开发了一种生物催化工艺，通过酯化反应在无有机溶剂体系中生产月桂酸酯（化妆品润肤剂）

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Development of a biocatalytic process for producing lauryl esters (cosmetic emollients) via esterification in organic solvent-free systems

棕榈核油游离脂肪酸与月桂醇无溶剂酯化制备化妆品乳液，采用固定化脂酶（Thermomyces lanuginosus）在聚苯乙烯-二乙烯苯树脂上通过界面激活法负载。优化反应条件（1:1.4摩尔比，56°C，240rpm）实现96%的脂肪酸转化率，较游离酶提高显著，催化剂经10次循环后活性保留90%。产物酯类熔点27°C，热稳定至130°C，长链脂肪酸转化效率优于短链。研究验证了固定化脂酶在无溶剂体系下生产环保化妆品酯的可行性。

　　

雷纳拉·P·达席尔瓦（Raynara P. da Silva）|卢卡斯·B·马特乌斯（Lucas B. Matheus）|米尔森·S·巴尔博萨（Milson S. Barbosa）|克莱德·M·F·索亚雷斯（Cleide M.F. Soares）|杰恩·H·H·路易斯（Jaine H.H. Luiz）|阿德里亚诺·阿吉亚尔·门德斯（Adriano Aguiar Mendes）

巴西米纳斯吉拉斯州阿尔费纳斯联邦大学化学研究所（Institute of Chemistry, Federal University of Alfenas），阿尔费纳斯37130-001

摘要

本研究报道了一种可持续的生产新型酯类化合物的工艺，这些酯类化合物可用作化妆品中的润肤剂。该工艺通过在不使用传统有机溶剂的情况下，利用棕榈仁油（PKO）中的游离脂肪酸（FFAs）与月桂醇（LA）进行酯化反应来实现。异相生物催化剂是通过将Thermomyces lanuginosus（TLL）来源的脂肪酶通过界面活化法固定在疏水性聚（苯乙烯-二乙烯基苯）（PSty-DVB）树脂上来制备的。在最佳条件下（FFAs与LA的摩尔比为1:1.4，反应温度为56°C，转速为240 rpm，固定化脂肪酶的量为15 wt%），60分钟后FFAs的转化率达到了96%；而使用可溶性脂肪酶时，45分钟后的转化率仅为20%。经过十次连续的酯化批次后，固定化脂肪酶仍保持了90%的初始活性。合成的酯类化合物熔点为27°C，并具有高达约130°C的高热稳定性。可溶性脂肪酶对C8–C12酸的酯化反应活性更强，而固定化脂肪酶在处理长链FFA（C14–C18）时表现更优。总体而言，固定化脂肪酶对多种底物（来自PKO的FFAs以及单独的C8–C18酸）都具有高活性，这体现了其广泛的底物选择性、高催化活性以及在环保、高效和安全的条件下生产润肤酯类化合物方面的优越性。

引言

润肤剂是化妆品、美容护理和个人护理产品中的基本成分，它们直接影响产品的质地、涂抹性、感官体验以及通过减少经皮水分流失来维护皮肤屏障的功能[1,2]。润肤剂是油包水乳液中的主要成分之一，通常的添加浓度范围为3%至20%[3,4]。润肤剂的主要化学成分包括三酰甘油（植物油和动物脂肪）、游离脂肪酸、脂肪醇和合成酯[1,2,5]。此外，醚类[6,7]、矿物油[8]、含有硅氧烷键（–Si-O–）的合成化合物硅酮[5]以及从橄榄油或甘蔗中提取的多不饱和烃类如角鲨烯[9]也常被用于此类产品。

2021年，全球润肤剂市场的规模为13.8亿美元，预计到2030年将增长至20.9亿美元，2022年至2030年间的复合年增长率为4.6%。在该领域中，润肤酯类化合物占据了最大的市场份额（占总收入的40.4%），并且预计在整个预测期内仍将保持这一主导地位[10]。利用植物油/黄油和动物脂肪等天然原料生产润肤酯类化合物已成为开发化妆品和个人护理产品的重要策略，这主要得益于消费者对天然和可持续成分的偏好以及对其功能性能提升的需求[3,5,10]。

润肤酯类化合物通常通过酯化或转酯化反应，以各种脂肪酸和单醇或复杂醇类作为原料来合成。传统上，这些反应使用常规化学催化剂进行，如均相无机酸或有机酸（如AlCl₃、HCl、H₂SO₄或

