麥芽糖醇脂肪酸單酯表面性質(zhì)的研究

王 潔，曾茂茂，何志勇，秦 昉，陳 潔

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

麥芽糖醇脂肪酸酯是一類新型優(yōu)良的非離子型表面活性劑，由麥芽糖醇與脂肪酸縮合而成，廣泛應(yīng)用于食品、藥品和化妝品行業(yè)。麥芽糖醇脂肪酸酯不但具有良好的乳化性、潤(rùn)濕性和增稠性，還具有一定的抑菌性。特別是它的乳化穩(wěn)定性具有其獨(dú)特的性能，可用來(lái)取代單甘酯作為口香糖膠基的原料［1］。麥芽糖醇脂肪酸酯的功能性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)和組成有密切關(guān)系。研究表明單酯相對(duì)于二酯和多酯具有更好的起泡性、抑菌性、乳化性［2－3］。目前國(guó)內(nèi)外在麥芽糖醇酯的研究方面大多采用混合物，很少用純品研究高純度單酯的性質(zhì)，例如張灝等人對(duì)酶法合成的麥芽糖醇酯進(jìn)行了初步分離，進(jìn)而研究麥芽糖醇酯的粗產(chǎn)物的表面性質(zhì)［4］。為了探明不同脂肪酸殘基對(duì)于麥芽糖醇酯性質(zhì)特別是表面活性的影響，本文采用非水相酶合成體系，以麥芽糖醇與脂肪酸為原料，固定化脂肪酶NOV435催化合成系列麥芽糖醇脂肪酸酯，經(jīng)過(guò)分離純化和結(jié)構(gòu)鑒定，獲得了高純度單酯，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了麥芽糖醇單酯的表面性質(zhì)，以期為其進(jìn)一步的生產(chǎn)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

固定化脂肪酶Novozym435 丹麥諾維信公司;麥芽糖醇 Roquette;月桂酸、辛酸、硬脂酸、二甲基亞砜(DMSO)、叔戊醇、正己烷、異丙醇、甲醇 中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司，分析純;4?分子篩、柱層析硅膠(200～300目)中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司;甲醇 百靈威，色譜純;超純水 實(shí)驗(yàn)室自制。

SHZ－88臺(tái)式水浴恒溫震蕩器 江蘇太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(LC－MS)、Waters1525高效液相色譜系統(tǒng) 美國(guó)Waters公司;擴(kuò)口層析柱 上海錦華層析設(shè)備廠;自動(dòng)部分收集器 上海滬西分析儀器廠;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀瑞士BUCHI公司;全自動(dòng)表面張力儀DCAT21德國(guó)KRUSS公司;AVANCE III 400MHz全數(shù)字化核磁共振譜儀 瑞士布魯克拜厄斯賓有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 麥芽糖醇脂肪酸酯的酶法合成 取10mmol麥芽糖醇，40mmol脂肪酸(辛酸、月桂酸、硬脂酸)，1.5g固定化脂肪酶NOV435，6g 4?分子篩，100mL脫水的叔戊醇/DMSO=4∶1于250mL具塞錐形瓶中，密封后放入50℃恒溫水浴震蕩(150r/min)中反應(yīng)72h。

1.2.2 麥芽糖醇月桂酸酯的分離及鑒定 將反應(yīng)液用濾紙過(guò)濾，除去其中的分子篩和酶，經(jīng)硅膠柱層析分離。流動(dòng)相為正己烷/異丙醇/甲醇 =4∶4∶2，流速為2mL/min，按1管/3min收集洗出液。洗出液經(jīng)HPLC檢測(cè)后，分段收集相應(yīng)組分。HPLC的分析條件為:色譜柱為 Lichrospher C18(5μm，4.6mm ×250mm)，流速 1mL/min，進(jìn)樣量 20μL，流動(dòng)相為甲醇－水(85∶15)溶液，柱溫30℃，采用示差折光檢測(cè)器，檢測(cè)器靈敏度為32。將經(jīng)過(guò)硅膠柱分離后的收集液蒸發(fā)掉有機(jī)溶劑，用色譜純甲醇復(fù)溶，半制備HPLC制備。半制備條件為:色譜柱為L(zhǎng)ichrospher C18(5μm，20.0mm ×250mm)，流速 8mL/min，進(jìn)樣量500μL，流動(dòng)相為甲醇－水(85∶15)溶液。經(jīng)半制備得到的餾出液蒸發(fā)掉有機(jī)溶劑，凍干。將最后得到的麥芽糖醇月桂酸單酯做 MS［5］、FT－IR［6］、NMR 分析鑒定［5］。

