中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的合成工藝

張亭妍，王宏雁，劉鐘棟

河南工業(yè)大學(xué)（鄭州 450000）

脂肪是為人體提供能量的主要來源之一。調(diào)查顯示，中國居民膳食脂肪主要來自于食用油[1]。然而，攝入過多脂肪含量高的食品容易引起肥胖癥、高血脂、心血管病等疾病危害人類身體健康[2-4]。脂肪賦予食品獨特的風(fēng)味，減少食品中脂肪的含量可能會影響口感，于是，研發(fā)比天然油脂熱量低且不會危害人健康的產(chǎn)品受到了社會越來越廣泛的關(guān)注。中鏈脂肪酸（MCFA）是由8～12個碳原子數(shù)的脂肪酸組成，短鏈脂肪酸（SCFA）是由碳原子數(shù)小于6的脂肪酸組成，且都易被人體吸收[5-6]，因此，合成的新型中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的熱量比天然油脂的熱量低。

目前，在新型油脂的研究中，主要以長鏈脂肪酸與短、中碳鏈脂肪酸甘油酯合成的新型油脂。劉如燦等[7,10]首先將山崳酸甲酯和三乙酸甘油酯酯交換合成三山酸甘油酯，然后將葵花油和三山崳酸甘油酯酯交換合成可提供人體必需能量的低熱量油脂。張晶等[8]以脂肪酶為催化劑，將三油酸甘油酯和三乙酸甘油酯進(jìn)行酯交換制備產(chǎn)品（命名為Salatrim）。崔惠玲等[9]將甲醇鈉為催化劑對三乙酸甘油酯和大豆油酯交換反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，從而制備一種新型低熱量油脂。如今，國內(nèi)外對長短鏈脂肪酸甘油酯合成工藝相關(guān)報道較多，而鮮有關(guān)于中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成工藝方法相關(guān)報道。

研究主要以辛酸、癸酸、月桂酸及三丁酸甘油酯為原料，采用兩步合成方法合成中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂。首先，將3種中鏈脂肪酸與甘油通過酯化方法合成3種中鏈脂肪酸甘油三酯，第二步為3種中鏈脂肪酸甘油三酯分別和三丁酸甘油酯酶法酯交換合成3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂，從而確定合成中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的最佳工藝。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

辛酸、癸酸（天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）；月桂酸（濟南博奧化工有限公司）；三丁酸甘油酯（純度＞98%，唐河金海生物科技有限公）；固定化脂肪Lipozyme 40086（諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

GC-2010氣相色譜儀（日本島津（中國）有限公司）；ZNHW調(diào)溫智能數(shù)顯控溫電熱套（成都能志實驗儀器有限公司）；500 g實驗室電子天平（廣東昊昕科技有限公司）；JB90小型立式電動攪拌器（上海久然儀器設(shè)備有限公司）；HH-2數(shù)顯型恒溫水浴鍋（河北晟興儀器設(shè)備有限公司）；Pope分子蒸餾儀（美國Pope科學(xué)公司）。

1.3 方法

1.3.1 中鏈脂肪酸甘油三酯的制備及純化

制備：在配有電動攪拌器、溫度計和冷凝管的250 mL三口瓶中加入一定量辛酸、癸酸和月桂酸和甘油，均勻混合，在一定溫度下以120 r/min的速率中加熱反應(yīng)，反應(yīng)一定時間后回收產(chǎn)物。

純化：采用分子蒸餾法分離純化酯化反應(yīng)合成的3種中鏈脂肪酸甘油三酯，分子蒸餾條件為蒸發(fā)面溫度130 ℃，壓力10～20 Pa，進(jìn)料速度2 mL/min，刮膜電機轉(zhuǎn)速50 r/min。除去輕相產(chǎn)物，回收重相產(chǎn)物。

1.3.2 酶法酯交換制備中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂

取一定質(zhì)量的三丁酸甘油酯及合成的三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯，加入一定量的固定化脂肪酶Lipozyme 40086，在一定溫度下以100 r/min振蕩水浴加熱反應(yīng)一段時間，反應(yīng)結(jié)束后過濾除去脂肪酶。

