酶法催化合成果糖月桂酸单酯及其分离纯化和性质表征

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糖酯是一类重要的非离子生物表面活性剂,在食品、化妆品、医药、洗涤剂、纤维等工业中有着重要用途。本实验室已建立通过混合溶剂法(叔戊醇+DMSO)催化合成果糖月桂酸单酯体系,由于DMSO的毒性及其难分离性,给后续的分离纯化带来的困难,也限制了产品的应用范围。本实验通过在低毒低沸点有机溶剂叔丁醇中反应催化合成果糖月桂酸单酯,并在其分离纯化后研究其表面性质,为果糖月桂酸单酯的进一步工业化应用奠定基础。本文研究了在有机溶剂叔丁醇中用毕赤酵母表面展示南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)非水相催化合成果糖月桂酸单酯。在摇瓶水平上分别从冻干保护剂、有机溶剂种类、全细胞催化剂添加量、底物量、底物的配比、温度、水活度及分子筛等因素考察了对合成果糖月桂酸单酯的影响。并在单因素优化的基础上,放大工艺,考察了搅拌速率和低压反应对合成果糖月桂酸单酯的影响。结果表明:0.5%(w/w)的果糖溶液为最佳冻干酶粉保护剂,在5 mL摇瓶体系中,以叔丁醇为反应介质,添加初始水活度为0.06通过凝集素展示在毕赤酵母表面的全细胞催化剂GS115/pKNS-CALB 0.3 g,果糖0.36 g(经0.4 g硅胶粉固定),月桂酸0.8 g,60℃,200 rpm下反应72 h后,果糖月桂酸单酯的产率达到60%。而在200 mL体系中,搅拌转速300 rpm,200 mbar低压搅拌反应下果糖月桂酸单酯产率将近65%。针对酶法合成果糖月桂酸单酯的体系化学组成及其非离子表面活性剂特点,提出了果糖月桂酸单酯分离工艺路线。采用混合溶剂二步萃取法提取体系中的果糖月桂酸单酯。一步萃取得到的最佳工艺条件为:粗产物0.7 g,乙醇0.4 mL,正己烷1 mL,蒸馏水0.2 mL,在常温条件下,果糖月桂酸单酯的萃取率达94%,果糖去除率98%。在一步萃取的基础上进一步研究了混合溶剂二步萃取法分离纯化果糖月桂酸单酯的工艺。结果发现,当再添加正己烷4 mL,乙醇4 mL,蒸馏水1 mL时,达到果糖月桂酸单酯最大萃取率89%,萃取产品纯度为95%。为得到果糖月桂酸单酯纯品以便研究其物理化学性质,采用柱层析梯度洗脱法分离纯化果糖月桂酸单酯,得到99%纯品。分别从亲水-亲油平衡值(HLB值),临界胶束浓度(CMC值),最大吸附量(Γmax),最小截面积(Amin),胶束自由能(ΔGm),起泡能力及泡沫稳定性,乳化能力及乳化稳定性考察果糖月桂酸单酯表面活性,结果表明:果糖月桂酸单酯的HLB值为5.8,表明其更适合做油包水(w/o)型乳化剂;其CMC值为2.5×10-4 mol/L,临界表面张力γCMC为24.2 mN/m,最大吸附量(Γmax)为0.7 mol m-2,最小截面积(Amin) 23.4×10-20 m2,胶束自由能(ΔGm)为-30.5 kJ/mol,说明其有良好的表面活性;其乳化能力和乳化稳定性均与商购蔗糖月桂酸单酯相近,相比之下更快趋于稳定。在研究起泡能力及泡沫稳定性时发现,在低浓度下,果糖月桂酸单酯的起泡能力和泡沫稳定性优于蔗糖月桂酸单酯,在较高浓度下则相反。在实验中发现果糖月桂酸单酯起的气泡较蔗糖月桂酸单酯丰富,细腻,表明果糖月桂酸单酯较蔗糖月桂酸单酯更适合作于低泡表面活性剂。
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