CN1995366A - 一种在有机相中酶催化连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在有机相中酶催化连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法，属于食品生物化工技术领域。本发明利用连续进出料的搅拌罐式酶反应器合成麦芽糖月桂酸酯，确定了其最佳生产工艺条件和产物的分离纯化方法以及连续生产工艺流程。反应器产量能维持在10g/(L·d)以上8－10天，分离纯化后能得到纯度达到95％的产品。本发明方法具有能以工业放大规模生产，条件温和、反应效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种在有机相中脂肪酶催化连续合成非离子型表面活性剂麦芽糖月桂酸酯的方法，属于食品生物化工技术领域。
背景技术
麦芽糖脂肪酸酯是由麦芽糖与脂肪酸缩合而成的一类可食用的具有特殊性能的表面活性剂。由于麦芽糖脂肪酸酯具有良好的乳化性、稠化性和膨化性而可被广泛用于食品业、化妆品业和洗涤业。近年来，国外一些研究者对麦芽糖脂肪酸酯的酶法合成工艺以及应用于食品中的研究逐渐增多。
在我国尚未有在有机相中酶法催化合成麦芽糖脂肪酸酯的报道，但有一些其它糖酯的酶法合成报道，张念湘等人在96年报道了在有机相中脂肪酶催化合成不同单糖的脂肪酸酯。冯雷刚和张国政于2004年报道了非水相中酶法合成葡萄糖月桂酸酯的工艺研究。吴可克和安庆大(2004)以蔗糖和棕榈酸为原料，研究了其酶法合成的工艺。但这些报道仅仅局限于间歇生产工艺的研究。
目前市售的糖酯产品基本上是化学合成的，反应是在高温、高压下进行，而且产物为复杂的混合物，要得到高纯度的产品需进行繁杂的分离工作，产品往往具有较深的色泽。而采用间歇反应器酶法合成，底物麦芽糖在反应体系丙酮中的溶解度仅为0.59mmol/L，反应速率较慢，并且反应中需添加分子筛作为脱水剂，而且由于产物在反应器中累积从而抑制反应的进行。因此，间歇式生产不适合于大规模的工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种在有机相中酶催化连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法，通过设计一种适合脂肪酶催化连续合成的反应器，提供工业化合成非离子型表面活性剂麦芽糖月桂酸酯的方法。用本方法条件温和、反应效率高、所得产物成分简单便于分离纯化，可以实现工业规模生产，明显优于化学法和间歇生产。
本发明的技术方案：利用连续搅拌罐式酶反应器，以麦芽糖和月桂酸为原料，脂肪酶为催化剂合成麦芽糖月桂酸酯，经过分离纯化得到产物麦芽糖月桂酸酯。生产工艺条件为：
(1)反应器中麦芽糖起始浓度为25-200mmol/L；
(2)随后反应过程中每天添加麦芽糖，添加量为8-20g/L；
(3)进料液月桂酸丙酮溶液中的月桂酸浓度为100-400mmol/L；
(4)催化剂脂肪酶NOVE435的用量为20-80g/L；
(5)采用连续式反应，在反应过程中用恒流泵将月桂酸丙酮溶液抽入反应器中，同时相等体积的反应液被抽出，恒流泵流速0.08-0.36mL/min，反应10-12天；
(6)将收集的反应液减压蒸馏，回收溶剂丙酮，同时得到固体物质；
(7)对上一步得到的固体采用正己烷多次洗涤纯化，正己烷用量以体积计为收集的反应液体积的0.1-0.5倍，洗涤后得到的产物真空干燥后，即为麦芽糖月桂酸酯产品。
优化的工艺条件为：
(1)反应器中麦芽糖起始浓度为50mmol/L；
(2)随后反应过程中每天添加麦芽糖，添加量为16g/L；
(3)进料液月桂酸丙酮溶液中的月桂酸浓度为200mmol/L；
(4)催化剂脂肪酶NOVE435的用量为40g/L；
(5)采用连续式反应，在反应过程中用恒流泵将月桂酸丙酮溶液抽入反应器中，同时相等体积的反应液被抽出，恒流泵流速0.15mL/min，反应10-12天；
(6)将收集的反应液减压蒸馏，回收溶剂丙酮，同时得到固体物质；
(7)对上一步得到的固体采用正己烷洗涤纯化3次，第一次正己烷用量以体积计为收集的反应液体积的0.25倍，后两次为0.1倍，洗涤后得到的产物真空干燥后，即为麦芽糖月桂酸酯产品。
同时分离出未反应的月桂酸继续参与反应，蒸发出有机溶剂回收利用。脂肪酶催化麦芽糖月桂酸酯连续合成方法的研究包括设计适合的反应器、通过实验得到麦芽糖起始浓度和随后反应中的添加量、月桂酸浓度、脂肪酶添加量、流速对产量的影响，确定产物的分离纯化方法和连续生产工艺流程。
连续进出料的搅拌罐式酶反应器的设计(图1)：反应器容积为250mL，一个带筛孔的铁篮固定于反应器盖上，将脂肪酶置于其中，通过磁力搅拌器不断搅拌反应液，外部有恒温水浴控制反应体系温度。月桂酸丙酮溶液通过恒流泵进入反应器中，同时恒流收集流出的反应液。
