Vo1.5NO.3 Mar.2O10 中国科技论文在线Sciencepaper Online 第5卷第3期 2010年3月 蔗糖酯合成与分析 赵静,柴成文,李文军 (北京科技大学应用科学学院,北京100083) 摘 要:蔗糖酯是一种高效乳化剂和表面活性剂,在工业上具有广泛的用途。对蔗糖酯的合成和分析方法研究进展进 行综述,其合成方法主要有溶剂法、无溶剂法、微乳化法和酶催化法4种。其中溶剂法和酶催化法需用有毒溶剂,限 制了产品在食品等行业的应用;无溶剂法反应温度较高,易产生焦化,产品质量得不到保证 微乳化法以丙二醇或水 代替有毒溶剂,利用乳化剂使反应体系成为近似均相,是无毒高效的生产工艺。介绍薄层色谱、柱层析、高效液相色 谱、红外色谱等在蔗糖酯分析中的应用,并总结了各自的特点。 关键词:蔗糖酯;合成;分析;表面活性剂 中图分类号:TS202.3 文献标志码:A 文章编号:1673—7180(2010)03—0206—6 Analysis and synthesis of the sucrose ester Zhao Jing,Chai Chengwen,Li Wenjun (Applied Science School,University ofScience and Technology Beijing,Beo'ing 100083,China) Abstract:Sucrose ester is a highly eficifent emulsiifers and surface active agent and has a wide range ofapplications in the industry.This paper reviews the synthesis and analysis methods of sucrose esters.There ale four ways to synthesize SLICTose esters:solvent method non-solvent method,microemulsifiatcion method and etlZme catalyst method.Solvent method and enzymecatalystmehotdinvolvepoisonous solventwhichrestrictstheapplicationsofsucroseestersinfoodindustry.Non-solvent method usually needs hi reaction temperature which causes the materials caramelization and lowers the product quality. Microemulsiicatfion method is eficiefntandnon-toxicproductionprocess.Itusespropyleneglycol orwateras olsventinstead of hetoxitc substancesandmakesthe reaction system similartobehomogenomphasebyadding emulsifying agents.Thesucrose ester analysis methods are introduced including thin-layer chromatography,column chromatography,high performance liquid chromatography,infraredchromatographyandSO on.Theircharacteristicsale summarizedrespectively. Key words:sucrose ester;synthesis;analysis;surface active agent 蔗糖 ̄NSE)又称蔗糖脂肪酸酯,是一种无毒、易生 物降解、具有良好表面活性的非离子表面活性剂,有着 广泛的用途。