馬亞茹,藍平,汪勇,晏日安
(暨南大學,食品科學與工程系,廣東高校油脂生物煉制工程技術研究中心,廣東 廣州,510000)
蔗糖硬脂酸酯是由蔗糖與硬脂酸或硬脂酸酯通過酯化或酯交換反應生成的非離子型表面活性劑[1],無毒無味且易被生物降解,具有良好的乳化性、分散性、抗菌性等特點[2-4],可作為乳化劑、殺菌劑[5]等被廣泛應用于食品、藥品中[6]。目前,市場上使用較為廣泛的蔗糖酯為日本三菱化學株式會社研發(fā)的L、P、S系列產品。不同型號的蔗糖酯由不同組分含量的蔗糖脂肪酸單、雙、多酯組成,其中S系列蔗糖硬脂酸酯因其較寬的HLB值及其特有的物化性能被大量應用于人造奶油、糖果、飲料等生產中[7]。作為一種O/W型表面活性劑,蔗糖硬脂酸酯的HLB值、起泡性能和乳化性能與其單、雙、多酯的組分含量密切相關[8],因此研究其各組分含量、HLB值與其功能特性的關系對于蔗糖硬脂酸酯的合成方向以及深入拓展蔗糖硬脂酸酯在生產實踐中的應用具有重要意義。
蔗糖硬脂酸酯一般通過化學法和酶催化合成[9],依據日本部分公開的專利,S系列蔗糖酯是通過化學法合成,產物一般由單、雙、多酯組成,特異選擇性地取代羥基較為困難,而單酯含量對于蔗糖硬脂酸酯的HLB值、起泡性能及乳化性能起到重要作用。酶催化合成較化學合成反應條件溫和、特異選擇性強且綠色安全[10-11]。目前在酶法合成中采用的底物一般為葡萄糖、果糖或乳果糖和中、低碳鏈長度的酸(如醋酸、己酸、辛酸、月桂酸)及其酯類[12-14],以蔗糖和長鏈脂肪酸為底物的合成方法較為少見。而目前應用脂肪酶催化合成蔗糖硬脂酸酯的困難在于蔗糖親水性強,?;w如長鏈脂肪酸屬于疏水性物質[15],單一溶劑通常不能使二者混溶;在酶催化合成中,脂肪酶在極性較大或含水量較高的情況下會出現(xiàn)部分甚至完全失活的現(xiàn)象[16-18]。因此,如何利用綠色高效的脂肪酶以及合適的反應體系催化蔗糖與硬脂酸或硬脂酸酯合成蔗糖硬脂酸酯,對于我國優(yōu)質乳化劑研發(fā)及打破國外技術壟斷具有重要意義。
本課題以日本三菱化學株式會社S系列5種不同型號的商品蔗糖硬脂酸酯為研究對象,探究其單、雙、多酯含量與HLB值之間的變化規(guī)律,及其起泡性能和乳化性能與HLB值、組分含量之間的關系;在此基礎之上,以蔗糖和硬脂酸乙酯為底物,在叔戊醇∶丙酮∶DMSO混合體系中,克服反應底物在單一體系中溶解度較低及因極性而引起脂肪酶失活的缺點,采用TLIM固定化脂肪酶,催化合成蔗糖硬脂酸單酯,同時測定其HLB值、物化性能,對于拓展蔗糖硬脂酸酯的應用及其合成具有重要意義。
S系列蔗糖硬脂酸酯,日本三菱化學株式會社;TLIM脂肪酶(250 IUN/g),諾維信生物技術有限公司;蔗糖、硬脂酸乙酯、叔戊醇、二甲基亞砜,阿拉丁試劑有限公司;氘代-甲醇,Cambridge Isotope Laboratories;其他試劑均為分析純。
LC-20 A高效液相色譜儀,日本島津公司;EQUINOX-55型紅外光譜儀,布魯克光譜儀器公司;4 000 Q Trap質譜儀,AB SCIEX公司;AVANCEIII型核磁共振波譜儀,500 MHz,瑞士布魯克公司;N-1300型旋轉蒸發(fā)器,東京理化器械株式會社。
1.3.1S系列蔗糖硬脂酸單、雙、多酯含量的測定
采用高效液相色譜法測定。配制1.00 g/L的系列蔗糖硬脂酸酯S-570, S-770, S-970, S-1 170, S-1 570甲醇溶液,0.45 μm濾膜過濾,進樣,根據出峰時間進行組分定性,采用面積歸一法進行定量[19]。
色譜條件:根據RITTHITHAM[8]、WANG[19]的方法略有改動。色譜柱為ECOSIL-C18(5 μm, 4.6 mm×250 mm),進樣量20 μL,流速為1 mL/min,柱溫為40 ℃;載氣流速 2.4 L/min,壓力5.0 kPa,空氣溫度85 ℃,甲醇和水梯度洗脫(見表1)。
表1 流動相洗脫梯度Table 1 Elution gradient of mobile phase
1.3.2水數法測定HLB值
水數法是測定HLB值常用的一種方法,水數是使一定質量分數的表面活性劑的有機溶液呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)所需蒸餾水的體積。采用水數法根據Span 85, Span 60, Span 40, Span 20, Tween 80的HLB值及其所用蒸餾水體積(mL)繪制HLB值與水數的關系圖。測定方法根據文獻修改如下[20-21]:
