麥芽糖醇棕櫚酸酯的酶催化合成及其表面活性

彭冬梅，張 灝，王振虎，汪一帆，何冰芳

(1.南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點實驗室，江蘇南京 210003; 2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京 210009)

麥芽糖醇棕櫚酸酯的酶催化合成及其表面活性

彭冬梅1，張 灝1，王振虎1，汪一帆1，何冰芳2

(1.南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)重點實驗室，江蘇南京 210003; 2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京 210009)

以脂肪酶為催化劑，以麥芽糖醇和棕櫚酸為原料合成了麥芽糖醇棕櫚酸酯。通過考察原料配比、催化劑的用量、反應(yīng)時間、溶劑的用量等主要因素對反應(yīng)的影響，確定了反應(yīng)的最佳條件。實驗結(jié)果表明，以脂肪酶Novozym435為催化劑，脂肪酶的用量為0.24g/mmol棕櫚酸，溶劑丙酮的用量與棕櫚酸的比為10mL/mmol，麥芽糖醇∶棕櫚酸為2.0∶1.0，在60℃下反應(yīng)80h，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率為91.2%。麥芽糖醇棕櫚酸酯的最小表面張力低于40mN/m，臨界膠束濃度低于0.06%，具有良好的表面活性。

麥芽糖醇，棕櫚酸，麥芽糖醇棕櫚酸酯，脂肪酶，合成，表面活性

麥芽糖醇脂肪酸酯屬淀粉糖酯類食品乳化劑。它不但具有較好的乳化性能，還有良好的潤濕性能和較強(qiáng)的去污能力。此類產(chǎn)品無毒，有生物降解性，且對人體無刺激，可作為食品添加劑用于食品的乳化、粘度的調(diào)節(jié)及油脂的分散。特別適合用于含油食品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，所以被認(rèn)為是有著很好前景的產(chǎn)品［1］。麥芽糖醇脂肪酸酯可以由麥芽糖醇(麥芽糖的加氫產(chǎn)物［2］)與脂肪酸在催化劑存在下，在一定的溶劑中直接縮合酯化而成。例如以脂肪酸金屬鹽為催化劑，在極性溶劑(如DMF、DMSO等)中，合成麥芽糖醇脂肪酸酯［3－5］。該方法的特點是反應(yīng)簡單，收率也較高。麥芽糖醇脂肪酸酯還可以以麥芽糖醇和脂肪酸甲酯在堿性催化劑存在下通過酯交換法反應(yīng)得到，但是，由以上方法合成的產(chǎn)品中難免會殘留具有毒性的溶劑及因為高溫反應(yīng)而使產(chǎn)品的色澤較深，影響了產(chǎn)品在食品工業(yè)中的應(yīng)用。為了克服這些缺陷，采用脂肪酶催化糖酯的合成反應(yīng)，由于其反應(yīng)條件溫和、操作簡單、副產(chǎn)物少、收率高，而開始受到人們的重視［6］。目前，國內(nèi)對麥芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成尚未見報道。本文主要研究以脂肪酶為催化劑，以棕櫚酸和麥芽糖醇為主要原料，在一定條件下酯化得到麥芽糖醇棕櫚酸酯的反應(yīng)。通過考察原料配比、催化劑用量、反應(yīng)時間、溶劑用量等因素對合成麥芽糖醇棕櫚酸酯反應(yīng)的影響，確定了合成麥芽糖醇棕櫚酸酯的最佳反應(yīng)條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥芽糖醇(固含量約為85%) 工業(yè)品;脂肪酶Novozym435 Novo公司;棕櫚酸、丙酮、乙酸乙酯中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司，CR;分子篩 3A，球狀(直徑3～5mm)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;VAVOVRT 360 FT－TR紅外光譜儀 Thermo Nicolet Corporation，USA。

1.2 麥芽糖醇棕櫚酸酯的合成反應(yīng)

1.3 實驗方法

1.3.1 麥芽糖醇棕櫚酸酯的合成 在裝有攪拌器、溫度計、分水器(裝有3A分子篩)和60℃冷凝管(帶干燥管)的四口燒瓶中加入麥芽糖醇、棕櫚酸、固定化脂肪酶和溶劑丙酮，攪拌下加熱至一定溫度，恒溫反應(yīng)72～84h。停止加熱，冷卻反應(yīng)液，濾出固定化脂肪酶。以酚酞作指示劑，用NaOH溶液滴定未反應(yīng)完的棕櫚酸。滴定后的反應(yīng)液用乙酸乙酯萃取麥芽糖醇棕櫚酸酯，酯層萃取液用水洗至中性，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出溶劑乙酸乙酯并得產(chǎn)品麥芽糖醇棕櫚酸酯。