蔗糖酯在食品工业中可用作乳化剂、发泡 增强免疫力和抗菌眭方面的研究也引起科学界的关注。 蔗糖酯按蔗糖中羟基与脂肪酸酯化度的不同可分 为单酯、双酯和多酯,单酯溶于温水,双酯、三酯及多 酯难溶于水。蔗糖酯的熔点范围为50 ̄100℃,温度过 高会使蔗糖残基焦糖化而发黑。蔗糖酯在20℃以下水 剂、黏度调节剂、润滑光泽剂、抗老化剂、润湿与分散 剂、抗菌剂;在日化工业中作洗净剂和化妆品;在医药 工业中作增溶剂、分散剂、渗透剂、乳化剂、包覆剂、 解作用较小,在120℃以下稳定,加热到145℃以上时 则容易发生分解。 崩解剂等l1 l2】。近年来蔗糖酯作为生理活性物质,在抗癌、 收稿日期:2009—12—09 作者简介:赵静(1985一),女,硕士研究生,主要研究方向:蔗糖脂合成 通信联系人:柴成文,高级工程师,主要研究方向:新材料合成研究, chai@sas.ustb.edu.cn 第20 1 0年月蠢3 蔗糖酯合成与分析 庶侣日日 口胧一]刀 I 207 蔗糖单酯结构式如图1所示。当蔗糖酯结构中的羟 基氢原子进一步被R(c H 3(C H ) 一 一)取代时获 得双酯、三酯及多酯。 1'CI-120H H 4 。 0}{ H 图1蔗糖单酯结构 Fig.1 Structure of the sucrose monoester 1蔗糖酯合成原理 蔗糖酯的合成采用酯交换法,即蔗糖与脂肪酸低碳 醇酯在碱性催化剂作用下发生酯交换反应,得到蔗糖酯 和低碳醇。 蔗糖酯是蔗糖(亲水)和脂肪酸(亲油)的酯化产 物。其中的蔗糖是二糖,含1个葡萄糖吡喃环、1个果 糖呋喃环和8个自由羟基。如图1所示,8个自由羟基 中位于6,6’,1’位置上的3个伯羟基最容易被酯化, 然后是5个仲羟基。一般认为3个伯羟基被酯化的难易 程度是1’>6’>6位,即蔗糖单酯一般是6位上的羟基被 酯化,但它们的差别不大。5个仲羟基酯化的难易程度 基本相同。 蔗糖酯合成一般采用碱催化反应。反应机理 刮可解 释为:蔗糖与碱作用生成蔗糖化物(Sucmte),由它离解 成的阴离子进攻带有阳电荷的脂肪酸酯(以硬脂酸甲酯 为例)的羧基碳,发生亲核取代反应,从而生成蔗糖酯。 对此可用下列反应式表示: R”OH+Na0H——R”ONa+H 0 R”ONa—~R”O。+Na 0 o一 0一 【 l ll R—c—oR’+R”o。——[R—C—OR’]——R—C—OR”十R’o— loR” R’0 +R”OH——R”O。+R’OH 其中:R”OH代表蔗糖; o。代表蔗糖化离子; O II^R—c乙L儿 o 代表脂肪酸低碳醇酯;R'刚 敞 愀 日日 OH ̄o 2蔗糖酯的合成方法 以蔗糖为化工原料的研究始于1948年,美、英为 首的西方制糖工业并为此成立了国际性的研究机构,从 而开辟了一个新的领域—糖化学。从此科学家们不断 致力于研究各种合成蔗糖酯的新方法,合成原料、合成 途径和催化剂的选择等都在不断地创新。到目前为止蔗 糖酯的合成已有溶剂法、无溶剂法、微乳化法和相转移 催化法等各种方法。 2.1溶剂法 溶剂法最早是在20世纪50年代由Snell[14]提出的, 其合成的表面活性剂蔗糖酯是这一领域的第一批产品。 