李 殷

(常州工學院化工與材料學院，江蘇 常州 213000)

海藻糖是由兩分子的葡萄糖通過α,α-1,1糖苷鍵結(jié)合的非還原性二糖[1]，是合成非離子表面活性劑海藻糖脂肪酸酯的重要原料。海藻糖脂肪酸酯由海藻糖(親水性基團)和脂肪酸(疏水性基團)兩部分結(jié)合而成，故影響反應(yīng)產(chǎn)率的關(guān)鍵因素是溶劑對兩種原料的溶解性。由于海藻糖具有多個羥基可供酯化反應(yīng)，所以選擇不同的催化劑，海藻糖酯化的羥基會不同[2-3]。目前海藻糖脂肪酸酯的主要合成方法有微生物發(fā)酵法[4]、酶催化合成法[5-7]和化學合成法(脫水法、酰氯酯化法和酯交換法)[8-9]：李智斌等[5]以脂肪酶Lipozyme 435為催化劑，叔丁醇/吡啶為溶劑，由海藻糖與脂肪酸的酯化反應(yīng)可高選擇性地合成海藻糖單脂肪酸酯；微生物和酶促發(fā)酵時間長，不利于工業(yè)化；Paul等[8]采用O-苯并三氮唑-N,N,N′,N′-四甲基脲四氟硼酸為催化劑和DMF溶劑合成出指定構(gòu)型的海藻糖脂肪酸酯，但由于催化劑和溶劑有毒性，不能用于食品工業(yè)。

本工作以食品級原料合成海藻糖脂肪酸酯，采用無毒溶劑和催化劑進行酯交換，解決了目前制備過程中溶劑、催化劑毒性較大的技術(shù)問題。

1 實 驗

1.1 主要試劑與儀器

海藻糖，食品級，溧陽維信生物科技有限公司；硬脂酸(n=18)，分析純，成都市科龍化工試劑廠；碳酸鉀，分析純，宜興市第二化學試劑廠；乙酸乙酯，分析純，江蘇強盛功能化學有限公司；氯化鈉、無水乙醇、乙二醇，分析純，江蘇永豐化學試劑有限公司；溴化鉀，光譜純，國藥集團化學試劑有限公司。

IR-960傅里葉變換紅外光譜儀，天津瑞岸科技有限公司；Varian 00M超導核磁共振波譜儀(CD3OD，500 MHz)，美國瓦里安有限公司；Waters e2695液相色譜儀，美國沃特斯公司。HLB值比色管，自制。

1.2 合成步驟

1.2.1 硬脂酸乙酯的制備與純化

在向裝有溫度計和冷凝管的250 mL三口燒瓶中加入硬脂酸，在攪拌下緩慢加入濃硫酸，滴加無水乙醇，加熱升溫并攪拌，在70 ℃回流反應(yīng)4 h。反應(yīng)停止后蒸出多余乙醇，冷卻至室溫，加入2%碳酸鈉水溶液進行洗滌，用水洗至中性[10-11]；靜置分層，取上層油狀有機層，干燥后冷卻，得到透明狀固體，即硬脂酸乙酯。

1.2.2 乙二醇溶劑法制備海藻糖酯

向裝有溫度計和冷凝管的250 mL三口燒瓶中加入16 g硬脂酸乙酯和150 mL醇類溶劑乙二醇，攪拌，加入研磨烘干的37 g海藻糖粉末和0.8 g催化劑K2CO3粉末，減壓蒸餾，升高溫度至130 ℃，在真空度0.09 MPa下反應(yīng)5 h，反應(yīng)過程中將反應(yīng)生成的甲醇和溶劑乙二醇蒸出，得到24 g產(chǎn)物海藻糖硬脂酸單酯。

1.2.3 海藻糖酯的純化

向反應(yīng)產(chǎn)物中加入10%NaCl溶液，再加入乙酸乙酯溶液，加熱至80 ℃，攪拌至產(chǎn)物充分溶解；將溶液冷卻靜置，減壓抽濾，即得粗產(chǎn)物。用熱的乙醇溶液溶解粗產(chǎn)物，冷卻后海藻糖酯重結(jié)晶析出，即得純化產(chǎn)物。通過定量分析海藻糖殘留量計算海藻糖酯純度。

