麦芽糖醇棕榈酸酯的酶催化合成及其表面活性

彭冬梅，张 灏，王振虎，汪一帆，何冰芳

(1.南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室，江苏南京 210003; 2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京 210009)

麦芽糖醇棕榈酸酯的酶催化合成及其表面活性

彭冬梅1，张 灏1，王振虎1，汪一帆1，何冰芳2

(1.南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室，江苏南京 210003; 2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京 210009)

以脂肪酶为催化剂，以麦芽糖醇和棕榈酸为原料合成了麦芽糖醇棕榈酸酯。通过考察原料配比、催化剂的用量、反应时间、溶剂的用量等主要因素对反应的影响，确定了反应的最佳条件。实验结果表明，以脂肪酶Novozym435为催化剂，脂肪酶的用量为0.24g/mmol棕榈酸，溶剂丙酮的用量与棕榈酸的比为10mL/mmol，麦芽糖醇∶棕榈酸为2.0∶1.0，在60℃下反应80h，棕榈酸的转化率为91.2%。麦芽糖醇棕榈酸酯的最小表面张力低于40mN/m，临界胶束浓度低于0.06%，具有良好的表面活性。

麦芽糖醇，棕榈酸，麦芽糖醇棕榈酸酯，脂肪酶，合成，表面活性

麦芽糖醇脂肪酸酯属淀粉糖酯类食品乳化剂。它不但具有较好的乳化性能，还有良好的润湿性能和较强的去污能力。此类产品无毒，有生物降解性，且对人体无刺激，可作为食品添加剂用于食品的乳化、粘度的调节及油脂的分散。特别适合用于含油食品，提高产品质量，所以被认为是有着很好前景的产品［1］。麦芽糖醇脂肪酸酯可以由麦芽糖醇(麦芽糖的加氢产物［2］)与脂肪酸在催化剂存在下，在一定的溶剂中直接缩合酯化而成。例如以脂肪酸金属盐为催化剂，在极性溶剂(如DMF、DMSO等)中，合成麦芽糖醇脂肪酸酯［3－5］。该方法的特点是反应简单，收率也较高。麦芽糖醇脂肪酸酯还可以以麦芽糖醇和脂肪酸甲酯在碱性催化剂存在下通过酯交换法反应得到，但是，由以上方法合成的产品中难免会残留具有毒性的溶剂及因为高温反应而使产品的色泽较深，影响了产品在食品工业中的应用。为了克服这些缺陷，采用脂肪酶催化糖酯的合成反应，由于其反应条件温和、操作简单、副产物少、收率高，而开始受到人们的重视［6］。目前，国内对麦芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成尚未见报道。本文主要研究以脂肪酶为催化剂，以棕榈酸和麦芽糖醇为主要原料，在一定条件下酯化得到麦芽糖醇棕榈酸酯的反应。通过考察原料配比、催化剂用量、反应时间、溶剂用量等因素对合成麦芽糖醇棕榈酸酯反应的影响，确定了合成麦芽糖醇棕榈酸酯的最佳反应条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦芽糖醇(固含量约为85%) 工业品;脂肪酶Novozym435 Novo公司;棕榈酸、丙酮、乙酸乙酯中国医药集团上海化学试剂公司，CR;分子筛 3A，球状(直径3～5mm)，国药集团化学试剂有限公司。

磁力加热搅拌器 常州国华电器有限公司;旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂;VAVOVRT 360 FT－TR红外光谱仪 Thermo Nicolet Corporation，USA。

1.2 麦芽糖醇棕榈酸酯的合成反应

1.3 实验方法

1.3.1 麦芽糖醇棕榈酸酯的合成 在装有搅拌器、温度计、分水器(装有3A分子筛)和60℃冷凝管(带干燥管)的四口烧瓶中加入麦芽糖醇、棕榈酸、固定化脂肪酶和溶剂丙酮，搅拌下加热至一定温度，恒温反应72～84h。停止加热，冷却反应液，滤出固定化脂肪酶。以酚酞作指示剂，用NaOH溶液滴定未反应完的棕榈酸。滴定后的反应液用乙酸乙酯萃取麦芽糖醇棕榈酸酯，酯层萃取液用水洗至中性，用旋转蒸发仪蒸出溶剂乙酸乙酯并得产品麦芽糖醇棕榈酸酯。

1.3.2 分析

1.3.2.1 定性分析 薄层色谱分析。硅胶板;展开剂∶甲苯∶乙酸乙酯∶甲醇∶水(24∶10∶13∶1);显色剂∶碘蒸气。红外光谱分析。

1.3.2.2 表面张力测定 表面张力按文献［7］的方法测定。

1.3.2.3 定量分析及计算 棕榈酸转化率的测定∶以酚酞为指示剂，用0.05mol/L的NaOH溶液滴定反应液中未反应完的棕榈酸的量。计算棕榈酸的反应转化率。计算方法如下∶

其中∶m－棕榈酸的用量(g);M棕榈酸－棕榈酸的分子量;CNaOH－NaOH溶液的浓度(mol/L);VNaOH－消耗的NaOH溶液的体积(L)。

2 结果与讨论

通过初步实验探索，为了寻找最佳的反应条件，我们进行了四因素三水平的正交实验。实验结果见表1。

正交实验结果显示，随着酶的用量、反应时间的增加及溶剂用量的减少，棕榈酸的转化率增加。其中反应时间对反应的影响最大，而原料的配比对反应的影响较小。在此基础上，我们对反应时间、酶的用量及溶剂的用量进行了进一步的实验。

