α-亚麻酸制取及纯化技术研究现状

梁少华，彭 乐，陈伟伟

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 引言

α-亚麻酸是人体必需的不饱和脂肪酸，作为一种功能性脂肪酸，在人类的营养和疾病预防方面具有非常重要的意义，一方面它可以在人体内通过碳链延长酶和脱氢酶的双重作用合成DHA和EPA，另一方面α-亚麻酸具有调节血脂、降低血糖、预防心脑血管疾病、增强免疫力和抗炎作用、抑制癌症的发生和转移、保护视力和提高记忆力、抗氧化及延缓衰老等生理功能[1-2]，此外，由于其强大的保水性和对痤疮的治疗作用，使其在化妆品行业的应用越来越多[3].依据α-亚麻酸的活性功能，它们在食品、保健品和药品行业开发利用的前景也将会越来越广阔.

为了制取高纯度α-亚麻酸，许多科研工作者从富含亚麻酸的油脂原料制取及纯化亚麻酸方面进行了详细的研究.作者就亚麻酸研究现状、目前主要存在的问题及发展对策等方面进行了探讨.

1 国内外研究现状

1.1 α-亚麻酸的来源

α-亚麻酸的主要来源是亚麻籽油（50%～60%）和紫苏籽油（60%以上），其他动植物中也含有或多或少的α-亚麻酸，比如椒目（30%左右）、杜仲（42%～62%）、藿香（60%～62%）、香薷（57%～65%）、猕猴桃籽油（63.9%）、蚕蛹（30.24%）和大豆油（7%～9%）[4-6].

1.2 α-亚麻酸的制取技术

传统的油脂制取脂肪酸的工艺包括皂化酸解、常压水解、压力水解等.近年也出现了一些新的制取脂肪酸的方法，比如，气流感应皂化棕榈酸乙酯，酶催化水解油脂，过热蒸汽水解脂肪[7]，水力空化水解油脂[8]，羟基阴离子交换树脂水解酯类，在无溶剂体系中微波辅助KF-Al2O3水解酯类以及微生物发酵法等.

1.2.1 传统的皂化酸解法及其改进

皂化酸解法是先用碱液将油脂转化为肥皂和甘油，然后用硫酸进行酸解，将肥皂转化为脂肪酸.崔振坤等[9]运用氢氧化钠的乙醇溶液加入亚麻油中进行回流皂化，再酸解的方法制取富含α-亚麻酸的粗脂肪酸，这种方法改进了原始的皂化工艺，缩短了皂化的时间，整个工艺容易控制，并且生产的脂肪酸颜色较浅.Bhatkhan Vassiliki等[10]建立了一种更为简单、快速、温和的皂化方法，使用二氯甲烷∶甲醇为9∶1（V/V）的混合溶剂，并且反应在室温下进行，与传统皂化工艺相比，此工艺简单，设备要求不高，最重要的是温度控制较低，不会使α-亚麻酸发生聚合、裂变等问题.

1.2.2 化学水解法

化学水解法包括常压水解法和中高压水解法.常压水解法，即在常压下利用硫酸或磺酸等液体酸性催化剂，加水并通入水蒸气进行蒸煮来水解油脂.常压水解虽然反应温度和反应压力较低，设备投资少，但与皂化酸解法相比反应时间长、能耗大、产品色泽深并且产率低[11].近年来采用新型酸性催化剂的研究越来越多，这些工艺的诸多优点也将会给α-亚麻酸制取带来一场新的变革.Sa-yarthi等[12]比较了在常压下用固体酸Fe-Zn（DMC）催化剂与其他催化剂如硫酸锆、碱性氧化锌等水解植物油的水解率和选择性，发现采用固体酸使甘三酯转化为脂肪酸的产率高于73%.张雷等[13]采用凝胶型强酸性离子交换树脂作为催化剂，在常压下水解油脂制取脂肪酸,解决了液体酸催化剂对设备的腐蚀问题以及回收催化剂的问题,并免去了中和甘油废水的下游工序，水解率达72.5%.陈权等[14]比较了阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂对催化油脂水解的影响，发现阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠比阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵和非离子表面活性剂单甘酯具有更强的催化活性，这可能是由于常压水解需要硫酸提供氢离子加速水解反应，所以阳离子型表面活性剂在酸性条件下受到抑制.由于高压水解法不适用于热敏性的以及不饱和程度高的油脂[11]，因此不能用于α-亚麻酸的生产.

