中短链脂肪酸结构脂的合成工艺

张亭妍，王宏雁，刘钟栋

河南工业大学（郑州 450000）

脂肪是为人体提供能量的主要来源之一。调查显示，中国居民膳食脂肪主要来自于食用油[1]。然而，摄入过多脂肪含量高的食品容易引起肥胖症、高血脂、心血管病等疾病危害人类身体健康[2-4]。脂肪赋予食品独特的风味，减少食品中脂肪的含量可能会影响口感，于是，研发比天然油脂热量低且不会危害人健康的产品受到了社会越来越广泛的关注。中链脂肪酸（MCFA）是由8～12个碳原子数的脂肪酸组成，短链脂肪酸（SCFA）是由碳原子数小于6的脂肪酸组成，且都易被人体吸收[5-6]，因此，合成的新型中短链脂肪酸结构脂的热量比天然油脂的热量低。

目前，在新型油脂的研究中，主要以长链脂肪酸与短、中碳链脂肪酸甘油酯合成的新型油脂。刘如灿等[7,10]首先将山嵛酸甲酯和三乙酸甘油酯酯交换合成三山酸甘油酯，然后将葵花油和三山嵛酸甘油酯酯交换合成可提供人体必需能量的低热量油脂。张晶等[8]以脂肪酶为催化剂，将三油酸甘油酯和三乙酸甘油酯进行酯交换制备产品（命名为Salatrim）。崔惠玲等[9]将甲醇钠为催化剂对三乙酸甘油酯和大豆油酯交换反应条件进行优化，从而制备一种新型低热量油脂。如今，国内外对长短链脂肪酸甘油酯合成工艺相关报道较多，而鲜有关于中短链脂肪酸结构脂合成工艺方法相关报道。

研究主要以辛酸、癸酸、月桂酸及三丁酸甘油酯为原料，采用两步合成方法合成中短链脂肪酸结构脂。首先，将3种中链脂肪酸与甘油通过酯化方法合成3种中链脂肪酸甘油三酯，第二步为3种中链脂肪酸甘油三酯分别和三丁酸甘油酯酶法酯交换合成3种中短链脂肪酸结构脂，从而确定合成中短链脂肪酸结构脂的最佳工艺。

1 材料与方法

1.1 主要仪器和试剂

辛酸、癸酸（天津科密欧化学试剂有限公司）；月桂酸（济南博奥化工有限公司）；三丁酸甘油酯（纯度＞98%，唐河金海生物科技有限公）；固定化脂肪Lipozyme 40086（诺维信（中国）生物技术有限公司）。

1.2 仪器与设备

GC-2010气相色谱仪（日本岛津（中国）有限公司）；ZNHW调温智能数显控温电热套（成都能志实验仪器有限公司）；500 g实验室电子天平（广东昊昕科技有限公司）；JB90小型立式电动搅拌器（上海久然仪器设备有限公司）；HH-2数显型恒温水浴锅（河北晟兴仪器设备有限公司）；Pope分子蒸馏仪（美国Pope科学公司）。

1.3 方法

1.3.1 中链脂肪酸甘油三酯的制备及纯化

制备：在配有电动搅拌器、温度计和冷凝管的250 mL三口瓶中加入一定量辛酸、癸酸和月桂酸和甘油，均匀混合，在一定温度下以120 r/min的速率中加热反应，反应一定时间后回收产物。

纯化：采用分子蒸馏法分离纯化酯化反应合成的3种中链脂肪酸甘油三酯，分子蒸馏条件为蒸发面温度130 ℃，压力10～20 Pa，进料速度2 mL/min，刮膜电机转速50 r/min。除去轻相产物，回收重相产物。

1.3.2 酶法酯交换制备中短链脂肪酸结构脂

取一定质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，在一定温度下以100 r/min振荡水浴加热反应一段时间，反应结束后过滤除去脂肪酶。

1.3.3 组成的定量分析

采用气相色谱检测方法，取10 mg样品，溶于10 mL正己烷中。气相色谱条件：色谱柱DB-1HT（30 m×0.25 mm×0.1 μm），载气N2（纯度99.999%）；进样量1 μL；进样口温度350 ℃；柱温200 ℃，保持时间1 min，以15 ℃/min速度持续加热升温直至350 ℃，保持10 min。用面积归一化法计算物质的含量。

1.3.4 总脂肪酸组成分析

样品甲酯化：取3种中短链脂肪酸甘油脂各120 mg，分别加入6 mL甲醇钠溶液充分反应，加入2～3 mL正己烷，充分摇匀7 min，取上清液，加入无水硫酸钠除水后过滤膜，用气相色谱仪进行检测分析。

气相色谱条件：色谱柱DB-1HT（30 m×0.25 mm×0.1 μm），载气N2（纯度99.999%）；进样量1 μL；进样口温度250 ℃；初始温度80 ℃，保持1 min，然后以15 ℃/min 的速率升温至200 ℃，并保持1 min，最后以30 ℃/min 的速度持续加热升温至300 ℃，保持5 min，用面积归一化法计算脂肪酸组成及含量。

