肉桂酸-D-甘露糖醇酯的酶法合成优化

陈林林1,郑凤鸣1,宋佳琪1,王玲1,李伟1,辛嘉英1,2

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江 哈尔滨 150028;2.中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室,甘肃 兰州 730000)

摘 要:为合成一种高效、安全及高酯化率的糖醇酯,以肉桂酸和D-甘露糖醇为底物,采用脂肪酶Novozyme 435 催化合成肉桂酸-D-甘露糖醇酯。通过薄层色谱、高效液相色谱和液相色谱串联质谱对目标产物进行表征。利用响应面试验对反应条件进行优化,确定肉桂酸D-甘露糖醇酯的最佳合成工艺条件。结果表明:肉桂酸-D-甘露糖醇酯的最佳合成条件为肉桂酸与D-甘露糖醇摩尔比为1∶3、脂肪酶Novozyme 435 加入量为底物质量分数的6.8%、反应溶剂为叔戊醇5 mL、分子筛加入量为0.1 g/mL、反应温度为65 ℃。在该条件下反应120 h,肉桂酸与D-甘露糖醇酯的酯化率为(79.45±0.25)%,其中肉桂酸D-甘露糖醇单酯与肉桂酸D-甘露糖醇双酯的产率分别为(25.94±0.18)%、(53.51±0.31)%。

关键词:肉桂酸;D-甘露糖醇;脂肪酶;酯化反应;糖醇酯

甘露糖醇是一种天然的六碳糖醇,具有无毒副作用、不吸湿、甜度适宜不致龋齿、热量低等特性,广泛应用于食品、医药、化工等领域[1-2]。但甘露醇的溶解性较差,在液体食品中易于结晶,从而限制了其在食品中的应用。近年来研究人员开始对其糖醇酯类衍生物展开研究,以提高甘露糖醇的化学稳定性,增强其原有的功能特性[3]。肉桂酸又名β-苯丙烯酸、3-苯基-2-丙烯酸,是肉桂或安息香中由苯丙氨酸脱氨降解产生的苯丙烯酸,其本身及其多种衍生物也是我国允许使用的食品添加剂[4]。肉桂酸及其酯类衍生物具有来源广泛、抗氧化能力强等优点,随着抗氧化剂对人体健康作用研究的深入,对肉桂酸酯类衍生物的研究越来越多[5]

糖醇酯表面活性良好,在食品、化妆品、医药等行业中通常作为乳化剂、稳定剂、分散剂、增稠剂等[6-9]。目前,糖醇酯合成有两种方式:化学合成方法和酶合成方法。酶法合成不仅具有高度的特异性和区域选择性,且环境友好、反应条件温和、能够产生具有均一结构和功能的酯类产物,从而引起研究者广泛关注[10-13]。Hills[14]在猪胰脂肪酶催化作用下,以吡啶为有机相合成6-O-酰基-葡萄糖醇酯。任娜娜等[15]在固定化脂肪酶催化作用下以月桂酸和木糖醇为底物合成月桂酸木糖醇单酯,经高效液相色谱定量分析的产物含量为70.27%。Cramer 等[16]合成了链长增加的脂肪酸木糖醇酯。在最优条件下,木糖醇转化率可达26%~41%,单酯收率为22%~29%。但多数酯化反应存在催化酶价格昂贵、反应效率较低、反应温度较高、酯化率低等问题。

为了采用环保、高效的方法合成酯化率较高的糖醇酯,本文采用脂肪酶Novozyme 435(N435)催化合成肉桂酸D-甘露糖醇酯,利用薄层层析(thin—layer chromatography,TLC)、高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)和液相色谱-质谱(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS/MS)3 种手段对目标产物进行表征及分析。由单因素试验考察反应体系溶剂、底物肉桂酸与D-甘露糖醇的摩尔比、脂肪酶加入量、反应温度等因素对酯化反应的影响。通过响应面试验确定及分析酯化反应的最优条件,提高肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率,为食品添加剂的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