溶剂法生产蔗糖酯1959年在日本实现工业化生产。溶 剂法主要是以二甲基甲酰胺(D )或二甲基亚砜 (DMSO)作溶剂,碳酸钾为催化剂,使蔗糖与脂肪酸酯 发生酯化反应生成蔗糖酯。溶剂法的主要缺点是所采用 的溶剂有毒,不利于食品和生活用品方面应用。提纯精 制产品需要的设备投资大,成本高。 2-2无溶剂法 无溶剂法是通过高温使反应物成为熔融相,蔗糖 和脂肪酸酯在熔融相中发生酯化反应。无溶剂法反应 温度较高,蔗糖易焦化结块,反应常无法正常进行。 有人通过在无溶剂反应体系中加入乳化剂、表面活性 剂或其它助剂获得低温相溶相或低温固液非均相,使 反应得以改进。 有文献报道,以硬脂酸甲酯和蔗糖为原料无溶剂合 成蔗糖酯,用恒温仪通过控制石蜡浴温度使原料熔化, 保持反应温度在120℃,用硬脂酸单甘酯为乳化剂,SrO 为催化剂,在磁力搅拌作用下使反应以恒温进行,该方 法在无溶剂体系中合成蔗糖酯的最高产率为42.2%IJ 。 章亚东等 叫用乙醇代替有毒的甲醇在酸催化下与硬脂 酸反应制出了硬脂酸乙酯。以合成硬脂酸乙酯和蔗糖为 原料在催化剂和乳化剂的作用下,控制压力4.35 kPa, 温度120℃,用无溶剂酯交换法合成蔗糖硬脂酸酯,产 率可达到75.2%。硬脂酸乙酯和蔗糖的反应属于可逆反 应,为了反应有利于向正方向进行,要不断蒸出反应生 成的乙醇,破坏反应的平衡,使酯交换反应趋向完全。 降低压力也可促进反应向产物方向进行,加快反应速 率,同时有隔绝空气作用,可防止蔗糖氧化,保持反应 体系良好的熔融状态。胡健华等【J 以蔗糖、硬脂酸甲酯 为原料,用硬脂酸钾作助溶剂,控制反应温度135℃, 208 中国科技论文在线Sciencepaper Online 第5卷第3期 2010年3月 压力1.33 kPa,以非均相无溶剂体系合成蔗糖酯的产率 达到82%。 二醇作为溶剂。水乳化法反应的关键是控制反应过程始 终维持在微乳化状态。必须在油水分散体系中加入足够 以食用油酯为原料,无溶剂法合成蔗糖酯的研究也 进行了许多 uJ,研究主要用K2CO3和硬 酸钾作为催 化剂和助溶剂,获得低温相溶相或固液混合相,合成蔗 糖酯的产率大都超过70%。以油脂为原料,直接经醇解、 预皂化后以无溶剂法合成蔗糖酯的生产工艺也有研究, 但后序产品纯化工艺非常复杂}l 。孙庶冬等 以蔗糖、 量表面潘陛剂时,使油、水、蔗糖和表面活性剂组成的 体系界面张力下降到难以测量的程度,甚至达到负值, 但负的界面张力是不稳定的。要保持体系的稳定,必然 要增大分散度,扩大界面积,使体系的界面张力由负值 变为零,从而自发达到微乳化状掖的稳定体系。因而可 以通过加入多量的表面活性剂,控制反应体系处于透明 棉籽油为原料直接合成蔗糖酯。首先使苛性钾与脂肪酸 乙酯反应生成部分中性皂作为乳化剂,再加入~定量的 蔗糖,使蔗糖和脂肪酸乙酯在较低温度下达到相溶状 态,进而在均相下发生酯交换反应合成蔗糖酯。用这种 工艺合成蔗糖酯时,在形成均匀熔融物系所需的乳化剂 (脂肪酸皂)不是直接加入,而是反应物脂肪酸乙酯在 体系内部分皂化自然生成中性皂。反应物系稳定,熔融 状态良好,操作条件要求不高。毛逢银等【2 采用微波 加热技术以无溶剂法合成蔗糖酯,与传统加热技术相 比,大幅缩短了反应时间,提高了产率。 无溶剂法合成蔗糖酯的方法还包括相转移催化法, 即利用相转移催化剂在两相界面的特殊运输作用,将反 应物从一相运输到另一相,从而使反应顺利进行。刘慧 娟等[23j采用相转移催化法以硬脂酸甲酯和蔗糖合成蔗 糖酯,温度控制在95 ̄1 00℃就可很好地进行反应。用 相转移催化法合成蔗糖硬脂酸甲酯较与其它无溶剂法 相比,设备简单,反应在常压和较低温度的温和条件下 就可进行,且反应时间短,反应产率较高。 