麦芽糖醇脂肪酸单酯表面性质的研究

王 洁，曾茂茂，何志勇，秦 昉，陈 洁

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡214122)

麦芽糖醇脂肪酸酯是一类新型优良的非离子型表面活性剂，由麦芽糖醇与脂肪酸缩合而成，广泛应用于食品、药品和化妆品行业。麦芽糖醇脂肪酸酯不但具有良好的乳化性、润湿性和增稠性，还具有一定的抑菌性。特别是它的乳化稳定性具有其独特的性能，可用来取代单甘酯作为口香糖胶基的原料［1］。麦芽糖醇脂肪酸酯的功能性质与其结构和组成有密切关系。研究表明单酯相对于二酯和多酯具有更好的起泡性、抑菌性、乳化性［2－3］。目前国内外在麦芽糖醇酯的研究方面大多采用混合物，很少用纯品研究高纯度单酯的性质，例如张灏等人对酶法合成的麦芽糖醇酯进行了初步分离，进而研究麦芽糖醇酯的粗产物的表面性质［4］。为了探明不同脂肪酸残基对于麦芽糖醇酯性质特别是表面活性的影响，本文采用非水相酶合成体系，以麦芽糖醇与脂肪酸为原料，固定化脂肪酶NOV435催化合成系列麦芽糖醇脂肪酸酯，经过分离纯化和结构鉴定，获得了高纯度单酯，在此基础上，详细研究了麦芽糖醇单酯的表面性质，以期为其进一步的生产和应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

固定化脂肪酶Novozym435 丹麦诺维信公司;麦芽糖醇 Roquette;月桂酸、辛酸、硬脂酸、二甲基亚砜(DMSO)、叔戊醇、正己烷、异丙醇、甲醇 中国医药集团上海化学试剂公司，分析纯;4Å分子筛、柱层析硅胶(200～300目)中国医药集团上海化学试剂公司;甲醇 百灵威，色谱纯;超纯水 实验室自制。

SHZ－88台式水浴恒温震荡器 江苏太仓市实验设备厂;液相色谱串联四极杆飞行时间质谱仪(LC－MS)、Waters1525高效液相色谱系统 美国Waters公司;扩口层析柱 上海锦华层析设备厂;自动部分收集器 上海沪西分析仪器厂;旋转蒸发仪瑞士BUCHI公司;全自动表面张力仪DCAT21德国KRUSS公司;AVANCE III 400MHz全数字化核磁共振谱仪 瑞士布鲁克拜厄斯宾有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 麦芽糖醇脂肪酸酯的酶法合成 取10mmol麦芽糖醇，40mmol脂肪酸(辛酸、月桂酸、硬脂酸)，1.5g固定化脂肪酶NOV435，6g 4Å分子筛，100mL脱水的叔戊醇/DMSO=4∶1于250mL具塞锥形瓶中，密封后放入50℃恒温水浴震荡(150r/min)中反应72h。

1.2.2 麦芽糖醇月桂酸酯的分离及鉴定 将反应液用滤纸过滤，除去其中的分子筛和酶，经硅胶柱层析分离。流动相为正己烷/异丙醇/甲醇 =4∶4∶2，流速为2mL/min，按1管/3min收集洗出液。洗出液经HPLC检测后，分段收集相应组分。HPLC的分析条件为:色谱柱为 Lichrospher C18(5μm，4.6mm ×250mm)，流速 1mL/min，进样量 20μL，流动相为甲醇－水(85∶15)溶液，柱温30℃，采用示差折光检测器，检测器灵敏度为32。将经过硅胶柱分离后的收集液蒸发掉有机溶剂，用色谱纯甲醇复溶，半制备HPLC制备。半制备条件为:色谱柱为Lichrospher C18(5μm，20.0mm ×250mm)，流速 8mL/min，进样量500μL，流动相为甲醇－水(85∶15)溶液。经半制备得到的馏出液蒸发掉有机溶剂，冻干。将最后得到的麦芽糖醇月桂酸单酯做 MS［5］、FT－IR［6］、NMR 分析鉴定［5］。

1.2.3 麦芽糖醇脂肪酸酯表面张力的测定 用Small Wilhelmy－Plate(10×9.95×0.2)测定不同温度下麦芽糖醇脂肪酸酯水溶液的表面张力γ，并且由表面张力曲线得出临界胶束浓度(CMC)［7］。利用公式计算CMC 时的最大吸附量 Γmax和最小截面积 Amin［8］。

