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酶法合成阿魏酰基脂肪酰基结构酯的研究

作　者: 孙尚德
导　师: 王兴国
学　校: 江南大学
专　业: 粮食、油脂及植物蛋白工程
关键词: 阿魏酸 阿魏酸乙酯 阿魏酰基甘油 阿魏酰基单脂肪酰基结构酯 阿魏酰基二脂肪酰基结构酯 酶催化 短程分子蒸馏 活性表征
分类号: TQ245.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


阿魏酸（Ferulic acid,FA）是一种广泛存在于植物界的酚酸,其化学名称为4-羟基-3-甲氧基-2-苯丙烯酸,又称4-羟基-3-甲氧基肉桂酸;是一种纯天然的具有抗氧化、紫外吸收活性、抗炎症、抗癌和抗诱变等功能的成分。但由于阿魏酸在疏水体系中的溶解度较低,限制了阿魏酸在脂溶性食品、化妆品和医药等体系中的应用,因此提高其脂溶性是增强其在这些领域中应用的前提条件。阿魏酰基脂肪酰基结构酯是一类亲脂性的阿魏酸的衍生物,但目前报道的关于阿魏酰基脂肪酰基结构酯的合成方法存在得率低、反应时间长和溶剂参与等缺点。本文主要从阿魏酰基脂肪酰基结构酯的酶法合成路线、产物的分离纯化及其活性表征方面进行了研究。开发了一个新的无溶剂的两步连续酶法为合成阿魏酰基单脂肪酰基结构酯（FMAGs）和阿魏酰基二脂肪酰基结构酯（FDAGs）的最佳路线（FMAGs和FDAGs的组合产率可以达到96%）:第一步是通过阿魏酸乙酯（EF）和甘油在Novozym 435催化下的酯交换反应合成阿魏酰基甘油（FG）,第二步是通过油酸与FG在Novozym 435催化下的酯化反应分别得到FMAGs和FDAGs;并且从反应动力学方面确立了减压旋转生物反应器为合成FMAGs和FDAGs的最佳反应器。分别对合成FG、FMAGs和FDAGs的反应条件、反应动力学及反应机制进行了研究。合成FG的优化条件为:底物比EF/甘油（mol/mol）=1:10,加酶量10%（以总底物计）,反应温度60℃,反应时间10h,真空度10mmHg;在此条件下FG的产率可以达到96%,并且酶可以重复利用10次以上;反应的活化能为83.1KJ/mol,反应的动力学参数Km、Vm和kI分别为4.02×10-2 mol/L、10.05 mol/（L·min）和1.33×102 mol/L。利用响应面法对影响FMAGs合成的工艺条件（反应温度55-65 oC,加酶量8-14%,油酸/（FG +甘油）6:1-9:1,和反应时间1-2 h）进行了优化,优化工艺条件如下:反应温度60℃、加酶量8.2%、油酸/（FG +甘油）（w/w）8.65:1和反应时间1.5h;在这套优化的工艺条件下,FG的转化率和FMAGs的产率分别为96.7%和87.6%;酯化反应的活化能为42.1KJ/mol;本反应可作为“假一级反应”来处理,反应的动力学参数Km,Vm和kI分别为4.25×10-1 mol/L、7.35×10-2 mol/（L·min）和1.62×10-2 mol/L。合成FDAGs最佳反应条件:反应温度65℃;加酶量7.5%;底物比7.5 :1 （油酸/（FG +甘油）, w/w）;反应时间12h;在此反应条件下,FG的转化率和FDAGs产率分别可以达到98.8±1.0%和82.6±2.2%,Novozym 435在此反应条件下可以重复利用18次;而且该反应体系能够有效地消除外传质的限制;反应的活化能为67.4KJ/mol;本反应符合Ping-Pong Bi–Bi机制,通过Lineweaver-Burk图得到Vm和Km值:Vm = 5.26×10-4 mol/（L·min）,Km = 0.26 mol/L。采用新型的绿色分离技术分子蒸馏对产品FDAGs和FMAGs分别进行了分离纯化研究,并通过响应面优化了它们的分离纯化条件。FDAGs的分离纯化条件为:进料速率1mL/min和蒸发温度213℃,在此优化条件下,产品中FDAGs的纯度和得率分别为93.3±1.5%和75.5±2.5%。FMAGs的分离条件为:待分离产品（EF + FG + FMAGs +FDAGs）先在178℃和1.45mL/min条件下去除产品中的EF + FG组分,剩余的FMAGs+ FDAGs混合物再在213℃和1.00mL/min的条件下进行分离,产品中FMAGs的纯度和得率分别为92.1±1.2%和30.1±1.9%。FMAGs和FDAGs的最大紫外吸收波长分别为326nm和329nm,处于UVB和UVA之间,并且和FA的最大紫外吸收波长（322nm）基本一致,表明FMAGs和FDAGs仍然具有较好的UV吸收活性。猪油抗氧化试验结果也表明FMAGs和FDAGs具有很好的抗氧化性。FMAGs和FDAGs较好的脂溶性和紫外吸收、抗氧化活性为其在脂溶性食品、化妆品和医药等领域的应用开辟了新的途径。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-34
  1.1 概述  11
  1.2 阿魏酸的理化性质及生理功能  11-13
    1.2.1 阿魏酸的理化性质  11-12
    1.2.2 阿魏酸的生理功能  12-13
  1.3 脂溶性阿魏酸衍生物的研究现状  13-16
    1.3.1 阿魏酰基烷基酯  13
    1.3.2 V_E 阿魏酰基酯  13
    1.3.3 阿魏酰基脂肪酰基结构酯  13-16
  1.4 脂肪酶在脂质合成与生产中的应用  16-20
    1.4.1 脂肪酶的简介  16-17
    1.4.2 脂肪酶在结构脂质合成与生产中的应用  17-20
  1.5 分子蒸馏技术在脂质生产中的应用  20-23
    1.5.1 分子蒸馏概述  20-21
    1.5.2 分子蒸馏技术在油脂工业中的应用  21-23
  1.6 立题意义和主要研究内容  23-24
  参考文献  24-34
第二章 阿魏酰基脂肪酰基结构酯酶法合成路线的确定  34-48
  2.1 引言  34
