甘油二酯的合成、代謝及應用研究進展

萬思迪，朱恩恒，向 霞，黃遵錫,2,3

(云南師范大學生命科學學院1，昆明 650500) (云南能源持續開發利用教育部工程中心2，昆明 650500) (云南省生物質能與環境生物技術重點實驗室3，昆明 650500)

油脂是人體不可缺少的營養素，但攝入過多，會加劇肥胖人群的產生。甘油二酯(DAG)是一種由兩個高級脂肪酸連接在甘油骨架上的油脂，比甘油三酯(TAG)少一個酯鍵連接的高級脂肪酸，根據脂肪酸酰基與甘油骨架上羥基連接位置不同DAG分為3種異構體[3]，其分子結構式如圖1所示。臨床研究顯示，當DAG質量分數大于27.3%，每天攝入2.5 g DAG時，可以促進餐后脂肪代謝，抑制脂肪積累[1]。 國家衛生健康委員會發布的文件中要求DAG油中其質量分數達到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、生產成本高、價格昂貴等的原因，DAG產品并未被多數人食用。

圖1 DAG 3種異構體化學結構式

由于生產DAG需要多學科集成技術，主要生產商一般都將DAG制備技術作為商業秘密。1999年，分別來自日本和美國的兩家公司開展戰略合作，銷售DAG油[4]。2004年，中國植物油料加工和油脂加工技術研究發展規劃意見提出將DAG作為重點研發對象[5]。王寶維等[6]研究利用鵝、鴨油高效固定化酶解制備DAG的工藝技術體系，開發出具有降脂、消炎、補鈣等功能的鵝鴨油源DAG產品，DAG提純率達到92.57%。目前，我國已上市的DAG食用油中含80%DAG和20%TAG。DAG除了在食品工業出露頭角，在醫藥、化妝品和化工行業也有重要應用，因此未來DAG將會成為各工業領域關注的重點。它作為一種新的具有開發性的原料，本文對DAG的代謝、合成、檢測、應用現狀及食用安全性進行綜述。

1 甘油二酯在人體內的代謝

油脂的代謝主要發生在小腸中，TAG和DAG利用相同的酶來完成代謝，但兩者結構的差異導致最終的代謝產物不同。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，之后和膽鹽結合形成膠束被小腸上皮細胞重新吸收利用合成少量的TAG，由于該過程主要經過甘油3-磷酸途徑且酰基輔酶A對1-MAG底物特異性差，合成的大量TAG只能儲藏在小腸上皮細胞的細胞質中[8](圖2)。

2 甘油二酯的合成

目前，國內外制備DAG的常見方法有化學法、生物酶法等，都不同程度存在污染環境、能耗過多、成本過高等問題。與化學法制備DAG相比，生物酶法制備在產率、純度、反應時間和安全性等方面結果更好[9]。然而要將酶法應用到DAG工業化生產中，需要進一步研究和改進，如利用固定化脂肪酶催化成本過高、反應條件、反應器的設計、反應后如何獲得高純度的DAG等[10]。

圖2 TAG和DAG在人體內的代謝

2.1 化學法制備甘油二酯

化學法制備DAG是以化學甘油解為主，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，但不適合生產富含DAG的熱敏性脂肪酸，低溫化學甘油解克服了這個缺點[11]，表1列出了在高溫、低溫下利用化學法制備DAG的方法。

表1 化學法制備甘油二酯

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)。徐揚等[18]利用偏甘油酯脂肪酶G50催化甘油和脂肪酸酯化反應制得44.74%的DAG且產物中沒有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，經過一系列工藝優化后制得37.3%的DAG。然而由于脂肪酸與甘油混溶性差導致脂肪酶表面會覆蓋甘油而不能完全與底物結合，所以為了提高反應速率可以在反應體系內加入溶劑，CO2-丙酮體系能提高甘油和棕櫚酸的酶促酯化反應，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關鍵是除去酯化反應產生多余的水，真空驅動-氣泡模式反應器被證實能達到除水的效果，Liu等[21]在氣泡柱反應器中用脂肪酶Lipozyme 435催化甘油與脂肪酸酯化，在無溶劑系統中快速生產得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是工業上應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生DAG(圖4)，且反應過程溫和、副產物少、不會產生縮水甘油酯。Diao等[22]利用脂肪酶Novozym 435催化豬油與甘油，在45 ℃下反應8 h制得質量分數為61.76%的DAG。在生產中，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能加快其反應速率。利用SBA-15固定的黑根霉脂肪酶催化大豆油和甘油后，產生的DAG質量分數從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，得到質量分數達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，不適用于工業生產。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，在探究反應條件后制得質量分數55.5%的DAG。李磊等[28]在旋轉蒸發儀中用脂肪酶Lipozyme RM IM催化米糠油和油酸甘油單酯的酯交換反應得到質量分數為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，在無溶劑體系中發生酯交換反應制備得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與脂肪酸甲酯發生酯交換，最終得到質量分數高于70%的甘油二酯DAG產物。

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文獻報道并不多，其主要涉及2個反應即脂肪或油的部分水解產物或FFA濃縮的部分水解產物，然后在特異性脂肪酶的存在下用甘油酯化部分水解產物中的FFA。該方法過程比較簡單，主要通過控制其反應條件生產高含量的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DAG；吳克剛等[32]以花生油為原料，通過正交實驗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量分數為57.84%DAG。或選擇高催化效率的酶，研究表明在以大豆油為原料時，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倍的產物。

