張 灝，王振虎，彭冬梅，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)

麥芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成及表面張力測定

張 灝1，王振虎1，彭冬梅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，以麥芽糖醇和脂肪酸為原料合成麥芽糖醇脂肪酸酯。通過考察原料配比、催化劑的用量、反應(yīng)時間、溶劑用量等主要因素對反應(yīng)的影響，確定最佳反應(yīng)條件。結(jié)果表明，以脂肪酶 Novozym 435為催化劑，脂肪酶用量為0.24g/mmol脂肪酸，溶劑丙酮的用量為10mL/mmol脂肪酸，麥芽糖醇:脂肪酸為2:1(mol/ mol)，在60℃條件下反應(yīng)80h，脂肪酸的轉(zhuǎn)化率為91%～95%。當(dāng)麥芽糖醇脂肪酸酯溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時，表面張力為38～40mN/m。

麥芽糖醇；脂肪酸；脂肪酶；合成；麥芽糖醇脂肪酸酯；表面張力

以淀粉為原料，經(jīng)生物酶解而制得淀粉糖(葡萄糖、麥芽糖或其氫化物山梨醇、麥芽糖醇等的總稱)，后者經(jīng)與脂肪酸酯化反應(yīng)而形成的淀粉糖脂肪酸酯是一類很重要的具有優(yōu)良乳化增稠性能的，有生物降解的，對人體無刺激，安全性好的多元醇酯類非離子表面活性劑，屬食品乳化劑一類[1-2]。淀粉糖脂肪酸酯它不但具有單甘酯、蔗糖酯相同的乳化作用，而且還有增稠、分散、抗氧化、殺菌等多種功能。特別是它的乳化穩(wěn)定性有其獨特的性能，可用來取代動、植物膠。而且它還有調(diào)節(jié)人體的生理機(jī)能的作用，因而它的開發(fā)迎合了人們期待的天然、營養(yǎng)、低熱量、多功能作用的要求。淀粉糖脂肪酸酯可作為食品工業(yè)、藥品工業(yè)、化妝品行業(yè)的分散劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑、增稠劑、混濁劑、黏結(jié)劑和增泡劑、洗滌劑用。淀粉糖脂肪酸酯的開發(fā)可為乳化劑系列增添一類新的酯類產(chǎn)品，豐富了乳化劑的品種，是有著很好前景的一類產(chǎn)品[3-5]。

目前國內(nèi)外大多采用化學(xué)方法制備淀粉糖脂肪酸

酯。如以麥芽糖醇(麥芽糖的加氫產(chǎn)物[6])與硬脂酸在催化劑存在下，在一定的溶劑中直接縮合酯化得麥芽糖醇硬脂酸酯[7-10]或以麥芽糖醇和脂肪酸甲酯或脂肪酰氯在堿性催化劑存在下反應(yīng)得到麥芽糖醇脂肪酸酯[11-12]。化學(xué)法通常采用酸或堿作催化劑，合成反應(yīng)需在極性溶劑(如DMF、DMSO等)中，在高溫下進(jìn)行，雖然收率也較高，但是，由于該方法合成的產(chǎn)品中會殘留具有毒性的溶劑且高溫反應(yīng)會使產(chǎn)品的色澤較深，產(chǎn)物較難分離提純，生產(chǎn)成本高，影響產(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)，因為其反應(yīng)條件溫和，操作簡單，副產(chǎn)物少，收率高，而越來越受到人們的重視[13-17]。

本實驗主要研究以脂肪酶為催化劑，以脂肪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脂肪酸酯的反應(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脂肪酸酯反應(yīng)的影響，確定了合成麥芽糖醇脂肪酸酯的最佳反應(yīng)條件，并對產(chǎn)物進(jìn)行表面張力測定。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

麥芽糖醇(工業(yè)品)：固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%；Novozym 435脂肪酶 Novo公司；棕櫚酸、月桂酸、丙酮、丁酮(化學(xué)純)、分子篩(3，球狀φ3～5mm) 中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司。

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 美國Thermo Nicolet公司；1100HPLC-MSD (SL)型液質(zhì)聯(lián)用儀 美國Agilent公司。

1.2 麥芽糖醇棕櫚酸酯的合成反應(yīng)

