CN102321691B

CN102321691B - 一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法

Info

Publication number: CN102321691B
Application number: CN201110227189.4A
Authority: CN
Inventors: 姜兴涛; 邹慧; 余汉谋; 李锐; 李庆廷; 李庆龙
Original assignee: BODUN PERFUME Co Ltd SHENZHEN
Current assignee: Botton Spices Co ltd
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: CN102321691A; WO2013020303A1

Abstract

本发明公开了一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，包括如下步骤：混合步骤：在酶反应器中加入内酯、0.5-10倍内酯物质的量的甘油、0.05~10倍内酯物质的量的水、0-200倍内酯物质的量的主溶剂、0-20倍内酯物质的量的辅助溶剂，以及0.01%-5.0%内酯重量的脂肪酶；反应步骤：30-80℃条件下反应，达到平衡状态后，获取包含羟基脂肪酸甘油酯的反应液；本发明能够制备出羟基脂肪酸甘油酯，与传统的化学合成技术相比，具有反应条件温和、节能降耗、反应效率高等优点；另外，本发明的合成反应以脂肪酶作为催化剂，反应的特异性强、无副产物、安全性高，同时反应没有经过强酸强碱和高温高压过程，产品的品质也比较高。

Description

一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法

技术领域

本发明涉及酯的制备，特别是涉及一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法。

背景技术

内酯，英文名latctones，是指在含有羟基的羧酸分子中的羟基和羧基脱去一分水生成的环状结构的酯。常见的内酯为x=2,3或4，分别称为β-、γ-或δ-内酯。低级（环较小）内酯为具有香味的液体，可作为食用香料使用（如表1），易溶于水、乙醇及乙醚。

表1 部分可作为食用香料的内酯

Figure 2011102271894100002DEST_PATH_IMAGE001

内酯的性质与开链羧酸酯相似，与水（酸或碱存在下）、醇或氨反应，生成相应的羟基脂肪酸、羟基脂肪酸酯或羟基酰胺。内酯与甘油反应，可生成相应的羟基酸甘油酯（包括单酯、二酯和三酯）。

羟基酸甘油酯可作为食用香料替代相应的内酯应用于食用香精中，高温加热或烘焙时产生相应的内酯，提高香精的耐温性，增强香精的厚实逼真感，改善口感，同时羟基脂肪酸甘油酯亦有表面活性剂的作用，改善香精的理化状态。

以δ-癸内酯和δ-十二内酯与甘油形成的5-羟基癸酸甘油酯和5-羟基十二酸甘油酯为例：

5-羟基癸酸甘油酯（Glyceryl 5-hydroxydecanoate）和5-羟基十二酸甘油酯（Glyceryl 5-hydroxydodecanoate）是两种人们最新发现的可食用香料成分，2007年4月11日中华人们共和国卫生部第8号公告刚刚被列为食品用香料名单。国际上也是在2001年世界卫生组织和国际粮农组织联合食品添加剂专家委员会（JECFA）经过安全性评估可作为香料使用后为才逐渐被美国食品香料与萃取者协会（FEMA）、国际食品香料工业组织（IOFI）、欧盟食用香料委员会（FLAVIS）等相关机构收录。

表2 5-羟基癸酸甘油酯和5-羟基十二酸甘油酯代码

Figure 2011102271894100002DEST_PATH_IMAGE002

5-羟基癸酸甘油酯为淡黄色黏状液体，溶于乙醇、甘油、植物油，不溶于水，常温下香气较弱，但高温加热或烘培时会产生δ-癸内酯，散发出甜的、牛奶样的香气。

5-羟基十二酸甘油酯为微黄色黏状液体，溶于乙醇、甘油、植物油，不溶于水，常温下香气较弱，但高温加热或烘培时会产生δ-十二内酯，散发出奶油香味和果香香气。

5-羟基癸酸甘油酯和5-羟基十二酸甘油酯可作为香料用于奶类香精中，替代目前在奶类香精中广泛使用的δ-癸内酯和δ-十二内酯，提高香精的耐温性，同时增强香精的厚实逼真感，改善口感。

