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一种基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法
技术领域
本发明涉及脂肪酸糖酯合成领域，尤其涉及一种基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法。
背景技术
脂肪酸糖酯是由糖作为亲水部分和脂肪酸作为疏水部分组成的非离子型生物表面活性剂，它的这两个组分都是天然可再生资源，所以脂肪酸糖酯具有生物可降解性、生物相容性和无毒，无味，无刺激性等优良的特性，已广泛用于食品、化妆品和制药行业。
目前工业生产中糖酯合成主要采用化学合成法，但其具有反应条件苛刻（需高温高压或强酸强碱）、产物特异性差，伴随有副反应的发生和各种形式衍生物的生成等缺点。尤其需要指出的是，合成反应需要使用挥发性有机溶剂作为反应介质，不仅无法溶解极性相反的两个反应物（糖和脂肪酸），而且还存在环境污染等问题。化学合成所需用到的化学催化效率不高，需要高温高压等反应条件，也不利于节能环保。因此，改进现有技术、引入对环境友好的溶剂和催化剂进行脂肪酸糖酯的合成，是非常必要的。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在离子液体中进行脂肪酸糖酯合成的方法，旨在解决现有脂肪酸糖酯合成方法中反应条件苛刻、伴有副反应发生和衍生物生成以及带来环境污染等问题。本合成方法反应条件温和，产物专一，所用溶剂（季铵盐离子液体）对环境友好，而且既充当反应介质又充当催化剂。
本发明的技术方案如下：
一种基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，包括步骤：
以[NBu₄][Ac]作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，反应温度为40~70℃。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，以质量分数计，反应介质的水含量大于16%。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，当采用离子液体作为反应介质时，通过HPLC制备柱进行制备，再经过真空离心干燥机 60℃下浓缩，4h后得到白色固体，即为脂肪酸糖酯。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，采用[NBu₄][Ac]与叔戊醇双溶剂作为反应介质。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其特征在于，所述[NBu₄][Ac]与叔戊醇的体积比为0.3/0.7。
所述的基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其中，脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类的摩尔比为1：1。
有益效果：本发明通过在离子液体系统中，对反应条件进行了设计和优化，简化糖酯合成、纯化工艺，提高了效率。
附图说明
图1为本发明实施例1加酶体系与不加酶体系的脂肪酸糖脂转化率对比示意图。
图2为本发明实施例1加酶体系与不加酶体系的月桂酸浓度对比示意图。
图3为本发明实施例2不同水分含量条件下的转化率对比示意图。
图4为本发明实施例3不同双溶剂比例条件下的转化率对比示意图。
图5为本发明实施例4不同酶量条件下的转化率对比示意图。
图6为本发明实施例4不同酶量条件下的月桂酸浓度对比示意图。
图7为本发明实施例5不同反应温度条件下的转化率对比示意图。
图8为本发明实施例5不同反应温度条件下的月桂酸浓度对比示意图。
图9为本发明实施例6[NMe₄][Ac]作为溶剂时不同水分含量条件下的转化率对比示意图。
图10为本发明实施例7[NEt₄][Ac]作为溶剂时不同水分含量条件下的转化率对比示意图。
图11为本发明实施例8不同离子液体条件下的转化率对比示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的一种基于离子液体的脂肪酸糖酯的合成方法，其包括步骤：
以[NBu₄][Ac]作为反应介质，将脂肪酸或脂肪酸酯与带有羟基的糖类按照摩尔比1:3~4:1加入到上述反应介质中，混合3~7分钟后，反应4~48h制得脂肪酸糖酯。
本发明所采用的离子液体采用[NMe₄][Ac]（四甲基铵醋酸盐）、 [NEt₄][Ac]（四乙基铵醋酸盐）或者[NBu₄][Ac]（四丁基铵醋酸盐）。
其中，带有羟基的糖类优选为无水葡萄糖（Glc），当然，亦可选择例如果糖、甘露糖、蔗糖、麦芽糖等，均可实现本发明的目的。
其中的酸可以是脂肪酸，例如各种长链饱和或不饱和脂肪酸，但更优选的是月桂酸，脂肪酸酯类可以是脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯等，但更优选的是月桂酸乙烯酯（VL），其可有效提高转化率。
本发明所采用的反应体系，其可以选用[NBu₄][Ac]单独作为反应介质，亦可选用[NBu₄][Ac]与叔戊醇双溶剂作为反应介质。
下面对本发明的反应体系进行具体说明。
1、[NBu₄][Ac]催化脂肪酸糖酯活性的验证
向[NBu₄][Ac]中加入适量的去离子水，使其呈液体状，并保证其水分含量为16%；取配制好的1mL[NBu₄][Ac]溶液于5mL EP管中，底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，按照如下的实验设计（见表1），进行实验，反应24h 后，加入2mL DMSO，稀释3倍，进行高效液相检测。
