蔗糖酯的生物法合成与提取

赵洪娥，崔 励

(大连工业大学化工与材料学院，辽宁 大连 116034)

蔗糖酯(Sucrose ester，SE)是蔗糖脂肪酸酯(Sucrose fatty acid ester)的简称，按照欧共体标准EWG-Nr.E473和美国FDA-CFR No.172 859食品条例，它是由蔗糖与正羧酸反应生成的一大类有机化合物的总称，属多元醇型非离子表面活性剂[1]。蔗糖酯按蔗糖中羟基与脂肪酸酯化度的不同可分为单酯、双酯、多酯，是以蔗糖分子中的游离羟基为亲水基团、天然油脂中的脂肪酸为憎水基团的一种安全、无毒、无刺激、无污染、稳定性好、可完全生物降解的非离子型表面活性剂，广泛应用于食品、化妆品、洗涤剂、医药、纺织、农牧等行业[2～6]，具有巨大的市场应用潜力。

1 蔗糖酯的性质

蔗糖酯外观白色或米黄色，多呈粉末状、块状或蜡状固体，也有的呈黄褐色的膏状液体；口感微甜或稍苦，无味； 在120℃以下稳定，加热到145℃以上分解；熔点较低，但粘度大；易吸潮，易溶于乙醇、丁酮、丙酮和其它有机溶剂；在弱酸弱碱性条件下稳定，反之则易水解[7]。与其它的非离子型表面活性剂相比，蔗糖酯有三大优点：(1)蔗糖酯可食用，对人体无害且无刺激性；(2)蔗糖酯本身及其水解产物可以作为营养物质被人体吸收；(3)由于蔗糖含有多个羟基，可以通过控制其酯化度来获得不同HLB值的蔗糖酯，因此，这类酯具有广泛的HLB值：1～16[8]。

2 蔗糖酯的生物法(酶法)合成

蔗糖酯的合成方法有化学法和生物法。其中生物法也称酶法，与化学法相比，具有催化活性高、反应条件温和、选择性强、产物分离简单等优点，为蔗糖酯的合成开辟了一条新途径。生物法合成的蔗糖酯不仅具有乳化、润湿和增溶等表面活性，而且具有增强免疫、抗肿瘤的性能[6]。

生物法合成蔗糖酯的关键在于酶和反应介质的选择。

2.1 酶的选择

酶促合成蔗糖酯反应中酶的选择至关重要，为了找到合适的酶，不仅要了解酶的结构特征、催化机制，而且要进行大量的实验[9]。研究发现：蛋白酶、脂肪酶、 抗体酶均能用来合成蔗糖酯。酶催化剂选择性高，通过不同酶催化得到的区域选择性产物具有特殊的用途。不同酶的区域选择性不同，归纳起来有如下特征：(1)来自枯草杆菌的蛋白酶的区域选择性体现在蔗糖的1′-OH，另外还有其它几种蛋白酶表现2-OH的选择性，但蛋白酶通常不接受长链(>C12)脂肪酸作为酰基供体，因此限制了蛋白酶在表面活性剂制备方面的适用性；(2)与蛋白酶相比较，脂肪酶可催化宽范围的蔗糖酯的合成，其酰化一般发生在6-OH；(3)最近研究发现抗体酶也能催化合成蔗糖酯。这不仅增加了合成蔗糖酯的酶的种类，而且由抗体酶可得到更纯的6-O-蔗糖单酯。

Pedersen等[10]以蔗糖和乙烯基月桂酸酯为原料，用从BacilluspseudofirmusAL-89中提取的碱性蛋白酶为催化剂在有机溶剂中合成蔗糖月桂酸单酯，该酯化反应主要发生在2-O位置。Raku等[11]用枯草芽孢杆菌蛋白酶作催化剂在二甲基甲酰胺中催化10-十一烯碳酸与蔗糖合成1′-十一烯碳酸蔗糖酯。Sarney等[12]用Chromobacteriumviscosum脂肪酶在有机溶剂存在或无溶剂情况下催化蔗糖乙缩醛与脂肪酸合成蔗糖单酯，具有良好的结构选择性，避免了以往化学法产生多种异构体杂质的情形。生物法催化蔗糖酯所用的酶见表1。

