油酸糖酯的酶法合成及表面性能測(cè)定

張 灝 彭冬梅 王振虎 楊奇英 沈 丹 何冰芳

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系1，南京 210003)

(南京工業(yè)大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院2，南京 210009)

脂肪酸糖酯類(lèi)非離子表面活性劑因其特殊的結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)出獨(dú)特的性能，如HLB值范圍寬(為1～16)、乳化容量大，既可作為水包油(O/W)型乳化劑，又可作為油包水(W/O)型乳化劑，再加之可以由可再生資源(脂肪酸和糖類(lèi))合成，產(chǎn)品易完全生物降解、無(wú)毒、對(duì)皮膚無(wú)刺激及無(wú)色無(wú)味等［1－3］，這些特殊性能是其他類(lèi)型的表面活性劑無(wú)法替代的，使脂肪酸糖酯類(lèi)作為乳化劑在食品工業(yè)及其他領(lǐng)域包括化妝品，洗滌劑，口腔保健產(chǎn)品和醫(yī)療用品等有廣泛的應(yīng)用［4－7］。有報(bào)道稱(chēng)其抗菌、抗癌和殺蟲(chóng)性能，有可能開(kāi)拓新市場(chǎng)［8－9］。本研究選擇油酸和多種糖(麥芽糖、葡萄糖、山梨醇和木糖醇)在脂肪酶催化下制備油酸糖酯，并對(duì)油酸糖酯的表面性質(zhì)(表面張力、HLB值、乳化性)進(jìn)行了測(cè)定。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

油酸，麥芽糖，葡萄糖，山梨醇，木糖醇，丙酮，3A分子篩:國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;固定化脂肪酶Novozym435:Novo公司。

79－1磁力加熱攪拌器:常州國(guó)華電器有限公司;RE－52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠(chǎng);SHZ－CD型循環(huán)水式多用真空泵:河南鞏義市英峪予華儀器廠(chǎng);BS224S電子分析天平:北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;VAVOVRT 360 FT－TR紅外光譜儀:美國(guó)Thermo Nicolet公司;1100HPLC－MSD(SL)型液質(zhì)聯(lián)用儀:美國(guó)Agilent;QBZY－1全自動(dòng)表面張力儀:上海方瑞儀器有限公司;FJ200－S數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī):上海標(biāo)本模型廠(chǎng);離心機(jī):北京醫(yī)用離心機(jī)廠(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油酸糖酯的制備

稱(chēng)取一定量的油酸和糖(麥芽糖、葡萄糖、山梨醇和木糖醇)、適量溶劑丙酮和脂肪酶置于100 mL圓底燒瓶中，安裝恒壓滴液漏斗(裝有18 g預(yù)先用無(wú)水丙酮溶劑浸泡過(guò)的3A分子篩)和回流冷凝管，攪拌下加熱反應(yīng)物，回流數(shù)小時(shí)后，停止加熱，冷卻反應(yīng)液。過(guò)濾除去反應(yīng)混合液中的脂肪酶，濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸餾除去溶劑丙酮，得油酸糖酯粗品(油酸和油酸糖酯)。

向油酸糖酯粗品中加入一定量正己烷溶解油酸，至白色沉淀析出完全，通過(guò)離心分離得油酸糖酯，再分別用少量正己烷洗滌2次，以進(jìn)一步除去少量油酸，離心分離得到純的油酸糖酯。

1.2.2 分析

1.2.2.1 油酸轉(zhuǎn)化率的測(cè)定及計(jì)算方法

反應(yīng)結(jié)束后，取一定量的濾去脂肪酶的反應(yīng)混合物，以1%的酚酞為指示劑，用一定濃度的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定未反應(yīng)完的油酸，以油酸的減少量來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)化率。

式中:m為油酸的質(zhì)量/g;M油酸為油酸的相對(duì)分子質(zhì)量;cNaOH為NaOH溶液的濃度/mol/L;VNaOH為滴定消耗的NaOH溶液的體積/L。

1.2.2.2 定性分析

紅外測(cè)試采用KBr壓片法。

質(zhì)譜測(cè)試條件:離子方式:ESI+;毛細(xì)管電壓:3.87 kV;錐孔電壓:40 V;離子源溫度:100℃;脫溶劑氣溫度:250℃;質(zhì)量范圍:200～1 200 m/z;光電倍增器電壓:700 V;氣體流速:4.2 L/h。

薄層色譜條件:硅膠板，展開(kāi)劑為乙酸乙酯∶甲苯∶甲醇∶水 =20∶6∶3∶1(體積比)，顯色劑:碘蒸氣。

1.2.3 麥芽糖油酸酯的表面性質(zhì)測(cè)定

1.2.3.1 表面張力的測(cè)定

根據(jù)Wilhelmy吊片法［10］，利用全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定一定濃度的淀粉糖油酸酯溶液的表面張力［11］。

