制備烷基糖苷脂肪酸酯的方法

專利名稱：制備烷基糖苷脂肪酸酯的方法
技術領域：
本發明涉及一種酶促反應制備烷基糖苷脂肪酸酯的方法。
國際專利申請WO-A-8901480(Novo Industri)告知一種方法，其中含有一個2-6個碳原子烷基的烷基糖苷與一個含有C4-C22(優選C6-C22)脂肪酸或其低級烷基酯反應，該反應發生于水解酶存在下，優選酯酶，水解酶產自Rhizomucor、腐質霉屬(Humicola)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、或假絲酵母屬(Candida)的種。該酶可在可溶狀態或以固定化形式應用。結果表明優選不使用溶劑，但如果使用有機溶劑，溶劑應對酶無破壞作用。推薦的溶劑有酮類(如2-丁酮)、烴類(如戊烷、己烷或庚烷)和酯類。在兩個實施例中，作為溶劑的2-丁酮的量大大超過反應劑的總重量。在工業規模下，本方法的技術實施中存在一個問題，即烷基糖苷具有高粘度，需要摻入熔化的脂肪酸，然而即使可能的話，做到這點也非常困難。如果增加與烷基糖苷相關的脂肪酸的量以增加反應的效率，則傾向于形成一定量的諸如二酯類的副產物。
因此，在國際專利申請WO-A-941575(Unilever)中已提出，首先將做為反應物的烷基糖苷和脂肪酸通過表面活性劑作用制成穩定的微滴乳狀液，并優選使用陰離子或非離子表面活性劑，在優選的實施方案中，已形成的一部分烷基糖苷脂肪酸酯被循環進行反應而作為表面活性劑以形成微滴乳狀液。接著，使用脂酶、特別是固定化脂酶，對微滴乳狀液進行酶促酯化反應。
然而，已發現，即使是微滴乳狀液仍可能存在過高的粘度而無法通過固定床酶催化劑。盡管如此，如果在烷基糖苷脂肪酸酯酶法生產中采取一系列相聯的步驟，仍可得到因使用微滴乳狀液而帶來的便利。這是由于已發現可通過將微滴乳狀液與有效量特定的降粘劑結合而使微滴乳狀液的粘度有效地降低，然后在加壓條件下將微滴乳狀液通過固定床水解酶催化劑，并在最后將反應產物進行全蒸發，通過這一方法，可獲得一種便利的方法，使通常高粘度的烷基糖苷混合物的生產成為可能，并以經濟、富有吸引力的方式獲得高產量的烷基糖苷脂肪酸酯類。
因此，本發明涉及一種酶促方法，用于制備烷基糖苷脂肪酸酯，其中包括一種微滴乳狀液，它以一種飽和或不飽和的、直鏈或支鏈的、6至22個碳原子的脂肪酸、一種非離子或陰離子表面活性劑和一種烷基為飽和的、直鏈或支鏈的、含1至8個碳原子的烷基糖苷形成，其特征在于(a.)將獲得的微滴乳狀液與有效量的降粘劑結合，降粘劑選自叔丁醇、2-甲基-2-丁醇、丙酮、2-丁酮及其混合物，(b)在溫度35℃至85℃和壓力達到20巴時，經粘度調節后的微滴乳狀液至少與脂酶接觸一次，(c)在溫度65℃至100℃和壓力至少1個巴時，將所得的反應混合物進行全蒸發處理。
優選的脂肪酸為飽和或不飽和的、直鏈或支鏈的、含8至20個碳原子的脂肪酸。還可使用脂肪酸的混合物以及工業級的脂肪酸，脂肪酸也可含有功能基團，如羥基、氨基以及其它基團。
烷基糖苷的烷基為飽和的、直鏈或支鏈的、含有1至8個碳原子、并優選1至4個碳原子的烷基。
烷基糖苷的糖苷部分含1至3個單糖單位這些單糖單位優選戊糖或己糖形式(特別是呋喃糖或吡喃糖類)。合適的單糖有阿拉伯糖、核糖、木糖、木酮糖、來蘇糖、核酮糖、2-脫氧核糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、山梨糖、塔羅糖和脫氧糖如2-脫氧半乳糖。優選的二糖為麥芽糖、異麥芽糖、纖維二糖、乳糖和槐二糖。同樣可使用各種庚糖和庚酮糖、如葡萄庚糖和甘露庚糖。也可使用烷基糖苷的混合物。
