CN117844882B - 一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，属于淀粉制备技术领域。步骤为：利用原位还原法制备杂化脂肪酶CRL‑AuNPs；将淀粉与阿魏酸基质按照1:1‑10的摩尔比混合均匀；将预混物与杂化脂肪酶CRL‑AuNPs混合，在机械研磨的条件下催化酯化反应，杂化脂肪酶CRL‑AuNPs的添加量为淀粉质量的1‑10%；洗涤、烘干，即得阿魏酸淀粉酯。本发明首先对脂肪酶进行杂化增强其机械稳定性，再利用机械研磨产生的机械能促进酶催化合成阿魏酸淀粉酯，具有反应时间短、步骤简单、反应效率高的优点。本发明制备过程未使用有机溶剂，提高了阿魏酸淀粉酯的安全性，还极大程度保护了酶的活性，提高了阿魏酸淀粉酯取代度及时空产率。
Description
技术领域
本发明属于淀粉制备技术领域，具体涉及一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法。
背景技术
淀粉是一种生物可降解的天然高分子碳水化合物，由葡萄糖分子聚合而成，可用于食品、医药、化工、材料等领域，但淀粉的多羟基结构导致其受热时，分解温度低于熔融温度，成膜性较差，一定程度上限制了其应用，而利用天然植物酚酸对淀粉进行改性制备的改性淀粉可以改良天然淀粉的结构特性和理化性质，近些年来得到了广泛关注。
改性淀粉是指通过物理、化学或酶法处理改变淀粉原本的分子结构和理化特性，从而产生新的性能与用途的淀粉。在改性淀粉材料中，酯化淀粉在表面包装材料和可降解生物材料上有潜在的应用前景，其中，阿魏酸淀粉酯是一种新型的阿魏酸糖基衍生物，该改性淀粉不仅赋予淀粉阿魏酸的抗氧化功效，还具有抗炎症、抗血栓、降低胆固醇等生理功能。
目前，阿魏酸淀粉酯通常采用有机试剂作为反应溶剂对阿魏酸进行酰化处理，存在安全性较低、环保性差、反应过程复杂、反应时间长、能耗高、取代度低等问题。为解决上述问题，近些年来研究人员开发了一些无需有机溶剂的制备方法，如公开号：CN112280813A公开了一种酶促合成阿魏酸淀粉酯的方法，该方法将挤压淀粉与离子液体在氮气保护下混合，利用脂肪酶催化合成阿魏酸淀粉酯。该方法虽未采用有机溶剂，但是在氮气保护的条件下进行的，因此，反应条件较为苛刻、操作繁琐、能耗较高，另外，该方法还客观存在如下技术问题：脂肪酶在离子液体下催化是可逆的，导致阿魏酸淀粉酯的产率较低，造成原料的浪费。如公开号：CN114854814 A公开了一种阿魏酸淀粉酯的生物合成方法，该方法通过对淀粉进行挤压酶解制备淀粉液，对麸皮进行发酵制备阿魏酸固体基质，利用黑曲霉发酵产脂肪酶实现阿魏酸淀粉酯的从头合成。但该方法存在反应时间长、制备效率低、生产成本高的问题。因此，有必要对现有技术的阿魏酸淀粉酯的合成方法予以进一步改进。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，解决的现有阿魏酸淀粉酯的合成方法安全性较低、反应过程复杂、反应时间长、能耗高、取代度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs：将浓度为0.05-5 mg/mL的氯金酸溶液与浓度为10mg/ml、酶活≥700 U/mg的褶皱假丝酵母脂肪酶溶液按照1:2-10的体积比混合均匀，放置于温度为20-50 ℃、转速为100-200 r/min的摇床中振荡6-30 h，振荡后于10000 r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混：将淀粉与阿魏酸基质按照1:1-10的摩尔比混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应：将所述预混物与杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，采用球磨机进行机械酶催化酯化反应，其中，杂化脂肪酶CRL-AuNPs的添加量为淀粉质量的1-10%；
S4、产物分离：去除未反应的阿魏酸基质后，即得阿魏酸淀粉酯。
进一步的，步骤S3中，将预混物与杂化脂肪酶CRL-AuNPs在900-1800 rmp/min的频率下球磨10-90 min。
进一步的，步骤S3中，球磨机的研磨罐内放置有1-5颗直径5-20mm的研磨球。
进一步的，步骤S3中，所述的研磨罐的材质为不锈钢、碳化钨、特氟龙、玛瑙或氧化锆。
进一步的，步骤S3中，所述的研磨球的材质为不锈钢、碳化钨、特氟龙、玛瑙或氧化锆。
进一步的，步骤S4中，采用30-50 ℃的无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸基质，然后在50-90 ℃下干燥2-4 h。
进一步的，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉或绿豆淀粉。
进一步的，所述阿魏酸基质为阿魏酸或阿魏酸乙酯。
本发明具有以下优点：本发明提供的合成方法首先利用氯金酸对脂肪酶进行杂化增强其机械稳定性，再利用机械研磨产生的机械能促进酶催化合成阿魏酸淀粉酯，反应条件温和、步骤简单、生产效率高，利用机械能的剪切、冲击、摩擦作用，克服了固体效应，且赋予了淀粉抗氧化性能；制备过程未使用有机溶剂，提高了阿魏酸淀粉酯的安全性，还极大程度保护了酶的活性，杂化脂肪酶CRL-AuNPs经过机械酶催化合成阿魏酸淀粉酯后其残余酶活力为2.9-7.8 U/mg，从而使得杂化效果越好，提高了反应产率。淀粉在机械研磨的作用下，羟基暴露量增大，增加了与阿魏酸的结合位点，提高了时空产率。与传统方法相比，具有反应时间短、不使用有机溶剂、取代度高、无需加热、制备工艺简单、安全性较高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的玉米淀粉及阿魏酸淀粉酯的红外光谱图，其中，1、玉米淀粉，2、阿魏酸淀粉酯。