表1 生物法催化蔗糖酯所用的酶

2.2 反应介质的影响

由于能溶解蔗糖等物质的极性溶剂对催化剂酶的活性有抑制作用[19]，因此，寻求兼顾底物溶解度和酶活性的溶剂充当反应介质是生物法合成蔗糖酯的核心问题之一。

溶剂效应在非水相酶促反应中是一个关键因素，有机溶剂中的酶活性与溶剂的疏水性有关。对于一些能耐受极性溶剂的蛋白酶，溶剂大多选择DMF、DMSO等单一极性试剂[10，20]。而对于脂肪酶，单一极性溶剂或非极性溶剂很难兼顾酶活性和底物溶解度。在弱极性溶剂中加入少许极性溶剂能提高底物溶解度，同时酶活性也降低不大，因此使用混合溶剂成为趋势，如叔丁醇/吡啶、DMF/吡啶、DMF/DMSO体系[10，21]等。Pedersen等[14]报道了碱性蛋白酶AL-89在V(DMSO)∶V(DMF)=1∶1混合溶剂中催化酯交换反应，产物为2-O-酰基蔗糖酯和1′-O-酰基蔗糖酯；而在DMF或吡啶单一溶剂中，酰化位置仅为蔗糖伯羟基。Ferrer 等[17]研究发现，在叔戊醇/DMSO 的混合体系中，少量的DMSO 可以增加蔗糖的溶解性，使得酰化过程能够进行，同时反应媒介大部分是叔戊醇(大多数脂肪酶在其中很稳定)，生物催化剂的失活大大降低。Lkeda等[22]利用苯基硼酸增溶法在叔丁醇中以脂肪酶Pseudomonassp.Lipoprotein催化合成了多种具有聚合能力的乙烯基丙烯酸蔗糖酯，其中乙烯基丙烯酸蔗糖酯24 h时的产率为31%；而相同条件下，未加苯基硼酸的空白实验中未见产物。

3 蔗糖酯的提取

无论化学法还是生物法生产的蔗糖酯中均残留大量的杂质，必须经过精制，这就要求建立一套适合于蔗糖酯分离提纯的方法。

蔗糖酯传统的分离工艺主要有沉淀法、含水溶剂萃取法、 共沉淀法以及这些分离方法的联用。近年来，生物法的应用使得产品的纯度有了较大的提高，杂质含量相对降低，但由于医用等行业对蔗糖酯纯度要求的提高，使得传统分离工艺结合先进工艺进行精制成为趋势。目前常用的先进技术有分子蒸馏法、气液界面吸附分离法、薄层色谱法、高效液相色谱法、离子交换法等。

3.1 分子蒸馏法[23]

分子蒸馏是一种在高真空度下进行液液分离操作的连续蒸馏过程，广泛应用于石油化工、食品、医药等工业。分子蒸馏的分离作用是利用液体分子受热时会从液面溢出，不同种类分子溢出后的运动平均自由程度不同而实现物质的分离。 待分离组分在远低于常压沸点的温度下挥发，特别适合于分离高沸点、高粘度、热敏性的天然产物，比常规蒸馏分离程度更高。

蔗糖多酯是蔗糖分子中有6个以上的羟基发生酯化反应时生成的一类化合物，它可以作为脂肪替代品，以降低食品中脂肪的含量。蔗糖多酯粗产物中含有脂肪酸钾皂、未反应的脂肪酸甲酯、游离脂肪酸及色素等杂质。采取分子蒸馏法在较低的温度(此温度下蔗糖多酯是稳定的)分离提纯蔗糖多酯，游离脂肪酸及其低碳醇酯降至1%以下，得到光泽透明、淡黄色油状的蔗糖多酯纯品。

