左 竹,覃小麗,王家續(xù)

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715)

離子液體中酶法催化合成糖酯的研究進(jìn)展

左 竹,覃小麗*,王家續(xù)

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,重慶 400715)

離子液體作為一類(lèi)極具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色溶劑,其用于酶催化反應(yīng)介質(zhì)有著傳統(tǒng)有機(jī)溶劑和功能性離子液體無(wú)法超越的優(yōu)勢(shì)。綜合對(duì)國(guó)內(nèi)外近十幾年公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)離子液體中酶法催化合成糖酯的文獻(xiàn),從常見(jiàn)離子液體分類(lèi),離子液體對(duì)酶活性、穩(wěn)定性和選擇性的影響,以及糖酯酶法催化合成的方法及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納與總結(jié),同時(shí)指出了今后在離子液體中糖酯酶法催化合成領(lǐng)域值得研究的重要內(nèi)容。

糖酯,離子液體,酶催化合成

糖酯通常由親水的糖基和疏水的脂肪酸殘基構(gòu)成,因此具有良好的雙親性,是一種優(yōu)良的表面活性劑。糖酯的乳化性能尤其良好,具有極好的乳化、去污、擴(kuò)散、起泡等多種性能[1],在食品生產(chǎn)加工中必不可少,如,蔗糖酯作為潤(rùn)滑劑和分散劑應(yīng)用在糕點(diǎn)和糖果中。此外,部分糖酯還具有抗氧化、抗血栓、殺菌等功能[2]。糖酯近年在食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。目前,工業(yè)上糖酯合成主要采用化學(xué)法,如溶劑法、微乳化法和無(wú)溶劑法。溶劑法工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和,但是多采用毒性較大的有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)。例如,Snell法[3]中以二甲基甲酰胺(DMF)作溶劑,限制了糖酯在食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。微乳化法則采用水或醇代替了DMF為反應(yīng)介質(zhì),但因生產(chǎn)工藝難以掌握(如反應(yīng)中需維持微乳狀態(tài))等導(dǎo)致體系不夠穩(wěn)定,同樣存在反應(yīng)效率低等問(wèn)題。無(wú)溶劑法雖然不需要有機(jī)溶劑或大量水為反應(yīng)介質(zhì),但其體系較粘稠,通常需要在較高的反應(yīng)溫度下進(jìn)行反應(yīng)。隨著生物技術(shù)和介質(zhì)工程的突破性發(fā)展,以脂肪酶作為生物催化劑及離子液體作為新型反應(yīng)介質(zhì)成為新的研究熱點(diǎn)。酶是一種高效、高選擇性、反應(yīng)條件溫和以及對(duì)環(huán)境友好的生物催化劑,而且有助于簡(jiǎn)化反應(yīng)流程、減少副產(chǎn)物等。與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比,離子液體除了具有非揮發(fā)性、低熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)外,另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是對(duì)碳水化合物溶解性良好[4]。此外,離子液體可回收重復(fù)利用且對(duì)酶的活性和選擇性影響較小[5]。與傳統(tǒng)化學(xué)法相比,離子液體中酶法合成糖酯具有反應(yīng)條件溫和、能耗少、區(qū)域選擇性高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),既作為溶劑又具有催化性能的功能性離子液體,如酸性離子液體([BMIM][AlCl4]、磺酸類(lèi)Br?nsted酸性離子液體等)是酯類(lèi)催化領(lǐng)域中研究重點(diǎn)之一[6-8],其突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和催化活性可根據(jù)研究目的需要具有可調(diào)性,較好的化學(xué)穩(wěn)定性。然而,與脂肪酶相比,其催化酯類(lèi)合成不具有區(qū)域選擇性,從而影響目標(biāo)產(chǎn)物的純度。

糖酯是酯類(lèi)的一種重要類(lèi)型,但目前對(duì)離子液體中酶法催化合成糖酯的研究報(bào)道較少。本文就酶催化合成酯類(lèi)反應(yīng)中離子液體的類(lèi)型,離子液體對(duì)酶的活性、穩(wěn)定性和選擇性的影響,以及離子液體中酶法催化合成糖酯的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),以期為推動(dòng)離子液體中糖酯酶法合成的進(jìn)一步研究提供有益參考與借鑒。

1 常見(jiàn)離子液體的分類(lèi)

