乳脂質(zhì)生物催化改性的研究進(jìn)展

馬慶保，曲映紅，李斌，劉志東

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海200090；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306；3.波頓（上海）香料科技有限公司，上海201306）

乳脂質(zhì)生物催化改性的研究進(jìn)展

馬慶保1，2，曲映紅2，李斌3，劉志東1，*

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海200090；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306；3.波頓（上海）香料科技有限公司，上海201306）

乳脂質(zhì)的生物催化改性近年來受到了廣泛的關(guān)注。由于生物催化改性反應(yīng)條件溫和，比化學(xué)催化更適合于乳脂質(zhì)改性用于改善其物理、營養(yǎng)和功能特性，以滿足消費(fèi)者獲得更健康、更高品質(zhì)食品的需求。因此，更多的高效、專一性強(qiáng)的脂肪酶用于乳脂質(zhì)的催化改性研究。綜述了采用脂肪酶催化改性牛乳甘油三酯、極脂和乳脂肪球膜的研究進(jìn)展。

牛乳；甘油三酯；極性脂；乳脂肪球膜；生物催化改性；進(jìn)展

牛乳脂質(zhì)是一類重要的膳食脂質(zhì)來源，其消費(fèi)量在全世界食用性油脂中約占第六位［1］。牛乳脂質(zhì)因其特有的風(fēng)味和“純天然形象”受到消費(fèi)者的青睞［2］。然而，牛乳脂質(zhì)自身也存在一些“缺陷”。研究表明，由于乳脂質(zhì)中月桂酸（C12：0），肉豆蔻酸（C14：0）和棕櫚酸（C16：0）的含量較高（約占40%），人體攝入量也較高；而這3類物質(zhì)常與血清膽固醇的含量增加有關(guān)，因此，也被視為心腦血管疾病的高危因子［3］。盡管一些相反的結(jié)果也被報(bào)告［4］，但減少膳食飽和脂質(zhì)的攝入依然受到了美國衛(wèi)生與公眾服務(wù)部和其他一些醫(yī)療和營養(yǎng)機(jī)構(gòu)的推薦［3］。此外，牛乳脂質(zhì)的物理化學(xué)特性也影響了其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

為了解決乳脂質(zhì)出現(xiàn)的上述問題，開展了乳脂質(zhì)的改性研究。脂質(zhì)的改性主要是通過物理、化學(xué)和生物等方法有目的性的改變或重構(gòu)脂質(zhì)中原有組分的結(jié)構(gòu)、組成和含量，進(jìn)而改變脂質(zhì)的物化特性（如固體脂含量、熔點(diǎn)、皂化值及碘值等）、功能特性（風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等）和營養(yǎng)特性（降低熱量、改變特定組分的組成等）。因此，脂質(zhì)的改性不僅能夠使其滿足特殊的中間產(chǎn)品用途、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，而且還可以改變最終產(chǎn)品特定的營養(yǎng)功能組分，以滿足特殊的個(gè)體營養(yǎng)需要［5-6］。乳脂質(zhì)的改性主要包括在奶牛飼養(yǎng)過程改變奶牛膳食和對牛乳進(jìn)行處理如分餾、與植物油的混合、化學(xué)酯交換、酶改性等。通過控制奶牛的膳食來改善乳脂質(zhì)的組成和性質(zhì)似乎是可行的，但要做到精確控制非常困難，并且會影響到牛乳脂質(zhì)的其它營養(yǎng)和功能特性。模擬生物合成路徑的生物改性比物理、化學(xué)改性的反應(yīng)條件更加溫和，并且也與乳脂質(zhì)的“天然”形象更貼合。目前，乳脂質(zhì)的生物催化改性主要是以脂肪酶酶解和微生物發(fā)酵為主，本文重點(diǎn)介紹乳脂質(zhì)的酶催化改性。

1　脂質(zhì)的酶催化改性

脂肪酶（EC 3.1.1.3）是一類催化脂質(zhì)酯鍵水解的酯酶（EC 3.1.1）。脂肪酶具有催化不溶性的（長鏈）或可溶性的?；视停═AGs，DAGs，MAGs）羧基酯的功能。由于生物的同源性和進(jìn)化過程的保守性，脂肪酶的催化中心具有相似或相同的特征域：His-X-Y-Gly-ZSer-W-Gly或Y-Gly-His-Ser-W-Gly（W、X、Y、Z指非特異性氨基酸）。催化磷脂改性的酶主要為磷脂酶A1（EC 3.1.1.32）、A2（EC3.1.4.3），磷脂酶B（EC 3.1.1.5），磷脂酶C（EC 3.1.4.3）、D（EC 3.1.4.4），溶血磷脂酶（EC 3.1.1.5）；催化鞘磷脂改性的酶主要為鞘磷脂酶（EC 3.1.4.12），磷脂酶C、D和神經(jīng)酰胺酶［7］。