1.3.3 組成的定量分析

采用氣相色譜檢測方法，取10 mg樣品，溶于10 mL正己烷中。氣相色譜條件：色譜柱DB-1HT（30 m×0.25 mm×0.1 μm），載氣N2（純度99.999%）；進(jìn)樣量1 μL；進(jìn)樣口溫度350 ℃；柱溫200 ℃，保持時間1 min，以15 ℃/min速度持續(xù)加熱升溫直至350 ℃，保持10 min。用面積歸一化法計算物質(zhì)的含量。

1.3.4 總脂肪酸組成分析

樣品甲酯化：取3種中短鏈脂肪酸甘油脂各120 mg，分別加入6 mL甲醇鈉溶液充分反應(yīng)，加入2～3 mL正己烷，充分搖勻7 min，取上清液，加入無水硫酸鈉除水后過濾膜，用氣相色譜儀進(jìn)行檢測分析。

氣相色譜條件：色譜柱DB-1HT（30 m×0.25 mm×0.1 μm），載氣N2（純度99.999%）；進(jìn)樣量1 μL；進(jìn)樣口溫度250 ℃；初始溫度80 ℃，保持1 min，然后以15 ℃/min 的速率升溫至200 ℃，并保持1 min，最后以30 ℃/min 的速度持續(xù)加熱升溫至300 ℃，保持5 min，用面積歸一化法計算脂肪酸組成及含量。

2 結(jié)果討論

2.1 中鏈脂肪酸甘油三酯的合成

2.1.1 反應(yīng)時間對中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

將辛酸、癸酸及月桂酸與甘油分別按物質(zhì)的量之比6∶1混合，反應(yīng)溫度為160 ℃，反應(yīng)時間分別為4，5，6，7和8 h。由圖1可知，3種中鏈脂肪酸甘油三酯反應(yīng)趨勢基本一致，隨著反應(yīng)時間的增加，3種產(chǎn)物含量都在不斷上升，當(dāng)反應(yīng)為6 h時，產(chǎn)物含量不斷上升。當(dāng)反應(yīng)時間到達(dá)6 h時，3種產(chǎn)物含量都達(dá)到最高值。當(dāng)反應(yīng)時間超過6 h，產(chǎn)物含量增長趨于平緩，因此3種中鏈脂肪酸甘油三酯最適宜的反應(yīng)時間都為6 h。

圖1 反應(yīng)時間對3種中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

2.1.2 底物物質(zhì)的量之比對中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

該反應(yīng)理論物質(zhì)的量之比為3∶1，但該物質(zhì)的量之比反應(yīng)耗時過長，因此增加底物物質(zhì)的量之比，可減少反應(yīng)時間[4]。當(dāng)辛酸、癸酸及月桂酸與甘油反應(yīng)時間為6 h，反應(yīng)溫度為160 ℃，分別稱取不同物質(zhì)的量之比1∶4，1∶5，1∶6，1∶7和1∶8時，由圖2可知：3種中鏈脂肪酸甘油三酯反應(yīng)趨勢基本一致，當(dāng)?shù)孜镂镔|(zhì)的量之比小于1∶6時，產(chǎn)物含量持續(xù)增加，這是因為適當(dāng)提高底物物質(zhì)的量之比能加速產(chǎn)物含量的生成。當(dāng)?shù)孜镂镔|(zhì)的量之比為1∶6時，3種產(chǎn)物的含量都達(dá)到最高值。當(dāng)?shù)孜镂镔|(zhì)的量之比為大于1∶6時，產(chǎn)物含量緩慢降低，這是因為過量的底物降低了產(chǎn)物的含量[11]。所以，3種中鏈脂肪酸甘油三酯最適物質(zhì)的量之比都為1∶6。

圖2 底物物質(zhì)的量之比對3種中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

2.1.3 反應(yīng)溫度對中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

在底物物質(zhì)的量之比1∶6，反應(yīng)時間6 h，反應(yīng)溫度分別為130，140，150，160和170 ℃的條件下，由圖3可知：從總體上看，3種中鏈脂肪酸甘油三酯產(chǎn)物的含量都隨著溫度升高而增加并緩慢平緩的趨勢，當(dāng)反應(yīng)溫度為130～160 ℃時，3種產(chǎn)物含量不斷增加，當(dāng)反應(yīng)溫度到達(dá)160 ℃時3種產(chǎn)物含量都達(dá)到最高，繼續(xù)提高溫度產(chǎn)物含量基本穩(wěn)定，溫度過高會使產(chǎn)物的顏色加深，同時也會增加反應(yīng)成本[12-13]。因此，3種中鏈脂肪酸甘油三酯選取最適反應(yīng)溫度為160 ℃。

