不同反应体系中酶催化阿魏酸乙酯与甘二酯酯交换反应规律的研究

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随着人们对阿魏酸(Ferulic acid, FA)的生理功能越来越多的关注,在保留其活性的同时,对FA分子的改造以扩大其应用范围成为又一热门的研究课题。本研究采用甘二酯与阿魏酸乙酯(Ethyl Ferulate, EF)合成阿魏酰基结构脂,并比较了不同反应体系对酯交换反应选择性规律的影响,为FA衍生物的合成探索了一条新的路线,为其工业化生产提供了新的理论基础,具有重大的意义。实验主要比较了无溶剂体系、离子液体体系、有机溶剂体系对反应的影响,并研究了各个体系中的反应规律,同时对其中的反应热力学和酶催化反应动力学进行了研究。无溶剂体系中,通过分析对比三种甘二酯原料(双硬脂酸甘油酯、双油酸甘油酯、甘二酯油)对EF转化率及产物产率的影响,确定双硬脂酸甘油酯作为阿魏酰基受体。通过对反应时间、反应温度、加酶量三个因素对EF转化率的影响分析,确定这三个因素作为响应面的三个因素进响应面设计及分析,通过响应面优化得到最优条件为:反应温度78oC,反应时间24h,加酶量为14%(以底物总质量计),底物比为1:1(EF:甘二酯,mol/mol),反应系统压力90kPa。在此优化条件下,EF转化率为97.6±2.2%,亲水性产物FG和DFG的产率分别为9.4±1.1%和11.1±0.7%,亲脂性产物FMAGs和FDAGs的产率分别为43.2±0.9%和33.3±1.3%。通过热力学分析,得出EF与双硬脂酸甘油酯反应的活化能为51.1KJ/mol,生成FG+DFG水解反应的活化能为40.3KJ/mol,生成FMAGs+FDAGs的酯交换反应的活化能为57.8KJ/mol。离子液体(Ionic Liquids, ILS)体系中,通过比较不同ILS对EF转化率及产物相对选择性的影响,[Emim]TF2N为最佳的反应体系。对此体系中的反应温度、反应时间、加酶量对EF转化率的影响进行分析,确定这三个因素作为响应面的三个因素进响应面设计及分析,由此确定反应的最优条件为:反应温度110oC,反应时间21h,加酶量为15%(以底物总质量计),底物比为1:1(EF:甘二酯,mol/mol),ILS:底物=1:1(w/w),反应系统压力90kPa。在此工艺条件下进行验证试验,能够得到EF的转化率为97.9±2.3%,亲水性产物FG和DFG的产率分别为15.6±1.1%和27.9±0.7%,亲脂性产物FMAGs和FDAGs的产率分别为34.7±0.9%和21.8±1.2%。通过热力学分析,得出EF与双硬脂酸甘油酯反应的活化能为44.4KJ/mol,生成FG+DFG的水解反应的活化能为41.4KJ/mol,生成FMAGs+FDAGs的酯交换反应活化能的为59.9KJ/mol。动力学参数为:Vm=4.54mmol/(L·h),K BM=0.12mol/L,K AM=0.02mol/L。有机溶剂体系中,通过比较九种有机溶剂对EF转化率的分析,异辛烷体系为酶促双硬脂酸甘油酯与EF酯交换反应的最佳有机溶剂体系。通过单因素实验及响应面实验分析确定最佳的反应条件为:反应温度67oC,反应时间18h,加酶量为11%(以底物的总质量计),底物比(EF:甘二酯,mol/mol)为1:1,异辛烷:总底物=1:1(w/w),常压。在此条件下,EF转化率为79.7±2.1%,亲水性产物FG和DFG的产率分别为12.3±1.5%和4.7±1.6%,亲脂性产物FMAGs和FDAGs的产率分别为37.8±2.1%和22.2±1.5%,与预测值80%基本相符。通过热力学分析,得出EF与双硬脂酸甘油酯反应的活化能为65.9KJ/mol,生成FG+DFG的水解反应的活化能为57.7KJ/mol,生成FMAGs+FDAGs的酯交换反应的活化能为72.9KJ/mol。
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