（食品科学专业论文）辛烯基琥珀酸淀粉酯的脂肪酶耦合合成及其性质研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文主要研究脂肪酶耦合酯化反应，以玉米淀粉为原料制备辛烯基琥珀酸淀粉 酯的工艺，并研究了所得淀粉酯的基本性质。 首先研究了脂肪酶在磷酸缓冲液、有机溶剂体系、淀粉糊状态三种不同体系中 的催化活性，同时研究了微波辐射对酯化反应的影响。试验证明在一定温度下淀粉 吸水膨胀后，即在淀粉成糊状态下，进行酯化反应，此时脂肪酶活性较高，反应效 率高。 脂肪酶在玉米淀粉糊状态下，催化其与辛烯基琥珀酸酐反应，可制取具有两亲性 质的辛烯基琥珀酸淀粉酯。试验研究了淀粉前处理时间，前处理温度，脂肪酶加入量， 反应温度，辛烯基琥珀酸酐加入量，反应时间对产物取代度、反应效率的影响。通过 正交试验得到酯化最优组合：淀粉前处理温度为6 5 c ，前处理时间1 5 分钟，反应温度 4 0 。c ，脂肪酶和辛烯基琥珀酸酐( o c t e n y ls u c c i n i ca n h y d r i d e ，o s a ) 的加入量分别 是0 5 和6 ，反应时间3 0 分钟，可制得取代度为0 0 2 4 的淀粉酯。 运用现代分析技术对辛烯基琥珀酸淀粉酯的颗粒形态、晶体结构和热力学性质等 进行了分析。红外光谱分析表明改性使淀粉分子在波长1 7 1 3 c m 以处有新的吸收峰出 现，证明辛烯基琥珀酸基团以酯键的形式与淀粉分子相连。淀粉经过酯化处理后，晶 体类型没有发生变化，属于a 型，但是淀粉颗粒的表面结构和形状发生很大变化。淀 粉改性之后，熔晶的起始温度t o ( o n s e tt e m p e r a t u r e ) 、最高温度冲( p e a k m a x i m u m t e m p e r a t u r e ) 、回落温度t c ( c o n e l u s i o nt e m p e r a t u r e ) 升高，焓变j h ( e n t h a l p y o f t r a n s i t i o n ) 降低。 论文还研究了辛烯基琥珀酸酸淀粉酯糊的基本性质。玉米淀粉经酯化处理后， 常温下凝沉性能升高，溶解度和透明度增加，冻融稳定性有所增强，表观粘度降低。 表观粘度测定显示辛烯基琥珀酸淀粉酯具有剪切变稀现象，属于假塑性流体，表观 黏度随着温度升高而下降。淀粉酯可用于稳定色拉油水乳状液。 关键词：玉米淀粉脂肪酶辛烯基琥珀酸淀粉酯酯化结构分析 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i nt h i s p a p e rt h et e c h n i q u eo fl i p a s e c o u p l i n gs y n t h e s i so fo c t e n l ys u c c i n i c a n h y d r i d e ( o s a ) s t a r c hu s i n gc o r ns t a r c ha sr a wm a t e r i a l sa n di t sp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e d f i r s tw ei n v e s t i g a t e dt h ea c t i v i t yo fl i p a s eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ：p h o s p h a t e b u f f e r , o r g a n i cs o l v e n ts y s t e ma n ds t a r c hp a s t es y s t e m ，a tt h es a m et i m er e s e a r c ha b o u t e f f e c to fm i c r o w a v er a d i a t i o no nt h ei m p a c to fe s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o n sw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw h e ns t a r c hi np a s t es t a t ea f t e rs w e l l i n gw a t e r , t h e l i p a s eh a dh i g h e ra c t i v i t ya n de s t e r i f i c a t i o ns h o w e dh i g h e re f f i c i e n c y t h ep r e t r e a t m e n tc 0 1 t is t a r c hc o u l dr e a c tw i t ha l k e n y ls u c c i n i ca n h y d r i d eu n d e rt h e c a t a l y z i n go fl i p a