蔗糖酯在食品工業中的應用研究進展

秦林莉，劉郅騫，張靜，劉思伽，楊玉玲，陳曼宜，梁欣泉

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

蔗糖是從各種植物來源獲得的一種天然產物[1]，易于精制，是食品行業不可或缺的原料之一[2]。蔗糖可發生許多化學反應，其中與脂肪酸的酯化反應研究備受關注[3]。蔗糖酯是從蔗糖中獲得的主要化合物，大多是通過酯交換反應獲得的脂肪族和苯基丙烷取代基的糖酯產物。除了合成的蔗糖酯之外，天然蔗糖酯可以從某些藥用植物的果實、葉子或其他部位獲得。近年來，已從具有特定生物學功能的植物中分離鑒定出新的蔗糖酯[4]。

蔗糖酯具有對人體低毒、對環境友好和可生物降解的特點[5]。蔗糖酯的豐富性質取決于它的酯化程度，以及取代基的類型。蔗糖酯廣闊的親水親油平衡值(HLB值在1～16)，使其具有良好的乳化、發泡、去污、保濕等多種性能[6]，因此可廣泛應用于食品工業。在食品加工中，通過將蔗糖酯與其他表面活性化合物混合使用，可以滿足乳制品、面制品加工等的不同需求。在調味品領域，產品濃縮結晶過程中添加適量的蔗糖酯，可以較顯著地降低晶粒及其溶液表面張力和體系的黏度[7]，實現良好的性能提升。蔗糖酯的保濕性能也使其在食品包裝及保鮮中具有較大潛力的應用市場。

1 蔗糖酯的制備

天然蔗糖酯的較低產量影響了人們對其提取和大規模生產的需求，因此，現研究重點在于蔗糖酯制備方法的開發[8]。但是，在蔗糖酯制備時，必須考慮到蔗糖在高溫和酸性介質中的低穩定性，以及其8個羥基結構和電子聚合方面的問題，否則難以制備出優良產物。

1.1 化學制備法

1.1.1 溶劑法

蔗糖酯的生產方法，傳統上通常是在催化劑如碳酸鉀或鉀皂存在的條件下，使用蔗糖與被酯化為分子結構的目標酸進行甲酯反應[9]。在極性無水介質中，使用N，N-二甲基甲酰胺或二甲基甲酰胺作為溶劑的均相堿性催化[10]，是合成蔗糖酯的傳統途徑。

N，N-二甲基甲酰胺是常見的、優良的極性非質子溶劑，也是一種重要的工業原料和多功能合成反應試劑[11]，但是生產中帶來的成本、毒性和其他安全問題也逐漸被大眾考慮。二甲基亞砜是一種非質子極性溶劑，由于它對化學反應具有特殊的溶媒效應，以及它對許多物質的溶解特性，因此被稱為“萬能溶劑”[12]。在良好的條件下，使用二甲基亞砜合成蔗糖酯可以得到大于50%的蔗糖單酯混合物。Deshpande等[13]研究了蔗糖與脂肪酸的摩爾比、K2CO3催化劑、N，N-二甲基甲酰胺溶劑負載量，以及反應溫度對蔗糖酯形成特定取代結構例如單酯/二酯/聚酯等速率的影響，證明了在脂肪酸與蔗糖的摩爾比大于1的條件下，蔗糖單酯的形成更迅速。Maria等[14]將糖蜜用作糖鏈的來源，廢食油用作酯鏈的來源，制備蔗糖酯。在蔗糖酯的合成中，酯交換反應分為兩個階段進行：第一次酯交換反應是通過使用均相NaOH催化劑將食用油廢料轉化為脂肪酸甲酯；第二次酯交換反應是使用Na2CO3催化劑和二甲基亞砜作為溶劑的甲酯和糖蜜之間的反應，以產生蔗糖酯。實驗證明，當糖蜜與食用油的摩爾比為8∶1時，蔗糖酯可達到最好的產率。

但是溶劑法制備蔗糖酯的工藝挑戰依舊存在，N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜均為高沸點化學物質，在反應中不易除去。同時，在進行必要的副產品分離時，也會產生一定的廢物流，從而增加生產成本。

