应用苯基硼酸酶法合成糖酯

论文摘要

糖酯是一类用可再生资源合成的、无毒、易生物降解的非离子型表面活性剂,目前已经广泛应用于食品、医药和化妆品等行业,并且可以通过调控脂肪酸和糖的种类以及酰化的程度来合成不同HLB值的糖酯。本文针对目前酶法合成糖酯过程中糖在有机溶剂中溶解度低和产物纯度不够高的问题,以葡萄糖月桂酸酯为典型产品,对苯基硼酸在糖酯合成过程中的作用进行了研究。首先对苯基硼酸在糖酯合成的影响过程进行了深入的研究。苯基硼酸的加入明显提高了葡萄糖的溶解度和反应的专一性:在最佳参数葡萄糖/苯基硼酸为1:2（mol/mol）时,葡萄糖在叔丁醇中的溶解度大约提高了2倍,且反应中只有葡萄糖月桂酸单酯生成;糖的溶解度增加以后,成酯反应初期的反应速率提高了一倍,可望显著缩短反应时间;苯基硼酸的引入对单糖和中等链长脂肪酸的酯化率提高有显著效果,对二糖和长链脂肪酸酯化率的提高影响较小。其次对苯基硼酸增溶条件下酶法合成葡萄糖月桂酸酯的间歇生产工艺进行了优化。通过单因素实验,确定了间歇反应最佳工艺条件:葡萄糖50 mol/L,葡萄糖:苯基硼酸为1:2（mol/mol）,酸醇摩尔比为3:1,脂肪酶添加量为20 g/L,分子筛添加量为100 g/L,反应温度为50℃,反应溶剂为叔丁醇,反应时间24 h。在以上条件下,葡萄糖月桂酸酯转化率最高为90.1%。研究了苯基硼酸存在条件下,葡萄糖月桂酸酯合成的连续化工艺:溶剂为叔丁醇,1,2:3,5-葡萄糖苯基硼酸酯50 mmol/L,月桂酸150 mmol/L,脂肪酶10g,分子筛5 g,每天更换分子筛5 g,流速为0.2 mL/min。本反应器的产量可以达到12.4 g/（L·d）,葡萄糖的转化率为59.2%,葡萄糖酯的产量大大高于间歇式生产。研究了产物的分离纯化方法,利用正己烷对产物进行三次洗涤、离心处理,得到的产物葡萄糖月桂酸酯纯度达到89.46%。在此基础上设计了适合工业生产的工艺流程。采用Karl Fischer滴定法测定了反应体系中不同反应阶段的水分平衡浓度,估算了表观平衡常数。通过Karl Fischer滴定法制定了叔丁醇中3A分子筛的脱水等温线。利用反应过程中水分的质量物料平衡以及物质守恒定律,建立了理论预测葡萄糖酯平衡转化率的数学模型。验证了苯基硼酸存在时,叔丁醇溶剂中脂肪酶催化合成葡萄糖月桂酸单酯的预测模型的正确性。除分子筛过量和酸醇摩尔比高的情况外,葡萄糖月桂酸单酯的理论预测平衡转化率与实验值非常吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 非水介质中的脂肪酶催化
• 1.2 酶法合成糖酯的研究现状
• 1.3 苯基硼酸与糖结合的研究与应用
• 1.4 不同生物催化反应器合成糖酯
• 1.5 立题背景与意义
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 苯基硼酸对糖酯合成的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 苯基硼酸在糖酯合成中的作用
• 2.3.2 苯基硼酸对不同糖酯合成效果的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 苯基硼酸增溶条件下葡萄糖酯的间歇生产工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 葡萄糖酯的HPLC-MS 测定
• 3.3.2 苯基硼酸预增溶的必要性
• 3.3.3 葡萄糖酯合成的间歇工艺研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 苯基硼酸增溶条件下葡萄糖酯连续生产工艺的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料及方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 葡萄糖酯连续工艺研究
• 4.3.2 产物的分离纯化
• 4.3.3 连续生产工艺流程
• 4.4 本章小结
• 第五章 苯基硼酸增溶条件下预测糖酯平衡转化率的数学模型
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 脂肪酶催化合成
• 5.2.3 高效液相分析（HPLC）
• 5.2.4 分子筛的脱水等温线
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 叔丁醇中分子筛的脱水等温线
• 5.3.2 反应机理判别
• 5.3.3 反应平衡常数的确定
• 5.3.4 苯基硼酸增溶条件下预测葡萄糖酯平衡转化率的模型
• 5.3.5 数学模型的验证—不同酸醇摩尔比的影响
• 5.3.6 数学模型的验证—不同分子筛添加量的影响
• 5.4 本章小结
• 主要结论
• 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文