酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法 技术领域 本发明属于食用乳化剂的制备技术领域， 涉及淀粉脂肪酸酯类的乳化剂， 尤其是 一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法。
背景技术 淀粉脂肪酸酯属于一种长链脂肪酸淀粉酯， 它是由淀粉及其衍生物与脂肪酸、 脂 肪酸甲酯或脂肪酸酐反应得到的酯化产品， 由于在淀粉分子中引入了脂肪酸疏水基， 使脂 肪酸淀粉酯增加了亲水和亲油的双重性能， 具有了乳化特性， 此类产品被广泛用于食品加 工、 医药制备、 生物制品等行业。
目前淀粉脂肪酸酯的合成方法主要包括有机溶剂法和熔融法及水媒法。有机溶 剂法以惰性有机溶剂如四氯化碳， 吡啶， 二甲基乙酰胺， 二甲基甲酰胺， 二甲亚砜等为反应 介质， 以三乙胺， 吡啶等为催化剂， 淀粉和脂肪酸或脂肪酸酐、 脂肪酰氯进行反应， 反应效率 高， 产品取代度高， 但需要使用大量的有机溶剂， 回收成本高， 且使用的有机溶剂多为有毒 物质， 产品难以应用在食品中。 熔融法则是在高温高压下使淀粉与酯化剂直接反应， 此法虽 反应速度较快， 但工艺条件不易控制， 且产品的成本较高， 且高温下容易发生副反应。之外 还有在水中使脂肪酸甲酯与淀粉混合， 升温不断将水蒸除， 以利于淀粉酯生成， 由于不使用 有机溶剂， 成本低， 但对反应物有特殊要求， 只使用于脂肪酸甲酯与淀粉的反应。还有一些 方法则是将淀粉部分水解， 再与脂肪酸甲酯在碱性条件下反应， 反应条件温和但却破坏了 淀粉的完整性， 且淀粉水解程度不能得到准确控制。
据检索， 专利 CN101456916 公开了一种脂肪酸淀粉酯的制备方法。其发明采用淀 粉和脂肪酸为制备原料， 以挤压机作为化学反应器， 对淀粉进行酸解和酯化处理， 制备低取 代度脂肪酸淀粉酯产品， 制备反应中， 通过挤压机的高温、 高压、 高剪切作用处理后， 脂肪酸 按一定比例与原淀粉发生酯化反应而得到酯化产品。 在此反应中， 反应条件要求较高， 存在 高温高压反应， 同时还需要进行酸解， 产品不适应食品加工方面的要求， 无论是反应条件还 是产品质量方面都有待于进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处， 提供一种用脂肪酶为催化剂合成淀 粉脂肪酸酯的方法， 本方法具有条件温和、 能耗低、 反应组分少的优点。
本发明实现目的的技术方案如下 ：
一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法， 制备的方法如下
(1) 将脂肪酸与淀粉混合， 待溶液熔融后加入水合盐、 脂肪酶， 然后在 55 ～ 75℃条 件下， 恒温反应 12 ～ 72h， 得到淀粉脂肪酸酯粗品 ；
(2) 在上述淀粉脂肪酸酯粗品中加入有机溶剂， 在小于 65℃条件下， 通过数次浸 提和离心， 除去过量的脂肪酸并回收有机溶剂， 得到淀粉脂肪酸酯固体 ；
(3) 向淀粉脂肪酸酯固体中加入蒸馏水， 以溶解淀粉脂肪酸酯粗品中的水合盐， 经洗涤、 抽滤、 干燥即得淀粉脂肪酸酯 ；
所述淀粉和脂肪酸的质量比为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 4， 水合盐添加量为淀粉质量的 2％～ 20％， 脂肪酶的加入量为淀粉质量的 1％～ 10％。
而且， 所述脂肪酶 LipozymeTL IM 购自诺维信公司。
而且， 所述脂肪酶用 2.5％的氯化钠溶液活化。
而且， 所述脂肪酸包括硬脂酸、 棕榈酸、 肉豆蔻酸或月桂酸。
而且， 所述水合盐包括磷酸盐、 焦磷酸盐或三聚磷酸盐。
