万洪维，李文娟，杜广芬*

（1石河子大学化学化工学院／化工绿色过程新疆兵团重点实验室/材料化工新疆维吾尔自治区重点实验室，新疆 石河子832003）

糖脂肪酸酯简称蔗糖酯（SE）是 20世纪 70年发展起来的一类新型非离子表面活性剂和食品添加剂具有较宽亲水亲油平衡值（HLB）、安全、无毒、无味、易被生物降解、且无刺激性，同时具有优良的增溶、渗透、乳化、分散、起泡、防止淀粉老化及抗菌等性能，被广泛应用于食品、药品、日化产品及纺织行业中[1-2]。

由于蔗糖上有3个伯羟基和5个仲羟基，根据糖酯比不同可产生不同酯化程度的蔗糖酯，其中6个以上羟基成酯称为多酯。蔗糖多酯表观类似脂肪，食用后不产生热量，是一类理想的低热量脂肪替代品，有降低人体胆固醇的作用，并且可以完全降解，不会对人体及环境产生危害[3-6]。

目前，合成蔗糖酯的方法主要有溶剂法、微乳化法、无溶剂法、微生物法及酶法等[7-8]。20世纪中期开始出现用溶剂法合成蔗糖酯，但溶剂大多有毒；为改变有毒溶剂问题，出现了用非常便宜的水和没有毒性的丙二醇取代掉毒性溶剂，但需使用大量的乳化剂（通常介于 15%-30%），由于乳化剂的存在是反应体系粘度增大，造成搅拌困难，不适合大规模工业化生产。后来出现了无溶剂法制备蔗糖酯，无溶剂法合成蔗糖酯存在以下弊端：反应温度高、蔗糖较易结块焦化、产率较低、产品质量不能够得到保证等。结合生物技术出现了酶催化法；另外，该方法制的产物纯度较高，但是成本很高，不适合大规模生产。

氮杂环卡宾具有很强的bronsted碱性，其催化酯交换反应的历史可追溯到1994年，Smith小组发现咪唑的三氟甲磺酸盐与苄醇在有机碱三乙烯二胺（DABCO）作用下可以制备酯类化合物。2002年，Nolan[9-10]和 Hedriek[11]报道了氮杂环卡宾催化的醋酸乙烯酯和苄醇发生的酯交换反应。Nolan[12]小组在后续研究中发现改变卡宾咪唑环上的取代基为环己基时二级醇也可以较好发生酯交换反应，还发现除了羧酸酯之外，磷酸酯[13]也可与醇发生酯交换反应，氮杂环卡宾催化酯交换反应的依据如下：氮杂环卡宾上的电子对夺取蔗糖上的羟基氢，形成蔗糖负离子，糖负离子进攻酯的羰基碳，发生亲核取代反应，同时酯上的烷氧基离去，形成糖酯。

在蔗糖酯的分析测定中，用得较多的是薄层色谱法（TLC），它可进行定性及定量测定，但定量测定步骤较复杂[14]。也有用气相色谱进行蔗糖酯水解产物的分析[15]，但蔗糖酯由于有多个羟基，挥发性不好，需衍生化后方可以进行分析，备样过程比较复杂。高效液相色谱（HPLC）是一种快速定量方法，国外70年代开始已应用到蔗糖酯的分析中[16]。在HPLC定量中需要使用对照品，而蔗糖酯的同分异构体众多，需要众多对照品进行分析。

我们课题组也研究了氮杂环卡宾催化的一系列反应[17-18]，但氮杂环卡宾用于催化蔗糖酯交换反应尚未见报道，因此本文尝采用卡宾催化蔗糖的酯交换反应来制备蔗糖脂肪酸酯，并利用HPLC-MS-MS法测定蔗糖酯的组成及含量，为蔗糖酯快速分析提供了一种新的可能。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

仪器：Agilent 1200-6460 LC-MS/MS，色谱柱：Agilent ZORBAX SB-Aq（3.0×100mm，3.5um），流动相：乙腈/水（0.1%甲酸），溶剂经过干燥除水处理，其他化学试剂均为分析纯或化学纯，均为阿拉丁化学试剂公司生产。氮杂环卡宾催化剂实验室自制。

1.2 试验方法

1.2.1 实验步骤

以蔗糖与醋酸乙烯酯用量比为1∶1为例进行介绍卡宾催化蔗糖酯交换反应在反应管中加入蔗糖（0.2 mmol），在氮气保护下加入溶剂 DMF（2 mL），搅拌均匀至蔗糖微溶于溶剂后，逐滴加入醋酸乙烯酯（0.2 mmol），再加入一定量的催化剂，在一定温度和时间下搅拌反应。反应式如下：

1.2.2 液相色谱-质谱联用技术分析蔗糖酯

质谱分析条件如下：

仪器：Agilent 1200-6460 LC-MS/MS；色谱柱：Agilent ZORBAX SB-Aq（3.0×100mm，3.5um）；进样量：2 μL；

扫描模式：SCAN（正离子模式）。

汽化温度：350℃，雾化气流速：5 L/min；

鞘气：325℃，鞘气流速：12 L/min；

毛细管电压：4 kV；流动相：乙腈 /水（0.1%甲酸）采用梯度洗脱。

2 结果与分析

2.1 蔗糖与醋酸乙烯酯用量比对总酯化率的影响

糖酯比例对蔗糖酯的组成有决定性的影响，因此首先固定其他反应条件：DMF为溶剂，催化剂用量为10%，在 100℃下反应8 h，改变糖酯比例分别 为 10∶1，5∶1，3∶1，1∶1，1∶3，1∶5，1∶10，1∶15，结果发现糖酯比大于1∶1时得到的主要产物为单酯。