圖3 反應(yīng)溫度對3種中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

2.1.4 分子蒸餾分離純化

用分子蒸餾的方法除去產(chǎn)物中殘留的成分是目前常用的分離純化方法。試驗通過分子蒸餾除去3種中鏈脂肪酸甘油三酯中殘留的辛酸、癸酸、月桂酸等易揮發(fā)成分。由表1可知，通過酯化的方法合成3種中鏈脂肪酸甘油酯含量均大于70%，分子蒸餾分離純化后3種中鏈脂肪酸甘油三酯純度都達(dá)到90%以上，回收率也都達(dá)到70%以上，說明該分離純化方法較理想。分子蒸餾的純化率和回收率結(jié)果見表1。

表1 3種中鏈脂肪酸甘油三酯分子蒸餾的純化率和回收率結(jié)果

2.2 中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的合成

2.2.1 溫度對酶法酯交換反應(yīng)的影響

取三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯和三丁酸甘油酯分別以1∶3的底物物質(zhì)的量之比混合，加入4%固定化脂肪酶，分別在50，55，60，65和70 ℃溫度下反應(yīng)時間6 h，結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成產(chǎn)率趨勢基本一致，當(dāng)溫度為50～60 ℃時，產(chǎn)物含量明顯增大，當(dāng)溫度超過60 ℃，酶的活性降低或者失活，使含量呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。因此合成3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂反應(yīng)溫度選擇60 ℃為最佳。

2.2.2 反應(yīng)時間對酶法酯交換反應(yīng)的影響

取三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯和三丁酸甘油酯分別以1∶3的底物物質(zhì)的量之比混合，加入4%固定化脂肪酶，60 ℃分別反應(yīng)4，5，6，7和8 h，結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂反應(yīng)趨勢基本一致，反應(yīng)4～6 h產(chǎn)物產(chǎn)率不斷升高，當(dāng)反應(yīng)6 h時產(chǎn)物含量達(dá)到最高，當(dāng)反應(yīng)超過6 h時，產(chǎn)物含量緩慢下降，這是因為中鏈脂肪酸甘油三酯含量隨反應(yīng)進(jìn)行不斷消耗，在6 h時中鏈脂肪酸甘油三酯含量基本反應(yīng)完全，因此合成3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂選擇6 h為最佳反應(yīng)時間。

圖4 反應(yīng)溫度對3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成含量的影響

圖5 反應(yīng)時間對3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成含量的影響

2.2.3 底物物質(zhì)的量之比對酶法酯交換反應(yīng)的影響

將三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯和三丁酸甘油酯分別按物質(zhì)的量之比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4和1∶5混合，加入4%的脂肪酶，設(shè)定反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時間6 h，結(jié)果見圖6，整個反應(yīng)過程中產(chǎn)物含量呈現(xiàn)先增加而后減少的趨勢，這是因為三丁酸甘油酯濃度增加，反應(yīng)產(chǎn)物含量不斷增加，當(dāng)?shù)孜镂镔|(zhì)的量之比至1∶3時，產(chǎn)物含量達(dá)到最高。繼續(xù)增加底物物質(zhì)的量之比，反應(yīng)中剩余的三丁酸甘油酯越多，產(chǎn)物的含量就越低，同時過量的三丁酸甘油酯不利于產(chǎn)物的分離，也增加生產(chǎn)成本[15]，故3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂都選擇1∶3為最適底物物質(zhì)的量之比。

圖6 反應(yīng)物質(zhì)的量之比對3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成含量的影響

