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新型结构脂的酶法制备与功能特性研究

作　者: 曹昱
导　师: 王小宁
学　校: 华南理工大学
专　业: 微生物学
关键词: 结构脂脂肪酶动物实验分子蒸馏抑制肥胖
分类号: R589.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

肥胖已成为影响人类健康的一种全球性问题。肥胖的发生和膳食结构密切相关，尤其与富含油脂的高热量食品的过量摄取有关。脂肪是食物的重要组成部分，对食物的口感、风味和饱腹感都具有重要的作用。然而，人们对脂肪的摄取已超过食物总热量比的30%。在此情况下，研究人员开发出了多种脂肪替代品和低热量油脂，包括蔗糖脂肪酸聚酯、中链脂肪酸甘油酯、短长链脂肪酸甘油酯和甘油二酯等。这些产品以低热量或改变油脂在体内的代谢方式来控制脂肪在体内的积聚。其中较为成功的产品有P&G公司的Caprenin产品和Nabiso公司开发的Salatrim系列产品，以及日本花王公司的甘油二酯产品。作为一种理想的油脂替代品，必须具有和传统油脂高度的通用性，即在使用方法、使用条件、感官特性上不得有大的改变，同时必须具有高的安全性和完好的营养特性。以上提及的油脂替代品或多或少有着各自的缺陷，目前还没有一种完全符合理想标准的产品。未来对低热量油脂替代品的市场需求将不断扩大。因此，开发与普通油脂性能相似的油脂替代品具有重要的学术价值和应用潜力。本研究所开发的新型结构脂，在其甘油骨架的sn-2位为短链脂肪酸。此结构脂可利用甘油三酯分子在体内的代谢差异减少餐后血脂水平，具有降低脂肪在体内积聚的功能。普通油脂中甘油三酯分子在体内代谢时，会被肠道中的胰脂肪酶水解为2-长链脂肪酸单甘酯和游离脂肪酸，进入小肠绒毛细胞后会被重新合成为甘油三酯，随后并通过淋巴系统穿过胸导管依靠血液系统转运至身体各处。而新型结构脂进入人体代谢系统后，会形成2-短链脂肪酸单甘酯，能够被迅速吸收进入门静脉并运送至肝脏快速代谢，减少了小肠绒毛细胞中甘油三酯的重合成，从而降低餐后血脂水平，达到防止脂肪堆积的效果。本研究对新型结构脂的酯交换反应合成条件进行了优化，选用Lipozyme RM IM脂肪酶催化三丁酸甘油酯和大豆油脂肪酸甲酯的酯交换反应体系，考察了反应时间、反应温度和加酶量等参数对酯交换反应合成结构脂过程的影响。以长链脂肪酸插入率、酰基转移率和长链脂肪酸甘油三酯(LLL-TAG)的含量为响应值，利用中心旋转组合设计对Lipozyme RM IM脂肪酶催化酯交换反应进行了优化，最佳反应条件为：反应温度为51.4℃，反应时间为6.77h,加酶量为8.11wt%，此时的长链脂肪酸插入率为43.2%，酰基转移率为5.33%，LLL-TAG含量为0.42%。本研究同时考察了双酶两步法合成新型结构脂的工艺条件，发现Novozyme脂肪酶在使用较高摩尔比(乙醇/三丁酸甘油酯)和较低的反应温度时可以得到高含量的2-丁酸单甘酯。获得2-丁酸单甘酯的最佳反应条件为：无水乙醇与三丁酸甘油酯的摩尔比为65:1，反应温度为25℃，加酶量为5wt%；反应2h后，2-丁酸单甘酯的含量和得率分别为21.6%和62.8%。最后使用Lipozyme RM IM脂肪酶催化2-丁酸单甘酯和脂肪酸甲酯反应合成的S2型结构脂，长链脂肪酸插入率达到52%以上，且酰基转移率只有1.1%。但双酶两步法工艺较为复杂，需消耗大量有机溶剂用于纯化2-丁酸单甘酯，无法用于新型结构脂的批量生产，故后期实验仍然选用一步酯交换法合成新型结构脂。研究了批量合成和纯化新型结构脂的方法，并考察了使用分子蒸馏方法对结构脂分离的影响。结果发现，在进料速度为2g/min，蒸馏系统压力为1Pa，冷却水温度为40℃，刮膜电机转速250r/min，蒸发面温度为200℃时，可以实现新型结构脂的良好分离。使用循环批次反应法合成新型结构脂，结构脂产品的总得率达到64%，经检测发现短链脂肪酸（丁酸）主要分布在甘油酯的sn-2位，所得目标结构脂的含量可以达到80.9%。通过理化性能评价发现，新型结构脂在外观、酸价、皂化价、折光指数等指标上与其长链脂肪酸的酰基供体油大豆油的相关指标十分接近，但烟点比大豆油低，新型结构脂分子量较小而具有更低的熔点。由此可见，新型结构脂可能对普通食用油脂进行全替代使用。随后通过餐后血脂实验和动物成长实验对新型结构脂进行了功能性评价。结果发现，新型结构脂可使小鼠的餐后血液甘油三酯水平降低。在动物成长实验中，对小鼠饲喂第6周时，发现高剂量新型结构脂组的小鼠平均体重低于猪油组，血脂分析结果显示新型结构脂组小鼠的血液总胆固醇浓度具有降低的趋势。肝脏病理学切片观察发现，中剂量和高剂量新型结构脂组小鼠的肝脏中脂肪滴的数量和大小都会相对减少，肾脏病理学切片观察未见异常。以上结果说明新型结构脂具有控制血脂升高，防止脂肪积累的功能，并具有完全替代普通油脂使用的潜力。