1.3.2 分析

1.3.2.1 定性分析 薄層色譜分析。硅膠板;展開劑∶甲苯∶乙酸乙酯∶甲醇∶水(24∶10∶13∶1);顯色劑∶碘蒸氣。紅外光譜分析。

1.3.2.2 表面張力測定 表面張力按文獻(xiàn)［7］的方法測定。

1.3.2.3 定量分析及計算 棕櫚酸轉(zhuǎn)化率的測定∶以酚酞為指示劑，用0.05mol/L的NaOH溶液滴定反應(yīng)液中未反應(yīng)完的棕櫚酸的量。計算棕櫚酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。計算方法如下∶

其中∶m－棕櫚酸的用量(g);M棕櫚酸－棕櫚酸的分子量;CNaOH－NaOH溶液的濃度(mol/L);VNaOH－消耗的NaOH溶液的體積(L)。

2 結(jié)果與討論

通過初步實驗探索，為了尋找最佳的反應(yīng)條件，我們進(jìn)行了四因素三水平的正交實驗。實驗結(jié)果見表1。

正交實驗結(jié)果顯示，隨著酶的用量、反應(yīng)時間的增加及溶劑用量的減少，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率增加。其中反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響最大，而原料的配比對反應(yīng)的影響較小。在此基礎(chǔ)上，我們對反應(yīng)時間、酶的用量及溶劑的用量進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗。

表1 L9(34)正交實驗及極差分析

2.1 反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

在麥芽糖醇的用量為1.0mmol、棕櫚酸的用量為0.5mmol、脂肪酶Novozym435的用量為0.15g、溶劑用量為15mL、反應(yīng)溫度為60℃的條件下，進(jìn)一步延長反應(yīng)時間，其實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，隨著反應(yīng)時間的延長，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率顯著提高，當(dāng)反應(yīng)時間為80h時達(dá)到最大值。

圖1 時間對棕櫚酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

2.2 溶劑用量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

在麥芽糖醇的用量為1.0mmol、棕櫚酸的用量為0.5mmol、脂肪酶Novozym435的用量為0.15g，60℃反應(yīng)72h的條件下，進(jìn)一步減少溶劑用量，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著溶劑用量的減少，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率有明顯提高。當(dāng)溶劑用量為5mL時，棕櫚酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高(81.6%)。由于進(jìn)一步減少溶劑的用量會使反應(yīng)在比較粘稠的狀態(tài)下進(jìn)行，影響反應(yīng)效果。故選擇在本實驗條件下溶劑的用量為5mL為最佳用量。

2.3 酶的用量對反應(yīng)的影響

在麥芽糖醇的用量為1.0mmol、棕櫚酸的用量為0.5mmol、溶劑用量為5mL，60℃反應(yīng)80h的條件下，進(jìn)一步考察脂肪酶的用量對反應(yīng)的影響，實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，在本實驗條件下，當(dāng)酶的用量增加時，棕櫚酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加。當(dāng)酶的用量為0.24g/mmol棕櫚酸時，催化效果最好，棕櫚酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大(90.6%)。

圖2 溶劑用量對棕櫚酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

圖3 酶的用量對棕櫚酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響

2.4 最佳條件驗證實驗

綜合上述實驗結(jié)果，以脂肪酶Novozym435為催化劑，0.24g/mmol棕櫚酸用量為1.0mmol，麥芽糖醇用量為2.0mmol，溶劑用量為10mL，在60℃下反應(yīng)80h，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率為91.2%。該結(jié)果是本實驗條件范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)果。

2.5 產(chǎn)品分析

2.5.1 薄層色譜 圖4為展開劑展開后的薄層色譜圖，其中a、c為原料展開、顯色后的斑點，b為產(chǎn)物展開、顯色后的斑點。

圖4 原料和產(chǎn)物的薄層色譜

2.5.2 紅外光譜分析 麥芽糖醇棕櫚酸酯的紅外光譜測定如圖5所示。

圖5 麥芽糖醇棕櫚酸酯的紅外光譜圖(KBr)