肉桂酸、D-甘露糖醇、叔戊醇、叔丁醇、异辛烷、香茅醇、香叶醇、叶醇、法尼醇(均为分析纯):萨恩化学技术(上海)有限公司;木糖醇:北京百灵威科技有限公司;脂肪酶Novozyme 435(100 000 U/g):北京高瑞森科技有限公司;柱层析硅胶、薄层层析硅胶:青岛海洋化工厂分厂;4 Å 分子筛:大连催化剂厂股份有限公司。

1.2 仪器与设备

DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒科技有限公司;TGL-16G 型高速台式离心机:上海安亭科学仪器厂;KH-2000 薄层色谱扫描仪:北京哈纳科仪科技有限公司;U3000 型高效液相色谱仪:赛默飞世尔科技(中国)有限公司;LC-MS 6200 液相与质谱联用仪:安捷伦科技(中国)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 肉桂酸与D-甘露糖醇酯化反应过程

在25 mL 具塞三角瓶中加入5 mL 叔丁醇作为反应溶剂,添加肉桂酸和D-甘露糖醇总质量5%的脂肪酶N435 为催化剂、肉桂酸0.12 g 和D-甘露糖醇0.98 g。将一定量的分子筛在400 ℃灰化炉中灰化4 h,取0.5 g分别加入三角瓶中,在反应温度为60 ℃条件下反应120 h。肉桂酸D-甘露糖醇酯合成路线见图1。

图1 肉桂酸D-甘露糖醇酯合成的反应路线
Fig.1 Reaction route for synthesis of cinnamate-D-mannitol esters

1.3.2 产物的检测与分析

1.3.2.1 薄层色谱分析

参考文献[17]所述方法:分别各取5 μL 反应后样品溶液、肉桂酸标准液,点样于GF254 硅胶板,将其在25 ℃室温下置于展开剂(氯仿与甲醇体积比为10∶1)中40 min,自然风干,在反应结束后通过硅胶柱层析对产物分离。在紫外波长278 nm 下观察产物斑点,监测底物肉桂酸的含量变化及产物肉桂酸D-甘露糖醇单酯和肉桂酸D-甘露糖醇双酯。

1.3.2.2 高效液相色谱分析

采用HPLC 法对肉桂酸D-甘露糖醇单酯、肉桂酸D-甘露糖醇双酯进行定量分析。样品经色谱甲醇稀释10 倍,上样量为10 μL,色谱柱为XDB C18 反相色谱柱(150 mm×4.6 mm,5 μm),流动相为溶剂A(0.5%的冰乙酸)和溶剂B(甲醇),梯度洗脱程序:0~30 min 85%A+15%B,30 min15%B+0%A,保持15 min。流速为1 mL/min,温度为30 ℃,检测波长为278 nm。酯化率,糖醇单酯、糖醇双酯含量的计算公式如下。

式中:A单酯为肉桂酸D-甘露糖醇单酯的峰面积;A双酯为肉桂酸D-甘露糖醇双酯的峰面积;A底物为肉桂酸的峰面积。

1.3.2.3 液相色谱-质谱分析

根据文献[18-19]所述方法,将上述所得产物经LCMS 检测。色谱条件:色谱柱为UPLC BEH-C18 柱(100 mm×2.1 mm,1.7 μm);柱温30 ℃;流动相:A 相为甲醇-0.1%甲酸,B 相为水-0.1%甲酸-1 mmol/L 醋酸铵;洗脱条件为A 相与B 相体积比20∶80;流速0.3 mL/min;进样量5 μL。质谱条件:电喷雾离子源;质谱扫描方式选择反应监测模式;正离子模式;喷雾电压4 000 V;离子传输毛细管温度350 ℃;加热气温度100 ℃;鞘气压力206.90 kPa;碰撞气为氩气,碰撞压力0.2 Pa;质谱扫描循环时间0.7 s。

1.3.2.4 肉桂酸D-甘露糖醇酯合成的单因素分析

为了探索肉桂酸D-甘露糖醇酯合成的最佳条件,对反应所需溶剂(叔丁醇、叔戊醇、异辛烷)、脂肪酶加入量(底物质量的4%、8%、10%、12%)、底物摩尔比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4)和反应温度(55、60、65、70、75 ℃)进行考察。