脂肪酶催化脂質(zhì)改性的反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)物少，有利于后續(xù)產(chǎn)物的分離和處理；可以通過脂肪酶催化反應(yīng)插入甘油基基團(tuán)的特定位置或者從特定位置選擇性的去除以獲得較高濃度的特定脂質(zhì)。脂質(zhì)的酶催化改性已經(jīng)獲得了低熱量、高n-3脂肪酸濃縮物，風(fēng)味濃縮物以及較高含量的酚類物質(zhì)。乳脂質(zhì)本身不能很好地發(fā)揮風(fēng)味源和存儲庫的功能，但乳脂質(zhì)的酶催化改性將其中的相關(guān)物質(zhì)“釋放”出來，這進(jìn)一步證實(shí)了脂質(zhì)酶解催化改性的應(yīng)用潛力，這也引起了油脂工業(yè)對脂肪酶催化油脂改性的濃厚興趣［9］。酶催化脂質(zhì)產(chǎn)生的特定脂質(zhì)產(chǎn)物能夠更好地滿足消費(fèi)者對于更加健康食品的需求。乳脂質(zhì)的酶解催化改性也可用于通過選擇性的去除甘油三酯上的飽和中鏈和長鏈脂肪酸以獲得更健康的乳脂質(zhì)產(chǎn)品以滿足消費(fèi)者不斷改變的膳食需求［3］。乳脂質(zhì)的酶催化改性技術(shù)已經(jīng)用于制備乳化劑和乳品風(fēng)味物質(zhì)研究［8，10-12］。本文綜述了牛乳脂質(zhì)的酶催化改性研究進(jìn)展，以期為牛乳脂質(zhì)酶催化改性研究提供參考。

2　乳脂質(zhì)的組成及含量

牛乳脂質(zhì)是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最復(fù)雜的混合物，主要包括甘油三酯（約占總脂的95%～98%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、脂肪酸（超過400種）、磷脂、極脂、固醇、甾醇、類胡蘿卜素、脂溶性維生素等，含量約為3.0%～5.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；其中飽和脂肪酸約占脂肪酸的50%［C4：0～C10：0約占10%，C12～C16（月桂酸，肉豆蔻酸和棕櫚酸）約占40%，C18約占12%］；油酸（C18：1）約占25%。牛乳的脂質(zhì)組成和含量主要取決于牛的種類，泌乳期，季節(jié)和飼料等。乳脂質(zhì)中不同脂肪酸在甘油三酯骨架上的位置分布也并不是隨機(jī)的。

牛乳甘油三酯的分子量分布范圍很廣（47.6 g/mol～89.0 g/mol），對應(yīng)酰基碳的數(shù)量從24～54不等［13］。此外，決定牛乳性質(zhì)及營養(yǎng)價(jià)值的主要因素是甘油三酯的脂肪酸組分和含量。Bourlieu等［8］總結(jié)了牛乳甘油三酯的脂肪酸組成特征：其脂肪酸組成多為飽和脂肪酸（C4：0～C8：0，約占65%～75%）；其脂肪酸在甘油三酯的甘油骨架的分布并不是隨機(jī)的，如丁酸（C4：0）和己酸（C6：0）幾乎全部分布在sn-3位置或是兩頭位置（sn-1和sn-3）；瘤胃微生物的生物氫化現(xiàn)象導(dǎo)致了順式-不飽和脂肪酸和很多特殊的共軛亞油酸（CLAs）的形成，它們是含共軛雙鍵亞油酸的幾何異構(gòu)體和位置異構(gòu)混合物（C18：2；Cis-9，Cis-12）。牛乳中含量最多的亞油酸是瘤胃酸（C18：2；Cis-9），占牛乳中亞油酸含量的90%，也被認(rèn)為是最具生物活性的亞油酸。