25 ℃條件下取1.00 g系列蔗糖硬脂酸酯溶于25 mLN,N-二甲基甲酰胺和苯(體積比100∶5)的混合液中,磁力攪拌下緩慢滴加蒸餾水,直至溶液由無色透明變?yōu)椴煌说哪:咨胪该鳡顟B(tài),記錄蒸餾水體積(mL)。根據HLB值與水數(mL)關系圖,得出參考方程,計算系列蔗糖硬脂酸酯的HLB值。
1.3.3起泡性能的測定
25 ℃下分別配置質量濃度1.00 g/L的系列蔗糖硬脂酸酯-水溶液于刻度試管中,記錄溶液起始高度。轉速n=3500,分散均質2 min,記錄試管中泡沫和液體總高度;靜置10 min后記錄泡沫和液體總高度[22-23]。起泡能力和泡沫穩(wěn)定性計算:
(1)
(2)
1.3.4乳化性能的測定
25 ℃下分別配置質量濃度為2.50 g/L的系列蔗糖硬脂酸酯-水溶液,調節(jié)pH至7,與5 mL的花生油在23 500 r/min下均質1 min, 然后在3 630 r/min下離心25 min。記錄試管中乳化層的高度和乳化液總高度。將乳化液于80 ℃水浴30 min,冷卻至室溫后于3 630 r/min下離心25 min,記錄乳化層的高度[24]。乳化能力和乳化穩(wěn)定性計算公式如下:
(3)
(4)
1.3.5蔗糖硬脂酸酯的合成
有機溶劑用4 ?分子篩除水72 h。10.00 mL[V(叔戊醇)∶V(丙酮)=7∶3]體系中加入0.30 mL DMSO,0.03 g十四烷基三甲基溴化銨[25],45 ℃條件下將蔗糖(1.00 mmol)與硬脂酸乙酯(6.00 mmol)加入50.00 mL具塞錐形瓶中,溶解均勻,加入0.20 g Novozymes TLIM脂肪酶,球形冷凝管置錐形瓶上端,于恒溫振蕩式搖床中反應。反應過程通過薄層色譜法監(jiān)測。反應結束,減壓蒸餾除去溶劑,柱層析純化,旋蒸洗脫液并真空干燥得白色固體。
1.3.6產物結構鑒定
1H-NMR、13C-NMR:氘代甲醇為溶劑,四甲基硅為內標,25 ℃下分別采用500 MHz和150 MHz進行數據收集。
質譜測定條件:ESI離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度275 ℃;離子源溫度200 ℃;采用負離子模式;母粒子m/z330;激活電壓1.5 V;質量掃描范圍0~1 000m/z。
1.3.7產物HLB值、起泡性能和乳化性能的測定
根據HLB值與水數關系圖得出的參考方程計算產物的HLB值;配置一系列不同質量分數的產物-水溶液,分別測定起泡能力、泡沫穩(wěn)定性[22-23],乳化能力、乳化穩(wěn)定性[24],并與S系列蔗糖硬脂酸酯進行對比分析。
實驗3次平行,數據采用SPSS軟件進行計算、相關性分析,數據計算部分以“平均值±標準差”表示。
HLB值是衡量表面活性劑的親水親油能力強弱的主要指標,也可作為選擇表面活性劑的重要依據[26]。根據所選擇的Span 85, Span 60, Span 40, Span 20, Tween 80標準品的HLB值以及用水數法測得的蒸餾水體積(mL),得到標準品與水數的關系圖如圖1所示,模擬參考方程為y=0.41e0.1674x,為測得S系列蔗糖硬脂酸酯的HLB值提供依據。
圖1 HLB值與水體積關系Fig.1 The relationship between HLB value andvolume of water
蔗糖分子結構中存在8個自由羥基,其中位于6,6’,1’位上的3個一級羥基反應活性最高,易被酯化,而其余的5個二級羥基較難參與酯化反應[14]。此外,隨蔗糖中羥基被取代的位點、數量的變化,其單、雙、多酯的比例隨之改變并最終導致HLB值的差異[27]。蔗糖硬脂酸單、雙、多酯酯化度不同,極性也會不同,在HPLC條件下各成分組峰的保留時間隨流動相極性變化而變化,因此可對各組分含量用面積歸一法進行定量。如表2所示,單酯含量升高,HLB值隨之升高,其親水性增大。當HLB值由14.73降至8.83時,其單酯含量下降約21.61%,二酯含量上升約53.11%;在HLB值由8.83降低至5.47時,其單酯含量下降約53.66%,二酯含量下降約1.86%,多酯由7.66%急劇增加至37.36%,此區(qū)間是由二酯和多酯的協(xié)同作用而導致不同的HLB值。二酯和多酯含量的增加是由于隨著反應時間及反應條件的變化,取代6—OH的蔗糖酯會被繼續(xù)取代6’—OH和1’—OH以及其他號位的羥基繼續(xù)生成二酯或者多酯,從而引起其親水親油平衡能力的變化。