1.3.2.5 响应面法优化合成工艺

以反应120 h 的酯化率为指标,对反应温度、脂肪酶加入量、肉桂酸和D-甘露糖醇摩尔比(以下简称:摩尔比)3 个反应条件进行单因素优化试验,每组试验进行3 次平行试验。在此基础上,确定工艺条件的优选试验范围,采用Design-Expert 8.0 响应面分析法对N435 脂肪酶催化肉桂酸D-甘露糖醇酯合成工艺条件进行优化。因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface methodology

水平A 反应温度/℃B 脂肪酶加入量/mgC 摩尔比-160501∶1 0 65801∶2.5 1 701101∶4

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0 软件进行统计学分析,用Origin 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 产物检测与分析

2.1.1 薄层色谱分析

底物与产物样品薄层色谱图如图2所示。

图2 肉桂酸与D-甘露糖醇酯化反应薄层层析
Fig.2 Thin-layer chromatography of esterification between cinnamic acid and D-mannitol

图a 中1.肉桂酸;2.反应液;3.肉桂酸D-甘露糖醇单酯;图b 中1.肉桂酸;2.反应液;3.肉桂酸D-甘露糖醇双酯。

由图2可知,由脂肪酶N435 催化肉桂酸与D-甘露糖醇反应有3 种物质的展开点。由图2a 可知,2 处比移值为0.62 的点与1 处的一致,为底物肉桂酸。由图2a 可知,3 处的展开点比移值为0.50,结合液相色谱-质谱分析结果,可推测为产物肉桂酸-D 甘露糖醇单酯。图2b 中3 处的展开点比移值为0.76,推测为产物肉桂酸D-甘露糖醇双酯。丛心缘等[20]在采用薄层层析鉴定虾青素结构时,通过计算比移值确定了虾青素中的南极磷虾双酯和南极磷虾单酯。杨鲁等[21]将合成产物条带的比移值,与雨生红球藻虾青素藻油中游离虾青素及虾青素单双酯的比移值进行对比,二者的位置一致,初步认定成功合成了虾青素酯。

2.1.2 高效液相色谱分析

底物与产物样品高效液相色谱图如图3所示。

图3 脂肪酶N435 催化肉桂酸D-甘露糖醇酯化反应的液相色谱图
Fig.3 Liquid chromatography of Novozyme 435-catalyzed esterification between cinnamic acid and D-mannitol

a.反应液;b.肉桂酸;c.肉桂酸D-甘露糖醇单酯;d.肉桂酸D-甘露糖醇双酯。

根据反相高效液相色谱出峰原理[22],并通过柱层析对产物进行分离纯化,将产物峰的保留时间与图3a酯化反应液图中各峰的保留时间对应。对照图3b~3d产物液相色谱图,可知图3a 第1 个产物峰的保留时间为8.740 min,则证明图3a 所对应的第1 个吸收峰为肉桂酸D-甘露糖醇单酯。由图3b 可知,底物肉桂酸保留时间为10.217 min,所对应的是图3a 中的第2 个吸收峰。由图3d 可知,第3 个吸收峰的保留时间为11.070 min,则证明图3d 所对应的产物峰为肉桂酸D-甘露糖醇双酯。与薄层色谱分析结果一致,即肉桂酸与D-甘露糖醇通过酶法可合成肉桂酸D-甘露糖醇单酯、肉桂酸D-甘露糖醇双酯2 种产物。

2.1.3 液相色谱-质谱分析

底物和产物样品液相色谱-质谱分析结果见图4和图5。

图4 肉桂酸D-甘露糖醇单酯LC-MS/MS
Fig.4 LC-MS/MS spectrum of cinnamate-D-mannitol monoester

图5 肉桂酸D-甘露糖醇双酯LC-MS/MS
Fig.5 LC-MS/MS spectrum of cinnamate-D-mannitol diester

两种产物组成及相对含量见表2。

表2 两种酯化产物信息
Table 2 Information of the two esterification products

产物编号质谱分析保留时间/min 分子式质荷比化合物名称11.2C15H20O7 335.110 1 肉桂酸D-甘露糖醇单酯22.1C24H26O8 465.152 3 肉桂酸D-甘露糖醇双酯