2 離子液體對(duì)酶催化性能的影響

離子液體中酶的性質(zhì)(活性、穩(wěn)定性、選擇性等)受到多方面因素的影響。一般來(lái)說(shuō),離子液體通過(guò)與酶、底物和產(chǎn)物的相互作用來(lái)影響酶的性質(zhì),而這種相互作用與離子液體種類(lèi)(陰、陽(yáng)離子組成)及其性質(zhì),如極性、疏水性、氫鍵強(qiáng)度、陰離子親核性、黏度、酶的溶解性等密切相關(guān)[10]。酶的性質(zhì)受離子液體的影響較為復(fù)雜,是受到這些單個(gè)參數(shù)影響或多個(gè)參數(shù)的共同作用的結(jié)果。

2.1 離子液體中酶的活性

此外,酶在離子液體中的活性還與離子液體對(duì)酶的溶解能力有關(guān)。脂肪酶在[Bmim][PF6]和[Bmim][BF4]離子液體中具有較高催化活性,往往與離子液體對(duì)酶的低溶解能力有關(guān)[21],而[Emim][EtSO4]、[EtNH3][NO3]和[Bmim][NO3]能溶解脂肪酶(C. Antarctica lipase B)從而使其失活[22]。

2.2 離子液體中酶的穩(wěn)定性

疏水性和親水性離子液體對(duì)脂肪酶穩(wěn)定性的影響有著不同的表現(xiàn)。有研究[23]表明,來(lái)源于Bacillusstearothermophilus的酯酶在[Bmim][PF6]中的半衰期>240 h,是其在正己烷和甲基叔丁基醚(MTBE)中半衰期的30和3倍;[Bmim][PF6]和[Bmim][BF4]中酶的穩(wěn)定性明顯高于在正己烷和MTBE中的穩(wěn)定性,主要由于離子液體屬于極性物質(zhì),與蛋白分子之間的靜電作用增強(qiáng),進(jìn)而促使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更趨于柔性,然而正己烷和MTBE不能與酶蛋白形成氫鍵,因此它們之間的靜電作用較弱而使得蛋白結(jié)構(gòu)趨于剛性。對(duì)于具有相同有機(jī)陽(yáng)離子的離子液體([Bmim][PF6]和[Bmim][BF4]),該酶在[Bmim][BF4]中的半衰期(220 h)較小,這主要是由于親水性[Bmim][BF4]剝奪酶分子表層的必需水,影響了酶的結(jié)構(gòu)和功能;而疏水性[Bmim][PF6]對(duì)酶分子的必需水剝奪程度低,為酶提供了更溫和的催化環(huán)境。另一研究也報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果,即含有液體培養(yǎng)基的脂肪酶(Pseudomonasaeruginosalipase)分別在30 ℃的[Bmim][PF6]、[Omim][PF6]和正己烷中攪拌48 h,該脂肪酶在這3種介質(zhì)中的酶活性殘留大小順序?yàn)?[Bmim][PF6]>[Omim][BF4]>正己烷[24]。Sheldon等[25]將游離酶(SP 525)置于在更高溫度(80 ℃)下的[Bmim][PF6]中,當(dāng)保溫20 h時(shí),酶活性是對(duì)照組(未處理酶)活性的120%,當(dāng)繼續(xù)保溫至100 h時(shí),其活性也不會(huì)降低,然而在叔丁醇中酶失活基本呈線性下降;在80 ℃保溫40 h后,與未經(jīng)處理的SP 435相比,Novozym 435在[Bmim][PF6]中的活性達(dá)到最大活性(350%),放置5 d后仍可以保留初始活性的210%。為了改善離子液體中酶的穩(wěn)定性,可通過(guò)對(duì)酶的改性和溶劑的調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行。Lee等[26]發(fā)現(xiàn)采用溶膠-凝膠技術(shù)在離子液體中固定化的脂肪酶(Candida rugosa lipase)在50 ℃的[Omim][Tf2N]中保持5 d后,仍保留初始酶活力的80%,而未在離子液體中固定化的脂肪酶幾乎沒(méi)有活性。在離子液體中溶膠-凝膠法制備的固定化脂肪酶具有更高的活性與穩(wěn)定性,其原因可能是離子液體在凝膠化過(guò)程不僅起到模板的作用,通過(guò)孔隙填充減少凝膠的收縮,而且充當(dāng)穩(wěn)定劑保護(hù)脂肪酶免受?chē)?yán)重失活。

