甘油二酯的合成、代謝及應(yīng)用研究進(jìn)展

萬思迪，朱恩恒，向 霞，黃遵錫,2,3

(云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院1，昆明 650500) (云南能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程中心2，昆明 650500) (云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，昆明 650500)

油脂是人體不可缺少的營(yíng)養(yǎng)素，但攝入過多，會(huì)加劇肥胖人群的產(chǎn)生。甘油二酯(DAG)是一種由兩個(gè)高級(jí)脂肪酸連接在甘油骨架上的油脂，比甘油三酯(TAG)少一個(gè)酯鍵連接的高級(jí)脂肪酸，根據(jù)脂肪酸?；c甘油骨架上羥基連接位置不同DAG分為3種異構(gòu)體[3]，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。臨床研究顯示，當(dāng)DAG質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于27.3%，每天攝入2.5 g DAG時(shí)，可以促進(jìn)餐后脂肪代謝，抑制脂肪積累[1]。 國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的文件中要求DAG油中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上，食用量≤30 g/d，使用范圍不包括嬰幼兒食物[2]。目前，由于天然的DAG含量較少、生產(chǎn)成本高、價(jià)格昂貴等的原因，DAG產(chǎn)品并未被多數(shù)人食用。

圖1 DAG 3種異構(gòu)體化學(xué)結(jié)構(gòu)式

由于生產(chǎn)DAG需要多學(xué)科集成技術(shù)，主要生產(chǎn)商一般都將DAG制備技術(shù)作為商業(yè)秘密。1999年，分別來自日本和美國(guó)的兩家公司開展戰(zhàn)略合作，銷售DAG油[4]。2004年，中國(guó)植物油料加工和油脂加工技術(shù)研究發(fā)展規(guī)劃意見提出將DAG作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象[5]。王寶維等[6]研究利用鵝、鴨油高效固定化酶解制備DAG的工藝技術(shù)體系，開發(fā)出具有降脂、消炎、補(bǔ)鈣等功能的鵝鴨油源DAG產(chǎn)品，DAG提純率達(dá)到92.57%。目前，我國(guó)已上市的DAG食用油中含80%DAG和20%TAG。DAG除了在食品工業(yè)出露頭角，在醫(yī)藥、化妝品和化工行業(yè)也有重要應(yīng)用，因此未來DAG將會(huì)成為各工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。它作為一種新的具有開發(fā)性的原料，本文對(duì)DAG的代謝、合成、檢測(cè)、應(yīng)用現(xiàn)狀及食用安全性進(jìn)行綜述。

1 甘油二酯在人體內(nèi)的代謝

油脂的代謝主要發(fā)生在小腸中，TAG和DAG利用相同的酶來完成代謝，但兩者結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致最終的代謝產(chǎn)物不同。1,2-DAG和2,3-DAG的代謝方式與TAG相同。TAG在小腸中經(jīng)sn-1,3 特異性胰腺酶水解后生成2-MAG與游離脂肪酸(FFA)，2-MAG與FFA重新組裝成TAG，后被小腸上皮細(xì)胞吸收組裝成乳糜微粒(CM)流入血液被肝臟吸收[7]。1,3-DAG在小腸中被胰腺酶水解生成1-MAG、FFA、甘油，之后和膽鹽結(jié)合形成膠束被小腸上皮細(xì)胞重新吸收利用合成少量的TAG，由于該過程主要經(jīng)過甘油3-磷酸途徑且酰基輔酶A對(duì)1-MAG底物特異性差，合成的大量TAG只能儲(chǔ)藏在小腸上皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中[8](圖2)。

2 甘油二酯的合成

目前，國(guó)內(nèi)外制備DAG的常見方法有化學(xué)法、生物酶法等，都不同程度存在污染環(huán)境、能耗過多、成本過高等問題。與化學(xué)法制備DAG相比，生物酶法制備在產(chǎn)率、純度、反應(yīng)時(shí)間和安全性等方面結(jié)果更好[9]。然而要將酶法應(yīng)用到DAG工業(yè)化生產(chǎn)中，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，如利用固定化脂肪酶催化成本過高、反應(yīng)條件、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、反應(yīng)后如何獲得高純度的DAG等[10]。

圖2 TAG和DAG在人體內(nèi)的代謝

2.1 化學(xué)法制備甘油二酯

化學(xué)法制備DAG是以化學(xué)甘油解為主，以甘油和脂肪酸為原料在200～260 ℃的溫度下利用堿性催化劑進(jìn)行的。研究表明雖然高溫下MAG和DAG的生成速率有所提高，但不適合生產(chǎn)富含DAG的熱敏性脂肪酸，低溫化學(xué)甘油解克服了這個(gè)缺點(diǎn)[11]，表1列出了在高溫、低溫下利用化學(xué)法制備DAG的方法。