1.3 方法

1.3.1 麥芽糖醇脂肪酸酯的合成

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醇溶液滴定未反應(yīng)完的脂肪酸。滴定后的反應(yīng)液用丁酮萃取麥芽糖醇脂肪酸酯，丁酮萃取液用水洗至中性，干燥后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出溶劑丁酮并得產(chǎn)品麥芽糖醇月桂酸(或棕櫚酸)酯。

1.3.2 表面張力

按文獻(xiàn)[18]方法測定。

1.3.3 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＝10:4.0:4.5:1.0(V/V)，顯色劑：碘蒸氣。

紅外光譜分析：采用KBr壓片法。

質(zhì)譜分析條件(MS)：離子方式ESI+，ESI－，細(xì)管電壓3.87kV，錐孔電壓40V，離子源溫度100℃，光電倍增器電壓700V，氣體流速4.2L/h，質(zhì)量掃描范圍200～1200m/z。

1.3.4 定量分析及計算

脂肪酸轉(zhuǎn)化率的測定：以酚酞為指示劑，用0.05mol/L NaOH溶液滴定反應(yīng)液中未反應(yīng)完的脂肪酸量。計算脂肪酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

式中：m為脂肪酸的用量/g；M脂肪酸為脂肪酸的相對分子質(zhì)量；CNaOH為NaOH溶液濃度/(mol/L)；VNaOH為消耗的NaOH溶液的體積/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料配比對反應(yīng)的影響

在脂肪酸用量為0.5mmol、脂肪酶Novozym 435的用量為0.15g、溶劑用量15mL、溫度60℃的條件下，改變麥芽糖醇的用量，反應(yīng)24h，結(jié)果如圖1所示。

圖1 原料配比對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.1 Effect of maltitol/fatty acid molar ratio on the conversion ratio of fatty acid

由圖1可知，在原料配比麥芽糖醇:脂肪酸酸分別使用1.5:1、2:1、2.5:1進(jìn)行反應(yīng)時，麥芽糖醇:脂肪酸為2:1時，脂肪酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是最好的，但是，結(jié)果相差不大。即在本實驗條件下原料配比對反應(yīng)的影響較

小。分析原因，是因為麥芽糖醇和脂肪酸為互不相溶體系，在反應(yīng)中，用丙酮做溶劑，即使能建立一個均相的反應(yīng)體系，由于麥芽糖醇在丙酮中的溶解度比較小，溶液中隨麥芽糖醇的量增加而改變不大。而當(dāng)麥芽糖醇達(dá)到一定用量后，會破壞原有的平衡，導(dǎo)致脂肪酸反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。所以，反應(yīng)中選擇麥芽糖醇:脂肪酸的配比為2:1為反應(yīng)的最佳配比。

2.2 反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

在麥芽糖醇的用量為1.0mmol、脂肪酸的用量為0.5mmol、脂肪酶Novozym 435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)行時間對反應(yīng)的影響實驗，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時間對脂肪酸酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 Effect of reaction duration on the conversion ratio of fatty acid

由圖2可見，隨著反應(yīng)時間的延長，脂肪酸的轉(zhuǎn)化率顯著提高，反應(yīng)時間80h達(dá)到最大值。

2.3 溶劑丙酮用量對反應(yīng)的影響

在麥芽糖醇用量為1.0mmol、脂肪酸用量0.5mmol、脂肪酶Novozym 435用量為0.15g，60℃反應(yīng)72h的條件下，考察改變?nèi)軇┍昧繉Ψ磻?yīng)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溶劑用量對脂肪酸酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of acetone amount on the conversion ratio of fatty acid

由圖3可以看出，隨著溶劑的用量減少，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率有明顯提高。說明溶劑用量對反應(yīng)影響較大，這是因為溶劑用量減少，可以使脂肪酶的濃度增加，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。但是，進(jìn)一步減少溶劑的用量會使反應(yīng)在比較黏稠的狀態(tài)下進(jìn)行，而且不利于脂肪酶(固體顆粒狀)的催化反應(yīng)效果。故在本實驗中選擇溶劑的用量為5mL，此時反應(yīng)混合物處于良好的流動狀態(tài)，脂肪酶的催化效率高，脂肪酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也較高。

2.4 脂肪酶用量對反應(yīng)的影響

在麥芽糖醇的用量為2.0mmol、脂肪酸用量為1.0 mmol、溶劑用量為10mL、60℃反應(yīng)80h的條件下，考察脂肪酶的用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 酶用量對棕櫚酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 Effect of enzyme amount on the conversion ratio of fatty acid