2.3 離子液體中酶催化的選擇性

脂肪酶具有高度的立體選擇性和區(qū)域選擇性。在糖酯的酶法合成反應(yīng)中,利用酶的區(qū)域選擇性更容易得到特定位置的光學(xué)純糖酯。離子液體影響脂肪酶的區(qū)域選擇性[27],但其影響的機(jī)理現(xiàn)在尚未明確,目前為止有一種較為可能的解釋是:離子液體具有與脂肪酶分子相匹配的特異溶劑性,從而引起脂肪酶特異性地產(chǎn)生特定的產(chǎn)物[28]。研究發(fā)現(xiàn)酶催化的區(qū)域選擇性在多種離子液體中都能得到不同程度的提高,Chiappe等[29]分別以[Bmim][PF6]、[Bmim][N(TF)2]、[Bmim][BF6]和Tris-HCl為反應(yīng)介質(zhì),以環(huán)氧化物水解酶催化外消旋環(huán)氧化物的不對(duì)稱水解反應(yīng),研究發(fā)現(xiàn),不同來(lái)源與純度的環(huán)氧化物水解酶對(duì)反應(yīng)速率及產(chǎn)物對(duì)映體選擇性有所差別,其中來(lái)源于水芹的粗酶在[Bmin][PF6]中的選擇性最大[(1S,2R)-型產(chǎn)物ee值為90%],而在[Bmim][N(TF)2]、[Bmim][BF6]和Tris-HCl中(1S,2R)-型產(chǎn)物ee值分別為60%、60%和72%。在糖酯的酶法合成中,脂肪酶通常優(yōu)先作用于糖類(lèi)化合物的伯羥基,但是,當(dāng)伯羥基被保護(hù)時(shí),酶的選擇性受到糖苷配基和溶劑性質(zhì)等影響。Kim等[30]研究發(fā)現(xiàn),在來(lái)源于Candidarugosa的脂肪酶催化C6位-OH被保護(hù)的糖苷類(lèi)化合物酰化過(guò)程中,分別以[Bmim][PF6]和[Moemim][PF6]為反應(yīng)介質(zhì)的酶選擇性?；擒诊@著高于在有機(jī)溶劑(氯仿、四氫呋喃)中。Li等[31]考察了5種脂肪酶(Novozym 435、Lipozyme TL IM、Lipozyme RM IM、Lipozyme IM和Pseudomonascepacialipase)分別在兩種反應(yīng)介質(zhì)(四氫呋喃,四氫呋喃-[C4mim][PF6])中催化去氧尿氟苷及其類(lèi)似物的苯甲?；磻?yīng),結(jié)果顯示在四氫呋喃-[C4mim][PF6]混合溶劑中,來(lái)源于Pseudomonascepacia的脂肪酶展現(xiàn)了較高的區(qū)域選擇性(81%～99%),并且脂肪酶的區(qū)域選擇性隨著底物的疏水性增加而增加。

