一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，属于物理场辅助生物催化技术从而用于有机合成的范畴。本发明意在非水介质二甲亚砜/叔丁(戊)醇的混合溶剂中，通过恒磁场辅助脂肪酶催化蔗糖与脂肪酸乙烯酯反应生成蔗糖-6-酯。该方法快速，高效，操作简单、安全，符合绿色化学的要求。
【专利说明】一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物理场辅助生物催化的【技术领域】，特别涉及一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法。
【背景技术】
[0002]蔗糖-6-酯是制备三氯蔗糖的重要中间体。三氯蔗糖是蔗糖分子中4，I’，6’ -OH被Cl原子取代，同时4-位发生构型翻转而其它-OH保持不变的一种功能甜味剂。而蔗糖分子中8个-OH发生氯化反应的顺序为6，6’ >4>1’ >其他位，因此在蔗糖进行氯化处理之前，必须首先屏蔽反应活性较高的6-OH使之不被氯化，然后再对4，I’，6’ -OH进行氯化处理。所以蔗糖分子中的6-OH保护是氯化反应的关键前期步骤，必须采用有效地6-OH酰基化方法。
[0003]原酸酯法与有机锡催化法制备蔗糖-6-酯是传统上主要采用的两种化学方法。原酸酯法操作简单，但收率偏低。相反，有机锡法收率较高，但操作及后处理过程复杂，并有产品中重金属超标的风险。
[0004]由于酶催化具有区域选择性强、反应条件温和、操作简单、环境友好、安全性高等优势，近年来制备蔗糖-6-酯越来越倾向于利用酶催化法。经大量研究发现，蛋白酶、脂肪酶、抗体酶都是用来合成蔗糖酯的主要酶。但不同来源的酶具有各自的催化特点和催化活力。蛋白酶主要催化蔗糖的1-OH或2-OH，且通常不接受长链脂肪酸作为酰基供体。相比蛋白酶，脂肪酶来源广泛，较宽范围的脂肪酸蔗糖酯都可被催化合成，并且反应一般发生在
6-OH。利用抗体酶催化蔗糖合成更纯的蔗糖-6-酯最近也有研究证实，但仍待深一步研究。所以目前用于催化合成蔗糖-6-酯的酶主要还是指脂肪酶。
[0005]Ferrel 等(Ferrer M, Cruces MA, BernatT e M, Ballesteros A, Plou FJ.Lipase-catalyzed reg1selective acylat1n of sucrose in two-solvent mixtures.B1technol B1eng 1999; 65:10 - 16)利用 H.lanuginosa 脂肪酶在非水相 DMSO/ 叔戍醇=1:4 (体积比)混合溶液中催化蔗糖与月桂酸乙烯酯反应，24h后蔗糖转化率为70%，蔗糖-6-月桂酸酯的产率为40%。罗旭等(罗旭，钱俊青.叔丁醇体系中脂肪酶催化合成蔗糖乙酸酯[J].高化学工程学报，2010，24(3):451-455)用Lipozyme TL頂催化蔗糖和乙酸乙烯酯反应24 h后蔗糖-6-乙酸酯的产率为40.9%。王勅等(王勅，郑璞，倪晔，等.非水介质中脂肪酶催化合成蔗糖-6-乙酸酯的研究[J].食品与发酵工业.2010，36(12):20-24)在DMSO/叔丁醇混合溶液中利用脂肪酶催化蔗糖和乙酸乙烯酯生成蔗糖-6-乙酸酯，反应9h，相应的摩尔转化率为77%-89%。王勅等虽然提高了蔗糖-6-乙酸酯的产率、相对缩短了反应时间，但仍存在着反应时间偏长等主要问题。
[0006]自然界中的任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何地方都存在磁场，只是有的地方磁场高，有的地方磁场低，磁现象是普遍存在的。恒磁场是恒定直流电或静止永磁体产生的磁场，大小和方向都不随时间改变。
[0007] 对于脂肪酶而言，一方面，磁场作用可能导致酶分子整体构象的部分延伸；另一方面，酶活性部位的空间结构是由较少或较弱的次级键所维系，由于维系活性部位空间结构的力量较弱，所以易受环境影响。外部磁场的作用，使酶的空间结构发生变化，即酶的柔性发生了变化所致。这种变化可能使酶的活性中心更容易暴露在油一水界面上，有利于活性部位与底物的复合，从而提高酶的活性。另外，由于酶同时具有疏水头和亲水尾，磁场的作用使酶能够较有序地排列在油一水界面上，这也有利于溶液接触面对酶分子的吸附，使吸附在接触面上的酶分子数目增多，由于反应速度与溶液接触面上所吸附的酶分子数目成立方函数关系，从而加快酶促反应的速度。
[0008]陶伟华等(陶伟华，王红民.磁场对有机溶剂中脂肪酶催化活性的影响[J].天水师范学院学报.2005, 25(2))研究了磁场对有机溶剂中脂肪酶催化活性的影响，指出
