糖基天然表面活性剂的合成研究进展

糖基天然表面活性剂的合成研究进展

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摘要蔗糖酯是一类性能优良具有广泛用途的糖基天然表面活性剂，近10 年在制糖工业得

到普及应用。本文综述蔗糖酯的合成方法及研究进展并提出开发建议。

关键词蔗糖酯；表面活性剂; 合成方法

0前言

蔗糖及来自动植物的天然油脂都是自然界中含量十分丰富的可再生资源，价格低廉，由此衍生的糖基天然表面活性剂具有非常理想的生物降解和人体安全性[1]。从工业化角度来看，蔗糖酯是能同时满足价格、品质、可获得性要求的最具代表性的糖基天然表面活性剂之一[2]。

蔗糖酯是蔗糖与各种脂肪酸或脂肪酸衍生物缩合而成的一类多元醇型非离子表面活性剂的总称。[3]~[4]脂肪酸结构与碳链长度不同的蔗糖酯结构性质也不同，如蔗糖辛酸酯和蔗糖己酸酯具备独特的杀虫活性[5]和广谱抗菌性[6]。

蔗糖酯一般为白色至象牙色粉状、块状、蜡状固体，或为无色至微黄色粘稠状或树脂状液体，HLB 值范围广泛（1～18），在好氧和厌氧的条件下都能生物降解为糖和脂肪酸，无毒、无嗅、不污染环境；具备优良的去污、乳化、分散、增溶、润湿、降粘、扩散、消泡等表面活性和杀虫、抗菌防腐、保鲜等生态、毒理学性质。尤其是它与皮肤的相容性、生物降解性优于现在任何一类非生物表面活性剂，因此它特别适用于与人体皮肤直接接触的洗涤用品和个人保护用品[7]。蔗糖酯最早出现在1880 年,1959 年首先在日本实现了工业化生产，我国自20 世纪80 年代初才开始蔗糖酯的研究与开发工作。原轻工部日化研究所最先以蔗糖和天然油脂为原料制得蔗糖甘油混合酯并于1982 年8 月正式通过小试鉴定[8]。此后，我国对蔗糖酯合成方法的研究十分活跃并取得了显著的成绩。100 多年来，世界各国科学家研究出了很多种合成方法：从反应方式分有酰氯法、直接脱水法、酯交换法和酶法，从反应状态分有均相法和非均相法，从工艺条件分有溶剂法、微乳化法和无溶剂法等。

1 酰氯酯化法

按照工艺不同又可分为两种方法，一种是在含氮有机化合物如二甲基甲酰胺（DMF）、喹啉或吡啶中，使蔗糖和脂肪酸酰氯发生酯化反应生成糖酯[9]；另一种是先把蔗糖悬浮于大量的无水乙酸中，在氮气保护下滴加酰氯使蔗糖发生酰基化反应生成蔗糖酯[10]。这2 种方法生产出的产品质量都较差，很难达到食品、化妆品和药品的要求，目前较多用于蔗糖酯杀

虫剂的生产，但酰氯法在高单质含量的蔗糖酯合成中仍有一定优势，如段文贵用该法使蔗糖发生-O酰化反应制得单酯含量高达96.31％的歧化松香蔗糖酯[11]。

2 直接脱水法

蔗糖与脂肪酸在酸性催化剂对甲基苯磺酸存在下直接脱水反应生成蔗糖酯。该方法工艺简单，操作方便，但缺点是在酸性催化剂存在下蔗糖易分解，得率很低，而且采用了DMF 做溶剂，产品难纯化，目前此法很少人选用和研究。

3 酯交换法

该法原理是先把各种脂肪酸甲酯化或乙酯化，再在催化剂存在下使蔗糖和脂肪酸酯发生酯交换反应生成蔗糖酯。目前更趋向于直接用天然动植物油酯代替单一脂肪酸进行酯交换制取混合型蔗糖酯，像猪油、椰子油、棕榈油、棉籽油、豆油等。近年来国内也有人用油茶籽油[12]、蓖麻油[13]、红花油[14]、玉米油[15]、氢化葵花油[16]、松香[17]等进行蔗糖酯的合研究。蔗糖只有在碱性催化剂下才与脂肪酸酯发生交换反应。常用催化剂为无水碳酸钾、乙醇钠、油酸胺和氢氧化钾等。也有用碱金属和碱土金属型阳离子交换树脂作催化剂[18]，解决了用碳酸钾催化剂所造成的较大量脂肪酸生成和催化剂的回收等问题，因此简化了蔗糖酯的精制步骤。李祖义等人[19]在系统中加入生物表面活性剂如槐糖酯鼠李糖脂作催化剂，反应体系成为均相，反应温度较低，使蔗糖酯的合成达到了国际先进水平。根据具体的工艺条件不同，又可分为溶剂法、微乳化法、水溶剂法、无溶剂法和相转移催化法等。