全文目录

中文摘要  5-7
Abstract  7-15
缩略表  15-17
第一章绪论  17-34
  1.1 结构脂介绍  17-20
    1.1.1 结构脂概况  17
    1.1.2 结构脂的分类  17-18
    1.1.3 脂肪酸组成对结构脂功能的影响  18-20
  1.2 油脂替代品  20-22
  1.3 甘油三酯在人体内的代谢与生理功能  22-25
    1.3.1 油脂的代谢  22-24
    1.3.2 油脂的生理功能  24
    1.3.3 结构脂的代谢  24-25
    1.3.4 结构脂的生理功能  25
  1.4 结构脂的制备方法  25-29
    1.4.1 化学法  25-26
    1.4.2 生物酶法  26-29
  1.5 结构脂的分离与纯化  29-30
    1.5.1 化学法  29
    1.5.2 物理法  29-30
  1.6 结构脂的功能性评价  30-31
    1.6.1 餐后血脂实验实验  30-31
    1.6.2 动物成长实验  31
  1.7 研究意义、目的及主要研究内容  31-34
    1.7.1 研究意义  31-33
    1.7.2 研究目的  33
    1.7.3 主要研究内容  33-34
第二章酯交换法合成新型结构脂  34-54
  2.1 材料与仪器  35
    2.1.1 主要材料与试剂  35
    2.1.2 主要仪器和设备  35
  2.2 实验方法  35-39
    2.2.1 反应体系和甘油骨架供体对脂肪酶催化酯交换反应的影响  35-36
    2.2.2 脂肪酶的稳定性  36
    2.2.3 结构脂合成的单因素实验研究  36
    2.2.4 响应面设计  36
    2.2.5 结构脂的组成分析  36-37
    2.2.6 结构脂的总脂肪酸组成分析  37-38
    2.2.7 sn-2 位脂肪酸组成分析  38
    2.2.8 数据分析  38-39
  2.3 结果与讨论  39-52
    2.3.1 反应体系和甘油骨架供体对脂肪酶催化酯交换反应的影响  39-41
    2.3.2 脂肪酶的合成结构脂的稳定性  41-42
    2.3.3 底物摩尔比对结构脂合成的影响  42-43
    2.3.4 反应温度对结构脂合成的影响  43-44
    2.3.5 加酶量对结构脂合成的影响  44-45
    2.3.6 酯交换合成结构脂的响应面优化  45-52
  2.4 本章小结  52-54
第三章双酶两步法合成新型结构脂  54-65
  3.1 材料与仪器  55-56
    3.1.1 主要材料与试剂  55
    3.1.2 主要仪器和设备  55-56
  3.2 实验方法  56-57
    3.2.1 不同反应条件对 Novozyme 435 脂肪酶醇解反应的影响  56
    3.2.2 2-丁酸单甘酯的纯化  56
    3.2.3 新型结构脂的合成  56
    3.2.4 2-丁酸单甘酯的检测  56-57
    3.2.5 结构脂的组成分析  57
    3.2.6 结构脂的脂肪酸分析  57
    3.2.7 数据分析  57
  3.3 结果与讨论  57-64
    3.3.1 不同反应条件对 Novozyme 435 脂肪酶醇解反应的影响  57-61
