超声波场中酶法合成L-抗坏血酸豆蔻酸酯
及其抗氧化性

罗慧文,李 卓*

(暨南大学食品科学与工程系,广东 广州 510632)

 

摘 要:以固定化脂肪酶(Novozym®435)为催化剂,在超声波场中合成L-抗坏血酸豆蔻酸酯,分别测定L-抗坏血酸豆蔻酸酯的清除羟自由基、DPPH自由基能力和还原力。结果表明:超声波可以显著加速底物在叔丁醇中的溶解,并使反应时间由48 h缩短到4 h,产率达77.58%,纯化后产物纯度为98.1%,固定化脂肪酶可重复利用4 次。
L-抗坏血酸豆蔻酸酯具有很强的抗氧化性能,在等质量浓度条件下与L-抗坏血酸棕榈酸酯相当,优于特丁基对苯二酚,同时添加入油脂时其抗氧化能力也较优。

关键词:超声波;脂肪酶催化合成;L-抗坏血酸豆蔻酸酯;抗氧化性

 

Synthesis and Antioxidant Activity of Lipase-Catalyzed L-Ascorbyl Myristate in Ultrasonic Field

 

LUO Hui-wen, LI Zhuo*

(Department of Food Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China)

 

Abstract: The synthesis catalyzed by immobilized lipase (Novozym®435) of L-ascorbyl myristate in ultrasonic field was studied. The dissolution rate of the reactants could be accelerated greatly by using ultrasonic, and the reaction time could be reduced from 48 h to 4h. The productivity reached 77.58%, and the purity of purified products was 98.1%. The immobilized lipase could be reused 4 times in ultrasonic field. L-ascorbyl myristate showed strong antioxidant activity similar to that of L-ascorbyl palmitate and superior to that of tertiary butylhydroquinone (TBHQ) at an equal concentration as indicated by hydroxyl radical and 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging capacities and reducing power. The antioxidant activity of L-ascorbyl myristate was still strong even when added to oils.

Key words: ultrasound; lipase-catalyzed synthesis; L-ascorbyl myristate; antioxidant activity

中图分类号:TS202.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)10-0115-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201410021

L-抗坏血酸(VC)是较强的水溶性抗氧化剂,但其亲水性限制了其在脂溶性食品方面的应用。当疏水性的长链脂肪酸基团与L-抗坏血酸分子经过酯化反应连接后,其亲油性增加,使之具有抗氧化性和乳化性两种性能[1-3]。L-抗坏血酸脂肪酸酯的合成方法有多种,一类是得率较高,但反应条件剧烈化学合成法[3],一类是反应条件温和、副反应少的脂肪酶催化酯合成反应[3]。目前已有报道的研究主要集中在少数几种
L-抗坏血酸脂肪酸酯的合成和性质研究,如L-抗坏血酸棕榈酸酯(L-ascorbyl palmitate,L-AP)等[4-13]。制约
L-抗坏血酸脂肪酸酯产率提高的因素是水溶性的L-抗坏血酸在溶液的溶解度小和底物局部浓度不均匀。而超声波产生的高频振动不仅能促进底物L-抗坏血酸的溶解,并且可以使底物均匀分散在溶剂中,提高底物与酶的有效碰撞次数,有助于反应的加速进行[14-16]。本实验合成一种新型L-抗坏血酸脂肪酸酯——L-抗坏血酸豆蔻酸酯(L-ascorbyl myristate,L-AM),并确定在超声波场中酶法合成的最佳合成条件,对产物的纯度和结构进行了分析鉴定,同时测试了固定化脂肪酶(Novozym®435)可以重复使用的次数。另外对L-抗坏血酸豆蔻酸酯进行了抗氧化性测试,从羟自由基体系、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical 2,2-diphenyl-1-(2,4,6-trinitrophenyl)hydrazyl,DPPH)自由基体系、还原力测试以及氧化诱导时间测定等方面进行研究,以期为新型L-抗坏血酸脂肪酸酯衍生物的合成与应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