由质谱图4和表2可知,阳离子峰的质荷比(m/z):335.110 1(M+Na)+,表明此物质和Na 的相对分子质量之和为335.110 1,与肉桂酸D-甘露糖醇单酯的实际相对分子质量312.300 9 相符,可确定此产物为肉桂酸D-甘露糖醇单酯。由质谱图5和表2可知,阳离子峰的质荷比(m/z):465.152 3(M+Na)+,表明此物质和Na相对分子质量之和为465.152 3,与肉桂酸D-甘露糖醇双酯的实际相对分子质量442.381 9 相符,可确定此产物为肉桂酸D-甘露糖醇双酯。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 不同有机溶剂对肉桂酸D-甘露糖醇酯合成的影响

选用叔丁醇、叔戊醇和异辛烷作为有机溶剂,是考虑到它们的极性不同且较为适中,相对于乙酸乙酯、甲醇等不容易挥发,且稳定性较好。因此,可将叔丁醇、叔戊醇和异辛烷作为溶剂的选择,在不同溶剂下肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率随反应时间变化如图6所示。

图6 反应溶剂对酯化反应的影响
Fig.6 Effect of reaction solvent on esterification

不同小写字母表示组内差异显著(P<0.05)。

由图6可知,分别以叔丁醇和叔戊醇作为溶剂,随着反应时间的延长,肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率逐渐增大。以叔戊醇作为溶剂的酯化率最高可达到56.92%,而以叔丁醇作为溶剂的酯化率最高仅为44.87%,同一反应溶剂在不同反应时间的酯化率差异明显。叔丁醇和叔戊醇均属于极性溶剂,能够保持脂肪酶的天然构象,而且可以消除酶与底物的扩散影响,所以该酯化反应在这两种有机溶剂中的产率都比较高,与叔丁醇相比,叔戊醇酯化率略有提高,并且在反应过程中,底物更易溶于叔戊醇。此外由于叔丁醇凝固点较高,常温下会凝结在一起,处理反应液时容易造成产物损失。而异辛烷作为溶剂在反应的过程中没有产物,且异辛烷的极性较弱,有研究认为极性较弱的有机溶剂不适合作为非水相酶促反应介质,是因为它将破坏酶的必需水化层,从而使酶失活[23]。因此,异辛烷不适合作为酶催化合成肉桂酸D-甘露糖醇酯的反应介质。最终选择叔戊醇作为后续的反应溶剂。

2.2.2 脂肪酶加入量对酯化率的影响

脂肪酶N435 的加入量直接影响着酯化反应的酯化率和酯化速率,结果如图7所示。

图7 酶的加入量对酯化反应的影响
Fig.7 Effect of enzyme addition on esterification

由图7可知,在不同反应时间内,相同酶添加量的酯化率差异显著(P<0.05)。当脂肪酶加入量从4%增加到12%时,肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率也随之增加,在脂肪酶加入量为12%时酯化率达到最大。当反应脂肪酶加入量为10%时,酯化率达到47.46%,基本趋于平稳,虽然脂肪酶加入量为12%时酯化率较高,但加入过多的脂肪酶也会对酯化过程产生不利影响,当脂肪酶加入量超过临界值后,继续增加用量,对反应速率的影响较小。因此,从实际考虑,10%的脂肪酶加入量既可以满足试验的需要,又可避免酶的浪费[24]。因此,最佳脂肪酶的加入量为110 mg,即酶量为底物质量分数的10%。

2.2.3 摩尔比对酯化率的影响

反应中摩尔比决定着反应体系的物理化学特性,是影响反应平衡和产率的重要参数。在不同摩尔比的条件下肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率随反应时间变化如图8所示。