用于制備穩定微滴乳狀液的非離子和(或)陰離子表面活性劑可以是甘油、多聚甘油、糖、糖醇或烷基糖苷，C6-C22脂肪酸的堿性金屬鹽，雙2-乙基己基磺基琥珀酸鈉鹽，烷基多聚糖苷及其混合物的C6-C22的脂肪酸酯。優選在反應中形成的烷基糖苷脂肪酸酯作為非離子表面活性劑。已發現，當用作非離子表面活性劑的烷基糖苷酯中脂肪酸平均鏈長度與作為反應劑的脂肪酸的平均鏈長度一致時，可獲得特別好的結果。
如果使用烷基糖苷脂肪酸酯作為非離子表面活性劑，形成穩定微滴乳狀液所需的最小量隨酯中脂肪酸的鏈長增加而增加，例如，如果使用乙基6-O-月桂酰葡萄糖苷，重量3％的量已足夠形成穩定的微滴乳狀液。通常，為形成穩定微滴乳狀液所需的非離子或陰離子表面活性劑的量約為重量的1％至10％，有可能使用更大的量，但在經濟上不可取。有時可能使用更小的量。
以任何一種合適的方式都可將降粘劑與微滴乳狀液結合，例如，往微滴乳狀液中定量給料所需的降粘劑，并將該混合物通過in-line staticmixer。已發現對于各種降粘劑存在一定的最佳值，2-丁酮的最佳值為重量的20％至25％，丙酮為20％至35％，叔丁酮為25％至50％。通常，所用降粘劑的量使得微滴乳狀液的粘度調至60℃時為10mPas至100mPas，并優選60℃時為25mPas至40mPas。
在溫度35℃至85℃和壓力20巴下，已調節至所需粘度的微滴乳狀液接著至少與酯酶接觸一次。優選將脂酶置于載體上以形成固定床酶催化劑，并使微滴乳狀液能夠多次通過這一固定床。
在載體上固定化的脂酶優選產自如Rhizomucor miehei(Lipozyme；Trake Mark，ex.Novo，DenmarR)，Candida antarctica和Candidacylindracea菌株的脂酶，而其它霉菌、酵母或細菌的脂酶亦可使用，例如可產自腐質霉屬，假單胞菌屬等的脂酶。
可通過載體結合技術-一種交聯技術，實現載體上脂酶的固定化。載體可以是無機物如活性炭、多孔玻璃、具疏水性的大孔二氧化硅(macroporous silica rendered hydrophobic)，如XWP-1500(Trademark；ex W.R.Grace，USA；平均顆粒大小為0.5-1mm；平均孔徑150nm)，及其類似物；天然化合物，如淀粉；以及合成的化合物，優選大孔的多聚物，如聚烯烴，象Accurel EP-100(Trade Mark；ex AKZO，The Netherlands，顆粒大小為100μm-1000μm，優選200-500μm和孔徑約100nm)；陰離子交換樹脂，如Duolite ES-568N(Trade Mark，ex.Rohm and Haas，Germany)；丙烯樹脂，及其類似物。優選使用大孔的聚烯烴類樹脂，如Accurel EP-100。對多聚物的選擇應遵循在使用過程中不被溶劑破壞(例如膨脹和/或斷裂)。
一旦達到充分程度的酯化，反應的混合物在65℃至100℃下經過一個全蒸發的處理，并優選70℃至95℃和壓力至少一個巴。作為已知的技術，全蒸發用于酶催化酯化反應在歐洲專利EP-A-506,159(Unichema Chemie BV)中已有描述。
在全蒸發中，一種液體進料(含有高滲透性和低滲透性的組份)保持與一滲透性膜接觸，并在膜上維持一定的壓力降。液體進料中待移取的組分穿過膜。透出膜的滲出物以蒸氣的形式可經冷凝作用在低溫下被回收或者是用流動氣流帶走。優選在透出物一側膜的壓力保持在大小為5mmHg(0.5＝67KPa)。留在分離器中殘余的進料，稱為滯流物或濃縮物。在蒸氣滲透過程中，加入的混合物首先蒸發然后蒸氣通過滲透膜。