s e t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r si n c l u d i n gp r e t r e a t m e n tt i m e ，p r e t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，q u a n t i t yo fo s aa n dl i p a s eo nd sa n d r e a c te f f i c i e n c yw e r es t u d i e d t h es u i t a b l ep a r a m e t e r sf o rt h ep r e p a r a t i o nw e r es e l e c t e d a sf o l l o w s ：p r e t r e a t m e n tt i m e15m i n u t e s ，p r e t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e 6 5 c ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e4 0 。c ，r e a c t i o nt i m e3 0m i n u t e s ，q u a n t i t yo fo s a a n dl i p a s e6 a n do 5 r e s p e c t i v e l y u n d e rt h ec o n d i t i o n st h eo s as t a r c hw i t hd s0 0 2 4w a so b t a i n e d t h eg r a n u l e sm o r p h o l o g y , c r y s t a ls t r u c t u r ea n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fo s a s t a r c hw e r ea n a l y z e db yt h em o d e ma n a l y t i c a l t e c h n i q u e s f r o mf t - i r ( f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d ) r e s u l t s ，an e w a b s o r p t i o np e a ka p p e a r e da tt h ew a v e l e n g t ho f17 13 c m ，w h i c hs u g g e s t e dt h a ts t a r c hm o l e c u l e sw e r el i n k e dw i t l lo s ai nt h ef o r mo fe s t e r b o n d t h ex - r a yd i f f r a c t i o np r o v e dt h a tc r y s t a ls t r u c t u r eo ft h em o d i f i e ds t a r c hw a sn o t c h a n g e d ，b e l o n g i n gt oa p a t t e ma st h en a t i v ec o r ns t a r c h s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ) s h o w e dt h es u r f a c eo fs t a r c hg r a n u l e sw a ss e r i o u s l yd e s t r o y e da f t e rt h e r e a c t i o n w h i l et h ed s c ( d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t e r ) i n d i c a t e dt o ( o n s e t t e m p e r a t u r e ) ，t p ( p e a k m a x i m u m t e m p e r a t u r e ) ，t c ( c o n e l u s i o nt e m p e r a t u r e ) o fm o d i f i e d s t a r c hi n c r e a s e d ，w h i l ez s h ( e n t h a l p y o f t r a n s i t i o n ) d e c r e a s e d m o r e o v e r ，t h ep a s t ep r o p e r t i e so fo s am o d i f i e ds t a r c hw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tu n d e rt h en o r m