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面举例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs，将浓度为0.1mg/mL的氯金酸（HAuCl4）溶液与浓度为10mg/ml褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）溶液按照1:2的体积比混合均匀，放置于温度为30℃、转速为120r/min的摇床中振荡12h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混，将1g玉米淀粉与0.18g阿魏酸混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应，将预混物与0.01g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与6颗粒径为5mm的玛瑙锆研磨球一同加入到10ml玛瑙材质的研磨罐中，在1700rmp/min的频率下，球磨15min，进行催化酯化反应；
S4、产物分离，将步骤S2得到的反应产物用40℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h。
本实施例提供的阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，首先利用氯金酸对脂肪酶进行杂化增强其机械稳定性，再利用机械研磨产生的机械能促进酶催化合成阿魏酸淀粉酯，实现了机械能替代传统热能催化酯化反应的效果，且利用机械能的剪切、冲击、摩擦作用，克服了固体效应；淀粉在球磨的作用下进一步进行改性，使羟基大量暴漏，增加了与阿魏酸的结合位点，提高了催化效率以及时空产率；同时，反应过程无需使用任何有机溶剂和水，极大程度保护了酶的活性，避免副反应发生。该方法可模拟酶催化反应的自然条件，提高了反应效率，显著缩短了反应时间、节能降耗，实现了快速合成阿魏酸淀粉酯，操作简单、绿色环保，符合绿色化学及可持续发展的要求。得到的阿魏酸淀粉酯不但赋予了淀粉抗氧化特性，还作为功能性淀粉基衍生物应用范围更广，应用过程中安全性更高，可应用于食品加工。
实施例2
本实施例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs，将浓度为1mg/mL的氯金酸（HAuCl4）溶液与浓度为10mg/ml褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）溶液按照1:5的体积比混合均匀，放置于温度为35℃、转速为150r/min的摇床中振荡18h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2原料预混，将2g木薯淀粉与0.9g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应，将预混物与0.1g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与2颗粒径为8mm的氧化锆研磨球一同加入到25ml氧化锆材质的研磨罐中，在1600rmp/min的频率下，球磨45min，进行催化酯化反应；
S4、将步骤S2得到的反应产物用30℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥2h。
实施例3
本实施例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs，将浓度为2mg/mL的氯金酸（HAuCl4）溶液与浓度为10mg/ml褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）溶液按照1:4的体积比混合均匀，放置于温度为45℃、转速为180r/min的摇床中振荡6h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混，将5g绿豆淀粉与10.28g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应，将预混物与0.5g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与1颗粒径为20mm的不锈钢研磨球一同加入到50ml不锈钢材质的研磨罐中，在1000rmp/min的频率下，球磨60min，进行催化酯化反应；
S4、将步骤S2得到的反应产物用45℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸乙酯，直至洗涤液中无阿魏酸乙酯的紫外吸收峰，然后在65℃的烘干箱内干燥3h。
实施例4
本实施例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs，将浓度为1mg/mL的氯金酸（HAuCl4）溶液与浓度为10mg/ml褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）溶液按照1:5的体积比混合均匀，放置于温度为35℃、转速为150r/min的摇床中振荡18h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混，将1g木薯淀粉、1g玉米淀粉与0.4g阿魏酸、0.5g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应，将预混物与0.1g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与2颗粒径为8mm的氧化锆研磨球一同加入到10ml氧化锆材质的研磨罐中，在1300rmp/min的频率下，球磨70min，进行催化酯化反应；
