【《结构脂质研究现状国内外文献综述》6700字】

PAGE10结构脂质研究现状国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u22851结构脂质研究现状国内外文献综述 126851.1结构脂质的定义及研究进展 195651.2结构脂质的分类及其应用 242911.3结构脂质的常见合成方法 6881参考文献 91.1结构脂质的定义及研究进展结构脂质是在天然甘油酯结构上，以特定的催化反应手段进行修饰合成，改变甘油骨架上的脂肪酸种类或排列顺序，从而得到的具有特定结构的甘油酯。而根据脂肪酸的结构区别，这些人工脂质通常具有某些特定的功能或作用。日常食用脂质由多种不同成分组成，其中甘油三酯（Triacylglycerols）占93%～95%。甘油三酯由甘油和脂肪酸酯化而成。就甘油的具体结构而言，可以得出三根骨架的形式，这些骨架分别可以与三个脂肪酸相连接。在其空间排列的命名法中，这三个位点可分别命名为Sn-1、Sn-2、Sn-3。以酰基数量为分类依据时，结构脂质可分为单酰基甘油、二酰基甘油和三酰基甘油。另一种较为常用的分类方法是根据脂肪酸碳链长度分类。脂肪酸根据碳链长度的不同进行区分，当碳原子数小于6时，称为短链脂肪酸，中链脂肪酸的碳骨架包括的碳原子数是8-12个，含有14个或以上碳原子的脂肪酸则称为长链脂肪酸。在代谢途径方面，中碳链脂肪酸甘油酯（MCT），与长碳链脂肪酸甘油酯（LCT）存在决定性的不同。中碳链脂肪酸甘油酯具有代谢快，能够迅速及时提供所需能量的优势[1]，但在中碳链脂肪酸甘油酯中不含有必需脂肪酸，且一旦代谢速度加快，则必然会导致酮体浓度升高，这种变化对于糖尿病人而言是十分危险的；与之相反，长碳链脂肪酸甘油酯虽然有着作为人类生存所必须的多种不饱和脂肪酸，但难以忽略的缺点是其代谢缓慢，导致人体很难正常吸收所需脂肪酸。因此，结构脂质迎合两方面需求而诞生，它结合了中、长碳链脂肪酸的优点，且在较大程度上规避了缺点，既含有人体必需的脂肪酸，且与长链脂肪酸甘油酯相比更易于吸收，很快成为了理想的甘油三酯替代品。除此之外，研究者进行了更深层次的研究，包括加入EPA、DPA、DHA等对人体有利的多不饱和脂肪酸及一些特殊功能的物质如阿魏酸、抗坏血酸等，将结构脂质的作用进一步进行了扩大和深化。1.2结构脂质的分类及其应用目前已有相当一部分的结构脂质投入使用。比较常见的结构脂质包括中碳链甘油三酯（MCT）、中长链三酰基甘油(MLCTs)、人乳脂肪替代品(HMFSs)、可可脂替代品(CBEs)、无反式或低反式脂肪酸软化脂、低热量脂肪/油、富含健康脂肪酸的功能性油脂、单酰甘油(MAGs)/二酰甘油(DAGs)等。以下将具体论述不同常见结构脂质的构成及作用。1.2.1中碳链甘油三酯（MCT）即以C6-C10的中碳链脂肪酸为主合成的甘油三酯。与传统油脂相比，MCT的燃烧热只有其40%-90%，是一种较为理想的低热量替代品，这种结构脂质不易于沉积在皮下组织和肠道，因此不失为一种较为有效的、用于控制能量摄入以及储备的手段，以达到减肥、降血脂从而缓解心血管疾病等肥胖引发的疾病的目的[2]。同时，MCT因其无需胰脂酶分解的特点，具有传统油脂2.5倍的吸收速率，这个特点使得它常被应用于快速补充体力类食物的营养配方中，例如功能饮料、能量棒等。同样利用这个特点，MCT也被应用于药剂上，吸收功能缺失或处于术后恢复期的病人，通常选用MCT作为营养剂配方。除此之外，以其具有高抗氧化性和亲水性、低黏度、低熔点等特性[3]，也有时MCT被作为一种天然油脂基油剂使用，在食品、化妆品、医药等领域通常起到基础油剂、溶剂、增溶剂、乳化剂和稳定剂等作用，也可用作工业脱模剂和润滑剂。目前MCT的工业化生产已较为成熟，有多种工业化产品投入市场，其中以辛-葵酸甘油酸脂为主要商品[4]。1.2.2中长链三酰基甘油(MLCTs)是建立在中碳链甘油三酯基础上、结合长链脂肪酸优点设计出的产物。中碳链甘油三酯虽然低热量、易吸收，但其中缺乏人体所必需的长碳链脂肪酸，如亚麻酸、亚油酸等，不宜作为传统脂肪替代品长期食用。