  2.2 实验材料与方法  34-36
    2.2.1 实验材料  34-35
    2.2.2 一步合成法  35
    2.2.3 两步合成法  35-36
  2.3 分析检测  36-37
    2.3.1 液相色谱分析  36
    2.3.2 阿魏酰基脂肪酰基结构酯的鉴定  36-37
  2.4 结果与讨论  37-45
    2.4.1 合成阿魏酰基脂肪酰基结构酯的路线的确立  37-38
    2.4.2 产物的HPLC-ESI-MS 分析  38-44
    2.4.3 反应器和副产物水分的去除对反应速率的影响  44-45
  2.5 本章小结  45-46
  参考文献  46-48
第三章 阿魏酰基甘油的酶法合成  48-64
  3.1 引言  48
  3.2 材料与方法  48-50
    3.2.1 主要实验材料  48
    3.2.2 实验路线  48-49
    3.2.3 分析方法  49
    3.2.4 阿魏酰基甘油的分离纯化  49
    3.2.5 ~1H-NMR  49
    3.2.6 酶的重复利用  49-50
  3.3 结果与讨论  50-62
    3.3.1 生物催化剂的筛选  50
    3.3.2 合成阿魏酰基甘油（FG）路线的确立  50-51
    3.3.3 NMR 分析  51-52
    3.3.4 反应器的确立  52-53
    3.3.5 加酶量对形成FG 的反应的影响  53
    3.3.6 旋转转速对形成FG 的反应的影响  53-54
    3.3.7 反应温度对形成FG 的反应的影响  54-55
    3.3.8 反应时间对形成FG 的反应的影响  55-56
    3.3.9 底物比对形成FG 的反应的影响  56
    3.3.10 酶的重复利用对形成FG 的反应的影响  56-57
    3.3.11 反应动力学研究  57-62
  3.4 本章小结  62
  参考文献  62-64
第四章 阿魏酰基单脂肪酰基结构酯的酶法合成  64-81
  4.1 引言  64
  4.2 实验材料与方法  64-67
    4.2.1 实验材料  64-65
    4.2.2 阿魏酰基甘油的合成  65
    4.2.3 阿魏酰基单脂肪酰基结构酯（FMAGs）的合成  65
    4.2.4 分析方法  65
    4.2.5 响应面试验设计  65-66
    4.2.6 统计分析  66-67
  4.3 结果与讨论  67-78
    4.3.1 生物催化剂的筛选  67
    4.3.2 甘油对形成FMAGs 反应的影响  67-68
    4.3.3 反应时间对形成FMAGs 的影响  68
    4.3.4 反应温度对形成FMAGs 的反应的影响  68-69
    4.3.5 加酶量对形成FMAGs 的反应的影响  69-70
    4.3.6 反应底物比对形成FMAGs 的反应的影响  70-71
    4.3.7 响应面对酶催化形成FMAGs 的反应条件的优化  71-75
    4.3.8 反应动力学研究  75-78
  4.4 本章小结  78
  参考文献  78-81
第五章 阿魏酰基二脂肪酰基结构酯的酶法合成  81-94
  5.1 引言  81
  5.2 实验材料及方法  81-82
    5.2.1 实验材料  81-82
    5.2.2 阿魏酰基甘油的合成  82
    5.2.3 阿魏酰基二脂肪酰基结构酯（FDAGs）的合成  82
    5.2.4 分析方法  82
    5.2.5 统计分析  82
  5.3 结果与讨论  82-91
    5.3.1 生物催化剂的筛选  82-83
    5.3.2 甘油对形成FDAGs 的反应的影响  83
    5.3.3 反应时间对形成FDAGs 的反应的影响  83-84
    5.3.4 反应温度对形成FDAGs 的反应的影响  84
    5.3.5 加酶量对形成FDAGs 的反应的影响  84-86
    5.3.6 反应底物比对形成FDAGs 的反应的影响  86-88
    5.3.7 旋转速度对形成FDAGs 的反应的影响  88
    5.3.8 酶的重复利用对形成FDAGs 的反应的影响  88-89
    5.3.9 反应动力学研究  89-91
  5.4 本章小结  91-92
  参考文献  92-94
第六章 阿魏酰基脂肪酰基结构酯的分离纯化及活性表征  94-110
  6.1 引言  94-95
  6.2 实验材料及方法  95-98
    6.2.1 实验材料  95
    6.2.2 实验仪器  95-96
    6.2.3 阿魏酰基脂肪酰基结构酯的合成方法  96
    6.2.4 短程分子蒸馏分离纯化实验  96-98
    6.2.5 统计分析  98
    6.2.6 猪油的制备  98
    6.2.7 油脂氧化稳定性实验  98
    6.2.8 分析方法  98
  6.3 结果与讨论  98-107
    6.3.1 分子蒸馏原料分析  98-99
    6.3.2 响应面对阿魏酰基脂肪酰基结构酯的分离纯化的优化  99-103
    6.3.3 阿魏酰基脂肪酰基结构酯的活性表征  103-107
  6.4 本章小结  107
  参考文献  107-110
主要结论与展望  110-112
论文创新点  112-113
致谢  113-114
攻读博士期间发表的论文和取得的学术成果  114

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本有机化学工业 > 芳香族化合物的生产 > 芳香族羧酸及其衍生物 > 芳酸
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