中長鏈脂肪酸結構脂質及其制備工藝研究進展

王苑力 李 桐 郭咪咪 魏 征 欒 霞

(國家糧食和物資儲備局科學研究院糧油加工研究所1，北京 100037) (廣州福匯食品科技有限公司2，廣州 510000)

1 結構脂質概述

結構脂質(Structured lipids，SLs)又稱設計脂，是一種改性油脂。結構脂的定義分為兩種，廣義上是以自然界中的天然油脂為原料，經過人工的結構重組或者改性，從而使其具有某些特定功效的油脂，例如較為常見的單甘酯，甘二酯，類可可脂，富含EPA、DHA、α-亞麻酸、γ-亞麻酸等不飽和脂肪酸的油脂，起酥油和人造奶油以及其他塑性脂肪等均屬于結構脂[1]；而狹義上專指利用化學方法或者酶法來重組或改變甘油骨架上的脂肪酸位置組成或者種類的甘油三酯[2]。

結構脂質的分類方法目前公認的有兩種，首先，構成結構脂的脂肪酸分為多于12個碳原子構成的長鏈脂肪酸(Long chain fatty acid,LCFA)、中鏈脂肪酸(Medium chain fatty acid,MCFA,6≤C≤12)和短鏈脂肪酸(Short chain fatty acid,SCFA,C<6)三種，因而按照甘油三脂上所連三條脂肪酸碳鏈長度與位置的不同，可將結構脂分為中鏈-長鏈-長鏈型(MLL型)、中鏈-長鏈-中鏈型(MLM型)、中鏈-中鏈-中鏈型(MMM型)等多種結構類型，在此基礎上，Casimir Akoh曾將結構脂質分為定向結構脂(SSL，長鏈脂肪酸位于sn-2位，中鏈或短鏈位于sn-1,3位)和隨機結構脂(SL，含有長鏈、中鏈或者短鏈脂肪酸)兩種[3]；此外，還可根據脂肪酸構型的特點，將結構脂分為對稱型結構脂和非對稱型結構脂，其中對稱型結構脂又分為單酸型對稱結構脂(sn-1,2,3位同類脂肪酸)和二酸型對稱結構脂(sn-1,3位同類脂肪酸，主要為MLM型和SLS型)[4，5]。結構脂的不同實質上是組成脂肪酸的不同，這也導致了結構脂擁有異于天然油脂的性質，尤其是在熔點、黏度、固脂含量、氧化穩定性、結晶構型和界面配向性以及營養功效等方面均與后者有著明顯差異[6，7]，對結構脂質在各個領域尤其是在食品行業中的開發利用進行研究，既能滿足人們對色澤、口感、風味及加工適性要求，還能發揮其獨特的營養效果，對提高社會效益，改善人民健康水平，增進人民生活質量等方面具有積極的意義。

2 中長鏈脂肪酸結構脂的發展歷程

2.1 LCT與MCT

食用油的組成成分主要是甘油三酯(占95%)，此外還含有甾醇、磷脂、色素、維生素E等物質(約占5%)。構成食用油甘三酯的脂肪酸大多數都是LCFT，因此我們在日常生活中以攝入長鏈脂肪酸甘三酯(Long-chain Triglyceride，LCT)為主，幾乎很少攝入MCFA。雖然LCT中含有人體必需脂肪酸，但缺點是在代謝緩慢，不易被吸收，而且容易引起脂肪堆積，造成肥胖；中碳鏈脂肪酸甘三酯(Medium-chain Triglyceride，MCT)無論是從消化速度、代謝速度來看都要優于LCT，具備快速供能的特點，也不會堆積脂肪，然而，MCT不含必需脂肪酸，而且相關研究也證實過量服用MCT會造成體內酮體蓄積，引起酮癥及高酯血癥，甚至中毒。因此設法將兩種甘三酯的優點綜合起來，削弱其缺點的研究思路開始為人所重視[8，9]。

2.2 中長鏈甘三酯的發展

最初人們對LCT與MCT進行簡單地物理混合，這樣的產品含有兩種脂類，從一定程度上彌補了單一甘三酯在功能方面的不足，然而這兩種脂類在吸收和代謝上仍然保持各自原來的性質，這使得LCT的消化吸收速率并沒有得到改善[10]；近年來隨著結構脂質研究的興起與制備工藝的完善，將MCT與LCT有機結合在一起形成的中長鏈結構脂的研究風生水起。中長鏈結構酯(Medium-and long-chain triacylglycerols，MLCT)是指利用生物方法或者化學方法將MCT和LCT分子進行隨機重排，從而得到甘油骨架上同時含有中鏈脂肪酸和長鏈脂肪酸的新型結構甘三酯混合物[11]，按照鏈長的不同可以分為單長鏈甘三酯(圖1a和圖1b)和雙長鏈甘三酯(圖1c和圖1d)兩種[12]。

