蔗糖酯的生物法合成與提取

趙洪娥，崔 勵

(大連工業(yè)大學化工與材料學院，遼寧 大連 116034)

蔗糖酯(Sucrose ester，SE)是蔗糖脂肪酸酯(Sucrose fatty acid ester)的簡稱，按照歐共體標準EWG-Nr.E473和美國FDA-CFR No.172 859食品條例，它是由蔗糖與正羧酸反應生成的一大類有機化合物的總稱，屬多元醇型非離子表面活性劑[1]。蔗糖酯按蔗糖中羥基與脂肪酸酯化度的不同可分為單酯、雙酯、多酯，是以蔗糖分子中的游離羥基為親水基團、天然油脂中的脂肪酸為憎水基團的一種安全、無毒、無刺激、無污染、穩(wěn)定性好、可完全生物降解的非離子型表面活性劑，廣泛應用于食品、化妝品、洗滌劑、醫(yī)藥、紡織、農(nóng)牧等行業(yè)[2～6]，具有巨大的市場應用潛力。

1 蔗糖酯的性質(zhì)

蔗糖酯外觀白色或米黃色，多呈粉末狀、塊狀或蠟狀固體，也有的呈黃褐色的膏狀液體；口感微甜或稍苦，無味； 在120℃以下穩(wěn)定，加熱到145℃以上分解；熔點較低，但粘度大；易吸潮，易溶于乙醇、丁酮、丙酮和其它有機溶劑；在弱酸弱堿性條件下穩(wěn)定，反之則易水解[7]。與其它的非離子型表面活性劑相比，蔗糖酯有三大優(yōu)點：(1)蔗糖酯可食用，對人體無害且無刺激性；(2)蔗糖酯本身及其水解產(chǎn)物可以作為營養(yǎng)物質(zhì)被人體吸收；(3)由于蔗糖含有多個羥基，可以通過控制其酯化度來獲得不同HLB值的蔗糖酯，因此，這類酯具有廣泛的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學法和生物法。其中生物法也稱酶法，與化學法相比，具有催化活性高、反應條件溫和、選擇性強、產(chǎn)物分離簡單等優(yōu)點，為蔗糖酯的合成開辟了一條新途徑。生物法合成的蔗糖酯不僅具有乳化、潤濕和增溶等表面活性，而且具有增強免疫、抗腫瘤的性能[6]。

生物法合成蔗糖酯的關鍵在于酶和反應介質(zhì)的選擇。

2.1 酶的選擇

酶促合成蔗糖酯反應中酶的選擇至關重要，為了找到合適的酶，不僅要了解酶的結(jié)構(gòu)特征、催化機制，而且要進行大量的實驗[9]。研究發(fā)現(xiàn)：蛋白酶、脂肪酶、 抗體酶均能用來合成蔗糖酯。酶催化劑選擇性高，通過不同酶催化得到的區(qū)域選擇性產(chǎn)物具有特殊的用途。不同酶的區(qū)域選擇性不同，歸納起來有如下特征：(1)來自枯草桿菌的蛋白酶的區(qū)域選擇性體現(xiàn)在蔗糖的1′-OH，另外還有其它幾種蛋白酶表現(xiàn)2-OH的選擇性，但蛋白酶通常不接受長鏈(>C12)脂肪酸作為?；w，因此限制了蛋白酶在表面活性劑制備方面的適用性；(2)與蛋白酶相比較，脂肪酶可催化寬范圍的蔗糖酯的合成，其?；话惆l(fā)生在6-OH；(3)最近研究發(fā)現(xiàn)抗體酶也能催化合成蔗糖酯。這不僅增加了合成蔗糖酯的酶的種類，而且由抗體酶可得到更純的6-O-蔗糖單酯。

Pedersen等[10]以蔗糖和乙烯基月桂酸酯為原料，用從BacilluspseudofirmusAL-89中提取的堿性蛋白酶為催化劑在有機溶劑中合成蔗糖月桂酸單酯，該酯化反應主要發(fā)生在2-O位置。Raku等[11]用枯草芽孢桿菌蛋白酶作催化劑在二甲基甲酰胺中催化10-十一烯碳酸與蔗糖合成1′-十一烯碳酸蔗糖酯。Sarney等[12]用Chromobacteriumviscosum脂肪酶在有機溶劑存在或無溶劑情況下催化蔗糖乙縮醛與脂肪酸合成蔗糖單酯，具有良好的結(jié)構(gòu)選擇性，避免了以往化學法產(chǎn)生多種異構(gòu)體雜質(zhì)的情形。生物法催化蔗糖酯所用的酶見表1。

表1 生物法催化蔗糖酯所用的酶

2.2 反應介質(zhì)的影響

由于能溶解蔗糖等物質(zhì)的極性溶劑對催化劑酶的活性有抑制作用[19]，因此，尋求兼顧底物溶解度和酶活性的溶劑充當反應介質(zhì)是生物法合成蔗糖酯的核心問題之一。

