一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯的方法
2023-05-26 23:26:21 1
專利名稱：一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯的方法
技術領域：
本發明涉及一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法脂肪酶催化連續合成非離 子型表面活性劑葡萄糖月桂酸酯的方法，屬於食品生物化工技術領域。
背景技術：
糖脂肪酸酯是由糖與脂肪酸縮合而成的一類可食用的具有特殊性能的表面 活性劑。由於糖脂肪酸酯具有良好的乳化性、稠化性和膨化性而可被廣泛用於 食品業、化妝品業和洗滌業。近年來，國外一些研究者對糖脂肪酸酯的酶法合 成工藝以及應用於食品中的研究逐漸增多。
目前市售的糖酯產品基本上是化學合成的，反應在高溫、高壓下進行，產 物為複雜的混合物，要得到高純度的產品，需進行繁雜的分離工作，產品往往 具有較深的色澤。酶法合成可以克服以上缺點，從而受到廣泛的重視。但是糖
在有機溶劑中的溶解度很低，例如葡萄糖在叔丁醇中的溶解度僅27.47 mmol/L， 使反應速率較慢，限制了工業化生產。
從工業化生產的角度看，連續合成的效率高於間歇合成。國外有一些這方 面的嘗試，如Watanabe，Y.等分別利用CSTR和填充床反應器合成Vc飽和脂肪酸 酯，WiphumKaewthong等利用CSTR和填充床反應器連續合成了棕櫚酸油酸酯。 Piao，J.等利用填充床反應器合成了赤藻糖月桂酸酯和其它一些糖酯。國內也有少 量報導，如馮雷剛和張國政於2004年報導了非水相中酶法直接催化葡萄糖和月 桂酸合成葡萄糖月桂酸酯的工藝研究，但是僅以酶法催化合成為手段，且為間 歇工藝的研究；張曉鳴等利用CSTR合成麥芽糖月桂酸單酯；同時也有報導研究 葡萄糖月桂酸酯的酶法合成。但在我國尚未有在有機相中耦合苯基硼酸增溶法 連續酶法合成葡萄糖脂肪酸酯的報導。
能催化合成糖酯的脂肪酶有多種，其中以源自於南極假絲酵母(cam^fa a"tor"/c")的脂肪酶效果較好。
發明內容
本發明的目的是通過設計一種適合脂肪酶催化連續合成的工藝過程，提供 工業化合成非離子型表面活性劑葡萄糖月桂酸酯的方法。用本方法條件溫和、 反應效率高、所得產物成分簡單便於分離純化，可以實現工業規模生產，明顯 優於化學法和間歇生產。
本發明的技術方案 一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法連續酶法合成葡 萄糖月桂酸酯的方法，運用具有連續進料和連續出料功能的攪拌罐式酶反應器反應，保證生產的連貫性；採用耦合苯基硼酸增溶法，預先增溶葡萄糖，以1,2:3，5 一葡萄糖苯基硼酸酯和月桂酸作為反應底物，以脂肪酶為催化劑，在有機相中 連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯，生產工藝條件為
(1) 反應器中1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為25 100mmol/L;
(2) 月桂酸溶液的濃度為100 400mmol/L;
(3) 催化劑脂肪酶Novozym 435添加量為20 80 g/L;
(4) 分子篩每天的添加量為0 80 g/L;
(5) 採用連續式反應，用恆流泵將1，2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯和月桂酸叔丁 醇溶液抽入反應器中，同時相同體積的反應液被抽出，恆流泵流速0.05 0.40 mL/min，酶反應溫度5(TC，連續反應9天以上；
(6) 將收集的反應液減壓蒸餾，回收溶劑叔丁醇，同時得到固體物質；
(7) 對上一步得到的固體採用正己垸多次洗滌純化，正己垸用量與收集的反 應液之間的體積比為1 : 2 1 : 10，洗滌後得到的產物真空乾燥後，即為葡萄糖 月桂酸酯產品。
優化的工藝條件為月桂酸150 mmol/L， Novozym 435脂肪酶40 g/L，恆 流泵流速為0.2mL/min，該反應器的產率為3.1 g/d—1!/1;
(1) 1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為50mmol/L;
(2) 月桂酸溶液的濃度為150mmol/L;
(3) 催化劑脂肪酶Novozym 435添加量為40 g/L;
(4) 分子篩初始添加量為20 g/L，每天更換20 g/L分子篩；
(5) 恆流泵流速0.20 mL/min;
(6) 收集的反應液減壓蒸餾，回收溶劑叔丁醇，同時得到固體物質用正己烷 洗滌3次，第一次正己烷用量與收集的反應液之間的體積比為1 : 2，後兩次正 己烷用量與收集的反應液之間的體積比為1 : 10。
先用傳統的耦合苯基硼酸增溶法使苯基硼酸與葡萄糖反應，生成1，2:3,5-葡 萄糖苯基硼酸酯；再在連續攪拌罐式酶反應器內，以1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯 和月桂酸為主要原料，脂肪酶為催化劑合成葡萄糖月桂酸酯，經過分離純化得 到產物葡萄糖月桂酸酯，同時分離出未反應的脂肪酸繼續參與反應，蒸發出有 機溶劑回收利用，設計出適合工業規模生產的工藝流程。
脂肪酶催化葡萄糖月桂酸酯連續合成方法的研究包括設計適合的反應器、 通過實驗得到合成1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯的條件、確定連續化生產中諸操作 參數(1，2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯濃度、脂肪酶添加量、流速等)對產率的影響、 確定產物的分離純化方法和連續生產工藝流程。
