蔗糖酯在食品工业中的应用研究进展

秦林莉，刘郅骞，张静，刘思伽，杨玉玲，陈曼宜，梁欣泉

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

蔗糖是从各种植物来源获得的一种天然产物[1]，易于精制，是食品行业不可或缺的原料之一[2]。蔗糖可发生许多化学反应，其中与脂肪酸的酯化反应研究备受关注[3]。蔗糖酯是从蔗糖中获得的主要化合物，大多是通过酯交换反应获得的脂肪族和苯基丙烷取代基的糖酯产物。除了合成的蔗糖酯之外，天然蔗糖酯可以从某些药用植物的果实、叶子或其他部位获得。近年来，已从具有特定生物学功能的植物中分离鉴定出新的蔗糖酯[4]。

蔗糖酯具有对人体低毒、对环境友好和可生物降解的特点[5]。蔗糖酯的丰富性质取决于它的酯化程度，以及取代基的类型。蔗糖酯广阔的亲水亲油平衡值(HLB值在1～16)，使其具有良好的乳化、发泡、去污、保湿等多种性能[6]，因此可广泛应用于食品工业。在食品加工中，通过将蔗糖酯与其他表面活性化合物混合使用，可以满足乳制品、面制品加工等的不同需求。在调味品领域，产品浓缩结晶过程中添加适量的蔗糖酯，可以较显著地降低晶粒及其溶液表面张力和体系的黏度[7]，实现良好的性能提升。蔗糖酯的保湿性能也使其在食品包装及保鲜中具有较大潜力的应用市场。

1 蔗糖酯的制备

天然蔗糖酯的较低产量影响了人们对其提取和大规模生产的需求，因此，现研究重点在于蔗糖酯制备方法的开发[8]。但是，在蔗糖酯制备时，必须考虑到蔗糖在高温和酸性介质中的低稳定性，以及其8个羟基结构和电子聚合方面的问题，否则难以制备出优良产物。

1.1 化学制备法

1.1.1 溶剂法

蔗糖酯的生产方法，传统上通常是在催化剂如碳酸钾或钾皂存在的条件下，使用蔗糖与被酯化为分子结构的目标酸进行甲酯反应[9]。在极性无水介质中，使用N，N-二甲基甲酰胺或二甲基甲酰胺作为溶剂的均相碱性催化[10]，是合成蔗糖酯的传统途径。

N，N-二甲基甲酰胺是常见的、优良的极性非质子溶剂，也是一种重要的工业原料和多功能合成反应试剂[11]，但是生产中带来的成本、毒性和其他安全问题也逐渐被大众考虑。二甲基亚砜是一种非质子极性溶剂，由于它对化学反应具有特殊的溶媒效应，以及它对许多物质的溶解特性，因此被称为“万能溶剂”[12]。在良好的条件下，使用二甲基亚砜合成蔗糖酯可以得到大于50%的蔗糖单酯混合物。Deshpande等[13]研究了蔗糖与脂肪酸的摩尔比、K2CO3催化剂、N，N-二甲基甲酰胺溶剂负载量，以及反应温度对蔗糖酯形成特定取代结构例如单酯/二酯/聚酯等速率的影响，证明了在脂肪酸与蔗糖的摩尔比大于1的条件下，蔗糖单酯的形成更迅速。Maria等[14]将糖蜜用作糖链的来源，废食油用作酯链的来源，制备蔗糖酯。在蔗糖酯的合成中，酯交换反应分为两个阶段进行：第一次酯交换反应是通过使用均相NaOH催化剂将食用油废料转化为脂肪酸甲酯；第二次酯交换反应是使用Na2CO3催化剂和二甲基亚砜作为溶剂的甲酯和糖蜜之间的反应，以产生蔗糖酯。实验证明，当糖蜜与食用油的摩尔比为8∶1时，蔗糖酯可达到最好的产率。

但是溶剂法制备蔗糖酯的工艺挑战依旧存在，N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜均为高沸点化学物质，在反应中不易除去。同时，在进行必要的副产品分离时，也会产生一定的废物流，从而增加生产成本。

