中长链脂肪酸结构脂质及其制备工艺研究进展

王苑力 李 桐 郭咪咪 魏 征 栾 霞

(国家粮食和物资储备局科学研究院粮油加工研究所1，北京 100037) (广州福汇食品科技有限公司2，广州 510000)

1 结构脂质概述

结构脂质(Structured lipids，SLs)又称设计脂，是一种改性油脂。结构脂的定义分为两种，广义上是以自然界中的天然油脂为原料，经过人工的结构重组或者改性，从而使其具有某些特定功效的油脂，例如较为常见的单甘酯，甘二酯，类可可脂，富含EPA、DHA、α-亚麻酸、γ-亚麻酸等不饱和脂肪酸的油脂，起酥油和人造奶油以及其他塑性脂肪等均属于结构脂[1]；而狭义上专指利用化学方法或者酶法来重组或改变甘油骨架上的脂肪酸位置组成或者种类的甘油三酯[2]。

结构脂质的分类方法目前公认的有两种，首先，构成结构脂的脂肪酸分为多于12个碳原子构成的长链脂肪酸(Long chain fatty acid,LCFA)、中链脂肪酸(Medium chain fatty acid,MCFA,6≤C≤12)和短链脂肪酸(Short chain fatty acid,SCFA,C<6)三种，因而按照甘油三脂上所连三条脂肪酸碳链长度与位置的不同，可将结构脂分为中链-长链-长链型(MLL型)、中链-长链-中链型(MLM型)、中链-中链-中链型(MMM型)等多种结构类型，在此基础上，Casimir Akoh曾将结构脂质分为定向结构脂(SSL，长链脂肪酸位于sn-2位，中链或短链位于sn-1,3位)和随机结构脂(SL，含有长链、中链或者短链脂肪酸)两种[3]；此外，还可根据脂肪酸构型的特点，将结构脂分为对称型结构脂和非对称型结构脂，其中对称型结构脂又分为单酸型对称结构脂(sn-1,2,3位同类脂肪酸)和二酸型对称结构脂(sn-1,3位同类脂肪酸，主要为MLM型和SLS型)[4，5]。结构脂的不同实质上是组成脂肪酸的不同，这也导致了结构脂拥有异于天然油脂的性质，尤其是在熔点、黏度、固脂含量、氧化稳定性、结晶构型和界面配向性以及营养功效等方面均与后者有着明显差异[6，7]，对结构脂质在各个领域尤其是在食品行业中的开发利用进行研究，既能满足人们对色泽、口感、风味及加工适性要求，还能发挥其独特的营养效果，对提高社会效益，改善人民健康水平，增进人民生活质量等方面具有积极的意义。

2 中长链脂肪酸结构脂的发展历程

2.1 LCT与MCT

食用油的组成成分主要是甘油三酯(占95%)，此外还含有甾醇、磷脂、色素、维生素E等物质(约占5%)。构成食用油甘三酯的脂肪酸大多数都是LCFT，因此我们在日常生活中以摄入长链脂肪酸甘三酯(Long-chain Triglyceride，LCT)为主，几乎很少摄入MCFA。虽然LCT中含有人体必需脂肪酸，但缺点是在代谢缓慢，不易被吸收，而且容易引起脂肪堆积，造成肥胖；中碳链脂肪酸甘三酯(Medium-chain Triglyceride，MCT)无论是从消化速度、代谢速度来看都要优于LCT，具备快速供能的特点，也不会堆积脂肪，然而，MCT不含必需脂肪酸，而且相关研究也证实过量服用MCT会造成体内酮体蓄积，引起酮症及高酯血症，甚至中毒。因此设法将两种甘三酯的优点综合起来，削弱其缺点的研究思路开始为人所重视[8，9]。

2.2 中长链甘三酯的发展

最初人们对LCT与MCT进行简单地物理混合，这样的产品含有两种脂类，从一定程度上弥补了单一甘三酯在功能方面的不足，然而这两种脂类在吸收和代谢上仍然保持各自原来的性质，这使得LCT的消化吸收速率并没有得到改善[10]；近年来随着结构脂质研究的兴起与制备工艺的完善，将MCT与LCT有机结合在一起形成的中长链结构脂的研究风生水起。中长链结构酯(Medium-and long-chain triacylglycerols，MLCT)是指利用生物方法或者化学方法将MCT和LCT分子进行随机重排，从而得到甘油骨架上同时含有中链脂肪酸和长链脂肪酸的新型结构甘三酯混合物[11]，按照链长的不同可以分为单长链甘三酯(图1a和图1b)和双长链甘三酯(图1c和图1d)两种[12]。

