山梨醇月桂酸酯的酶法制備工藝研究

張 灝彭冬梅金 沖何冰芳

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，南京 210003)

(南京工業(yè)大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院2，南京 210009)

山梨醇月桂酸酯的酶法制備工藝研究

張 灝1彭冬梅1金 沖1何冰芳2

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，南京 210003)

(南京工業(yè)大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院2，南京 210009)

研究了以山梨醇和月桂酸為原料，在固定化脂肪酶的催化下合成山梨醇月桂酸酯的反應(yīng)。通過考查原料配比、酶的用量、溶劑(丙酮)的用量、反應(yīng)溫度及時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)的影響，確定了最佳反應(yīng)條件為:原料配比山梨醇∶月桂酸為2.0∶1(物質(zhì)的量比)，反應(yīng)的溶劑為丙酮，丙酮用量為10 mL/mmol月桂酸，固定化脂肪酶的用量為0.24 g/mmol月桂酸，在60℃下反應(yīng)72 h，月桂酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到98.2%。當(dāng)山梨醇月桂酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，產(chǎn)物的表面張力約為41.5×10－5N/m。

山梨醇 月桂酸 山梨醇 月桂酸酯 固定化 脂肪酶 表面活性劑

山梨醇脂肪酸酯屬多元醇脂肪酸酯類非離子型表面活性劑。此類產(chǎn)品作為乳化劑的性能優(yōu)于基于甘油，聚甘油，山梨聚糖和蔗糖的常規(guī)(酯)乳化劑，而且應(yīng)用更加廣泛。因?yàn)檫@些產(chǎn)品無毒且無刺激性，通常能與化妝品和藥品相容，特別適用于化妝品和藥品，用作乳化劑，促溶劑，分散劑，潤濕劑，洗滌劑(也用于清洗農(nóng)產(chǎn)品);適宜用于食品中，可改善并促進(jìn)提高食品的品質(zhì)［1］。另外，山梨醇脂肪酸酯類可以作為低熱量的脂肪取代物［2］。

目前，國內(nèi)對(duì)山梨醇脂肪酸酯的制備研究很少。國外報(bào)道的山梨醇脂肪酸酯的制備主要采用山梨醇和脂肪酸在脂肪酸堿金屬鹽為催化劑存在下，在較高的溫度(120～190℃)和減壓下反應(yīng)而得［1－2］。在有機(jī)溶劑中以脂肪酶作為催化劑的酯化方法已被廣泛用于脂肪酸糖(或糖醇)酯的合成［3］。而酶催化合成糖酯具有反應(yīng)選擇性高、反應(yīng)條件溫和、副產(chǎn)物少、產(chǎn)品容易分離純化等優(yōu)點(diǎn)。采用脂肪酶對(duì)催化山梨醇和月桂酸酸生成山梨醇月桂酸酯的反應(yīng)進(jìn)行了研究，并獲得了月桂酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)98%的較好結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

山梨醇:BR，上海惠興生化試劑有限公司;脂肪酶Novozym 435:美國Novo公司;月桂酸、丙酮、乙酸乙酯、分子篩:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

磁力加熱攪拌器:常州國華電器有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠;VAVOVRT 360 FTTR紅外光譜儀:美國 Thermo Nicolet公司;Agilent 1100高效液相色譜儀:美國Agilent公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 山梨醇月桂酸酯的制備

1.2.1.1 合成反應(yīng)式

注:山梨醇帶*的位置都有可能生成酯，包括山梨醇(單)月桂酸酯(主產(chǎn)物)和山梨醇雙月桂酸酯(即雙酯)。

1.2.1.2 合成方法

在裝有攪拌器、溫度計(jì)、分水器(裝有3A分子篩)和回流冷凝管(帶干燥管)的四口燒瓶中加入山梨醇醇、月桂酸酸、固定化脂肪酶和溶劑丙酮，攪拌下加熱至一定溫度，恒溫反應(yīng)數(shù)十小時(shí)。

停止加熱，冷卻反應(yīng)液，濾出固定化脂肪酶。以酚酞作指示劑，用NaOH溶液滴定未反應(yīng)完的月桂酸。滴定后的反應(yīng)液用乙酸乙酯萃取山梨醇月桂酸酯，酯層萃取液用水洗至中性，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出溶劑乙酸乙酯并得產(chǎn)品山梨醇月桂酸酯。

1.2.2 分析

1.2.2.1月桂酸轉(zhuǎn)化率的計(jì)算方法

式中:m為月桂酸的用量/g;M棕櫚酸為月桂酸的相對(duì)分子質(zhì)量;CNaOH為NaOH溶液的濃度/mol/L; VNaOH為滴定消耗的NaOH溶液的體積/L。

1.2.2.2 定性分析

(1)薄層色譜分析

硅膠板，展開劑:甲苯∶乙酸乙酯∶甲醇∶水=10∶4.0∶4.5∶1.0(體積比)，顯色劑:碘蒸氣。

(2)紅外光譜分析

紅外測試采用KBr壓片法。

(3)質(zhì)譜分析

質(zhì)譜條件(MS):離子方式ESI+，ESI－，細(xì)管電壓3.87 kV，錐孔電壓40 V，離子源溫度100℃，光電倍增器電壓700 V，氣體流速4.2 L/h，質(zhì)量范圍200～1200 m/z。