圖1 不同類型的MLCT

3 MLCT的功效

由于構成脂肪酸的碳鏈長度不同，LCT與MCT在人體中的代謝路徑有著很大的區別(圖2)：LCT在進入人體后，首先在相關酶的作用下，1,3位酯鍵被分解，得到2-單甘酯和長鏈游離脂肪酸，并溶于膽汁酸形成膽汁酸微團，接著在小腸表皮細胞中又重新酯化形成甘三酯，最后以乳糜微粒的形式經淋巴系統到達肝臟及外周組織中貯存，在需要時產生能量，此外在進入肝臟時還需肉毒堿的轉運；而MCT被攝入后則在多種酶的作用下實現三位酯鍵的全部分解，并通過門靜脈直接進入肝臟，不需經過其他器官和組織，也不需載體轉運。研究證實MLCT與MCT具有類似的代謝途徑和產熱機制[13]，因此MLCT兼具補充必需脂肪酸、快速供能和不造成脂肪堆積的特點，這一結論在許多中外學者的研究中也予以證實：Kishi等[14]用亞油酸和中鏈脂肪酸制成的MLCT喂養小鼠后收集胸導管淋巴液，結果發現MLCT能夠明顯改變小鼠血清中脂質清除的速率；Rubin等[15]針對患有克羅恩氏病或短腸綜合征的病人展開實驗，證實了MLCT能夠安全有效地為需要腸外營養的病人提供能量，并能夠減緩患者因攝入LCT而造成的肝功能異常；Matsuo等[16]用分別含有LCT和MLCT的膳食補充劑對18至20歲的健康男性開展臨床實驗，結果發現在12周時間內MLCT組的體脂變化率顯著低于LCT組,但總能量攝入沒有變化，證實了MLCT的減肥作用；而莫玉穩等[17]也用自制的MLCT進行了餐后血脂實驗和小鼠成長實驗，結果顯示MLCT組的小鼠血清甘三酯含量顯著低于大豆油組，并且發MLCT可以抑制小鼠體重的增長且不會對器官造成明顯影響；尹曉晨等[18]則是對MLCT進行了急性毒性、遺傳毒性及亞慢性毒性實驗研究，結果證實了MLCT未見有明顯的相關毒性。

圖2 長、中、短鏈甘三酯的體內代謝途徑

MLCT還益于人體的免疫系統，利于氮平衡，具有防治疾病的功效[19]。Thormar等[20]發現中鏈飽和脂肪酸及其單甘酯可以作用于病毒包膜并使其裂解，具有較高的抗病毒性；Batovska等[21]探究了中鏈脂肪酸和單甘酯對某些革蘭氏陽性菌的抗菌效果，結果發現兩者均有良好的抗菌作用，并且含有MCFA的單甘酯活性尤為明顯；Takeuchi[22]通過雙盲實驗探究MLCT抑制動物和人類體內脂肪蓄積的作用，最終證實MLCT引起的能量消耗增加是抑制體內脂肪積累的一種機制，進一步表明其可以有效抑制肥胖，從而預防與生活方式有關的疾病。

4 MLCT的制備工藝

4.1 化學法

MLCT的制備方法主要分為物理法、化學法和酶法三種。其中物理法就是指簡單將LCT與MCT混合攪拌在一起，這樣的混合物從實質上來說甘三酯中甘油骨架上的脂肪酸組成并沒有變化，因此嚴格來講并不屬于結構脂質；而化學法則是以含MCTA和LCTA的油脂為原料，在堿金屬或金屬烷鹽等化學催化劑的作用下進行反應的過程。化學法制備MLCT主要分為酯化和隨機酯交換兩類，常用的催化劑包括堿金屬、固體酸、固體堿、強酸和強堿等[23]，關鍵步驟在于含目標脂肪酸油脂的水解以及脂肪酸與甘油分子重新酯化[1,24]。化學法具有所需成本低，易于操作，適合工業化生產的優點，已被一些商業化的結構脂生產企業所采用[25]，但是，這種反應下脂肪酸的組成有很強的隨機性，很難按照人們的實際需要將特定的脂肪酸結合至特定的位點上，得到期望的產品；反應通常需要高溫無水的條件，過程劇烈且副產物多，在反應結束后還需要除去可能具有毒性的化學催化劑，分離純化流程非常繁瑣[26]；此外參與反應的脂肪酸也容易被氧化[27]，這些不足都限制了化學法在實際制備過程中的應用。