連續攪拌罐式酶反應器的設計(圖1):反應器容積為250mL, —個帶篩孔 的鐵籃固定於反應器蓋上，將脂肪酶置於其中，通過磁力攪拌器不斷攪拌反應液，外部有恆溫水浴控制反應體系水溫。1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯和月桂酸叔
丁醇溶液通過恆流泵進入反應器中，同時收集反應液。
1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯的合成葡萄糖和苯基硼酸以h 2的摩爾比在叔 丁醇溶劑中在5(TC下反應，反應體系中加入足量的分子篩，合成1，2:3,5-葡萄糖 苯基硼酸酯，用蒸發方法去除溶劑。
1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯與月桂酸濃度的確定將1,2:3，5-葡萄糖苯基硼酸 酯與月桂酸以1 : 1、 1 : 2、 1 : 3、 1 : 4、 1 : 5的摩爾比混合進行反應，實驗表 明在1 : 3的摩爾比下能得到較好的合成效果。
1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯濃度的確定添加1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯濃 度分別為25， 50， 75， 100 mmol/L， 1，2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯摩爾濃度太高 或者太低，均不利於葡萄糖月桂酸酯產率的提高，選用50 mmol/L的濃度可以 得到較高的產率。
催化劑Novozym435脂肪酶(購自Novo Nordisk公司，為源自南極假絲酵 母的固定化脂肪酶)添加量的確定脂肪酶的添加量分別為20， 40， 60， 80g/L， 添加量從20g/L增加到40g/L時，產率提高明顯，而再從40g/L增加到80g/L 時，只是反應初期速度較高，到達穩定階段後產率相差無幾。考慮到酶的價錢 和催化效率，所以脂肪酶添加量選用40g/L。
分子篩添加量的確定每天添加量為0， 20， 40， 60， 80g/L，水為反應過 程中的副產物，同時用於催化作用的脂肪酶也要在恰當的水分含量下才具有較 好的酶活力，1,2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯又極其容易水解。考慮以上因素，適量 的分子篩的添加可以保證脂肪酶的活性和1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的完整性， 因此每天更換反應器中20 g/L分子篩時，葡萄糖月桂酸酯的產率最高。
原料液流速的選擇改變流速即改變在反應器中的滯留時間，若滯留時間 太短，原料尚未充分反應，產物濃度較低，而減慢流速，延長滯留時間會使產 物濃度逐漸增大，當減慢到一定流速時，反應液會達到一個穩定狀態，產物濃 度不再增高。當進料流速大於0.2 mL/min時，反應液中的產物濃度逐漸下降， 最後流速確定為0.2mL/min。
反應液的分離純化方法反應液通過減壓蒸餾蒸出反應溶劑叔丁醇，隨後 加入不同量的正己烷來溶解未反應的月桂酸，以4000r/min的速度離心20min得 到沉澱，沉澱的主要成分是葡萄糖月桂酸酯。第一次正己垸的添加量與原反應 液的比1:2，再以V正己院:V &應液=1:10的添加量處理兩次，可得到酯含量約89% 的產品。正己烷處理後的溶液裡面主要成分是未反應的月桂酸，通過減壓蒸餾 蒸出正己烷，脂肪酸繼續進入反應器反應。連續反應的工藝流程圖如圖2所示。
本發明優化後的葡萄糖月桂酸酯連續合成方法為1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸 酯的濃度為50mmol/L，月桂酸的濃度為150 mmol/L，加酶量為40 g/L，分子篩20 g/L，每天更換20 g/L分子篩，流速為0.2 mL/min，該反應器的產率為3.1 g/(dL)。以回收的月桂酸為反應底物時，反應9天的平均產率為2.49g/(dL)。—
本發明的有益效果採用本發明的利用連續攪拌酶反應器，耦合苯基硼酸 增溶法連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯的方法可以大大提高產率和反應速度，反 應器的產率能達到約3.1g/(d'L)。分離純化比較簡單，經過3次正己烷洗漆後， 得到產品的純度達89%。本發明方法具有能以工業放大規模生產、條件溫和和 反應效率高等優點。在生產過程中，由於反應以有機溶劑為反應介質，生產過 程中基本沒有微生物的影響，而且所採用的溶劑可以為叔丁醇和正己垸，這兩 種溶劑均可在食品工業中應用。得到的葡萄糖月桂酸酯產品可作為表面活性劑 應用到食品業、化妝品業和洗滌業。
圖1連續攪拌酶反應裝置，a:進料瓶，b:恆流泵，C:磁力攪拌器，d: 水浴，e:反應器，f:帶篩孔的鐵籃，g:出料瓶。
圖2連續生產工藝流程。
具體實施例方式