2_3微乳化法 此方法是对溶剂法的改进。采用丙二醇或水代替溶 剂法所使用的DMW和DMSO有毒溶剂,并加入乳化剂, 使反应体系形成近似均相体系的乳化液。根据替代溶剂 的不同,微乳化法又分为丙二醇法和水溶剂法。 丙二醇法以丙二醇为溶剂,脂肪酸钠做乳化剂,将 蔗糖和脂肪酸酯在丙二醇溶液中加热、搅拌形成微乳化 液。然后适当升温减压,在短时间内可完成反应。方法 不含有毒溶剂,丙二醇可回收,且残存不妨碍在食品中 应用。缺点是容易产生焦糖化,蔗糖损失量较大,产品 可能被着色。孙果宋等 进行了由蔗糖和脂肪酸乙酯在 丙二醇溶剂中经酯交换合成蔗糖脂肪酸酯的研究,他们 不仅进行了小试、中试试验,而且完成了300 t/a规模的 工业性技术开发实验。合成分2步进行:首先将脂肪酸 与乙醇反应生成脂肪酸乙酯,第二步蔗糖与脂肪酸酯的 酯化。该工艺合成蔗糖酯收率在78%以上,总酯质量分 数在91%以上。 水溶剂法是对丙二醇法的进一步改善,以水代替丙 的微乳化状态,以使反应过程中蔗糖小滴不致聚集而析 出结晶,保证酯交换反应顺利进行 。另外水的引入可 能导致水解,因此必须控制水的用量以及适宜的反应温 度与压力,避免脂肪酸酯的水解。此方法合成产品单酯 含量高,反应条件温和,反应时间短,成本低,原料转 化率较高,是蔗糖酯合成史上的较大突破。韦异等 以蔗糖和硬脂酸甲酯为原料,蔗糖:硬脂酸甲酯(摩尔 Lk)=4:1,乳化剂用量30%,催化剂用量5%,反应时 间2.5 h。压力0.07--0.14 Pa,水溶剂法合成蔗糖酯的重 量产率105.9%。 2.4微生物法 微生物法又称酶催化法。是随着生物技术的发展, 人们发现的一种新的蔗糖酯合成方法,研究发现许多脂 肪酶可以使蔗糖和脂肪酸酯反应生成蔗糖酯,并且反应 选择性强,产物分离简单口 。与化学催化法相比,酶催 化法合成的蔗糖酯不仅具有乳化、湿润和增溶等作用, 而且具有增强免疫、抗肿瘤等性能。酶催化合成蔗糖酯 方法的缺点是反应必须在适当的有机溶剂分散条件下 进行,酶才能在体系中充分分散,而目前常用的溶剂主 要有四氢呋喃、甲苯、环己烷、吡啶、苯和二甲基甲酰 胺等,都有一定的毒性,不利于产品在食品等行业中的 应用 3蔗糖酯的分析 我国早在1987年就颁布了蔗糖酯的标准 (GB8272-I 987),规定了蔗糖酯的质量分析标准方法, 并在2009年用新标准(GB8272-2009)代替旧标准,进一 步完善了蔗糖酯的质量控制体系。标准对蔗糖酯的外 观、成分、酸值和游离糖都规定了测定方法,但主要是 传统的容量分析方法,对成分的分析也局限于定陛,现 代分析仪器的应用和近年新发展的分析方法在标准中 未见体现。现将标准以外的其它分析方法进行介绍。 3.1 HLB的测定 亲水亲油平衡值(F{I )表征了蔗糖酯产品作为乳化 剂的乳化眭能,通过控制蔗糖酯中脂肪酸残基的碳数和 酯化度或对不同酯化度的蔗糖酯进行复配,可以获得不 第5卷第3期 2010年3月 蔗糖酯合成与分析 209 同HLB值蔗糖酯产品, 使它成为水包油型或油包水型 乳化剂。 测定HLB值是根据HLB值具有加和性的特点, 利用已知HLB值的非离子表面活性剂与水体积数的 关系求蔗糖酯的HLB值,具体方法是:用已知HLB 值的聚氧乙烯失水山梨醇单油酸 ̄(HLB15)、聚氧乙 烯失水山梨醇单棕榈酸 ̄(HLB15.6)、失水山梨醇三 油酸 ̄(HLB1.8)的混合物做标准物质,将一定量不 同HLB值的混合标准在比色管中溶于 Ⅳ二甲基甲 酰胺和苯的混合液中,在电磁搅拌下,由滴定管缓 缓滴入蒸馏水,滴至从比色管前看置于管后的3号 字体模糊为终点,记录所耗用蒸馏水的毫升数,以 HLB值和水的毫升数做标准睦线。