L-抗坏血酸 天津西尔斯化工有限公司;豆蔻酸、无水硫酸镁、三氯乙酸 广州化学试剂厂;邻二氮菲 沈阳试三生化科技开发有限公司;叔丁醇、正己烷、乙酸乙酯、三氯化铁、硫酸亚铁 天津市富宇精细化工有限公司;变色硅胶 国药集团试剂有限公司;4Å分子筛 河南环宇分子筛有限公司;以上材料均为分析纯;DPPH 美国Sigma-Aldrich公司;葵花籽油、大豆油 金龙鱼股份有限公司。

1.2 仪器与设备

SB25-12DTDN超声波处理机 宁波新芝生物科技有限公司;RE-5205型旋转蒸发器 上海荣亚生化仪器厂;FZG-4型真空干燥箱 南京华奥干燥设备有限公司;X-5显微熔点测定仪 北京泰克仪器有限公司;TD4K-Z台式低速离心机 长沙东旺实验仪器有限公司;UV-1601紫外-可见分光光度仪 北京瑞利分析仪器有限公司;EQUINOX 55型红外光谱仪 德国布鲁克光谱仪器公司;4000Q Trap质谱仪 美国AB SCIEX公司;743型Rancimat氧化稳定性测试仪 瑞士万通(中国)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 合成方法

L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、叔丁醇50 mL、固定化脂肪酶(Novozym®435)0.35 g、4Å分子筛5 g,同时加入圆底烧瓶,超声功率密度0.40 W/cm2、水浴恒温55 ℃、反应时间4 h。

收集反应液,用布氏漏斗减压抽滤进行固液分离,溶液经减压蒸馏分离出溶剂叔丁醇,真空干燥进一步分离出溶剂叔丁醇,将溶液用乙酸乙酯溶解,水洗分液后,溶液用无水硫酸镁干燥12 h,再经减压抽滤除去干燥剂,所得滤液减压蒸馏分离出乙酸乙酯,之后经两次甲苯重结晶,正己烷洗涤,最后真空干燥5 h得到产物,称质量并计算产率。

红外光谱使用傅里叶变换红外光谱仪测定,晶体直接测量,扫描范围500~4 000 cm-1。质谱由AB SCIEX公司4000Q Trap质谱仪测定,负离子模式,电喷雾离子源,质量扫描范围0~1 000。

1.3.2 纯度测定

采用GB 16314—1996《食品添加剂:L-抗坏血酸棕榈酸酯》的碘量法方法测定产物的纯度[17],并且用显微熔点仪测定产物熔程。

1.3.3 羟自由基清除能力测定

基于Fenton反应的原理,具体测定过程如下:配制0.2 mmol/L pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液、0.75 mmol/L邻二氮菲无水乙醇溶液、0.75 mmol/L硫酸亚铁溶液、0.01%过氧化氢和一系列质量浓度梯度的L-AM乙醇溶液。取5支5 mL试管,标号1、2、3、4和空白,每只试管加入2 mL磷酸盐缓冲溶液与1 mL邻二氮菲无水乙醇溶液,充分振荡均匀,在1、2、3、4号试管中分别加入不同质量浓度的样品,再分别加入1 mL 0.01%过氧化氢;空白试管中加入2 mL蒸馏水以补充体积。将5 支试管置于37 ℃恒温水浴锅中保存1 h后,取出,用分光光度仪在536 nm波长处分别测定每支试管溶液的吸光度,并记录[18-22]。结果与特丁基对苯二酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)、L-AP、VC等几种抗氧化剂进行比较。计算依据参照式(1):

清除率/% = ×100

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A处理-A对照

A空白对照-A对照

(1)

1.3.4 DPPH自由基清除能力测定

测定过程如下:配制浓度为0.2 mmol/L的DPPH乙醇溶液、一系列质量浓度梯度的L-AM的乙醇溶液。取若干10 mL试管,分别加入2 mL的DPPH自由基乙醇溶液,以及不同的质量浓度L-AM酯样品的乙醇液,空白组加入2 mL DPPH溶液与2 mL乙醇,所有试管振荡摇匀后,将其放入暗室静置30 min。取出样品,以无水乙醇对分光光度仪进行调零,测定各试液在517 nm波长处的吸光度A样品,
空白组吸光度记为ADPPH,并与TBHQ、VC、L-AP等几种抗氧化剂进行比较[18-22]。样品对DPPH自由基清除率按式(2)计算:

清除率/% = ×100

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A DPPH-A样品

A DPPH

(2)