0.216T的磁场可使猪胰脂肪酶的酯合成活力由24.8nmol/min.mg Pr提高到39.7nmol/min.mg Pr。张秋霞等(张秋霞，尹春玲，范秋领，朱元保.磁场对脂肪酶催化活性的影响[J].平顶山学院学报.2005，20(5))研究了磁场对发生在液-液两相界面上的酶促反应的影响，结果表明0.1T的磁场作用I h可使酶活力提高76.1%等。他们认为磁场主要是通过影响脂肪酶的结构，使酶活性中心发生了局部的细微的构象变化，从而影响酶促反应。
【发明内容】
[0009]发明目的:针对现有技术的问题，本发明采用一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，实现了缩短反应时间、提高酶的重复利用率的目的。
[0010]技术方案:为了解决上述技术问题，本发明提供了一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，包括以下步骤:
1)将真空干燥的蔗糖溶解于非水相二甲亚砜与叔丁醇或叔戊醇的混合溶剂中，加入脂肪酶和脂肪酸乙烯酯得到反应体系，采用恒磁场辅助酶催化的方式，控制反应温度为20-60 0C，记录反应0.5-10h的转化率；
2)反应结束后，脂肪酶通过离心从混合体系中分离，然后用叔丁醇或叔戊醇清洗、真空干燥备用；
3)离心后的液体冷却至室温，旋蒸得到蔗糖-6-酯的浓缩液。
[0011]其中，上述脂肪酸乙烯酯包括乙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、辛酸乙烯酯、癸酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯、棕榈酸乙烯酯或硬脂酸乙烯酯中的一种。
[0012]其中，上述二甲亚砜与叔丁醇或叔戊醇的体积比为1:3-9。
[0013]其中，上述脂肪酶加入量为lO-lOOmg/mL。
[0014]其中，上述蔗糖与脂肪酸乙烯酯的摩尔比为1:2_20。
[0015]其中，上述脂肪酶为Lipozyme TL IM、Lipozyme TL 100L 或 Lipozyme RM IM 中的一种。
[0016]其中，上述恒磁场辅助酶催化的方式为先对脂肪酶进行恒磁场预处理后再置于反应体系中进行催化反应或者直接在恒磁场中进行反应。
[0017]其中，上述先对脂肪酶进行恒磁场预处理的磁感应强度为20_650mT，优选50-300mT ;预处理脂肪酶的时间为30-180min，优选40_100min。
[0018]其中，上述直接在恒磁场中进行反应，磁感应强度为20-650mT，优选50-300mT。
[0019]有益效果:本发明相对于现有技术，具有以下优点:本发明采用一种恒磁场辅助脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯，具有反应迅速，产物纯度高，副产物少，操作简单、安全，脂肪酶可被反复多次使用等优点，符合绿色化学的理念。本发明采用恒磁场辅助脂肪酶催化蔗糖和脂肪酸乙烯酯合成蔗糖-6-酯，在适宜的磁场强度和磁化时间的恒磁场中，脂肪酶催化活性得到提高，主要表现为反应时间大幅度缩短。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，但本发明不限于此。
[0021]高效液相色谱(HPLC)分析条件:岛津LC-10AT型高效液相色谱仪:LC_10AT高压输送泵，色谱柱 Supelcosil?LC-18 (250X4.6mm, 5um)，柱温 30 °C ;检测器=RID-1OA ;连接器:CBM-10A VP PLUS ;流动相:乙腈 / 水=6/1 (V/V);进样量:20 μ L，流速 0.8mL/min。
[0022]实施例1:
在10mL的反应器中先加已用1mLDMSO溶解的0.9g蔗糖，再依次加入30mL叔戊醇，Lipozyme TL 100L 100mg/mL,乙酸乙烯酯0.5mL (鹿糖与脂肪酸乙烯酯的摩尔比约为1:2),在磁感应强度为20mT的恒磁场中反应，反应温度40°C，搅拌反应5h。加热到80°C使脂肪酶TL 10L失活，从而离心除去脂肪酶；反应产物冷却至室温，减压蒸馏得到蔗糖-6-乙酸酯浓缩液。HPLC分析得蔗糖-6-乙酸酯的产率约78.3%。
[0023]实施例2:
将真空干燥后的蔗糖溶解于非水相二甲亚砜与叔丁醇的混合溶剂中，二甲亚砜与叔戊醇的体积比为1:5,然后加Lipozyme RM IM 50mg/mL,再加入癸酸乙烯酯,使得鹿糖与癸酸乙烯酯的摩尔比为1:10，在磁感应强度为50mT的恒磁场中，50°C下反应4h。离心除去脂肪酶；反应产物冷却至室温，减压蒸馏得到蔗糖-6-葵酸酯浓缩液。HPLC分析得蔗糖-6-癸酸酯的产率约为80.1%。
[0024] 实施例3:
在10mL的反应器中先加入已用5mL DMSO溶解的0.6g鹿糖,再依次加入45mL叔丁醇、Lipozyme TL IM 10mg/mL、乙酸乙烯酯3.2mL(鹿糖与脂肪酸乙烯酯的摩尔比约为1:20),在磁感应强度为300mT的恒磁场中反应反应温度25°C，搅拌反应lh。离心、旋蒸后得淡黄色液体。HPLC分析得蔗糖-6-乙酸酯的产率约80.3%。