图8 摩尔比对酯化反应的影响
Fig.8 Effect of molar ratio of substrates on esterification

不同小写字母表示组内差异显著(P<0.05)。

从图8可以看出,相同摩尔比在不同反应时间的酯化率差异显著(P<0.05)。随着摩尔比的增加,反应酯化率大体呈现增加趋势。底物的比例影响着酯化反应的程度。当肉桂酸/D-甘露糖醇的摩尔比从1∶1 改变至1∶4 时,酯化率也不断上升并达到最大64.30%,这是由于脂肪酶催化肉桂酸、D-甘露糖醇发生酯化反应过程为可逆反应过程。因此,肉桂酸、D-甘露糖醇的摩尔比为1∶4 最佳。

2.2.4 反应温度对酯化率的影响

在不同反应温度下肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率随反应时间变化如图9所示。

图9 反应温度对酯化反应的影响
Fig.9 Effect of reaction temperature on esterification

不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。

由图9可知,在不同反应时间内,相同反应温度的酯化率差异显著(P<0.05)。同一反应时间条件下,温度由55 ℃升至75 ℃时,酯化率也增加,在75 ℃时酯化率达到最大。温度对酶促反应的影响表现在2 个方面:一方面是随着温度的升高,酶的活性增强,底物在叔戊醇溶剂中的溶解度增大,反应体系黏度减小,向外扩散的阻力减小,更有利于反应介质的传质,此外温度升高加快了分子的运动,利于反应的进行;另外一方面是随着温度的升高,酶的高级结构发生变化导致酶活性降低甚至失去。综合考虑,选取的最适反应温度为70 ℃。

2.3 响应面法优化酯化合成工艺

2.3.1 模型的建立

在单因素试验的基础上对反应温度(A)、脂肪酶加入量(B)和摩尔比(C)3 个因素进行响应面设计,以期优化肉桂酸D-甘露糖醇酯酯化率。中心点选取参考单因素试验结果,分别为肉桂酸和D-甘露糖醇摩尔比为1∶4、反应温度70 ℃、脂肪酶加入量为110 mg(底物总质量的10%),以肉桂酸D-甘露糖醇酯120 h 的酯化率为响应值[25]

响应面试验设计及结果见表3,回归方程方差分析见表4。

表3 响应面试验设计与结果
Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

试验号 A 反应温度 B 脂肪酶加入量 C 摩尔比 酯化率/%1-1-1054.45 21-1058.43 3-11059.64 411035.31 5-10-157.77 610-148.42 7-10163.56 810156.43 90-1-172.57 1001-159.76 110-1167.85 1201164.20 1300074.61 1400080.12 1500078.74 1600078.31 1700081.88

表4 回归模型的方差分析
Table 4 Analysis of variance of regression model

注:*表示影响显著(P<0.05);**表示影响极显著(P<0.01)。

?

利用Design-Expert 8.0 软件对表3数据进行多元回归拟合,得到肉桂酸D-甘露糖醇产率对以上因素的二次多项回归模型为Y=78.73-4.60A-5.07B+2.86C-7.08AB+0.56AC-0.15BC-18.89A2-7.89B2-3.30C2

由表4可以看出,本试验选用的模型极显著(P<0.01),方差的失拟项不显著(P>0.05),A、B、AB、A2、B2极显著(P<0.01)、C 显著(P<0.05)。AC、BC 不显著(P>0.05)。所选模型的校正决定系数R2adj=0.957 5,表明此模型能解释95.75%的结果值变化,仅有总变异4.25%不能用该模型解释,可用于肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率分析和预测。在此试验设计中,各因素影响顺序依次为A>B>C,即反应温度>脂肪酶加入量>摩尔比。

2.3.2 响应面分析及优化

影响肉桂酸D-甘露糖酯酯化率的3 个主要因素(反应温度、脂肪酶加入量、摩尔比)的交互作用对酯化率交互影响效应的二维及三维响应图见图10~图12。

图10 反应温度与摩尔比交互作用对酯化率影响的响应面和等高线
Fig.10 Response surface and contour plots for effect of interaction between reaction temperature and molar ratio of substrates on esterification rate

图11 反应温度与酶加入量交互作用对酯化率影响的响应面和等高线
Fig.11 Response surface and contour plotsfor effect of interaction between reaction temperature and enzyme addition on esterification rate

图12 摩尔比与酶加入量交互作用对酯化反应影响的响应面和等高线
Fig.12 Response surface and contour plots for effect of interaction between molar ratio of substrates and enzyme addition on esterification rate