2.2.4 脂肪酶添加量對酶法酯交換反應(yīng)的影響

將三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯分別以1∶3的底物物質(zhì)的量之比混合，在溫度60 ℃反應(yīng)時間6 h條件下，添加不同量的脂肪酶，結(jié)果見圖7。結(jié)果顯示，3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂產(chǎn)物的含量都呈逐漸增加并緩慢平緩的趨勢，當(dāng)脂肪酶用量為4%時，產(chǎn)物含量達(dá)到最高。當(dāng)脂肪酶用量大于4%時，產(chǎn)物含量基本保持穩(wěn)定，說明此時反應(yīng)物中三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯基本反應(yīng)完全。因此，3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂都選擇4%為最適添加量。

圖7 脂肪酶添加量對3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂合成的影響

2.2.5 正交試驗

影響一個反應(yīng)因素比較多，單因素試驗只能從單個因素方面對酶法酯交換反應(yīng)影響，不能考慮多個因素之間的影響，因而此次試驗通過單因素試驗選取對試驗結(jié)果影響較大的4個因素進(jìn)行四因素三水平正交試驗考察底物物質(zhì)的量之比、反應(yīng)時間、溫度、脂肪酶用量等4個因素對酶法酯交換反應(yīng)產(chǎn)物含量的影響，以確定3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂酶法酯交換的最佳反應(yīng)條件。因素水平見表2，正交試驗結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素水平

由表3可知，酯交換反應(yīng)對辛酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂含量影響：影響反應(yīng)因素主次依次為A＞C＞B＞D，最優(yōu)反應(yīng)條件為A2B2C2D3，反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比影響較大，其次是反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，脂肪酶用量影響較小，即反應(yīng)溫度為60 ℃、反應(yīng)時間6 h、底物物質(zhì)的量之比為1∶3、加酶量為5%；酯交換反應(yīng)對癸酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂總含量影響：影響反應(yīng)因素主次依次為A＞C＞B＞D，最優(yōu)反應(yīng)條件為A2B2C2D3，反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比影響較大，其次是反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度，脂肪酶用量影響較小，即反應(yīng)溫度為60 ℃、反應(yīng)時間6 h、底物物質(zhì)的量之比為1∶3、加酶量為5%；酯交換反應(yīng)對月桂酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂總含量影響：影響反應(yīng)因素主次依次為A＞D＞C＞B，最優(yōu)反應(yīng)條件為A2B2C2D3，影響較大為反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比1∶3，其次是脂肪酶用量5%、反應(yīng)時間6 h、反應(yīng)溫度60 ℃。3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的最佳條件基本一致，最佳條件都為脂肪酶用量5%、反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)6 h、底物物質(zhì)的量之比1∶3。

表3 酶法酯交換正交試驗結(jié)果

接表3

2.2.6 中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂脂肪酸組成

3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂氣相色譜分析運用面積歸一化法計算得到脂肪酸組成及含量，如表4所示。

表4 3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂氣相色譜分析脂肪酸組成及含量

從表4可見，辛酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂主要由丁酸（41.75%）和辛酸（58.25%）組成。癸酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂主要由丁酸（40.25%）和癸酸（59.75%）組成。月桂酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂主要由丁酸（38.46%）和月桂酸（61.54%）組成。在辛酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂、癸酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂和月桂酸-丁酸結(jié)構(gòu)脂的結(jié)構(gòu)中，其脂肪酸組成含量較少的都為短碳鏈脂肪酸，含量較多的都為中碳鏈脂肪酸，脂肪酸都是由短鏈和中鏈脂肪酸組成，因中鏈脂肪酸和短鏈脂肪酸更易被人體吸收[17-18]，所以，可以得出酯交換合成結(jié)構(gòu)脂比天然油脂的熱量低，是較理想的健康新型低熱量油脂。

3 結(jié)論

采用兩步合成方法合成中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂，分別確定了3種中鏈脂肪酸甘油三酯制備、分離純化及酯交換制備3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂。3種中鏈脂肪酸甘油酯的最佳條件為：反應(yīng)溫度160 ℃、反應(yīng)時間6 h、底物物質(zhì)的量之比6∶1；分離純化后3種中鏈脂肪酸甘油酯含量大于90%；3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂的最佳條件為：脂肪酶用量5%、反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時間6 h、底物物質(zhì)的量之比1∶3，得到的3種中短鏈脂肪酸結(jié)構(gòu)脂產(chǎn)物含量均大于60%。工藝研究具有產(chǎn)率高、成本低和時間短等特點，為這類新型低熱量油脂的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。