表2 單、雙、多酯含量與HLB值的關系Table 2 The relationship between content of Mono-,Di-,Poly-ester and HLB value
由表3可知,HLB值與單酯含量呈正向相關,相關系數為0.944,在0.05水平上為顯著相關,與二酯和多酯含量呈反向相關,相關系數分別為-0.657和-0.810。由此可知單酯含量的變化是決定HLB值的關鍵因素,同時,單酯與二酯、多酯含量的協(xié)同作用引起HLB值的變化。
表3 HLB值與單、雙、多酯含量的相關性分析Table 3 Correlation analyses between HLB value andcontent of Mono-, Di-, Poly-ester
*在0.05水平上雙側顯著相關。
如圖2所示,本研究所采用的S系列蔗糖硬脂酸酯作為表面活性劑起泡能力最高約為21%,與文獻[28]顯示的蔗糖硬脂酸酯起泡力小的研究基本一致,其泡沫穩(wěn)定性最高約為80%。
圖2 起泡能力和起泡穩(wěn)定性與HLB值的關系Fig.2 The relationship between foamability,foaming stability and HLB value
隨著HLB值減小,其起泡力和泡沫穩(wěn)定性隨之下降。其中泡沫穩(wěn)定性在HLB值由7.73降低至5.47時下降程度較大,原因在于除單酯和二酯及多酯在界面相互作用,降低了排液速度之外,還由于更多的多酯加入表面,使表面乳化層起泡排列不夠緊密,膜強度相應變小,縮短了泡沫液膜破裂的時間,降低了泡沫的穩(wěn)定性。
如圖3所示,蔗糖硬脂酸酯隨HLB值減小,其乳化能力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在HLB為8.83時達到最大值,乳化穩(wěn)定性隨單酯含量降低而降低。乳化劑的乳化能力根據其減少油水界面張力和擴散到新生成的界面能力的不同而不同[20],油水界面張力與擴散到新生成界面的能力與蔗糖酯中單、雙、多酯的比例存在顯著關系。實驗結果表明在HLB為8.83時所對應的單、雙、多酯的比例為使此蔗糖硬脂酸酯產品顯現(xiàn)出較高的乳化能力。
圖3 乳化能力和乳化穩(wěn)定性與HLB值的關系Fig.3 The relationship between emulsibility,emulsibility stability and HLB value
HLB值與起泡性能、乳化性能的相關系數如表4所示,HLB值與起泡能力在0.01水平上雙側顯著相關,與泡沫穩(wěn)定性、乳化穩(wěn)定性在0.05水平上雙側顯著相關,與乳化能力呈正向相關,相關系數為0.864。HLB值變化是由單酯、二酯、多酯含量協(xié)同作用產生的結果,由表4中相關系數可知,蔗糖硬脂酸酯組分含量與起泡能力關系更為密切,是決定起泡能力的重要因素,與泡沫穩(wěn)定性、乳化穩(wěn)定性也呈顯著相關。
表4 HLB值與起泡性能、乳化性能的相關性分析Table 4 Correlation analyses between HLB value andfoaming, emulsifying properties
注:**在0.01水平上雙側顯著相關;*在0.05水平上雙側顯著相關
2.6.1產物結構鑒定
硅膠柱層析純化反應產物,經1H-NMR,13C-NMR,ESI-MS鑒定,結果如下:
1H-NMR (500 MHz, CD3OD) 5.29 (dd,J=8.0 Hz, 1H), 4.29 (m, 1H), 4.07 (dd,J=12.0, 5.4 Hz, 1H), 3.99 (m, 1H), 3.92 (ddd,J=10.1, 5.4, 2.0 Hz, 1H), 3.88 (t,J=7.9 Hz, 1H), 3.67 (m, 4H), 3.51 (q,J=12.3 Hz, 2H), 3.32 (dd,J=9.7, 3.8 Hz, 1H), 3.18 (t,J=3.7 Hz, 1H), 2.26 (m, 2H), 1.51 (d,J=6.9 Hz, 2H), 1.19 (s, 32H), 0.81 (d,J=6.7 Hz, 3H)