麦芽糖起始浓度和随后反应中的添加量的确定：在反应开始时添加麦芽糖浓度(mmol/L)分别为25，50，100，150，200。结果发现当麦芽糖起始浓度过高时，会使产物浓度降低。当麦芽糖起始浓度为50mmol/L时，反应液中麦芽糖酯浓度最大。第一天加入50mmol/L麦芽糖，两天后会发现反应器中的未溶解的麦芽糖已经消耗完毕，为了维持连续生产，必须添加麦芽糖。以后每天往反应器中添加8-20g/L麦芽糖，实验结果表明每天添加16g/L，即4g麦芽糖时可以使反应维持在较高的产物浓度下连续进行。
月桂酸浓度的确定：月桂酸丙酮溶液的浓度(mmol/L)分别为100，200，300，400，选用200mmol/L可以得到较高产量。
催化剂脂肪酶NOVE435添加量的确定：脂肪酶的添加量为20-80g/L，添加量越多，产量越高，当添加量大于40g/L时，产量增长缓慢，考虑到酶的价钱和催化效率，所以脂肪酶NOVE435添加优选用量为40g/L。
反应液流速的选择：反应液流速为0.08-0.36mL/min，改变流速即改变月桂酸在反应器中的滞留时间，若滞留时间太短，原料尚未充分反应，产物浓度较低，而减慢流速，延长滞留时间会使产物浓度逐渐增大。当减慢到一定流速时，反应液会达到一个稳定状态，产物浓度不再增高。当进料流速大于1.5mL/min时，反应液中的产物浓度逐渐下降，最后流速优选确定为1.5mL/min。
反应液的分离纯化方法：反应液通过减压蒸馏蒸出反应溶剂丙酮，随后加入不同量的正己烷来溶解未反应的月桂酸，以4000r/min的速度离心20min得到沉淀，沉淀的主要成分是麦芽糖月桂酸酯。第一次正己烷的添加量与原反应液的比1∶4，再以V正己烷∶V反应液＝1∶10的添加量处理两次，可得到酯含量约95％的产品。正己烷处理后的溶液里面主要成分是未反应的月桂酸，通过减压蒸馏蒸出正己烷，脂肪酸继续进入反应器反应。连续反应的工艺流程图如图2所示。
本发明优化后的麦芽糖月桂酸酯连续合成方法为：麦芽糖的浓度为50mmol/L，月桂酸浓度为200mmol/L，加酶量为40g/L，每天添加16g/L麦芽糖，200mmol/L的月桂酸丙酮溶液以0.15ml/min流速进入反应器，麦芽糖月桂酸酯的产量能连续8-10天维持在大于10g/(L·d)，利用回收的月桂酸的产量也能达到10g/(L·d)。
间歇生产和连续生产的产量和产物组成对比：采用最佳工艺条件间歇生产，麦芽糖的浓度为25mmol/L，酸醇摩尔比为3∶1，分子筛添加量为80mg/mL，脂肪酶添加量为20mg/mL，50℃振荡水浴反应72h，麦芽糖月桂酸酯的产量约为4g/(L·d)，同时反应产物中有麦芽糖月桂酸二酯。
本发明的有益效果：本发明采用连续进出料的搅拌酶反应器，连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法可以大大提高产物的产量和反应的效率，反应器的产量能达到约13g/(L·d)，而且在反应的过程中不需要添加脱水剂。由于反应产物中基本不含二酯，所以使得分离纯化比较简单，经过3次正己烷洗涤后，产物的保留率达到80％，同时得到产品的纯度有95％。本发明方法具有能以工业放大规模生产、条件温和和反应效率高等优点。在生产的工程中，由于反应以有机溶剂为反应介质，生产过程中基本没有微生物的影响，而且所采用的溶剂为丙酮和正己烷，这两种均可在食品工业中运用。得到的麦芽糖月桂酸酯产品可作为表面活性剂应用到食品业、化妆品业和洗涤业。
附图说明
图1连续进出料的搅拌酶反应装置。1.进料瓶，2.恒流泵，3.磁力搅拌器，4.水浴，5.反应器，6.带筛孔的铁篮，7.出料瓶。
图2连续生产工艺流程。
具体实施方式
实施例1
反应初始在反应器中添加麦芽糖的浓度为25mmol/L(2.125g)，100mmol/L月桂酸丙酮溶液250ml，20g/L脂肪酶，其后反应每天向反应器中添加8g/L麦芽糖，100mmol/L的月桂酸丙酮溶液以0.36ml/min流速进入反应器，反应10d。产量和分离纯化后得到的产品量见表1。
表1
| 天数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 每天产量(g) | 1.121 | 2.024 | 2.371 | 2.247 | 1.809 | 1.362 | 1.221 | 1.003 | 0.916 | 0.747 |
| 纯化后产量(g) | 1.043 | 1.802 | 2.067 | 1.958 | 1.624 | 1.096 | 1.020 | 0.865 | 0.777 | 0.614 |
实施例2