2 结果讨论

2.1 中链脂肪酸甘油三酯的合成

2.1.1 反应时间对中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

将辛酸、癸酸及月桂酸与甘油分别按物质的量之比6∶1混合，反应温度为160 ℃，反应时间分别为4，5，6，7和8 h。由图1可知，3种中链脂肪酸甘油三酯反应趋势基本一致，随着反应时间的增加，3种产物含量都在不断上升，当反应为6 h时，产物含量不断上升。当反应时间到达6 h时，3种产物含量都达到最高值。当反应时间超过6 h，产物含量增长趋于平缓，因此3种中链脂肪酸甘油三酯最适宜的反应时间都为6 h。

图1 反应时间对3种中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

2.1.2 底物物质的量之比对中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

该反应理论物质的量之比为3∶1，但该物质的量之比反应耗时过长，因此增加底物物质的量之比，可减少反应时间[4]。当辛酸、癸酸及月桂酸与甘油反应时间为6 h，反应温度为160 ℃，分别称取不同物质的量之比1∶4，1∶5，1∶6，1∶7和1∶8时，由图2可知：3种中链脂肪酸甘油三酯反应趋势基本一致，当底物物质的量之比小于1∶6时，产物含量持续增加，这是因为适当提高底物物质的量之比能加速产物含量的生成。当底物物质的量之比为1∶6时，3种产物的含量都达到最高值。当底物物质的量之比为大于1∶6时，产物含量缓慢降低，这是因为过量的底物降低了产物的含量[11]。所以，3种中链脂肪酸甘油三酯最适物质的量之比都为1∶6。

图2 底物物质的量之比对3种中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

2.1.3 反应温度对中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

在底物物质的量之比1∶6，反应时间6 h，反应温度分别为130，140，150，160和170 ℃的条件下，由图3可知：从总体上看，3种中链脂肪酸甘油三酯产物的含量都随着温度升高而增加并缓慢平缓的趋势，当反应温度为130～160 ℃时，3种产物含量不断增加，当反应温度到达160 ℃时3种产物含量都达到最高，继续提高温度产物含量基本稳定，温度过高会使产物的颜色加深，同时也会增加反应成本[12-13]。因此，3种中链脂肪酸甘油三酯选取最适反应温度为160 ℃。

图3 反应温度对3种中链脂肪酸甘油三酯含量的影响

2.1.4 分子蒸馏分离纯化

用分子蒸馏的方法除去产物中残留的成分是目前常用的分离纯化方法。试验通过分子蒸馏除去3种中链脂肪酸甘油三酯中残留的辛酸、癸酸、月桂酸等易挥发成分。由表1可知，通过酯化的方法合成3种中链脂肪酸甘油酯含量均大于70%，分子蒸馏分离纯化后3种中链脂肪酸甘油三酯纯度都达到90%以上，回收率也都达到70%以上，说明该分离纯化方法较理想。分子蒸馏的纯化率和回收率结果见表1。

表1 3种中链脂肪酸甘油三酯分子蒸馏的纯化率和回收率结果

2.2 中短链脂肪酸结构脂的合成

2.2.1 温度对酶法酯交换反应的影响

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别以1∶3的底物物质的量之比混合，加入4%固定化脂肪酶，分别在50，55，60，65和70 ℃温度下反应时间6 h，结果见图4。结果显示，3种中短链脂肪酸结构脂合成产率趋势基本一致，当温度为50～60 ℃时，产物含量明显增大，当温度超过60 ℃，酶的活性降低或者失活，使含量呈现缓慢减小的趋势。因此合成3种中短链脂肪酸结构脂反应温度选择60 ℃为最佳。

2.2.2 反应时间对酶法酯交换反应的影响

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别以1∶3的底物物质的量之比混合，加入4%固定化脂肪酶，60 ℃分别反应4，5，6，7和8 h，结果见图5。结果显示，3种中短链脂肪酸结构脂反应趋势基本一致，反应4～6 h产物产率不断升高，当反应6 h时产物含量达到最高，当反应超过6 h时，产物含量缓慢下降，这是因为中链脂肪酸甘油三酯含量随反应进行不断消耗，在6 h时中链脂肪酸甘油三酯含量基本反应完全，因此合成3种中短链脂肪酸结构脂选择6 h为最佳反应时间。

图4 反应温度对3种中短链脂肪酸结构脂合成含量的影响

图5 反应时间对3种中短链脂肪酸结构脂合成含量的影响

2.2.3 底物物质的量之比对酶法酯交换反应的影响

将三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯和三丁酸甘油酯分别按物质的量之比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4和1∶5混合，加入4%的脂肪酶，设定反应温度60 ℃，反应时间6 h，结果见图6，整个反应过程中产物含量呈现先增加而后减少的趋势，这是因为三丁酸甘油酯浓度增加，反应产物含量不断增加，当底物物质的量之比至1∶3时，产物含量达到最高。继续增加底物物质的量之比，反应中剩余的三丁酸甘油酯越多，产物的含量就越低，同时过量的三丁酸甘油酯不利于产物的分离，也增加生产成本[15]，故3种中短链脂肪酸结构脂都选择1∶3为最适底物物质的量之比。