1.2.3.2 HLB 值的測(cè)定

基團(tuán)數(shù)法計(jì)算油酸糖酯的HLB值［13］。

水?dāng)?shù)滴定法測(cè)定油酸糖酯的HLB值［14－15］。

稱(chēng)取0.05 g不同HLB值的標(biāo)準(zhǔn)樣品(Span 20、Span 40、Span 80、Tween 20、Tween 40 和 Tween 80)于25 mL比色管中，加入 N，N－二甲基酰胺與苯(100∶5)的混和液10 mL，保持溫度為室溫25℃，不斷振蕩比色管。用滴定管慢慢滴入蒸餾水至溶液由澄清變?yōu)榛鞚幔涗浰挠玫恼麴s水的體積。以HLB值為橫坐標(biāo)，蒸餾水的體積(mL)為縱坐標(biāo)，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

圖1 Span、Tween系列乳化劑的水?dāng)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

分別稱(chēng)取0.05 g油酸糖酯樣品于50 mL錐形瓶中，加入N，N－二甲基酰胺與苯的混和液10 mL，重復(fù)上述操作過(guò)程。記錄所耗用的蒸餾水的體積，取5次平行測(cè)定的平均值，從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中查出樣品的HLB值。

1.2.3.3 乳化能力及乳化穩(wěn)定性的測(cè)定

采用離心法測(cè)定油酸糖酯的乳化能力及乳化穩(wěn)定性［9］。

將油酸糖酯用蒸餾水配成濃度 0.01～0.5 mg/mL的溶液。分別取10.0 mL油酸糖酯溶液與5.0 mL大豆油加入到50 mL刻度試管中，恒定溫度為25℃，用數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)以轉(zhuǎn)速為13 500 r/min均質(zhì)2.5 min。均質(zhì)結(jié)束，記錄試管中乳化層的高度(h1，mm)和乳狀液的總高度(h2，mm)。乳狀液靜置45 min后1 100 r/min離心5 min，記錄試管中乳化層的高度(h3，mm)和乳狀液的總高度(h4，mm)。取5次平行測(cè)量的平均值，用公式(1)和公式(2)分別計(jì)算油酸糖酯溶液的乳化能力和乳化穩(wěn)定性。

1.2.3.4 發(fā)泡能力及發(fā)泡穩(wěn)定性的測(cè)定［10］

將油酸糖酯用蒸餾水分別配成濃度為0.01～0.5 mg/mL的溶液。取10.0 mL油酸糖酯溶液加入到50 mL刻度試管中，記錄溶液的高度(H0，mm)后用FJ200－S數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)以轉(zhuǎn)速為13 500 r/min均質(zhì)2 min。停止均質(zhì)后立即記錄刻度試管中泡沫的高度(H1，mm)和溶液的高度 (H2，mm);靜置45 min后再記錄試管中泡沫的高度(H3，mm)。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度保持25℃。取5次平行測(cè)量的平均值，用公式(3)和公式(4)分別計(jì)算油酸糖酯的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 油酸糖酯的制備

初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以脂肪酶Novozym435為催化劑，糖(麥芽糖、葡萄糖、山梨醇和木糖醇)與油酸發(fā)生酯化反應(yīng)的影響因素主要包括原料配比、溶劑丙酮的用量、酶的用量、反應(yīng)時(shí)間等。對(duì)4種糖分別進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，并對(duì)各因素進(jìn)行了較適宜條件選擇，得出如表1所示的結(jié)果。

表1 油酸與糖反應(yīng)的較適宜條件及油酸的轉(zhuǎn)化率

由表1可見(jiàn)，本試驗(yàn)所用糖與油酸都能在一定條件下發(fā)生酯化反應(yīng)生成油酸糖酯，其中，以雙糖麥芽糖與油酸反應(yīng)所需的時(shí)間最長(zhǎng)，產(chǎn)率也相對(duì)較低。其他單糖及糖醇與油酸反應(yīng)所需時(shí)間短，油酸的酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也相對(duì)較高。

2.2 麥芽糖油酸酯的鑒定

分離提純后的產(chǎn)品薄層色譜分析結(jié)果，如圖2所示。

圖2 分離提純后的產(chǎn)品薄層色譜分析示意圖

IR測(cè)定結(jié)果表明，產(chǎn)品在1730 cm－1附近出現(xiàn)吸收峰，歸屬為酯基的C O伸縮振動(dòng)吸收峰，證明了羧酸酯基的存在，即油酸與糖發(fā)生了酯化反應(yīng)，說(shuō)明產(chǎn)品為油酸糖酯化合物。

MS測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3中為各種油酸糖酯的［M+Na］峰，其M與油酸糖酯的分子質(zhì)量一致，因此可以確定所合成產(chǎn)物分別為油酸麥芽糖酯、油酸葡萄糖酯、油酸山梨醇酯和油酸木糖醇酯。

圖3 油酸糖酯質(zhì)譜圖

2.3 油酸糖酯的表面性質(zhì)

