Enzymatic production of sugar fatty acid esters

Abstract

Zuckerfettsäureester finden breite Anwendung als Detergentien und Emulgatoren. Der größte Teil der im Handel befindlichen Zuckerfettsäureestern wird derzeit über chemische Verfahren unter Verwendung alkalischer Katalysatoren hergestellt. Das Hauptproblem dieser Verfahren sind die hohen Energiekosten sowie die mangelnde Regioselektivität der Synthesereaktionen. In dieser Arbeit gelang es, ein neues effektives enzymatisches Verfahren zur Synthese von Zuckerfettsäureestern zu entwickeln. Es basiert auf der Umsetzung eines Zuckers (Glucose) mit einer Fettsäure (Kettenlänge C6-C18) mittels Lipase-Katalyse (optimal: Lipase aus Candida antarctica B immobilisiert an einem Träger aus Polypropylen) in Gegenwart geringer Mengen eines Lösungsmittels (optimal: Ethylmethylketon bzw. Mischung von Ethylmethylketon und Hexan). Lösungsmittel und Reaktionswasser bilden ein Azeotrop, welches aus dem Reaktionsmedium durch Distillation entfernt wird. Das Lösungsmittel wird durch Membran-Pervaporation wiedergewonnen, bevor es in das Reaktionsmedium zurückgeführt wird. Das Verfahren wurde hinsichtlich der Auswahl geeigneter Lösungsmittel, verschiedener Membranmaterialien, Substratverhältnis, Enzymmenge, Reaktionszeit, Temperatur und Lösungsmitteleinfluss mittels response surface methodology optimiert. In dieser Arbeit erwies sich der traditionelle Rührkessel in Verbindung mit einem Pervaporation-Membranmodul als geeigneter Bioreaktor. Mit diesem wurden Versuche im 200 g-Maßsstab durchgeführt und 79% Ausbeute on D-Glucoseestern der Stearinsäuren erzielt. Außerdem wurden ungewöhnliche Zuckerester wie z.B. Vitamin C-Fettsäureester, Salicin-Fettsäureester und Zimtsäure-Glucoseester, die für medizinische und pharmazeutische Anwendungen interessant sind, im beschriebenen System erfolgreich synthesiert.

Sugar fatty acid esters (SFAE) are well known as bio-surfactants. At present, most of commercially available SFAE were produced by chemical methods with some disadvantage such as high energy consumption, coloring of products and low selectivity. Enzymatic synthesis offers an alternative way. In this work, a novel enzymatic method was developed for the production of SFAE. Unprotected sugars and non-activated fatty acids were directly used as starting materials. It was found that the suitable solvents are ethyl methylketone (EMK) or a mixture of EMK and hexane, because both organic solvents are not only easily eliminated and allowed for use in the manufacture of foods, but also can form an azeotrope with reaction water which is easily removed from the reaction medium by azeotropic distillation. For the solvent regeneration by the membrane pervaporation, membrane material-Pervap 2200 was suitable to remove water from EMK. In order to get high conversion, some important parameters such as reaction time (Tr), substrate ratio (Sr), reaction temperature (Rt), solvent EMK or mixture of EMK and hexane amount (Sa) and enzyme load (El) were investigated by response surface methodology. In the case of EMK, up to 93 % yield of glucose stearate were achieved under optimized conditions (Tr = 58 h; Sr = 2.7; El = 8.9 % [w/w]; Rt = 78°C; Sa = 1.9). In the case of a solvent mixture of EMK and hexane, 93% yield were also achieved at 59°C after 48h using an equimolar ratio of glucose and stearic acid. It was also proved that a stirred-tank reactor in combination with a prevaporation membrane-module is suitable for the production of SFAE. The yield of 79.2% glucose stearate was achieved in preparative scale, although a cheap substrate D-glucose was used. This process is of great significance on a large scale.