一种萜烯醇单酯及其制备方法与应用与流程

本发明属于生物合成，具体涉及一种萜烯醇单酯及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在食品、酿酒、化妆品和医药行业广泛应用的香料物质为萜烯醇的脂肪酸酯，如香叶醇、香茅醇、芳樟醇的脂肪酸酯。最初这些香料物质都是从天然原料中提取获得，但是从天然原料中提取受到分离纯化复杂、原料有限、价格高等限制，难以大规模生产。随着市场需求的不断增长，开始采用化学法合成。然而，化学法虽然能够大量合成，但是不符合人们对天然香料的要求，附加值低。并且，高温和无机酸作为催化剂条件下萜烯醇类化合物易发生脱水、异构，聚合等反应，产物的产率及纯度无法满足工业需要。

2、随着生物技术的发展，研究人员将目光转移到利用生物技术制备天然香精香料。现有研究中一条途径就是利用脂肪酶作为催化剂，催化萜烯醇与酸或者酯发生反应合成香味可以缓慢释放的萜烯醇酯。并且，考虑到萜烯醇酯的生物安全性和极性需要，具有生物可降解性的有机酸是理想的酯化原料。特别是同样具有生物活性、参与生物代谢的多元有机酸，相较于小分子水溶性脂肪酸或长链饱和脂肪酸而言，具有更大的生物价值。

3、但一方面，大量极性较大的含羧基化合物无法溶解和/或分散于无水溶剂体系中，进而无法有效分散于非水相反应体系；另一方面，多元有机酸的结构更为复杂，制备得到的多种产物不同的反应活性及溶解性会导致酯化反应中副反应的增加、反应体系分离难度上升。

4、因此，开发一种成本低廉、催化剂安全高效、工艺绿色环保，且结构单一、产品纯度满足工业需求的萜烯醇单酯的制备方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种成本低廉、催化剂安全高效、工艺绿色环保，且结构单一、产品纯度满足工业需求的萜烯醇单酯的制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种萜烯醇单酯的制备方法，以萜烯醇和多元有机酸为原料，以诺维信435脂肪酶催化酯化反应，于微通道反应装置中在超声条件下反应得到萜烯醇单酯。

4、值得说明的是，作为商业化应用最成功的脂肪酶，诺维信脂肪酶435是一种热稳定脂肪酶的固定化制剂，特别适用于酯类和胺类化合物的合成。但在实际应用中，诺维信脂肪酶435还存在着一些问题。一方面由于界面活化机制，使用过程中酶的脱附会导致脂肪酶使用寿命的下降；另一方面，载体所具有的机械脆弱性、亲水性会使亲水化合物积累，造成酶反应位点周围水相的形成或ph环境的变化，进而导致酶失活。

5、特别是在以萜烯醇和多元有机酸为原料进行酯化反应时，诺维信脂肪酶435的载体的亲水性强于萜烯醇，因此，在酯化反应产生的水的加持下，多元有机酸更易在诺维信脂肪酶435的周围形成包裹水相，导致脂肪酶反应位点处于低ph环境下，极易失活。

6、并且，常规脂肪酶催化反应多使用搅拌法，这使得本就具有机械脆性的诺维信脂肪酶435载体更易破裂，进而使得酶脱附严重。

7、因此，本发明将诺维信脂肪酶435固定于微通道反应装置中，在提高了底物与酶的有效接触面积的同时，还避免了由于载体机械脆性导致的酶脱附。进一步的，考虑到以萜烯醇和多元有机酸为原料进行酯化反应的体系特点，本发明在超声条件下进行酯化反应，不仅避免了机械搅拌对诺维信脂肪酶435载体的伤害，还利用超声波的空化作用避免了脂肪酶周围水相的形成以及多元有机酸对脂肪酶反应位点的包围，解决了脂肪酶在反应中快速失活的使用困境。

8、进一步的，所述萜烯醇选自香芹醇、香茅醇、香叶醇、橙花醇、橙花叔醇、紫苏醇或芳樟醇。

9、进一步的，所述多元有机酸选自酒石酸、草酸、丁二酸、苹果酸或柠檬酸。

10、值得说明的是，为了保持萜烯醇衍生物的空间构型和生物活性，现有技术中，制备萜烯醇酯类衍生物多采用一元羧酸，例如乙酸、丙酸、异丁酸、异戊酸、糠酸、苯甲酸、肉桂酸、肉豆蔻酸等。在此系列结构中，仅有一个羧基作为反应位点，因此所得产物均为单一结构，无需考虑反应的选择性。然而，一元羧酸作为亲酯尾部，虽然增强了萜烯醇的稳定性却也导致萜烯醇衍生物极性的改变和水溶性的下降，无法满足市场对水溶性萜烯醇衍生物的需要。

11、因此，为了进一步满足市场对于萜烯醇酯的生物活性、极性、溶解性和稳定性的需求，以多元酸为羧基供体的萜烯醇单酯成为了一类具有极大应用潜力的萜烯醇衍生物。特别是同样具有生物活性、参与生物代谢的多元有机酸，相较于小分子水溶性脂肪酸或长链饱和脂肪酸而言，具有更大的生物价值。但是多元有机酸结构中的多个羧酸均可作为酯化反应位点，由此，具有结构选择性的酯化反应就成为了制备萜烯醇单酯的关键步骤。