反应初始在反应器中添加麦芽糖的浓度为50mmol/L(4.275g)，200mmol/L月桂酸丙酮溶液250ml，40g/L脂肪酶，其后反应每天添加12g/L麦芽糖，200mmol/L的月桂酸丙酮溶液以0.2ml/min流速进入反应器，反应10d。产量和分离纯化后得到的产品量见表2。
表2
| 天数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 每天产量(g)纯化后产量(g) | 1.5201.403 | 2.8542.674 | 2.9562.817 | 2.7562.581 | 2.8042.627 | 2.6132.462 | 2.5512.413 | 2.3842.214 | 2.2292.136 | 2.1362.071 |
实施例3
反应初始在反应器中添加麦芽糖的浓度为100mmol/L，300mmol/L月桂酸丙酮溶液250ml，60g/L脂肪酶，其后反应每天添加16g/L麦芽糖，300mmol/L的月桂酸丙酮溶液以0.15ml/min流速进入反应器，反应10d。产量和分离纯化后得到的产品量见表3。
表3
| 天数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 每天产量(g) | 1.426 | 2.746 | 2.884 | 2.809 | 2.612 | 2.554 | 2.563 | 2.418 | 2.237 | 2.211 |
| 纯化后产量(g) | 1.256 | 2.618 | 2.710 | 2.675 | 2.443 | 2.417 | 2.420 | 2.303 | 2.149 | 2.136 |
实施例4
反应初始在反应器中添加麦芽糖的浓度为200mmol/L，400mmol/L月桂酸丙酮溶液250ml，80g/L脂肪酶，其后反应每天添加20g/L麦芽糖，400mmol/L的月桂酸丙酮溶液以0.1ml/min流速进入反应器，反应10d。产量和分离纯化后得到的产品量见表4。
表4
| 天数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 每天产量(g) | 1.041 | 1.842 | 2.037 | 1.735 | 1.809 | 1.645 | 1.525 | 1.539 | 1.442 | 1.397 |
| 纯化后产量(g) | 0.921 | 1.647 | 1.900 | 1.548 | 1.624 | 1.529 | 1.442 | 1.398 | 1.217 | 1.162 |
Claims (2)
1、一种在有机相中酶催化连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法，其特征是在具有连续进料和连续出料功能的搅拌罐式反应器中反应，以麦芽糖和月桂酸为原料，脂肪酶为催化剂合成麦芽糖月桂酸酯，经过分离纯化得到产物麦芽糖月桂酸酯，生产工艺条件为：
(1)反应器中麦芽糖起始浓度为25-200mmol/L；
(2)随后反应过程中每天添加麦芽糖，添加量为8-20g/L；
(3)进料液月桂酸丙酮溶液中的月桂酸浓度为100-400mmol/L；
(4)催化剂脂肪酶NOVE435的用量为20-80g/L；
(5)采用连续式反应，在反应过程中用恒流泵将月桂酸丙酮溶液抽入反应器中，同时相等体积的反应液被抽出，恒流泵流速0.08-0.36mL/min，反应10-12天；
(6)将收集的反应液减压蒸馏，回收溶剂丙酮，同时得到固体物质；
(7)对上一步得到的固体采用正己烷多次洗涤纯化，正己烷用量以体积计为收集的反应液体积的0.1-0.5倍，洗涤后得到的产物真空干燥后，即为麦芽糖月桂酸酯产品。
2、根据权利要求1所述的一种在有机相中酶催化连续合成麦芽糖月桂酸酯的方法，其特征是工艺条件为：
(1)反应器中麦芽糖起始浓度为50mmol/L；
(2)随后反应过程中每天添加麦芽糖，添加量为16g/L；
(3)进料液月桂酸丙酮溶液中的月桂酸浓度为200mmol/L；
(4)催化剂脂肪酶NOVE435的用量为40g/L；
(5)采用连续式反应，在反应过程中用恒流泵将月桂酸丙酮溶液抽入反应器中，同时相等体积的反应液被抽出，恒流泵流速0.15mL/min，反应10-12天；
(6)将收集的反应液减压蒸馏，回收溶剂丙酮，同时得到固体物质；
(7)对上一步得到的固体采用正己烷洗涤纯化3次，第一次正己烷用量以体积计为收集的反应液体积的0.25倍，后两次为0.1倍，洗涤后得到的产物真空干燥后，即为麦芽糖月桂酸酯产品。
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