但长碳链脂肪酸甘油酸脂需要经过复杂的淋巴系统代谢吸收过程，与其相比，中碳链脂肪酸则能够被门静脉直接吸收，无需经过复杂的消化过程[5]。因此，研究者就综合并放大其优点，削弱其缺点制造出了中长碳链结构甘油三酯（MLCT）。在MLCT中，MLM型（中链-长链-中链）结构脂质最具有代表性，其形式是Sn-1，3位上为中碳链脂肪酸，在Sn-2位上插入对人体有益的多不饱和脂肪酸如DHA、EPA、DPA等[6]。MLM型结构脂质1，3位上的MCFA可以快速通过人体门静脉供能，不会残留在脂肪组织和细胞中，而2位上的长链脂肪酸可以提供必要的营养，因而营养价值更高。1.2.3人乳脂肪替代品(HMFSs)以人乳脂肪结构为蓝本进行改造优化设计，常用于婴儿配方奶粉等。人乳脂肪中的甘油三酯有着特定的结构，主要的不饱和脂肪酸分布在Sn-1，3位上，如油酸等，而Sn-2位上主要是饱和的棕榈酸。HMFSs有类似于人乳脂肪的脂肪酸组成和分布，能够安全用于婴幼儿食用的人乳替代品如配方奶粉，其基本结构模仿人乳脂肪设计，在甘油骨架的Sn-2位是棕榈酸，Sn-1,3位则是不饱和脂肪酸。典型的商业HMFSs(例如，来自LodersCroklaan,Channahon,IL,TheNetherlands)是通过将富含三棕榈素的脂肪(如棕榈硬脂酸)与油酸(从高油分葵花籽油中获得的游离脂肪酸)酸解制备的。该反应通常使用固定化sn-1,3特异性脂肪酶(如LipozymeRMIM)在填充床反应器中进行[7]。人乳代替脂肪有提高棕榈酸的吸收率的作用，能够降低脂肪酸盐的形成率，使新生儿维持基本的矿物质平衡，促进其骨骼发育，有利于肠内微生物群。1.2.4可可脂替代品(CBEs)又称类可可脂。天然可可脂由于原料无法跟上其庞大的市场需求量，一直以来生产一直受限。而类可可脂，与代可可脂一样，是一种天然可可脂的较为理想的替代品。可可脂大多由对称的单不饱和甘油三酯组成，其中的的主要成分包括1，3-棕榈酸-2-油酸甘油酯(POP)、1-棕榈酸-2-油酸-3-硬脂酸甘油酯(POS)、1，3-二硬脂酸-2-油酸甘油酯(SOS)等[8]。类可可脂的结构组成与天然可可脂非常接近，只是换用成本更低的植物油进行生产。因此，这种类可可脂与天然可可脂和物理性质相似，且能与天然可可脂完全互溶，将类可可脂加进天然可可脂中，能够与之以任意比例混合而不改变其物理性质，因此仍然能生产出外表美观的巧克力产品。商业类可可脂(如来自日本筑波市富士石油公司的梅拉诺)通常是通过混合富含POP的脂肪和富含SOS的脂肪来生产的。制备类可可脂的POP源通常选用棕榈中馏分，通过棕榈烯的分步结晶得到。而富SOS脂肪则是通过含有大量SOS的热带脂肪(如乳木果油)的分离结晶，或用一种sn-1,3特异性脂肪酶作为生物催化剂，将富含三烯的植物油(如高油分向日葵油)与硬脂酸乙酯进行酯化反应制备的[7]。1.2.5无反式或低反式脂肪酸软化脂常规的软化脂（人造奶油和起酥油）含有很高的反式脂肪，这是在作为产品主要部分的植物油在氢化过程中形成的。反式脂肪酸提高了血液总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，并降低了血液高密度脂蛋白胆固醇水平，增加了患上冠心病的风险[9]。自21世纪初以来，软化脂肪制造商和研究人员为了实现低反式或无反式人造黄油和起酥油的成果，一直在开发加氢工艺的几种代替品，减少去除其产品中的反式脂肪酸是他们的目标，在此基础上，若能完全去除反式脂肪酸则更能达到目的。脂肪酶催化高饱和脂肪是获得具有软化脂肪特征最常见的途径。Zhao等[10]使用高度氢化的大豆油、樟树籽油和紫苏油酶促酯交换反应合成结构脂质。通过65℃水浴温度将氢化大豆油，樟树籽油和紫苏油的混合物进行反应，三种物质的脂肪比分别为60∶40∶100、70∶30∶100、80∶20∶100，同时加入10%（总重量底物）LipozymeTLIM，反应时间为8h。其结果表明，所获得的产物中不含有反式脂肪酸，并且随着温度的升高，酯交换产物的固体脂肪含量（SFC）明显低于物理混合物，同时，酯交换产物显示出比物理共混物更多的β'多晶型物，其中β'多晶型物是生产人造黄油和起酥油的最佳形式。