(4)表面張力

按文獻(xiàn)［4］的方法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 山梨醇目桂酸酯的制備

以固定化脂肪酶為催化劑，山梨醇與月桂酸反應(yīng)的影響因素主要包括原料配比、酶的用量、溶劑用量、反應(yīng)時(shí)間等。因此，選擇了四因素三水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，原料配比(山梨醇∶月桂酸)對(duì)反應(yīng)的影響最小。隨著酶用量的增加、反應(yīng)時(shí)間的延長及溶劑用量的減少，月桂酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率都有所增加，雖然增加的不多，但是仍有升高的趨勢。考慮反應(yīng)原料都是固體，溶劑在本試驗(yàn)條件下已不能再減少，故選擇在月桂酸用量為1 mmol，山梨醇用量為2.0 mmol，丙酮用量為10 mL/mmol月桂酸，反應(yīng)溫度為60℃的條件下，改變酶的用量和延長反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)及極差分析

由圖1可見，酶的用量增加有利于加快酯化反應(yīng)速度，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到72 h時(shí)，月桂酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率都能達(dá)到98%以上。綜合考慮成本與產(chǎn)率的因素，確定最適宜的酶的用量為0.24 g/mmol月桂酸，反應(yīng)時(shí)間為72 h。

圖1 不同酶的用量下時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

2.2 產(chǎn)品表征

2.2.1 波譜測定

2.2.1.1 薄層色譜

圖2為展開劑展開后的薄層色譜圖，其中a、c為原料展開、顯色后的斑點(diǎn)，b為產(chǎn)物展開、顯色后的斑點(diǎn)。

圖2 原料和產(chǎn)物的薄層色譜圖

山梨醇月桂酸酯的MS鑒定:山梨醇(單)月桂酸酯的相對(duì)分子質(zhì)量為386.4，MS圖譜中出現(xiàn)387.4峰和751.3峰分別為［M單酯+Na］和［2M單酯+ Na］的質(zhì)譜信號(hào)，569.5峰為［M雙酯+Na］的質(zhì)譜信號(hào)，即說明薄層色譜圖2中的c1和c2分別為山梨醇單月桂酸酯和山梨醇雙月桂酸酯(雙酯)。

2.2.1.2 紅外光譜分析

山梨醇月桂酸酯的紅外光譜測定如圖3所示。

圖3 山梨醇月桂酸酯的紅外光譜圖

紅外光譜分析顯示:在波數(shù)為1 725和1 180 cm－1處有酯基的特征吸收峰，說明產(chǎn)品為酯。

2.2.2 皂化值及HLB值

對(duì)在原料配比山梨醇∶月桂酸物質(zhì)的量比為2.0∶1，反應(yīng)溶劑(丙酮)用量10 mL/mmol月桂酸，酶的用量為0.24 g/mmol月桂酸，在60℃下反應(yīng)72 h的條件下制得的產(chǎn)品進(jìn)行皂化值測定的數(shù)據(jù)是134.8，說明產(chǎn)品為單酯和雙酯或多酯的混合物(單酯的皂化值應(yīng)為109.74)。由此計(jì)算產(chǎn)品的HLB值為6.50。

2.2.3 山梨醇月桂酸酯的表面活性作用

配制0.02%～0.1%山梨醇月桂酸酯的水溶液，在20℃下測定其對(duì)水溶液表面張力的降低情況，結(jié)果如圖4所示:

由圖4可見，山梨醇月桂酸酯對(duì)水溶液的表面張力降低明顯。當(dāng)山梨醇月桂酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時(shí)，可以使水溶液的表面張力降低30×10－5N/cm。當(dāng)山梨醇月桂酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，可以使水溶液的表面張力降低至41.5×10－5N/cm，這說明山梨醇月桂酸酯具有較好的表面活性作用。

圖4 月桂酸山梨醇酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其水溶液表面張力的影響

3 結(jié)論

用固定化脂肪酶催化山梨醇和月桂酸合成山梨醇月桂酸酯的適宜的條件為山梨醇∶月桂酸為2.0∶1 (物質(zhì)的量比)，酶的用量為0.24 g/mmol月桂酸，丙酮用量為10 mL/mmol月桂酸，在60℃下反應(yīng)72 h，月桂酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到98.2%。

當(dāng)山梨醇月桂酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，其水溶液的表面張力約為41.5×10－5N/m。

［1］Heesen，Jan Gerhard，Kuipers，et al.Method for the preparation of esters of polyalcohols:US 3 951 945［P］.1976－04－20

［2］McGrane，Paul，Borden，et al.Method for the direct esterification of sorbitol with fatty acids:US，7 151 186［P］.2006－12－19

［3］張曉鳴，周建，劉巧瑜，等.有機(jī)相脂肪酶催化合成技術(shù)在食品及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，25(1):120－126

［4］孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.南京:南京大學(xué)出版社，1997:87.

Synthesis of Lipase－Catalyzed Sorbitol Laurate

Zhang Hao1Peng Dongmei1Jin Chong1He Bingfang2
(Department of Applied Chemistry，Nanjing University of Finance＆Economics，Key Lab of Quality
Control and Further Processing of Cereal＆Oils in Jiangsu province1，Nanjing 210000)
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology2，Nanjing 210009)

Sorbitol laurate was synthesized from sorbitol and laurel acid in the presence of immobilized lipase.The influencing factors of the reaction，such as formula ratio of raw material，enzyme dosage，solvent dosage，reaction temperature and time，were investigated.Results:The conversion rate of laurel acid reaches 98.2%under such conditions as Novozym 435 lipase dosage 0.24 g/mmol laurel acid，the molar ratio of sorbitol to laurel acid 2.0∶1，solvent dosage acetone 10 mL/mmol laurel acid，and reflux reaction at 60℃ for 72 h.The surface tension of the aqueous solution of sorbitol laurate at concentration 0.06%is about 41.5×10－5N/m.

sorbitol，laurel acid，sorbitol laurate，immobilized lipase，surfactant

TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003－0174(2010)11－0066－04

973計(jì)劃(2009CB724700)，863計(jì)劃(2007AA02Z210)

2009－10－27

張灝，女，1957年出生，副教授，食品添加劑