3 離子液體中酶法合成糖酯的方法

3.1 單一離子液體中酶法合成糖酯

糖酯的傳統(tǒng)合成主要在有機(jī)溶劑體系中進(jìn)行,但所使用的大多數(shù)有機(jī)溶劑毒性較大,對(duì)糖酯的品質(zhì)及環(huán)境有不良影響。因此,在反應(yīng)介質(zhì)方面做了相關(guān)研究并進(jìn)行了改進(jìn),在不斷的探索中,大量研究實(shí)驗(yàn)表明以離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)能較好地符合“綠色”合成途徑。Ganske等[32]報(bào)道了分別以[Bmim][BF4]和[Bmim][PF6]離子液體為反應(yīng)介質(zhì),分別以月桂酸乙烯酯和肉豆蔻酸乙烯酯為?；w,采用聚乙二醇修飾的Candidaantarcticalipase B(CAL-B-PEG)催化合成脂肪酸葡萄糖酯,糖酯轉(zhuǎn)化率分別為30%和35%;研究還表明當(dāng)以游離脂肪酸作為?；w時(shí),該酶在給定的離子液體中不能催化合成糖酯。國(guó)內(nèi)的學(xué)者也對(duì)離子液體中酶法合成糖酯的研究進(jìn)行了有益探索。黃廣君等[33]考察了酶制劑種類(lèi)(南極假絲酵母脂肪酶CAL-B、Novozym 435、Lipozyme TL IM),離子液體種類(lèi)([Bmim][PF6]、[Bmim]Cl、[Bmim][BF4])、溫度、底物摩爾比、酶濃度對(duì)糖酯產(chǎn)率的影響,結(jié)果表明在離子液體[Bmim][BF4]中Lipozyme TL IM選擇性催化蔗糖和月桂酸乙烯酯合成6-O-蔗糖月桂酸單酯的效果最佳,主要原因是[Bmim][BF4]親水性較強(qiáng),對(duì)蔗糖的溶解度較大;在優(yōu)化的條件(溫度為45 ℃,蔗糖、月桂酸乙烯酯摩爾比為1∶4,酶濃度為60 mg/mL下,其產(chǎn)率可達(dá)50%。曾文恬等[34]以離子液體[Bmim][TfO]為反應(yīng)介質(zhì),考察了3種脂肪酶(Candidaantarcticalipase B、Thermomyceslanuginosus和Mucormiehei)催化合成糖酯的產(chǎn)率,研究表明以脂肪酶Candidaantarcticalipase B在該種離子液體中催化合成糖酯產(chǎn)率最高,在最佳條件(溫度40 ℃、酶濃度50 mg/mL、葡糖糖與棕櫚酸乙烯酯摩爾比1∶3)下,6-O-葡萄糖棕櫚酸酯產(chǎn)率可達(dá)到31.5%左右。離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)雖然可實(shí)現(xiàn)糖酯的酶法催化合成,但是,反應(yīng)效率和糖酯產(chǎn)率較低。然而,與以有機(jī)溶劑為反應(yīng)介質(zhì)的糖酯酶法合成反應(yīng)比較,應(yīng)用離子液體于酶催化反應(yīng)有利于提高糖酯安全性以及減少環(huán)境污染。因此,以離子液體作為綠色溶劑,酶法催化合成糖酯的轉(zhuǎn)化率還有待提高的空間。

為了提高離子液體中酶法催化合成糖酯的反應(yīng)效率,近年來(lái)各國(guó)學(xué)者圍繞酶法催化合成糖酯的反應(yīng)介質(zhì)、底物傳質(zhì)等方面進(jìn)行了研究。糖類(lèi)底物在反應(yīng)介質(zhì)中低溶解度是阻礙糖酯的酶法催化效率的重要因素之一。為了提高糖類(lèi)溶解在離子液體的濃度,Lee等[35]提出先將含有糖的水溶液與離子液體混合,然后將混合液中的水除去的方法,其研究結(jié)果顯示,在25 ℃時(shí),葡萄糖在過(guò)飽和的[Emim][TfO]、[Bmim][TfO]中的濃度比其直接溶解于離子液體中的濃度(6.1、4.8 g/L)分別高出了19、10倍。通過(guò)這種方法制得的過(guò)飽和葡萄糖溶液在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有顯著損失;進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明,與僅使用飽和葡萄糖溶液相比,在含有過(guò)飽和葡萄糖的[Bmim][TfO]離子液體中,以月桂酸乙烯酯或月桂酸為?；w,利用Novozym 435脂肪酶催化合成葡萄糖月桂酸酯,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率由8%提高到了96%。他們通過(guò)這種方法不僅使葡萄糖在離子液體中的溶解度提高了400%,而且脂肪酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率也得到了顯著提高。

基于底物的溶解度最大化和酶催化活性發(fā)揮最佳兩方面考慮,其他研究者[36]采用兩步法在離子液體中酶法催化合成淀粉月桂酸酯,以改善底物(淀粉)的溶解度以及減緩酶活性失活,從而提高反應(yīng)效率。首先,用極性較強(qiáng)的[Bmim]Cl對(duì)淀粉進(jìn)行預(yù)處理,使得淀粉分子中羥基中的氫鍵斷裂,從而溶解淀粉,高直鏈淀粉的最大溶解度可達(dá)11.0/100 g。然后,在極性較小的[Bmim][BF4]中,脂肪酶(Candidarugosalipase)催化經(jīng)[Bmim]Cl預(yù)處理后的淀粉粉末與月桂酸合成淀粉月桂酸酯,在優(yōu)化反應(yīng)條件下,淀粉酯的最大取代度為0.171,并且兩步法中使用的離子液體可進(jìn)行回收和重復(fù)使用。

