unika egenskaper beror på kakaosmörets sammansättning, som utgörs av fett. Fetter består till största delen av triacylglyceroler, vilka är uppbyggda av en glycerolmolekyl som utgör en ”ryggrad”. Till denna ryggrad är tre fettsyror bundna som ”svansar”. Vilka fettsyror som sitter på glycerolmolekylen – och var de sitter – avgör fettets egenskaper.

Klimatförändringar har lett till att kakaoskörden minskar årligen, vilket har begränsat tillgången på kakaosmör och ökat dess pris. För att möta efterfrågan är det intressant att tillverka så kallade kakaosmörekvivalenter. Detta är fetter med liknande egenskaper som kakaosmör och som därför kan användas som substitut för kakaosmör i till exempel choklad.

Kakaosmörekvivalenter består av fett med en mycket specifik fettsyrasammansättning, så kallade strukturerade triacylglyceroler (STAGs). Genom att byta ut fettsyrorna i ett fett mot andra fettsyror på ett kontrollerat sätt kan STAGs produceras. Detta görs enklast med enzymer, som är proteiner som påskyndar reaktioner utan att själva förbrukas. Det finns många typer av enzymer och lipaser är en grupp av enzymer som naturligt bryter ner fetter. Under specifika omständigheter kan lipaser även användas för att bygga upp fetter. Detta utnyttjas i produktionen av STAGs. Först agerar lipaset som en ”sax” och klipper bort en fettsyra från fettmolekylen. Därefter fungerar det som ett ”lim” och fäster en ny fettsyra. På så sätt ersätts fettsyrorna i molekylen för att skapa ett fett med önskade egenskaper.

I produktionen av STAGs finns det många parametrar som påverkar hur mycket av den önskade produkten som bildas, såsom mängden vatten som finns tillgängligt under reaktionen. Detta examensarbete, som har utförts i samarbete med AAK AB, undersöker hur vattenmängden påverkar bildningen av STAGs. Målet är att identifiera den optimala vattenmängden för att maximera produktionen av högkvalitativa kakaosmörekvivalenter på så kort tid som möjligt för att skapa ett mer hållbart och kostnadseffektivt fett som kan användas i chokladproduktion. För att kunna kontrollera den för enzymet tillgängliga vattenmängden i oljan konstruerades ett kontrollsystem.

• author: Andersson, Alma and Molin, Emelie
• supervisor: Carl Grey; Ariana Causevic; Martin C. Johansson
• organization: Biotechnology; Biotechnology (MSc); Biotechnology (M.Sc.Eng.)
• course: KBTM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Enzyme, Lipase, Transesterification, Water activity, Cocoa butter equivalents, Structured triacylglycerols, Biotechnology
• language: English
• id: 9231792
• date added to LUP: 2026-06-08 15:17:14
• date last changed: 2026-06-08 15:17:14