1.1.2 無溶劑法

無溶劑法制備蔗糖酯也被廣泛開發應用于化學工業。Feuge等[15]在1970年指出，在催化條件為170～185 ℃的鉀皂存在下，特定的脂肪酸甲酯與熔融的蔗糖發生酯交換反應可得到相應的蔗糖酯。Huang等[16]對蔗糖辛酸生產過程中碳酸鉀的影響進行深入研究，發現以乙二醇為反應物時，在催化劑碳酸鉀的量為起始甲酯摩爾數的13%的條件下，蔗糖辛酸的產率比從其他催化劑獲得的蔗糖辛酸產率高75%。Maria等通過無溶劑工藝由棕櫚酸甲酯和蔗糖生產蔗糖棕櫚酸酯，并在不同溫度和蔗糖棕櫚酸酯濃度下進行了實驗評估，最終證明其合成產物與市售蔗糖酯性能相當。

然而，無溶劑法也有一定的缺點。在溫度升高時，蔗糖只能在很短的時間內保持液體狀態[17]。當減壓去除形成甲醇時，糖的降解也隨之發生，反應混合物的顏色明顯變暗，這對產量和產品質量都有較大影響，同時去除催化劑也增加了相應的技術困難。

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1.2 生物酶法

酶催化的蔗糖酯合成由于其區域選擇性的增強，提供了制備更高純度的蔗糖酯的途徑。同時，生物酶法制備蔗糖酯所涉及的條件溫和，反應物、中間產物、產物等無毒[18]，因此往往對于環境是友好的。經過研究，發現脂肪酶和蛋白酶都可以用于蔗糖的酯化并產生良好產物。

各種脂酶被廣泛用于實驗室蔗糖酯的制備中，例如脂肪酶TLIM[19]和南極假絲酵母B等[20]。脂肪酶在平衡狀態下可以發揮較強作用，即使使用有機溶劑，也可發生產物酯的水解[21]。脂肪酶在一系列有機溶劑例如正己烷、二甲基亞砜、甲醇、二甲苯和環己烷等的低濃度溶劑條件下仍能存活[22]，因此多用于制備蔗糖酯。Novozym 435脂肪酶已被用于長鏈脂肪酸酯的制備，通過在二甲基亞砜和2-甲基-2-丁醇的混合物中用相關的酰化劑處理蔗糖，從而產生蔗糖棕櫚酸酯[23]。Riva等[24]對枯草桿菌素的有效性進行了研究，發現脂肪酶在無水N，N-二甲基甲酰胺中具有催化活性，可以生產出85%的10-O-單丁酰蔗糖，同時具有較高的選擇性。Inprakhon等[25]對脂肪酶催化的蔗糖單酯合成進行研究，通過在非水雙相介質中進行脂肪酶催化的酯交換反應來合成蔗糖單癸酸酯。Wang等[26]從地衣芽孢桿菌中提取了一種堿性蛋白酶，被用于合成月桂酸蔗糖。在此研究中，將月桂酸乙烯酯溶解在體積比為15∶1∶4的叔戊醇/二甲基亞砜/水混合物中，在9 h后檢測出98%的蔗糖區域選擇性地轉化為10-O-月桂酰蔗糖，表明該蛋白酶對蔗糖酯的制備具有優化功能。

生物酶法為制備蔗糖酯提供了更綠色和更有選擇性的方法，某些無法通過其他方法獲得的蔗糖酯也能被合成與研究。不過迄今為止，并沒有在工業化的蔗糖酯生產中使用生物酶法，因為相關的成本和運行條件等問題還尚未完美解決[27]。

1.3 輔助催化法

離子液體可溶解極性和非極性物質[28]，因此可同時溶解蔗糖和脂肪酸酯。離子液體的熱穩定性、液態的類鹽性質、良好的比導率和較小的蒸汽壓，使其在多種條件下均可應用，其溶解生物質組分的優異能力也被人們所熟知[29]，并在涉及脂肪酶的反應中被用作溶劑。邱詩銘等[30]在1，2-丙二醇的溶劑中，用K2O/Al2O3和Na3PO4/MgO固體堿催化劑制備松香酸蔗糖酯。在最佳條件下，酯化率可以達到98%。同時在比較研究中發現，松香酸的蔗糖酯顯示出比蔗糖脂肪酸酯更強的表面活性。

其次，超聲波技術作為一種操作簡單、清潔無污染的處理手段[31]，其應用越來越廣泛。將超臨界二氧化碳作為脂肪酶催化生物轉化溶劑，也可合成特定的蔗糖酯。Hang等[32]通過測試脂肪酸乙酯與酯交換合成中超聲輻照的不同參數，改善了單取代蔗糖酯的生產，當蔗糖與甲酯的摩爾比為2∶1時，合成了單取代率高達92%的蔗糖酯。