盡管許多研究表明,離子液體是生物催化良好的反應(yīng)介質(zhì),但脂肪酶在其中的反應(yīng)速率通常比其在常規(guī)有機(jī)溶劑中的低,因此提高離子液體中酶催化活性仍是商業(yè)化生產(chǎn)糖酯中具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。將超聲應(yīng)用于酶催化反應(yīng)中強(qiáng)化質(zhì)量傳遞這一技術(shù)在近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都有研究[37-39]。然而,超聲應(yīng)用于酶催化反應(yīng)中仍在探索,在離子液體中超聲輔助酶催化反應(yīng)研究較少。Lee等[40]研究應(yīng)用超聲輔助法提高Novozym 435在離子液體中催化過(guò)飽和葡萄糖溶液和月桂酸乙烯酯(或月桂酸)合成糖酯的活性,結(jié)果顯示,與常規(guī)的磁力攪拌相比,超聲條件下[Bmim][PF6]中酶的反應(yīng)初速率增大了7.75倍,[Bmim][TfO]中酶的活性提高了4.7倍。此外,該研究結(jié)果還表明超聲輻射不會(huì)影響該脂肪酶在離子液體中的穩(wěn)定性,通過(guò)優(yōu)化超聲的頻率和功率有望在離子液體提高脂肪酶的催化效率,尤其在受底物溶解度低而限制質(zhì)量傳質(zhì)的離子液體中。

3.2 混合離子液體中酶法合成糖酯

研究報(bào)道有些離子液體能很好地溶解碳水化合物,但同時(shí)對(duì)酶的活性和穩(wěn)定性存在明顯的負(fù)面影響[41],因此,以單一的離子液體為反應(yīng)介質(zhì)難以同時(shí)滿足碳水化合物溶解度大與酶催化效率高這兩個(gè)要求。研究發(fā)現(xiàn)Novozym 435在水溶性離子液體[Bmim][TfO]中的活性較好,而其在疏水性離子液體[Bmim][Tf2N]中穩(wěn)定性較好,因此,采用多種離子液體以適當(dāng)?shù)谋壤旌妥鳛榉磻?yīng)介質(zhì),能使脂肪酶的活性及穩(wěn)定性發(fā)揮至較佳水平;[Bmim][TfO]與[Bmim][Tf2N]按1∶1(v/v)混合作為溶劑時(shí),Novozym 435催化葡萄糖和月桂酸乙烯酯的反應(yīng)中,Novozym 435重復(fù)使用5次后,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為59%,仍有85%的初始酶活保留,然而在[Bmim][TfO]中僅有36%的初始酶活保留,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低至31%左右[42]。因此,采用多種離子液體的混合物要比單種離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)能更有利于脂肪酶催化合成糖酯,提高糖酯合成產(chǎn)率。Lu等[43]也采用混合離子液體([Bmim]Ac和[Bmim][BF4])作為反應(yīng)介質(zhì),考察反應(yīng)條件(脂肪酶用量、反應(yīng)溫度、[Bmim]Ac和[Bmim][BF4]比例、棕櫚酸甲酯和淀粉摩爾比、反應(yīng)時(shí)間)對(duì)淀粉酯取代度的影響,在最佳條件下淀粉酯取代度最大可達(dá)到0.144。以混合離子液體為反應(yīng)介質(zhì)克服了單種離子液體為媒介在提高底物溶解度和保持酶活之間的矛盾。然而,從商業(yè)化生產(chǎn)管理角度,采用多種離子液體為溶劑,不便于實(shí)際操作與管理。因此,如何設(shè)計(jì)既能提高底物溶解度又能保持酶的催化性能的離子液體還有待進(jìn)一步研究,概括起來(lái)主要從以下兩個(gè)方面開(kāi)展:蛋白質(zhì)工程,包括酶的固定化、界面激活和表面活性修飾等;溶劑工程,包括添加助劑和微乳體系等。

3.3 兩相體系中酶法合成糖酯

4 展望

離子液體作為糖酯的酶法催化合成反應(yīng)中有發(fā)展前途的新型綠色反應(yīng)介質(zhì)。其在酶法催化合成過(guò)程中具有操作條件簡(jiǎn)便,較好解決脂肪酶在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性差、活性低、立體選擇性差等問(wèn)題。此外,離子液體的極性較大可以解決因碳水化合物溶解度低而限制其在水相中不反應(yīng)的問(wèn)題。與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑化學(xué)法相比,離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)保證了糖酯在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用。