a lt e m p e r a t u r e ，f l o c c u l a b i l i t y , t r a n s p a r e n c ya n df r e e z e t h a w s t a b i l i t yh a db e e ne n h a n c e d ，w h i l ea p p a r e n tv i s c o s i t yd e c r e a s e d t h ep h e n o m e n o no f l l 浙江大学硕士学位论文摘要 i n c r e a s i n gs h e a rf o r c e ，a n dd e c r e a s i n ga p p a r e n tv i s c o s i t y , s h o w e dt h a ti tw a sak i n do f p s e u d op l a s t i cf l u i d a st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yd e c r e a s e d t h e m o d i f i e ds t a r c h c o u l db eu s e d 硒e m u l s i f i e ri nt h es a l a do i l - w a t e rs y s t e m k e yw o r d ：t o ms t a r c h ，l i p a s e ，s s o s ，e s t e r i f i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n a l y s i s i i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：切虱牟一签字日期：加移年石月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王肼 签字日期：p 艰f 月日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在导师阮晖副教授的精心指导下完成的。非常感谢导师对我学业上的 悉心指导、生活上的热心帮助、人生态度上的积极引导和谆谆教诲。在我论文的设 计和撰写过程中，导师倾注了大量心血。在此，谨向恩师表达我最诚挚的谢意。 衷心感谢何国庆教授和沈生荣教授，他们在科学研究中兢兢业业、一丝不苟、 严谨求实的治学态度和不断追求创新的高度敬业精神深深地鼓舞、激励着我。他们 丰富的专业知识和对工作的高度责任感，给我留下了深刻的印象，使我在科研和综 合素质方面有了很大提高。 特别感谢陈启和老师在试验期间给予的大力支持和无私帮助，使我的试 验顺利完成。非常感谢师姐王金玲，师弟金定梁、章海峰对我试验无私的帮助， 使我能够及时解决试验和论文撰写过程中遇到的困难。 同时衷心感谢试验室师同学：宋晓燕博士、王伟博士、张洪波博士、郭钦博士、 张伟博士、刘佩博士、陈继承博士、卢小凤博士、傅伟硕士、穆林硕士、叶雪飞硕士、 朱承亮硕士、张佳佳硕士、陈美玲硕士、朱东升硕士、陈露清硕士、陈帆硕士，感谢 课题组的所有老师和同学，感谢食品楼的所有老师和同学，是你们的关心和帮助，让 我的硕士生活充满欢乐，使我在这个温暖而有浓厚研究气氛的集体中完成了我的论 、 又。 感谢我的室友袁玉丽、楚洪亮、韦何雯，她们帮我解决很多生活上和学习上的难 题，让我的硕士生活更加丰富多彩。 最后要感谢支持我的家人! 家人对我深深地爱意是我学习的动力和源泉，无论 遇到什么困难，家人一直是我坚实的后盾，支持并鼓励着我! 王凤平 2 0 吩年4 月2 5 日 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 文献综述 1 1前言 淀粉是一种高分子碳水化合物，广泛存在于植物的种子、茎、块根中，是丰富 来源的可再生资源。由于其具有价格低廉，粘胶性等特性，已成为重要的工业原料， 被广泛应用在食品，造纸，轻纺等领域。随着生产发展，不同应用领域对淀粉在各 方面的性质提出不同要求，由于受其固有性质的限制，淀粉越来越不能满足各方面 的新要求。为了改善淀粉的性能，扩大其应用范围，利用物理、化学或酶法处理， 引入新的官能团或者改变淀粉分子大小和淀粉颗粒性质，从改变淀粉的天然特性， 使其更适合于特定应用的要求。这种经过二次加工，改变性质的淀粉统称为变性淀 粉。 淀粉变性的目的主要是改变淀粉糊的性质，如：糊化温度、热粘度及其冻融稳定 性、凝胶性、成膜性、透明性等。在食品工业中，变性淀粉主要用作增稠剂、凝胶剂、 乳化剂。它可以改善产品的组织结构和风味，提高食品的耐藏性和冻融稳定性，改善 食品的加工性能和产品质量等【。 变性淀粉是1 9 世纪末开始出现的，至今已有逾1 0 0 年的历史。全世界变性淀粉年 产量6 0 0 万吨，主要集中在工业发达的北美和欧洲。我国变性淀粉的开发和生产起步 于2 0 世纪8 0 年代，n 2 0 0 0 年变性淀粉产量约在3 5 z i 吨左右，仅占世界变性淀粉产量的 7 左右【2 1 。