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脂肪酶催化麦芽糖硬脂酸酯合成的研究


脂肪酶催化麦芽糖硬脂酸酯合成的研究
卜庆珍 摘要:脂肪酸糖酯是一类用可再生资源合成的、无毒、易生物降解的非离子型表面活性剂,具有 良好的乳化性、稠化性和膨化性,广泛应用于食品、化妆品、制药和洗涤产品。本文利用固定化脂肪 酶在有机溶剂中催化麦芽糖浆和硬脂酸乙酯的合成反应,研究了反应体系中脂肪酶的加入量、反应时 间、反应温度、底物配比、体系含水量等因素对催化麦芽糖硬脂酸酯反

应的影响规律,确定了酶促反 应的工艺条件,同时对产物进行了定性、定量分析。研究结果表明:酶加入量为 10%,反应温度 75℃、 含水量为有机溶剂的 10%,底物中酸、糖的摩尔比为 1:1,反应时间 24h,在该条件下,酯化反应的 最大转化率可达 61.3%。 关键词:脂肪酶;麦芽糖浆;硬脂酸乙酯;麦芽糖硬脂酸酯。

Lipase-catalyzed Synthesis of Maltose Fatty Acid Ester
BU Qing-zhen Abstract: Sugar fatty acid ester is a kind of renewable resources of the synthetic, non-toxic, biodegradable easy nonionic surfactant, has a good emulsifying property, Viscous and swelling resistance,be widely used in food, cosmetics, pharmacy and wash products.The effects of facts on esterification of maltose syrup and stearic acid by immobilized lipase in solvent have been studied,such as amounts of lipase, reaction time,reaction temperature, reaction materials ratio, water content, determining the conditions of the enzymatic reaction and analyze the quality and quantity of the products. The results show that:after 24h,the conversion yield in organic solvents synthesis by immobilized lipase was 61.3 % of 10 % immobilized enzyme humidity, 10% of water, reaction materials ratio1:1 at 75℃. Key words: lipase; maltose syrup; stearic acid; maltose stearic acid ester. 脂肪酸糖酯是一类用可再生资源合成的、无毒、易生物降解的非离子型表面活性剂 [1]。其具有良 好的乳化性、稠化性和膨化性,并且可以通过调控脂肪酸和糖的种类以及酯化程度来合成不同HLB值 的产物。 广泛应用于食品、化妆品、制药和洗涤产品[2-4]。麦芽糖脂肪酸酯是麦芽糖与脂肪酸缩合而成, 麦芽糖分子上有多个可参与酯化反应的羟基,酯化反应过程复杂,产物种类多 [5] 。以单酯为例,方程 式如下:
O HO
CH 2OH H O H OH OH H OH H H H H OH CH 2OH O H OH H OH H

+

溶剂

O

O
CH 2O H OH H OH O H OH H H H H OH CH 2OH O H OH H OH H

+

H 2O

O

本文中采用的脂肪酶是一种经过基因改性的米曲霉微生物进行深层发酵并吸收在一种大孔性树脂 上而制成的固定化酶;采用正己烷、叔丁醇等溶剂是基于脂肪酶在其环境中有很好的稳定性和活性, www.100biotech.com service@100biotech.com

可以维持酶催化活性而营造的微水相反应环境的需要,以及与脂肪酶还有协同增效的优点。先加入部 分水使麦芽糖浆与有机溶剂形成均一体系,再用油水分离器出去反应中的水,使反应向着酯化方向进 行。本文研究酶促反应合成糖酯化合物具有理论与现实意义。

1 材料与方法
1.1 材料 Novozym435 脂肪酶,诺维信公司; 薄层层析硅胶板,青岛海洋化工厂; 麦芽糖浆,河北燕南集团有限公司; 正己烷、叔丁醇均为分析纯试剂。 1.2 主要仪器 TDA-8002 型水浴锅。 1.3 方法 1.3.1 酶促糖酯反应 称取适量硬脂酸乙酯分别置于 250mL 平底烧瓶中,每个烧瓶中再加入准确称适量麦芽糖浆,再分 别加入适量的叔丁醇、正己烷、水于其中,置于水浴恒温振荡器中振荡 10min 后再加入适量脂肪酶反 应 24h。每次单一因素考察实验均为固定基本条件,改变考察的单一因素。 1.3.2 分析方法 1.3.2.1 定量分析 通过 Lane-Eynon 法测定反应体系在反应前、后还原糖的减少量确定酯化反应产率。 1.3.2.2 定性分析 薄层色谱法。硅胶板,展开剂成分比例:氯仿:甲醇:醋酸:水为 81:9:8:2,显色剂:10% 的磷钼酸乙醇溶液。薄板经 100℃加热 10min,糖酯斑点显绿色。 1.3.3 转化率的计算方法 转化率的计算如下:转化率% = (1-AV2 /AV1)×100 式中:AV 1 ———为反应前还原糖质量,mg; AV 2 ———为反应后还原糖质量,mg。 2.1 脂肪酶加入量对酯化反应的影响 实验结果如图 1 所示。由图 1 可知,Novozym435 酶的加入量在 2%时,反应的转化率已达到很大 程度为 45.4%。随着酶加入量的提高,反应的转化率继续增大,在酶加入量为 12%时反应达到最大转 化率,之后继续提高酶加入量反应的转化率基本不变。酶的价格比较高,从成本角度考虑,12%的酶 加入量较为经济合理。

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85 80 75 70 65 转化率(%) 60 55 50 45 40 0

4

8 12 脂肪酶含量(%)