1.3 性能測試方法

1.3.1 HLB值的測定

采比色管中，以Tween80、Span85以及Tween40作HLB標準曲線，通過式(1)計算混合物的HLB值[12]。用各種不同HLB值為橫坐標，耗水體積為縱坐標作標準曲線，計算得到海藻糖脂肪酸酯HLB值。

(1)

式中：HLBA、HLBB分別為AB混合物中物質(zhì)A和物質(zhì)B的HLB值；WA、WB分別為AB混合物中物質(zhì)A和物質(zhì)B的質(zhì)量分數(shù)。

1.3.2 起泡性和泡沫穩(wěn)定性的測定

在25 ℃，將質(zhì)量濃度為0.2 g/L的海藻糖脂肪酸酯溶液和對照物Tween80、Span80以及Tween60加入50 mL離心管中，記錄溶液起始高度(H0)。用高速剪切機于1 500 r/min下分散均質(zhì)2 min，立即測定每組試樣的泡沫高度(H2)和液體總高度(H1)，分別靜置20、40、60、80 min后，再分別記錄泡沫高度(H3)[13]。依照式(2)和式(3)計算起泡性與泡沫穩(wěn)定性：

發(fā)泡性,%=(H1+H2-H0)/H0×100%

(2)

發(fā)泡穩(wěn)定性,%=H3/H1×100%

(3)

1.3.3 乳化性和穩(wěn)定性的測定

在25 ℃、1 500 r/min條件下，將20 mL海藻糖脂肪酸酯水溶液與10 mL大豆油均質(zhì)5 min制備乳液,記錄乳液相高度(h1)和系統(tǒng)總高度(h2),按式(4)計算海藻糖脂肪酸酯的乳化性(EA)：

EA,%=h1/h2×100%

(4)

靜置45 min后，將乳劑以1 000 r/min攪拌5 min,然后測量乳液相的高度(h3)和體系的總高度(h4),按式(5)計算乳化穩(wěn)定性(ES)：

ES,%=h3/h4×100%

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

2.1.1 紅外光譜

圖1為試樣的紅外光譜(溴化鉀法壓法)。

圖1 海藻糖和海藻脂肪酸酯的IR光譜

與海藻糖的紅外光譜相比，海藻糖脂肪酸酯在1 737 cm-1附近出現(xiàn)了一個較強的羰基峰；與硬脂酸乙酯的紅外光譜相比海藻糖脂肪酸酯在3 405 cm-1附近出現(xiàn)了一強而寬的締合O—H吸收峰，在990 cm-1處出現(xiàn)了苷鍵的特征峰。故由此推斷產(chǎn)物為海藻糖與硬脂酸乙酯進行酯交換反應(yīng)合成了海藻糖脂肪酸酯。

2.1.21H NMR

圖2為海藻糖脂肪酸酯的1H NMR譜。

圖2 海藻脂肪酸酯的1H NMR譜

由圖2可見，δ：5.04(dd, 2H, 1-H, 1′-H), 4.36(dd, 1H, 6-H), 4.19(dd, 1H, 6-H), 3.78～3.66 (m, 4H, 2-H, 2′-H, 5′-H, 6′-H), 3.66(dd, 1H, 6′-H), 3.48～3.46(m, 2H, 3-H, 3′-H), 3.34～3.30(m, 2H, 4-H, 4′-H), 2.89(t, 2H, 2″-H), 1.61(m, 2H, 3″-H), 1.28 (m, 30H, 4″-H～16″-H), 0.90(t, 3H, 8″-H)?？梢?，該圖譜與理論氫譜出峰位置基本相同，亦可以判斷產(chǎn)物為海藻糖脂肪酸單酯。

2.2 海藻糖殘留量

采用液相色譜法，根據(jù)海藻糖標準品定量曲線(圖3)計算純化產(chǎn)物中殘留海藻糖為6.2 g/100 g，海藻糖酯含量為93.8%(圖4)。

2.3 反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.3.1 糖酯摩爾比對產(chǎn)率的影響

由于海藻糖與硬脂酸乙酯的酯交換反應(yīng)是可逆的，故糖酯摩爾比對產(chǎn)率的影響很大。在回流溫度100 ℃、碳酸鉀用量為1.5%(催化劑與原料的質(zhì)量比，下同)、反應(yīng)時間為5 h的條件下，考察糖酯摩爾比對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖5。