目前国内外酯类物质的合成主要有化学合成和生物催化合成两种方法，而且随着现代生物催化技术，特别是非水相酶催化技术的发展，同时面对石化资源日益枯竭、环境污染不断加剧的形势，反应条件温和（常温常压、中性pH）、环境友好和专一性强的生物催化工艺有逐步取代反应条件苛刻（高温高压、强酸强碱）、重污染和无选择性的传统酯类合成工艺的趋势。

自从1990年，Langrand等报道了用来自于毛霉、黑曲霉、假丝酵母、根霉等的脂肪酶在有机溶剂中催化合成了35种短链芳香酯，底物包括5种酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸）和7种醇（甲醇、乙醇、丁醇、戊醇、己醇、香茅醇、香叶醇），证明有机体系中脂肪酶催化合成芳香酯是一个行之有效的方法。非水相脂肪酶催化合成酯类香料的研究也越来越多。在非水相体系中，利用脂肪酶催化合成酯类香料，已成为香料行业的研究热点。非水相介质是酯合成的理想体系，在lgP较高的溶剂中，利用醇和羧酸为底物，醇与酸酐为底物或者转酯反应，以特定的脂肪酶为催化剂，都可以实现酯的合成。

但以上所有的研究均限于普通短链脂肪酸酯的研究。5-羟基癸酸甘油酯和5-羟基十二酸甘油酯等羟基脂肪酸甘油酯的非水相生物酶催化，涉及到内酯水解、转酯反应、甘油羟基的空间位阻、羟基酸与甘油之间羟基酯化选择性等问题，难度较普通短链脂肪酸酯的非水相生物催化大的多。因此关于生物催化制备羟基脂肪酸甘油酯的方法，国内外未见任何报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，包括如下步骤：

混合步骤：在酶反应器中加入内酯、0.5-10倍内酯物质的量的甘油、0.05~10倍内酯物质的量的水、0-200倍内酯物质的量的主溶剂、0～20倍内酯物质的量的辅助溶剂，以及0.01%-5.0%内酯重量的脂肪酶；

反应步骤：30至80℃条件下反应，达到平衡状态后，获取包含羟基脂肪酸甘油酯的反应液。

优选的，所述混合步骤中，水的用量为内酯物质的量的0.1~2倍。

优选的，所述混合步骤中，所述辅助溶剂的用量为内酯物质的量的0～1倍。

优选的，所述主溶剂包括选自下列群组中的至少一种：叔丁醇、叔戊醇、丙酮和离子液体。

优选的，所述辅助溶剂用量为所述主溶剂重量的0～10%，包括选自下列群组中的至少一种：甲基叔丁基醚、二甲基亚砜和四氢呋喃。

优选的，所述内酯包括选自下列群组中的一种：γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、γ-庚内酯、γ-辛内酯、γ-壬内酯、γ-癸内酯、γ-十一内酯、γ-十二内酯、δ-己内酯、δ-辛内酯、δ-壬内酯、δ-癸内酯、δ-十一内酯、δ-十二内酯、δ-十三内酯、δ-十四内酯和δ-十六内酯。

优选的，所述脂肪酶包括选自下列群组中的一种：来源于猪胰脏、假丝酵母、根霉、毛霉、青霉和红曲霉其中之一的游离或固定化脂肪酶。

优选的，还包括如下步骤：分离步骤：将所述反应液灭酶、过滤，通过常压或减压蒸馏去除部分易挥发溶剂成分和部分反应底物，然后进行分子蒸馏，收集含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分。

进一步优选的，还包括如下步骤：提纯步骤：将所述含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分，进行萃取或柱层析纯化，对萃取液或柱层析洗脱液进行常压或减压蒸馏，以去除萃取溶剂或洗脱溶剂，获得含有羟基脂肪酸甘油酯的产物。