?；w移是一種單甘油酯或雙甘油酯的位置異構(gòu)化自發(fā)的分子間異構(gòu)化反應(yīng)，可能也影響了最終產(chǎn)品的脂肪酸分布。例如，如果一個(gè)脂肪酸分子從sn-3位置釋放，這個(gè)位置則可能被另一個(gè)來自于sn-2位置的脂肪酸分子替代。因此，sn-1，3專一性脂肪酶可能提供一個(gè)新的目標(biāo)。長時(shí)間水解過程中，甘油酯不同sn-位置之間的脂肪酸遷移在脂肪酶的區(qū)域?qū)Ｒ恍灾g可能僅有微小的差異。然而，應(yīng)該指出的是脂肪酶的區(qū)域?qū)Ｒ恍酝ǔ２⒉磺逦也煌闹久覆町愐草^大。Kalo（1986）首次報(bào)告了采用非專一性脂肪酶或化學(xué)催化劑易導(dǎo)致乳TAGs?；鶊F(tuán)的隨機(jī)分布，非專一性的酯交換結(jié)果在減少32～42個(gè)碳的TAGs和增加48～54個(gè)碳的TAGs方面起著平衡作用。根據(jù)區(qū)域分布，隨機(jī)化引起了C18：0和C18：1的增加，Sn-2位置的Cis-9和全部?；苌偬幵谶@個(gè)位置。TAGs結(jié)構(gòu)的改變影響乳脂肪的物理狀態(tài)（固體脂肪含量和結(jié)晶習(xí)性）。隨機(jī)的酯交換導(dǎo)致了固態(tài)脂肪的含量在10℃～40℃范圍內(nèi)增加。通常認(rèn)為，固態(tài)脂肪的含量隨著溫度的改變而變化，融解范圍則精確地描述了脂肪的塑形和口感感覺。在4℃～10℃范圍內(nèi)，固態(tài)脂肪含量值表征產(chǎn)品在凍結(jié)溫度的延展性；在10℃，低于30%的值是具有良好延展性所必需的。Sn-1，3脂肪酶催化的酯交換遵循著和非專一性酯交換的同樣趨勢，但也引起了更多低碳（24～30）重要TAGs的增加。與軟質(zhì)人造黃油的酯化乳脂肪相似，這也形成了固態(tài)脂肪范圍作為溫度的函數(shù)。此外，脂肪酶可能只是對甘油三酯骨架上脂肪酸分子的其他特性具有專一性，如鏈長和/或飽和度/不飽和度。脂肪酶催化的脂質(zhì)反應(yīng)過程還包括醇解和采用超臨界CO2方法提取乙酯以去除游離脂肪酸的過程［14］。目前，采用皂化的方法分離游離脂肪酸與甘油酯產(chǎn)品是常用的方法，也是一種更加簡單、性價(jià)比更高的方法［15］。

3　乳甘油三酯的生物催化改性

甘油三酯的催化改性包括脂肪酸在甘油三酯不同位置的改變和脂肪酸組分的改變，改性的脂質(zhì)可以最大限度地發(fā)揮不同脂肪酸的生理功能和營養(yǎng)價(jià)值［16］。目前，對于牛乳TAGs生物催化改性的研究主要集中：首先是乳脂TAGs的生物催化產(chǎn)生短鏈脂肪酸酯，基于水解的程度和專一性，乳脂質(zhì)經(jīng)過催化水解后形成的酶促改良乳會表現(xiàn)出的不同風(fēng)味特征例如“黃油風(fēng)味”或多種干酪風(fēng)味。Lubary等［17］將脂肪酶催化反應(yīng)與超臨界CO2萃取技術(shù)結(jié)合起來開展乳脂質(zhì)的改性，獲得短鏈脂肪酸酯含量較高的乳脂質(zhì)。Mario Agued等［18］在前人研究的基礎(chǔ)上利用脂肪酶Lipozyme TLIM催化無水乳脂肪和亞麻籽、菜籽油的混合物，通過酯交換反應(yīng)交換sn-1和sn-3位置上的脂肪酸。催化反應(yīng)過程溫和，產(chǎn)物中不飽和脂肪酸甘油三酯含量顯著提高，且無有害的反式脂肪酸產(chǎn)生，改性后的乳脂肪具有如黃油一般的涂抹性能，營養(yǎng)價(jià)值也有所提高；同時(shí)這種商業(yè)化固定脂肪酶可以在無水條件下反復(fù)使用。此外，乳脂TAGs的生物催化能夠生成低熔點(diǎn)脂肪酸酯，如Maria J Jimenez等［19］發(fā)現(xiàn)棕?cái)R油硬脂和自由脂肪酸底物經(jīng)脂肪酶QLC酶解，能夠獲得含有高達(dá)80%十六酸的甘油三酯，該甘油三酯熔點(diǎn)較低，且十六酸只在sn-2位置；在無己烷溶劑的條件下純化度可達(dá)到98%。