離子液體在酶法催化合成糖酯的應(yīng)用研究時(shí)間不長(zhǎng),相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入研究,重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:離子液體的結(jié)構(gòu)對(duì)酶的活性中心及空間構(gòu)象的影響,脂肪酶高級(jí)結(jié)構(gòu)在離子液體中的變化情況以及酶法催化合成糖酯的催化機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究,并結(jié)合分子對(duì)接手段實(shí)現(xiàn)快速篩選適用于糖酯合成的離子液體和脂肪酶;離子液體對(duì)底物的溶解性、酶的活性與穩(wěn)定性的影響存在負(fù)相關(guān)性,因此,基于離子液體對(duì)脂肪酶及其催化反應(yīng)的作用機(jī)理,采用計(jì)算機(jī)模擬等手段設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)對(duì)底物具有良好溶解性能以及使脂肪酶保持高效催化活性的新型離子液體。例如,陰離子為Cl-、OAc-或HCOO-的離子液體往往對(duì)碳水化合物溶解能力較好,但與此同時(shí)會(huì)使酶失活。因此,可以通過(guò)在陽(yáng)離子基團(tuán)側(cè)鏈上接枝一定鏈長(zhǎng)的烷基或烷氧基以降低離子液體中氫鍵力和親核性強(qiáng)的陰離子濃度以獲得新型離子液體;就目前情況而言,離子液體成本較高,且在適合溶解多糖的離子液體中因其中的陰離子(如Cl-、OAc-)對(duì)酶分子的強(qiáng)烈氫鍵作用、通過(guò)親核攻擊酶結(jié)構(gòu)中正電荷區(qū)等因素使得脂肪酶在其中催化反應(yīng)的活性降低與循環(huán)使用次數(shù)減少,酶的催化反應(yīng)效率及穩(wěn)定性有待加強(qiáng),這對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。因此,在酶的改性、適合應(yīng)用于糖酯酶催化的新型離子液體的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)介質(zhì)(溶劑)的調(diào)節(jié),新型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、微波和超聲等輔助強(qiáng)化手段等方面的研究是今后該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一,以期提高離子液體中酶法催化合成糖酯的催化效率。

[1]Ferrer M,Soliveri J,Plou F J,et al. Synthesis of sugar esters in solvent mixtures by lipases fromThermomyceslanuginosusandCandidaantarcticaB,and their antimicrobial properties[J]. Enzyme and Microbial Technology,2005,36(4):391-398.

[2]趙冰,張可,王靜,等. 阿魏酸糖酯體外抗氧化性質(zhì)的研究[J]. 食品科學(xué),2010,31(21):94-97.

[3]Osipow L,Snell F D,York W C,et al. Methods of preparation fatty acid esters of sucrose[J]. Industrial & Engineering Chemistry,1956,48(9):1459-1462.

[4]Zhu S,Wu Y,Chen Q,et al. Dissolution of cellulose with ionic liquids and its application:a mini-review[J]. Green Chemistry,2006,8(4):325-327.

[5]Kim K W,Song B,Choi M Y,et al. Biocatalysis in ionic liquids:markedly enhanced enantioselectivity of lipase[J]. Organic Letters,2001,3(10):1507-1509.

[6]Wu Q,Chen H,Han M H,et al. Transesterification of cottonseed oil catalyzed by Br?nsted acidic ionic liquids[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2007,46(24):7955-7960.

[7]Tao D J,Wu J,Wang Z Z,et al. SO3H-functionalized Br?nsted acidic ionic liquids as efficient catalysts for the synthesis of isoamyl salicylate[J]. RSC Advances,2014,4(1):1-7.

[8]王文魁,包宗宏. 氯鋁酸離子液體催化大豆油制備生物柴油[J]. 中國(guó)油脂,2007,32(9):51-53.

[9]田中華,華賁,王鍵吉,等. 室溫離子液體物理化學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)通報(bào),2004,67:9.

[10]Zhao H. Methods for stabilizing and activating enzymes in ionic liquids-a review[J]. Journal of Chemical Technology Biotechnology,2010,85(7):891-907.