1.3.5 L-AM的还原能力测定

基于普鲁士蓝法 [11]的改进,测定L-AM的还原能力。配制一定梯度的乙醇溶液、0.2 mol/L pH 6.6的磷酸缓冲溶液、2.5 mL 1%的铁氰化钾(K3Fe(CN)6)、0.1%的三氯化铁溶液、10%的三氯乙酸溶液。取10 mL离心管,分别加入0.5 mL L-AM样品溶液2.5 mL磷酸缓冲溶液和2.5 mL铁氰化钾(K3Fe(CN)6),振荡混匀,置于50 ℃恒温水浴锅中,20 min后取出并迅速冷却,加入2.5 mL三氯乙酸溶液,以2 000 r/min的转速离心15 min。取上清液2.5 mL于试管中,加入2.5 mL蒸馏水和0.5 mL 0.1%的三氯化铁溶液,振荡摇匀后,室温条件下静置10 min。利用分光光度仪于700 nm波长处检测样品的吸光度(此处的吸光度越高,则样品的还原能力越强)[18-22]。并与TBHQ、VC、L-AP等几种抗氧化剂进行比较。

1.3.6 L-AM在油脂中的抗氧化性

测定L-AM在油脂中的抗氧化性,首先将各种抗氧化剂配制成1.0 mg/mL的乙醇溶液,分别加入油样,配成相应200 μg/kg级的试样3 g并标记。通过测定油样氧化诱导期,比较各抗氧化剂的抗氧化性[23-26]。并与TBHQ、VC、L-AP等几种抗氧化剂进行比较。

1.4 数据分析

以上测定均做3 个平行实验,最后结果取3 次测定结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 L-AM产物的合成及分离纯化

2.1.1 溶剂对产率的影响

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图 1 溶剂对L-AM产率的影响

Fig.1 Effect of solvents on the yield of L-ascorbic myristate

溶剂的极性与溶解性是否合适,对脂肪酶催化合成的效率有很大影响。实验分别选用正己烷、氯仿、叔戊醇、叔丁醇、四氢呋喃、丙酮、乙醇和甲醇作为溶剂,探究不同的溶剂对L-AM产率的影响。分别选用不同的溶剂,保持其他条件恒定:L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、脂肪酶0.35 g、恒温水浴温度55 ℃、超声密度0.40 W/cm2、反应4 h。如图1所示,以正己烷、氯仿、乙醇及甲醇为溶剂时L-AM的产率几乎为0,四氢呋喃溶剂中L-AM的产率约为14%,丙酮作为溶剂时的产率将近45.21%,相比之下,叔戊醇和叔丁醇是更为理想的溶剂,两者作为溶剂合成L-AM的产率最高,分别为76.89%和75.33%。常压条件下叔丁醇(沸点为82.5 ℃)相比叔戊醇(沸点为102 ℃)的沸点低,纯化处理阶段,叔丁醇在减压蒸馏过程中更易挥发除去,故叔丁醇为最理想的溶剂。

2.1.2 反应时间对产率的影响

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图 2 反应时间对L-AM产率的影响

Fig.2 Effect of reaction time on the yield of L-ascorbic myristate

以反应的时间为单因素,保持其他条件恒定:叔丁醇50 mL、L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、脂肪酶0.35 g、恒温水浴温度55 ℃、超声密度0.40 W/cm2,分别反应1、2、3、4、5、6 h,其产率变化如图2所示,反应时间由1 h变化至3 h的过程中,L-AM产率随时间的延长有明显的提高,3~4 h产率提高的速率减缓,4 h以后产率基本维持在75%左右,进一步延长时间对产率的提高作用不显著,故选取4 h为最佳反应时间。

2.1.3 温度对产率的影响

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图 3 温度对L-AM产率的影响

Fig.3 Effect of reaction temperature on the yield of L-ascorbic myristate

以恒温水浴的温度为变量,保持其他条件恒定:叔丁醇50 mL、L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、脂肪酶0.35 g、超声密度0.40 W/cm2、反应4 h。探究反应温度分别为40、45、50、55、60、65 ℃条件下,L-AM产率的不同。如图3所示,反应温度在55~60 ℃的范围内,L-AM的产率最高。温度过低或者温度过高时,固定化脂肪酶的活性收到较大影响,且温度较高不利于L-AM的抗氧化基团连烯二醇结构的稳定,故选取55 ℃作为最佳反应温度。