-甲苯磺酸）[11],[12],[13]，或异相固体酸催化剂[11,14,15]。尽管这些化学催化剂活性高且成本低廉，但它们通常需要较高的能量消耗（高温高压反应条件），会产生不希望的副产物，并且需要复杂的下游纯化步骤，从而限制了其在化妆品应用中的整体可持续性和安全性[3,16]。

相比之下，酶催化方法具有显著的优势[16],[17],[18]。脂肪酶催化的反应可以在温和的操作条件下进行，避免了有害化学物质的使用并降低了能耗。此外，脂肪酶表现出高的化学选择性、区域选择性和立体选择性，从而减少了副反应并促进了高纯度酯类的生成[16],[17],[18],[19]。酶法生产酯类通常使用固定化脂肪酶，因为固定化技术已被广泛证明是一种有效的方法，可以克服游离酶的多种局限性，包括难以从反应介质中回收、重复使用性受限、在非水体系中的酶聚集以及对极端反应条件的耐受性差[16],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26]。固定化不仅可以提高酶的稳定性，还能便于将生物催化剂从反应系统中分离出来，并实现重复使用，从而提高大规模应用（尤其是在化妆品行业）的工艺效率和经济效益[18,20,27]。因此，使用固定化脂肪酶进行酯类生产是一种更环保且经济上更具竞争力的方法，尤其是在食品、制药和化妆品领域[16],[17],[18],[20],[28]。然而，固定化也可能带来一些缺点，如扩散限制、催化活性部分丧失、酶的脱附或三维结构发生构象变化，具体取决于所采用的固定化方法和载体[16],[26]。因此，选择合适的固定化策略至关重要，需要平衡稳定性、催化活性和传质效率[16],[26],[29],[30]。

已经提出了多种固定化脂肪酶的方法，包括：(i) 通过氢键、离子相互作用或疏水相互作用进行吸附；(ii) 共价连接；(iii) 包封；(iv) 使用CLEA技术（交联酶聚集体）进行交联；(v) 蛋白质包覆微晶（PCMC）技术；(vi) 这些方法的组合[16],[19],[26],[27],[30]。其中，最常用的方法是脂肪酶在疏水性载体上的物理吸附，即所谓的界面活化机制[16],[27]。这些脂肪酶具有疏水性多肽链，形成“盖子”或“瓣膜”，覆盖其活性位点。在水性环境中，活性位点对底物不可及，处于“闭合”构象。在疏水性表面（如油滴或疏水性载体）存在下，这种平衡会向“开放”构象转变。因此，脂肪酶以开放构象固定在疏水性基质上，因为它们能像对待天然底物（油滴）一样识别这些表面[16],[19],[27],[29]。脂肪酶在开放构象下固定在各种疏水性基质上，可以制备出具有高催化活性和在多次酯类生产循环中稳定性良好的异相生物催化剂[25],[31],[32],[33]。

本研究的目的是通过酶促反应生产月桂酯类化合物，这类化合物具有润肤性能，常用于化妆品配方中[34,35]。这些酯类是通过月桂醇（来自棕榈仁油和椰子油等月桂酸油脂）与棕榈仁油中的FFAs直接酯化得到的，棕榈仁油是全球第五大生产的植物油，2024年的产量为910万吨[37]。为此，使用了来自Thermomyces lanuginosus的脂肪酶（Lipolase? 100L），该脂肪酶通过物理吸附固定在聚（苯乙烯-二乙烯基苯）（PSty-DVB）树脂上，这是一种介孔疏水性材料[24,25,31,32]。这种脂肪酶已成功应用于多种生物转化反应，如油脂的水解和有价值酯类的生产[19]，显示出其在生产高质量、无反式脂肪油脂方面的工业应用潜力[38]。通过统计方法（中心复合旋转设计，CCRD）研究了FFAs与LA的摩尔比和反应温度等关键因素对酶促过程的影响。还评估了连续酯化批次后的操作稳定性（重复使用性）。此外，还评估了固定化脂肪酶在从饱和脂肪酸（C8至C18）生产各种月桂酯类化合物方面的催化性能。据我们所知，这是首次研究这种固定化脂肪酶在优化条件下从多种脂肪酸来源（包括棕榈仁油）生产月桂酯类的催化性能。

来自氢化橄榄油的月桂酯类化合物是化妆品配方中的多功能成分[39]。传统上，它们是通过两步工艺生产的：首先通过催化氢化橄榄油获得氢化橄榄油，然后使用传统化学催化剂将氢化油与月桂醇进行转酯化[34,35]。因此，本研究为一种新型润肤剂（来自棕榈仁油的月桂酯类）的可持续和安全生产提供了新的方法，该方法完全不使用传统有机溶剂，而是采用固定化脂肪酶作为催化剂，这是一种更环保的有机合成方法。

