酶法催化合成果糖月桂酸单酯及其分离纯化和性质表征

论文摘要

糖酯是一类重要的非离子生物表面活性剂,在食品、化妆品、医药、洗涤剂、纤维等工业中有着重要用途。本实验室已建立通过混合溶剂法（叔戊醇+DMSO）催化合成果糖月桂酸单酯体系,由于DMSO的毒性及其难分离性,给后续的分离纯化带来的困难,也限制了产品的应用范围。本实验通过在低毒低沸点有机溶剂叔丁醇中反应催化合成果糖月桂酸单酯,并在其分离纯化后研究其表面性质,为果糖月桂酸单酯的进一步工业化应用奠定基础。本文研究了在有机溶剂叔丁醇中用毕赤酵母表面展示南极假丝酵母脂肪酶B（CALB）非水相催化合成果糖月桂酸单酯。在摇瓶水平上分别从冻干保护剂、有机溶剂种类、全细胞催化剂添加量、底物量、底物的配比、温度、水活度及分子筛等因素考察了对合成果糖月桂酸单酯的影响。并在单因素优化的基础上,放大工艺,考察了搅拌速率和低压反应对合成果糖月桂酸单酯的影响。结果表明:0.5%（w/w）的果糖溶液为最佳冻干酶粉保护剂,在5 mL摇瓶体系中,以叔丁醇为反应介质,添加初始水活度为0.06通过凝集素展示在毕赤酵母表面的全细胞催化剂GS115/pKNS-CALB 0.3 g,果糖0.36 g（经0.4 g硅胶粉固定）,月桂酸0.8 g,60℃,200 rpm下反应72 h后,果糖月桂酸单酯的产率达到60%。而在200 mL体系中,搅拌转速300 rpm,200 mbar低压搅拌反应下果糖月桂酸单酯产率将近65%。针对酶法合成果糖月桂酸单酯的体系化学组成及其非离子表面活性剂特点,提出了果糖月桂酸单酯分离工艺路线。采用混合溶剂二步萃取法提取体系中的果糖月桂酸单酯。一步萃取得到的最佳工艺条件为:粗产物0.7 g,乙醇0.4 mL,正己烷1 mL,蒸馏水0.2 mL,在常温条件下,果糖月桂酸单酯的萃取率达94%,果糖去除率98%。在一步萃取的基础上进一步研究了混合溶剂二步萃取法分离纯化果糖月桂酸单酯的工艺。结果发现,当再添加正己烷4 mL,乙醇4 mL,蒸馏水1 mL时,达到果糖月桂酸单酯最大萃取率89%,萃取产品纯度为95%。为得到果糖月桂酸单酯纯品以便研究其物理化学性质,采用柱层析梯度洗脱法分离纯化果糖月桂酸单酯,得到99%纯品。分别从亲水-亲油平衡值（HLB值）,临界胶束浓度（CMC值）,最大吸附量(Γmax),最小截面积(Amin),胶束自由能（ΔGm）,起泡能力及泡沫稳定性,乳化能力及乳化稳定性考察果糖月桂酸单酯表面活性,结果表明:果糖月桂酸单酯的HLB值为5.8,表明其更适合做油包水（w/o）型乳化剂;其CMC值为2.5×10-4 mol/L,临界表面张力γCMC为24.2 mN/m,最大吸附量(Γmax)为0.7 mol m-2,最小截面积(Amin) 23.4×10-20m2,胶束自由能（ΔGm）为-30.5 kJ/mol,说明其有良好的表面活性;其乳化能力和乳化稳定性均与商购蔗糖月桂酸单酯相近,相比之下更快趋于稳定。在研究起泡能力及泡沫稳定性时发现,在低浓度下,果糖月桂酸单酯的起泡能力和泡沫稳定性优于蔗糖月桂酸单酯,在较高浓度下则相反。在实验中发现果糖月桂酸单酯起的气泡较蔗糖月桂酸单酯丰富,细腻,表明果糖月桂酸单酯较蔗糖月桂酸单酯更适合作于低泡表面活性剂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 糖酯类表面活性剂
• 1.1.1 糖酯类表面活性剂概述
• 1.1.2 糖酯类表面活性剂的性质
• 1.2 糖酯的分离纯化进展
• 1.2.1 直接萃取法
• 1.2.2 色谱分离法
• 1.2.3 膜分离法
• 1.2.4 分子蒸馏法
• 1.3 糖酯的传统合成方法与酶法合成
• 1.3.1 糖酯的传统合成方法
• 1.3.2 糖酯的酶法合成