1.2.6结构改性磷脂磷脂的酶结构修饰通常是为了改变和改善磷脂的物理化学或营养性质，以供不同的应用。特别是，一些研究人员最近试图制备富含有益健康脂肪酸的磷脂，以便利用磷脂作为脂肪酸的有效载体。这是因为磷脂形式脂肪酸的生物利用度比三酰基甘油形式的高[11]。对磷脂酰胆碱进行结构修饰较为常用的方法是磷脂酶催化酯交换或酸解法。在此反应中，可以选择LecitaseUltra作为生物催化剂，这是一种来自毛毛镰刀菌/尖孢镰刀菌的非商业化的PLA1，然后将其固定在几种不同的载体材料上，制成固定化酶[7]。溶血磷脂酰胆碱是磷脂酰胆碱的衍生物，其中2个酰基中的一个被去除。溶血磷脂酰胆碱可作为乳化剂，与磷脂酰胆碱相比，溶血磷脂酰胆碱可提高水包油乳化性能，改善乳化稳定性。溶血卵磷脂是通过PLA2催化的卵磷脂部分水解制备的。最近的研究试图通过磷脂酰胆碱的部分水解制备溶血磷脂酰胆碱，使用一种商业的非固定化的自由PLA2称为卵磷脂酶10L(来自猪胰腺，Novozyme)[12]或使用Novozym435[13]将l-α-甘油磷酸化胆碱与游离脂肪酸直接酯化。已发表的磷脂酶结构修饰研究采用了间歇式反应体系。1.2.7低热量脂肪肥胖已成为全球流行病。当能量摄入超过能量消耗时，就会导致脂肪组织中多余的热量积累，以维持新陈代谢的平衡。根据WHO调查，至2014年，全世界有19亿的成年人是超重的，其中6亿人属于肥胖。所以应对肥胖已经刻不容缓，而作为能量的主要的来源，减少脂质的能量可以从源头上解决肥胖这一问题。已经有研究针对这一问题提出了两种方案，一种是制造低热量的结构脂质，还有一种是制造一种不容易被吸收的结构脂质[14]。一般脂肪酸的热量在5kcalg-1左右，脂质的热量为9kcalg-1左右[15]。而经过酯交换的结构脂质吸收产生的热量也大约是5kcalg-1，通过含有长碳链脂肪酸的甘油酯与短链的酸进行酯交换制得这种结构脂质，称为Salatrim（Benefat）[16-17]。这是一种零反式脂肪酸的脂质，且保留了普通脂质的质感，通过调节长碳链和短碳链脂肪酸的比例可以调节脂质的特性。含2-4个碳的短链脂肪酸是合成低热量甘油三酯的有用底物，因为它们的热量值明显低于典型的LCFAs(9千卡/克)。例如，醋酸(2:0)、丙酸(3:0)和丁酸(4:0)的热量值分别为3.5、5.0和6.0千卡/克[18]。链长等于或超过22个碳的极低碳碳化合物(VLCFAs)也通常用作制备低热量SLs的底物，因为它们在人体中不易被吸收[18]。有几种商业上的低热量三酰基甘油含有短链脂肪酸(例如，来自美国纽约Cultor食品科学公司的Benefat)或VLCFAs(例如，来自美国俄亥俄州辛辛那提市宝洁公司的Caprenin)，它们都是通过化学方法制成的[7]。不像化学方法在工业上的成功应用来合成低热量的三酰基甘油，到目前为止还没有一个用酶生产低热量三酰基甘油的商业例子。然而，一些研究人员一直在研究脂肪酶催化生产几种不同类型的低热量三酰基甘油。最近的研究采用脂肪酶催化直接酯化、酯交换或酸解生产低热量的含乙酸三酰基甘油[19-20]或山核桃酸[21-22]来自不同的食用油脂来源，包括大豆，向日葵，茶油和热带脂肪。单链烷烃的热量值不受其位置的影响，而VLCFAs的热量吸收较差。因此，在酶法合成这类甘油三酯时，sn-1,3特异性和非特异性脂肪酶都被用作生物催化剂。1.2.8有特殊健康职能的功能性油脂为了达到特定的有益健康的目的，已有各种具有特殊功能的脂肪酸被用作催化合成富含脂肪酸的结构脂质的底物。它们将根据自身的特点被用于不同的应用，以达到缓解疾病或辅助治疗的作用。具有代表性的如共轭亚油酸具有抗癌作用[23]和抗肥胖作用[24];以及n-3脂肪酸(如α-亚麻酸、EPA和DHA等)对低胆固醇的影响[25]和早产儿视网膜和大脑的正常功能[26]。1.3结构脂质的常见合成方法结构脂质的常见合成法分为两大类，分别为化学合成法以及酶催化合成法。