12、虽然现有技术资料中关于脂肪酶催化酯化反应的选择性还鲜见报道，但令人惊喜的是，本发明通过诺维信435脂肪酶催化萜烯醇和多元有机酸的酯化反应，在超声条件下，意外发现可以有效进行多元酸的不完全酯化反应，得到的酯化产物多为萜烯醇单酯，二酯或三酯的含量极低，可以满足市场需要。

13、并且，酯化反应作为一种可逆反应，多需要在制备酯的过程中脱水，以保持反应体系低的水分含量。特别是针对萜类化合物的酯化反应，现有技术中多使用对苯甲磺酸催化，该催化剂对水敏感，反应中还需使用带水剂回流分水，以保证酯化反应的进行。传统使用脂肪酶催化酯化的反应也多需要分子筛除水。而本发明无需设置高温回流分水装置或其他带水剂，而是利用超声条件避免了含酸水相在脂肪酶周围的累积。反应体系成本低廉、绿色环保，无毒且生物友好，符合可持续发展的新型工业要求。

14、进一步的，所述制备方法包括如下步骤：

15、i、将萜烯醇解于溶剂a中得到溶液a，将多元有机酸溶解于溶剂b中得到溶液b，将诺维信435脂肪酶填充于微通道反应装置的固定化酶微反应器的反应管中；

16、ii、将步骤i得到的溶液a和溶液b同时泵入微通道反应装置的混合器中混合，打开超声辅助装置，然后进入固定化酶微反应器中进行酶催化反应；

17、iii、反应结束后，收集反应器流出液，分离纯化，得到所述萜烯醇单酯。

18、值得说明的是，本发明使用的诺维信435脂肪酶粒径为0.3～0.9mm。在一些实施例中，推荐诺维信435脂肪酶(10000u/g)的填充质量是反应物萜烯醇质量的5％～20％以平衡反应成本、反应时间和酶反应活性。

19、更进一步的，所述步骤i中，溶剂a选自乙酸乙酯、乙腈、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺或丙酮，溶剂b选自水、乙腈、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮中的一种或多种的混合。

20、更进一步的，所述步骤i中，溶液a中萜烯醇的浓度为200～760mmol/l，溶液b中多元有机酸的浓度为300～1200mmol/l。

21、更进一步的，所述步骤ii中溶液a和溶液b按照流量体积比为1:1泵入微通道反应装置的混合器中。

22、更进一步的，所述步骤ii中固定化酶微反应器的反应温度为40-50℃，反应停留时间为1～2h；所述超声辅助装置的超声功率为140w。

23、值得说明的是，考虑到本发明公开的酯化反应对体系中水的存在不敏感，并兼顾脂肪酶活性，本发明限定的酯化反应温度低于反应体系及反应物的沸点。较现有技术中需使用溶剂回流分水的制备方法相比，能耗更低，更节能环保。

24、本发明的第二个目的是提供一种如上所述的制备方法得到的萜烯醇单酯，所述萜烯醇单酯以香芹醇、香茅醇、香叶醇、橙花醇、橙花叔醇、紫苏醇或芳樟醇为亲酯性头部，以酒石酸、草酸、丁二酸、苹果酸或柠檬酸为亲水性尾部。

25、值得说明的是，本发明所述萜烯醇单酯以萜烯醇为亲酯性头部、以多元有机酸结构中未反应的羧基或羟基为亲水性尾部，使得萜烯醇单酯的结构中含有的至少一个羧基，可以有效提高两亲性萜烯醇单酯的水溶性和生物活性。与现有技术中采用一元羧酸作为萜烯醇脂肪酸酯的亲酯尾部以降低萜烯醇衍生物极性、提升衍生物的脂溶性不同，本发明公开的萜烯醇单酯提高了萜烯醇类衍生物的极性，具有更好的水溶性、可降解性及生物相容性。

26、本发明的第三个目的是提供一种如上所述萜烯醇单酯作为食品、日化、医药领域的添加剂或辅料的应用。

27、与现有技术相比，本发明公开了一种以萜烯醇和多元有机酸为原料，以诺维信435脂肪酶催化酯化反应，于微通道反应装置中在超声条件下反应得到萜烯醇单酯的制备方法，为萜烯醇类衍生物的结构改性提供了新途径。与现有萜烯醇脂肪酸酯以一元羧酸作为亲酯尾部不同，本发明得到的两亲性萜烯醇单酯以香芹醇、香茅醇、香叶醇、橙花醇、橙花叔醇、紫苏醇或芳樟醇为亲酯性头部，以酒石酸、丁二酸、草酸、苹果酸或柠檬酸结构中未反应的羧基或羟基为亲水性尾部，具有良好的水溶性、可降解性及生物相容性。并且，针对实际生产中诺维信脂肪酶435使用寿命短、易失活的问题，本发明通过微通道反应器与超声条件的联合使用，一方面将诺维信脂肪酶435固定于微通道反应装置中，在提高了底物与酶的有效接触面积的同时，还避免了由于载体机械脆性导致的酶脱附；另一方面，利用超声波的空化作用避免了脂肪酶周围水相的形成，进而避免了多元有机酸对脂肪酶反应位点的包围，有效提升了脂肪酶的使用寿命。该方法简单高效、绿色环保，缩短了反应时间，优化了工艺流程，符合绿色化工、安全化工的新型化工生产要求。