CN104593445A - 一种脂肪酸糖酯的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脂肪酸糖酯的合成方法，其中，包括步骤：以离子液体或者离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，然后加入脂肪酶，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。本发明通过在纯离子液体系统和双溶剂系统中，对反应条件进行了设计和优化，建立了一个绿色、高效的酶法合成糖酯的反应体系。尤其是在双溶剂体系中，离子液体以及叔戊醇提高了底物、产物溶解度，提高糖酯时空收率，并简化糖酯提纯工艺，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及酶法合成领域，尤其涉及一种脂肪酸糖酯的合成方法。
背景技术
脂肪酸糖酯是由糖作为亲水部分和脂肪酸作为疏水部分组成的非离子型生物表面活性剂，它的这两个组分都是天然可再生资源，所以脂肪酸糖酯具有生物可降解性、生物相容性和无毒，无味，无刺激性等优良的特性,已广泛用于食品、化妆品和制药行业。
目前工业生产中糖酯合成主要采用化学合成法，但其具有反应条件苛刻、需要在高温高压或强酸的条件下进行、特异性差，伴随有副反应的发生和各种形式衍生物的生成、环境污染严重等缺点。近几年，随着非水相酶学的发展，酶法合成由于具有特异性高、专一性强等特点，受到了越来越多的关注。1986年，Klibanov等首先展开了有机相中酶促糖酯的合成，并得到了特异性较高的糖酯。
酶法合成脂肪酸糖酯已被证明优于化学法，但酶法合成需要使用挥发性有机溶剂（VOS）作为反应介质，不仅因为它们无法溶解极性相反的两个底物，而且还存在环境污染以及降低酶活性等问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种脂肪酸糖酯的合成方法，旨在解决现有脂肪酸糖酯酶法合成存在无法溶解极性相反的底物以及存在环境污染和酶活性低等问题。
本发明的技术方案如下：
一种脂肪酸糖酯的合成方法，其中，包括步骤：
以离子液体或者离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，然后加入脂肪酶，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，反应温度为40~70℃。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，以质量分数计，反应介质的水含量小于0.1%。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，当采用离子液体作为反应介质时，通过HPLC制备柱进行制备，再经过真空离心干燥机 60℃下浓缩，4h后得到白色固体，即为脂肪酸糖酯。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，当采用离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质时，反应液通过离心去除沉淀后，0.22μm有机滤头过滤后，4℃冰箱放置12h后可得产物，然后经过正己烷色谱纯洗3次后，用真空离心干燥机浓缩可得到产物。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，所述脂肪酶为Novozym 435、Lipozyme TLIM、扩展青霉脂肪酶、黑曲霉脂肪酶或华根霉脂肪酶。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，当采用离子液体作为反应介质时，脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类的摩尔比为3：1。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，当采用离子液体与叔戊醇双溶剂作为反应介质时，脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类的摩尔比为3：2。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，所述离子液体为 [BMIm][PF6]、[BMIm][BF4]、[BTM][Tf2N]、[HTM][Tf2N]、[EMIm][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[HMIm][Tf2N]、[EMIm][TfO]、[BMIm][TfO]、[HMIm][TfO]、[MMIm][MeSO4]、[EMIm][MeSO4]、[BMIm][MeSO4]、[NMe4][Ac]、[NEt4][Ac]、[NBu4][Ac]或[Me(OEt)3-Et-Im][Tf2N]。
所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，所述有机溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、正戊醇、叔戊醇、环己烷、正己烷、异辛烷、乙腈、氯仿、四氢呋喃、甲苯或正庚烷。
有益效果：本发明通过在纯离子液体系统和双溶剂系统中，对反应条件进行了设计和优化，建立了一个绿色、高效的酶法合成糖酯的反应体系。尤其是在双溶剂体系中，离子液体以及叔戊醇提高了底物、产物溶解度，提高糖酯时空收率，并简化糖酯提纯工艺，提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例1不同条件下的转化率对比示意图。