2.1.4 脂肪酸与L-抗坏血酸物质的量比对产率的影响

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图 4 底物的物质的量比对L-AM产率的影响

Fig.4 Effect of substrate molar ratio on the yield of L-ascorbic myristate

以豆蔻酸与L-抗坏血酸的物质的量比为单因素,保持其他条件恒定:叔丁醇50 mL、4Å分子筛5 g、脂肪酶0.35 g、恒温水浴温度55 ℃、超声密度0.40 W/cm2、反应4 h。豆蔻酸的量由10 mmol变化至50 mmol时,产率的变化如图4所示。豆蔻酸的量在30~50 mmol的范围内,L-AM产率最高,继续增加豆蔻酸的量对产率提升无明显作用,故选择豆蔻酸的加入量为30 mmol,即豆蔻酸与
L-抗坏血酸的物质的量比为31,此时产率可以有效提高,确定31为豆蔻酸与L-抗坏血酸的最佳物质的量比。

2.1.5 超声功率密度对产率的影响

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图 5 超声功率密度对L-AM产率的影响

Fig.5 Effect of ultrasonic power density on the yield of L-ascorbic myristate

酶底物的扩散速率对酶的催化效率有极大影响,反应过程中采用超声波振动使底物分散均匀,超声波的功率对底物扩散速率影响显著。以超声功率为变量,保持其他条件恒定:脂肪酶0.35 g、L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、叔丁醇50 mL、水浴恒温55 ℃、反应时间为4 h。分别选用超声功率为0.00、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 W/cm2。得其产率变化如图5所示,可得产率随着超声功率的增加而提高,超声波产生的高频振动不仅能促进底物L-抗坏血酸的溶解,并且可以使底物均匀分散在溶剂中,提高底物与酶的有效碰撞次数,因此L-AM产率显著提高,由于超声波最大功率为0.40 W/cm2,故选取0.40 W/cm2为最佳超声功率。

2.1.6 固定化脂肪酶使用次数对产率的影响

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图 6 固定化酶的使用次数对L-AM产率的影响

Fig.6 Effect of number of reuse cycles of immobilized lipase on the yield of L-ascorbic myristate

本实验结果的最终目的是投入工业化生产,成本的考虑尤为重要。原料中,固定化酶的价格相对较高,需要重复使用,但随着重复使用次数的增加,酶的活性会随之衰减,以酶的重复使用次数为变量,保持其他条件恒定:脂肪酶0.35 g、L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、叔丁醇50 mL、水浴恒温55 ℃、超声功率密度0.40 W/cm2、反应时间为4 h。随着重复次数变化,产率变化如图6所示:酶使用的次数在1~4 次的范围内,产率基本恒定,酶活力变化程度不大,当重复使用次数超过4 次以后,产率有明显下降,酶活力衰减较明显。原因可能是固定化脂肪酶在超声波的高频振动作用下,结构发生变化甚至破坏,且在回收利用过程中固定化酶有损耗,故兼顾效率和成本的情况下,选取酶的重复使用次数为4 次。

2.2 产物的鉴定

2.2.1 产物的纯度测定

产物经过分离提纯后为白色有光泽的针状晶体,用GB 16314—1996的碘量法[8]测定产物的纯度为98.1%,测得熔点为107.9~109.6 ℃。

2.2.2 产物的红外光谱检测

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图 7 L-抗坏血酸豆蔻酸酯的红外光谱图

Fig.7 Infrared spectrum of L-ascorbic myristate

从图7可得出:3 394、2 915、1 731 cm-1分别出现了—OH键的吸收峰、CH2的C—H键伸缩振动吸收峰、羧酸酯基的伸缩振动吸收峰,在1 654 cm-1出现了
L-抗坏血酸的C=C的吸收峰和指纹区的吸收峰(1 288、1 149、725 cm-1)进一步证明了L-抗坏血酸豆蔻酸酯的结构特征。