1.2.3 酶促水解法

酶促水解反应是一种非均相体系，酶在油脂与水的界面上催化甘油酯键的水解，生成脂肪酸和甘油.酶法水解具有工艺简单，投资费用小，能量消耗低，避免了传统水解所需的高温高压和强酸强碱对α-亚麻酸变质的风险，脂肪酸质量好，水解率较高等优点.但是酶的稳定性较差，在温度、pH和无机离子等外界因素的影响下，容易变性失活，因此改善酶的反应环境就非常重要，常用的方法包括使用有机溶剂如正己烷[15]，无溶剂体系[16]，微乳液体系[17]，超临界CO2[18]和最近兴起的离子液体体系[19].在微乳液体系中，由于体系宏观均匀、稳定且酶分散良好，反应物接触较为充分，且能为酶催化反应提供巨大的相界面积，大大加快了油脂水解速率.但与无溶剂体系相比，在微乳液体系中用脂肪酶水解油脂，添加剂会降低脂肪酶的水解能力.基于绿色环保的理念，无溶剂体系酶催化反应可以广泛推广，因为无溶剂体系既可避免有机溶剂的毒性、易燃及后期分离困难等问题，又可避免超临界流体的高温高压操作，虽然高压也可以提高酶的活性[20].同时,在无溶剂体系中酶可直接作用于底物，提高底物浓度，而且产物分离纯化过程简单、步骤少.王英雄等[21]研究了在无溶剂体系下不同脂肪酶催化水解亚麻油效果，结果表明NLipase的热稳定性和催化活性较好.

酶促水解法制取多不饱和脂肪酸的报道已有很多，魏决等[22]采用解脂假丝酵母脂肪酶水解紫苏子油制取α-亚麻酸，水解率达到90.02%.王惠芳[23]将脂肪酶催化水解油脂的反应中加入了0.15%～0.2%的硫酸锰作为反应的促进剂，也使水解率达到90%.Tomoko okada等[24]研究了用不同脂肪酶催化水解制取n-3系列多不饱和脂肪酸，认为水解油脂最好的脂肪酶为假丝酵母脂肪酶，并且非特异性脂肪酶比1,3-特异性脂肪酶能更好地浓缩n-3多不饱和脂肪酸.此外，由于酶与底物反应结束后，即使酶仍有较高的活力，也难于回收利用，这样一次性使用酶的方式使酶法水解的成本很高，因此酶的回收再利用很有必要，而固定化酶就能够很好解决这个难题.常用的固定化方法包括酶与载体共价连接、酶与载体交联化、将酶机械包容等[25].在特殊的反应器中也可以达到以上效果，Mateja等[26]采用膜反应器作为酶催化反应的一个工具，使催化反应、酶的回收、产物分离一步完成，降低了脂肪酶催化油脂水解的成本.

1.2.4 微生物发酵法

微生物发酵法是利用微生物如细菌、霉菌等在一定发酵条件下，在自身组织内产生大量的油脂.由于筛选菌种的难度比较大，转化率比较低，生产投资大，目前这种方法主要用于高附加值油脂的生产，用于工业用油脂生产的可行性不高[27].利用微生物发酵法来生产γ-亚麻酸的工艺已经日渐成熟，对于微生物发酵来制取α-亚麻酸的研究很少，目前报道的只有戴传超等[28]运用头孢霉发酵生产出α-亚麻酸，但是随着微生物技术的发展，该技术用于规模化生产高食用价值和高工业价值的微生物油脂的可能性很大[29-30].

1.3 α-亚麻酸的纯化技术

纯化脂肪酸的方法有膜分离[31]、β-环糊精包合[32]、分子蒸馏[33]、低温结晶[34]、银离子络合、色谱法、尿素包合、固相萃取[35]等，近年来脂肪酸分离纯化的新技术的研究也越来越受人瞩目，如酯交换浓缩[36]、超临界流体色谱和酶法选择性浓缩等.鉴于生产成本及工艺条件对α-亚麻酸品质的影响，目前工业化生产及科研研究中采用较多的是以下几种方法.