S4、将步骤S2得到的反应产物用50℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥3h。
实施例5
本实施例提供一种阿魏酸淀粉酯的生物合成方法，其包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs，将浓度为5mg/mL的氯金酸（HAuCl4）溶液与浓度为10mg/ml褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）溶液按照1:4的体积比混合均匀，放置于温度为50℃、转速为200r/min的摇床中振荡6h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混，将5g与5.28g阿魏酸、5g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S3、机械酶催化反应，将预混物与0.15g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与5颗粒径为5mm的不锈钢研磨球一同加入到50ml不锈钢材质的研磨罐中，在1100rmp/min的频率下，球磨80min，进行催化酯化反应；
S4、将步骤S2得到的反应产物用40℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸和阿魏酸乙酯，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h。
对比例1
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，包括如下步骤：
S1、将1g玉米淀粉与0.18g阿魏酸混合，得到固体预混物；
S2、将固体预混物加入50ml的具塞三角瓶中，加入0.01g褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）、3ml二甲基亚砜、7ml异辛烷，上述所有试剂用3A分子筛脱水平衡48h，然后在65℃的油浴条件下磁力搅拌16h；
S3、将步骤S2得到的产物用40℃的无水乙醇洗涤，去除未反应的阿魏酸，至洗涤液无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h，即得阿魏酸淀粉酯。
对比例2
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，包括如下步骤：
S1、将2g木薯淀粉与0.9g阿魏酸乙酯混合，得到固体预混物；
S2、将固体预混物加入50ml的具塞三角瓶中，加入0.1g褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL）、6ml二甲基亚砜、14ml异辛烷，上述所有试剂用3A分子筛脱水平衡48h，然后在65℃的油浴条件下磁力搅拌16h；
S3、将步骤S2得到的产物用30℃的无水乙醇洗涤，去除未反应的阿魏酸，至洗涤液无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥2h，即得阿魏酸淀粉酯。
对比例3
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，包括如下步骤：
S1、将1g玉米淀粉、1g木薯淀粉与0.4g阿魏酸、0.5g阿魏酸乙酯混合，得到固体预混物；
S2、将固体预混物加入50ml的具塞三角瓶中，加入0.1g褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL）、6ml二甲基亚砜、14ml异辛烷，上述所有试剂用3A分子筛脱水平衡48h，然后在65℃的油浴条件下磁力搅拌16h；
S3、将步骤S2得到的产物用50℃的无水乙醇洗涤，去除未反应的阿魏酸，至洗涤液无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥3h，即得阿魏酸淀粉酯。
对比例4
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，包括如下步骤：
S1、将5g玉米淀粉与5.28g阿魏酸、5g阿魏酸乙酯混合，得到固体预混物；
S2、将固体预混物加入100ml的具塞三角瓶中，加入0.5g褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL，≥700U/mg，美国SIGMA公司）、15ml二甲基亚砜、35ml异辛烷，上述所有试剂用3A分子筛脱水平衡48h，然后在65℃的油浴条件下磁力搅拌16h；
S3、将步骤S2得到的产物用40℃的无水乙醇洗涤，去除未反应的阿魏酸，至洗涤液无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h，即得阿魏酸淀粉酯。
对比例5
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、原料预混，将1g玉米淀粉与0.18g阿魏酸混合均匀，得到预混物；
S2、机械酶催化反应，将预混物与0.01g褶皱假丝酵母脂肪酶（CRL）混合，并与6颗粒径为5mm的玛瑙锆研磨球一同加入到10ml玛瑙材质的研磨罐中，在1700rmp/min的频率下，球磨15min，进行催化酯化反应；
S3、产物分离，将步骤S2得到的反应产物用40℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h。
对比例6
本对比例提供一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其包括如下步骤：