而且， 所述有机溶剂为正己烷或环己烷。
本发明的优点和积极效果是 ：
1、 本发明采用脂肪酶作为催化剂制备淀粉脂肪酸酯的方法， 具有原料来源广、 反 应条件温和、 无需高温高压， 不用酸碱试剂， 能耗低、 无副产物、 淀粉破坏程度低、 产品易纯 化， 生产设备简单等优点 ； 所得产品的取代度为 0.01 ～ 0.02。
2、 本发明在生产过程中用到的反应溶剂与酯化原料同为脂肪酸， 使得产品成分简 化而更利于纯化， 产品分离纯化过程中所用溶剂为正己烷、 环己烷以及水等食品加工用助 剂， 无害且易分离， 增加了最终产品在食品中应用的安全性， 因此本发明得到的淀粉脂肪酸 酯产品作为乳化剂适宜食品、 医药等多类产品使用。 附图说明
图 1 为本发明淀粉脂肪酸酯的反应方程式 ； 图 2 为本发明淀粉脂肪酸酯的工艺流程图 ； 图 3 为本发明淀粉脂肪酸酯的红外光谱分析图。具体实施方式
下面结合附图与具体实施方案对本发明进一步说明， 其具体实施方案应该理解为 仅为举例说明， 不是限定性的， 不能以下述举例说明来限定本发明的保护范围。
本发明的技术方案总体描述如下 ：
以脂肪酶为催化剂， 以淀粉和脂肪酸为原料， 水合盐为辅助剂合成淀粉脂肪酸酯， 经过分离得到产物淀粉脂肪酸酯， 具体生产工艺条件为 ：
(1) 淀粉与脂肪酸质量比为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 6 ；
(2) 水合盐添加量为淀粉质量的 5 ～ 30％ ； 脂肪酶的加入量为淀粉质量的 10％ ；
(3) 磁力搅拌水浴条件 ： 60 ～ 75℃ ；
(4) 反应时间为 24 ～ 72h ；
(5) 加入有机溶剂离心分出大部分的脂肪酸， 有机溶剂用量为 ： 淀粉 (g) ∶有机溶 剂 (mL) ＝ 1 ∶ 20 ～ 1 ∶ 30 ； 有机溶剂和脂肪酸回收 ； 淀粉脂肪酸酯粗品在小于 65℃条件 下抽提 3 ～ 8h 除去残余脂肪酸 ；
(6) 加入蒸馏水以溶解粗产品中的水合盐焦磷酸钠或焦磷三钠， 水用量为 ： 淀粉 (g) ∶水 (g) ＝ 1 ∶ 10 ～ 1 ∶ 40， 抽滤， 40℃干燥， 即为淀粉脂肪酸酯。
优化的工艺条件为 ：
(1) 淀粉与脂肪酸质量比为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 4 ；(2) 水合盐添加量为淀粉质量的 10 ～ 20％ ；
(3) 磁力搅拌水浴条件 ： 60 ～ 65℃ ；
(4) 反应时间为 36 ～ 48h ；
(5) 加入有机溶剂离心分出大部分的脂肪酸， 有机溶剂用量为 ： 淀粉 (g) ∶有机溶 剂 (mL) ＝ 1 ∶ 20， 离心两次 ； 有机溶剂和脂肪酸回收 ； 淀粉脂肪酸酯粗品小于 65℃条件下 抽提 5h 除去残余脂肪酸 ；
(6) 加入蒸馏水以溶解粗产品中的水合盐， 水用量为 ： 第一次， 淀粉 (g) ∶水 (g) ＝ 1 ∶ 20 ； 第二次， 淀粉 (g) ∶水 (g) ＝ 1 ∶ 10 ； 第三次， 淀粉 (g) ∶水 (g) ＝ 1 ∶ 10 ； 抽 滤， 40℃干燥， 即为淀粉脂肪酸酯。
淀粉脂肪酸酯酶促合成的研究包括脂肪酸添加量、 水合盐添加量、 反应时间， 反应 温度对产品取代度的影响， 确定产物的分离方法。
淀粉与脂肪酸比例的确定 ： 取淀粉与脂肪酸质量比分别为 1 ∶ 2、 1 ∶ 3、 1 ∶ 4、 1 ∶ 5、 1 ∶ 6， 结果证明， 底物比为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 4 时可得到较好的取代度， 因此取淀粉与脂 肪酸的质量比范围为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 4， 即 6 重量单位的淀粉和 12 ～ 24 重量单位的脂肪酸 ；