以同样方法测得 滴定蔗糖酯至终点消耗的水的毫升数,从标准曲线 查得HLB值[25,281。 3-2薄层色谱分析 蔗糖酯合成产物中可能含有单酯、双酯、多酯以及 未参与反应的脂肪酸、蔗糖等成分。由于极性不同,这 些化合物在薄层层析板上展开的 ,值不同,因此利用薄 层色谱法可定性或半定量测定蔗糖酯的成分和纯度。蔗 糖酯薄层分析常用的显色剂有硫酸甲醇溶液、硫酸蒽酮 溶液及脲.磷酸.正丁醇溶液。通常使用与水可以一定比 例混合或无限互溶的有机溶剂作为展开溶剂。 李延科等【2 将蔗糖单酯标准溶液和各种蔗糖酯样 品溶液分别点于同一块硅胶G板上同时展开并显色,通 过计算厮值和颜色,对蔗糖酯中的单酯成分进行了较好 的定陛分析。谢德明等【j叫采用自制硅胶薄层层析板,以 体积比95:4:1的苯、甲醇、冰醋酸为展开剂,50% 的硫酸为显色剂分析蔗糖酯,谱图显色后成一连续的带 状,从原点向溶剂前沿方向,样品成分斑点的颜色越来 越深,说明产品中高酯的含量较大,相反则低级酯含量 较多,因为酯化度越高,蔗糖酯的母值越大。 关于蔗糖酯的薄层色谱定量分析报道较少,以前曾 有方法将分离后的斑点从薄板上刮下,再用比色定糖法 来定量测定蔗糖酯的含量,但这种定量方法不仅繁琐, 而且准确度往往不高。阳会兵等 通过对薄层分离显色 后的斑点进行单 ̄z(610 nm)反射法锯齿扫描测定了烟 叶表面蔗糖酯的含量。结果显示,实验条件下测定的相 对偏差小于3.5%,平均回收率为96.63%,方法具有较 高的准确度。 Simonovska J提出一种离线薄层色谱质谱分析 联用技术分析烟叶表面的蔗糖酯的新方法,实验中将色 谱分离后的样品进行质谱扫描,通过所得质谱图与已知 图谱对比鉴定该物质是否为酯。 3-3柱层析分析 柱层析是一种固一液吸附色谱,利用混合物中各组 分在特定吸附剂中具有不同的吸附溶解性(即分配),进 行反复的吸附溶解作用,使样品沿着一个方向前移动将 不同极幽 各组分分离。柱色谱的吸附剂有氧化铝、硅 胶、氧化镁和碳酸钙等,分离以酯类为主的有机化合物 一般选用硅胶作为吸附剂。洗脱剂的选择通常是根据分 离物质中各组分的极性、溶解性来考虑。一般来说,非 极 化合物要用非极陛溶剂,当被分离组分较多且有些 组分在极眭低的溶剂中溶解度很小时,可适当加入少量 极性较大的溶剂。 柱层析通常在层析柱中进行,柱内装有固体吸附剂 作固定相。样品从柱项端加入,在洗脱剂作用下向下移 动,由于各组分被吸附能力不同,下移速度也不一样。 于是在柱中形成不同的谱带(层次),各组分谱带随溶剂 先后从色谱柱下端流出。如果各组分均为有色物质,可 直接观察到不同的颜色谱带并分别收集。如果各组分为 无色物质,可用紫外光照射后所显现的荧光来检测。朱 金珍lj 则将洗脱液分段收集,利用薄层层析定性后,将 相同组分合并,蒸干后称重,用该方法测定了以蔗糖、 脂肪酸甲酯为原料合成蔗糖酯的含量。 3.4高效液相色谱 高效液相色谱(HPLC)将经典柱色谱与气相色谱法 理论相结合,在技术上采用高压泵、高效固定相和高灵 敏度检测器,实现了高效分离、快速分析和自动化操作。 最重要的是实现了分离和检测—体化,连续完成了分离 与测定。 杨勤萍等 以Lichrosorb RP-18为分离柱,甲醇 和水作为流动相,四氢呋喃作溶剂,用高效液相法完全 分离了极性不同的蔗糖单、双和多酯。用220 nlTl紫外 检测快速定性、定量地分析了各成分的含量。朱金丽等 人则用Hypersil C8色谱柱,以甲醇、四氢呋喃混合液 和水的二元溶剂系统为流动相,梯度洗脱,采用高效液 相蒸发光散射检测联用技术对蔗糖酯标样和合成的蔗 糖酯进行了定}生和定量分析。