1.1.2 无溶剂法

无溶剂法制备蔗糖酯也被广泛开发应用于化学工业。Feuge等[15]在1970年指出，在催化条件为170～185 ℃的钾皂存在下，特定的脂肪酸甲酯与熔融的蔗糖发生酯交换反应可得到相应的蔗糖酯。Huang等[16]对蔗糖辛酸生产过程中碳酸钾的影响进行深入研究，发现以乙二醇为反应物时，在催化剂碳酸钾的量为起始甲酯摩尔数的13%的条件下，蔗糖辛酸的产率比从其他催化剂获得的蔗糖辛酸产率高75%。Maria等通过无溶剂工艺由棕榈酸甲酯和蔗糖生产蔗糖棕榈酸酯，并在不同温度和蔗糖棕榈酸酯浓度下进行了实验评估，最终证明其合成产物与市售蔗糖酯性能相当。

然而，无溶剂法也有一定的缺点。在温度升高时，蔗糖只能在很短的时间内保持液体状态[17]。当减压去除形成甲醇时，糖的降解也随之发生，反应混合物的颜色明显变暗，这对产量和产品质量都有较大影响，同时去除催化剂也增加了相应的技术困难。

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1.2 生物酶法

酶催化的蔗糖酯合成由于其区域选择性的增强，提供了制备更高纯度的蔗糖酯的途径。同时，生物酶法制备蔗糖酯所涉及的条件温和，反应物、中间产物、产物等无毒[18]，因此往往对于环境是友好的。经过研究，发现脂肪酶和蛋白酶都可以用于蔗糖的酯化并产生良好产物。

各种脂酶被广泛用于实验室蔗糖酯的制备中，例如脂肪酶TLIM[19]和南极假丝酵母B等[20]。脂肪酶在平衡状态下可以发挥较强作用，即使使用有机溶剂，也可发生产物酯的水解[21]。脂肪酶在一系列有机溶剂例如正己烷、二甲基亚砜、甲醇、二甲苯和环己烷等的低浓度溶剂条件下仍能存活[22]，因此多用于制备蔗糖酯。Novozym 435脂肪酶已被用于长链脂肪酸酯的制备，通过在二甲基亚砜和2-甲基-2-丁醇的混合物中用相关的酰化剂处理蔗糖，从而产生蔗糖棕榈酸酯[23]。Riva等[24]对枯草杆菌素的有效性进行了研究，发现脂肪酶在无水N，N-二甲基甲酰胺中具有催化活性，可以生产出85%的10-O-单丁酰蔗糖，同时具有较高的选择性。Inprakhon等[25]对脂肪酶催化的蔗糖单酯合成进行研究，通过在非水双相介质中进行脂肪酶催化的酯交换反应来合成蔗糖单癸酸酯。Wang等[26]从地衣芽孢杆菌中提取了一种碱性蛋白酶，被用于合成月桂酸蔗糖。在此研究中，将月桂酸乙烯酯溶解在体积比为15∶1∶4的叔戊醇/二甲基亚砜/水混合物中，在9 h后检测出98%的蔗糖区域选择性地转化为10-O-月桂酰蔗糖，表明该蛋白酶对蔗糖酯的制备具有优化功能。

生物酶法为制备蔗糖酯提供了更绿色和更有选择性的方法，某些无法通过其他方法获得的蔗糖酯也能被合成与研究。不过迄今为止，并没有在工业化的蔗糖酯生产中使用生物酶法，因为相关的成本和运行条件等问题还尚未完美解决[27]。

1.3 辅助催化法

离子液体可溶解极性和非极性物质[28]，因此可同时溶解蔗糖和脂肪酸酯。离子液体的热稳定性、液态的类盐性质、良好的比导率和较小的蒸汽压，使其在多种条件下均可应用，其溶解生物质组分的优异能力也被人们所熟知[29]，并在涉及脂肪酶的反应中被用作溶剂。邱诗铭等[30]在1，2-丙二醇的溶剂中，用K2O/Al2O3和Na3PO4/MgO固体碱催化剂制备松香酸蔗糖酯。在最佳条件下，酯化率可以达到98%。同时在比较研究中发现，松香酸的蔗糖酯显示出比蔗糖脂肪酸酯更强的表面活性。

其次，超声波技术作为一种操作简单、清洁无污染的处理手段[31]，其应用越来越广泛。将超临界二氧化碳作为脂肪酶催化生物转化溶剂，也可合成特定的蔗糖酯。Hang等[32]通过测试脂肪酸乙酯与酯交换合成中超声辐照的不同参数，改善了单取代蔗糖酯的生产，当蔗糖与甲酯的摩尔比为2∶1时，合成了单取代率高达92%的蔗糖酯。