1.3.1化学合成法结构脂质的合成一般需要催化剂的参与，在实实验室中使用甲醇化学试剂可以作为催化剂催化结构脂质合成反应。现在实验室及工业生产中一般用甲醇钠作为化学催化剂，反应在高温下进行。如，在尝试使用化学酯交换方法探究棕榈硬脂、棕榈仁油及大豆油混合物，在实验中对该组反应的物理化学、微观结构和热性能的变化进行分析和研究之后，根据结论取得的优化后配方，进行酯交换反应，其产物经评估能够作为人造黄油使用。这表明化学酯交换制造产品是可行的。在酶催化合成法趋近于完善之前，化学合成不失为一种可取的选择，然而，并不是所有化学酯交换都能符合预期，其一，由于高温容易使得脂肪酸氧化变质，在一些化学催化剂进行催化的酯交换中，很容易造成反应物或生成物损失。其二，结构脂质大多用于食品工业，但相当一部分化学催化剂自身具备毒性，其造成的毒性物质残留使其无法适用于食品生产的安全标准。然而影响化学催化生产结构脂质的最根本原因还是其不定向催化，这种催化将产生大量的副产物，提高了分离纯化的成本。1.3.2酶合成法近年来，随着生物工程技术的发展，酶法合成结构脂质越来越受到关注。与传统的化学合成相比，酶作为生物催化剂有很多优势。其一，酶合成法最显著的特点是其具有选择性或专一性，导致反应中很少形成副产品，这是化学催化剂所难以做到的。其二，酶促反应在温和的条件下进行，这将会减少对温度敏感的底物和目标产物的损失。其三，酶的使用减少了能源和有害试剂的使用，使产品更易于回收，也提供了一条更环保和更安全的替代方案。在酶法合成时，脂肪酶和磷脂酶是较好的生物催化剂。这两种酶能够在疏水环境下催化水解及其逆向反应，即，能够作为较为高效的生物催化剂用于三酰基甘油的水解和酯化。然而，由于酶价格相对较高，工业化应用缓慢，因此通常采用能够多次重复使用的固定化酶来克服这一经济问题。在研究中常用的商业固定化酶包括LipozymeRMIM(固定化在大孔阴离子交换树脂上的米黑根霉脂肪酶，sn-1,3特异性)，LipozymeTLIM(固定化在硅胶上的毛酵母脂肪酶，sn-1,3特异性)，和Novozym435(固定在大孔丙烯酸树脂上的念珠菌南极脂肪酶B，sn-1,3特异性或非特异性取决于底物)等，也有实验室会使用独立开发的非商业化脂肪酶，将其固定化后用于结构脂质的合成。在工业上，通常采用连续填充床反应器进行结构脂质的酶催化合成生产，此种生产方法可以避免固定化酶的填充物在搅拌过程中破裂，以避免酶失活。目前较为常用的酶合成法包括直接酯化法、酸解法、酯交换法、两步法。直接酯化法是以酶为催化剂，以两种脂肪酸和甘油为底物，在合适的反应条件下直接进行酯化合成的方法。直接酯化法在反应过程中不会形成多种副产物，因此分离简单，在纯化步骤的成本相对较低。但由于直接酯化法是直接由脂肪酸合成结构脂质，而一些纯度很高的脂肪酸价格难免相对昂贵，在此中情况下，直接酯化法将只适用于小范围实验室实验，而难以在工业化生产进行大范围推广，需要寻找更好的方法来制备结构脂质[27]。酸解法的本质是一种甘油三酯与脂肪酸的酶促反应。这种方法在固定化脂肪酶的催化作用下，使甘油三酯和脂肪酸进行反应，在反应过程中，甘油三酯中的酰基和脂肪酸酰基相互交换，达到新型结构脂质生成的目的[28]。酸解法的反应原料来源广泛，生产成本比较低，但产物中含有的杂质大部分为单甘酯、甘油二酯和脂肪酸[29-31]，可以通过分子蒸馏等方法将这些杂质除去。图1-1酸解法反应步骤酯交换法是指甘油三酯分子内的酰基在酶的催化作用下重新排列，或者甘油三酯分子间酰基位置互换来制备结构脂质的一种方法。这种方法原料廉价易得，并且可以直接生产，生产成本很低，反应条件相对温和，并且选择性较好[32-33]。因此这种方法现在广泛应用在结构脂质合成和油脂改性方面，但是由于反应随机性高，且反应物都为已存在的甘油三酯，因此不适合用于化学结构确定型结构脂质的生产。图1-2酯交换法反应步骤两步法，是指分两部进行的结构脂质合成，其中第一步要求用1,3-特异性没水解甘油三酯，获得2-单甘酯，第二步则继续选用1,3-特异性酶，将脂肪酸与上一步骤的产物进行酯化，由此获得目标结构的甘油三酯。