表1 化學(xué)法制備甘油二酯

2.2 酶法制備甘油二酯

2.2.1 酯化法制備甘油二酯

該方法主要通過利用游離脂肪酸與甘油在脂肪酶催化下生成DAG和少量的TAG、MAG(圖3)。徐揚(yáng)等[18]利用偏甘油酯脂肪酶G50催化甘油和脂肪酸酯化反應(yīng)制得44.74%的DAG且產(chǎn)物中沒有TAG生成。陳佳子等[19]采用MAG和癸酸為原料，以脂肪酶Novozyme 435為催化劑，經(jīng)過一系列工藝優(yōu)化后制得37.3%的DAG。然而由于脂肪酸與甘油混溶性差導(dǎo)致脂肪酶表面會(huì)覆蓋甘油而不能完全與底物結(jié)合，所以為了提高反應(yīng)速率可以在反應(yīng)體系內(nèi)加入溶劑，CO2-丙酮體系能提高甘油和棕櫚酸的酶促酯化反應(yīng)，Tai等[20]利用該體系最終在50 ℃及不同濃度脂肪酶Novozym 435的催化下都獲得不同含量的DAG。利用該法制備DAG關(guān)鍵是除去酯化反應(yīng)產(chǎn)生多余的水，真空驅(qū)動(dòng)-氣泡模式反應(yīng)器被證實(shí)能達(dá)到除水的效果，Liu等[21]在氣泡柱反應(yīng)器中用脂肪酶Lipozyme 435催化甘油與脂肪酸酯化，在無溶劑系統(tǒng)中快速生產(chǎn)得57.9%的DAG。

圖3 酯化法制備甘油二酯

2.2.2 甘油解法制備甘油二酯

甘油解法制備DAG是工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的生物酶催化方法，以TAG和甘油為原料在脂肪酶的催化下產(chǎn)生DAG(圖4)，且反應(yīng)過程溫和、副產(chǎn)物少、不會(huì)產(chǎn)生縮水甘油酯。Diao等[22]利用脂肪酶Novozym 435催化豬油與甘油，在45 ℃下反應(yīng)8 h制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.76%的DAG。在生產(chǎn)中，必須克服底物(甘油和油相)之間的不混溶性，利用固定化酶的技術(shù)能加快其反應(yīng)速率。利用SBA-15固定的黑根霉脂肪酶催化大豆油和甘油后，產(chǎn)生的DAG質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15.45%提高至59.03%；利用SBA-15固定的南極假絲酵母脂肪酶分別催化大豆油、玉米油和甘油，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%以上的DAG[23-26]。

圖4 甘油解法制備甘油二酯

2.2.3 酯交換法制備甘油二酯

該法主要是通過以TAG和MAG(或脂肪酸甲酯、乙酯)為原料在特異性脂肪酶的作用下制備DAG(圖5)，該法制備DAG成本較高，不適用于工業(yè)生產(chǎn)。孟祥河等[27]利用脂肪酶Lipozyme RM IM在無溶劑體系中催化SCA乙酯和甘油酯交換，在探究反應(yīng)條件后制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)55.5%的DAG。李磊等[28]在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中用脂肪酶Lipozyme RM IM催化米糠油和油酸甘油單酯的酯交換反應(yīng)得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.6%的DAG。黃楚楚等[29]利用固定化脂肪酶TL IM催化共軛亞油酸乙酯和單油酸甘油酯，在無溶劑體系中發(fā)生酯交換反應(yīng)制備得65%的DAG。杜偉[30]在叔丁醇溶液中利用固定化脂肪酶TL IM催化MAG與脂肪酸甲酯發(fā)生酯交換，最終得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于70%的甘油二酯DAG產(chǎn)物。

圖5 酯交換法制備甘油二酯

2.2.4 酶促水解制備甘油二酯

酶促水解制備DAG文獻(xiàn)報(bào)道并不多，其主要涉及2個(gè)反應(yīng)即脂肪或油的部分水解產(chǎn)物或FFA濃縮的部分水解產(chǎn)物，然后在特異性脂肪酶的存在下用甘油酯化部分水解產(chǎn)物中的FFA。該方法過程比較簡(jiǎn)單，主要通過控制其反應(yīng)條件生產(chǎn)高含量的DAG，如Babicz等[31]在超聲輻照條件下利用脂肪酶催化棕櫚油部分水解生產(chǎn)DAG；吳克剛等[32]以花生油為原料，通過正交實(shí)驗(yàn)得出脂肪酶不完全水解制備DAG的最佳條件，在此最佳條件下制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.84%DAG?；蜻x擇高催化效率的酶，研究表明在以大豆油為原料時(shí)，脂肪酶ROL酶的催化效率最高[33]。李橋妹等[34]利用固定化脂肪酶 Lipozyme RMIM催化蒼子核仁油部分水解制備DAG，最終得到比原油含量提高2.76倍的產(chǎn)物。