材料

脂肪酶Lipolase? 100L来自Thermomyces lanuginosus（TLL），其蛋白质浓度为17 mg/mL，比活性为560 U/mg蛋白质，购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。PSty-DVB树脂（Diaion? HP-20）购自Supelco? Analytical Products公司（美国宾夕法尼亚州贝尔丰特）。辛酸（caprylic）、癸酸（capric）、十二酸（lauric）、十四酸（myristic）和十六酸（palmitic）以及十二醇（lauryl alcohol）也均从相应供应商处购买。

固定化脂肪酶（异相生物催化剂）的特性

用于有机合成（通过酯化生产月桂酯类）的异相生物催化剂（固定化脂肪酶）的制备采用了每克PSty-DVB树脂40 mg蛋白质的初始固定量，这一固定量是根据我们研究小组之前的研究结果确定的[24,25,31,32]。最终固定化蛋白质的量为36.2 ± 2.1 mg/g，对应的固定化产率为93.4 ± 3.1%（固定过程中初始水解活性单位有所损失）。

结论

本研究成功制备了一种通过TLL在PSty-DVB树脂上进行界面活化得到的异相生物催化剂，在不使用有机溶剂的情况下，该催化剂在棕榈仁油中的FFAs与月桂醇的酯化反应中表现出高固定化产率和优异的催化性能。使用介孔疏水性载体提高了原材料对脂肪酶活性位点的可及性，从而优化了催化效果。

作者贡献声明

雷纳拉·P·达席尔瓦（Raynara P. da Silva）：数据整理、数据分析、方法研究和资源获取。卢卡斯·B·马特乌斯（Lucas B. Matheus）：数据整理、数据分析、方法研究和资源获取。米尔森·S·巴尔博萨（Milson S. Barbosa）：数据分析、验证和初稿撰写。克莱德·M·F·索亚雷斯（Cleide M. F. Soares）：数据分析、验证和初稿撰写。杰恩·H·H·路易斯（Jaine H. H. Luiz）：数据整理、数据分析、方法研究和初稿撰写。阿德里亚诺·A·门德斯（Adriano A. Mendes）：概念构思、资金筹措。

资助

本研究部分由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）资助（资助代码001）。作者们还感谢米纳斯吉拉斯州研究基金会（FAPEMIG）的财政支持（项目编号APQ–00944–24）。阿德里亚诺·A·门德斯感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的研究奖学金（项目编号PQ-2 CA BI，资助号306253/2023–2）。

作者贡献声明

雷纳拉·P·达席尔瓦（Raynara P. da Silva）：资源获取、方法研究、数据分析、数据整理。卢卡斯·B·马特乌斯（Lucas B. Matheus）：资源获取、方法研究、数据分析、数据整理。米尔森·S·巴尔博萨（Milson S. Barbosa）：初稿撰写、验证、数据分析。克莱德·M·F·索亚雷斯（Cleide M.F. Soares）：初稿撰写、验证、数据分析。杰恩·H·H·路易斯（Jaine H.H. Luiz）：初稿撰写、方法研究、数据分析。阿德里亚诺·阿吉亚尔·门德斯（Adriano Aguiar Mendes）：概念构思、资金协调。

致谢

本研究的部分经费由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）提供（资助代码001）。作者们还感谢米纳斯吉拉斯州研究基金会（FAPEMIG）的财政支持（项目编号APQ–00944–24）。阿德里亚诺·A·门德斯感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的研究奖学金（项目编号PQ-2 CA BI，资助号306253/2023–2）。

作者贡献声明

雷纳拉·P·达席尔瓦（Raynara P. da Silva）：资源获取、方法研究、数据分析、数据整理。卢卡斯·B·马特乌斯（Lucas B. Matheus）：资源获取、方法研究、数据分析、数据整理。米尔森·S·巴尔博萨（Milson S. Barbosa）：初稿撰写、验证、数据分析。克莱德·M.F·索亚雷斯（Cleide M.F. Soares）：初稿撰写、验证、数据分析。杰恩·H.H·路易斯（Jaine H.H. Luiz）：初稿撰写、方法研究、数据分析。阿德里亚诺·阿吉亚尔·门德斯（Adriano Aguiar Mendes）：审稿与编辑、项目监督。