与国外研究水平相比，我国在此领域尚有巨大的发展空间，无论从交性淀 粉的种类、质量，还是应用范围，都与国外有较大的差别，因此我国在此领域尚有巨 大的发展空间。 我国变性淀粉的发展主要是在应用的基础上向复合型变性淀粉和新功能变性淀 粉方向发展。同时为了扩大其应用领域，开展变性淀粉的应用研究。 1 2辛烯基琥珀酸淀粉酯综述 辛烯基琥珀酸淀粉酯( s t a r c ho c t e n y ls u c c i n a t e ，s o s ) ，商品名纯胶，一般以其 钠盐辛烯基琥珀酸淀粉酯钠( s t a r c hs o d i u mo c t e n y ls u c c i n a t e s ，s s o s ) 的形式存在【3 】。 浙江大学硕士学位论文文献综述 其结构式为： f h c h ( 占h ，) c h ， 它是由辛烯基琥珀酸酐( o s a ) 在碱性条件下与淀粉发生酯化反应而得到的产品， 酯化基团可分布在c 2 、c 3 或c 6 位。 s s o s 是一种安全的食品乳化增稠剂，已被美洲、欧洲、亚洲等地区许多国家 批准使用。联合国粮农组织和世界卫生组织( f a o w h o ) i 平价：日许量无需特殊规定 可用于食品，使用范围没有限制。我国政府于1 9 9 7 年批准该变性淀粉作为食品添加 剂，2 0 0 1 年又批准扩大了该产品在食品中的使用范围，用量可以根据需要添加，无 需控制。s s o s 的质量标准：辛烯基琥珀酸酐的最大允许处理量为3 ，取代度茎0 0 2 ， 辛烯基琥珀酸的残留量5 0 3 【4 】。 1 2 1 辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成原理 淀粉- 9 辛烯基琥珀酸酐( o c t e n y ls u c c i n i ca n h y d r i d e ，o s a ) 在碱性催化剂作用 下发生酯化反应，生成辛烯基琥珀酸淀粉酯。淀粉由葡萄糖单体聚合而成，o s a 的取 代反应主要发生在葡萄糖的c 2 、c 3 、c 6 位上。在碱作用下，淀粉上的羟基首先被活化， 然后琥珀酸酐链断开，一端与淀粉上的羟基发生反应酯化反应，另一端生成一个羧酸。 随着反应的进行，p h 会逐渐降低，所以反应过程中要不断添加碱，使体系始终处于 弱碱性，确保酯化反应的进行。 酯化反应主要发生在淀粉颗粒无定形区，所以反应时首先应使淀粉吸水膨胀，破 坏淀粉颗粒的半晶体结构，使直链淀粉和支链淀粉充分分散。由于蜡质玉米淀粉具有 很好的抗回生性，早期研究主要集中在蜡质玉米淀粉的酯化，现在小麦、大米、马铃 薯、木薯等很多种淀粉都被作为酯化原料来研究【5 1 。 2 ， a、厶蹄 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 2 2 合成方法 1 2 2 1 水相法 将淀粉溶于水中，使淀粉乳浓度为3 0 4 0 ，不断搅拌，然后加入氢氧化钠或碳 酸钠溶液调节淀粉乳p h 为8 - 9 。反应器置于恒温水浴锅中控制反应温度，逐滴加入辛 烯基琥珀酸酐，并不断加入碱使反应体系一直处于弱碱环境中。当p h 值不再变化时， 反应结束，用盐酸调其p h i 2 5 - 6 ，然后用乙醇或水洗涤数次、过滤、干燥，即得产品。 该方法是生产食品用s s o s 的主要方法，缺点是反应速度较慢，容易发生副反应， 如：产物辛烯基琥珀酸淀粉酯发生水解反应；辛烯基琥珀酸与氢氧化钠反应生成辛烯 基琥珀酸氢钠。 1 2 2 2 有机溶剂法 将淀粉加入到少量蒸馏水中，加热搅拌，使其充分吸水膨胀后，减压蒸馏除去多 余水分，然后把适量有机溶剂( 苯、丙酮、二甲基亚砜等) 加入到反应器中，同时缓 慢加入辛烯基琥珀酸酐，连续搅拌，并控制反应温度，不断加入吡啶等有机碱使体系 一直处在弱碱性环境中。反应结束后，用乙醇洗涤数次，过滤，烘干。 在该方法中，辛烯基琥珀酸酐可以在有机介质中与淀粉充分接触，反应均匀且效 率较高，可获得高取代度产品。但是由于大量使用有机溶剂，污染较大，纯化步骤较 复杂，产品不适用于食品。 1 2 2 3 干法 将一定量无水碳酸钠加入到淀粉中，混合均匀，然后喷水至淀粉含水量为 1 5 3 0 ，再加入辛烯基琥珀酸酐，混匀后加热反应。 该方法工艺简单，反应效率较高。但是反应过程中往往因为混合不均匀，引起局 部反应剧烈。 1 2 3 微波技术在s s o s 合成中的应用 在淀粉酯化过程中，微波辐射比传统的加热更有利于酯化反应，可以提高反应效 浙江大学硕士学位论文文献综述 率，缩短反应时间。在微波辐射反应中，二甲基亚砜是一种很好的溶剂，它吸收能量 和升温速度都较快。a t a n u 等 6 1 把适量淀粉、辛烯基琥珀酸酐、嘧啶、二甲基亚砜加 入到反应容器中，在有回流的微波炉中搅拌使之发生反应，2 5 分钟后达到1 0 0 ，在 此温度下再反应2 5 分钟，关闭微波炉，降温后提纯干燥可得到取代度0 2 5 的s s o s 。 陈均志等【7 】发现在无水乙醇中经微波辐射，只要1 5 2 0 m i n 就可得到s s o s ，取代度与用 水相法经6 - 8 小时制备的产品相同。 1 2 4 低粘度s s o s 的制备 淀粉酯化后往往具有较高的糊粘度，为了扩大应用范围，需要降低其粘度。