表1. [NBu₄][Ac]催化功能的实验设计

编号123456溶剂[NBu₄][Ac][NBu₄][Ac][NBu₄][Ac][NBu₄][Ac]2M2B[NBu₄][Ac]底物葡萄糖葡萄糖无无葡萄糖葡萄糖底物VLVLVLVLVL无催化剂N435无N435无无无
高效液相检测方法（下同）：所采用的柱子是反向C18柱：日本GL Sciences，Inc公司，inertsil ODS-SP，4.6 × 150 mm，5μm，检测器为RID（Shimadzu RID-10A型号），甲醇：水为85/15（在加入甲醇之前将pH值调到2.3，v/v），流速为1mL/min，柱温箱温度为40℃，进样量为10uL，保留时间为13min。实验结果如表2所示。
表2.[NBu₄][Ac]催化功能的实验结果
实验设计123456溶剂[NBu₄][Ac][NBu₄][Ac][NBu₄][Ac][NBu₄][Ac]2M2B[NBu₄][Ac]底物GlcGlc无无GlcGlc底物VLVLVLVLVL无催化剂N435无N435无无无GL转化率（%）33.3637.380000
从表2可知，当两种反应物（Glc和VL）加入到[NBu₄][Ac]中进行反应，不论是否加入脂肪酶（Novozym 435）都生成了产物GL（编号1和2），而在叔戊醇中反应，不加酶则不生成产物。这证明作为溶剂的[NBu₄][Ac]本身具有一定的催化活性，而叔戊醇则没有此催化活性。另外编号1的糖酯转化率比编号2稍低，这表明加入脂肪酶反而抑制转酯化反应的进行。
在以[NBu₄][Ac]作为溶剂的条件下：反应介质（[NBu₄][Ac]）的体积（溶剂量）为1mL，脂肪酶（N 435）质量为0~100mg，底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1:3~4:1，水分含量为5~25（%，w/w），混合3~7分钟，然后进行反应4~48h，反应温度为30~70℃。在反应结束后，可通过HPLC制备柱进行制备，再经过真空离心干燥机 60℃下浓缩，4h后得到白色固体，即为脂肪酸糖脂。
在反应过程中，可定时取出反应液并在1200rpm离心3min后，取10μl上清液用DMSO稀释4倍，进行HPLC检测。
实施例1、加酶与不加酶对糖酯转化率的影响
反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，溶剂量1mL， 水分含量16%，酶量100mg或不加酶，反应温度40℃，300rpm摇床下，开始反应，在特定的时间时取点。
其中的离子液体预先测定水分含量，并将其水分含量控制在16%，而月桂酸乙烯酯，则通过4?分子筛进行干燥2周以上（下同）。
上述实验结果如图1和图2所示，[NBu₄][Ac]具有催化糖酯合成和水解VL的能力，且不加酶的体系转酯化活性和水解活性更强些。
从图中可以看出，不加酶的反应体系中糖酯的转化率比加酶的高，而月桂酸的浓度比加酶的低，因此采用[NBu₄][Ac]作为溶剂跟催化剂更有利于制备糖酯并减少底物的水解。对于这两个反应体系，糖酯的转化率均在反应时间为12h达到最大，12h之后趋于平稳，月桂酸的浓度同样在12h时基本达到最大值。对于加酶反应体系而言，在有Glc的情况下，水解活性比不加酶反应体系的高，这与上述的结果一致。
实施例2、对水分含量进行优化：
反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，0.3M）1：1，溶剂量1mL，水分含量设置为8、10、12、14、16、18、20（%，w/w），反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图3所示，从图3中可以看出，水分含量在16%之前，转化率逐渐提升，而在16%之后没有明显上升，所以选择最优的水分含量为16%。
实施例3、对双溶剂体系比例进行优化：
以该离子液体作为催化剂跟共溶剂，与叔戊醇（2M2B）相混合形成双溶剂体系，进行脂肪酸糖酯的合成，筛选出合适的双溶剂体系比例，提高糖酯产率。
反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，溶剂量1mL， [NBu₄][Ac]/2M2B（v/v）比例为 0/1、0.05/0.95、0.1/0.9、0.2/0.8、0.3/0.7、0.5/0.5、0.7/0.3、1/0，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图4所示，从图4中可以看出，[NBu₄][Ac]与2M2B体积比为0.3/0.7和0.5/0.5时，糖脂转化率最高，从经济上考虑，选择比例为0.3/0.7作为最优的比例。
实施例4、酶量对糖酯转化率的影响：
以[NBu₄][Ac]/2M2B体积比（v/v）为0.3/0.7作为反应介质，反应条件如下：
底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，水分含量16（%，w/w），溶剂量1mL，反应温度40℃，酶量分别为0、5mg、10mg、20mg、30mg、40mg、60mg、80mg和100mg，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图5和图6所示，从图5和图6中可以看出，酶量为0时，糖酯转化率最高，月桂酸浓度最低。
实施例5、对温度进行优化：
以[NBu₄][Ac]/2M2B体积比（v/v）为0.3/0.7作为反应介质，反应条件如下：