方法有效地分离了蔗糖酯 产品中的蔗糖、蔗糖单酯、蔗糖二酯、脂肪酸、硬脂酸 甲酯和蔗糖多酯 oJ。 3.5红外测定 周小娟等[37-381采用KBr压片涂膜法,用红外光 谱仪扫描,通过观察特征吸收峰的归属来确定是否 有酯生成。对蔗糖而言,主要红外特征吸收峰分别 为:3 334.78 cm 的O—H伸缩振动;2 937.98 cm 的C—H的伸缩振动;1 069.74 cm- 处与仲醇羟基相连 的C—O伸缩振动;992.20cm- 的与伯醇羟基相连的C 210 中国科技论文在线Sciencepaper Online CosmetToilelries,1995,l10(I):55_59. 第5卷第3期 2010年3月 0的伸缩振动;914.13 cm 和865.22 cm- 的D一吡喃 葡萄糖的吸收带 而蔗糖经酯化变性后,光谱图中在 1 729.05 cm 和l 566.92 cm 处产生了羧酸盐伸缩振动 区的特征吸收峰,在1 230 ̄1 050 cm 出现了酯中C—O —[3]删 Rhode O.Sug ̄-based mrfacml ̄for constm'lcr products删 technicalapplications[J1.F钒 蚺1999,l 1):25-33. 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DragsPhamaSci,2000,105(1):1-l8. 3.6测定蔗糖酯的纯度 蔗糖酯合成产品中常含未反应的原料蔗糖和脂肪 酸酯,测定产品中残糖和残余脂肪酸酯的量可求得蔗糖 酯的含量。 残糖的测定,称取一定量真空干燥后的样品,在 10%氯化钠水和正丁醇混合溶液中搅拌溶解,待溶解完 全后将油水两相分离。水层含未反应糖和无机盐,正丁 醇层含蔗糖酯、皂、脂肪酸乙酯。用旋光计测定水层的 旋光度,根据旋光度可计算残糖的百分含量。 未反应酯含量测定则利用了皂化反应,称取3 g样 品于干燥的500mL锥形瓶内,加入25mL的0.5mol/L KOH乙醇溶液,安装回流冷却器,加热回流60 min, 冷却,用0.5 mol/LHC1滴定,滴至酚酞变为无色即为滴 定终点。按同一操作步骤作~空白样。根据皂化过程消 耗的碱量计算出未反应酯量。 样品总量减去残糖和未反应酯,得出样品中蔗糖酯 含量,进而求得产品中蔗糖酯百分含量。 4展望 蔗糖酯作为一种重要的乳化剂和表面活性剂在食 品、医药、化妆品等行业的应用越来越广泛,消耗量也 快速增加,在国际上已成为重要的食品添加剂。目前世 界上生产蔗糖酯的国家主要有美国、英国、日本、法国、 意大利等,其中日本年产量居世界首位,用量也较大。 我国从20世纪80年代起开始研制蔗糖酯,但由于生产 工艺等方面的原因,生产成本以及产品质量与日本产品 都有较大的差距。目前我国的蔗糖酯产量还远远不能满 足市场的发展需要,而合成蔗糖酯的原料蔗糖和脂肪酸 国内资源十分丰富。因此,今后蔗糖酯工业的发展关键 是要研究和采用先进的合成工艺,提高产品质量,降低 生产成本,扩大生产规模。发展蔗糖酯工业将不仅满足 国内不同行业的需求,也为国民经济的增长作出贡献。 嚏}考文献](References) [1】A}1s锄E Arnold J J,MeezanE et a1.Sucrose∞嗽a c ̄nponent of co∞ c ℃p 0ns'a1l1ar】oesI1asal锄d0cuk旷pc社 曲s ∞四.Int JPharm,2003,251(]/2):195-203. 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