由圖4可見，在本實驗條件下，當(dāng)酶的用量增加時，脂肪酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加。當(dāng)酶的用量為0.24g/ mmol脂肪酸時，催化效果最好，棕櫚酸及月桂酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別為達(dá)到 90.6%和94.3%。

2.5 最佳條件實驗

綜合上述實驗結(jié)果，以脂肪酶 Novozym 435為催化劑，用量為0.24g/mmol脂肪酸，脂肪酸用量為1mmol，麥芽糖醇用量為2.0mmol，溶劑用量為10mL，在60℃條件下反應(yīng)80h，棕櫚酸和月桂酸的轉(zhuǎn)化率分別達(dá)91%和95%。該結(jié)果是本實驗條件范圍內(nèi)的最好結(jié)果。

2.6 產(chǎn)品分析

圖5 原料和產(chǎn)物的薄層色譜圖Fig.5 TLC patterns of raw materials and reaction products

圖5 為展開劑展開后的薄層色譜圖。麥芽糖醇月桂酸酯的質(zhì)譜鑒定：麥芽糖醇(單)月桂酸酯和麥芽糖醇雙月桂酸酯的相對分子質(zhì)量分別為526.3和708.3，質(zhì)譜圖

中出現(xiàn)549.4峰和731.3峰分別為[M 單酯+Na]和[M 雙酯+Na]的質(zhì)譜信號，說明薄層色譜圖5中的c1和c2分別為麥芽糖醇單月桂酸酯和麥芽糖醇雙月桂酸酯。

麥芽糖醇棕櫚酸酯的質(zhì)譜鑒定：麥芽糖醇(單)棕櫚酸酯和麥芽糖醇雙棕櫚酸酯的相對分子質(zhì)量為582.4和820.5，質(zhì)譜圖中出現(xiàn)605.4峰和843.4峰分別為[M 單酯+Na]和[M 雙酯+Na]的質(zhì)譜信號，說明薄層色譜圖5中的e1和e2分別為麥芽糖醇單棕櫚酸酯和麥芽糖醇雙棕櫚酸酯。

紅外光譜測試圖譜顯示：麥芽糖醇棕櫚酸酯在波數(shù)為1735cm-1和1190cm-1處有酯的特征吸收峰，麥芽糖醇月桂酸酯在波數(shù)為在波數(shù)為1720cm-1和1090cm-1處有酯的特征吸收峰，說明產(chǎn)品為酯。

2.7 麥芽糖醇棕櫚酸酯的表面活性作用

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%～0.1%麥芽糖醇脂肪酸酯的水溶液，在20℃條件下測定麥芽糖醇脂肪酸酯水溶液表面張力的降低情況，結(jié)果如圖5所示。

圖6 麥芽糖醇脂肪酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其水溶液表面張力的影響Fig.6 Concentration dependent surface intension of aqueous solutions of the two synthesized maltitol fatty acid esters

由圖6可見，麥芽糖醇脂肪酸酯對水溶液的表明張力降低明顯。當(dāng)麥芽糖醇脂肪酸酯水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%時，就可以使水溶液的表明張力降低30mN/m。當(dāng)麥芽糖醇脂肪酸酯水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時，可以使水溶液的表明張力降低至38～40mN/m，與蔗糖脂肪酸酯(30～46mN/m)相近，說明麥芽糖醇脂肪酸酯具有較好的表面活性作用。

3 結(jié) 論

麥芽糖醇與脂肪酸在脂肪酶的催化作用下，合成麥芽糖醇脂肪酸酯是可行的。反應(yīng)最適宜條件為：以脂肪酶 Novozym 435為催化劑，脂肪酶的用量為0.24g/mmol脂肪酸，溶劑丙酮用量為10mL/mmol脂肪酸，原料麥芽糖醇:脂肪酸為2.0:1，在60℃條件下，反應(yīng)時間80h，脂肪酸的轉(zhuǎn)化率為91%～95%。

測得本產(chǎn)品麥芽糖醇脂肪酸酯水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時，表面張力為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

A

1002-6630(2010)18-0153-04

2010-06-04

國家“863”計劃項目(2007AA02Z210)；國家“973”項目(2009CB724700)

張灝(1957—)，女，副教授，主要從事精細(xì)化學(xué)品的合成和食品添加劑的開發(fā)研究。E-mail：zhanghaojx@sina.com