實施例1:將葡萄糖與苯基硼酸以1:2的摩爾比在50'C下合成，得到1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯。將1，2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯與月桂酸以1:3的摩爾比溶 於叔丁醇中，其中1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為25mmol/L，加入80 g/L 脂肪酶，40g/L分子篩，每天更換40g/L分子篩，原料液流速0.2mL/min，在 5(TC下連續反應，反應液中糖酯濃度穩定在19.6mmol/L，產率為2.05 g/(dL)。
實施例2:將葡萄糖與苯基硼酸以1:2的摩爾比在5(TC下合成，得到1,2:3，5 一葡萄糖苯基硼酸酯。將1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯與月桂酸以1:3的摩爾比溶 於叔丁醇中，其中1，2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為50mmol/L，加入20 g/L 脂肪酶，40g/L分子篩，每天更換40g/L分子篩，原料液流速0.2mL/min，在 50。C下連續反應，反應液中糖酯濃度穩定在27mmol/L，產率為2.8 g/(dL)。
實施例3:將葡萄糖與苯基硼酸以1:2的摩爾比在5(TC下合成，得到1,2:3,5 一葡萄糖苯基硼酸酯。將1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯與月桂酸以1:3的摩爾比溶 於叔丁醇中，其中1，2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為50mmol/L，加入20 g/L 脂肪酶，40g/L分子篩，每天更換40g/L分子篩，原料液流速0.2mL/min，在 5(TC下連續反應，反應液中糖酯濃度穩定在25mmol/L，產率為2.6 g/(d'L)。
實施例4:將葡萄糖與苯基硼酸以1:2的摩爾比在5(TC下合成，得到1，2:3，5 一葡萄糖苯基硼酸酯。將1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯與月桂酸以1:3的摩爾比溶 於叔丁醇中，其中1，2:3，5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為50mmol/L，加入40 g/L 脂肪酶，20g/L分子篩，每天更換20g/L分子篩，原料液流速0.2mL/min，在 50。C下連續反應，反應液中糖酯濃度穩定在29.6mmol/L，產率為3.1 g/(dL)。
權利要求
1、一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯的方法，其特徵是運用具有連續進料和連續出料功能的攪拌罐式酶反應器反應，保證生產的連貫性；採用耦合苯基硼酸增溶法，預先增溶葡萄糖，以1，23，5—葡萄糖苯基硼酸酯和月桂酸作為反應底物，以脂肪酶為催化劑，在有機相中連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯，生產工藝條件為(1)反應器中1，23，5—葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為25～100mmol/L；(2)月桂酸溶液的濃度為100～400mmol/L；(3)催化劑脂肪酶Novozym 435添加量為20～80g/L；(4)分子篩每天的添加量為0～80g/L；(5)採用連續式反應，用恆流泵將1，23，5—葡萄糖苯基硼酸酯和月桂酸叔丁醇溶液抽入反應器中，同時相同體積的反應液被抽出，恆流泵流速0.05～0.40mL/min，酶反應溫度50℃，連續反應9天以上；(6)將收集的反應液減壓蒸餾，回收溶劑叔丁醇，同時得到固體物質；(7)對上一步得到的固體採用正己烷多次洗滌純化，正己烷用量與收集的反應液之間的體積比為1∶2～1∶10，洗滌後得到的產物真空乾燥後，即為葡萄糖月桂酸酯產品。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵是工藝條件為月桂酸150mmol/L， Novozym 435脂肪酶40g/L，恆流泵流速為0.2 mL/min，該反應器的產率為3.1 g/d-1!/1;(1) 1,2:3,5 —葡萄糖苯基硼酸酯的濃度為50 mmol/L;(2) 月桂酸溶液的濃度為150mmol/L;(3) 催化劑脂肪酶Novozym 435添加量為40 g/L;(4) 分子篩初始添加量為20 g/L，每天更換20 g/L分子篩； (5泡流泵流速0.20 mL/min;(6)收集的反應液減壓蒸餾，回收溶劑叔丁醇，同時得到固體物質用正己烷 洗滌3次，第一次正己烷用量與收集的反應液之間的體積比為1 : 2，後兩次正 己烷用量與收集的反應液之間的體積比為1 : 10。
全文摘要
一種在有機相中耦合苯基硼酸增溶法連續酶法合成葡萄糖月桂酸酯的方法，屬於食品生物化工技術領域。本發明採用酶法耦合苯基硼酸增溶法，運用具有連續進料和連續出料功能的攪拌罐式酶反應器合成葡萄糖月桂酸酯，確定了其最佳生產工藝條件和產物的分離純化方法以及連續生產工藝流程。催化劑Novozym435脂肪酶購自Novo Nordisk公司，為源自南極假絲酵母的固定化脂肪酶。反應器產量為3.1g/(dL)，分離純化後產品的純度達89％。本發明方法具有能以工業放大規模生產、條件溫和和反應效率高等優點。
文檔編號C12P7/64GK101440385SQ20081024438
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者驫 馮, 張文斌, 張曉鳴, 蔣平平, 賈承勝, 高紅霞 申請人:江南大學