表2列出了酶法制備DAG所需脂肪酶、底物、溶劑、反應(yīng)條件以及DAG生成量。

3 甘油二酯的檢測(cè)方法

3.1 核磁共振

核磁共振(NMR) 是一種化學(xué)分析和醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)，在化學(xué)、材料學(xué)、分子生物學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。NMR觀測(cè)原子的方法是將樣品置于外加強(qiáng)大的磁場(chǎng)下，大多數(shù)核自旋會(huì)處于低能態(tài)，通過額外施加電磁場(chǎng)來干涉低能態(tài)的核自旋轉(zhuǎn)向高能態(tài)，再回到平衡態(tài)便會(huì)釋放出射頻即NMR訊號(hào)。Dayrit等[35]使用31P NMR光譜分析出椰子油中的MAG、DAG的含量，可用于區(qū)分初榨椰子油和精制椰子油；龍娟等[36]通過1H NMR監(jiān)控山茶油甘油解反應(yīng)過程，建立了MAG、DAG、TAG的特征指標(biāo)與含量的關(guān)系。

表2 酶法制備甘油二酯

3.2 近紅外光譜

使用近紅外光譜掃描樣品，可以得到樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)的特征信息[37]。近紅外光譜測(cè)量方便、快速、高效、準(zhǔn)確，因此該技術(shù)受到越來越多人的青睞。明朗等[38]使用近紅外光譜法檢測(cè)植物油中的甘油酸酯及游離脂肪酸；Merce等[39]使用近紅外光譜法測(cè)定出鮭魚油中的脂肪酸和脂質(zhì)類如TAG、DAG、FFA 和鮭魚油中的麥角甾醇等物質(zhì)。

3.3 薄層色譜

薄層色譜因其成本低、簡(jiǎn)單、開發(fā)時(shí)間短、靈敏度高和重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，在許多分離混合化合物的實(shí)驗(yàn)中是最簡(jiǎn)單、最通用的方法之一。馬巧霞等[40]以正己烷∶乙醚∶甲酸(82∶38∶2)為展開劑檢測(cè)了脂肪酶催化粗馬油合成甘油二酯的含量；Oellig等[41]使用高效薄層色譜-熒光，以正戊烷∶正己烷∶乙醚 (52∶20∶28) 的混合物作為流動(dòng)相,檢測(cè)了食品乳化劑中的MAG、DAG、TAG和 FFA。

3.4 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)是以液相色譜作為分離系統(tǒng)，質(zhì)譜為檢測(cè)系統(tǒng)。HPLC-MS的基本優(yōu)勢(shì)包括潛在的高分析特異性、對(duì)小分子和大分子的廣泛適用性、檢測(cè)速度快、檢測(cè)靈敏度高以及檢測(cè)分辨率高等特點(diǎn)，在藥物分析、食品分析和環(huán)境分析等許多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，也應(yīng)用于DAG的檢測(cè)。胡謙等[42]利用高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜分析比較茶籽油與橄欖油的甘油酯組成差異，其中在茶籽油中檢測(cè)到43種TAG和12種DAG，橄欖油中檢測(cè)到34種TAG和10種DAG；Holcapek等[43]測(cè)定了16 種植物油樣品中TAG和DAG的組成。

3.5 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)是以氣相色譜進(jìn)行物質(zhì)檢測(cè)，是以惰性氣體作為流動(dòng)相，采用色譜法對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和分析的具體方法。當(dāng)檢測(cè)樣品在300 ℃左右時(shí)可以使用GC-MS進(jìn)行分析，因?yàn)镚C-MS使用EI源得到的質(zhì)譜信息多，同時(shí)毛細(xì)管柱的分離效果好[44]。劉放等[45]通過GC-MS檢測(cè)了使用固定化脂肪酶HMIM催化醬油糟油脂中的游離脂肪酸合成的產(chǎn)物，MAG、DAG、TAG、FFA的含量。

4 甘油二酯的應(yīng)用

4.1 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

肥胖嚴(yán)重威脅人類的健康，與Ⅱ型糖尿病、飲食習(xí)慣、生活方式等有關(guān)，通過改變飲食習(xí)慣能有效控制其發(fā)展。研究表明膳食DAG油可促進(jìn)體重減輕和體脂減少，并可作為飲食療法的輔助治療肥胖癥[46]。此外，它能促進(jìn)有益的代謝，如降低血清、肝臟和脂肪中的TAG水平、總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇，還能調(diào)節(jié)心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)因素、降低患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)[47]。DAG與蛋白激酶C組成的信號(hào)通路在非典型溶血尿毒綜合征中也發(fā)揮著重要的作用[48]。由于黏膜上皮細(xì)胞通過磷脂酸途徑吸收膳食DAG，DAG也被制成腸道營(yíng)養(yǎng)吸收劑，為吸收功能不全的人群和術(shù)后患者提供人體必需的多種脂肪酸[49]。