溶劑效應在非水相酶促反應中是一個關鍵因素，有機溶劑中的酶活性與溶劑的疏水性有關。對于一些能耐受極性溶劑的蛋白酶，溶劑大多選擇DMF、DMSO等單一極性試劑[10，20]。而對于脂肪酶，單一極性溶劑或非極性溶劑很難兼顧酶活性和底物溶解度。在弱極性溶劑中加入少許極性溶劑能提高底物溶解度，同時酶活性也降低不大，因此使用混合溶劑成為趨勢，如叔丁醇/吡啶、DMF/吡啶、DMF/DMSO體系[10，21]等。Pedersen等[14]報道了堿性蛋白酶AL-89在V(DMSO)∶V(DMF)=1∶1混合溶劑中催化酯交換反應，產(chǎn)物為2-O-?；崽酋ズ?′-O-?；崽酋?；而在DMF或吡啶單一溶劑中，?；恢脙H為蔗糖伯羥基。Ferrer 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在叔戊醇/DMSO 的混合體系中，少量的DMSO 可以增加蔗糖的溶解性，使得?；^程能夠進行，同時反應媒介大部分是叔戊醇(大多數(shù)脂肪酶在其中很穩(wěn)定)，生物催化劑的失活大大降低。Lkeda等[22]利用苯基硼酸增溶法在叔丁醇中以脂肪酶Pseudomonassp.Lipoprotein催化合成了多種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時的產(chǎn)率為31%；而相同條件下，未加苯基硼酸的空白實驗中未見產(chǎn)物。

3 蔗糖酯的提取

無論化學法還是生物法生產(chǎn)的蔗糖酯中均殘留大量的雜質(zhì)，必須經(jīng)過精制，這就要求建立一套適合于蔗糖酯分離提純的方法。

蔗糖酯傳統(tǒng)的分離工藝主要有沉淀法、含水溶劑萃取法、 共沉淀法以及這些分離方法的聯(lián)用。近年來，生物法的應用使得產(chǎn)品的純度有了較大的提高，雜質(zhì)含量相對降低，但由于醫(yī)用等行業(yè)對蔗糖酯純度要求的提高，使得傳統(tǒng)分離工藝結(jié)合先進工藝進行精制成為趨勢。目前常用的先進技術有分子蒸餾法、氣液界面吸附分離法、薄層色譜法、高效液相色譜法、離子交換法等。

3.1 分子蒸餾法[23]

分子蒸餾是一種在高真空度下進行液液分離操作的連續(xù)蒸餾過程，廣泛應用于石油化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)。分子蒸餾的分離作用是利用液體分子受熱時會從液面溢出，不同種類分子溢出后的運動平均自由程度不同而實現(xiàn)物質(zhì)的分離。 待分離組分在遠低于常壓沸點的溫度下?lián)]發(fā)，特別適合于分離高沸點、高粘度、熱敏性的天然產(chǎn)物，比常規(guī)蒸餾分離程度更高。

蔗糖多酯是蔗糖分子中有6個以上的羥基發(fā)生酯化反應時生成的一類化合物，它可以作為脂肪替代品，以降低食品中脂肪的含量。蔗糖多酯粗產(chǎn)物中含有脂肪酸鉀皂、未反應的脂肪酸甲酯、游離脂肪酸及色素等雜質(zhì)。采取分子蒸餾法在較低的溫度(此溫度下蔗糖多酯是穩(wěn)定的)分離提純蔗糖多酯，游離脂肪酸及其低碳醇酯降至1%以下，得到光澤透明、淡黃色油狀的蔗糖多酯純品。

3.2 氣液界面吸附分離法

氣液界面吸附分離法是利用不同物質(zhì)的疏水性不同，在其混合物的水溶液的氣液界面的吸附性不同，從而達到分離目的。蔗糖酯產(chǎn)品一般由單酯、雙酯、多酯及部分雜質(zhì)組成，分離過程中，其中疏水性強的組分優(yōu)先在氣液界面吸附，這樣經(jīng)過一個長的分離柱就可以得到相對較純的目標產(chǎn)物。

3.3 薄層色譜法

薄層色譜法是色譜中應用最普遍的方法之一。蔗糖酯合成產(chǎn)物中含有不同鏈長脂肪酸的蔗糖單酯、 雙酯及多酯。這些化合物在薄層層析板上展開顯色后，由于極性不同而顯示的斑點的值不同，達到分離純化。薄層色譜法雖然能較好地分離單酯、雙酯和多酯，卻不能有效地分離這些酯的異構(gòu)體。

3.4 高效液相色譜(HPLC)法[24]

HPLC 是一種蔗糖酯的快速定量方法，同時也是一種分離提純高純度蔗糖酯的方法。高效液相色譜結(jié)合蒸發(fā)光檢測器，采用溶劑梯度洗脫，在蔗糖酯異構(gòu)體分離上得到了很好的應用。Moh等[25]采用反相高效液相色譜柱進行雙重梯度洗脫，分別以75% 甲醇-25%水混合液、95%甲醇-5%水混合液進行洗脫，可以將不同長度?；?C16和C18)的單酯和雙酯完全分開。

3.5 離子交換法

采用離子交換法分離提純蔗糖酯，工藝簡便、分離效果好，回收率高，且離子交換樹脂可再生使用，洗脫液可蒸餾回收，是蔗糖酯分離提純的新方向。

3.6 其它方法

膜分離技術和二氧化碳超臨界流體萃取技術等在蔗糖酯的提純分離上也有應用。膜分離技術簡單、節(jié)能、高效、無二次污染。二氧化碳超臨界流體萃取技術在國外已有應用，分離原理是：二氧化碳的超臨界流體萃取甘油脂肪酸等油脂物質(zhì)，在萃取物中得到蔗糖酯。

4 展望

目前，我國的蔗糖酯產(chǎn)量很低，蔗糖多酯的生產(chǎn)剛剛處于起步階段，遠遠不能滿足未來市場的發(fā)展需要，而其生產(chǎn)原料蔗糖和脂肪酸兩種資源十分豐富，尤其是國內(nèi)蔗糖嚴重供過于求，亟待開發(fā)下游產(chǎn)品。因此，今后蔗糖酯工業(yè)的發(fā)展關鍵是采用先進的合成工藝，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴大生產(chǎn)規(guī)模，促進我國食品和日化工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。

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