2 结果与讨论

2.1 麦芽糖醇月桂酸酯的分离纯化及结构鉴定

固定化脂肪酶NOV435在叔戊醇/DMSO=4∶1混合溶剂中催化麦芽糖醇和脂肪酸合成麦芽糖醇酯。由于反应过程中生成了单酯和二酯，且反应液中还存在未反应的麦芽糖醇及脂肪酸，因此先采用硅胶柱除去反应液中的脂肪酸等杂质，再利用半制备HPLC进一步分离纯化，从而得到纯度较高的麦芽糖醇单酯。

硅胶柱层析分离后的洗脱液的HPLC图，如图1可知，洗脱液中不含月桂酸，7.8和8.3min分别是组分1和组分2，将组分1和组分2分别收集后做MS，发现组分1和2的质谱图一样。图2显示了硅胶柱分离组分2的质谱图，(a)图中出现的549峰为［M+Na］质谱信号，(b)图中出现的525峰和561峰分别是［M－H］和［M+Cl］质谱信号。由于麦芽糖醇月桂酸单酯的分子量为526，与质谱信号相吻合，因此组分1和2是两种位置异构的麦芽糖醇月桂酸单酯。

组分2的红外扫描图谱如图3所示，3375cm－1的宽峰为缔合－OH的伸缩振动吸收(γO－H);1100～1460cm－1为 δC－H吸收;1722cm－1处的强吸收峰为 γC=O吸收，是酯的特征吸收峰。在1700cm－1处没有明显的吸收峰，故可判断制备后的样品中不含月桂酸。

图1 硅胶柱层析分离后的洗脱液的HPLC图Fig.1 The HPLC of eluate separated by silica gel column chromatography

图2 硅胶柱分离组分2的质谱图:(a)正离子;(b)负离子Fig.2 MS spectra of component2 separated by silica gel column chromatograph:(a)ES+;(b)ES－

图3 组分2的IR图谱Fig.3 The IR spectra of component 2

由于固定化脂肪酶NOV435选择性催化酰化伯羟基，而麦芽糖醇结构中有三个伯羟基，因此采用NMR确定酰化的位置。经13C NMR分析，可进一步确定制备后的组分1、组分2分别是6－O－麦芽糖醇月桂酸单酯和6'－O－麦芽糖醇月桂酸单酯(＞95%)。因此，固定化脂肪酶NOV435高选择性催化6'位上的羟基。

表1 麦芽糖醇脂肪酸单酯的表面性质Table 1 Surfactant properties of the monoacyl maltitol

6－O－麦芽糖醇月桂酸单酯:13C NMR(δ，ppm)175.74(C=O)，103.04(C－1)，85.53(C－4 β)，75.07(C－3 α)，74.28(C－2 β)，73.85(C－5α)，73.27(C－5 β)，72.23(C－3 β)，72.23(C－2 α)，71.77(C－4 α)，64.87(C－6 β)，64.70(C－1 β)，64.38(C－6 α)，40.62(C－2)，35.11(C－3)，33.26(C－4)，30.93(C－5)，30.82(C－6)，30.66(C－7)，30.63(C－8)，30.42(C－9)，26.19(C－10)，23.92(C－11)，14.64(C－12)。

6'－O－麦芽糖醇月桂酸单酯:13C NMR(δ，ppm)175.67(C=O)，103.07(C－1)，85.24(C－4 β)，75.23(C－3 α)，74.76(C－5 α)，74.16(C－2 β)，73.96(C－2 α)，72.52(C－3 β)，71.70(C－4 α)，70.57(C－5 β)，67.04(C－6 β)，64.17(C－1 β)，40.62(C－2)，35.17(C－3)，33.25(C－4)，30.93(C－5)，30.80(C－6)，30.65(C－7)，30.62(C－8)，30.43(C－9)，26.18(C－10)，23.92(C－11)，14.63(C－12)。

2.2 麦芽糖醇脂肪酸酯的表面性质

表面活性剂吸附于气－液界面，在表面聚集，可以降低体系的表面张力。图4是30～60℃时具有不同疏水尾的麦芽糖醇单酯的表面张力与浓度的关系图。由图4可知，对于每一种麦芽糖醇单酯来说，在不同温度下，都是随着溶液浓度的升高，相应的表面张力下降，当浓度达到一定值时，表面张力不再有明显的变化，此时麦芽糖醇单酯水溶液的浓度即为临界胶束浓度(CMC)，对应的表面张力则为γCMC。

脂肪酸对麦芽糖醇酯的CMC有很大的影响，如图5所示，随着酰基链长的增加，糖醇酯的CMC降低。这个结果与Soultani与Chen报道的蔗糖酯和海藻糖酯的CMC与酰基链长的关系一致。这可能是因为酰基链长的增加，使得憎水性增大，较易形成胶束［8－9］。