    3.3.2 2-丁酸单甘酯的合成与纯化  61-62
    3.3.3 新型结构脂的合成  62-64
  3.4 本章小结  64-65
第四章新型结构脂的纯化与理化性质研究  65-85
  4.1 材料与方法  66
    4.1.1 主要材料与试剂  66
    4.1.2 主要仪器与设备  66
  4.2 实验方法  66-70
    4.2.1 新型结构脂酶法合成  66-67
    4.2.2 分子蒸馏纯化新型结构脂  67-68
    4.2.3 油脂组成分析  68
    4.2.4 结构脂脂肪酸组成分析  68
    4.2.5 酯交换反应中长链脂肪酸酰基的重复利用  68-69
    4.2.6 油脂理化指标测定  69
    4.2.7 结构脂产品的 DSC 熔化曲线测定  69-70
    4.2.8 氧化稳定性的研究  70
    4.2.9 结构油脂的保存稳定性  70
    4.2.10 数据分析  70
  4.3 结果与讨论  70-84
    4.3.1 新型结构脂的合成  70
    4.3.2 蒸馏温度对新型结构脂分离效果的影响  70-72
    4.3.3 分子蒸馏温度对回收轻相油脂组成的影响  72-73
    4.3.4 蒸馏温度对新型结构脂脂肪酸组成及分布的影响  73-74
    4.3.5 酯交换反应原料回收及重复利用  74-79
    4.3.6 新型结构脂脂肪酸组成及甘油酯组成分析  79
    4.3.7 新型结构脂与大豆油的脂肪酸组成比较  79-80
    4.3.8 新型结构脂与大豆油的理化指标比较  80-81
    4.3.9 新型结构脂的氧化稳定性研究  81-83
    4.3.10 新型结构脂的 DSC 曲线测定  83
    4.3.11 新型结构脂的保存稳定性研究  83-84
  4.4 本章小结  84-85
第五章新型结构脂的降脂功能研究  85-98
  5.1 材料与仪器  85-86
    5.1.1 主要材料与试剂  85-86
    5.1.2 主要仪器和设备  86
    5.1.3 实验动物  86
    5.1.4 动物饲料  86
  5.2 实验方法  86-88
    5.2.1 餐后血脂实验实验  86-87
    5.2.2 高脂饮食实验  87
    5.2.3 器官指数  87-88
    5.2.4 血脂分析  88
    5.2.5 器官病理切片制作与观察  88
    5.2.6 数据分析  88
  5.3 结果与讨论  88-97
    5.3.1 餐后血脂实验  88-89
    5.3.2 新型结构脂对小鼠体重的影响  89-90
    5.3.3 新型结构脂对小鼠血脂的影响  90-92
    5.3.4 新型结构脂对小鼠器官指数的影响  92-93
    5.3.5 新型结构脂对小鼠器官病理切片的观察  93-97
  5.4 本章小结  97-98
结论与展望  98-101
  一、结论  98-99
  二、创新点  99
  三、对未来工作的展望  99-101
参考文献  101-117
攻读博士学位期间取得的研究成果  117-118
致谢  118-119
附件  119

新型结构脂的酶法制备与功能特性研究

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