已有研究在酯交换反应中对SE的制备进行了非均相催化研究。但是，采用这种催化的反应在动力学上是不利的，因为它需要较高的反应温度，这进一步造成了焦糖化反应，可能导致蔗糖降解的问题，同时在产物中产生了多种化学和物理变化。

2 蔗糖酯的功能特性

2.1 乳化性

蔗糖酯本身是由蔗糖与脂肪酸制备而成，并且是无毒物质，可降解为安全的蔗糖和脂肪酸，因此其作为表面活性剂很受关注，是适用于各种食品和化妆品的乳化剂。蔗糖酯的乳化能力可以通过测量它们形成的乳液液滴尺寸及其分布特点来确定，亚微米大小的乳液可以由蔗糖酯通过自发乳化过程形成，可节省采用高能均质化这一步骤。

2.2 起泡性

2.3 两亲性

蔗糖酯因其两亲性而具有独特的表面活性，其两亲性来源于分子框架中与蔗糖部分相关的亲水性羟基和与脂肪酰基侧链相关的疏水性。蔗糖酯通过控制合成的相关脂肪酸类型以及糖基框架的酯化程度，可以获得范围较大的HLB值[37]，增加疏水链长可增加中链脂肪酸单酯的乳化能力，增加酰化、酯化程度会导致更高的疏水性。

2.4 生物活性

虽然蔗糖酯对人类并不产生危害，但大量研究表明它们对微生物、肿瘤细胞和病毒的抑制作用，并揭示了它们的杀虫潜力。蔗糖单月桂酸酯的抗微生物活性主要是针对革兰氏阳性菌，通过破坏细菌细胞膜的完整性来达到效果。Abdel-Mageed等[38]通过实验证明，蔗糖脂肪酸酯也可被用于药物输送系统。

3 蔗糖酯在食品工业中的应用

食品工业高速发展的同时，问题食品、亚健康食品也随之产生。因此，选择对人体健康、对环境友好的食品辅助物质是未来食品工业发展的主要方向。蔗糖酯作为一种绿色环保物质，其乳化性、两亲性、起泡性等均可在食品工业中发挥巨大作用。

3.1 在食品加工中的应用

蔗糖酯的HLB值在1～16之间，通过将蔗糖酯与其他表面活性化合物例如甘油酯混合，可以满足乳制品、面制品加工等的不同需求。通常，蔗糖酯HLB值为5时，可用于巧克力以形成油包水型乳液，而HLB值在8～10的范围内，可形成像口香糖这种亲水亲油平衡的物质。HLB值在11时的蔗糖酯，广泛用于冰淇淋和蛋糕面糊中，以形成水包油乳液，也可减少煎饼混合物等食品淀粉的下降[39]。Ariyaprakai等[40]研究发现蔗糖酯可以作为椰奶乳剂中Tweens的有效替代品，并提供更优良的热稳定性，并且基于蔗糖酯形成的可食用水包油乳液在冷冻后解冻时更加稳定。乳制品泡沫的形成取决于控制脂肪球的部分聚结和脂肪结晶[41]。将蔗糖酯加入乳制品后，削弱了乳化脂肪球的界面层，脂肪球的聚集水平随着蔗糖酯的存在而增强。Cheng等[42]研究了大豆/牛奶蛋白比和蔗糖脂肪酸酯添加量对冰淇淋乳液稳定性的影响，发现蔗糖酯可与蛋白质共存于油/水界面，以协同方式增加表面压力，促进冰淇淋部分聚结与蛋白质覆盖。Zeng等[43]选用蔗糖酯S370为乳化剂，研究其对鲜奶油界面层和脂肪晶体网络的影响。搅打前蔗糖酯S370的添加对乳液样品的液滴大小、界面蛋白浓度和黏度几乎没有影响，但是在搅打后，蔗糖酯S370诱导形成的较小晶体，降低了脂肪聚结的速率。当蔗糖酯S370的质量占比为0.05%时，生成的乳液具有均匀的晶体网络和致密的蛋白质层，同时有很高的硬度和气泡稳定性，表明了蔗糖酯在乳制品加工中的优良性能。在白面包中膳食纤维比例的调整中，蔗糖酯的增加不仅不影响面团的黏性，并且可以增加面包的体积[44]。Ushijima等[45]在面包制备时通过添加蔗糖酯来降低储藏米粉的疏水性。研究发现，将0.5 mL的2.7%蔗糖酯溶液添加到储藏米粉原料中时，米粉的疏水性几乎丧失。因此，在储藏的米粉中添加蔗糖酯可以改善其制成的面包性能。