通 常采用降解的方法使淀粉酯糊精化，主要有酸解法和酶解法。美国专利u s 4 0 3 5 2 3 5 t 8 1 提出将s s o s 悬浮在水中，先用a 淀粉酶处理，再用n a c l 处理3 0 分钟，喷雾干燥 后即得亲脂性s s o s 。中国专利c n l 5 6 3 0 9 6 p 提出的糊精化步骤是将s s o s 在混料 器中加入稀酸调p h 值至2 4 2 5 之间，预干燥后进入双锥反应器中进行高温真空反 应，然后将物料放出，冷却、包装成品。 制备低粘度淀粉酯，也可先将淀粉进行酶解或酸解处理，使其先糊精化，然后 再进行酯化反应。美国专利u s 4 4 9 9 1 1 6 f l o l 公布，将玉米淀粉浆加热到5 2 。c 后加入 h c l ，在5 2 c 搅拌1 6 小时，用n a o h 水溶液中和至p h 为5 5 ，过滤、洗涤、干燥， 再悬浮在水中，用n a o h 调节p h 至7 5 ，加入o s a ，反应完全后用酸调节p h 至 5 5 ，过滤、洗涤、喷雾干燥，得到成品。 1 2 5s s o s 的性质 1 2 5 1 乳化性 s s o s 是一种两性物质，具有很好的乳化性能。用于水包油型乳浊液时，亲水的 羧酸钠基团伸入水中，亲油性基团辛烯基伸入油中，多糖长链吸附在油水界面上，形 成一层厚界面膜，极大地提高了水包油型乳浊液的稳定性，其乳化稳定性比小分子乳 化剂强，因为小分子乳化剂只能形成单分子薄界面膜。s s o s 的乳化能力随取代度变 化而有所变化。在蜡质玉米s s o s 中，取代度为0 0 7 时有比较好的乳化能力【1 1 1 。r a j e s h 1 2 】 发现不同原料相同取代度的s s o s 的乳化能力基本相同，与原料淀粉类型没有显著相 4 浙江大学硕士学位论文文献综述 关性。 1 2 5 2 淀粉糊性质 淀粉经辛烯基琥珀酸酐酯化后，由于分子量增加以及疏水基团的相互作用，使其 糊粘度升高，可用作增稠剂。在相同剪切速率下，取代度越大，表观粘度越大；糊粘 度随剪切速率升高而下降，具有剪切变稀的性质。s s o s 糊化温度降低，糊化稳定性 好，凝沉性比原淀粉低，取代度越高的s s o s 凝沉性越低。同时糊的透明性有很大提 高，卞希良【1 3 1 等研究发现糯玉米辛烯基琥珀酸淀粉酯在蒸馏水中的透明度几乎为原淀 粉的两倍，并且随时间延长，透明度变化较小。低粘度s s o s 经多价金属离子或碱土 金属离子处理干燥后表现出优良的自由流动性和斥水性，能防止淀粉颗粒附聚，在水 乳液中能均匀分散，可稳定乳化液。 1 2 5 3 热力学性质1 1 4 - i s l s s o s - 与原淀粉相比，羟基含量减少，稳定性提高，可以耐受一定的高温。热稳 定性与取代度大小有关，取代度越高，热稳定性越好。相同取代度的s s o s 热稳定性 相近，与原料淀粉类型无关。 1 2 6s s o s 的应用 1 2 6 1 在微胶囊壁材中的应用 低粘度s s o s 具有良好的乳化能力，可做为微胶囊壁材，用于包裹水不溶性物质 如饮料乳浊液、食用香精、维生素等。它与心材直接混合，形成的乳液乳化稳定性较 好。经喷雾干燥后，壁材立即在心材表面凝聚固化，包埋效率很高。由于粘度低，可 以达到较高的壁材浓度，形成的外胶囊膜厚，包埋效果好。用低粘度s s o s 制得的微 胶囊产品其干燥速度、油包埋率、货架稳定性、粉末在水中的分散溶化能力及自由流 动性和斥水性都优于用阿拉伯胶、糊精、麦芽糊精等壁材原料做成的产品。 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 2 6 2 作为无醇饮料稳定剂 低粘度s s o s 可以作为无醇饮料的乳浊稳定剂。它乳化稳定性好，用量少，而对 乳化液颗粒大小、乳化液稳定性都没有任何不良影响，乳化液也不会出现沉淀及油水 分层现象。在碳酸饮料中，冷水可溶的低粘度s s o s 可以成功代替阿拉伯胶，达到稳 定目的。酸奶经过高温杀菌后，体系会变得不稳定，在配料时加入一定量低粘度s s o s 可起到稳定作用。马春华等【l6 】将低粘度s s o s 加入酸奶中，发现酸奶组织状态均匀稳 定，口感细腻，有良好稠度和圆滑外观，感官检验明显好于空白样和加琼脂、明胶的 试样。用于乳化香精时，由于低粘度s s o s 的乳浊液在容器壁上不会挂壁，使用效果 优于阿拉伯胶。张燕萍等【l7 】以低粘度s s o s 做为桔子香精的乳化稳定剂，研究了相应 的优化工艺条件，结果表明添加低粘度s s o s 能制得较稳定乳化体系。 1 2 6 3 在调味色拉油中的应用 高粘度s s o s 是高含油体系( 如色拉调味品) 的优良稳定剂。在典型色拉调味品 中含油量大约为3 5 ，传统上用各种增稠剂( 包括淀粉和树胶) 与标准乳化剂一起防 止油水分离，但会出现较大油滴，且这些大油滴会随着时间延长而发生聚集和分离。 高粘度s s o s 不仅提供一定粘度，而且在均质化阶段对油的分散十分有效，可以得到 滑腻的奶油状乳化液，并能增进乳化液稳定性，低温贮藏期间能保持体系粘度稳定并 能全面改善组织结构。 