已有研究在酯交換反應中對SE的制備進行了非均相催化研究。但是，采用這種催化的反應在動力學上是不利的，因為它需要較高的反應溫度，這進一步造成了焦糖化反應，可能導致蔗糖降解的問題，同時在產物中產生了多種化學和物理變化。

2 蔗糖酯的功能特性

2.1 乳化性

蔗糖酯本身是由蔗糖與脂肪酸制備而成，并且是無毒物質，可降解為安全的蔗糖和脂肪酸，因此其作為表面活性劑很受關注，是適用于各種食品和化妝品的乳化劑。蔗糖酯的乳化能力可以通過測量它們形成的乳液液滴尺寸及其分布特點來確定，亞微米大小的乳液可以由蔗糖酯通過自發乳化過程形成，可節省采用高能均質化這一步驟。

2.2 起泡性

2.3 兩親性

蔗糖酯因其兩親性而具有獨特的表面活性，其兩親性來源于分子框架中與蔗糖部分相關的親水性羥基和與脂肪酰基側鏈相關的疏水性。蔗糖酯通過控制合成的相關脂肪酸類型以及糖基框架的酯化程度，可以獲得范圍較大的HLB值[37]，增加疏水鏈長可增加中鏈脂肪酸單酯的乳化能力，增加酰化、酯化程度會導致更高的疏水性。

2.4 生物活性

雖然蔗糖酯對人類并不產生危害，但大量研究表明它們對微生物、腫瘤細胞和病毒的抑制作用，并揭示了它們的殺蟲潛力。蔗糖單月桂酸酯的抗微生物活性主要是針對革蘭氏陽性菌，通過破壞細菌細胞膜的完整性來達到效果。Abdel-Mageed等[38]通過實驗證明，蔗糖脂肪酸酯也可被用于藥物輸送系統。

3 蔗糖酯在食品工業中的應用

食品工業高速發展的同時，問題食品、亞健康食品也隨之產生。因此，選擇對人體健康、對環境友好的食品輔助物質是未來食品工業發展的主要方向。蔗糖酯作為一種綠色環保物質，其乳化性、兩親性、起泡性等均可在食品工業中發揮巨大作用。

3.1 在食品加工中的應用

蔗糖酯的HLB值在1～16之間，通過將蔗糖酯與其他表面活性化合物例如甘油酯混合，可以滿足乳制品、面制品加工等的不同需求。通常，蔗糖酯HLB值為5時，可用于巧克力以形成油包水型乳液，而HLB值在8～10的范圍內，可形成像口香糖這種親水親油平衡的物質。HLB值在11時的蔗糖酯，廣泛用于冰淇淋和蛋糕面糊中，以形成水包油乳液，也可減少煎餅混合物等食品淀粉的下降[39]。Ariyaprakai等[40]研究發現蔗糖酯可以作為椰奶乳劑中Tweens的有效替代品，并提供更優良的熱穩定性，并且基于蔗糖酯形成的可食用水包油乳液在冷凍后解凍時更加穩定。乳制品泡沫的形成取決于控制脂肪球的部分聚結和脂肪結晶[41]。將蔗糖酯加入乳制品后，削弱了乳化脂肪球的界面層，脂肪球的聚集水平隨著蔗糖酯的存在而增強。Cheng等[42]研究了大豆/牛奶蛋白比和蔗糖脂肪酸酯添加量對冰淇淋乳液穩定性的影響，發現蔗糖酯可與蛋白質共存于油/水界面，以協同方式增加表面壓力，促進冰淇淋部分聚結與蛋白質覆蓋。Zeng等[43]選用蔗糖酯S370為乳化劑，研究其對鮮奶油界面層和脂肪晶體網絡的影響。攪打前蔗糖酯S370的添加對乳液樣品的液滴大小、界面蛋白濃度和黏度幾乎沒有影響，但是在攪打后，蔗糖酯S370誘導形成的較小晶體，降低了脂肪聚結的速率。當蔗糖酯S370的質量占比為0.05%時，生成的乳液具有均勻的晶體網絡和致密的蛋白質層，同時有很高的硬度和氣泡穩定性，表明了蔗糖酯在乳制品加工中的優良性能。在白面包中膳食纖維比例的調整中，蔗糖酯的增加不僅不影響面團的黏性，并且可以增加面包的體積[44]。Ushijima等[45]在面包制備時通過添加蔗糖酯來降低儲藏米粉的疏水性。研究發現，將0.5 mL的2.7%蔗糖酯溶液添加到儲藏米粉原料中時，米粉的疏水性幾乎喪失。因此，在儲藏的米粉中添加蔗糖酯可以改善其制成的面包性能。

