麦芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成及表面张力测定

2010-03-23王振虎彭冬梅汪一帆何冰芳

食品科学 2010年18期

张灏，王振虎，彭冬梅，汪一帆，何冰芳

(1.南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室，江苏南京 210003；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京 210009)

张灏1，王振虎1，彭冬梅1，汪一帆1，何冰芳2

以脂肪酶为催化剂，以麦芽糖醇和脂肪酸为原料合成麦芽糖醇脂肪酸酯。通过考察原料配比、催化剂的用量、反应时间、溶剂用量等主要因素对反应的影响，确定最佳反应条件。结果表明，以脂肪酶 Novozym 435为催化剂，脂肪酶用量为0.24g/mmol脂肪酸，溶剂丙酮的用量为10mL/mmol脂肪酸，麦芽糖醇:脂肪酸为2:1(mol/ mol)，在60℃条件下反应80h，脂肪酸的转化率为91%～95%。当麦芽糖醇脂肪酸酯溶液质量分数为0.06%时，表面张力为38～40mN/m。

麦芽糖醇；脂肪酸；脂肪酶；合成；麦芽糖醇脂肪酸酯；表面张力

以淀粉为原料，经生物酶解而制得淀粉糖(葡萄糖、麦芽糖或其氢化物山梨醇、麦芽糖醇等的总称)，后者经与脂肪酸酯化反应而形成的淀粉糖脂肪酸酯是一类很重要的具有优良乳化增稠性能的，有生物降解的，对人体无刺激，安全性好的多元醇酯类非离子表面活性剂，属食品乳化剂一类[1-2]。淀粉糖脂肪酸酯它不但具有单甘酯、蔗糖酯相同的乳化作用，而且还有增稠、分散、抗氧化、杀菌等多种功能。特别是它的乳化稳定性有其独特的性能，可用来取代动、植物胶。而且它还有调节人体的生理机能的作用，因而它的开发迎合了人们期待的天然、营养、低热量、多功能作用的要求。淀粉糖脂肪酸酯可作为食品工业、药品工业、化妆品行业的分散剂、乳化剂、稳定剂、悬浮剂、增稠剂、混浊剂、黏结剂和增泡剂、洗涤剂用。淀粉糖脂肪酸酯的开发可为乳化剂系列增添一类新的酯类产品，丰富了乳化剂的品种，是有着很好前景的一类产品[3-5]。

目前国内外大多采用化学方法制备淀粉糖脂肪酸

酯。如以麦芽糖醇(麦芽糖的加氢产物[6])与硬脂酸在催化剂存在下，在一定的溶剂中直接缩合酯化得麦芽糖醇硬脂酸酯[7-10]或以麦芽糖醇和脂肪酸甲酯或脂肪酰氯在碱性催化剂存在下反应得到麦芽糖醇脂肪酸酯[11-12]。化学法通常采用酸或碱作催化剂，合成反应需在极性溶剂(如DMF、DMSO等)中，在高温下进行，虽然收率也较高，但是，由于该方法合成的产品中会残留具有毒性的溶剂且高温反应会使产品的色泽较深，产物较难分离提纯，生产成本高，影响产品在食品工业中的应用。为了克服这些缺陷，采用脂肪酶催化糖酯的合成反应，因为其反应条件温和，操作简单，副产物少，收率高，而越来越受到人们的重视[13-17]。

本实验主要研究以脂肪酶为催化剂，以脂肪酸和麦芽糖醇为主要原料，在一定条件下酯化得到麦芽糖醇脂肪酸酯的反应。通过考察原料配比、催化剂用量、反应时间、溶剂用量等因素对合成麦芽糖醇脂肪酸酯反应的影响，确定了合成麦芽糖醇脂肪酸酯的最佳反应条件，并对产物进行表面张力测定。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

麦芽糖醇(工业品)：固形物质量分数为85%；Novozym 435脂肪酶 Novo公司；棕榈酸、月桂酸、丙酮、丁酮(化学纯)、分子筛(3，球状φ3～5mm) 中国医药集团上海化学试剂公司。

磁力加热搅拌器常州国华电器有限公司；旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂；VAVOVRT 360 FT-TR红外光谱仪美国Thermo Nicolet公司；1100HPLC-MSD (SL)型液质联用仪美国Agilent公司。

1.2 麦芽糖醇棕榈酸酯的合成反应

1.3 方法

1.3.1 麦芽糖醇脂肪酸酯的合成

停止加热，冷却反应液，滤出固定化脂肪酶。以酚酞作指示剂，用NaOH醇溶液滴定未反应完的脂肪酸。滴定后的反应液用丁酮萃取麦芽糖醇脂肪酸酯，丁酮萃取液用水洗至中性，干燥后用旋转蒸发仪蒸出溶剂丁酮并得产品麦芽糖醇月桂酸(或棕榈酸)酯。