进一步优选的，所述萃取溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷、石油醚和甲基叔丁基醚；所述洗脱溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷和正庚烷。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过选择合适的反应溶剂体系和具有特异催化性的酶，以及使内酯和甘油保持适当的摩尔比，一方面使反应在适当的水分活度条件下进行，使酶具有最大的催化活力，同时避免甘油吸附于酶载体的表面或在酶表面形成亲水层，影响酶微环境的水分活度，保证内酯水解和转酯反应的顺利进行；另一方面利用不同反应溶剂体系的溶解性和极性不同，改变反应平衡点，使内酯的水解产物（羟基酸）更趋向于与甘油酯化，降低其自身内酯化的反应趋势，提高内酯的转酯率和羟基脂肪酸甘油酯的得率。采用上述技术方案，能够制备出羟基脂肪酸甘油酯，与传统的化学合成技术相比，上述技术方案具有反应条件温和、节能降耗、反应效率高等优点；另外，本发明的合成反应以脂肪酶作为催化剂，反应的特异性强、无副产物、安全性高，同时反应没有经过强酸强碱和高温高压过程，产品的品质也比较高。

附图说明

图1是本发明实施例1的产品Ⅰ的气相色谱图；

图2是本发明实施例2的产品Ⅱ的气相色谱图；

图3是本发明实施例3的产品Ⅲ的气相色谱图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施例对本发明作进一步说明。

本发明公开了生物催化甘油和内酯反应制备羟基脂肪酸甘油酯的方法，首先，由于甘油具有较高的亲水性，为了溶解甘油，反应体系必须是亲水性溶剂，但亲水性溶剂往往容易造成酶的失活，为了保持酶的稳定性和底物的溶解性之间的平衡，本发明中采用了无有机溶剂或混合溶剂反应体系，使酶具有持久的催化活力，其次，水分活度对于酶的催化活性和羟基脂肪酸甘油酯的产率影响很大，因为反应涉及到内酯的水解，水作为反应底物是不可缺少的，但同时水又是酯化反应产物，是酯化反应的抑制剂，虽然最终的反应结果不会产生水，也不会消耗水，但在反应动态进行过程中，如何保持合适的含水量直接决定了羟基脂肪酸甘油酯的产率，同时，酶分子的构象主要由静电作用力、范德华力、疏水作用以及氢键等作用构成的一个复杂网络来维持，水分子直接或间接地参与这些非共价作用力的形成或维持，其作用类似于润滑剂或增塑剂，因此为了使酶在有机溶剂中也能具有催化活性，必须在微环境中保持酶与一些“必需水”的牢固结合，保持它在催化反应中的调节作用，本反应的底物甘油由于含有多羟基，具有与水争夺酶蛋白的特点，容易吸附于酶载体的表面或在酶表面形成亲水层，影响酶微环境。所以根据以上特点，本发明通过选择合适的反应有机溶剂体系和具有特异催化性的酶，以及使内酯和甘油保持适当的摩尔比，特别是保持最佳的水分添加量，一方面使反应在适当的水分活度条件下进行，使酶具有最大的催化活力，同时避免甘油吸附于酶载体的表面或在酶表面形成亲水层，影响酶微环境的水分活度，保证内酯水解和酯化反应的同步顺利进行；另一方面利用不同反应溶剂体系的溶解性和极性不同，改变反应平衡点，使羟基酸更趋向于与甘油酯化，降低其自身内酯化的反应趋势，提高内酯的转酯率和羟基脂肪酸甘油酯的得率。

在一个实施例中，羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，包括如下步骤：

其中，所述的主溶剂是指至少能溶解内酯和甘油中的一种的有机溶剂，一般为亲水性溶剂，可以是叔丁醇、叔戊醇、丙酮和离子液体中的一种或多种混合，所述的辅助溶剂是指能促进反应底物在主溶剂中的溶解性，又能降低其对脂肪酶的毒害的有机溶剂，可以是甲基叔丁基醚、二甲基亚砜和四氢呋喃中的一种或多种混合，辅助溶剂用量为所述主溶剂重量的0～10%；反应步骤中，反应一段时间后可以采用GC-MS动态测试反应液，以确定是否达到反应平衡。