表1 L9(34)正交实验及极差分析

2.1 反应时间对反应的影响

在麦芽糖醇的用量为1.0mmol、棕榈酸的用量为0.5mmol、脂肪酶Novozym435的用量为0.15g、溶剂用量为15mL、反应温度为60℃的条件下，进一步延长反应时间，其实验结果如图1所示。由图1可见，随着反应时间的延长，棕榈酸的转化率显著提高，当反应时间为80h时达到最大值。

图1 时间对棕榈酸反应转化率的影响

2.2 溶剂用量对反应转化率的影响

在麦芽糖醇的用量为1.0mmol、棕榈酸的用量为0.5mmol、脂肪酶Novozym435的用量为0.15g，60℃反应72h的条件下，进一步减少溶剂用量，实验结果如图2所示。由图2可以看出，随着溶剂用量的减少，反应转化率有明显提高。当溶剂用量为5mL时，棕榈酸的反应转化率达到最高(81.6%)。由于进一步减少溶剂的用量会使反应在比较粘稠的状态下进行，影响反应效果。故选择在本实验条件下溶剂的用量为5mL为最佳用量。

2.3 酶的用量对反应的影响

在麦芽糖醇的用量为1.0mmol、棕榈酸的用量为0.5mmol、溶剂用量为5mL，60℃反应80h的条件下，进一步考察脂肪酶的用量对反应的影响，实验结果如图3所示。

由图3可见，在本实验条件下，当酶的用量增加时，棕榈酸的反应转化率增加。当酶的用量为0.24g/mmol棕榈酸时，催化效果最好，棕榈酸的反应转化率达到最大(90.6%)。

图2 溶剂用量对棕榈酸反应转化率的影响

图3 酶的用量对棕榈酸反应转化率的影响

2.4 最佳条件验证实验

综合上述实验结果，以脂肪酶Novozym435为催化剂，0.24g/mmol棕榈酸用量为1.0mmol，麦芽糖醇用量为2.0mmol，溶剂用量为10mL，在60℃下反应80h，棕榈酸的转化率为91.2%。该结果是本实验条件范围内的最优结果。

2.5 产品分析

2.5.1 薄层色谱 图4为展开剂展开后的薄层色谱图，其中a、c为原料展开、显色后的斑点，b为产物展开、显色后的斑点。

图4 原料和产物的薄层色谱

2.5.2 红外光谱分析 麦芽糖醇棕榈酸酯的红外光谱测定如图5所示。

图5 麦芽糖醇棕榈酸酯的红外光谱图(KBr)

红外光谱图显示∶在波数为1735cm－1和1190cm－1处有酯的特征吸收峰，说明本产品为酯。

2.6 麦芽糖醇棕榈酸酯的表面活性作用

配制0.02%～0.10%麦芽糖醇棕榈酸酯的水溶液，在20℃下测定麦芽糖醇棕榈酸酯对其水溶液表面张力的降低情况，结果如图6所示。

图6 麦芽糖醇棕榈酸酯的浓度对其水溶液表面张力的影响

由图6可见，麦芽糖醇棕榈酸酯对水溶液的表面张力降低明显。当麦芽糖醇棕榈酸酯水溶液的浓度为0.04%时，就可以使水溶液的表面张力降低30mN/m。当麦芽糖醇棕榈酸酯水溶液的浓度为0.06%时，可以使水溶液的表面张力降低至39mN/m。说明麦芽糖醇棕榈酸酯具有较好的表面活性作用。

3 结论

麦芽糖醇与棕榈酸在脂肪酶的催化作用下，通过直接酯化法合成麦芽糖醇棕榈酸酯是可行的。反应的最适宜条件是∶以脂肪酶Novozym435为催化剂，脂肪酶的用量为0.24g/mmol棕榈酸，以丙酮为溶剂，溶剂丙酮用量为10mL/mmol棕榈酸，原料麦芽糖醇∶棕榈酸为2.0∶1.0，在60℃温度下，反应时间为80h，棕榈酸的转化率为91.2%。

麦芽糖醇棕榈酸酯的最小表面张力为39mN/m，临界胶束浓度低于0.06%。其表面活性作用与蔗糖脂肪酸酯(30～46mN/m)相近。

［1］李建成，袁长贵.淀粉糖酯——新型的食品乳化剂［J］.中国食品添加剂，2001(3):26－29.

［2］全易，张灏，赵崇敏，等.麦芽糖醇的生产与应用［J］.精细石油化工，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，张灏，刘建荣，等.麦芽糖醇脂肪酸酯的合成［J］.精细石油化工，1991(6):24－26.

［5］张灏，鞠兴荣，彭冬梅.麦芽糖醇硬脂酸酯的合成研究［J］.食品科学，2007(3):163－165.

［6］张晓鸣，周建，刘巧瑜，等.有机相脂肪酶催化合成技术在食品及相关领域的应用［J］.食品与生物技术学报，2006，25 (1):120－126.

［7］孙尔康，徐维清，邱金恒.物理化学实验［M］.南京:南京大学出版社，1997:87－90.

Enzyme－catalyzed synthesis and surface activity of maltitol palmitate

PENG Dong－mei1，ZHANG Hao1，WANG Zhen－hu1，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，实验师，主要从事食品添加剂的合成与分析研究。

国家863项目(2007AA02Z210);国家973项目(2009CB724700)。