3.2 气液界面吸附分离法

气液界面吸附分离法是利用不同物质的疏水性不同，在其混合物的水溶液的气液界面的吸附性不同，从而达到分离目的。蔗糖酯产品一般由单酯、双酯、多酯及部分杂质组成，分离过程中，其中疏水性强的组分优先在气液界面吸附，这样经过一个长的分离柱就可以得到相对较纯的目标产物。

3.3 薄层色谱法

薄层色谱法是色谱中应用最普遍的方法之一。蔗糖酯合成产物中含有不同链长脂肪酸的蔗糖单酯、 双酯及多酯。这些化合物在薄层层析板上展开显色后，由于极性不同而显示的斑点的值不同，达到分离纯化。薄层色谱法虽然能较好地分离单酯、双酯和多酯，却不能有效地分离这些酯的异构体。

3.4 高效液相色谱(HPLC)法[24]

HPLC 是一种蔗糖酯的快速定量方法，同时也是一种分离提纯高纯度蔗糖酯的方法。高效液相色谱结合蒸发光检测器，采用溶剂梯度洗脱，在蔗糖酯异构体分离上得到了很好的应用。Moh等[25]采用反相高效液相色谱柱进行双重梯度洗脱，分别以75% 甲醇-25%水混合液、95%甲醇-5%水混合液进行洗脱，可以将不同长度酰基链(C16和C18)的单酯和双酯完全分开。

3.5 离子交换法

采用离子交换法分离提纯蔗糖酯，工艺简便、分离效果好，回收率高，且离子交换树脂可再生使用，洗脱液可蒸馏回收，是蔗糖酯分离提纯的新方向。

3.6 其它方法

膜分离技术和二氧化碳超临界流体萃取技术等在蔗糖酯的提纯分离上也有应用。膜分离技术简单、节能、高效、无二次污染。二氧化碳超临界流体萃取技术在国外已有应用，分离原理是：二氧化碳的超临界流体萃取甘油脂肪酸等油脂物质，在萃取物中得到蔗糖酯。

4 展望

目前，我国的蔗糖酯产量很低，蔗糖多酯的生产刚刚处于起步阶段，远远不能满足未来市场的发展需要，而其生产原料蔗糖和脂肪酸两种资源十分丰富，尤其是国内蔗糖严重供过于求，亟待开发下游产品。因此，今后蔗糖酯工业的发展关键是采用先进的合成工艺，降低生产成本，提高产品质量，扩大生产规模，促进我国食品和日化工业的结构调整。

[1] 陈永富，袁长贵，施邑屏.蔗糖酯合成工艺改进的研究[J].浙江化工，2007，38(1)：10-11.

[2] Yamau C，Tokuhara Y，Ohyama Y，et al.Inhibitory effect of sucrose ester on degreening in citrus nagato-yuzukichi fruit during storage[J].Postharvest Biol Technol，2008，47(3)：333-337.

[3] Fanun M，Wachtel E，Antalek B，et al.A study of the microstructure of four-component sucrose ester microemulsions by SAXS and NMR[J].Aspects，2001，180(1-2)：173-186.

[4] Huangn M，Radiman S，Lim H N，et al.Synthesis and characterization of ultra small PbS nanorods in sucrose ester microemulsion[J].Mater Lett，2009，63(3-4)：500-503.

[5] Kennedy J F，Kumar H，Panesar P S，et a1.Enzyme catalyzed regioselective synthesis of sugar esters and relatated compounds[J].Chem Technol Riot，2006，81(6)：866-876.

[6] Degnl P，Pedersen L H，Duus J，et al.Lipase-catalysed synthesis of glucose fatty acid esters intert-butanol[J].Biotechnology Letters，1999，21(1)：275-280.