4.2 酶法

4.2.1 酸解法

酸解法是指在酶的催化作用下酯與脂肪酸發生反應，生成新酯和新脂肪酸的過程，其反應機理是：首先甘三酯在酶作用下被水解成偏酯(反應中間過渡體)和脂肪酸，之后偏酯中的酰基與目標脂肪酸的酰基發生互換，使得脂肪酸結合在酯上而重新酯化形成新型酯[28]。實際生產中，用于酸解的酯通常是具有較高營養價值、含有人體必需脂肪酸的天然油脂，而酸通常則使用辛酸、癸酸和月桂酸。

酸解反應過程中，對目標產物影響最大的因素主要有酶的種類和用量、底物配比、含水量、反應溫度和時間等，目前針對此項技術的研究主要是通過優化反應條件來建立成熟的反應體系：Nunes等[29]以橄欖油和辛酸、癸酸為原料，通過Rhizopus oryzae脂肪酶的作用，最終得到的產物中辛酸插入率為34.80%；Shimada[30]利用紅花籽油(或亞麻籽油)和辛酸反應，所用的Rhizopusdelema脂肪酶可以重復反應50次左右活性也不會損失，并且通過連續反應，可以將原始油中的sn-1,3位全部交換為辛酸；楊青坪[1]研究了催化混合酸體系(辛酸、癸酸)和癸酸單一體系的最適宜脂肪酶，并對不同體系制備MLCT的工藝條件進行了優化，使得產物中MLCT的質量分數高達60.05%；而李林媛等[31]則考察了超聲條件對大豆油與辛酸反應制備MLM型結構脂的影響，發現短時間超聲對結構脂質的合成有促進作用。酸解法因其所用的酶具有高效專一特異性強，且能改變脂肪酸組成的特點而被廣泛使用，已經成為制備MLCT的主要方法，然而酸解法也存在產生大量副產物的缺點，雖然其中游離脂肪酸可以通過蒸餾除去，但單甘酯和甘二酯等物質則會對成品純度造成不小的影響[28,32]。

4.2.2 酯化法

酯化法是指醇(主要是甘油)與脂肪酸發生脫水反應生成新酯的過程，包括醇解酯化法和直接酯化法兩類。醇解酯化法又稱兩步酶法，是指在酶的作用下甘油和酯發生醇解反應得到單甘酯和甘二酯，之后再與游離脂肪酸發生酯化反應生成新酯的過程，這種方法操作繁瑣且成本較高，因此并不常用，目前僅用于部分純度較高結構脂的合成；直接酯化法則是甘油和脂肪酸直接反應生成酯和水，不需經過其他的步驟。由于該反應過程中生成的水能夠使得酶表面水膜加厚，進而阻礙酶與底物的結合，因此需要及時脫水來保證反應的正常進行[28]，近年來學者對于酯化法生產MLCT的工藝流程研究較少，主要是通過響應面法對現有的提取工藝進行優化[33-35]。雖然直接酯化法反應簡單，容易得到高純度的產品，但其成本偏高，而且不含任何天然抗氧化劑，需要在產品中另外添加以保持其氧化穩定性[26]，因此在實際生產中也鮮有應用。

4.2.3 酯-酯交換法[36]

酯-酯交換法是近年來一種深具潛力的新興方法，其反應機理是兩種或兩種以上的酯分子內部酰基重排或者分子之間酰基互換的過程，通常包含甘三酯和甘三酯以及甘三酯和脂肪酸酯的交換，用于制備MLCT時則常用MCT(如椰子油、棕櫚仁油、辛酸甘三酯)和LCT(大豆油、菜籽油等)來反應，原料易得且成本低。學術界在此方面的研究也卓有成效：Zhao等[37]利用樟樹籽油和山茶油通過酯交換得到了sn-2位是油酸，sn-1,3位是MCFA的結構脂，并發現該結構脂的煙點較高，更適合烹飪；Lee等[38]研究了棕櫚油和棕櫚仁油為原料酯交換生產MLCT的反應過程，并通過響應面法將棕櫚MLCT(palm-based MLCT)產量提高了20%；徐文迪等[39]以椰子油與富含OPO和OPL的油脂為原料，在NS40086脂肪酶的催化下生產MLCT，產品中MLCT質量分數達到了70.44%，陸繼源等[40]利用響應面法優化MCT與大豆油酯交換生產MLCT的工藝，得到最佳條件為大豆油與MCT質量比60∶40，溫度89 ℃，反應時間4.36 h，加酶量(脂肪酶Lipozyme 435)5.5%，此條件下，MLCT質量分數達到84.15%；周盛敏[26]則利用填充床酶法反應器制備MLCT，在最優條件下合成毛油中MLCT質量分數約72%，再經分子蒸餾、脫色、脫臭等工藝純化后，MLCT質量分數為91.5%。