由图10~图12可知,各因素间交互影响的响应面图均呈伞形,说明曲面有最大响应值。综合观察等高线图发现,反应温度-摩尔比、反应温度-脂肪酶加入量的等高线图呈椭圆形,说明它们两两因素间存在显著的交互作用。

2.4 验证试验

根据上述试验分析的结果和二次多项回归方程[26],利用Design-Expert 8.0 软件,可获得肉桂酸D-甘露糖醇酯的最佳反应条件:反应温度64.70 ℃、酶加入量71.09 mg、摩尔比为1∶3.16。此条件下,肉桂酸D-甘露糖醇酯酯化率最高,理论值为80.25%。根据实际情况将工艺条件修正为反应温度65 ℃、酶加入量为70 mg(底物总质量的6.8%)、摩尔比为1∶3。验证工艺在120 h 时总酯化率(79.45±0.25)%,糖醇单酯的产率为(25.94±0.18)%,糖醇双酯的产率为(53.51±0.31)%,与理论预测值基本一致。说明模型可以较好地反映出肉桂酸D-甘露糖醇酯化反应的条件,也再次证明了通过响应面法对肉桂酸D-甘露糖醇酯的反应条件进行优化是可行的。

2.5 脂肪酶Novozyme 435 在酯化合成体系中的重复使用性

在上述最优条件下,进行肉桂酸D-甘露糖醇酯的合成反应,待反应结束后过滤脂肪酶,催化新物料进行下一批反应,由此对脂肪酶的重复使用情况进行考察,结果见表5。

表5 脂肪酶的重复使用性
Table 5 Reusability of Novozyme 435

使用次数酯化率/%1 79.45±0.25 2 76.68±0.33 3 71.36±0.21 4 65.02±0.14 5 57.36±0.20 6 48.00±0.17

由表5可知,脂肪酶Novozyme 435 的相对酶活随着使用次数的增加有所降低,但是重复使用6 次,肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率仍达到48.00%,说明此酶在上述条件下进行酯交换反应的重复使用性好,可以作为生产用酶。

3 结论

通过响应面法优化并确定了肉桂酸D-甘露糖醇酯最佳合成工艺:有机溶剂为5 mL 叔戊醇,肉桂酸与D-甘露糖醇摩尔比为1∶3,脂肪酶Novozyme 435 加入量为底物质量分数的6.8%,分子筛加入量为0.1 g/mL,最适反应温度为65 ℃。以此条件进行验证试验,反应达到120 h 时,肉桂酸D-甘露糖醇酯的酯化率为(79.45±0.25)%,其中肉桂酸D-甘露糖醇单酯的产率为(25.94±0.18)%,肉桂酸D-甘露糖醇双酯产率为(53.51±0.31)%。脂肪酶Novozyme 435 在肉桂酸D-甘露糖醇酯合成体系中连续使用6 次后,酯化率仍达到48.00%。本文不仅为肉桂酸D-甘露糖醇酯的合成提供了一种温和高效、环境友好的方法,同时也为其在食品等化工领域的应用奠定基础。

参考文献:

[1] 黄永健,黎颖怡,陈心怡,等.张氏马尾藻甘露醇的提取工艺[J].食品研究与开发,2021,42(23):107-110.HUANG Yongjian,LI Yingyi,CHEN Xinyi,et al.Extraction technology of mannitol in Sargassum zhangii[J].Food Research and Development,2021,42(23):107-110.

[2] MARTǍU G A,COMAN V,VODNAR D C.Recent advances in the biotechnological production of erythritol and mannitol[J].Critical Reviews in Biotechnology,2020,40(5):608-622.

[3] GELAS-MIALHE Y,HORTON D.Conversion of 2-diazohexose sugar derivatives into five-carbon acetylenic and enol ester derivatives[J].The Journal of Organic Chemistry,1978,43(12): 2307-2310.

[4] 阮海燕.肉桂酸产品在香精香料及食品添加剂领域的应用[J].香料香精化妆品,2005(2):44.RUAN Haiyan.Application of cinnamic acid products in the fields of flavors,fragrances and food additives[J].Flavour Fragrance Cosmetics,2005(2):44.