[11]Lozano P,De Diego T,Carrié D,et al. Over-stabilization ofCandidaantarcticalipase B by ionic liquids in ester synthesis[J].Biotechnology Letters,2001,23(18):1529-1533.

[12]Nara S J,Harjani J R,Salunkhe M M. Lipase-catalysed transesterification in ionic liquids and organic solvents:a comparative study[J]. Tetrahedron Letters,2002,43(16):2979-2982.

[13]Yang Z,Yue Y J,Huang W C,et al. Importance of the ionic nature of ionic liquids in affecting enzyme performance[J]. The Journal of Biochemistry,2009,145(3):355-364.

[14]Zhao H,Song Z. Nuclear magnetic relaxation of water in ionic-liquid solutions:determining the kosmotropicity of ionic liquids and its relationship with the enzyme enantioselectivity[J]. Journal of Chemical Technology Biotechnology,2007,82(3):304-312.

[15]Li N,Du W,Huang Z,et al. Effect of imidazolium ionic liquids on the hydrolytic activity of lipase[J]. Chinese Journal of Catalysis,2013,34(4):769-780.

[16]Wang J,Wang H,Zhang S,et al. Conductivities,volumes,fluorescence,and aggregation behavior of ionic liquids[C4mim][BF4]and[Cnmim]Br(n=4,6,8,10,12)in aqueous solutions[J]. The Journal of Physical Chemistry B,2007,111(22):6181-6188.

[17]Yang C,Yang J,Sun X,et al.(1S,2S)-Diphenylethylenediamine modified Ir/SiO2catalyst for asymmetric hydrogenation of acetophenone and its derivatives[J]. Chinese Journal of Catalysis,2012,33(7-8):1154-1160.

[18]De los Ríos A P,Hernández-Fernández F J,Martínez F A,et al. The effect of ionic liquid media on activity,selectivity and stability ofCandidaantarcticalipase B in transesterification reactions[J]. Biocatalysis Biotransformation,2007,25(2-4):151-156.

[19]Toral A R,De los Ríos A P,Hernández F J,et al. Cross-linkedCandidaantarcticalipase B is active in denaturing ionic liquids[J]. Enzyme and Microbial Technology,2007,40(5):1095-1099.

[20]Lau R M,Van Rantwijk,Seddon K R. Lipase-catalyzed reactions in ionic liquids[J]. Organic Letters,2000,2(26):4189-4191.

[21]Erbeldinger M,Mesiano A J,Russell A J. Enzymatic catalysis of formation of Z-aspartame in ionic liquid-an alternative to enzymatic catalysis in organic solvents[J]. Biotechnology Progress,2000,16(6):1129-1131.

[22]Lau R M,Sorgedrager M J,Carrea G,et al. Dissolution ofCandidaantarcticalipase B in ionic liquids effects on structure and activity[J]. Green Chemistry,2004,6(9):483-487.

[23]Persson M,Bornscheuer U T. Increased stability of an esterase from Bacillus stearothermophilus in ionic liquids as compared to organic solvents[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2003,22(1-2):21-27.

[24]Singh M,Singh R S,Banerjee U C. Stereoselective synthesis of(R)-1-chloro-3(3,4-difluorophenoxy)-2-propanol using lipases from Pseudomonas aeruginosa in ionic liquid-containing system[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2009,56(4):294-299.

[25]Sheldon R A,Lau R M,Sorgedrager M J,et al. Biocatalysis in ionic liquids[J]. Green Chemistry,2002,4(2):147-151.

[26]Lee S H,Doan T T N,Ha S H,et al. Using ionic liquids to stabilize lipase within sol-gel derived silica[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2007,45(1):57-61.

[28]Kennedy J F,Kumar H,Panesar P S,et al. Enzyme-catalyzed regioselective synthesis of sugar esters and related compounds[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2006,81(6):866-876.

[29]Chiappe C,Leandri E,Lucchesi S,et al. Biocatalysis in ionic liquids:the stereoconvergent hydrolysis of trans-β-methylstyrene oxide catalyzed by soluble epoxide hydrolase[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic 2004,27(4):243-248.

[30]Kim M-J,Choi M Y,Lee J K,et al. Enzymatic selective acylation of glycosides in ionic liquids:significantly enhanced reactivity and regioselectivity[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2003,26(3):115-118.