图2为本发明实施例2不同条件下的转化率对比示意图。
图3为本发明实施例3不同条件下的转化率对比示意图。
图4为本发明实施例4不同条件下的转化率对比示意图。
图5为本发明实施例5不同条件下的转化率对比示意图。
图6为本发明的纯离子液体系统优化前后的转化率对比示意图。
图7为本发明实施例6不同条件下的转化率对比示意图。
图8为本发明实施例7不同条件下的转化率对比示意图。
图9为本发明实施例8不同条件下的转化率对比示意图。
图10为本发明实施例9不同条件下的转化率对比示意图。
图11为本发明实施例10不同条件下的转化率对比示意图。
具体实施方式
本发明提供一种脂肪酸糖酯的合成方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所一种脂肪酸糖酯的合成方法，其包括步骤：
以离子液体或者离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，然后加入脂肪酶，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。
本发明所采用的离子液体其可代替挥发性有机溶剂，用于碳水化合物的生物转化。离子液体采用 [BMIm][PF6]（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐）、[BMIm][BF4] （1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）、[BTM][Tf2N] （三甲基丁铵双三氟甲磺酰亚胺盐）、[HTM][Tf2N] （三甲基丁铵双三氟甲磺酰亚胺盐）、[EMIm][Tf2N] （1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）、[BMIm][Tf2N] （1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）、[HMIm][Tf2N] （1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）、[EMIm][TfO] （1-乙基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐）、[BMIm][TfO] （1-丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐）、[HMIm][TfO] （1-己基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐）、[MMIm][MeSO4] （1,3-二甲基咪唑硫酸甲酯盐）、[EMIm][MeSO4] （1-乙基-3甲基咪唑硫酸甲酯盐）、[BMIm][MeSO4] （1-丁基-3甲基咪唑硫酸甲酯盐）、[NMe4][Ac] （四甲基铵醋酸盐）、[NEt4][Ac] （四乙基铵醋酸盐）、[NBu4][Ac] （四丁基铵醋酸盐）或[Me(OEt)3-Et-Im][Tf2N] （1-甲氧-3甘醚基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）。
本发明优选的离子液体[HMIm][TfO]（即1-己基-3甲基-咪唑三氟甲磺酸盐），常温下呈液态，水分含量小于0.1%，极性(ET N)为0.63，log P值为-0.86，对葡萄糖溶解度为8.56mM，对月桂酸乙烯酯溶解度为527.07mM。
本发明所采用的脂肪酶优选为Novozym 435（来源于Candida Antarctica）脂肪酶，当然，亦可选择如Lipozyme TLIM (来源于Thermomyces lanuginosus ）、扩展青霉脂肪酶、黑曲霉脂肪酶或华根霉脂肪酶等脂肪酶，同样可实现本发明的目的。
本发明所采用的有机溶剂除了对酶活性损伤较大的溶剂如DMSO、甲醇等极性较大的溶剂外，均可作为双溶剂的组分，但本发明通过筛选，选择乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、正戊醇、叔戊醇、环己烷、正己烷、异辛烷、乙腈、氯仿、四氢呋喃、甲苯或正庚烷作为优选的有机溶剂，其中最优选的为叔戊醇。
另外，带有羟基的糖类优选为无水葡萄糖（Glc），当然，亦可选择例如果糖、甘露糖、蔗糖、麦芽糖等，均可实现本发明的目的。
其中的酸可以是脂肪酸，例如各种长链饱和或不饱和脂肪酸，但更优选的是月桂酸，脂肪酸酯类可以是脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯等，但更优选的是月桂酸乙烯酯（VL），其可有效提高转化率。
本发明中优化的反应温度为40~70℃。以质量分数计，反应介质的水含量小于0.1%。
本发明所采用的反应体系，其可以选用离子液体单独作为反应介质，亦可选用离子液体与叔戊醇双溶剂作为反应介质。
下面分别对两种反应体系进行说明。
一、在离子液体单溶剂体系下：反应介质（离子液体）的体积（溶剂量）为1mL，脂肪酶（Novozym 435）质量为20~120mg，底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1:3~4:1，水含量为0.08~1.6%(质量分数)，混合3~7分钟，然后加入脂肪酶反应4~48h，反应温度为30~70℃。在反应结束后，可通过HPLC制备柱进行制备，再经过真空离心干燥机 60℃下浓缩，4h后得到白色固体，即为脂肪酸糖脂。
在反应过程中，可定时取出反应液并在1200rpm离心3min后，取10μl上清液用DMSO稀释4倍，进行HPLC检测。