[5] 陈志刚,宗敏华,娄文勇.非水介质中酶促糖酯合成研究进展[J].分子催化,2007,21(1):90-95.CHEN Zhigang,ZONG Minhua,LOU Wenyong.Research progress in enzymatic synthesis of sugar esters in non-aqueous media[J].Journal of Molecular Catalysis(China),2007,21(1):90-95.

[6] NGUYEN P C,NGUYEN M T T,KIM J H,et al.A novel maltoheptaose-based sugar ester having excellent emulsifying properties and optimization of its lipase-catalyzed synthesis[J].Food Chemistry,2021,352:129358.

[7] RAJU K S,SABITHA G.First total synthesis of Brevipolide N and total synthesis of Brevipolide M[J].Tetrahedron Letters,2018,59(48):4213-4215.

[8] SUNIL A K,SARKAR K,CHATTERJEE K.Synthesis,degradation,biocompatibility and drug release studies of bis 2-hydroxy ethyl terephthalate-based poly(mannitol-citric-sebacate)ester[J].Journal of Modern Materials,2016,1(1):9-16.

[9] AL MAJID A M.Synthesis of some novel sulfonyl ester derivatives derived from D[J].Journal of Saudi Chemical Society,2010,14(3):257-260.

[10] NGUYEN P C,NGUYEN M T T,LEE C K,et al.Enzymatic synthesis and characterization of maltoheptaose-based sugar esters[J].Carbohydrate Polymers,2019,218:126-135.

[11] LANGROODI N C.Modeling and optimization of lipase-catalyzed synthesis of adipate esters using response surface methodology and artificial neural network[J].University Putra Malaysia Institutional Repository(Upmir),2010,22:5-25.

[12] LI Y P,LI D G,HAN W Y,et al.Facile synthesis of di-mannitol adipate ester-based zinc metal alkoxide as a Bi-functional additive for poly(vinyl chloride)[J].Polymers,2019,11(5):813.

[13] LOPALCO A,MARINARO W A,DAY V W,et al.Isolation,solubility,and characterization of D-mannitol esters of 4-methoxybenzeneboronic acid[J].Journal of Pharmaceutical Sciences,2017,106(2):601-610.

[14] HILLS G.Industrial use of lipases to produce fatty acid esters[J].European Journal of Lipid Science and Technology,2003,105(10):601-607.

[15] 任娜娜,章云霄,赵晨伟,等.木糖醇月桂酸单酯的分离纯化及其性质表征[J].中国油脂,2018,43(2):37-40,54.REN Nana,ZHANG Yunxiao,ZHAO Chenwei,et al.Purification and characterization of xylitol monolaurate[J].China Oils and Fats,2018,43(2):37-40,54.

[16] CRAMER J F,DUEHOLM M S,NIELSEN S B,et al.Controlling the degree of esterification in lipase catalysed synthesis of xylitol fatty acid esters[J].Enzyme and Microbial Technology,2007,41(3):346-352.

[17] 张宏迪,辛嘉英,孙立瑞,等.非水相脂肪酶催化氟比洛芬维C酯的合成及条件优化[J].分子催化,2019,33(4):323-330.ZHANG Hongdi,XIN Jiaying,SUN Lirui,et al.Lipase-catalyzed synthesis of flurbiprofen VC ester[J].Journal of Molecular Catalysis(China),2019,33(4):323-330.

[18] STANCIU O,JUAN C,MIERE D,et al.Analysis of enniatins and beauvericin by LC-MS/MS in wheat-based products[J].CyTA-Journal of Food,2017,15(3):433-440.

[19] 曹雅晴,汤鲁宏.布洛芬甲酯的绿色合成工艺[J].精细化工,2013,30(1):56-60,98.CAO Yaqing,TANG Luhong.Green synthesis process of ibuprofen methyl ester[J].Fine Chemicals,2013,30(1):56-60,98.