在另一些实施例中，可以优选：

水的用量为内酯物质的量的0.1~2倍。

辅助溶剂的用量为内酯物质的量的0～1倍。

本发明选择可以作为香料的内酯作为原料，与甘油酯化得到的产物可以用作香料，内酯包括选自下列群组中的一种：γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、γ-庚内酯、γ-辛内酯、γ-壬内酯、γ-癸内酯、γ-十一内酯、γ-十二内酯、δ-己内酯、δ-辛内酯、δ-壬内酯、δ-癸内酯、δ-十一内酯、δ-十二内酯、δ-十三内酯、δ-十四内酯和δ-十六内酯。

脂肪酶包括选自下列群组中的一种：来源于猪胰脏、假丝酵母、根霉、毛霉、青霉和红曲霉其中之一的游离或固定化脂肪酶。

还包括分离步骤：将所述反应液灭酶、过滤，通过常压或减压蒸馏去除部分易挥发溶剂成分和部分反应底物，然后进行分子蒸馏，收集含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分。

还包括提纯步骤：将所述含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分，进行萃取或柱层析纯化，对萃取液或柱层析洗脱液进行常压或减压蒸馏，以去除萃取溶剂或洗脱溶剂，获得含有羟基脂肪酸甘油酯的产物。

萃取溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷、石油醚和甲基叔丁基醚。

柱层析填料为硅胶、凝胶、大孔吸附树脂、离子交换纤维素、氧化铝和聚酰胺中的一种。

洗脱溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷和正庚烷。

采用分子蒸馏可以使得产物收率提高，分子蒸馏条件可以是温度30-100℃，真空度为1-1000Pa。

以下通过更优选的实施例对本发明进行详细阐述。

实施例1：

将170.250g（1mol）δ-癸内酯、920.090 g（10mol）甘油、18.016g（1mol）水、7412.160g（100mol）叔丁醇和7.812g（0.1mol）二甲基亚砜加入到酶反应器中，再加入5g固定化的假丝酵母脂肪酶，在60℃条件下搅拌反应24小时，反应基本达到平衡，产生5-羟基癸酸甘油酯（单酯、二酯），剩余未反应的δ-癸内酯112.458g（0.66mol），δ-癸内酯的转酯率达到34%。

结束反应，灭酶、过滤除去脂肪酶，将反应液进行减压蒸馏除去叔丁醇、水以及大部分二甲基亚砜和甘油，将蒸馏残余部分在温度50℃，真空度200Pa的条件下进行分子蒸馏，甘油、二甲基亚砜和部分δ-癸内酯被蒸出，分子蒸馏剩余部分用环己烷进行萃取，δ-癸内酯大部分被萃取到环己烷相中，静置分层，取下层蒸馏去除少量的环己烷，得到最终产品Ⅰ。将产品进行GC和GC-MS分析，气相色谱图如图1所示，其5-羟基癸酸甘油酯单酯（峰2）的含量达到73.25%，二酯（峰3）的含量达到25.29%（5-羟基癸酸甘油酯含量合计98.54%），δ-癸内酯（峰1）的含量为1.36%。

实施例2：

将114.140g（1mol）γ-己内酯、92.090g（1mol）甘油、1.802g（0.1mol）水和580.800g（10mol）丙酮加入到酶反应器中，再加入0.2g猪胰脂肪酶，在50℃条件下搅拌反应96小时，反应基本达到平衡，产生4-羟基己酸甘油酯（单酯、二酯、三酯），剩余未反应的γ-己内酯51.071g（0.45mol），γ-己内酯的转酯率达到55%。

结束反应，灭酶、过滤除去脂肪酶，将反应液进行常压和减压蒸馏除去丙酮、水、部分γ-己内酯和甘油，将蒸馏残余部分在温度80℃，真空度20Pa的条件下进行分子蒸馏，甘油、γ-己内酯和4-羟基己酸甘油酯被蒸出，将蒸出部分进行硅胶柱层析，用不同比例的正己烷-乙酸乙酯-乙醇-水混合溶剂进行分步洗脱，选择含有4-羟基己酸甘油酯的洗脱液，蒸馏除去洗脱溶剂，得到最终产品Ⅱ。将产品进行GC和GC-MS分析，其气相色谱图如图2所示，其4-羟基己酸甘油酯单酯（峰2）的含量达到71.13%，二酯（峰3）的含量达到20.91%，三酯的含量（峰4）达到7.32%（4-羟基己酸甘油酯含量合计99.36%），γ-己内酯（峰1）的含量为0.59%。

