脂溶性阿魏酸衍生物的合成研究进展.doc

脂溶性阿魏酸衍生物的合成研究进展宋范范，孙尚德，秦飞，毕艳兰（河南工业大学 粮油食品学院，河南郑州，邮编450001）摘要：阿魏酸作为一种天然的抗氧化剂，已广泛应用于食品、化妆品、医药等行业。本文简要综述了目前国内外合成脂溶性阿魏酸衍生物的方法，并为阿魏酸的应用前景提供基础。关键词：阿魏酸；阿魏酸乙酯；脂溶性阿魏酸衍生物；酯交换；酯化Research Progress on Lipophilic Feruloylated DerivativesSONG Fanfan，SUN Shangde, QIN Fei, BI Yanlan(School of grain, oil and food, Henan University and Technology, Zhengzhou Henan, 450001 )Abatract: As a natural antioxidant, ferulic acid has been used for food processing, cosmetics, and medicines. In this review, the synthesis methods of lipophilic feruloylated derivatives were mainly discussed. This review presents a great basis for the application of ferulic acid.Key words: ferulic acid; ethyl ferulate; lipophilic feruloylated derivatives; transesterification；esterification 阿魏酸（Ferulic acid，FA）的化学名称为4-羟基-3-甲氧基-2-苯丙烯酸，广泛存在于植物的种子、秸秆和根茎中1。其熔点为174，易溶于甲醇、乙醇等极性较强的有机溶剂中。阿魏酸具有清除自由基2、抗紫外吸收活性、抗氧化和抗癌等功能3-6。目前，日本已允许阿魏酸用作食品添加剂。- 基金项目：国家自然科学基金项目（31101301）；河南工业大学博士基金（150356）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（12B550001）。作者简介：宋范范（1987-），女，在读硕士。主要从事油脂化学方面的研究。通讯作者：孙尚德，博士，副教授，E-mail: 。但是，阿魏酸的应用存在一些问题。例如，阿魏酸的脂溶性较差，限制了它在油脂基食品、医药、和化妆品的应用。因此，将阿魏酸同一些脂溶性较强的分子相结合既可以保持其生物活性，还可以增加其亲脂性，从而扩大其应用范围。常见的阿魏酸的脂溶性衍生物主要包括阿魏酰基烷基醇酯、阿魏酰基脂肪酰基结构酯和VE阿魏酰基酯。目前，合成脂溶性阿魏酸衍生物的方法主要有：化学合成法、微生物转化法和生物酶催化法。化学合成法的产品色泽深、有焦糊味、能源消耗量大、环境污染严重7，而生物酶催化法反应条件温和，并具有高效性和专一性。此外，阿魏酸还具有热敏性和易氧化性8。因此，生物酶法在合成阿魏酰基衍生物的过程中显示了明显的优越性。1 阿魏酰基烷基醇酯阿魏酰基烷基醇酯所含有的碳链长度决定了其在油脂中溶解度和疏水性的大小。已合成的阿魏酰基烷基酯有：阿魏酰基戊醇酯，阿魏酰基辛醇酯，阿魏酰基油醇酯等。2000年，Compton等人9采用酶法酯化阿魏酸乙酯（EF）与辛醇合成阿魏酸辛醇酯，反应312 h时仍未达到平衡，阿魏酸乙酯的转化率仅为50；当定时采用真空装置脱除乙醇后，反应312h后阿魏酸乙酯的转化率可达到80%以上。郑丽妃在单有机溶剂体系、双有机溶剂体系、有机溶剂离子液体混合体系、单离子液体系中对影响合成阿魏酸油醇酯的因素进行了考察。发现在异辛烷体系下，反应时间短，转化效率高，48h后阿魏酸的转化率为9910。Compton等人11在超临界CO2体系中通过阿魏酸乙酯和辛醇的醇解反应来合成阿魏酸辛醇酯。