[7] Irene J A，Baker D，Neil F，et al.Sugar fatty acid ester surfactants：Base-catalyzed hydrolysis[J].Nal of Surfactants and Detergents，2000，3(1)：29-32.

[8] Angela S，Maria B S，Istvan E，et al.Study of gel-forming properties of sucrose esters for thermosensitive drug delivery systems[J].International Journal of Pharmaceutics，2010，383(1-2) ：132-137.

[9] 邹义英，谭贤勇，李军生.酶催化合成蔗糖酯研究进展[J].食品科学，2007，28(7)：546-550.

[10] Pedersen N R，Wimmer R，Matthiesen R，et al.Synthesis of sucrose laurate using a new alkaline protease[J].Tetrahedron：Asymmetry，2003，14(6)：667-673.

[11] Raku Takao，Kitagawa Masaru，Shimakawa Hiromi，et al.Enzymatic synthesis of hydrophilic undecylenic acid sugar esters and their biodegradability[J].Kluwer Academic Publishers，2003，25(2)：161-166.

[12] Sarney D B, Barnard M J, MacManus D，et al.Application of lipases to the regioselective synthesis of sucrose fatty acid monoesters[J].JAOCS，1996，73(11)：1481-1487.

[13] Rich J O，Bedell B A，Dordick J S.Controlling enzyme-catalyzed regioselectivity in sugar ester synthesis[J].Biotechnol Bioeng，1995，45(5)：426-434.

[14] Pedersen N R，Halling P J，Pedersen L H，et a1.Efficient transesterification of sucrose catalysed by the metalloprotesse thermolysin dimethylsulfoxide[J].Febs Lett，2002，519(1-3)：181-184.

[15] Kim J E，Han J J，Yoon J H，et al.Effect of salt hydrate pair on lipase-catalyzed regioselective monoacylation of sucrose[J].Biotechnol Bioeng，1998，57(1)：121-125.

[16] Ferrer M，Cruces M A，Bernabe M，et al.Lipase-catalyzed regioselective acylation of sucrose in two-solvent mixtures[J].Biotechnol Bioeng，1999，65(1)：110-115.

[17] Ferrer M，Soliveri J，Plou F J，et al.Synthesis of sugar esters in solvent mixtures by lipases fromThermomyceslanuginosusandCandidaAntarcticaB，and their antimicrobial properties[J].Enzyme and Microbial Technology，2005，36(4)：391-398.

[18] Scherrmann M C，Boutboul A，Estramareix B，et al.Binding properties and esterase activity of monoclonal antibodies elicited against sucrose 6-heptylphosphonate[J].Carbohydrate Res，2001，334(4)：295-307.

[19] Somashekar B R，Divakar S.Lipese calalyzed synthesis of L-alanyl esters of carbohydrates[J].Enzyme Microb Technol，2007，40(2)：299-309.

[20] Borges M R，Balaban R.Sucrose-branched polymer synthesizedby protease fromBacillussubtilis[J].Macromol Symp，2007，258(1)：25-29.

[21] Pedersen N R，Wimmer R，Emmersen J，et al.Effect of fatty acid chain length on initial reaction rates and regioselectivity of lipasecatalysed esterification of disaccharides[J].Carbohydrate Research，2002，337(13)：1178-1183.

[22] Lkeda I，Klibanov A M.Lipase-catalyzed acylation of sugars solubilized in hydrophobic solvents by complexation[J].Biotechnol Bioeng，1993，42(6)：788-791.

[23] 付晶晶，孙卫东.蔗糖酯分离提纯研究进展[J].食品研究与开发，2008，29(12)：157-159.

[24] 朱金丽，李建华，孙同明，等.糖酯的HPLC-ELSD法分离与测定[J].精细化工，2009，26(7)：633-638.

[25] Moh M H，Tang T S，Tan G H.Improved separation of sucrose ester isomers using gradient high performance liquid chromatography with evaporative light scattering detection[J].Food Chemistry，2000，69(1)：105-110.