ESI-MS (m/z) 643.8 [ M+Cl ]-, 631.7 [ M+Na ]+
經鑒定產物為蔗糖硬脂酸單酯。在此酶催化條件下,催化合成蔗糖硬脂酸單酯。
2.6.2酶促合成的蔗糖硬脂酸酯的HLB值測定
根據HLB值與水數的模擬參考方程,測定產物HLB值約為14.90,室溫條件下具有良好的水溶性,證明產物含有較多未被酯化的羥基,符合蔗糖硬脂酸單酯含有較多的親水性羥基的特點。
2.6.3蔗糖硬脂酸酯的起泡性能的測定
合成的蔗糖硬脂酸單酯在不同質量濃度的起泡能力如圖4所示,合成的蔗糖硬脂酸酯起泡能力隨質量濃度上升而呈上升趨勢,在1.00 g/L質量濃度之后起泡能力基本不變,原因在于溶液達到臨界膠束濃度后,隨著部分泡沫破裂,起泡能力不再增加。泡沫穩(wěn)定性在質量濃度為0.50 g/L之后出現(xiàn)下降趨勢,原因在于隨著質量濃度的增加,氣液表面膜強度減小,泡沫容易破裂。
圖4 蔗糖硬脂酸酯的起泡能力及泡沫穩(wěn)定性與質量濃度的關系Fig.4 The relationship between foamability, foamingstability and concentration of sucrose stearate
2.6.4蔗糖硬脂酸酯乳化性能的測定
合成的蔗糖硬脂酸酯屬于O/W型乳化劑,可以將不溶或溶解性較差的物質分散于水相。不同質量濃度的蔗糖硬脂酸酯的乳化能力和乳化穩(wěn)定性如圖5所示,合成的蔗糖硬脂酸酯的乳化能力隨著質量濃度增加而增加,最高乳化能力達到72.32%,能夠降低油水界面的張力而形成均一體系,具有較好的分散能力;其乳化穩(wěn)定性最高為64.45%,可以使新形成的界面迅速被其單分子層所覆蓋,界面保持穩(wěn)定,形成均一、穩(wěn)定的乳化體系。
圖5 蔗糖硬脂酸酯的乳化能力及乳化穩(wěn)定性與質量濃度的關系Fig.5 The relationship between emulsibility, emulsibilitystability and concentration of sucrose stearate
2.6.5商品化、酶促合成的蔗糖硬脂酸酯起泡性能、乳化性能的比較
如圖6所示,商品化和酶促合成的蔗糖硬脂酸酯的起泡能力無明顯差別,說明蔗糖硬脂酸酯起泡能力較低,可作為低泡乳化劑使用;而合成的蔗糖硬脂酸酯的泡沫穩(wěn)定性明顯低于商品化的蔗糖酯,可能由于前者組分單一,沒有二酯、多酯的協(xié)同作用,泡沫排列不夠緊密,排液速度增加,導致泡沫穩(wěn)定性下降;合成的蔗糖硬脂酸酯的乳化能力和乳化穩(wěn)定性略低于商品化蔗糖酯,但無明顯差別,說明二酯、多酯對于蔗糖硬脂酸酯的乳化性能存在協(xié)同作用,略優(yōu)于蔗糖硬脂酸單酯,但酶法合成蔗糖硬脂酸酯條件溫和,更為綠色安全,可以作為替代其化學法合成的途徑。
圖6 商品化、酶促合成的蔗糖硬脂酸酯起泡性能、乳化性能的比較Fig.6 The comparison of foaming and emulsifying propertiesbetween commercialization and synthesized by enzymatic
本研究結果表明,蔗糖硬脂酸酯的HLB值隨單、二、多酯含量變化而變化,其中單酯含量與HLB值呈顯著相關,HLB值與起泡能力、泡沫穩(wěn)定性、乳化穩(wěn)定性存在顯著相關關系,乳化能力隨HLB值減小呈先上升后下降的趨勢;本研究探索了在有機相混合體系中,加入相轉移催化劑十四烷基三甲基溴化銨,應用Novozymes TLIM固定化脂肪酶催化合成蔗糖硬脂酸單酯。此反應條件下合成的蔗糖硬脂酸單酯具有良好的水溶性,其HLB值為14.90,分別在1.00 g/L和2.00 g/L質量濃度時具有較好的起泡能力和乳化作用。本文為蔗糖硬脂酸酯的實際應用提供理論性指導以及對其酶法合成進行了新的探索,具有重要的實踐應用價值。
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