图1 不同类型的MLCT

3 MLCT的功效

由于构成脂肪酸的碳链长度不同，LCT与MCT在人体中的代谢路径有着很大的区别(图2)：LCT在进入人体后，首先在相关酶的作用下，1,3位酯键被分解，得到2-单甘酯和长链游离脂肪酸，并溶于胆汁酸形成胆汁酸微团，接着在小肠表皮细胞中又重新酯化形成甘三酯，最后以乳糜微粒的形式经淋巴系统到达肝脏及外周组织中贮存，在需要时产生能量，此外在进入肝脏时还需肉毒碱的转运；而MCT被摄入后则在多种酶的作用下实现三位酯键的全部分解，并通过门静脉直接进入肝脏，不需经过其他器官和组织，也不需载体转运。研究证实MLCT与MCT具有类似的代谢途径和产热机制[13]，因此MLCT兼具补充必需脂肪酸、快速供能和不造成脂肪堆积的特点，这一结论在许多中外学者的研究中也予以证实：Kishi等[14]用亚油酸和中链脂肪酸制成的MLCT喂养小鼠后收集胸导管淋巴液，结果发现MLCT能够明显改变小鼠血清中脂质清除的速率；Rubin等[15]针对患有克罗恩氏病或短肠综合征的病人展开实验，证实了MLCT能够安全有效地为需要肠外营养的病人提供能量，并能够减缓患者因摄入LCT而造成的肝功能异常；Matsuo等[16]用分别含有LCT和MLCT的膳食补充剂对18至20岁的健康男性开展临床实验，结果发现在12周时间内MLCT组的体脂变化率显著低于LCT组,但总能量摄入没有变化，证实了MLCT的减肥作用；而莫玉稳等[17]也用自制的MLCT进行了餐后血脂实验和小鼠成长实验，结果显示MLCT组的小鼠血清甘三酯含量显著低于大豆油组，并且发MLCT可以抑制小鼠体重的增长且不会对器官造成明显影响；尹晓晨等[18]则是对MLCT进行了急性毒性、遗传毒性及亚慢性毒性实验研究，结果证实了MLCT未见有明显的相关毒性。

图2 长、中、短链甘三酯的体内代谢途径

MLCT还益于人体的免疫系统，利于氮平衡，具有防治疾病的功效[19]。Thormar等[20]发现中链饱和脂肪酸及其单甘酯可以作用于病毒包膜并使其裂解，具有较高的抗病毒性；Batovska等[21]探究了中链脂肪酸和单甘酯对某些革兰氏阳性菌的抗菌效果，结果发现两者均有良好的抗菌作用，并且含有MCFA的单甘酯活性尤为明显；Takeuchi[22]通过双盲实验探究MLCT抑制动物和人类体内脂肪蓄积的作用，最终证实MLCT引起的能量消耗增加是抑制体内脂肪积累的一种机制，进一步表明其可以有效抑制肥胖，从而预防与生活方式有关的疾病。

4 MLCT的制备工艺

4.1 化学法

MLCT的制备方法主要分为物理法、化学法和酶法三种。其中物理法就是指简单将LCT与MCT混合搅拌在一起，这样的混合物从实质上来说甘三酯中甘油骨架上的脂肪酸组成并没有变化，因此严格来讲并不属于结构脂质；而化学法则是以含MCTA和LCTA的油脂为原料，在碱金属或金属烷盐等化学催化剂的作用下进行反应的过程。化学法制备MLCT主要分为酯化和随机酯交换两类，常用的催化剂包括碱金属、固体酸、固体碱、强酸和强碱等[23]，关键步骤在于含目标脂肪酸油脂的水解以及脂肪酸与甘油分子重新酯化[1,24]。化学法具有所需成本低，易于操作，适合工业化生产的优点，已被一些商业化的结构脂生产企业所采用[25]，但是，这种反应下脂肪酸的组成有很强的随机性，很难按照人们的实际需要将特定的脂肪酸结合至特定的位点上，得到期望的产品；反应通常需要高温无水的条件，过程剧烈且副产物多，在反应结束后还需要除去可能具有毒性的化学催化剂，分离纯化流程非常繁琐[26]；此外参与反应的脂肪酸也容易被氧化[27]，这些不足都限制了化学法在实际制备过程中的应用。

4.2 酶法

4.2.1 酸解法

酸解法是指在酶的催化作用下酯与脂肪酸发生反应，生成新酯和新脂肪酸的过程，其反应机理是：首先甘三酯在酶作用下被水解成偏酯(反应中间过渡体)和脂肪酸，之后偏酯中的酰基与目标脂肪酸的酰基发生互换，使得脂肪酸结合在酯上而重新酯化形成新型酯[28]。实际生产中，用于酸解的酯通常是具有较高营养价值、含有人体必需脂肪酸的天然油脂，而酸通常则使用辛酸、癸酸和月桂酸。