2.3.1 油酸糖酯的表面張力和臨界膠束濃度

由圖4可見(jiàn)，對(duì)本試驗(yàn)所合成的油酸糖酯進(jìn)行表面張力測(cè)定結(jié)果表明:4種油酸糖酯都具有很好的降低水溶液表面張力的能力。隨著乳化劑濃度的繼續(xù)增加，油酸糖酯彼此靠在一起形成膠束(也稱(chēng)為液晶)，當(dāng)達(dá)到一定的濃度時(shí)，形成穩(wěn)定膠束的乳化劑(油酸糖酯)最低濃度即為臨界膠束濃度(CMC)。膠束的形成有利于乳化性的提高，4種油酸糖酯的臨界膠束濃度(CMC)如表2所示。mg/mL時(shí)，乳化穩(wěn)定性是油酸麥芽糖酯＜油酸山梨醇酯＜油酸葡萄糖酯＜油酸木糖醇酯。

圖4 油酸糖酯水溶液的濃度對(duì)表面張力的影響

表2 不同油酸糖酯的臨界膠束濃度

表2的數(shù)據(jù)顯示，油酸麥芽糖酯為雙糖酯，其CMC低于其他3種油酸單糖酯。

2.3.2 油酸糖酯的HLB值

采用基團(tuán)數(shù)法計(jì)算和水?dāng)?shù)法測(cè)定得到油酸糖酯的HLB值結(jié)果如表3。

表3 不同油酸糖酯的HLB值

表3顯示，用基團(tuán)數(shù)法計(jì)算和水?dāng)?shù)法測(cè)定得到的油酸糖酯的HLB值很接近，說(shuō)明，實(shí)際測(cè)定和理論計(jì)算推測(cè)基本一致，化合物的HLB值取決于分子中親水基的親水性和親油基的疏水性的相對(duì)強(qiáng)弱所決定的。HLB值的大小決定著乳化劑的使用性能，其中，油酸麥芽糖酯，因?yàn)槭请p糖，含有較多的極性基團(tuán)(OH)，而具有較高的HLB值(＞8)，可以作O/W(水包油)型乳化劑;其他3種油酸糖酯，都為單糖酯，相對(duì)于雙糖酯，它們含有較少的極性基(OH)，而具有較小的HLB值(＜8)，即主要用作W/O(油包水)型乳化劑。

2.3.3 油酸糖酯的乳化性

圖5顯示，4種油酸糖酯都具有很好的乳化能力，當(dāng)油酸糖酯的濃度達(dá)到CMC時(shí)，油酸糖酯的乳化能力達(dá)到最高。圖6顯示，油酸糖酯具有一定的乳化穩(wěn)定性。低濃度時(shí)，乳化穩(wěn)定性都是隨著濃度的增加而提高，當(dāng)濃度上升到CMC濃度后，油水界面上的乳化劑不隨濃度增加而增多，導(dǎo)致乳化性不再升高。由于乳化劑的乳化穩(wěn)定性與它們和油脂的結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)，結(jié)合強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越好。所以，以油酸木糖醇酯的乳化穩(wěn)定性相對(duì)最好，油酸麥芽糖酯雖然有較好的乳化能力，因其與油脂的結(jié)合力差而表現(xiàn)出乳化穩(wěn)定性低于其他油酸糖酯。這一結(jié)果與它們的HLB值基本一致，即HLB值低的油酸木糖醇酯有較高的乳化穩(wěn)定性，而HLB值高的油酸麥芽糖酯的乳化穩(wěn)定性相對(duì)較低。當(dāng)質(zhì)量濃度＞0.3

3 結(jié)論

用脂肪酶催化油酸與糖(麥芽糖，葡萄糖，山梨醇和木糖醇)反應(yīng)生成油酸糖酯的適宜條件為:脂肪酶的用量為0.3～0.36 g/mmol油酸，原料配比糖:油酸物質(zhì)的量比為 1∶(1～1.5)，溶劑(丙酮)用量為10～20 mL/mmol油酸，回流反應(yīng)42～72 h，油酸的轉(zhuǎn)化率為89%～95%。

產(chǎn)品經(jīng)紅外光譜檢測(cè)，在1 730 cm－1附近出現(xiàn)吸收峰，表明產(chǎn)物為酯類(lèi)化合物;質(zhì)譜檢測(cè)顯示，譜圖中的［M+Na］質(zhì)譜信號(hào)，所對(duì)應(yīng)的M值與油酸糖酯的相對(duì)分子質(zhì)量相符合，說(shuō)明所得產(chǎn)品分別為油酸麥芽糖酯、油酸葡萄糖酯、油酸山梨醇酯和油酸木糖醇酯。

4 種油酸糖酯的 CMC 為在 7.94$10－4～3.98$10－5mol·L－1，它們都具有較強(qiáng)的表面活性作用;4種油酸糖酯的 HLB值6.8～13，分別可作 W/O和O/W型乳化劑;當(dāng)油酸糖酯的質(zhì)量濃度＞0.3 mg/mL時(shí)，乳化穩(wěn)定性是油酸麥芽糖酯＜油酸山梨醇酯＜油酸葡萄糖酯＜油酸木糖醇酯。

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