结果发现在80，13.8MPa的条件下，反应24h后阿魏酸乙酯的转化率达到53%。2 阿魏酰基脂肪酰基结构脂目前研究较多的阿魏酸的脂溶性衍生物是阿魏酰基脂肪酰基结构脂。研究表明，经过分子改造的阿魏酰基脂肪酰基结构酯表现出比阿魏酸更强的生物活性，并保持了阿魏酸的调节人体免疫力和抗血栓等功效。其主要合成方法可归为以下几类：2.1 阿魏酸与甘三酯(TAGs)的酯交换反应Karboune等人12通过阿魏酸与亚麻籽油反应合成阿魏酰基结构酯，反应进行8天时阿魏酰基结构酯的产率为28.9。Choo等人13在正己烷中采用阿魏酸与三油酸甘三酯（TOs）合成阿魏酰基结构酯，反应18天时产率为24.8。Sabally等人14研究了溶剂体系下阿魏酸与三亚油酸甘三酯、三亚麻酸甘三酯的酯交换反应合成阿魏酰基亚油酰基结构脂和阿魏酰基亚麻酰基结构脂，反应12天后两种结构酯的产率分别为15.6和14.0。综上所述，阿魏酸与甘三酯的反应达到平衡的时间较长，而且转化率较低。造成这种现象的原因可能是阿魏酸的熔点较高，而且阿魏酸与脂肪酸醇的相容性不好，这导致反应物之间的传质较慢，从而影响其转化率。2.2 阿魏酸乙酯与甘三酯的酯交换反应阿魏酸乙酯与甘三酯及一定量的脂肪酶在特定条件下发生酯交换反应。反应方程式如下图所示。 EF TAGs FMAGs FMAGs FDAGsFG FA图1 EF与TAGs的酯交换反应机理注：图中EF为阿魏酸乙酯，TAGs为甘三酯，R为脂肪酰基，FG为阿魏酰基甘油，FMAGs为阿魏酰基单脂肪酰基甘油酯，FDAGs为阿魏酰基二脂肪酰基甘油酯，FA为阿魏酸。Compton等人9在甲苯溶剂体系和无溶剂体系中利用Novozym 435催化阿魏酸乙酯与三油酰基甘三酯（TOs）反应制备阿魏酰基结构酯。甲苯体系下的反应在72h时达到平衡，32的阿魏酸乙酯转化为阿魏酰基单脂肪酰甘油酯，12的阿魏酸乙酯转化为阿魏酰基二脂肪酰甘油酯；无溶剂体系下的反应在144h才达到平衡，此时，阿魏酰基单脂肪酰甘油酯的产率29%，阿魏酰基二脂肪酰甘油酯的产率为48。结果表明：无溶剂体系中黏度较大，影响了脂肪酶和反应底物之间的传质，从而导致反应速率较低；溶剂体系中反应底物和酶被稀释，从而降低了反应速率。另外，阿魏酸乙酯的空间位阻效应导致阿魏酸乙酯与酶的结合较困难，这是导致该反应速率低的主要原因之一。Xin等人15在无溶剂体系下也考察了阿魏酸乙酯和三油酰基甘三酯的酯交换反应。为了提高产率同时减少底物的水解程度，在该反应中加入了甘油。为了避免甘油污染脂肪酶，在反应之前将甘油吸附于硅胶上，反应72h时阿魏酰基油酰基结构酯的产率可达到59.5。此反应速率的提高主要是因为甘油加入后与三油酰基甘三酯反应形成甘一酯和甘二酯，从而在一定程度上加快了反应的进行。在该方法中引入了真空旋转蒸发过程，使阿魏酸油酸酯的合成率显著提高，并且在这种体系中酶反复利用几次未见明显的失活。但由于该方法中的甘油要吸附于硅胶上，因而限制了在工业上的应用。此外，考虑到超临界CO2体系无毒及产品无溶剂残留等优点，Compton等人11在超临界CO2体系中，对阿魏酸乙酯与三油酰基甘三酯的酯交换反应制备阿魏酰基油酰基结构酯的过程进行了研究。在压力13.8MPa，温度为80，反应24h时，阿魏酸乙酯的转化率为69。当压力提高到24.1MPa时，阿魏酸乙酯的转化率为74。这是因为压力提高后三油酰基甘三酯的溶解度随之增大。但是该体系下酶容易失活，这对酶的重复使用造成影响，不利于连续生产。 为了实现工业化连续生产，研究者开始尝试采用固定床生物反应器，但并未得到改善。Laszlo等人16在固定床生物反应器中使阿魏酸乙酯与豆油甘三酯发生酯交换反应制备阿魏酰基结构酯，反应144h时达到平衡，阿魏酸乙酯的转化率为64。此外，阿魏酰基单丁酰基结构酯（FMB）和阿魏酰基二丁酰基结构酯（FDB）也具有清除自由基能力和抗氧化活性能力。Zheng等人17对三丁酰基甘油酯（TBs）和阿魏酸乙酯反应后的产物进行了纯化和鉴定。结果表明，抗氧化活性依次为BHT（二叔丁基羟基甲苯）FMBFDBFA。