中短鏈脂肪酸結構脂的合成工藝

張亭妍，王宏雁，劉鐘棟

河南工業大學（鄭州 450000）

脂肪是為人體提供能量的主要來源之一。調查顯示，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味，減少食品中脂肪的含量可能會影響口感，于是，研發比天然油脂熱量低且不會危害人健康的產品受到了社會越來越廣泛的關注。中鏈脂肪酸（MCFA）是由8～12個碳原子數的脂肪酸組成，短鏈脂肪酸（SCFA）是由碳原子數小于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構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行酯交換制備產品（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條件進行優化，從而制備一種新型低熱量油脂。如今，國內外對長短鏈脂肪酸甘油酯合成工藝相關報道較多，而鮮有關于中短鏈脂肪酸結構脂合成工藝方法相關報道。

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構脂。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種中短鏈脂肪酸結構脂，從而確定合成中短鏈脂肪酸結構脂的最佳工藝。

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）生物技術有限公司）。

1.2 儀器與設備

GC-2010氣相色譜儀（日本島津（中國）有限公司）；ZNHW調溫智能數顯控溫電熱套（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（上海久然儀器設備有限公司）；HH-2數顯型恒溫水浴鍋（河北晟興儀器設備有限公司）；Pope分子蒸餾儀（美國Pope科學公司）。

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，反應一定時間后回收產物。

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

1.3.2 酶法酯交換制備中短鏈脂肪酸結構脂

取一定質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振蕩水浴加熱反應一段時間，反應結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%）；進樣量1 μL；進樣口溫度350 ℃；柱溫200 ℃，保持時間1 min，以15 ℃/min速度持續加熱升溫直至350 ℃，保持10 min。用面積歸一化法計算物質的含量。

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，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%）；進樣量1 μL；進樣口溫度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 結果討論

2.1 中鏈脂肪酸甘油三酯的合成

2.1.1 反應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的量之比6∶1混合，反應溫度為160 ℃，反應時間分別為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趨勢基本一致，隨著反應時間的增加，3種產物含量都在不斷上升，當反應為6 h時，產物含量不斷上升。當反應時間到達6 h時，3種產物含量都達到最高值。當反應時間超過6 h，產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時間都為6 h。

圖1 反應時間對3種中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

2.1.2 底物物質的量之比對中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

該反應理論物質的量之比為3∶1，但該物質的量之比反應耗時過長，因此增加底物物質的量之比，可減少反應時間[4]。當辛酸、癸酸及月桂酸與甘油反應時間為6 h，反應溫度為160 ℃，分別稱取不同物質的量之比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趨勢基本一致，當底物物質的量之比小于1∶6時，產物含量持續增加，這是因為適當提高底物物質的量之比能加速產物含量的生成。當底物物質的量之比為1∶6時，3種產物的含量都達到最高值。當底物物質的量之比為大于1∶6時，產物含量緩慢降低，這是因為過量的底物降低了產物的含量[11]。所以，3種中鏈脂肪酸甘油三酯最適物質的量之比都為1∶6。

圖2 底物物質的量之比對3種中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

2.1.3 反應溫度對中鏈脂肪酸甘油三酯含量的影響

在底物物質的量之比1∶6，反應時間6 h，反應溫度分別為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物的含量都隨著溫度升高而增加并緩慢平緩的趨勢，當反應溫度為130～160 ℃時，3種產物含量不斷增加，當反應溫度到達160 ℃時3種產物含量都達到最高，繼續提高溫度產物含量基本穩定，溫度過高會使產物的顏色加深，同時也會增加反應成本[12-13]。因此，3種中鏈脂肪酸甘油三酯選取最適反應溫度為160 ℃。

圖3 反應溫度對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到90%以上，回收率也都達到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果

2.2 中短鏈脂肪酸結構脂的合成

2.2.1 溫度對酶法酯交換反應的影響

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 ℃溫度下反應時間6 h，結果見圖4。結果顯示，3種中短鏈脂肪酸結構脂合成產率趨勢基本一致，當溫度為50～60 ℃時，產物含量明顯增大，當溫度超過60 ℃，酶的活性降低或者失活，使含量呈現緩慢減小的趨勢。因此合成3種中短鏈脂肪酸結構脂反應溫度選擇60 ℃為最佳。