• 1.4 南极假丝酵母脂肪酶B
• 1.4.1 南极假丝酵母脂肪酶B简介
• 1.4.2 CALB的反应机制
• 1.5 酵母表面展示技术
• 1.5.1 酵母表面展示系统概述
• 1.5.2 毕赤酵母表面展示CALB
• 1.6 立题背景、意义及内容
• 1.6.1 立题背景
• 1.6.2 立题意义
• 1.6.3 本论文主要研究内容
• 第二章 毕赤酵母表面展示CALB催化合成果糖月桂酸单酯的工艺条件
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 毕赤酵母表面展示CALB催化剂的制备
• 2.3.2 分子筛和有机溶剂预处理
• 2.3.3 毕赤酵母表面展示CALB催化剂的选择
• 2.3.4 毕赤酵母表面展示CALB催化剂冻干保护剂的选择
• 2.3.5 毕赤酵母表面展示CALB合成活力的测定
• 2.3.6 溶剂体系对全细胞催化剂合成果糖月桂酸单酯的影响
• 2.3.7 全细胞催化剂添加量及初始水活度、底物浓度及配比、温度、分子筛添加量对酶合成果糖月桂酸单酯的影响
• 2.3.8 搅拌速率对放大合成果糖月桂酸单酯的影响
• 2.3.9 低压条件下对放大果糖月桂酸单酯的影响
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 毕赤酵母表面展示CALB催化剂的选择
• 2.4.2 冻干保护剂对毕赤酵母表面展示CALB催化剂的影响
• 2.4.3 溶剂体系对全细胞催化剂合成果糖月桂酸单酯的影响
• 2.4.4 其他条件对果糖月桂酸单酯合成的影响
• 2.4.5 搅拌速率对放大合成果糖月桂酸单酯的影响
• 2.4.6 低压条件下对放大果糖月桂酸单酯的影响
• 2.5 小结
• 第三章 混合溶剂法萃取分离果糖月桂酸单酯的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 萃取路线的制定
• 3.3.2 果糖月桂酸单酯的酶法制备
• 3.3.3 混合溶剂法两步萃取分离纯化果糖月桂酸酯
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 一阶段各种因素对萃取果糖月桂酸单酯的影响
• 3.4.2 二阶段各种因素对果糖月桂酸单酯的影响
• 3.5 小结
• 第四章 纯品的制备及性质表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 样品的制备
• 4.3.2 柱层析梯度洗脱制备纯品
• 4.3.3 果糖月桂酸单酯的水溶性测定
• 4.3.4 果糖月桂酸单酯HLB的计算
• 4.3.5 果糖月桂酸单酯表面张力和CMC值的测定
• 4.3.6 果糖月桂酸单酯溶液最大吸附量（Γmax）的计算
• 4.3.7 果糖月桂酸单酯溶液表面吸附分子最小截面积（Amin）的计算
• 4.3.8 果糖月桂酸单酯溶液胶束自由能（ΔGm）的计算
• 4.3.9 果糖月桂酸单酯乳化性及起泡性的测定
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 分离纯化产物纯度
• 4.4.2 果糖月桂酸单酯的水溶性
• 4.4.3 果糖月桂酸单酯的HLB值
• 4.4.4 果糖月桂酸单酯的表面张力和CMC值
• 4.4.5 果糖月桂酸单酯的表面性质
• 4.4.6 果糖月桂酸单酯的乳化性及乳化稳定性
• 4.4.7 果糖月桂酸单酯的起泡性及泡沫稳定性
• 4.5 小结
• 结论和展望
• 结论
• 本文的创新之处
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件