1.2.3 麥芽糖醇脂肪酸酯表面張力的測(cè)定 用Small Wilhelmy－Plate(10×9.95×0.2)測(cè)定不同溫度下麥芽糖醇脂肪酸酯水溶液的表面張力γ，并且由表面張力曲線得出臨界膠束濃度(CMC)［7］。利用公式計(jì)算CMC 時(shí)的最大吸附量 Γmax和最小截面積 Amin［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 麥芽糖醇月桂酸酯的分離純化及結(jié)構(gòu)鑒定

固定化脂肪酶NOV435在叔戊醇/DMSO=4∶1混合溶劑中催化麥芽糖醇和脂肪酸合成麥芽糖醇酯。由于反應(yīng)過(guò)程中生成了單酯和二酯，且反應(yīng)液中還存在未反應(yīng)的麥芽糖醇及脂肪酸，因此先采用硅膠柱除去反應(yīng)液中的脂肪酸等雜質(zhì)，再利用半制備HPLC進(jìn)一步分離純化，從而得到純度較高的麥芽糖醇單酯。

硅膠柱層析分離后的洗脫液的HPLC圖，如圖1可知，洗脫液中不含月桂酸，7.8和8.3min分別是組分1和組分2，將組分1和組分2分別收集后做MS，發(fā)現(xiàn)組分1和2的質(zhì)譜圖一樣。圖2顯示了硅膠柱分離組分2的質(zhì)譜圖，(a)圖中出現(xiàn)的549峰為［M+Na］質(zhì)譜信號(hào)，(b)圖中出現(xiàn)的525峰和561峰分別是［M－H］和［M+Cl］質(zhì)譜信號(hào)。由于麥芽糖醇月桂酸單酯的分子量為526，與質(zhì)譜信號(hào)相吻合，因此組分1和2是兩種位置異構(gòu)的麥芽糖醇月桂酸單酯。

組分2的紅外掃描圖譜如圖3所示，3375cm－1的寬峰為締合－OH的伸縮振動(dòng)吸收(γO－H);1100～1460cm－1為 δC－H吸收;1722cm－1處的強(qiáng)吸收峰為 γC=O吸收，是酯的特征吸收峰。在1700cm－1處沒(méi)有明顯的吸收峰，故可判斷制備后的樣品中不含月桂酸。

圖1 硅膠柱層析分離后的洗脫液的HPLC圖Fig.1 The HPLC of eluate separated by silica gel column chromatography

圖2 硅膠柱分離組分2的質(zhì)譜圖:(a)正離子;(b)負(fù)離子Fig.2 MS spectra of component2 separated by silica gel column chromatograph:(a)ES+;(b)ES－

圖3 組分2的IR圖譜Fig.3 The IR spectra of component 2

由于固定化脂肪酶NOV435選擇性催化?；u基，而麥芽糖醇結(jié)構(gòu)中有三個(gè)伯羥基，因此采用NMR確定?；奈恢谩＝?jīng)13C NMR分析，可進(jìn)一步確定制備后的組分1、組分2分別是6－O－麥芽糖醇月桂酸單酯和6'－O－麥芽糖醇月桂酸單酯(＞95%)。因此，固定化脂肪酶NOV435高選擇性催化6'位上的羥基。