2.3 阿魏酸乙酯与甘二酯（DAGs）的酯交换反应为了进一步提高反应速率，研究者开始采用部分甘油酯与阿魏酸乙酯的酯交换反应合成脂溶性阿魏酰基衍生物。Laszlo 18发现阿魏酸乙酯与甘二酯的酯交换反应速率是阿魏酸乙酯和甘三酯的6倍，且1,2-DAGs比1,3-DAGs反应速率更快，反应24h后阿魏酸乙酯的转化率为38。因为1,2-DAGs的空间位阻较小，且1或3位游离的-OH更易与阿魏酰基结合。因此，对甘三酯先进行部分脱酰基有利于阿魏酰基脂肪酰基结构酯的生成。2.4 阿魏酸乙酯与甘一酯(MAGs)的酯交换反应为了达到更快的反应速率，Compton等人9在甲苯溶剂体系下通过阿魏酸乙酯与单油酰基甘油酯(MO)的酯交换反应制备了阿魏酰基结构酯，发现反应进行72h时产物阿魏酰基单油酰基甘油酯的产率只有24，这是因为反应中产生的甘油与阿魏酸乙酯反应生成了大量水溶性的阿魏酰基甘油（44%）。Laszlo 18同时研究了阿魏酸乙酯与2-MAGs的酯交换反应，发现其反应速率更快，24h时后阿魏酸乙酯的转化率就可以达到46。这表明：含有游离羟基的甘油酯是比较理想的酰基受体，因为具有这种结构的受体空间位阻相对较小。2.5 其它合成方法近年来研究者们开始探索一些新的合成方法。主要包括将传统的一步法合成改用两步法来代替，或将传统底物阿魏酸或阿魏酸乙酯改为阿魏酸乙烯酯（VF）。我们19,20提出了一种合成FMAGs和FDAGs的新方法：第一步是阿魏酸乙酯和甘油在脂肪酶催化下发生酯交换反应合成阿魏酰基甘油，第二步是通过油酸与阿魏酰基甘油在脂肪酶催化下的酯化反应得到FMAGs和FDAGs。该方法FMAGs和FDAGs的产率的分别为87.6和82.6，采用短程分子蒸馏纯化后，产品纯度分别可以达到93.3和92.1。采用该方法获得的脂溶性衍生物产率很大，但是第一步有大量的甘油并未参与反应，而这些甘油会对产品的分离纯化造成一定的影响。此后，我们21又通过化学和酶法相结合分两步合成了FMAGs和FDAGs。第一步，在bmimBF4体系中利用对甲苯磺酸催化阿魏酸和甘油合成阿魏酰基甘油，阿魏酰基甘油的产率达98%；第二步，在bmimPF6体系中利用Novozym 435来催化阿魏酰基甘油和油酸生成FMAGs和FDAGs，产率分别为34和66。该方法引入了绿色溶剂离子液体，这种溶剂的使用使脂肪酶和产物的分离都变得简便易行。Yu等人22比较了阿魏酸乙烯酯和阿魏酸乙酯与三油酰基甘三酯交换反应的效果。采用阿魏酸乙烯酯反应62h后转化率为91.1%，Novozym 435可以被重复使用13次。然而，采用阿魏酸乙酯反应96h后转化率仅为69.6%。结果表明，阿魏酸乙烯酯在制备阿魏酰基结构酯时比阿魏酸乙酯具有更高的效率，因为阿魏酸乙烯酯与三油酰基甘三酯发生转酯反应可生成乙醛，从而脱离反应体系，使反应从可逆反应转变成不可逆反应。因此，采用阿魏酸乙烯酯作为反应底物可以缩短反应时间，有利于产物产率的提高，更有利于工业化生产。3 VE阿魏酰基酯将脂溶性较强的生育酚和阿魏酸反应合成VE阿魏酸酯，可使VE和FA相互保护，提高二者的稳定性，从而扩大它们在油脂工业中的应用。如：可作为油脂的抗氧化剂、美白皮肤及祛斑等。目前，合成VE阿魏酰基酯的方法主要包括化学法23和酶法24。辛嘉英24采用脂肪酶催化阿魏酸与VE的酯化反应合成了VE阿魏酸酯，并研究了VE阿魏酸酯在猪油中的抗氧化效果。结果表明：当VE阿魏酸酯添加量为0.06%时，猪油便具有明显的抗氧化能力。4 结束语由于阿魏酸的脂溶性较差，所以如何增强其脂溶性从而扩大它的用途已成为人们研究的热点。生物酶催化法反应条件温和、不影响产品色泽、节省能源，而且符合绿色环保要求，因而与化学法相比具有明显的优越性。相信随着对食品及医药安全标准的提高，FA及其衍生物的应用前景将更加广阔。参考文献 孙尚德，王兴国，单良，等. 阿魏酸甘油酯的酶法合成方法的研究C. 中国粮油学会油脂分会第十六届学术年会. 2007：140144.2 Twu Y K, Shih I L,Yen Y H, et al. 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