3.1 溶剂法

是最早出现的酯交换法，该法的出现标志着蔗糖酯表面活性剂工业化的开始。目前合成的溶剂除DMF 外，常用的还有二甲基亚砜（DMSO）、二甲苯、丙二醇和水等

3.1.1 DMF 法

此工艺是将脂肪酸甲酯或乙酯和蔗糖共溶在无水DMF 中，在催化剂无水碳酸钾或阳离子交换树脂的作用下加热并减压发生酯交换，蒸馏除去副产物甲醇，通过提纯即得成品。DMF 法工艺简单，反应条件温和，蔗糖不易焦化。20 世纪50年代在美国的Snell 就是用这种酯交换溶剂法合成第1 批蔗糖酯产品，标志着蔗糖酯工业化的开始[20]。

3.1.2 丙二醇法

又称微乳化法，是Osipow等人于1967 年合作开发[21]。该工艺以无水碳酸钾为催化剂，借助于脂肪酸皂的乳化作用，使蔗糖和脂肪酸酯在微乳化状态下进行酯交换反应，不断蒸出

溶剂，短时间即可完成反应。此方法工艺简单，不含价格贵、毒性大的溶剂，反应条件温和，溶剂还可回收。但由于焦糖化，蔗糖损失可达10％左右，产品颜色较深。

3.1.3 水溶剂法

首先使蔗糖、脂肪酸皂在90℃水中成为均匀的蔗糖-肥皂溶液，升温并加入碱性催化剂以及部分或全部原料酯进行减压脱水即可。此法用水作溶剂，解决了有机溶剂的毒性问题，但可能导致水解，因此必须控制水的总量，同时必须保持使脂肪酸酯不发生水解的温度和压力。所得产品单酯含量高，反应条件温和，反应时间短，成本低，原料转化率约为85％～95％，是蔗糖酯合成史上的较大突破。近期国内戴愈攻等人[23]对该法作了一些改进，尝试用水—醇作为溶剂制备蔗糖月桂酸单酯。

3.2 无溶剂法

该工艺将蔗糖和脂肪酸酯在无溶剂体系中酯交换合成蔗糖酯，即直接用蔗糖和脂肪酸酯、钠皂进行反应而后蒸馏、冷却回收得终产物，根据工艺条件的不同又可以细分。

3.2.1 熔融法[24]

在氮气保护下，将反应物料加热至170～185℃，使混合物溶解成熔融状态，于真空下反应20～30 min，加入酸以中和催化剂，冷却分离即可。该工艺时间短、反应快、得率高。但高温下蔗糖很不稳定，极易焦化结块，反应难控制。而且该法需要大量昂贵的锂皂和其它的碱金属皂来乳化蔗糖和脂肪酸酯及催化酯交换反应，造成原料和分离成本过高，因此它仅限于实验室合成。

3.2.2 相溶法

由于蔗糖和脂肪酸酯的极性相差极大，Galleymore等[25]提出了改进，即借助一种亲和促进剂如脂肪酸皂、蔗糖酯或十二烷基硫酸钠等，使蔗糖和脂肪酸酯产生相容性从而实现酯交换。该方法时间短、速度快，因而减少着色，有利于获得低酯化度的蔗糖酯，而且其纯度也高，原料酯的转化率90％以上。国内清华大学化工系首先采用此法合成蔗糖酯，并于1986 年进行中试。

3.2.3 非均相法

将蔗糖、脂肪酸酯和无水碳酸钾在130～160℃减压下搅拌直接进行酯交换反应，工艺简单，原料酯转化率为60％～90％，但催化剂用量大，反应速度慢，产品灰分偏高。广东湛江市廉江食品厂早在1988 年就用该法生产出300 t 蔗糖酯，但多为油溶性的低HLB 值