[20] 丛心缘,孙伟红,张辉珍,等.南极磷虾中不同形态虾青素的分离制备、结构鉴定及含量分析[J].食品与发酵工业,2019,45(2):174-178.CONG Xinyuan,SUN Weihong,ZHANG Huizhen,et al.Separation,structure identification and content analysis of different forms of astaxanthin in Antarctic krill[J].Food and Fermentation Industries,2019,45(2):174-178.

[21] 杨鲁,李学敏,周庆新,等.二十二碳六烯酸虾青素酯的合成及质谱分析[J].食品科学,2017,38(2):220-226.YANG Lu,LI Xuemin,ZHOU Qingxin,et al.Synthesis and mass spectrometry analysis of docosahexaenoic acid astaxanthin ester[J].Food Science,2017,38(2):220-226.

[22] 雷正.赤藓糖醇酯的制备及其油凝胶性能研究[D].合肥:合肥工业大学,2020.LEI Zheng.Preparation of erythritol ester and study on its oil gelproperties[D].Hefei:Hefei University of Technology,2020.

[23] TAKAHASHI K,YOSHIMOTO T,TAMAURA Y,et al.Ester synthesis at extraordinarily low temperature of-3 degrees C by modified lipase in benzene[J].Biochemistry International,1985,10(4): 627-631.

[24] MORATALLA-LÓPEZ N,SÁNCHEZ A M,LORENZO C,et al.Quality determination of Crocus sativus L.flower by high-performance liquid chromatography[J].Journal of Food Composition and Analysis,2020,93:103613.

[25] 慕运动.响应面方法及其在食品工业中的应用[J].郑州工程学院学报,2001,22(3):91-94.MU Yundong.Response surface methodology and its application in food industry[J].Journal of Zhengzhou Grain College,2001,22(3):91-94.

[26] 范文亮,张春涛,李正良,等.考虑交叉项的自适应响应面法[J].工程力学,2013,30(4):68-72.FAN Wenliang,ZHANG Chuntao,LI Zhengliang,et al.An adaptive response surface method with cross terms[J].Engineering Mechanics,2013,30(4):68-72.

Optimization of Enzymatic Synthesis of Cinnamate-D-Mannitol

CHEN Lin-lin1,ZHENG Feng-ming1,SONG Jia-qi1,WANG Ling1,LI Wei1,XIN Jia-ying1,2
(1.School of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,Heilongjiang,China;2.State Key Laboratory for Oxo Synthesis&Selective Oxidation,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,Gansu,China)

Abstract:A method for the synthesis of a sugar alcohol fatty acid ester with high efficiency,good safety,and high esterification rate was studied.Cinnamate-D-mannitol was synthesized from cinnamic acid and D-mannitol by the lipase Novozyme 435.The target products were characterized by thin-layer chromatography,high performance liquid chromatography,and liquid chromatography-mass spectrometry.The reaction conditions were optimized by the response surface methodology as follows:molar ratio of cinnamic acid to D-mannitol at 1∶3,Novozyme 435 addition of 6.8%,5 mL tert-amyl alcohol as the solvent,molecular sieve addition of 0.1 g/mL,and reaction temperature at 65 ℃.After reaction under these conditions for 120 h,the esterification rate was(79.45±0.25)%,and the yields of monoester and diesterof cinnamate-D-mannitol were(25.94±0.18)% and(53.51±0.31)%,respectively.

Key words:cinnamic acid;D-mannitol;lipase;esterification reaction;sugar alcohol esters

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.10.016

基金项目:黑龙江省财政厅、中央支持地方高校改革发展资金人才培养支持计划项目(304017);黑龙江省自然科学基金项目(LH2020C063);哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2014RFQXJ115)

作者简介:陈林林(1979—),女(汉),教授,博士,研究方向:食品科学。

引文格式:陈林林,郑凤鸣,宋佳琪,等.肉桂酸-D-甘露糖醇酯的酶法合成优化[J].食品研究与开发,2023,44(10):116-124.

CHEN Linlin,ZHENG Fengming,SONG Jiaqi,et al.Optimization of Enzymatic Synthesis of Cinnamate-D-Mannitol[J].Food Research and Development,2023,44(10):116-124.

加工编辑:刘艳美

收稿日期:2022-03-14