[31]Li N,Ma D,Zong M-H. Enhancing the activity and regioselectivity of lipases for 3′-benzoylation of floxuridine and its analogs by using ionic liquid-containing systems[J]. Journal of Biotechnology,2008,133(1):103-109.

[32]Ganske F,Bornscheuer U T. Lipase-catalyzed glucose fatty acid ester synthesis in ionic liquids[J]. Organic Letters,2005,7(14):3097-3098.

[33]黃廣君,王濤,姚評(píng)佳,等. 離子液體中酶法合成蔗糖-6-月桂酸單酯的研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2010,35(3):455-461.

[34]曾文恬,姚評(píng)佳,魏遠(yuǎn)安. 離子液體中葡萄糖棕櫚酸酯的酶法合成及表征[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2011,36(3):470-476.

[35]Lee S H,Dang D T,Ha S H,et al. Lipase-catalyzed synthesis of fatty acid sugar ester using extremely supersaturated sugar solution in ionic liquids[J]. Biotechnol Bioeng,2008,99(1):1-8.

[36]Lu X,Luo Z,Fu X,et al. Two-step method of enzymatic synthesis of starch laurate in ionic liquids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2013,61(41):9882-9891.

[37]Kwiatkowska B,Bennett J,Akunna J,et al. Stimulation of bioprocesses by ultrasound[J]. Biotechnology Advances,2011,26(9):768-780.

[38]Yu D H,Wu H,Wang S,et al. Ultrasonic irradiation with vibration for biodiesel production from soybean oil by Novozym 435[J]. Process Biochemistry,2010,45(4):519-525.

[39]Batistella L,Lerin L A,Brugnerotto P,et al. Ultrasound-assisted lipase-catalyzed transesterification of soybean oil in organic solvent system[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2012,19(3):452-458.

[40]Lee S H,Nguyen H M,Koo Y-M,et al. Ultrasound-enhanced lipase activity in the synthesis of sugar ester using ionic liquids[J]. Process Biochemistry,2008,43(9):1009-1012.

[41]Zhao H. Effect of ions and other compatible solutes on enzyme activity,and its implication for biocatalysis using ionic liquids[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2005,37(1-6):16-25.

[42]Lee S H,Ha S H,Hiep N M,et al. Lipase-catalyzed synthesis of glucose fatty acid ester using ionic liquids mixtures[J]. Journal of biotechnology,2008,133(4):486-489.

[43]Lu X,Luo Z,Yu S,et al. Lipase-catalyzed synthesis of starch palmitate in mixed ionic liquids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2012,60(36):9273-9279.

[44]Ganske F,Bornscheuer U T. Optimization of lipase-catalyzed glucose fatty acid ester synthesis in a two-phase system containing ionic liquids and t-BuOH[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2005,36(1):40-42.

[45]Abdulmalek E,Saupi H S M,Tejo B A,et al. Improved enzymatic galactose oleate ester synthesis in ionic liquids[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2012,76:37-43.

Research progress in lipase-catalyzed synthesis of sugar esters in ionic liquid

ZUO Zhu,QIN Xiao-li*,WANG Jia-xu

(College of Food Sciences,Southwest University,Chongqing 400715,China)

As one of the most potential green solvents,ionic liquid has been used as reaction medium in lipase-catalyzed synthesis with some unsurpassed advantages in comparison with traditional organic solvents. Based on the related literature on lipase-catalyzed synthesis of sugar esters in ionic liquid in recent decade,the review focused on summarizing common type of ionic liquids used in lipase-catalyzed ester synthesis,effect of ionic liquids on the activity,stability and selectivity of lipases,and enzymatically synthetic methods of sugar esters. Finally,further studies on enzymatic synthesis of sugar ester in ionic liquid were proposed.

sugar ester;ionic liquid;lipase-catalyzed synthesis

2014-12-09

左竹(1994-)，女，在讀本科生，研究方向：食品質(zhì)量與安全,E-mail:zuozhu_zoe1994@163.com。

*通訊作者:覃小麗(1984-)，女，博士，講師，主要從事食品營(yíng)養(yǎng)化學(xué)和油脂酶法催化改性相關(guān)研究，E-mail:qinxl@swu.edu.cn。

西南大學(xué)第七屆本科生科技創(chuàng)新基金(1317002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(SWU113036，XDJK2014B019)。

TS202.3

A

1002-0306(2015)15-0390-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.074