实施例3：

将198.310g（1mol）δ-十二内酯、184.180g（2mol）甘油、3.603g（2mol）水、2841.800g（10mol）离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6）加入到酶反应器中，再加入1g固定化的根霉脂肪酶，在40℃条件下搅拌反应48小时，反应基本达到平衡，产生5-羟基十二酸甘油酯（单酯、二酯），剩余未反应的δ-十二内酯102.586g（0.52mol），δ-癸内酯的转酯率达到48%。

结束反应，灭酶、过滤除去脂肪酶，将反应液进行减压蒸馏除去水以及大部分甘油，将蒸馏残余部分在温度90℃，真空度2Pa的条件下进行分子蒸馏，甘油、δ-十二内酯和5-羟基十二酸甘油酯被蒸出，将蒸出部分进行硅胶柱层析，用不同比例的正己烷-丙酮-氯仿-乙酸乙酯-乙醇-水混合溶剂进行分步洗脱，选择含有5-羟基十二酸甘油酯的洗脱液，蒸馏除去洗脱溶剂，得到最终产品Ⅲ。将产品进行GC和GC-MS分析，其气相色谱图如图3所示，其5-羟基十二酸甘油酯单酯（峰2）的含量达到81.83%，二酯（峰3）的含量达到16.74%（5-羟基十二酸甘油酯含量合计98.57%），δ-十二内酯（峰1）的含量为1.27%。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

混合步骤：在酶反应器中加入内酯、0.5-10倍内酯物质的量的甘油、0-200倍内酯物质的量的主溶剂，用量为内酯物质的量的0～1倍的辅助溶剂，以及0.01%-5.0%内酯重量的脂肪酶；

反应步骤：30至80℃条件下反应，达到平衡状态后，获取包含羟基脂肪酸甘油酯的反应液；

所述混合步骤中，水的用量为内酯物质的量的0.1～2倍；

所述主溶剂包括选自下列群组中的至少一种：叔丁醇、叔戊醇、丙酮和离子液体；

所述辅助溶剂用量为所述主溶剂重量的0～10%，包括选自下列群组中的至少一种：甲基叔丁基醚、二甲基亚砜和四氢呋喃。

2.如权利要求1所述的羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于，所述内酯包括选自下列群组中的一种：γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、γ-庚内酯、γ-辛内酯、γ-壬内酯、γ-癸内酯、γ-十一内酯、γ-十二内酯、δ-己内酯、δ-辛内酯、δ-壬内酯、δ-癸内酯、δ-十一内酯、δ-十二内酯、δ-十三内酯、δ-十四内酯和δ-十六内酯。

3.如权利要求1所述的羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于，所述脂肪酶包括选自下列群组中的一种：来源于猪胰脏、假丝酵母、根霉、毛霉、青霉和红曲霉其中之一的游离或固定化脂肪酶。

4.如权利要求1中所述的羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

分离步骤：将所述反应液灭酶、过滤，通过常压或减压蒸馏去除部分易挥发溶剂成分和部分反应底物，然后进行分子蒸馏，收集含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分。

5.如权利要求4中所述的羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

提纯步骤：将所述含有羟基脂肪酸甘油酯的分子蒸馏组分，进行萃取或柱层析纯化，对萃取液或柱层析洗脱液进行常压或减压蒸馏，以去除萃取溶剂或洗脱溶剂，获得含有羟基脂肪酸甘油酯的产物。

6.如权利要求5中所述的羟基脂肪酸甘油酯的制备方法，其特征在于：所述萃取溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷、石油醚和甲基叔丁基醚；所述洗脱溶剂包括选自下列群组中的至少一种：水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、环己烷、正己烷和正庚烷。