酸解反应过程中，对目标产物影响最大的因素主要有酶的种类和用量、底物配比、含水量、反应温度和时间等，目前针对此项技术的研究主要是通过优化反应条件来建立成熟的反应体系：Nunes等[29]以橄榄油和辛酸、癸酸为原料，通过Rhizopus oryzae脂肪酶的作用，最终得到的产物中辛酸插入率为34.80%；Shimada[30]利用红花籽油(或亚麻籽油)和辛酸反应，所用的Rhizopusdelema脂肪酶可以重复反应50次左右活性也不会损失，并且通过连续反应，可以将原始油中的sn-1,3位全部交换为辛酸；杨青坪[1]研究了催化混合酸体系(辛酸、癸酸)和癸酸单一体系的最适宜脂肪酶，并对不同体系制备MLCT的工艺条件进行了优化，使得产物中MLCT的质量分数高达60.05%；而李林媛等[31]则考察了超声条件对大豆油与辛酸反应制备MLM型结构脂的影响，发现短时间超声对结构脂质的合成有促进作用。酸解法因其所用的酶具有高效专一特异性强，且能改变脂肪酸组成的特点而被广泛使用，已经成为制备MLCT的主要方法，然而酸解法也存在产生大量副产物的缺点，虽然其中游离脂肪酸可以通过蒸馏除去，但单甘酯和甘二酯等物质则会对成品纯度造成不小的影响[28,32]。

4.2.2 酯化法

酯化法是指醇(主要是甘油)与脂肪酸发生脱水反应生成新酯的过程，包括醇解酯化法和直接酯化法两类。醇解酯化法又称两步酶法，是指在酶的作用下甘油和酯发生醇解反应得到单甘酯和甘二酯，之后再与游离脂肪酸发生酯化反应生成新酯的过程，这种方法操作繁琐且成本较高，因此并不常用，目前仅用于部分纯度较高结构脂的合成；直接酯化法则是甘油和脂肪酸直接反应生成酯和水，不需经过其他的步骤。由于该反应过程中生成的水能够使得酶表面水膜加厚，进而阻碍酶与底物的结合，因此需要及时脱水来保证反应的正常进行[28]，近年来学者对于酯化法生产MLCT的工艺流程研究较少，主要是通过响应面法对现有的提取工艺进行优化[33-35]。虽然直接酯化法反应简单，容易得到高纯度的产品，但其成本偏高，而且不含任何天然抗氧化剂，需要在产品中另外添加以保持其氧化稳定性[26]，因此在实际生产中也鲜有应用。

4.2.3 酯-酯交换法[36]

酯-酯交换法是近年来一种深具潜力的新兴方法，其反应机理是两种或两种以上的酯分子内部酰基重排或者分子之间酰基互换的过程，通常包含甘三酯和甘三酯以及甘三酯和脂肪酸酯的交换，用于制备MLCT时则常用MCT(如椰子油、棕榈仁油、辛酸甘三酯)和LCT(大豆油、菜籽油等)来反应，原料易得且成本低。学术界在此方面的研究也卓有成效：Zhao等[37]利用樟树籽油和山茶油通过酯交换得到了sn-2位是油酸，sn-1,3位是MCFA的结构脂，并发现该结构脂的烟点较高，更适合烹饪；Lee等[38]研究了棕榈油和棕榈仁油为原料酯交换生产MLCT的反应过程，并通过响应面法将棕榈MLCT(palm-based MLCT)产量提高了20%；徐文迪等[39]以椰子油与富含OPO和OPL的油脂为原料，在NS40086脂肪酶的催化下生产MLCT，产品中MLCT质量分数达到了70.44%，陆继源等[40]利用响应面法优化MCT与大豆油酯交换生产MLCT的工艺，得到最佳条件为大豆油与MCT质量比60∶40，温度89 ℃，反应时间4.36 h，加酶量(脂肪酶Lipozyme 435)5.5%，此条件下，MLCT质量分数达到84.15%；周盛敏[26]则利用填充床酶法反应器制备MLCT，在最优条件下合成毛油中MLCT质量分数约72%，再经分子蒸馏、脱色、脱臭等工艺纯化后，MLCT质量分数为91.5%。