16

20

图 1 脂肪酶加入量对酯化反应的影响图

2.2 反应时间对酯化转化率的影响 实验结果如图 2 所示。由图 2 可以看出,时间对于酶促合成有很大的影响,在一定时间内随着反 应的进程,转化率是增加的。对于一个可逆反应,当反应时间达到一定限度时,反应体系处于一种动 态的平衡状态中,转化率也就基本保持不变。本实验中,反应进行到 24h 达到最大转化率,继续进行 不仅对反应转化率影响不大而且造成能耗的增加因此,反应时间选在 24h 为宜。

80 75 70 转化率(%) 65 60 55 50 6 12 18 24 时间(h)
2 反应时间对酯化转化率的影响

30

36

2.3 温度对酯化反应的影响 实验结果如图 3 所示。由图 3 可知,在固定底物配比及催化剂加入量相同的情况下,温度不仅影 响酶的催化活性,也影响底物的状态、黏度等。在本实验的温度范围内,体系具有较好的稳定性。温 度升高,酯化反应速度增大,在一定时间内酯的产率提高,但温度太高降低了酶的活性,影响其催化 效果;而温度过低不利于水的蒸出,不利于酯的生成,影响终产率。在 75℃时,反应达到最佳转化率。 因此,75℃是适宜的反应温度。

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90 80 转化率(%) 70 60 50 40 30 70 75 80 温度(℃) 85 90

图 3 温度对酯化反应的影响

2.4 底物配比对酯化反应的影响 实验结果如图 4 所示。由图 4 可以看出,酸糖的摩尔比对于反应的影响较明显。通常反应物增多 有利于可逆反应向右进行,但本实验的反应物中酸和糖本身不能形成均相,而是通过特定的有机相形 成的均相体系,改变反应物配比破坏了原有的均相体系,因而反应转化率下降。只有当酸糖的摩尔比 为 1∶1 的情况下,反应的转化率最高。

80 75 70 转化率(%) 65 60 55 0.5

1

1.5 2 底物摩尔配比
图 4 底物配比对酯化反应的影响

2.5

3

2.5 体系中的含水量对酯化反应的影响 水的存在是维持酶活力所必需的,对于酯化反应,水又是酯合成反应的产物。因此,反应体系中 的含水量不仅影响酶的催化活性,而且还可使反应的平衡点发生移动。当体系中水的含量超过一定限 度时,主要反应向水解方向进行,影响反应的速率和转化率。由图 5 中的曲线可以看出,在一定的反 应时间里,转化率随含水量增加而增加,当含水量超过 10%以后,转化率下降,这是由于水分过多全 部蒸出耗时长,致使反应平衡点向水解方向移动。因此,体系的最佳含水量为 10%。

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80 75 70 转化率(%) 65 60 55 5 10 15 20 含水量(%) 25 30

图 5 体系中的含水量对酯化反应的影响

2.6 适宜条件下产品的制备与转化率的计算 适宜条件:底物配比:硬脂酸:麦芽糖浆=1:1;反应时间:24h;反应温度:75℃;脂肪酶加入 量占脂肪酸质量的 12.0%;含水量:占有机溶剂质量的 10%;叔丁醇、正己烷适量。取 3 份同样条件 反应物,反应前后,用斐林试剂测定反应前后糖的减少量,计算转化率。经计算最大转化率为 81.3%。 2.7 薄层色谱 实验结果如图 6 所示。其中 1 为反应初始样品;2 为反应终产物样品;3 为糖酯对照品。糖酯样品中的 叔丁醇、麦芽糖硬脂酸酯、糖、硬脂酸乙酯都能得到较好的分离,由于麦芽糖和叔丁醇的极性大,斑 点出现在板的下端,由于硬脂酸乙酯的极性小,斑点出现在板的最上端。糖酯的斑点出现在板的中央 及下部,经磷钼酸显色后呈绿色,它是糖酯的特征颜色。

1
图6 薄层色谱图

2

3

薄层色谱的定性分析结果表明,以正己烷、叔丁醇为有机溶剂、Novozym435 脂肪酶为催化剂、 同时用油水分离器出去反应中的水可以催化合成麦芽糖硬脂酸酯。

3

结论
以麦芽糖浆、硬脂酸为原料,以正己烷、叔丁醇为溶剂,采用 Novozym435 脂肪酶作催化剂,同

时用油水分离器出去反应中的水,使反应向酯化方向进行,合成麦芽糖硬脂酸酯是可行的,该酶在有 机溶剂存在下催化酯化反应,具有高效催化活性和对环境的适应性。该酯化反应的最佳工艺条件为: 酶加入量为脂肪酸质量的 10%,反应温度 75℃、含水量为有机溶剂的 10%,底物中酸、糖的摩尔比为 www.100biotech.com service@100biotech.com

1:1,反应时间 24h。在该条件下,酯化反应的最大转化率可达 81.3%。该工艺反应产率较高、设备简 单。 参考文献:
[1] 彭立凤, 杨国营. 脂肪酶催化合成生物表面活性剂[J]. 日用化学工业, 2000(2): 35-38. [2] 张灏, 严梅荣, 彭冬梅. 麦芽糖脂肪酸酯的制备研究[J]. 食品科学,2006, 27 (11): 257-259. [3] 张晓鸣, 周健, 刘巧瑜, 等. 有机相脂肪酶催化合成技术在食品及相关领域的应用[J]. 食品与生物技术学报, 2006, 25(1): 120-125. [4] HUSBAND F A, SARNEY D B, BARNARD M J, et al. Comparison of foaming and interfacial properties of pure sucrose monolaurates, dilaurate and commercial preparations[J]. Food Hydrocolloids, 1995(12): 237-244. [5] FERRER M, CRUCES M A, PLOU F J, et al. A simple procedure for the regioselective synthesis of fatty acid esters of maltose, leucrose, maltotriose and n-dodecyl maltosides[J]. Tretrahedron, 2000, 56: 4053-4061.

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