全蒸發的方法在W.S.Winston Ho和K.K.sirkar的“膜工具”，VanNostrand Reinhold Publishing Corp.，New York，1992 on pages 105-109，中已有更詳細的描述。
全蒸發在穿過全蒸發膜時發生。該滲透膜可以是任何可獲得的商業性產品，并保證能夠耐受反應混合物。典型的全蒸發膜為多層膜，包括一個活性的聚乙烯醇(已修飾)的外層、一個可為聚丙烯腈的多孔襯層和一個非織物的聚酯如聚乙烯對苯二酸酯的支持層。全蒸發容器內實施的壓力大小可依據填充床酶催化劑中完成反應的壓力，但是通常，壓力條件的選擇取決于獲得最大的產出率。
在下面的實施例中將對本發明作進一步的闡述。
實施例一在50℃下，將在31.9千克乙醇中的17.2千克乙基葡萄糖苷與20.0千克的月桂酸(PRIFAC 2922；Trademark，ex Unichema ChemieBV，Gouda The Netherlands；酸值278-282，滴定度43-43.7℃，碘值0.2)和2.8千克的乙基6-O-月桂酰-葡萄糖苷混合，然后在85℃和90毫巴下通過一個掃膜蒸發器(wiped film evaporator)，以蒸去大量的乙醇。
離開薄膜蒸發器之后，形成了在60℃具有960mPa粘度的微滴乳狀液(用Brookfield旋轉粘度儀測得)。將微滴乳狀液和10.0kg丙酮混合，使微滴乳狀液粘度調至30mPa(60℃時)。然后將微滴乳狀液通過固定床酶催化劑，它由固定化在Accurel EP-100(Trade Mark；Ex AKZO，Arnhem，The Netherlands)上的Candida antarctica脂酶構成。所用脂酶的量是進料的重量的2％，固定化酶被負荷在量為1kg，置于巴氏消毒桶(holding vessel)中的填充床上，微滴乳狀液借助于閉合環路連接于巴氏消毒桶的泵在固定床脂酶催化劑上循環。容納填充床的巴氏消毒桶的壓力為5巴。巴氏消毒桶的下游裝有具有4.1m2CM Celfa-A膜的TypeCelfaT-1型板框式全蒸發部件(Trade Mark；ex CELFAMembrantrennechnik AG，Switzerland)反應混合物在85℃通過該全蒸發部件，入口壓為4.5巴，出口壓為4.0巴。
在12小時，有95％轉換為乙基6-O-月桂酰葡萄糖苷(以乙基葡萄糖苷進料計算)。產物的組成為90％重量的單酯、2％重量的雙酯，而剩余物為過量的月桂酸和未轉化的乙基葡萄糖苷，產物的顏色低于Gardner 63標度的1號值。
實驗例2重復實施例1，但在60℃下加入10千克的叔丁醇將微滴乳狀液的粘度調節至70mPas。接著在支持管道入口壓力為3帕、出口壓力2.5帕條件下將微滴乳狀液通過酶催化劑填充床，反應在60℃下完成。全蒸發在95℃有效進行，入口壓力為25帕，出口壓力為2帕。
在20小時，有96％轉換為乙基6-O-月桂酰葡萄糖苷(以乙基葡萄糖苷進料計算)。產物的組成為91％重量的單酯、2％重量的雙酯，而剩余物為過量的月桂酸和未轉化的乙基葡萄糖苷，產物的顏色低于Gardner 63標度的1號值。
實驗例3在50℃下，將在32.6千克乙醇中的11.4千克乙基葡萄糖苷與18.6千克的油酸和10千克乙基6-O-油酰葡萄糖苷混合，然后在85℃和90毫巴下通過一個掃膜蒸發器，以蒸去大量的乙醇。