1 2 6 4 在其它方面的应用 取代度为o 0 1 0 0 2 的s s o s j p 入肉浆中可明显增强肉浆弹性、持水性和粘性；s s o s 可作为代脂品取代干酪中的酪朊酸盐；s s o s 可对豆奶粉颗粒进行涂膜包埋，改变豆 奶粉溶解时冲调结块的现象；在纺织工业中，低粘度s s o s - 与润滑油一起进行轻纱上 浆，能提高纺织性能和退浆能力；s s o s - 与乳化剂、大豆油等配成浆料对玻璃纤维上 浆，玻璃纤维的移动阻滞力和玻璃缕完整性有很大改善；在造纸行业中，用阳离子淀 粉与s s o s 混合后对纸张上浆，能赋予纸张抗水性，使纸张和纸板基质结合更加紧密； 在制药工业中，s s o s 可以作为药片的基质载体，赋于药片良好的冷水可分散性，使 不易溶于水的药片在不加表面活性剂的情况下就可形成悬浮液；在化妆工业中，使用 浙江大学硕士学位论文 文献综述 s s o s 配制出的洗发乳形成的泡沫多、质感强、易洗净。 1 3 脂肪酶综述 脂肪酶( l i p a s e ，e c 3 1 1 3 ) 又称甘油酯水解酶，广泛存在动植物和微生物体内， 目前商业化脂肪酶主要通过微生物发酵得到。 从已知结构的几种脂肪酶来看，分子量在2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 之间，脂肪酶作用在体系 的亲水一疏水界面层，是一种界面活性酶【1 8 】。脂肪酶的催化部位含有亲核催化三联体 ( s e r - h i s a s p ) 或( s e r h i s g l u ) ，表面由相对疏水的氨基酸残基形成，s e r 残基被一“a 螺旋盖”掩蔽起来，与分子表面被一界面所隔开，形成由疏水基包围由亲水基组成的 脂肪酶亲电区。侧链基团的化学修饰和固定化对脂肪酶催化活性的改变与“0 【螺旋盖” 的重新定向排列有一定的相关性【1 9 1 。 脂肪酶是一类键特异性酶，即对底物类型要求不高，具有多种催化能力，在油水 界面可催化酯水解、酯合成、转酯等一系列反应，是一种重要的生物催化剂。脂酶催 化的反应类型如下所示： ：水解( h y d r o l y s i s ) ：酯的合成( e s t e rs y n t h e s i s ) + ：醇解( a l c o h o l y s i s ) ：酸解( a c i d o l y s i s ) 抖斜：转酯( t r a n s e s t e r i f i c a t i o n ) r i ：酰基 1 3 1 脂肪酶的应用 1 3 1 1 在食品工业中的应用 a 芳香酯的合成 低分子量芳香酯多呈天然水果香味，是一类重要芳香类香料，在食品加工中有广 浙江大学硕士学位论文文献综述 泛应用。用纯化学法生产芳香酯成本高、污染大；用固定化脂肪酶生产的芳香酯不仅 被认为是高质量天然产品，而且具有反应条件温和，转化率高等优点。己酸乙酯是浓 香型白酒的的主体风味物质，是白酒质量高低的一个重要的指标。用固定化脂肪酶催 化己酸和乙醇发生酯化反应，可取得较高转化率，并且在白酒勾兑、调香时酶法合成 的己酸乙酯的风味比化学法产品柔和【2 0 1 。 b 在油脂工业中应用 固定化脂肪酶在油脂工业中有广泛应用。它可催化油脂水解制得高质量脂肪酸， 特别是用纯化学法很难合成的不稳定脂肪酸。如在干酪生产中，通过不同脂肪酶催化 得到不同脂肪酸组成，充分体现各种干酪的风味特征，特别是短链脂肪酸对于风味影 响最大。植物油脱臭馏分中含有丰富维生素e ，而甘油酯存在给提纯维生素e 带来很 大困难。若用脂肪酶催化甘油酯水解则可显著提高维生素e 的提取率。脂肪酶在温和 条件下，催化油脂间的转酯或酯交换，可获得人造奶油，同时还可对植物油和动物油 进行改性，生产功能性油脂，提高其食用营养价值。在微水环境中，以棕榈油为原料， 经酶促改性可制得类可可脂。在食用油精炼过程中，脂肪酶催化脂肪酸与甘油发生酯 化反应生成甘油酯，可减少游离脂肪酸量，降低酸值。共轭亚油酸是一种重要的功能 性脂肪酸，但它易被氧化，气味令人难接受，限制了其应用。脂肪酶可催化共轭亚油 酸与甘油发生酯化反应生成共轭亚油酸甘油酯，提高了稳定性，且易于消化，生理活 性更好。利用固定化脂肪酶催化的专一性，还可富集鱼油中f f 寸e p a 、d h a 等多不饱和 脂肪酸甘油酯。 1 3 1 2 在化工工业中的应用 a 生物柴油的合成 生物柴油是二类以天然植物油为原料制成的脂肪酸单酯，是一种清洁可再生的 生物能源，可代替石油等不可再生能源。目前生物柴油主要用纯化学法生产，即用 动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在高温( 2 3 0 2 5 0 。c ) 下由酸性或碱性催化剂 催化进行转酯反应，经洗涤干燥即得生物柴油。该方法工艺复杂，反应液颜色深， 杂质多，能耗高，产物不易分离。而利用脂肪酶催化合成生物柴油则可消除纯化学 法的缺陷。h a a s 等【2 1 】用脂肪酶i m 2 0l i p a s e 或c el i p a s e 催化甘油三酸酯与乙醇的转 酯反应，成功合成生物柴油。陈志锋【2 2 1 等用固定脂肪酶n o v o z y m4 3 5 催化餐饮废油 浙江大学硕士学位论文 文献综述 脂与乙酸甲酯发生酯交换生成生物柴油，反应过程中加入适量有机碱，可有效解决 副产物乙酸对酶的抑制作用，提高反应速率和甲酯率，使反应1 2 小时后的甲酯产 率分别达到8 5 9 和8 0 8 。 