圖3 海藻糖標準曲線回歸方程

圖4 海藻糖試樣的HPLC

圖5 n(海藻糖)∶n(硬脂酸乙酯)對產(chǎn)率的影響

由圖5可知，產(chǎn)率隨糖酯摩爾比的增大而增加，當超過一定的比例后，產(chǎn)率變化不大。因此，適宜的n(海藻糖)∶n(硬脂酸乙酯)為1.5∶1。

2.3.2 催化劑用量對產(chǎn)率的影響

在回流溫度100 ℃、n(海藻糖)∶n(硬脂酸乙酯)=1.5∶1、反應(yīng)時間為5 h的條件下，考察催化劑碳酸鉀用量對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，產(chǎn)率隨催化劑的增大而增加，當催化劑用量為1.5%時，產(chǎn)率基本達到最大值，繼續(xù)增加催化劑用量，產(chǎn)率提高不明顯。因此，適宜的催化劑碳酸鉀用量為1.5%。

圖6 催化劑用量比對產(chǎn)率的影響

2.3.3 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響

在回流溫度100 ℃、n(海藻糖)∶n(硬脂酸乙酯)=1.5∶1、碳酸鉀用量為1.5%條件下，考察反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖7。由圖7可知，適宜的反應(yīng)時間為5 h。

圖7 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響

2.4 海藻糖脂肪酸酯的性能

2.4.1 HLB值

圖8是HLB值的標準曲線。由圖8可見，海藻糖脂肪酸酯的HLB值為15.36。

圖8 海藻糖脂肪酸酯的HLB標準曲線

2.4.2 起泡性和發(fā)泡穩(wěn)定性

圖9是海藻糖脂肪酸酯與對照物的起泡性。

由圖9可見，Span80具有極低的發(fā)泡性，這可能與其HLB值過低(4.3)，疏水性強有關(guān)。相對而言，具有較高HLB值的Tween80、海藻糖脂肪酸酯以及Tween60則具有較好的發(fā)泡性。

圖9 海藻糖脂肪酸酯與對照物的起泡性

圖10是海藻糖脂肪酸酯與對照物的發(fā)泡穩(wěn)定性。從圖10可以看出，隨著時間的延長，Tween80、Tween60以及海藻糖脂肪酸酯的泡沫穩(wěn)定性逐漸降低?？梢?，海藻糖脂肪酸酯可用作一些條件要求不高的發(fā)泡劑。

圖10 海藻糖脂肪酸酯與對照物的發(fā)泡穩(wěn)定性

2.4.3 乳化性能

海藻糖脂肪酸酯的乳化性能見表1。

表1 海藻糖脂肪酸酯的乳化性及乳化穩(wěn)定性

由表1可見，海藻糖脂肪酸酯的乳化性能和乳化穩(wěn)定性隨著質(zhì)量濃度的增加而逐漸增加，當質(zhì)量濃度大于0.2 g/L時，趨勢逐漸趨于平緩。

3 結(jié) 論

a.采用酯交換法合成海藻糖脂肪酸單酯，較佳的工藝條件為：反應(yīng)溫度100 ℃，n(海藻糖)∶n(硬脂酸乙酯)=1.5∶1，催化劑碳酸鉀用量1.5%，反應(yīng)時間5 h，產(chǎn)率72.5%，海藻糖酯含量大于99.6%(HPLC)。

b.海藻糖脂肪酸酯的HLB值為15.36，具有較高的親水性，可用作增溶劑。海藻糖脂肪酸酯具有較好的發(fā)泡性能，在質(zhì)量濃度0.1～0.5 g/L范圍內(nèi)具有較好的乳化性能，可用作發(fā)泡要求條件不高的發(fā)泡劑。該合成工藝采用食品添加劑乙二醇作為溶劑，合成海藻糖脂肪酸酯工藝簡單，生產(chǎn)成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)。