此外，聚合甘油单硬脂酸酯和蔗糖酯的混合物已被证明在香料香油的制备中是有益的[46]，蔗糖酯和乙醇等组成的有机混合物，可以添加到乳液中来制备天然风味的香精香料等。蔗糖酯的加入对食品的保湿和防潮能力有一定的影响，这与蔗糖酯脂肪酸链长度和糖残基的性质有关。Lin等[47]通过将蔗糖酯和黄精多糖混合来调节水结合能力，提高了烟丝的保湿和防潮能力。研究表明，普鲁兰多糖可食性膜加入蔗糖酯后，由于蔗糖酯的亲酯性，水蒸气透过率降低，阻水性能提高。因此，蔗糖酯的加入可以减缓烟丝对水分的吸附，表现出良好的防潮性能。蔗糖酯也可被应用于脱磷剂在食用油脱磷工艺中发挥作用。王未君等[48]以蔗糖脂肪酸三酯和磷脂酰胆碱为原料制备了一种蔗糖酯磷脂复合物，该复合物在菜籽油脱磷中添加量为3.5%、脱磷时间为30 min的条件下，达到了37.2%的脱磷率，是新型的植物油吸附脱磷剂。综上可知，蔗糖酯在食品加工中的应用前景较为开阔。

3.2 在食品保鲜中的应用

蔗糖酯是优异的表面活性剂，其两亲性等在食品保鲜、护色等领域具有一定的用途。Soli等[49]在微泡条件下采用微酸性次氯酸水与蔗糖脂肪酸酯预处理相结合的方法，对果蔬去污效果进行研究，发现蔗糖酯可以降低细菌和食物基质之间的表面张力，从而发挥作用。Chortyk等[50]以烟草属植物中分离出的天然杀虫蔗糖酯为基础，制备了性能相似的脂肪酸蔗糖酯。经过实验分析，新制得的蔗糖酯被证明是有效的粉虱杀虫剂，对甘薯粉虱和蚜虫有消杀活性。此外，蔗糖酯还可以用作各种类型水果的涂层剂，以防止在存储过程中变色和变冷[51]。通过这些研究，表明蔗糖酯的使用在食品保鲜的应用中具有实际意义。

3.3 在食品包装中的应用

包装是食品加工必不可少的一部分，可以延长货架寿命并提高食品质量。最常用的食品包装是由不可生物降解的合成材料制成的。因此，以天然聚合物制成的可食用薄膜作为包装材料引起了广泛关注。蔗糖酯是具有非离子表面活性剂特性的脂肪酸的产物，是无毒、无味且可生物降解的。Amalini等[52]将具有表面活性剂性质的疏水材料脂肪酸蔗糖酯掺入可食用蛋白膜中，以减少其较差的防水性能，最终产物保留了机械性能，改善了膜层阻隔性能。综上可知，蔗糖酯基膜具有预期的地位，可以作为合成包装的替代品或作为辅助包装，从而减少对合成聚合物的依赖性。然而，现有蔗糖酯基膜的可行应用仅仅用作防水和防潮包装，例如用于低水分食品，而在其他食品中的应用研究相对较少，将蔗糖酯应用于食品包装工业还有许多挑战。

4 结论

蔗糖酯是一种优异的表面活性剂，在食品工业中可以满足广泛领域的不同需求。蔗糖酯独特的表面活性特性源于它们的两亲性，而两亲性本身源于分子结构中存在的亲水羟基和脂肪酰基侧链的疏水特性，它们的乳化特性和各种生物活性的详细研究同样备受关注。虽然相当传统的化学方法在工业生产蔗糖酯中占主导地位，但合成领域的焦点已经偏向于蔗糖酯的绿色制备，例如酶法制备、超声波等。这些方法有明显的优势，通常更环保，对条件要求更低，但在工业环境中所需的成本仍然是一个挑战。

同时，在蔗糖酯的食品工业应用中，可以看到其有着显著的成效，对乳制品、面制品、调味品等的品质保证发挥重要的作用。由于其良好的乳化性能，在食品包装行业、食品保鲜行业、食品调味品行业，协同其他物质共同发挥优良作用。尽管蔗糖酯的研究广泛，可依旧尚未形成系统的应用体系，整体研究需要进一步完善。因此，蔗糖酯仍有较光明的开发前景，从而推动食品工业的健康发展。