由酶參與的酯-酯交換反應條件溫和，對環境友好，且原料來源廣泛，成本不高，目前在結構脂質的合成以及油脂改性中得到了很好的應用，不過酯-酯交換工藝的桎梏是難以控制目的產物結構的特異性，不利于精確制備已知化學結構的產品，因此對酯-酯交換反應體系仍需完善。

傳統的的化學法經過前人長期的摸索和實踐，已經形成了比較完備成熟的的反應工藝，并且還具有反應所需催化劑價格低廉，反應速率較快等特點，是目前國內外大型油脂企業主要使用的制備方式，但是，化學法生產MLCT具有很強的隨機性，對反應條件的要求也很高，精煉流程繁瑣，殘留的催化劑(如甲醇鈉等)都易對人體健康造成影響。新世紀以來，隨著生物酶科技的興起，以酶法為代表的制備方法具備綠色、高效、專一的特點而異軍突起，有望全面替代化學法，目前國外酶法酯交換的工業化生產已經初具規模，然而國內制備完整體系的建立還處在探索階段，反應規模也僅局限在實驗室的范圍，大規模投入生產應用的實例很少，究其原因主要是發揮關鍵作用的酶制劑主要依賴國外研發和生產，在國內使用的成本很高且易被壟斷；另一方面，反應器的設計也是制約酶促反應的重要因素，不同的反應器對反應成本和產品得率均能造成較大的影響，目前使用較多的有分批式攪拌罐反應器、固定床反應器和膜反應器等，但都沒有達到十分理想的效果，因此實現MLCT的酶法工業化高效生產，還需從成本控制、反應條件的優化以及生產設備的選擇等方面入手，做進一步的研究和探索。

5 MLCT的應用

進入21世紀以來，MLCT作為一種新興健康又富有多種特殊生理功效的食品無論在食品行業還是醫療方面都得到了許多國家的認可，2002年，MLCT率先被日本厚生勞動省批準作為特定保健用食品，此后便陸續得到美國、韓國、加拿大、新西蘭、中國臺灣等多個國家和地區的肯定[3]。我國于2007年經由食品藥品監督管理局批準MLCT為具有減肥作用的保健食品，2012年9月進一步批準MLCT為新資源食品[26]。

第一個商品化的MLCT是日本日清奧利友集團通過酯交換技術開發生產的Resetta，這種產品由椰子油或棕櫚仁油和普通食用油反應得到，用作日常烹調；P&G公司的生產的Caprenin產品，其特點是甘三酯上含有的三條脂肪酸分別是長鏈、中鏈和超長鏈(22C)，具有與可可脂相似的質地、口感和熔融特性，既可用于制作軟點心和糖果表面的巧克力涂層，又適合用于需經高溫煎炸加工的食品[41，42]；美國ABITEC公司根據不同需求開發出的Captex系列產品則適用于藥品，營養保健等各種領域，主要包括了三辛酸/三癸酸甘油酯、辛酸/癸酸三酸甘油酯等產品[43]。除了食品方面，MLCT在醫藥行業的應用主要是能用于臨床營養支持的脂肪乳劑，例如目前正在使用的FE73403結構脂肪乳劑[44]、力文結構脂肪乳注射液以及德國貝朗醫療有限公司生產的力保肪寧中/長鏈脂肪乳劑(Lipofundin MCT/LCT infusion)等，從而為需要靜脈營養的病人提供能源和足夠的必需脂肪酸[45]；此外MLCT還可用于制作丙泊酚中/長鏈脂肪乳，這種產品主要以50%的中鏈甘三酯和50%的長鏈甘三酯作為賦形劑，被作為靜脈麻醉藥來使用[46]。

對于普通消費者來說，MLCT最具潛力的功能就在于它既能控制脂肪貯存實現減肥功效，又能補充必需脂肪酸，實現營養價值，Lee等[47]的研究成果表明，在MLCT產品中MCFA質量分數達到12%時就會產生效果，除此之外，MLCT還可應用于人造奶油、起酥油、黃油、能量棒飲料等食品中實現在工業油脂中的發展。

6 結語和展望

MLCT與普通油脂相比，既能補充人體所需的必需脂肪酸，又能在一定程度上提高人體免疫力，更重要的是可以快速在體內代謝，不堆積脂肪，起到減肥的功效，目前已得到許多國家和地區的認可和青睞，商品化和醫療應用深具潛力，屬于應用度較高的改性油脂；在制備工藝方面，酶法制備MLCT相較化學法具有產物特異性高、安全性好、反應條件溫和、副產物少，對環境友好等優點，但不同的方法各有利弊，在實際生產中的應用還有很大的研究空間。我國對結構脂質的研究起步較晚，制備工藝與國外相比也較為欠缺，需要在科學技術日新月異的今天面對挑戰，積極推動以MLCT為代表的結構脂質的開發、應用及產業化研究。