紅外光譜圖顯示∶在波數(shù)為1735cm－1和1190cm－1處有酯的特征吸收峰，說明本產(chǎn)品為酯。

2.6 麥芽糖醇棕櫚酸酯的表面活性作用

配制0.02%～0.10%麥芽糖醇棕櫚酸酯的水溶液，在20℃下測定麥芽糖醇棕櫚酸酯對其水溶液表面張力的降低情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 麥芽糖醇棕櫚酸酯的濃度對其水溶液表面張力的影響

由圖6可見，麥芽糖醇棕櫚酸酯對水溶液的表面張力降低明顯。當(dāng)麥芽糖醇棕櫚酸酯水溶液的濃度為0.04%時，就可以使水溶液的表面張力降低30mN/m。當(dāng)麥芽糖醇棕櫚酸酯水溶液的濃度為0.06%時，可以使水溶液的表面張力降低至39mN/m。說明麥芽糖醇棕櫚酸酯具有較好的表面活性作用。

3 結(jié)論

麥芽糖醇與棕櫚酸在脂肪酶的催化作用下，通過直接酯化法合成麥芽糖醇棕櫚酸酯是可行的。反應(yīng)的最適宜條件是∶以脂肪酶Novozym435為催化劑，脂肪酶的用量為0.24g/mmol棕櫚酸，以丙酮為溶劑，溶劑丙酮用量為10mL/mmol棕櫚酸，原料麥芽糖醇∶棕櫚酸為2.0∶1.0，在60℃溫度下，反應(yīng)時間為80h，棕櫚酸的轉(zhuǎn)化率為91.2%。

麥芽糖醇棕櫚酸酯的最小表面張力為39mN/m，臨界膠束濃度低于0.06%。其表面活性作用與蔗糖脂肪酸酯(30～46mN/m)相近。

［1］李建成，袁長貴.淀粉糖酯——新型的食品乳化劑［J］.中國食品添加劑，2001(3):26－29.

［2］全易，張灝，趙崇敏，等.麥芽糖醇的生產(chǎn)與應(yīng)用［J］.精細(xì)石油化工，1990(5):44－49.

［3］Heesen，JanGerhard，Kuipers，etal.Method forthe preparation of esters of polyalcohols［J］.United States Patent，1976(3):945，951.

［4］全易，張灝，劉建榮，等.麥芽糖醇脂肪酸酯的合成［J］.精細(xì)石油化工，1991(6):24－26.

［5］張灝，鞠興榮，彭冬梅.麥芽糖醇硬脂酸酯的合成研究［J］.食品科學(xué)，2007(3):163－165.

［6］張曉鳴，周建，劉巧瑜，等.有機(jī)相脂肪酶催化合成技術(shù)在食品及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.食品與生物技術(shù)學(xué)報，2006，25 (1):120－126.

［7］孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實驗［M］.南京:南京大學(xué)出版社，1997:87－90.

Enzyme－catalyzed synthesis and surface activity of maltitol palmitate

PENG Dong－mei1，ZHANG Hao1，WANG Zhen－h(huán)u1，WANG Yi－fan1，HE Bing－fang2
(1.Department of Applied Chemistry，Nanjing University of Finance＆Economics，Key Lab of Quality Control and Further Processing of Cereal＆Oils in Jiangsu province，Nanjing 210003，China; 2.College Biological and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)

A method of synthesis maltitol palmitate was explored with maltitol and palmitic acid in the presence of Novozym 435 lipase.The factors on the reaction were investigated such as the ratio of raw materials，the amount of catalyst，reaction time，solvent etc.The conversion rate of palmitic acid of 91.2%was obtained under such conditions as the amount of Novozym435 lipase to palmitic acid 0.24g/mmol，the molar ratio of maltitol to palmitic acid 2.0∶1.0，the solvent acetone to palmitic acid 10mL/mmol at 60℃ reaction for 80 hours.The smallest surface tension of maltitol palmitate was lower than 40mN/m，and their critical micelle concentration was less than 0.06% (W/W).It was shown maltitol palmitate had good surface activities.

maltitol;palmitic acid;maltitol palmitate;lipase;synthesis;surface activity

TS202.3

A

1002－0306(2011)11－0358－03

2010－03－16

彭冬梅(1971－)，女，實驗師，主要從事食品添加劑的合成與分析研究。

國家863項目(2007AA02Z210);國家973項目(2009CB724700)。