水合盐添加量 ： 一方面， 脂肪酶需要少量的水以保持活性， 另一方面， 水的存在限 制了疏水性底物在酶分子附近的溶解性 ； 在酯化反应中， 水含量会影响反应的平衡点及产 物在介质中的扩散， 过量水会导致酶的热力学失活， 因此以水合盐调节反应体系的水含量， 取水合盐为淀粉质量的 0、 5％、 10％、 15％、 20％、 25％、 30％， 结果证明， 水合盐添加量为淀 粉的 10 ～ 20％时， 取代度较好 ；
反应温度的确定 ： 由于脂肪酶的最佳适合温度为 55 ～ 70 ℃， 因此选择反应温度 为： 55℃、 60℃、 65℃、 70℃、 75℃， 结果证明， 以取代度为标准， 60 ～ 65℃为最佳条件 ；
反应时间的确定 ： 取反应时间范围为 24 ～ 72h， 间隔时间为 6h， 结果显示在 36 ～ 48h 时取代度较好， 因此选择反应时间为 36 ～ 48h 左右 ；
脂肪酸的去除 ： 有机溶剂可使用正己烷、 环己烷等， 方法为 ： 有机溶剂分离次数分 别为 1、 2、 3、 4 次， 以残余脂肪酸为标准， 结果显示， 以有机溶剂分离两次， 即可分离出大部 脂肪酸 ； 分离温度选择， 温度低时， 脂肪酸过多而不能彻底溶于有机溶剂， 温度高时， 有机溶 剂易沸， 取温度 40℃、 45℃、 50℃、 55℃、 60℃、 65℃， 结果显示， 60℃时较好 ； 有机溶剂用量， 取每次淀粉 (g) ∶有机溶剂 (mL) 为 1 ∶ 20、 1 ∶ 25、 1 ∶ 30， 得在 1 ∶ 20 左右时可较好分 离脂肪酸 ； 石油醚 60 ～ 65℃取 3h、 4h、 5h、 6h、 7h、 8h， 结果证明， 5h 可完全去除残留脂肪酸 ；
水合盐的分离 ： 取淀粉 (g) ∶加水量 (g) 为 1 ∶ 20， 抽虑一次 ； 1 ∶ 10 抽虑二次 ；
本发明优化后的淀粉脂肪酸酯酶促合成方法为 ： 淀粉与脂肪酸质量比为 1 ∶ 2 ～ 1 ∶ 4， 水合盐添加量为淀粉质量的 10 ～ 20％， 磁力搅拌水浴条件为 60 ～ 65℃， 反应时间 为 36 ～ 48h。
实施例 1 ：
一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法， 步骤如下 ：
(1) 将 20 重量单位的硬脂酸与 6 重量单位的淀粉混合， 待溶液熔融后加入 1 重量 单位的焦磷酸钠， 0.6 重量单位的脂肪酶， 然后恒温反应， 恒温条件 ： 65℃， 反应时间 ： 42h， 得到淀粉脂肪酸酯粗品 ；
其中脂肪酶 LipozymeTL IM 购自诺维信公司， 2.5％的氯化钠溶液活化。(2) 在上述粉脂肪酸酯粗品中加入有机溶剂正己烷， 然后浸提和离心， 分出过量的 硬脂酸， 同时将有机溶剂和硬脂酸回收 ；
(3) 向抽提后的粗产品中加入蒸馏水， 以溶解粗产品中的焦磷酸钠， 分三次洗涤， 洗涤后抽滤， 40℃干燥， 干燥后即得淀粉硬脂酸酯， 通过测定， 本方法制备的淀粉的取代度 为 0.015。
实施例 2 ：
一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法， 步骤如下 ：
(1) 将 20 重量单位的棕榈酸与 6 重量单位的淀粉混合， 待溶液熔融后加入 1 重量 单位的焦磷酸钠， 0.6 重量单位的脂肪酶， 然后恒温反应， 恒温条件 ： 65℃， 反应时间 ： 42h， 得到淀粉脂肪酸酯粗品 ；
其中脂肪酶 LipozymeTL IM 购自诺维信公司， 2.5％的氯化钠溶液活化。