脂肪酶催化乳脂肪醇解獲得的DAGs和MAGs被認(rèn)為是從乳脂肪中獲得高附加值功能性乳制品的另一種方式。DAGs和MAGs混合物作為食品乳化劑是經(jīng)典的應(yīng)用。在動(dòng)物和人乳的最近研究中DAGs，特別是Sn-1.3的DAGs，對脂肪代謝有較好的效果，包括餐后血漿中TAG水平的降低，內(nèi)臟脂肪積累的減少和體重的降低（Yang等，2004）。這些研究結(jié)果提高了對TAGs衍生物的興趣。Yang等（1994）篩選了一些商業(yè)用途的脂肪酶用于乳脂肪的醇解制備乳MAGs和DAGs研究的初始步驟。研究表明最高產(chǎn)量的MAGs（55%～60%）和DAGs（24%～39%）為采用Pseudomonas脂肪酶。相比較而言，Rhizopus脂肪酶（Javanicus delemar或Arrhiwhizus）產(chǎn)生的混合物具有較高含量的DAGs（約為40%），Rhizopus脂肪酶具有有限的MAGs生產(chǎn)能力，這與其對短鏈脂肪酸Sn-1.3的區(qū)域選擇性和低的專一性有關(guān)，特別是乳脂肪的Sn-3位置。

全世界與脂肪酸或酯酶催化乳TAGs改性相關(guān)的專利中超過30%都集中于風(fēng)味乳制品，20%的專利與新生兒營養(yǎng)產(chǎn)品的精細(xì)化生產(chǎn)有關(guān)。低卡路里或糕點(diǎn)脂肪相關(guān)的專利占14%左右。大約也有14%的專利是關(guān)于脂肪酶及其他酶類用于提高食品轉(zhuǎn)換（干酪，咖啡乳，低脂酸稀奶油）。其他的應(yīng)用集中于非食品領(lǐng)域（表面活性劑，脂肪酸生產(chǎn)）或動(dòng)物飼料［20-23］。

4　乳極性脂的生物催化改性

極性脂質(zhì)是細(xì)胞膜的重要組成成分，能使細(xì)胞膜具有選擇性滲透的特性。同時(shí)，極性脂質(zhì)在調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性、增加膜的穩(wěn)定性以及降低水溶性物質(zhì)的通透性等方面也發(fā)揮著重要作用。一些極性脂質(zhì)，除了具有維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的功能外，還是細(xì)胞信號通路的關(guān)鍵中間體（如肌醇脂類、鞘脂類等）。磷脂約占總極脂的66%～79%，鞘脂約占總極脂的20.5%～31.5%。乳中的鞘脂主要為神經(jīng)鞘磷脂，其含量高于腦苷脂（磷葡糖神經(jīng)酰胺和乳糖神經(jīng)酰胺）。研究表明乳脂肪球膜中所含的極脂和復(fù)雜脂類具有促進(jìn)健康的功效［24-26］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明乳脂肪球膜中鞘磷脂能夠抑制腸道對膽固醇的吸收［26］。但通過脂肪酶生物催化改性磷脂提高乳磷脂的營養(yǎng)和功能特性的研究還比較少，一方面是因?yàn)閷τ诹字负颓柿柞ッ噶私膺€不清楚，另一方面是因?yàn)橄啾扔赥AGs，乳極性脂占乳脂質(zhì)的比例非常小。

5　MFGM的生物催化改性

乳脂肪球是哺乳動(dòng)物分泌的一類用于新生兒胃腸道輸送脂質(zhì)的天然生物體。乳脂肪球膜（MFGM）在乳的連續(xù)水相中起著穩(wěn)定脂肪球，保護(hù)TAGs不被水解的作用。乳脂肪球的尺寸是不均勻的（直徑=0.1 μm～10 μm，平均=4 μm），并且其乳脂組分中甘油三酯約占95%～98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）并位于脂肪球的內(nèi)部，在脂肪球的內(nèi)部與膜的界面之間，單甘脂和甘油二酯也少量存在（＜2%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［8］。MFGM是包裹在脂肪球的外面是一個(gè)三層的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)，主要是由極酯組成，極酯含量占總?cè)橹?.2%～2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［27］。這層膜主要包括蛋白質(zhì)、膽固醇和其它微量組分［26］如糖基化多肽，嗜乳脂蛋白，糖脂類和黃嘌呤氧化酶等，其結(jié)構(gòu)的形成及其成分組成是由于乳腺上皮細(xì)胞的脂肪球胞吐作用造成的［28］。MFGM磷脂含有三分之一的與膜結(jié)構(gòu)和生理特性有關(guān)的鞘磷脂。因此，研究PLA2水解乳磷脂和MFGM材料有助于理解包材和乳脂肪球的消化以及脂質(zhì)體包埋的藥物和生物活性物質(zhì)的釋放和吸收機(jī)制［29］。