1.3.2 表面张力

按文献[18]方法测定。

1.3.3 定性分析

薄层色谱分析：硅胶板，展开剂：甲苯:乙酸乙酯:甲醇:水＝10:4.0:4.5:1.0(V/V)，显色剂：碘蒸气。

红外光谱分析：采用KBr压片法。

质谱分析条件(MS)：离子方式ESI+，ESI－，细管电压3.87kV，锥孔电压40V，离子源温度100℃，光电倍增器电压700V，气体流速4.2L/h，质量扫描范围200～1200m/z。

1.3.4 定量分析及计算

脂肪酸转化率的测定：以酚酞为指示剂，用0.05mol/L NaOH溶液滴定反应液中未反应完的脂肪酸量。计算脂肪酸的反应转化率。

式中：m为脂肪酸的用量/g；M脂肪酸为脂肪酸的相对分子质量；CNaOH为NaOH溶液浓度/(mol/L)；VNaOH为消耗的NaOH溶液的体积/L。

2 结果与分析

2.1 原料配比对反应的影响

在脂肪酸用量为0.5mmol、脂肪酶Novozym 435的用量为0.15g、溶剂用量15mL、温度60℃的条件下，改变麦芽糖醇的用量，反应24h，结果如图1所示。

图1 原料配比对反应转化率的影响Fig.1 Effect of maltitol/fatty acid molar ratio on the conversion ratio of fatty acid

由图1可知，在原料配比麦芽糖醇:脂肪酸酸分别使用1.5:1、2:1、2.5:1进行反应时，麦芽糖醇:脂肪酸为2:1时，脂肪酸的反应转化率是最好的，但是，结果相差不大。即在本实验条件下原料配比对反应的影响较

小。分析原因，是因为麦芽糖醇和脂肪酸为互不相溶体系，在反应中，用丙酮做溶剂，即使能建立一个均相的反应体系，由于麦芽糖醇在丙酮中的溶解度比较小，溶液中随麦芽糖醇的量增加而改变不大。而当麦芽糖醇达到一定用量后，会破坏原有的平衡，导致脂肪酸反应的转化率降低。所以，反应中选择麦芽糖醇:脂肪酸的配比为2:1为反应的最佳配比。

2.2 反应时间对反应的影响

在麦芽糖醇的用量为1.0mmol、脂肪酸的用量为0.5mmol、脂肪酶Novozym 435的用量为0.15g、溶剂用量为15mL、反应温度为60℃的条件下，进行时间对反应的影响实验，其结果如图2所示。

图2 反应时间对脂肪酸酸反应转化率的影响Fig.2 Effect of reaction duration on the conversion ratio of fatty acid

由图2可见，随着反应时间的延长，脂肪酸的转化率显著提高，反应时间80h达到最大值。

2.3 溶剂丙酮用量对反应的影响

在麦芽糖醇用量为1.0mmol、脂肪酸用量0.5mmol、脂肪酶Novozym 435用量为0.15g，60℃反应72h的条件下，考察改变溶剂丙酮用量对反应的影响，结果如图3所示。

图3 溶剂用量对脂肪酸酸反应转化率的影响Fig.3 Effect of acetone amount on the conversion ratio of fatty acid

由图3可以看出，随着溶剂的用量减少，反应转化率有明显提高。说明溶剂用量对反应影响较大，这是因为溶剂用量减少，可以使脂肪酶的浓度增加，有利于反应的进行。但是，进一步减少溶剂的用量会使反应在比较黏稠的状态下进行，而且不利于脂肪酶(固体颗粒状)的催化反应效果。故在本实验中选择溶剂的用量为5mL，此时反应混合物处于良好的流动状态，脂肪酶的催化效率高，脂肪酸的反应转化率也较高。

2.4 脂肪酶用量对反应的影响

在麦芽糖醇的用量为2.0mmol、脂肪酸用量为1.0 mmol、溶剂用量为10mL、60℃反应80h的条件下，考察脂肪酶的用量对反应的影响，结果如图4所示。

图4 酶用量对棕榈酸反应转化率的影响Fig.4 Effect of enzyme amount on the conversion ratio of fatty acid

由图4可见，在本实验条件下，当酶的用量增加时，脂肪酸的反应转化率增加。当酶的用量为0.24g/ mmol脂肪酸时，催化效果最好，棕榈酸及月桂酸的反应转化率分别为达到 90.6%和94.3%。

2.5 最佳条件实验

综合上述实验结果，以脂肪酶 Novozym 435为催化剂，用量为0.24g/mmol脂肪酸，脂肪酸用量为1mmol，麦芽糖醇用量为2.0mmol，溶剂用量为10mL，在60℃条件下反应80h，棕榈酸和月桂酸的转化率分别达91%和95%。该结果是本实验条件范围内的最好结果。