2.2.2 反應時間對酶法酯交換反應的影響

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的底物物質的量之比混合，加入4%固定化脂肪酶，60 ℃分別反應4，5，6，7和8 h，結果見圖5。結果顯示，3種中短鏈脂肪酸結構脂反應趨勢基本一致，反應4～6 h產物產率不斷升高，當反應6 h時產物含量達到最高，當反應超過6 h時，產物含量緩慢下降，這是因為中鏈脂肪酸甘油三酯含量隨反應進行不斷消耗，在6 h時中鏈脂肪酸甘油三酯含量基本反應完全，因此合成3種中短鏈脂肪酸結構脂選擇6 h為最佳反應時間。

圖4 反應溫度對3種中短鏈脂肪酸結構脂合成含量的影響

圖5 反應時間對3種中短鏈脂肪酸結構脂合成含量的影響

2.2.3 底物物質的量之比對酶法酯交換反應的影響

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，設定反應溫度60 ℃，反應時間6 h，結果見圖6，整個反應過程中產物含量呈現先增加而后減少的趨勢，這是因為三丁酸甘油酯濃度增加，反應產物含量不斷增加，當底物物質的量之比至1∶3時，產物含量達到最高。繼續增加底物物質的量之比，反應中剩余的三丁酸甘油酯越多，產物的含量就越低，同時過量的三丁酸甘油酯不利于產物的分離，也增加生產成本[15]，故3種中短鏈脂肪酸結構脂都選擇1∶3為最適底物物質的量之比。

圖6 反應物質的量之比對3種中短鏈脂肪酸結構脂合成含量的影響

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的底物物質的量之比混合，在溫度60 ℃反應時間6 h條件下，添加不同量的脂肪酶，結果見圖7。結果顯示，3種中短鏈脂肪酸結構脂產物的含量都呈逐漸增加并緩慢平緩的趨勢，當脂肪酶用量為4%時，產物含量達到最高。當脂肪酶用量大于4%時，產物含量基本保持穩定，說明此時反應物中三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯基本反應完全。因此，3種中短鏈脂肪酸結構脂都選擇4%為最適添加量。

圖7 脂肪酶添加量對3種中短鏈脂肪酸結構脂合成的影響

2.2.5 正交試驗

影響一個反應因素比較多，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果影響較大的4個因素進行四因素三水平正交試驗考察底物物質的量之比、反應時間、溫度、脂肪酶用量等4個因素對酶法酯交換反應產物含量的影響，以確定3種中短鏈脂肪酸結構脂酶法酯交換的最佳反應條件。因素水平見表2，正交試驗結果見表3。

表2 正交試驗因素水平

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

表3 酶法酯交換正交試驗結果

接表3

2.2.6 中短鏈脂肪酸結構脂脂肪酸組成

3種中短鏈脂肪酸結構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種中短鏈脂肪酸結構脂氣相色譜分析脂肪酸組成及含量

從表4可見，辛酸-丁酸結構脂主要由丁酸（41.75%）和辛酸（58.25%）組成。癸酸-丁酸結構脂主要由丁酸（40.25%）和癸酸（59.75%）組成。月桂酸-丁酸結構脂主要由丁酸（38.46%）和月桂酸（61.54%）組成。在辛酸-丁酸結構脂、癸酸-丁酸結構脂和月桂酸-丁酸結構脂的結構中，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構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 結論

采用兩步合成方法合成中短鏈脂肪酸結構脂，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種中短鏈脂肪酸結構脂。3種中鏈脂肪酸甘油酯的最佳條件為：反應溫度160 ℃、反應時間6 h、底物物質的量之比6∶1；分離純化后3種中鏈脂肪酸甘油酯含量大于90%；3種中短鏈脂肪酸結構脂的最佳條件為：脂肪酶用量5%、反應溫度60 ℃、反應時間6 h、底物物質的量之比1∶3，得到的3種中短鏈脂肪酸結構脂產物含量均大于60%。工藝研究具有產率高、成本低和時間短等特點，為這類新型低熱量油脂的工業化生產奠定基礎。