b 表面活性剂的合成 用固定化脂肪酶可以合成甘油单酯类、糖脂类等表面活性剂。甘油单酯主要是用 脂肪酶催化动植物油脂的甘油醇解或水解反应得到，也可通过酶催化甘油与脂肪酸直 接酯化生成。糖脂由糖和脂肪酸在脂肪酶催化下发生酯化反应合成，也可通过糖与脂 肪酸酯发生转酯反应合成，可分为单糖酯、双糖酯和多糖酯。s a s a 等 2 3 1 在分批反应器 中，分别用固定化脂肪酶n o v o z y m 4 3 5 、s p 3 8 、l i p o z y m ei m 催化果糖与棕榈酸、月桂 酸合成糖酯。a k h i l a 等1 2 4 1 将椰子油完全水解为游离脂肪酸，然后用脂肪酶催化其与玉 米和木薯淀粉发生酯化反应，可制得酯化淀粉。 1 3 1 3 在其他方面的应用1 2 5 1 在皮革加工过程中需要将与皮革或皮毛紧密相连的残余脂肪脱除。脂肪酶对油脂 的转酯与水解可应用于皮革脱脂过程，对多种动物皮的脱脂效果明显高于纯化学法。 在纺织加工中，脂肪酶可用于原料的脱脂处理，还可除去羊毛附生的杂质、脂蜡等物 质，使羊毛获得可纺性。在造纸工业中，用脂肪酶可去除纸浆中的树脂，提高纸的质 量，降低化学漂白剂消耗和废水负荷。 1 3 2 脂肪酶在不同反应体系的催化活性研究 1 3 2 1 有机溶剂 8 0 年代后期以来，以有机溶剂为介质的酶催化研究，使原来认为生物催化必须在 水溶液中进行的酶学概念发生了革命性的变化，为生物催化的更广泛应用，特别是为 在化学工业中的应用奠定了基础，同时为脂肪酶的应用开拓了一条新思路。在有机溶 剂体系中，除了进行传统的水解反应，还可以催化酯交换、酯化、氨解等合成反应； 可以催化水不溶物质的反应，拓展了底物的作用范围；酶的热稳定性有了很大的提高。 常用的有机溶剂包括：环己烷、辛烷、苯、吡啶、丙醇、乙腈、二氯乙烷等。 水分含量是影响有机反应体系的一个重要因素，有机溶剂主要是通过酶分子周围 9 浙江大学硕士学位论文文献综述 的水来影响酶的催化活性。溶解于酶周围水分子层的有机溶剂与酶直接结合会导致酶 受抑制或失活，有机溶剂夺去酶分子表面的必需水分，导致酶活下降，因此，溶剂的 疏水性越强对酶活的影响越小。有机相脂肪酶催化反应中常用的控制水分的方法有很 多种2 6 2 7 】，如在反应过程中采用减压法使副产物水等蒸发从而使平衡移动；吸附法是 应用的最广泛的一种方法，使用分子筛把反应过程中产生的水分除去。 1 3 2 2 微乳液 微乳液一般由表面活性剂、助表面活性剂、油和水等组份组成，它是一种热力学 稳定、光学透明宏观均匀而微观不均匀的体系，能提供酶催化所需要的油水界面。 它有3 种结构之分：油包水型微乳液( w o ) 、水包油型微乳液( o w ) 和油水双连续型微 乳液【2 8 1 。用微乳液做介质不但可以提高脂肪酶的油不溶性底物的溶解度( 微乳液介质 具有两亲性质，既可以作为无机极性分子的溶剂，又可作为有机非极性分子的溶剂) ， 而且可以扩大反应界面积，提高酶催化活性。油包水微乳液( w o ) 体系逐渐被用作细 胞微环境和细胞膜的模拟物，在酶催化和药物传递过程中作为微反应器。目前对于脂 肪酶的催化活性研究最多的是琥珀酸二辛酯磺酸钠( a o t ) 微乳液，因为a o t 可以和大 量的非极性有机溶剂、水、和一些少量的极性溶剂形成反相微乳液。 但在微乳液中，反应产物分离较难、酶不易回收。将明胶、琼脂等生物高聚物加 入微乳液后会发生凝胶作用，形成的微乳液凝胶( 有机凝胶) 可用于固定酶，解决了 在微乳液中反应产物分离较难、酶不易回收的难题。目前用于有机凝胶制备的微乳液 主要是a o t 水正庚烷。宋少芳等【2 9 】用琥珀酸二辛酯磺酸钠( a o t ) 水正庚烷和明 胶构成的微乳液凝胶固定化脂肪酶，初步研究了对单硬脂酸甘油酯的水解催化活性， 考察了凝胶结构、a o t 含量等几个重要因素的影响。f r a n c e s c o 等【3 0 】将脂肪酶固定在 由十六烷基三甲基溴化铵水正己烷和明胶组成的微乳液凝胶中，用于催化戊醇和辛 酸的酯化反应，转化率达到9 4 。z o u m p a n i o t i 等1 3 1j 在未加表面活性剂的情况下，用微 乳液相系统制备有机凝胶，其组成为：正己烷叔丁醇水羟丙基甲基纤维素，用该有 机凝胶固定脂肪酶，在异辛烷中催化月桂酸和1 丙醇的酯化反应，转化率显著提高。 浙江大学硕士学位论文文献综述 1 3 2 3 超临界流体 有机溶剂酶促反应产物中，不可避免地残留了部分有机溶剂，对食品和医药造成 污染，限制了有机相酶促反应的应用。在超临界流体中进行生物转化被认为是一种清 洁技术。大量的研究证实在适当的超临界流体中，脂肪酶可以催化酯化和转酯反应 3 2 - 3 3 。超临界流体具有明显的优点：r ) 有较大的溶解能力和较高传递特性，从而大大 降低酶反应的传质阻力，提高酶反应速率；2 ) 产物易于分离，不会造成环境污染。 关于脂肪酶催化方面研究最多的是c 0 2 超临界流体，因为临界温度( 3 1 1 ) 足够 低，接近酶的最适反应温度；临界压力( 7 1 4 m p a ) 在实际工业应用中比较容易达到；特 别是c 0 2 无毒、不可燃、价格便宜、来源广泛，不存在环境污染问题。