与一步法相比，两步法的优势在于减少了酰基转移的发生，而酰基转移的本质是甘油三酯酰基的断裂与重排[34]，在酰基转移的过程中，大量不需要的甘油酯产生，干扰了目标产物的反应。两步法则大大降低了酰基转移的发生，增加了目标产物的得率[35]。图1-3两步法反应步骤参考文献[1]刘燕萍,李宁.中链甘油三酯的代谢特点及临床应用研究[J].肠外与肠内营养,2001,8(1):108-110.[2]ZHANGY，LIUY，WANGJ，eta1．Mediumandlongchaintriacylglycerolsreducebodyfatandbloodtriacylglycerolsinhypertriacylglycerolemie，overweightbutnotobese，Chineseindividuals[J]．Lipids，2010，45(6)：501—510[3]栾霞，张帆，魏翠平，等．MLM型结构脂氧化稳定性研究[J]．粮油食品科技，2013，21(1)：20—22．[4]钟凯，葛赞，计晓黎，吴维高.结构脂质的合成及应用[J].化学与生物工程.2015,32(8):1-4.[5]吴进;董雪;季圣阳;吴莹;徐斐然;鞠兴荣.脂质家族新成员——结构脂质研究进展[J].粮食科技与经济2019,44(12):100-105[6]SaitoS,YamaguchiT,ShojiK,etal.Effectoflowconcentrationofdiacylglycerolonmildlypostprandialhypertriglyceridemia[J].Atherosclerosis，2010(213):539-544.[7]ByungHeeKim,CasimirC.Akoh.RecentResearchTrendsontheEnzymaticSynthesisofStructuredLipids[J].JournalofFoodScience.2015,80(8)C1724,12.[8]毕艳兰．油脂化学[M]．北京：化学工业出版社，2005：ll6[9]MensinkRP,KatanMB.Effectofdietarytransfattyacidsonhigh-densityandlow-densitylipoproteincholesterollevelsinhealthysubjects.[N]Engl[J]Med.1990.323:439–45.[10]ZHAOML,TANGL,ZHUXM,etal.Enzymaticproductionofzero-transplasticfatrichinα-linolenicacidandmedium-chainfattyacidsfromhighlyhydrogenatedsoybeanoil,cinnamomumcamphoraseedoilandperillaoilbylipozymeTLIM[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2013(6):1189-1195.[11]Lemaitre-DelaunayD,PachiaudiC,LavilleM,PousinJ,ArmstrongM,LagardeM.Bloodcompartmentalmetabolismofdocosahexaenoicacid(DHA)inhumansafteringestionofasingledoseof[13C]DHAinphosphatidylcholine.[J].LipidRes.1999.40:1867–74.[12]CabezasDM,MadoeryR,DiehlBWK,TomasMC.ApplicationofenzymatichydrolysisonsunflowerlecithinusingapancreaticPLA2.[J]AmOilChemSoc.2011.88:443–6.[13]HongSI,KimY,KimCT,KimIH.Enzymaticsynthesisoflysophosphatidylcholinecontainin