由酶参与的酯-酯交换反应条件温和，对环境友好，且原料来源广泛，成本不高，目前在结构脂质的合成以及油脂改性中得到了很好的应用，不过酯-酯交换工艺的桎梏是难以控制目的产物结构的特异性，不利于精确制备已知化学结构的产品，因此对酯-酯交换反应体系仍需完善。

传统的的化学法经过前人长期的摸索和实践，已经形成了比较完备成熟的的反应工艺，并且还具有反应所需催化剂价格低廉，反应速率较快等特点，是目前国内外大型油脂企业主要使用的制备方式，但是，化学法生产MLCT具有很强的随机性，对反应条件的要求也很高，精炼流程繁琐，残留的催化剂(如甲醇钠等)都易对人体健康造成影响。新世纪以来，随着生物酶科技的兴起，以酶法为代表的制备方法具备绿色、高效、专一的特点而异军突起，有望全面替代化学法，目前国外酶法酯交换的工业化生产已经初具规模，然而国内制备完整体系的建立还处在探索阶段，反应规模也仅局限在实验室的范围，大规模投入生产应用的实例很少，究其原因主要是发挥关键作用的酶制剂主要依赖国外研发和生产，在国内使用的成本很高且易被垄断；另一方面，反应器的设计也是制约酶促反应的重要因素，不同的反应器对反应成本和产品得率均能造成较大的影响，目前使用较多的有分批式搅拌罐反应器、固定床反应器和膜反应器等，但都没有达到十分理想的效果，因此实现MLCT的酶法工业化高效生产，还需从成本控制、反应条件的优化以及生产设备的选择等方面入手，做进一步的研究和探索。

5 MLCT的应用

进入21世纪以来，MLCT作为一种新兴健康又富有多种特殊生理功效的食品无论在食品行业还是医疗方面都得到了许多国家的认可，2002年，MLCT率先被日本厚生劳动省批准作为特定保健用食品，此后便陆续得到美国、韩国、加拿大、新西兰、中国台湾等多个国家和地区的肯定[3]。我国于2007年经由食品药品监督管理局批准MLCT为具有减肥作用的保健食品，2012年9月进一步批准MLCT为新资源食品[26]。

第一个商品化的MLCT是日本日清奥利友集团通过酯交换技术开发生产的Resetta，这种产品由椰子油或棕榈仁油和普通食用油反应得到，用作日常烹调；P&G公司的生产的Caprenin产品，其特点是甘三酯上含有的三条脂肪酸分别是长链、中链和超长链(22C)，具有与可可脂相似的质地、口感和熔融特性，既可用于制作软点心和糖果表面的巧克力涂层，又适合用于需经高温煎炸加工的食品[41，42]；美国ABITEC公司根据不同需求开发出的Captex系列产品则适用于药品，营养保健等各种领域，主要包括了三辛酸/三癸酸甘油酯、辛酸/癸酸三酸甘油酯等产品[43]。除了食品方面，MLCT在医药行业的应用主要是能用于临床营养支持的脂肪乳剂，例如目前正在使用的FE73403结构脂肪乳剂[44]、力文结构脂肪乳注射液以及德国贝朗医疗有限公司生产的力保肪宁中/长链脂肪乳剂(Lipofundin MCT/LCT infusion)等，从而为需要静脉营养的病人提供能源和足够的必需脂肪酸[45]；此外MLCT还可用于制作丙泊酚中/长链脂肪乳，这种产品主要以50%的中链甘三酯和50%的长链甘三酯作为赋形剂，被作为静脉麻醉药来使用[46]。

对于普通消费者来说，MLCT最具潜力的功能就在于它既能控制脂肪贮存实现减肥功效，又能补充必需脂肪酸，实现营养价值，Lee等[47]的研究成果表明，在MLCT产品中MCFA质量分数达到12%时就会产生效果，除此之外，MLCT还可应用于人造奶油、起酥油、黄油、能量棒饮料等食品中实现在工业油脂中的发展。

6 结语和展望

MLCT与普通油脂相比，既能补充人体所需的必需脂肪酸，又能在一定程度上提高人体免疫力，更重要的是可以快速在体内代谢，不堆积脂肪，起到减肥的功效，目前已得到许多国家和地区的认可和青睐，商品化和医疗应用深具潜力，属于应用度较高的改性油脂；在制备工艺方面，酶法制备MLCT相较化学法具有产物特异性高、安全性好、反应条件温和、副产物少，对环境友好等优点，但不同的方法各有利弊，在实际生产中的应用还有很大的研究空间。我国对结构脂质的研究起步较晚，制备工艺与国外相比也较为欠缺，需要在科学技术日新月异的今天面对挑战，积极推动以MLCT为代表的结构脂质的开发、应用及产业化研究。