表1 麥芽糖醇脂肪酸單酯的表面性質(zhì)Table 1 Surfactant properties of the monoacyl maltitol

6－O－麥芽糖醇月桂酸單酯:13C NMR(δ，ppm)175.74(C=O)，103.04(C－1)，85.53(C－4 β)，75.07(C－3 α)，74.28(C－2 β)，73.85(C－5α)，73.27(C－5 β)，72.23(C－3 β)，72.23(C－2 α)，71.77(C－4 α)，64.87(C－6 β)，64.70(C－1 β)，64.38(C－6 α)，40.62(C－2)，35.11(C－3)，33.26(C－4)，30.93(C－5)，30.82(C－6)，30.66(C－7)，30.63(C－8)，30.42(C－9)，26.19(C－10)，23.92(C－11)，14.64(C－12)。

6'－O－麥芽糖醇月桂酸單酯:13C NMR(δ，ppm)175.67(C=O)，103.07(C－1)，85.24(C－4 β)，75.23(C－3 α)，74.76(C－5 α)，74.16(C－2 β)，73.96(C－2 α)，72.52(C－3 β)，71.70(C－4 α)，70.57(C－5 β)，67.04(C－6 β)，64.17(C－1 β)，40.62(C－2)，35.17(C－3)，33.25(C－4)，30.93(C－5)，30.80(C－6)，30.65(C－7)，30.62(C－8)，30.43(C－9)，26.18(C－10)，23.92(C－11)，14.63(C－12)。

2.2 麥芽糖醇脂肪酸酯的表面性質(zhì)

表面活性劑吸附于氣－液界面，在表面聚集，可以降低體系的表面張力。圖4是30～60℃時(shí)具有不同疏水尾的麥芽糖醇單酯的表面張力與濃度的關(guān)系圖。由圖4可知，對(duì)于每一種麥芽糖醇單酯來(lái)說(shuō)，在不同溫度下，都是隨著溶液濃度的升高，相應(yīng)的表面張力下降，當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，表面張力不再有明顯的變化，此時(shí)麥芽糖醇單酯水溶液的濃度即為臨界膠束濃度(CMC)，對(duì)應(yīng)的表面張力則為γCMC。

脂肪酸對(duì)麥芽糖醇酯的CMC有很大的影響，如圖5所示，隨著?；滈L(zhǎng)的增加，糖醇酯的CMC降低。這個(gè)結(jié)果與Soultani與Chen報(bào)道的蔗糖酯和海藻糖酯的CMC與酰基鏈長(zhǎng)的關(guān)系一致。這可能是因?yàn)轷；滈L(zhǎng)的增加，使得憎水性增大，較易形成膠束［8－9］。

溫度對(duì)表面活性劑的 CMC有一定影響，如Tween80的CMC隨溫度升高而逐漸降低。圖6顯示了麥芽糖醇脂肪酸單酯CMC值與溫度的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在所研究的溫度范圍內(nèi)，麥芽糖醇單酯的CMC隨溫度的升高略有下降。這是因?yàn)樵谔囟ǖ臏囟认拢谴减サ腃MC由親水基團(tuán)的水合作用和疏水基團(tuán)間的范德華力這兩種相反效應(yīng)的綜合作用引起的。溫度升高會(huì)破壞親水基與水的水化作用，促進(jìn)膠束形成，但也可能破壞疏水基周圍的結(jié)構(gòu)水，妨礙膠束的形成［10］。從圖6中也可以看出糖醇酯受溫度的影響很小，這也是糖酯優(yōu)于其它類型表面活性劑的表現(xiàn)［2－11］。

圖4 不同溫度下麥芽糖醇脂肪酸單酯的表面張力－濃度對(duì)數(shù)曲線Fig.4 Relationship between surface tension and concentration of monoacyl maltitol at different temperature

不同親水頭的脂肪酸酯的表面性質(zhì)如表1所示，對(duì)于相應(yīng)酰基鏈的雙糖酯，本文所合成的麥芽糖醇酯的臨界膠束濃度略有降低，并且有效降低了表面張力，表明麥芽糖醇酯具有較強(qiáng)的表面性質(zhì)。

