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脂肪酸多元醇酯作为一种安全、稳定、高效的食品添加剂,其合成方法及用途已逐渐得到国内外学者的研究与重视。本文采用固定化Candida antarctica B脂肪酶(Novozym435)催化合成中碳甘油二酯和月桂酸蔗糖酯,并考察了主要反应因素的影响,优化了其合成工艺。主要研究内容和结果如下:
1.以辛酸、甘油为底物,用固定化Novozyme435脂肪酶催化直接酯化法合成辛酸甘油二酯。实验发现溶剂的疏水性对甘油二酯的合成影响较大,高log P的石油醚有利于产物中甘油二酯含量的提高；金属离子在本体系中并不影响脂肪酶的催化活性；不同的初始加水量对酯化反应的影响表现在反应初速度的变化,且加水量5％甘油(w／w)下初速度最大；在敞口面积直径29 mm的反应器中反应,体系酯化率最高,且无需再加入4(A)分子筛脱水:另外合适的反应温度和底物摩尔比可提高辛酸转化率及产物中甘油的含量。经优化得间歇釜式反应器中辛酸甘油二酯合成的最佳条件为n(辛酸):n(甘油)=2:1,初始加水量5％甘油(w／w),加酶量250 U／g辛酸,敞口(d=29 mm),60℃,反应10 h,辛酸转化率高达94.21％,产物中辛酸甘油二酯含量为45.07％,其产率为43.76％。另外发现微波辐射可加快辛酸与甘油的酯化反应速率达1.56倍,但却无明显的促进辛酸甘油二酯生成的作用。从期望得到高辛酸甘油二酯含量的目的来说,间歇釜式反应器的效率较低。
2.针对间歇釜式反应器低效率的问题,本文选择于填充柱反应器中以脂肪酶催化通过直接酯化法合成辛酸甘油二酯,并考察了主要反应因素的影响。发现65℃下辛酸甘油摩尔比2,以200 U／g辛酸的脂肪酶催化,10％甘油(w／w)的初始加水量,34 h-1体积流速,65℃反应7 h,辛酸转化率最高可达82.30％,甘油二酯含量为77.26％,其产率为65.33％。且脂肪酶可重复利用15次并且不失活。这充分证明了填充柱反应器比间歇釜式反应器更利于辛酸甘油二酯的合成。另外本研究结果是目前利用填充柱式反应器得到的最佳结果,不仅产物中辛酸甘油二酯含量高,而且大大降低了脂肪酶的用量,显著降低了反应成本,为酶催化反应的工业化应用带来了更大的可能性。
3.进一步考虑到原料的价格及反应的经济性,本文研究了脂肪酶催化辛癸酸甘油三酯(GTCC)甘油解法合成中碳链甘油二酯。发现仅当溶剂为促溶剂叔丁醇时,GTCC转化率显著增大,产物中辛癸酸甘油二酯的含量也明显提高；同时还考察了其它因素对甘油解反应的影响,最佳条件为GTCC与甘油底物摩尔比为2,初始加水量4％(w／w,甘油),叔丁醇与甘油摩尔比为2.1,Novozym435酶加入量250 U／g GTCC,65℃反应24 h,GTCC转化率达74.21％,产物中甘油二酯含量为53.17％。另外首次引入微波辐射用于加快甘油解反应速度,发现微波辐射下的反应速度比常规加热下提高了1.89倍,产物中甘油二酯含量显著增大。
4.本文初步探索了酶促合成月桂酸蔗糖酯的研究。以蔗糖,月桂酸为底物,在不同条件下用固定化Novozym435脂肪酶催化合成月桂酸蔗糖酯,并通过薄层色谱法结合质谱分析产物组成。通过考察各因素对酯化反应的影响,优化得最佳工艺条件为蔗糖与月桂酸底物比1,叔丁醇2.92(w／w,底物),0.2 M硼砂缓冲液(pH9.18)4％底物(w／w),脂肪酶1700 U／g蔗糖,65℃下反应24 h,月桂酸转化率达22.17％。另外研究了微波辐射对月桂酸蔗糖酯合成的影响,发现反应15 min微波辐射相比于常规加热,其反应速度可加快2.16倍,但随着时间的延长,微波效应略有减弱。