表2列出了酶法制備DAG所需脂肪酶、底物、溶劑、反應條件以及DAG生成量。

3 甘油二酯的檢測方法

3.1 核磁共振

核磁共振(NMR) 是一種化學分析和醫學檢測技術，在化學、材料學、分子生物學領域被廣泛應用。NMR觀測原子的方法是將樣品置于外加強大的磁場下，大多數核自旋會處于低能態，通過額外施加電磁場來干涉低能態的核自旋轉向高能態，再回到平衡態便會釋放出射頻即NMR訊號。Dayrit等[35]使用31P NMR光譜分析出椰子油中的MAG、DAG的含量，可用于區分初榨椰子油和精制椰子油；龍娟等[36]通過1H NMR監控山茶油甘油解反應過程，建立了MAG、DAG、TAG的特征指標與含量的關系。

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分子含氫基團的特征信息[37]。近紅外光譜測量方便、快速、高效、準確，因此該技術受到越來越多人的青睞。明朗等[38]使用近紅外光譜法檢測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定出鮭魚油中的脂肪酸和脂質類如TAG、DAG、FFA 和鮭魚油中的麥角甾醇等物質。

3.3 薄層色譜

薄層色譜因其成本低、簡單、開發時間短、靈敏度高和重現性好等特點，在許多分離混合化合物的實驗中是最簡單、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) 的混合物作為流動相,檢測了食品乳化劑中的MAG、DAG、TAG和 FFA。

3.4 液相色譜-質譜聯用

液相色譜-質譜聯用(HPLC-MS)是以液相色譜作為分離系統，質譜為檢測系統。HPLC-MS的基本優勢包括潛在的高分析特異性、對小分子和大分子的廣泛適用性、檢測速度快、檢測靈敏度高以及檢測分辨率高等特點，在藥物分析、食品分析和環境分析等許多領域也得到了廣泛的應用，也應用于DAG的檢測。胡謙等[42]利用高效液相色譜-高分辨質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到43種TAG和12種DAG，橄欖油中檢測到34種TAG和10種DAG；Holcapek等[43]測定了16 種植物油樣品中TAG和DAG的組成。

3.5 氣相色譜-質譜聯用

氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)是以氣相色譜進行物質檢測，是以惰性氣體作為流動相，采用色譜法對被測物質進行檢測和分析的具體方法。當檢測樣品在300 ℃左右時可以使用GC-MS進行分析，因為GC-MS使用EI源得到的質譜信息多，同時毛細管柱的分離效果好[44]。劉放等[45]通過GC-MS檢測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物，MAG、DAG、TAG、FFA的含量。

4 甘油二酯的應用

4.1 在醫學方面的應用

肥胖嚴重威脅人類的健康，與Ⅱ型糖尿病、飲食習慣、生活方式等有關，通過改變飲食習慣能有效控制其發展。研究表明膳食DAG油可促進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，還能調節心血管疾病風險因素、降低患糖尿病的風險[47]。DAG與蛋白激酶C組成的信號通路在非典型溶血尿毒綜合征中也發揮著重要的作用[48]。由于黏膜上皮細胞通過磷脂酸途徑吸收膳食DAG，DAG也被制成腸道營養吸收劑，為吸收功能不全的人群和術后患者提供人體必需的多種脂肪酸[49]。

4.2 在食品方面的應用

由于DAG具有提高油脂的可塑性、乳化性、穩定性的功能，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調成體積分數10%以上的乳化液用于面包等烘烤產品的制作，可獲得柔軟度好、風味佳、容易脫模的產品，DAG組成的起酥油不僅改善食用品質而且提高加工成品的穩定性[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用，可以提供更高的風味和稠度豐富的泡沫，即便在較低的固體劑量時也能品味醇厚的口感[52]。此外，DAG在乳液中也有重要應用，DAG添加對奶粉的分散性和沖調性有顯著性影響，不僅可以提高其穩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構特性[53]。

4.3 在化工行業的應用

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、重構脂質等多種化合物的合成，而且可以作為保濕劑、穩定劑添加到化妝品中，對皮膚有很好的保濕功效。Zhou等[54]認為當洗滌劑膠束成分中混有DAG時，去污能力會增強。Pompei等[55]開發的混有DAG和皮革碎片的熱塑性淀粉材料，能為復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生成氯丙醇酯，二者能在特定的條件下可相互轉化，被列為致癌性物質[56]。在200 ℃以上高溫過程中，植物油會產生更多的氯丙醇酯和縮水甘油酯，并伴隨氯丙醇酯產生，因此縮水甘油酯也被列為對人類具有致癌性的物質[57]。但有研究表明，優化生產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生[58]。DAG作為一種天然、健康的成分，經過多項動物學實驗均未觀察到急性或慢性毒性，雖然現在暫未發現DAG的毒性反應，但在其生產過程中伴隨生成的縮水甘油酯和氯丙醇酯，仍需要更系統、深入的研究和評價來證明其食用安全性[59]。

6 展望

DAG在各種工業行業有著舉足輕重的應用價值，未來仍需加強研究DAG的功能特性，如：1)實驗階段研究表明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、價格昂貴、催化活性較低，限制了DAG的生產，開發制備經濟、高效的酶制劑勢在必行；3)工業制備的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、定量地檢測中間產物的組成和比例是進行DAG工業化技術研究的關鍵；4)伴隨DAG食用油中產生的安全性問題，特別是氯丙醇酯和縮水甘油酯問題仍需要深入研究。