Chrisope和Marshall（1976）最早開展了磷脂酶C和來自于P.fluorescens脂肪酶共同作用于MFGM的研究。這種共同作用在乳脂肪/水乳濁液和原料乳模型中被檢測。磷脂酶C提高了原料乳的脂肪酶活性，引起了乳濁液的快速降解。Lilbaek等（2006），Nielsen（2008）采用Fusarium Veneuatum磷脂酶A1用于莫扎里拉干酪的加工，增加了干酪的產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn). Venenatum磷脂酶A1與其他磷脂酶A2（Aspergillus oryzae，Porcine Pancreas，Tube.borchii）也具有應(yīng)用于乳磷脂改性的潛力。采用這些磷脂酶酶解乳脂質(zhì)可以獲得在乳磷脂和全乳中起穩(wěn)定作用的去氧膽酸鈉。其中來自于F.Venenatum磷脂酶A1具有最高的活性，主要作用表現(xiàn)在：降低脫脂乳和乳清的表面張力，增加乳的泡沫穩(wěn)定性。Novozymes（Denmark）也提出采用磷脂酶（A1，A2和B）用于乳，干酪和稀奶油生產(chǎn)過程中乳脂肪的預(yù)處理。

體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輔脂酶和膽鹽存在的條件下，乳脂肪球的粒徑和界面組分（MFGM vs.乳蛋白質(zhì)）控制了乳TAG由人磷脂酶催化的水解。人磷脂酶對較小粒徑天然乳脂肪球（1.6 mm）的催化效率顯著大于中等（3.9 mm）和較大天然乳脂肪球（6.7 mm），主要是由于較大的界面的緣故。與天然乳相比，乳的均質(zhì)導(dǎo)致了乳蛋白質(zhì)吸附在TAG-水的界面，增加了人磷脂酶的催化效率。因此，這些研究結(jié)果可以用于含較小天然乳脂肪球乳制品的開發(fā)或者設(shè)計(jì)MFGM覆蓋的乳脂液滴以提高乳脂質(zhì)的消化［30］。

6　結(jié)論

乳脂質(zhì)及其產(chǎn)品由于復(fù)雜的組分以及“純天然”的形象長期以來受到人們的喜愛。但隨著人們健康意識的增強(qiáng)，乳脂質(zhì)自身的“缺陷”限制了乳脂質(zhì)的消費(fèi)和應(yīng)用。由于反應(yīng)條件溫和，生物催化比化學(xué)催化更適合用于乳脂質(zhì)的改性以改變其物理、營養(yǎng)特性或新的功能特性。乳脂質(zhì)的生物催化改性是一種改變?nèi)橹|(zhì)組分組成和含量的重要方式。因此，乳脂質(zhì)的生物催化改性受到了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。目前，除了脂肪酶或酯酶催化乳TAGs的水解，磷脂酶催化乳極性脂的改性在工業(yè)上得到應(yīng)用外，乳TAGs的結(jié)構(gòu)化還沒有在工業(yè)上得到應(yīng)用。因此，隨著高效、專一性強(qiáng)的商品化脂肪酶的研究和開發(fā)，乳脂質(zhì)的生物催化改性將受到更多的關(guān)注，獲得讓消費(fèi)者接受的脂質(zhì)改性產(chǎn)品，拓展乳脂質(zhì)及其產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

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Advances in Research on Biocatalyzed Modifications of Milk Lipids

MA Qing-bao1，2，QU Ying-hong2，LI Bin3，LIU Zhi-dong1，*
（1.East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China；2.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；3.Boton（Shanghai）Fragrances Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）

The use of lipases in the modifications of milk lipids has grown significantly in recent years.Due to its mildness，biocatalysis of milk lipids is more adapted than chemical catalysis to tailor lipids with improved physical，nutritional，functional properties.Biocatalysis of milk lipids better fits the current needs of consumers，who were looking for healthier foods manufactured with higher quality.Biocatalyzed modification of milk lipid was becoming all the more attractive，as the number of efficient and specific lipase is increasing.Therefore，biocatalyzed modifications of bovine milk triacylglycerols，polar lipids and milk fat globule membrane using lipases were reviewed.It provided new perspectives of application towards the possibility to modify the properties of milk lipids through catalysis.

bovine milk；triacylglycerol；polar lipid；milk fat globule membrane；biocatalyzed modification；advance

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.17.047

2015-08-26

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2011M06）；農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2012002）；國家“863”計(jì)劃（2012AA092304）

馬慶保（1991—），男（漢），在讀研究生，主要從事海洋生物資源利用研究。

劉志東（1976—），男（漢），博士，副研究員，主要從事食品生物技術(shù)研究。