检测条件时：18柱子：日本GL Sciences, Inc公司，inertsil ODS-SP，4.6 × 150 mm, 5μm ）底物和产物可以用RID（Shimadzu RID-10A型号）检测，甲醇：水为85：15（在加入甲醇之前将PH值调到2.3，V/V），流速为1mL/min,柱温箱温度为40℃，保留时间 13min。
实施例1、对酶量进行优化
底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，水含量0.08%（浓缩24h），溶剂量1mL，分子筛100mg，反应温度40℃，酶量分别为 20mg、40mg、60mg、80mg、100mg和 120mg，300rpm摇床下，反应24h。
其中的离子液体预先通过真空离心干燥机60℃下浓缩24h，而月桂酸乙烯酯，则通过4 A分子筛进行干燥2周以上（下同）。
从图1中可以看出，酶量在100mg之后，并无大幅提高，考虑到转化率和成本的因素，选择酶量在100mg。
实施例2、对反应温度进行优化
底物摩尔比（VL/Glc,其中Glc为0.3M）1：1，溶剂量1mL, 水含量0.08%（浓缩24h），酶量100mg，反应温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃和70℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图2中可以看出，反应温度在60℃之前，转化率逐渐提升，而在60℃之后反而下降，所以选择最优的反应温度为60℃。
实施例3、对摩尔比进行优化
无水葡萄糖的量为0.054g（0.3M），溶剂量1mL,水含量0.08%（浓缩24h），分子筛100mg，酶量为100mg，月桂酸乙烯酯的浓度分别为：0.1、0.3、0.6、0.9和1.2M（即VL/Glc摩尔比分别为：1:3、1:1、2:1、3:1和4:1），反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图3中可以看出，摩尔比为3:1时，糖脂转化率最高。
实施例4、对葡萄糖量进行优化
月桂酸乙烯酯的浓度为0.3M，溶剂量1mL,水含量0.08%（浓缩24h），分子筛100mg，酶量100mg，无水葡萄糖浓度分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5M，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图4中可以看出，无水葡萄糖浓度选择0.05M时的糖脂转化率最高。
实施例5、对水分含量进行优化
底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1:1，溶剂量1mL，酶量100mg，水分含量分别为0.08%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8和1.6%，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图5中可以看出，水分含量越低，其转化率越高，所以优选是将水分含量控制在0.08%以下，以提高转化率。
所以优化后的反应体系，各反应条件如下：
底物摩尔比（VL/Glc，Glc: 0.05M）3:1，酶量100mg，溶剂量1mL, 水含量0.08%（浓缩24h），分子筛100mg，反应温度60℃。其转化率如图6所示，其与优化前的转化率对比如图6所示，可见转化率相比优化前有大幅提升，反应24h，转化率达到93.5%，基本完全转化。
二、以离子液体与叔戊醇双溶剂作为反应介质，溶剂量（反应介质）1mL，将月桂酸乙烯酯与无水葡萄糖按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，然后加入脂肪酶（Novozym 435）20~120mg，反应4~48h制得脂肪酸糖酯，反应温度为30~70℃。
最后得到的反应液通过离心去除沉淀后，0.22μm有机滤头过滤后，4℃冰箱放置12h后可得产物，经过正己烷（色谱纯）洗3次后，同样用真空离心干燥机浓缩可得到产物。
叔戊醇通过4 A分子筛进行干燥2周以上（下同）。使用叔戊醇与上述离子液体形成双溶剂体系，主要因为叔戊醇的理化性质性质，对底物、产物溶解度大，沸点为102℃，熔点为-8.8℃，有利于糖酯的合成和制备提取。
实施例6、对双溶剂比例进行优化
底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，溶剂量1mL, [HMIm][TfO]/2M2B（V/V，2M2B：叔戊醇）比例为 0/1、0.05/0.95、0.1/0.9、0.2/0.8、0.3/0.7、0.5/0.5、0.7/0.3、0.8/0.2和1/0，分子筛100mg，酶量100mg，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图7中可以看出，双溶剂比例在0.05/0.95条件下，其转化率最高。
实施例7、对酶量进行优化
底物摩尔比（VL/Glc, Glc：0.3M）1：1，水含量0.08%（浓缩24h），溶剂量1mL,分子筛100mg，反应温度40℃，酶量分别为 20mg、40mg、60 mg、80mg、100mg和 120mg，300rpm摇床下，反应24h。
从图8中可以看出，酶量在100mg之后，并无大幅提高，考虑到转化率和成本的因素，选择酶量在100mg。
实施例8、对反应温度进行优化
底物摩尔比（VL/Glc, Glc：0.3M）1：1，溶剂量1mL, 水含量0.08%（浓缩24h），酶量100mg，反应温度分别为30、40、50、60、70℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图9中可以看出，反应温度在40℃之前，转化率逐渐提升，而在40℃之后反而下降，所以选择最优的反应温度为40℃。