结果见图1、表1和图2。

图1 糖酯比1∶5时HPLC-MS图Fig.1 HPLC-MS plot of sugar ester ratio 1∶5 composition ester

由图1、表1和图2可知：糖酯比在1∶3-1∶5时得到的糖酯种类多，1∶3时，主要生成二、三、四酯，三酯含量最高22.4%；1∶5时，除了单酯外其他各酯均有生成，其中五酯含量最高达30%，其它各酯含量以五酯为中心基本成正态分布。而糖酯比小于1∶10时主要得到六七八酯，且在糖酯比1∶10时，总酯化率最高达88%，蔗糖酯的组成包含五酯到八酯，其中以七酯含量最高达48.5%，且蔗糖多酯含量达87.7%。

鉴于蔗糖多酯的优异性能，期望筛选出总酯化率高且多酯含量高的反应条件，因此在其他条件的选择时糖酯比都固定在1∶10。

糖酯比1∶5时各种酯类最多，以此为例介绍利用HPLC-MS定性检测和定量计算的过程。m/z=447.7、489.3、531.8、573.3、614.8、565.8、698.9 分别是二酯到八酯的加钠峰，含量计算按峰面积归一法进行计算。

表1 糖酯比对蔗糖酯组成的影响Tab.1 Effect of sugar esten ratio on sucrose

图2 不同糖酯比的HPLC-MS图Fig.2 HPLC-MS plot of different sugar to ester ratios

2.2 温度的影响

在糖酯比为1∶10、催化剂用量为10%、反应时间为8 h条件下，考察不同温度对酯化率的影响，结果见表2。

表2 温度对蔗糖酯总酯化率的影响Tab.2 Effect of temperature on total esterification rate of sucrose esters

由表2可知：

（1）随着温度的升高，总酯化率升高。在30℃时，生成四酯到八酯，生成的糖酯的种类多，且五酯以下糖酯占到20%，随着温度的升高，四酯、五酯的含量减少甚至消失，六酯的含量逐渐降低，七酯八酯的含量增加。可见，随着温度升高，四五六酯会逐渐转化为七酯八酯。

（2）100℃时总酯化率最高达88%，120℃时八酯含量最多达33%，但总酯化率下降，这可能由于温度过高蔗糖焦化所致。所以选100℃为最佳反应温度。

2.3 反应时间对蔗糖酯的影响

在糖酯比为1∶10、DMF为溶剂、反应温度为100℃、催化剂用量为10%条件下，考察不同反应时间对酯化率的影响，结果见表3。

表3 反应时间对蔗糖酯总酯化率的影响Tab.3 Effect of reaction time on total esterification rate of sucrose esters

从表3可知：

（1）随着时间的增加，总酯化率先升高，之后逐渐减少。这是因为酯化反应是可逆反应，随着时间推移，反应逐渐达到平衡，酯化率趋于平衡，继续反应时可能由于糖的焦化，或者酯化反应逆向进行导致总酯化率反而下降。

（2）反应在4 h时总酯化率为86%，8 h时总酯化率达到88%，略有上升。因此，以总酯化率为参考目标，选择最佳反应时间为8 h。

2.4 催化剂用量对蔗糖酯酯化率的影响

在糖酯比为1∶10、DMF为溶剂、100℃下反应8 h条件下，考察催化剂用量的影响，结果见表4。

由表4可知：催化剂用量为10%时总酯化率最高，因此，选择最佳催化剂用量为10%。

表4 催化剂用量对蔗糖酯总酯化率的影响Tab.4 Effect of catalyst dosage on total esterification rate of sucrose esters

2.5 在最佳反应条件下重复实验

糖酯比为1∶10，DMF为溶剂，催化剂用量为10%，100℃下反应 8h，重复 3次试验，结果（表 5）显示：4组之间重复性良好。可见用HPLC-MS-MS快速分析蔗糖酯的含量及组成是可行的。

表5 最佳条件下的重复实验结果Tab.5 Repeated experimental results under optimal conditions

2.6 蔗糖酯的红外光谱分析

对经过纯化后的糖酯进行红外扫描，结果（图3）显示：

（1）蔗糖的特征吸收在 3565、3391 cm-1，这是羟基的O-H伸缩振动吸收峰，2941 cm-1是 C-H的伸缩振动吸收峰，1435、1348 cm-1C-H的变形振动吸收峰，1067 cm-1是C-O的伸缩振动吸收峰。

（2）蔗糖酯中出现了明显的酯羰基的特征吸收峰，1751 cm-1，且是乙酯的特征峰[15]，1237 cm-1和 1044 cm-1是糖酯中C-O-C中C-O的伸缩振动吸收峰，说明通过氮杂环卡宾催化酯交换反应得到了蔗糖酯。

图3 蔗糖和蔗糖酯的红外光谱Fig.3 Infrared spectra of sucrose and sucrose esters

3 结论

（1）本文研究得出蔗糖酯最佳反应条件如下：糖酯比为 1∶10，反应温度 100℃，反应时间 8 h，催化剂用量为10%，在此条件下蔗糖酯总酯化率达到88%。

（2）蔗糖酯的组成及含量的重复性良好。

（3）该蔗糖酯的结构中典型的乙酯羰基峰在1751 cm-1处。