3 結(jié)論

圖5 ?；滈L(zhǎng)對(duì)麥芽糖醇脂肪酸單酯CMC的影響Fig.5 Effect of the acyl chain length on CMC

圖6 溫度對(duì)麥芽糖醇脂肪酸單酯CMC的影響Fig.6 Temperature dependencies of CMC for monoacyl maltitol

本文以麥芽糖醇和脂肪酸(辛酸、月桂酸、硬脂酸)為原料，在叔戊醇/DMSO=4∶1的混合溶劑中，固定化脂肪酶NOV435催化合成麥芽糖醇脂肪酸酯。利用硅膠柱層析及半制備高效液相對(duì)反應(yīng)液進(jìn)一步分離純化獲得相應(yīng)的高純度的麥芽糖醇脂肪酸酯。純化后的麥芽糖醇月桂酸單酯經(jīng)MS、IR和NMR鑒定其結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，酶促反應(yīng)選擇性酯化6'位上的羥基，只有少量的6－O－麥芽糖醇月桂酸單酯生成(＜5%)。麥芽糖醇單酯的表面張力和CMC均隨溫度的升高略有下降，受溫度影響不大，這也是優(yōu)于其他類表面活性劑的表現(xiàn)。?；滈L(zhǎng)對(duì)麥芽糖醇酯的CMC有顯著的影響，隨?；荚訑?shù)的增加，CMC急劇下降。與麥芽糖酯和蔗糖酯比較，麥芽糖醇單酯可有效的降低表面張力和CMC，是一種優(yōu)良的表面活性劑。

［1］李建成，袁長(zhǎng)貴.開(kāi)發(fā)淀粉糖酯正逢時(shí)［J］.精細(xì)化工信息，2001(10):3－4.

［2］Husband F A，Sarney D B，Barnard M J，et al.Comparison of foaming and interfacial properties of pure sucrose monolaurates，dilaurate and commercial preparations［J］.Food Hydrocolloids，1998，12(7):237－244.

［3］Ferrer M，Soliveri J，Plou J F，et al.Synthesis of sugar esters in solvent mixtures by lipase from Thermomyces lanuginosus and Candida antarctica B，and their antimicrobial properties［J］.Enzyme Microb Technol，2005，36(4):391－398.

［4］張灝，王振虎，彭冬梅，等.麥芽糖醇脂肪酸酯的酶催化合成及表面張力測(cè)定［J］.食品科學(xué)，2010，31(18):153－156.

［5］孫月娥，夏文水，陳潔，等.魚油海藻糖酯的合成與表面性質(zhì)研究［J］.食品工業(yè)科技，2009，30(3):290－292.

［6］劉巧瑜，賈承勝，蔣平平，等.麥芽糖月桂酸酯的分離純化與結(jié)構(gòu)鑒定［J］.食品科學(xué)，2007，28(10):464－467.

［7］Piao J，Kishi S，Adachi S.Surface tension of aqueous solutions of 1－O－monoacyl sugar alcohols［J］.Colloids and Surfaces，2006，227(1－3):15－19.

［8］Soultani S，Ognier S，Engasser J M，et al.Comparative study of some surface active properties of fructose esters and commercial sucrose esters［J］.Colloids and Surface A － Physicochemical and Engineering Aspects，2003，227(1－3):35－44.

［9］Chen J，Kimura Y，AdachiS.Synthesisoflinoleoyl disaccharides through lipase－catalyzed condensation and their surface activities［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2005，100(3):274－279.

［10］Chaiyasit W，Silvestre M P，Mcclements D J，et al.Ability of surfactant hydrophobic tail group size to alter lipid oxidation in oil－in－ water emulsions［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2000，48(8):3077－3080.

［11］劉巧瑜，張曉鳴.糖酯的表面活性及其在食品加工中的應(yīng)用［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2010，31(6):189－192.

［12］王慶輝.蔗糖酯的區(qū)域選擇性合成、結(jié)構(gòu)分析與物化性能［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［13］Ferrer M，Comelles F，Plou F J，et al.Comparative surface activities of di－ and trisaccharide fatty acid esters［J］.Langmuir，2002，18(3):667－673.