[0025]实施例4:
将干燥后的蔗糖溶解于非水相二甲亚砜与叔丁醇的混合溶剂中，二甲亚砜与叔丁醇的体积比为1:4，置于水浴锅恒温振荡器中，转速3001'/1^11，恒温501:至蔗糖完全溶解；然后加Lipozyme TL IM 100mg/mL,此酶已用磁感应强度为650mT的恒磁场预处理40min ;再加入棕榈酸乙烯酯，使得蔗糖与棕榈酸乙烯酯的摩尔比为1:15，控制水域温度35°C。反应3h后，离心除去脂肪酶；反应产物冷却至室温，减压蒸馏得到蔗糖-6-棕榈酯浓缩液。HPLC分析得蔗糖-6-棕榈酸酯的产率约79.6%。
[0026]实施例5:
将干燥后的蔗糖溶解于非水相二甲亚砜与叔戊醇的混合溶剂中，二甲亚砜与叔戊醇的体积比为1:4，置于水浴锅恒温振荡器中，转速3001'/1^11，恒温501:至蔗糖完全溶解；然后加Lipozyme TL IM 100mg/mL,此酶已用磁感应强度为175mT的恒磁场预处理10min ;再加入月桂酸乙烯酯，使得蔗糖与月桂酸乙烯酯的摩尔比为1:18，控制水域温度351:。反应3h后，离心除去脂肪酶；反应产物冷却至室温，减压蒸馏得到蔗糖-6-月桂酯浓缩液。HPLC分析得蔗糖-6-月桂酸酯的产率约88.9%。
[0027]实施例6:
在50mL的反应器中先加入已用ImL DMSO溶解的0.1g鹿糖,再依次加入4mL叔丁醇、Lipozyme TL IM 100mg/mL、乙酸乙烯酯0.5mL (鹿糖与脂肪酸乙烯酯的摩尔比约为1:20),在磁感应强度为230mT的恒磁场中反应，反应温度35°C，搅拌反应3.5h。离心、旋蒸后得淡黄色液体。HPLC分析得蔗糖-6-乙酸酯的产率约90.7%。
[0028]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的 保护范围。
【权利要求】
1.一种恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将真空干燥的蔗糖溶解于非水相二甲亚砜与叔丁醇或叔戊醇的混合溶剂中，加入脂肪酶和脂肪酸乙烯酯得到反应体系，采用恒磁场辅助酶催化的方式，控制反应温度为20-600C，记录反应0.5-10h的转化率； 2)反应结束后，脂肪酶通过离心从混合体系中分离，然后用叔丁醇或叔戊醇清洗、真空干燥备用； 3)离心后的液体冷却至室温，旋蒸得到蔗糖-6-酯的浓缩液。
2.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述脂肪酸乙烯酯包括乙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、辛酸乙烯酯、癸酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯、棕榈酸乙烯酯或硬脂酸乙烯酯中的一种。
3.根据权利要求1所述的恒磁场促进辅助脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述二甲亚砜与叔丁醇或叔戊醇的体积比为1:3-9。
4.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述脂肪酶加入量为lO-lOOmg/mL。
5.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述蔗糖与脂肪酸乙烯酯的摩尔比为1:2_20。
6.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述脂肪酶为 Lipozyme TL IM、Lipozyme TL 10L 或 Lipozyme RM IM 中的一种。
7.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述恒磁场辅助酶催化的方式为先对脂肪酶进行恒磁场预处理后再置于反应体系中进行催化反应或者直接在恒磁场中进行反应。
8.根据权利要求7所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述先对脂肪酶进行恒磁场预处理的磁感应强度为20-650mT，预处理脂肪酶的时间为30_180min。
9.根据权利要求1所述的恒磁场促进脂肪酶催化合成蔗糖-6-酯的方法，其特征在于，所述直接在恒磁场中进行反应，磁感应强度为20-650mT。
【文档编号】C12P19/12GK104031957SQ201410257672
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】沈彬, 申桂贤, 张衡, 赵芬利 申请人:东南大学