4.2 在食品方面的應(yīng)用

由于DAG具有提高油脂的可塑性、乳化性、穩(wěn)定性的功能，富含DAG的油脂被廣泛用于食用油和食品加工的原料中，將DAG調(diào)成體積分?jǐn)?shù)10%以上的乳化液用于面包等烘烤產(chǎn)品的制作，可獲得柔軟度好、風(fēng)味佳、容易脫模的產(chǎn)品，DAG組成的起酥油不僅改善食用品質(zhì)而且提高加工成品的穩(wěn)定性[50]。在食品保鮮中，由于DAG主要由不飽和脂肪酸組成，因此凝固點(diǎn)低，能在較低溫度條件下保藏食物；另外，DAG具有形成乳液和保水的能力，可以替代使用添加鹽和磷酸鹽來增加食品保水能力的方法，從而減少對(duì)鹽的需求以及避免了在食品中添加磷酸鹽[51]。DAG良好的溶解性使其在速溶飲品中廣泛應(yīng)用，可以提供更高的風(fēng)味和稠度豐富的泡沫，即便在較低的固體劑量時(shí)也能品味醇厚的口感[52]。此外，DAG在乳液中也有重要應(yīng)用，DAG添加對(duì)奶粉的分散性和沖調(diào)性有顯著性影響，不僅可以提高其穩(wěn)定而且可以增加脫脂奶粉的香味，用來替代乳脂可增加酸奶的不飽和脂肪酸含量，改善酸奶的黏彈性和結(jié)構(gòu)特性[53]。

4.3 在化工行業(yè)的應(yīng)用

DAG是極具吸引力的合成起始原料，不僅可用于樹脂、磷脂、糖脂、脂蛋白、重構(gòu)脂質(zhì)等多種化合物的合成，而且可以作為保濕劑、穩(wěn)定劑添加到化妝品中，對(duì)皮膚有很好的保濕功效。Zhou等[54]認(rèn)為當(dāng)洗滌劑膠束成分中混有DAG時(shí)，去污能力會(huì)增強(qiáng)。Pompei等[55]開發(fā)的混有DAG和皮革碎片的熱塑性淀粉材料，能為復(fù)合材料提供良好的界面。除此之外，DAG也可用于紡織品、皮革、除臭劑等。

5 甘油二酯食用安全性評(píng)估

DAG油中含有比普通食用油高10～182倍的聚甘油酯，聚甘油酯與氯離子共存并在高溫作用下就會(huì)生成氯丙醇酯，二者能在特定的條件下可相互轉(zhuǎn)化，被列為致癌性物質(zhì)[56]。在200 ℃以上高溫過程中，植物油會(huì)產(chǎn)生更多的氯丙醇酯和縮水甘油酯，并伴隨氯丙醇酯產(chǎn)生，因此縮水甘油酯也被列為對(duì)人類具有致癌性的物質(zhì)[57]。但有研究表明，優(yōu)化生產(chǎn)工藝可以降低和控制植物油精煉過程中氯丙醇酯和縮水甘油酯的產(chǎn)生[58]。DAG作為一種天然、健康的成分，經(jīng)過多項(xiàng)動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)均未觀察到急性或慢性毒性，雖然現(xiàn)在暫未發(fā)現(xiàn)DAG的毒性反應(yīng)，但在其生產(chǎn)過程中伴隨生成的縮水甘油酯和氯丙醇酯，仍需要更系統(tǒng)、深入的研究和評(píng)價(jià)來證明其食用安全性[59]。

6 展望

DAG在各種工業(yè)行業(yè)有著舉足輕重的應(yīng)用價(jià)值，未來仍需加強(qiáng)研究DAG的功能特性，如：1)實(shí)驗(yàn)階段研究表明DAG有益于抗肥胖、改善慢性疾病，但臨床研究仍不多見；2)酶法制備DAG中酶制劑種類單一、價(jià)格昂貴、催化活性較低，限制了DAG的生產(chǎn)，開發(fā)制備經(jīng)濟(jì)、高效的酶制劑勢(shì)在必行；3)工業(yè)制備的DAG是從一定濃度的混合脂肪酸甘油酯中純化得到的，研究定性、定量地檢測(cè)中間產(chǎn)物的組成和比例是進(jìn)行DAG工業(yè)化技術(shù)研究的關(guān)鍵；4)伴隨DAG食用油中產(chǎn)生的安全性問題，特別是氯丙醇酯和縮水甘油酯問題仍需要深入研究。