底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，水分含量16（%，w/w），，溶剂量1mL，反应温度为40、50、60、70℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图7和图8所示，从图7和图8中可以看出，反应温度为40℃时，糖酯转化率最高，月桂酸浓度最低。
实施例6、对季铵盐离子液体的水分含量（水含量）进行优化
对于[NBu₄][Ac]，不同的水分含量对糖酯合成影响很大，选用三种季铵盐类离子液体有：[NMe₄][Ac]、[NEt₄][Ac]、[NBu₄][Ac]。
对[NMe₄][Ac]水分含量进行优化：
反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，0.3M）1：1，溶剂量1mL，水分含量设置为16、20、22、24、28、32、35（%，w/w），反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图9所示，从图中可以看出，水分含量在16%之前，转化率逐渐提升，而在16%之后没有明显上升反而下降，所以选择最优的水分含量为16% 。
对[NEt₄][Ac]水分含量进行优化：
反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，0.3M）1：1，溶剂量1mL，水分含量设置为8、10、12、16、18（%，w/w），反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图10所示，从图10中可以看出，水分含量在16%之前，转化率逐渐提升，而在16%之后没有明显上升，所以选择最优的水分含量为16% 。
实施例8、对三种季铵盐离子液体的糖酯转化率进行比较
季铵盐离子液体有：[NMe₄][Ac]、[NEt₄][Ac]、[NBu₄][Ac]，反应条件如下：底物摩尔比（VL/Glc，Glc：0.3M）1：1，溶剂量1mL，水分含量：20%、16%、16%，酶量100mg或不加酶，反应温度40℃，300rpm摇床下，反应24h。
结果如图11所示，从图11中可以看出，侧链长度越长，糖酯转化率越高，加酶情况下亦是如此。
实施例9、三种离子液体理化性质的测定
离子液体的粘度：使用AR1000流变仪(TA仪器，美国)在40℃下检测每个离子液体的粘度。具体步骤如下：测定这三种离子液体（[NMe₄][Ac]，[NEt₄][Ac]，[NBu₄][Ac]）的水分含量，保证其水分含量在16（%，w/w）；在AR1000系统中选用直径为25mm铝锥板，温度为40℃；将干燥后离子液体置于1.5mL EP 管中，40℃水浴槽中静置30min，离心12000rpm 2min，取100ul上清滴于AR Rheometer 铝板上（25mm ETC 铝板），初始温度为40℃，平衡2min，预剪切时间10s，每个样品的持续剪切10s，每分钟读取1个实验点，测定静态流变性质，取后面粘度平衡的点作为实验结果。
离子液体的极性：采用吡啶鎓-N-苯氧内盐染料(Reichardt’s Dye)在溶剂中的紫外可见光谱(UV-Vis)的吸收谱带的电子跃迁能来表征。对离子液体[NMe₄][Ac]、[NEt₄][Ac]、[NBu₄][Ac]分别进行水含量测定后，加入适量的去离子水，使其水含量分别在转化率最优时的水含量。将 Reichardt’s Dye染料溶解在离子液体中，浓度为0.5mM，离心去除任何残留染料颗粒，然后将溶剂在25℃进行可见光谱的扫描分析（PerkinElmer Lambda 25紫外可见分光光度计）。依据Reichardt’s Dye法，将最大的吸收波长定义为极性经验参数E_T（30），方程如下：
E_T(30)＝hcNA/λmax＝28591/λmax         （1）
其中其中h为普朗克常数，c 为光速，NA为阿伏伽德罗常数，λmax 为最大吸收波长，简化后得到的方程为：
E_T（30）= 28591/λmax                  （2）
此外，为统一单位，便于比较，使用归一化的极性参数E^N_T，以四甲基硅烷为极性最小值(0)，以水为极性最大值（1），其中四甲基硅烷的E_T（30）为30.7，水的E_T（30）为63.1。归一化后的公式如下：
E^N_T＝[E_T(30)－E_T(30)_TMS]/[ E_T (30)_H2O－E_T(30)_TMS ] （3）
简化后公式如下：
E^N_T = [E_T(30) – 30.7]/32.4             （4）
log P值：溶剂在辛醇/水两相的系统中分配系数的对数，反映了物质在油水两相中的分配情况，常用来表示了溶剂的疏水性，log P值越大，说明该物质越亲油，反之，越小，则越亲水，即水溶性越好。除了可以用实验来确定溶剂的log P 值，也可以借助一系列的计算软件进行估计。
季铵盐离子液体酸性的检测：
1）控制离子液体水分含量：测定这三种离子液体（[NMe₄][Ac]，[NEt₄][Ac]，[NBu₄][Ac]）的水分含量，水分最好不超过16%（w/w），否则测定的结果可能不准确，水分含量过高时可用真空离心干燥机去除水分。
2）配制浓度为0.5M的离子液体 10mL：精确称取上述离子液体溶液1mL，并记录，根据水分含量，计算出离子液体溶液中离子液体的质量浓度，再通过离子液体的分子质量，可配制出0.5M的溶液。
3）使用pH计对上述溶液（三种离子液体）进行酸度测定，记录pH值。
实验结果如下表：

 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。