因此，超临界 c 0 2 中的酶催化在食品和医药工业中具有广泛的应用前景3 5 1 。l a u d a n i 【3 4 1 等在c 0 2 超临 界流体中，使脂肪酶吸附固定在填充床反应器中，催化油酸与1 一辛醇发生反应，实现 了批量生产。脂肪酶显示了高活性和稳定性，产物转化率可达到9 3 ，连续反应5 0 天 后，该酶活性没有出现明显下降。同时c 0 2 是一种非极性介质，极性底物在其中的溶 解度较低，因而选择适当的助溶剂来增加极性底物在超临界流体中的溶解度也是今后 的一个研究方向。酶粉在超临界流体中活性并不是很高，将酶固定于比表面积较大的 惰性载体表面可增大酶与底物的接触面积、降低扩散限制，能更充分有效地发挥酶的 高效催化作用，并且有利于酶的回收和再利用，增加酶的热稳定性【3 6 1 。 1 3 2 4 离子液体 离子液体( i o n i cl i q u i d s ，i l s ) 是完全由阴阳离子组成且常温下呈液态的离子化合 物。目前被人们关注的离子液体的种类比较多。根据有机阳离子母体的不同可将离子 液体分为四类f 3 7 - 3 8 ，分别是咪唑盐类、吡啶盐类、季铵盐类和季鳞盐类。离子液体为 化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境，可能改变反应机理，使底物转化率更高、 催化剂的催化活性、选择性、稳定性更好，同时它溶解范围广，蒸汽压低，热稳定性 好。由于离子液体的特殊性质和不凡的溶剂特性，离子液体被认为可能是酶催化反应 的一种完美的溶剂。现阶段研究最多的是以l ，3 二烷基咪n ，3 d i a l k y l i m i d a z o l i u m ) 或n 烷基吡啶删a l k y l p y r i d i n i u m ) 为阳离子和非特定阴离子构成的化合物【3 9 1 。稳定的微生物 脂肪酶女o c a l b 和p c l ( p s e u d o m o n a sc e p a e i al i p a s e ) 及p s l ( u n s p e c i f i e dp s e u d o m o n a s 浙江大学硕士学位论文文献综述 l i p a s e ) 在以 p f 6 】、 b f 4 、 ( c f 3 s 0 2 ) 2 n 为阴离子的1 ，3 - 二烷基咪唑类或n 一烷基吡啶 类离子液体中具有很高的催化活性。k i m l 4 0 1 研究组对几种不同的醇进行了酶催化酯交 换反应( 乙酸乙烯酯作酰化试剂) ，选用酶c a l 和p c l ，在离子液体 b m i m p f 6 和 【e m i m b f 4 中进行反应，酶的对映选择性在离子液体中比在四氢呋喃或苯中有明显 的提高，最高可达2 5 倍，并且在疏水性离子液体 b m i m p f 6 】中总是比在亲水性离子 液体 e m i m b f 4 】中的对映选择性要高。 1 3 2 5 微波辐射在脂肪酶酶促反应中的应用 用微波辐射加热代替传统的加热方式应用于酶催化有机反应会产生单独应用两 者时不能观察到的效果。在某些生物催化反应体系中，微波辐射相对传统加热法而言， 能加快反应速度、提高反应产率及产物的选择性【4 。r a j a n t 4 2 】等利用脂肪酶在微波辐 射的状态下，催化淀粉与长链脂肪酸的反应，在极短的反应时间内，制得取代度为1 5 5 的淀粉酯，反应效率达5 2 8 8 。b r a d o o 4 3 】等研究表明微波辐射不会改变脂肪酶催化 特异性，同时在微波环境下，脂肪酶的催化活性可以提高8 1 0 倍，不仅具有水解活性 而且具有合成活性。l i n 等t 删报道猪胰脂肪酶( p o r c i n ep a n c r e a t i cl i p a s e ，简称p p l ) 催化 下的酯化反应，在微波辐射下可加快反应速度4 6 倍，对映体选择性提高3 9 倍。 1 4 国内外研究现状 s s o s 是目前唯一被美国f d a 和我国批准作为食品添加剂的淀粉酯，1 9 5 3 年 c a l d w e l l 和w u 胁u 玛首次成功制备辛烯基琥珀酸淀粉酯【4 5 1 ，此后s s o s 的制备工艺和 应用技术得到不断改进，目前研究重点主要是辛烯基琥珀酸基团在淀粉酯中的分布 【4 6 1 、酯化条件优化h 7 喇1 、不同酯化程度对淀粉理化性质的影响【4 9 1 及提高酯化反应效 率等。 多年来，美国、欧洲等地区对s s o s n 制备工艺技术和应用领域进行深入研究。 辛烯基琥珀酸淀粉酯已投a c r _ 业化生产，市场前景较好。以美国的国民淀粉化学有限 公司，日本的松谷化工株式会社为代表，各企业都有多种辛烯基琥珀酸淀粉酯投入市 场。国内关于该淀粉酯的研究起步较晚，技术不成熟，需求主要依靠进口满足。2 0 0 1 年底，吉林帝达有限公司及杭州瑞霖化工有限公司先后实现了该产品的工业化生产， 浙江大学硕士学位论文 文献综述 填补了我国该项技术空白，但生产量很小，还远远不能满足国内市场的需要5 0 1 。 1 5 本论文立题意义及研究内容 1 5 1 立题意义 s s o s 是稳定食品乳浊体系最有效的一种食品添加剂。目前食品级s s o s