此外，聚合甘油單硬脂酸酯和蔗糖酯的混合物已被證明在香料香油的制備中是有益的[46]，蔗糖酯和乙醇等組成的有機混合物，可以添加到乳液中來制備天然風味的香精香料等。蔗糖酯的加入對食品的保濕和防潮能力有一定的影響，這與蔗糖酯脂肪酸鏈長度和糖殘基的性質有關。Lin等[47]通過將蔗糖酯和黃精多糖混合來調節水結合能力，提高了煙絲的保濕和防潮能力。研究表明，普魯蘭多糖可食性膜加入蔗糖酯后，由于蔗糖酯的親酯性，水蒸氣透過率降低，阻水性能提高。因此，蔗糖酯的加入可以減緩煙絲對水分的吸附，表現出良好的防潮性能。蔗糖酯也可被應用于脫磷劑在食用油脫磷工藝中發揮作用。王未君等[48]以蔗糖脂肪酸三酯和磷脂酰膽堿為原料制備了一種蔗糖酯磷脂復合物，該復合物在菜籽油脫磷中添加量為3.5%、脫磷時間為30 min的條件下，達到了37.2%的脫磷率，是新型的植物油吸附脫磷劑。綜上可知，蔗糖酯在食品加工中的應用前景較為開闊。

3.2 在食品保鮮中的應用

蔗糖酯是優異的表面活性劑，其兩親性等在食品保鮮、護色等領域具有一定的用途。Soli等[49]在微泡條件下采用微酸性次氯酸水與蔗糖脂肪酸酯預處理相結合的方法，對果蔬去污效果進行研究，發現蔗糖酯可以降低細菌和食物基質之間的表面張力，從而發揮作用。Chortyk等[50]以煙草屬植物中分離出的天然殺蟲蔗糖酯為基礎，制備了性能相似的脂肪酸蔗糖酯。經過實驗分析，新制得的蔗糖酯被證明是有效的粉虱殺蟲劑，對甘薯粉虱和蚜蟲有消殺活性。此外，蔗糖酯還可以用作各種類型水果的涂層劑，以防止在存儲過程中變色和變冷[51]。通過這些研究，表明蔗糖酯的使用在食品保鮮的應用中具有實際意義。

3.3 在食品包裝中的應用

包裝是食品加工必不可少的一部分，可以延長貨架壽命并提高食品質量。最常用的食品包裝是由不可生物降解的合成材料制成的。因此，以天然聚合物制成的可食用薄膜作為包裝材料引起了廣泛關注。蔗糖酯是具有非離子表面活性劑特性的脂肪酸的產物，是無毒、無味且可生物降解的。Amalini等[52]將具有表面活性劑性質的疏水材料脂肪酸蔗糖酯摻入可食用蛋白膜中，以減少其較差的防水性能，最終產物保留了機械性能，改善了膜層阻隔性能。綜上可知，蔗糖酯基膜具有預期的地位，可以作為合成包裝的替代品或作為輔助包裝，從而減少對合成聚合物的依賴性。然而，現有蔗糖酯基膜的可行應用僅僅用作防水和防潮包裝，例如用于低水分食品，而在其他食品中的應用研究相對較少，將蔗糖酯應用于食品包裝工業還有許多挑戰。

4 結論

蔗糖酯是一種優異的表面活性劑，在食品工業中可以滿足廣泛領域的不同需求。蔗糖酯獨特的表面活性特性源于它們的兩親性，而兩親性本身源于分子結構中存在的親水羥基和脂肪酰基側鏈的疏水特性，它們的乳化特性和各種生物活性的詳細研究同樣備受關注。雖然相當傳統的化學方法在工業生產蔗糖酯中占主導地位，但合成領域的焦點已經偏向于蔗糖酯的綠色制備，例如酶法制備、超聲波等。這些方法有明顯的優勢，通常更環保，對條件要求更低，但在工業環境中所需的成本仍然是一個挑戰。

同時，在蔗糖酯的食品工業應用中，可以看到其有著顯著的成效，對乳制品、面制品、調味品等的品質保證發揮重要的作用。由于其良好的乳化性能，在食品包裝行業、食品保鮮行業、食品調味品行業，協同其他物質共同發揮優良作用。盡管蔗糖酯的研究廣泛，可依舊尚未形成系統的應用體系，整體研究需要進一步完善。因此，蔗糖酯仍有較光明的開發前景，從而推動食品工業的健康發展。