图6 反应物质的量之比对3种中短链脂肪酸结构脂合成含量的影响

2.2.4 脂肪酶添加量对酶法酯交换反应的影响

将三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯分别以1∶3的底物物质的量之比混合，在温度60 ℃反应时间6 h条件下，添加不同量的脂肪酶，结果见图7。结果显示，3种中短链脂肪酸结构脂产物的含量都呈逐渐增加并缓慢平缓的趋势，当脂肪酶用量为4%时，产物含量达到最高。当脂肪酶用量大于4%时，产物含量基本保持稳定，说明此时反应物中三辛酸甘油酯、三癸酸甘油酯及三月桂酸甘油酯基本反应完全。因此，3种中短链脂肪酸结构脂都选择4%为最适添加量。

图7 脂肪酶添加量对3种中短链脂肪酸结构脂合成的影响

2.2.5 正交试验

影响一个反应因素比较多，单因素试验只能从单个因素方面对酶法酯交换反应影响，不能考虑多个因素之间的影响，因而此次试验通过单因素试验选取对试验结果影响较大的4个因素进行四因素三水平正交试验考察底物物质的量之比、反应时间、温度、脂肪酶用量等4个因素对酶法酯交换反应产物含量的影响，以确定3种中短链脂肪酸结构脂酶法酯交换的最佳反应条件。因素水平见表2，正交试验结果见表3。

表2 正交试验因素水平

由表3可知，酯交换反应对辛酸-丁酸结构脂含量影响：影响反应因素主次依次为A＞C＞B＞D，最优反应条件为A2B2C2D3，反应底物物质的量之比影响较大，其次是反应时间、反应温度，脂肪酶用量影响较小，即反应温度为60 ℃、反应时间6 h、底物物质的量之比为1∶3、加酶量为5%；酯交换反应对癸酸-丁酸结构脂总含量影响：影响反应因素主次依次为A＞C＞B＞D，最优反应条件为A2B2C2D3，反应底物物质的量之比影响较大，其次是反应时间、反应温度，脂肪酶用量影响较小，即反应温度为60 ℃、反应时间6 h、底物物质的量之比为1∶3、加酶量为5%；酯交换反应对月桂酸-丁酸结构脂总含量影响：影响反应因素主次依次为A＞D＞C＞B，最优反应条件为A2B2C2D3，影响较大为反应底物物质的量之比1∶3，其次是脂肪酶用量5%、反应时间6 h、反应温度60 ℃。3种中短链脂肪酸结构脂的最佳条件基本一致，最佳条件都为脂肪酶用量5%、反应温度60 ℃、反应6 h、底物物质的量之比1∶3。

表3 酶法酯交换正交试验结果

接表3

2.2.6 中短链脂肪酸结构脂脂肪酸组成

3种中短链脂肪酸结构脂气相色谱分析运用面积归一化法计算得到脂肪酸组成及含量，如表4所示。

表4 3种中短链脂肪酸结构脂气相色谱分析脂肪酸组成及含量

从表4可见，辛酸-丁酸结构脂主要由丁酸（41.75%）和辛酸（58.25%）组成。癸酸-丁酸结构脂主要由丁酸（40.25%）和癸酸（59.75%）组成。月桂酸-丁酸结构脂主要由丁酸（38.46%）和月桂酸（61.54%）组成。在辛酸-丁酸结构脂、癸酸-丁酸结构脂和月桂酸-丁酸结构脂的结构中，其脂肪酸组成含量较少的都为短碳链脂肪酸，含量较多的都为中碳链脂肪酸，脂肪酸都是由短链和中链脂肪酸组成，因中链脂肪酸和短链脂肪酸更易被人体吸收[17-18]，所以，可以得出酯交换合成结构脂比天然油脂的热量低，是较理想的健康新型低热量油脂。

3 结论

采用两步合成方法合成中短链脂肪酸结构脂，分别确定了3种中链脂肪酸甘油三酯制备、分离纯化及酯交换制备3种中短链脂肪酸结构脂。3种中链脂肪酸甘油酯的最佳条件为：反应温度160 ℃、反应时间6 h、底物物质的量之比6∶1；分离纯化后3种中链脂肪酸甘油酯含量大于90%；3种中短链脂肪酸结构脂的最佳条件为：脂肪酶用量5%、反应温度60 ℃、反应时间6 h、底物物质的量之比1∶3，得到的3种中短链脂肪酸结构脂产物含量均大于60%。工艺研究具有产率高、成本低和时间短等特点，为这类新型低热量油脂的工业化生产奠定基础。