实施例9、对摩尔比进行优化
无水葡萄糖的量为0.054g（0.3M），溶剂量1mL,水含量0.08%（浓缩24h），分子筛100mg，酶量为100mg，月桂酸乙烯酯的浓度分别为：0.1、0.3、0.6、0.9、1.2M（VL/Glc：1:3、1:1、2:1、3:1、4:1），反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
从图10中可以看出，摩尔比为1:1时，糖脂转化率最高。
实施例10、对葡萄糖量进行优化
月桂酸乙烯酯的浓度为0.3M，溶剂量1mL,水含量0.08%（浓缩24h），分子筛100mg，酶量100mg，葡萄糖浓度为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5M，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
对于水分含量，则只需控制双溶剂体系水分为最低即可。
从图11中可以看出，葡萄糖浓度选择0.05M时的糖脂转化率最高。
在获得上述单因素情况下的最优条件后，通过 Design-Expert 8.0.6设计实验，分析实验，优化实验，最终验证实验。模型预测的最优反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，Glc:0.3M）3:2，酶量101.3mg，溶剂量1mL, 水含量低于0.08%，反应温度45℃，反应时间：12h，最大转化率为78.47%(波动范围是：74.64-82.31%)。通过上述预测反应条件，进行实验验证，实验重复3次，糖酯转化率的平均值为75.75% (± 2.86%)，与模型预测的糖酯转化率相符合，最终优化后得到的时空产率为14.2 mmol/L/h。
本发明中采用纯离子液体系统最后优化后的转化率（24h）达到93.5%，高于现有的80%左右的水平，而采用双溶剂体系最后优化后的时空产率为14.2 mmol/L/h，相对于现有的低于10mmol/L/h以下的水平，所以本发明中的两种体系各有优点，可根据实际需要选择何种反应体系。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，包括步骤：
以离子液体或者离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，然后加入脂肪酶，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。
2.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，反应温度为40~70℃。
3.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，以质量分数计，反应介质的水含量小于0.1%。
4.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，当采用离子液体作为反应介质时，通过HPLC制备柱进行制备，再经过真空离心干燥机 60℃下浓缩，4h后得到白色固体，即为脂肪酸糖酯。
5.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，当采用离子液体与有机溶剂双溶剂作为反应介质时，反应液通过离心去除沉淀后，0.22μm有机滤头过滤后，4℃冰箱放置12h后可得产物，然后经过正己烷色谱纯洗3次后，用真空离心干燥机浓缩可得到产物。
6.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，所述脂肪酶为Novozym 435、Lipozyme TLIM、扩展青霉脂肪酶、黑曲霉脂肪酶或华根霉脂肪酶。
7.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，当采用离子液体作为反应介质时，脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类的摩尔比为3：1。
8.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，当采用离子液体与叔戊醇双溶剂作为反应介质时，脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类的摩尔比为3：2。
9.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，所述离子液体为 [BMIm][PF6]、[BMIm][BF4]、[BTM][Tf2N]、[HTM][Tf2N]、[EMIm][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[HMIm][Tf2N]、[EMIm][TfO]、[BMIm][TfO]、[HMIm][TfO]、[MMIm][MeSO4]、[EMIm][MeSO4]、[BMIm][MeSO4]、[NMe4][Ac]、[NEt4][Ac]、[NBu4][Ac]或[Me(OEt)3-Et-Im][Tf2N]。
10.根据权利要求1所述的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、正戊醇、叔戊醇、环己烷、正己烷、异辛烷、乙腈、氯仿、四氢呋喃、甲苯或正庚烷。
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