S1、原料预混，将2g木薯淀粉与0.9g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S2、机械酶催化反应，将预混物与0.1g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与2颗粒径为8mm的氧化锆研磨球一同加入到25ml氧化锆材质的研磨罐中，在1600rmp/min的频率下，球磨45min，进行催化酯化反应；
S3、将步骤S2得到的反应产物用30℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥2h。
对比例7
S1、原料预混，将1g木薯淀粉、1g玉米淀粉与0.4g阿魏酸、0.5g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S2、机械酶催化反应，将预混物与0.1g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与2颗粒径为8mm的氧化锆研磨球一同加入到10ml氧化锆材质的研磨罐中，在1300rmp/min的频率下，球磨70min，进行催化酯化反应；
S3、将步骤S2得到的反应产物用50℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在60℃的烘干箱内干燥3h。
对比例8
S1、原料预混，将5g玉米淀粉与5.28g阿魏酸、5g阿魏酸乙酯混合均匀，得到预混物；
S2、机械酶催化反应，将预混物与0.15g杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，并与5颗粒径为5mm的不锈钢研磨球一同加入到50ml不锈钢材质的研磨罐中，在1100rmp/min的频率下，球磨80min，进行催化酯化反应；
S3、将步骤S2得到的反应产物用40℃无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸和阿魏酸乙酯，直至洗涤液中无阿魏酸的紫外吸收峰，然后在70℃的烘干箱内干燥2.5h。
实验例
测试实施例1、2、4对比例1、3、5、7提供的合成方法合成制得的阿魏酸淀粉酯的取代度、时空产率、反应时间持水率和黏度，各实施例和实验例的实验各做三组平行实验，数据取平均值，测试结果如表1所示。
表1测试结果表
上述测试表明，本申请实施例1、2和4提供的合成方法相对于对比例1和3提供的合成方法，能够在较短的时间内实现高于传统热能长时间酶催化阿魏酸淀粉酯合成的取代度及时空产率；且相对于对比例5和7提供的合成方法，也能够在相同时间内提高阿魏酸淀粉酯的取代度和时空产率，由此证明本申请的实施方法能够在提高酶的机械稳定性基础上大大缩短反应时间及提高阿魏酸淀粉酯取代度。
测试实施例1提供的合成方法制备的阿魏酸淀粉酯的红外光谱，测试结果如图1所示。
图中，曲线1为玉米淀粉的红外光谱曲线，曲线2为阿魏酸淀粉酯的红外光谱曲线。从图中可以看出，玉米淀粉在3200~3600cm-1内出现了-OH引发的伸缩振动峰，2920cm-1处引发了C-H的伸缩振动峰，1020cm-1处引发了C-O的伸缩振动峰，这都是玉米淀粉所具有特征峰。而阿魏酸淀粉酯除了拥有玉米淀粉特征峰外, 在 1729cm-1处出现了伸缩振动峰，这是酯键(C=O)的特征峰。淀粉分子中含有大量羟基, 而阿魏酸作为具有肉桂酸结构的酚酸，其分子结构中含有羧基，从而证明了球磨产生的机械力能够促进酶催化阿魏酸与淀粉成功合成阿魏酸淀粉酯。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备杂化脂肪酶CRL-AuNPs：将浓度为0.05-5mg/mL的氯金酸溶液与浓度为10mg/ml、酶活≥700U/mg的褶皱假丝酵母脂肪酶溶液按照1:2-10的体积比混合均匀，放置于温度为20-50℃、转速为100-200r/min的摇床中振荡6-30h，振荡后于10000r/min的离心机中离心20min，取沉淀，冷冻干燥，即获得杂化脂肪酶CRL-AuNPs；
S2、原料预混：将淀粉与阿魏酸基质按照1:1-10的摩尔比混合均匀，得到预混物，所述阿魏酸基质为阿魏酸或阿魏酸乙酯；
S3、机械酶催化反应：将所述预混物与杂化脂肪酶CRL-AuNPs混合，然后采用球磨机将预混物与杂化脂肪酶CRL-AuNPs在900-1800rmp/min的频率下球磨10-90min进行机械酶催化酯化反应，其中，杂化脂肪酶CRL-AuNPs的添加量为淀粉质量的1-10％；
S4、产物分离：洗涤去除未反应的阿魏酸基质后，烘干，即得阿魏酸淀粉酯。
2.根据权利要求1所述的一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，步骤S3中，球磨机的研磨罐内放置有1-5颗直径5-20mm的研磨球。
3.根据权利要求2所述的一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，所述的研磨罐的材质为不锈钢、碳化钨、特氟龙、玛瑙或氧化锆。
4.根据权利要求2所述的一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，所述的研磨球的材质为不锈钢、碳化钨、特氟龙、玛瑙或氧化锆。
5.根据权利要求1所述的一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，步骤S4中，采用30-50℃的无水乙醇洗涤去除未反应的阿魏酸基质，然后在50-90℃下干燥2-4h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种阿魏酸淀粉酯的快速合成方法，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉或绿豆淀粉。
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