2.2.3 产物的质谱检测

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图 8 L-抗坏血酸豆蔻酸酯的质谱图

Fig.8 Mass spectrum of L-ascorbic myristate

由图8可知,分子离子峰m/z 385.7(M-1)和m/z 772.2(2M)证实了所得产物为L-AM。

2.3 产物的抗氧化性测定

2.3.1 L-AM对羟自由基的清除能力

如图9所示,利用邻二氮菲Fe2+氧化法测定L-AM对羟自由基的清除能力,以吸光度的大小来反映抗氧化剂清除羟自由基能力的高低。在产物质量浓度为50~400 μg/mL
的范围内,随着质量浓度的增加,4 种氧化剂对羟自由基的清除能力均逐渐增强,其中TBHQ对羟自由基清除能力增强的速率最缓慢,依次是L-AP和L-AM,以L-抗坏血酸的羟自由基清除能力的增强速率最快、清除能力最强。

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图 9 L-AM对羟自由基的清除能力的测定

Fig.9 Hydroxyl radical scavenging capacity of L-ascorbic myristate

2.3.2 L-AM对DPPH自由基的清除能力

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图 10 L-AM对DPPH自由基清除能力的测定

Fig.10 DPPH• radical scavenging capacity of L-ascorbic myristate

如图10所示,随着样品质量浓度的增加,清除率有明显提高。在相同的质量浓度下,TBHQ对DPPH自由基清除能力最强,然后依次是抗坏血酸、L-AM、L-AP最弱。

2.3.3 L-AM的还原性能力

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图 11 L-AM的还原性测定

Fig.11 Reducing power of L-ascorbic myristate

由图11可知,各试样的还原力随着产物质量浓度的增加而增强。据以上分析,可知还原力的由强到弱,依次是L-抗坏血酸、L-AM、L-AP、TBHQ。

2.3.4 L-AM在油脂中的抗氧化性能

如图12所示,分别采用两种不同的油对4 种抗氧化剂的抗氧化性能作比较,4 抗氧化剂对两种油脂均有抗氧化作用,且在大豆油中抗氧化作用更明显。因为葵花籽油中不饱和脂肪酸更多,因而氧化速度更快。在同一油脂的实验结果中,可得L-抗坏血酸抗氧化性最弱,其次是TBHQ,L-APL-AM的抗氧化能力较强,且L-AM的抗氧化能力稍强于L-AP。分析原因:L-抗坏血酸清除羟自由基、DPPH自由基能力及其还原力在相同质量浓度下虽均强于其他3 种抗氧化剂,但L-抗坏血酸的油溶性没有其他三者强,抗氧化的基团无法与油脂进行良好的接触,直接导致抗氧化能力较低。而L-AM兼具良好的油溶性及抗氧化性,其分子侧链碳原子比L-AP分子的侧链碳原子少了两个碳原子,所以相同质量浓度的L-AM的连烯二醇结构所占比重大于L-AP,导致L-AM的抗氧化能力稍大于L-AP

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图 12 L-AM在油脂中的抗氧化性能

Fig.12 Antioxidant activity of L-ascorbic myristate in oils

3 结 论

在合成反应过程中,超声波可以促进L-抗坏血酸的溶解,加速固定化脂肪酶在叔丁醇中催化合成L-AM,缩短反应平衡时间,并且能够提高产率。同时适当过量的豆蔻酸,合适的溶剂、反应时间、反应温度以及超声功率密度可以使产率达到最高,最佳的条件为脂肪酶0.35 g、L-抗坏血酸10 mmol、豆蔻酸30 mmol、4Å分子筛5 g、叔丁醇50 mL、水浴恒温55 ℃、超声功率密度0.40 W/cm2、反应时间4 h,最高产率达到77.58%。抗氧化实验表明,L-AM具有很强的清除羟自由基、DPPH自由基能力和还原力,在一定质量浓度下优于L-AP、TBHQ,并且克服L-抗坏血酸油溶性不良的缺点,添加入油脂后的抗氧化作用明显,因此,L-AM是一种有潜力的抗氧化剂,有一定的应用价值。

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收稿日期:2013-07-03

作者简介:罗慧文(1992—),女,本科,研究方向为食品科学与工程。E-mail:lhwmango@163.com

*通信作者:李卓(1988—),男,硕士,研究方向为食品添加剂的制备与应用。E-mail:totti880824@163.com