2.6 产品分析

图5 原料和产物的薄层色谱图Fig.5 TLC patterns of raw materials and reaction products

图5 为展开剂展开后的薄层色谱图。麦芽糖醇月桂酸酯的质谱鉴定：麦芽糖醇(单)月桂酸酯和麦芽糖醇双月桂酸酯的相对分子质量分别为526.3和708.3，质谱图

中出现549.4峰和731.3峰分别为[M 单酯+Na]和[M 双酯+Na]的质谱信号，说明薄层色谱图5中的c1和c2分别为麦芽糖醇单月桂酸酯和麦芽糖醇双月桂酸酯。

麦芽糖醇棕榈酸酯的质谱鉴定：麦芽糖醇(单)棕榈酸酯和麦芽糖醇双棕榈酸酯的相对分子质量为582.4和820.5，质谱图中出现605.4峰和843.4峰分别为[M 单酯+Na]和[M 双酯+Na]的质谱信号，说明薄层色谱图5中的e1和e2分别为麦芽糖醇单棕榈酸酯和麦芽糖醇双棕榈酸酯。

红外光谱测试图谱显示：麦芽糖醇棕榈酸酯在波数为1735cm-1和1190cm-1处有酯的特征吸收峰，麦芽糖醇月桂酸酯在波数为在波数为1720cm-1和1090cm-1处有酯的特征吸收峰，说明产品为酯。

2.7 麦芽糖醇棕榈酸酯的表面活性作用

配制质量分数0.02%～0.1%麦芽糖醇脂肪酸酯的水溶液，在20℃条件下测定麦芽糖醇脂肪酸酯水溶液表面张力的降低情况，结果如图5所示。

图6 麦芽糖醇脂肪酸酯质量分数对其水溶液表面张力的影响Fig.6 Concentration dependent surface intension of aqueous solutions of the two synthesized maltitol fatty acid esters

由图6可见，麦芽糖醇脂肪酸酯对水溶液的表明张力降低明显。当麦芽糖醇脂肪酸酯水溶液质量分数0.04%时，就可以使水溶液的表明张力降低30mN/m。当麦芽糖醇脂肪酸酯水溶液的质量分数为0.06%时，可以使水溶液的表明张力降低至38～40mN/m，与蔗糖脂肪酸酯(30～46mN/m)相近，说明麦芽糖醇脂肪酸酯具有较好的表面活性作用。

3 结论

麦芽糖醇与脂肪酸在脂肪酶的催化作用下，合成麦芽糖醇脂肪酸酯是可行的。反应最适宜条件为：以脂肪酶 Novozym 435为催化剂，脂肪酶的用量为0.24g/mmol脂肪酸，溶剂丙酮用量为10mL/mmol脂肪酸，原料麦芽糖醇:脂肪酸为2.0:1，在60℃条件下，反应时间80h，脂肪酸的转化率为91%～95%。

测得本产品麦芽糖醇脂肪酸酯水溶液质量分数为0.06%时，表面张力为38～40mN/m。

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Enzyme-catalyzed Synthesis and Surface Tension Measurement of Maltitol Fatty Acid Esters

ZHANG Hao1，WANG Zhen-hu1，PENG Dong-mei1，WANG Yi-fan1，HE Bing-fang2
(1. Key Laboratory of Quality Control and Further Processing of Cereal and Oils in Jiangsu Province, College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210003, China；2. College Biotechnogy and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

Under the catalysis of Novozym 435 lipase, maltitol was reacted with each of two fatty acids, lauric acid and palmitic acid to synthesize maltitol fatty acid ester. The reaction between maltitol and lauric acid or palmitic acid was investigated with respect to the effects of four reaction conditions including maltitol/fatty acid molar ratio, reaction duration, amount of acetone as the reaction medium and enzyme amount. The optimal levels of these reaction conditions were determined as follows: enzyme amount 0.24 g/mmol fatty acid; acetone amount 10mL/mmol fatty acid; and maltitol/fatty acid molar ratio 2:1for a reaction duration of 80 h at 60 ℃, which gave a conversion ratio of fatty acid ranging from 91% to 95%. The 0.06% aqueous solutions of the two synthesized maltitol fatty acid esters under the above reaction conditions displayed a surface intension varying from 38 to 40 mN/m.

maltitol；fatty acid；lipase；synthesis；maltitol fatty acid ester；surface tension

TS202.3

1002-6630(2010)18-0153-04

2010-06-04

国家“863”计划项目(2007AA02Z210)；国家“973”项目(2009CB724700)

张灏(1957—)，女，副教授，主要从事精细化学品的合成和食品添加剂的开发研究。E-mail：zhanghaojx@sina.com