(2) 在上述粉脂肪酸酯粗品中加入有机溶剂正己烷， 然后浸提和离心， 分出过量的 棕榈酸， 同时将有机溶剂和棕榈酸回收 ；
(3) 向抽提后的粗产品中加入蒸馏水， 以溶解粗产品中的焦磷酸钠， 分三次洗涤， 洗涤后抽滤， 40℃干燥， 干燥后即得淀粉棕榈酸酯， 通过测定， 本方法制备的淀粉的取代度 为 0.015。 实施例 3 ：
一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法， 步骤如下 ：
(1) 将 20 重量单位的肉豆蔻酸与 6 重量单位的淀粉混合， 待溶液熔融后加入 1 重量单位的焦磷酸钠， 0.6 重量单位的脂肪酶， 然后恒温反应， 恒温条件条件 ： 65℃， 反应时 间： 42h， 得到淀粉脂肪酸酯粗品 ；
其中脂肪酶 LipozymeTL IM 购自诺维信公司， 2.5％的氯化钠溶液活化。
(2) 在上述粉脂肪酸酯粗品中加入有机溶剂正己烷， 然后浸提和离心， 分出过量的 肉豆蔻酸， 同时将有机溶剂和肉豆蔻酸回收 ；
(3) 向抽提后的粗产品中加入蒸馏水， 以溶解粗产品中的水合盐焦磷酸钠， 分三次 洗涤， 洗涤后抽滤， 40℃干燥， 干燥后即得淀粉肉豆蔻酸酯， 通过测定， 本方法制备的淀粉的 取代度为 0.015。
实施例 4 ：
一种酶催化制备淀粉脂肪酸酯的方法， 步骤如下 ：
(1) 将 20 重量单位的月桂酸与 6 重量单位的淀粉混合， 待溶液熔融后加入 1 重量 单位的焦磷酸钠， 0.6 重量单位的脂肪酶， 然后恒温反应， 恒温条件 ： 65℃， 反应时间 ： 42h， 得到淀粉脂肪酸酯粗品 ；
其中脂肪酶 LipozymeTL IM 购自诺维信公司， 2.5％的氯化钠溶液活化。
(2) 在上述粉脂肪酸酯粗品中加入有机溶剂正己烷， 然后浸提和离心， 分出过量的 月桂酸， 同时将有机溶剂和月桂酸回收 ；
(3) 向抽提后的粗产品中加入蒸馏水， 以溶解粗产品中的焦磷酸钠， 分三次洗涤， 洗涤后抽滤， 40℃干燥， 干燥后即得淀粉月桂酸酯， 通过测定， 本方法制备的淀粉的取代度 为 0.015。
测定方法及范例
1. 取代度的测定
称取样品 4.0g 于 250mL 三角瓶中， 加入 50mL 蒸馏水， 再加入 20mL0.25mol/L 的 NaOH 溶液， 110r/min 下振荡 50min， 加入两滴酚酞指示剂， 用 0.1mol/L HCl 滴定至粉红色刚 好消失， 记录耗用盐酸的体积数 V1。 同时进行空白试验， 并以下面公式计算硬脂酸淀粉酯的 取代度 (DS) ：
式中 DS ： 取代度， 定义为每个 D- 吡喃葡萄糖残基中的羟基被取代的平均数目 ； 162 ： 葡萄糖酐单元的分子量 ； c： 标准 HCl 的摩尔浓度， mol/L ； m： 干样品的质量， g； v0 ： 滴定空白液用去的标准盐酸的体积， mL ； v1 ： 滴定样品用去的标准盐酸的体积， mL ； 2. 乳化能力测试称取一定量的样品， 加入 25mL 水中， 糊化， 冷却后加入 25mL 大豆油， 混匀， 将乳化 液转移至离心管中， 3500r/min 离心 15min， 记录乳化层高度和液体总高度。按下式计算乳 化能力 (Emulsion Apacity， EA)。
EA(％ ) ＝离心管中乳化层高度 / 离心管中液体总高度 ×100％
3. 范例 ：
分别取 0.75g 原淀粉及 DS ＝ 0.015 的硬脂酸淀粉酯， 加入 25mL 水中， 糊化， 冷却 后加入 25mL 大豆油， 混匀， 将乳化液转移至离心管中， 3500r/min 离心 15min。结果 ：
原淀粉 ： EA ＝ 0
DS ＝ 0.015 的硬脂酸淀粉酯 ： EA ＝ 70％