取走蒸發膜后，在60℃時通過加入10千克的丙酮，將穩定微滴乳狀液的粘度調至50mPas。然后，如實施例1所述，將該微滴乳狀液作進一步處理，并在12小時時，有94％轉化為乙基6-O-油酰葡萄糖苷(以乙基葡萄糖苷進料計算)。產物的組成為90.5％重量的單酯、1.8％重量的雙酯，而剩余物為過量的油酸和未轉化的乙基葡萄糖苷，產物的顏色低于Gardner 63標度的3-4號值。
權利要求
1.一種酶促反應制備烷基糖苷脂肪酸烷基酯的方法，其中由一種飽和的或非飽和的、直鏈的或支鏈的、含6至22個碳原子的脂肪酸，一種非離子或陰離子表面活性劑，以及一種烷基為飽和的、直鏈或支鏈烷基的、含1至8個碳原子的烷基糖苷形成微滴乳狀液，其特征在于(a)將獲得的微滴乳狀液與有效量的降粘劑結合，降粘劑選自叔丁醇、2-甲基-2-丁醇、丙酮、2-丁酮及其混合物，(b)在溫度35℃至85℃和壓力最高為20巴時，經粘度調節后的微滴乳狀液至少與脂酶接觸一次，和(c)在溫度65℃至100℃，壓力至少1個巴時，將所得的反應混合物進行全蒸發處理。
2.權利要求1的方法，其中脂肪酸為飽和或不飽和、直鏈或支鏈、含有8至20個碳原子的脂肪酸。
3.權利要求1的方法，其中烷基糖苷含有一個飽和、直鏈或支鏈的、有1至4個碳原子的烷基。
4.權利要求1的方法，其中烷基糖苷含有1至3個單糖單位。
5.權利要求1的方法，其中非離子或陰離子表面活性劑選自甘油、多聚甘油、糖、糖醇和烷基糖苷的C6-C22脂肪酸酯；C6-C22脂肪酸的堿性金屬鹽；雙(2-乙基己基)磺基琥珀酸鈉，烷基多聚糖苷及其混合物。
6.權利要求1的方法，用作非離子表面活性劑的烷基糖苷酯中脂肪酸基團的平均鏈長度與脂肪酸反應劑平均鏈長度一致。
7.權利要求1的方法，其中使用了占微滴乳狀液重量的1％至10％的非離子或陰離子表面活性劑。
8.權利要求1的方法，其步驟(a)中使用了占微滴乳狀液重量的20％至25％的2-丁酮。
9.權利要求1的方法，其步驟(a)中使用了占微滴乳狀液重量的20％至35％的丙酮。
10.權利要求1的方法，其步驟(a)使用了占微滴乳狀液重量的25％至50％的叔丁醇或2-甲基-2-丁醇。
11.權利要求1的方法，其步驟(a)中在60℃下將微滴乳狀液的粘度調至10mPas至100mPas。
12.權利要求1的方法，其步驟(a)中在60℃下將微滴乳狀液的粘度調至25mPas至40mPas。
13.權利要求1的方法，其步驟(b)中的溫度為45℃至65℃。
14.權利要求1的方法，其步驟(b)中的壓力最高為10巴。
15.權利要求1的方法，其步驟(b)中脂酶固定化于載體上，載體選自具疏水性的大孔二氧化硅(macroporous silica renderedhydrophobic)、大孔聚鏈烯和大孔的陰離子交換樹脂。
16.權利要求1的方法，其脂酶選自Candida antarctica、Candidacylindracea和Rhizomucor miehei產生的脂酶。
17.權利要求1的方法，其步驟(c)中的溫度為70℃至95℃。
全文摘要
由脂肪酸、烷基糖苷和非離子或陰離子表面活性劑形成的微滴乳狀液，經酶促制備烷基糖苷的脂肪酸酯。微滴乳狀液的粘度由叔丁醇、2-甲基-2-丁醇、丙酮或2-丁酮調節。在完成酶促酯化后，反應混合物經全蒸發處理。
文檔編號C12P19/44GK1143389SQ95191932
公開日1997年2月19日 申請日期1995年2月15日 優先權日1994年3月4日
發明者R·R·普林納, A·R·麥克萊 申請人:尤尼劍馬化學股份有限公司