温度对表面活性剂的 CMC有一定影响，如Tween80的CMC随温度升高而逐渐降低。图6显示了麦芽糖醇脂肪酸单酯CMC值与温度的关系。由图可见，在所研究的温度范围内，麦芽糖醇单酯的CMC随温度的升高略有下降。这是因为在特定的温度下，糖醇酯的CMC由亲水基团的水合作用和疏水基团间的范德华力这两种相反效应的综合作用引起的。温度升高会破坏亲水基与水的水化作用，促进胶束形成，但也可能破坏疏水基周围的结构水，妨碍胶束的形成［10］。从图6中也可以看出糖醇酯受温度的影响很小，这也是糖酯优于其它类型表面活性剂的表现［2－11］。

图4 不同温度下麦芽糖醇脂肪酸单酯的表面张力－浓度对数曲线Fig.4 Relationship between surface tension and concentration of monoacyl maltitol at different temperature

不同亲水头的脂肪酸酯的表面性质如表1所示，对于相应酰基链的双糖酯，本文所合成的麦芽糖醇酯的临界胶束浓度略有降低，并且有效降低了表面张力，表明麦芽糖醇酯具有较强的表面性质。

3 结论

图5 酰基链长对麦芽糖醇脂肪酸单酯CMC的影响Fig.5 Effect of the acyl chain length on CMC

图6 温度对麦芽糖醇脂肪酸单酯CMC的影响Fig.6 Temperature dependencies of CMC for monoacyl maltitol

本文以麦芽糖醇和脂肪酸(辛酸、月桂酸、硬脂酸)为原料，在叔戊醇/DMSO=4∶1的混合溶剂中，固定化脂肪酶NOV435催化合成麦芽糖醇脂肪酸酯。利用硅胶柱层析及半制备高效液相对反应液进一步分离纯化获得相应的高纯度的麦芽糖醇脂肪酸酯。纯化后的麦芽糖醇月桂酸单酯经MS、IR和NMR鉴定其结构。结果显示，酶促反应选择性酯化6'位上的羟基，只有少量的6－O－麦芽糖醇月桂酸单酯生成(＜5%)。麦芽糖醇单酯的表面张力和CMC均随温度的升高略有下降，受温度影响不大，这也是优于其他类表面活性剂的表现。酰基链长对麦芽糖醇酯的CMC有显著的影响，随酰基碳原子数的增加，CMC急剧下降。与麦芽糖酯和蔗糖酯比较，麦芽糖醇单酯可有效的降低表面张力和CMC，是一种优良的表面活性剂。

［1］李建成，袁长贵.开发淀粉糖酯正逢时［J］.精细化工信息，2001(10):3－4.

［2］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，1998，12(7):237－244.

［3］Ferrer M，Soliveri J，Plou J F，et al.Synthesis of sugar esters in solvent mixtures by lipase from Thermomyces lanuginosus and Candida antarctica B，and their antimicrobial properties［J］.Enzyme Microb Technol，2005，36(4):391－398.

［4］张灏，王振虎，彭冬梅，等.麦芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成及表面张力测定［J］.食品科学，2010，31(18):153－156.

［5］孙月娥，夏文水，陈洁，等.鱼油海藻糖酯的合成与表面性质研究［J］.食品工业科技，2009，30(3):290－292.

［6］刘巧瑜，贾承胜，蒋平平，等.麦芽糖月桂酸酯的分离纯化与结构鉴定［J］.食品科学，2007，28(10):464－467.

［7］Piao J，Kishi S，Adachi S.Surface tension of aqueous solutions of 1－O－monoacyl sugar alcohols［J］.Colloids and Surfaces，2006，227(1－3):15－19.

［8］Soultani S，Ognier S，Engasser J M，et al.Comparative study of some surface active properties of fructose esters and commercial sucrose esters［J］.Colloids and Surface A － Physicochemical and Engineering Aspects，2003，227(1－3):35－44.

［9］Chen J，Kimura Y，AdachiS.Synthesisoflinoleoyl disaccharides through lipase－catalyzed condensation and their surface activities［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2005，100(3):274－279.

［10］Chaiyasit W，Silvestre M P，Mcclements D J，et al.Ability of surfactant hydrophobic tail group size to alter lipid oxidation in oil－in－ water emulsions［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2000，48(8):3077－3080.

［11］刘巧瑜，张晓鸣.糖酯的表面活性及其在食品加工中的应用［J］.食品研究与开发，2010，31(6):189－192.

［12］王庆辉.蔗糖酯的区域选择性合成、结构分析与物化性能［D］.大连:大连理工大学，2008.

［13］Ferrer M，Comelles F，Plou F J，et al.Comparative surface activities of di－ and trisaccharide fatty acid esters［J］.Langmuir，2002，18(3):667－673.