1.3.1 低温结晶

低温结晶是利用混合脂肪酸中饱和脂肪酸及不饱和脂肪酸在有机溶剂中的溶解度的差异及其凝固点的不同来分离[37].影响结晶的变量包括脂肪酸的组成，结晶的温度，脂肪酸与溶剂比，脂肪酸冷却速率等[38].李思政等[39]利用冷冻结晶法和尿素包合法分离出播娘蒿种子油中亚油酸和α-亚麻酸的含量达到了95%，芥酸的含量则降低到了1%.Chen等[40]运用两步溶剂结晶法获得了纯度为93.9%的亚麻酸，其产量为86%，但是此工艺采用乙腈作为脂肪酸的溶剂，这在生产食品级和药品级产品方面是不允许的，因为乙腈已被广泛证实对人体有巨大损伤. 而Juan Carlos López－Martínez等[38]研究在避免使用乙腈的条件下，低温溶剂冬化处理获得高纯度的亚麻酸的浓缩物，并且采用的最佳溶剂是正己烷，Chen等[40]研究了双重冬化获得高纯度的γ-亚麻酸，但是Juan对这个实验做了重复性验证发现亚麻酸的纯度有轻微的上升，但此工艺并不能获得满意的结果.并且结晶行为不仅取决于溶剂的极性，还取决于γ-亚麻酸和α-亚麻酸的碳链的空间构造.干法分提也运用到了低温结晶的方法，由于饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸的结构不同，决定了它们的熔点不同，因此可以达到富集所需脂肪酸的目的.

1.3.2 尿素包合法

尿素包合是采用尿素形成络合物包裹着饱和脂肪酸和少量的不饱和脂肪酸或其酯.单纯的尿素是四方晶体结构，在长的直链分子存在情况下形成了尿素包合物，其结构就变成来了六边形晶体构造[41].尿素分子之间是通过氢键相连的，而尿素分子和客体之间存在很强的范德华力，从而将客体束缚在一个直径为80～120 nm的圆形通道内，而脂肪链上的双键越多，就增加了分子的体积，不能被尿素包合[42].因此，采用尿素的方法取决于含有双键的脂肪酸的结构或构型，而不是物理性质如熔点或者溶解度.由于尿素包合所用材料廉价，所用设备简单，反应条件温和，更重要的是能够防止多不饱和脂肪酸自动氧化，因此被广泛应用于海洋鱼油、紫苏子油、微生物油脂等的生产[43-45].李桂华等[46]采用亚麻籽为原料，经皂化酸解制取混合脂肪酸，再用尿素包合的方法得到富含α-亚麻酸的产品，经气相色谱分析α-亚麻酸的含量高达91.3%.Guhai-Bo等[42]运用梯度冷却尿素包合的方法从紫苏籽油中浓缩α-亚麻酸，使其产量达到91.5%，梯度冷却的方法避免了直接冷却时不能控制冷却速率，脂肪酸包合不完全，α-亚麻酸的回收率低的难题，能够显著地提高α-亚麻酸的含量.林非凡等[47]运用响应面软件对尿素包合纯化亚麻油中α-亚麻酸的工艺条件进行优化，得出脂肪酸、尿素、无水乙醇的质量比为1∶3∶7，包合温度为-20℃，包合时间为30 h，α-亚麻酸的质量分数为93.27%.此外，采用尿素包合与其他方法相结合能更大程度地纯化脂肪酸，比如尿素包合与液相色谱、尿素包合与吸附色谱、尿素包合与冷冻结晶[48].蒋艳忠等[49]采用尿素包合和硝酸银络合联合从蚕蛹中分离出α-亚麻酸的得率达到50%，纯度达到99%.

1.3.3 银离子络合纯化

银离子络合的分辨能力归因于Ag+与C＝C之间的可逆的电荷转移配位作用，不饱和程度越高，与Ag络合的能力越强，配位的程度与强度和流动相的极性控制着溶质的流动性[50].司秉坤等[51]对硝酸银络合纯化的工艺条件进行优化，结果表明提纯α-亚麻酸的最佳条件为硝酸银浓度6 mol/L，络合温度4℃，络合时间3 h，α-亚麻酸纯度可达97.53%.Sajilata等[50]采用尿素包合和银离子硅胶色谱联合方法使亚麻酸甲酯的纯度从84%提高到96%，回收率达到66%.Guerrero等[52]采用银离子硅胶色谱纯化制取γ-亚麻酸，结果较好，但是不能将α-亚麻酸和γ-亚麻酸分离，因此在对不同原料选择工艺时需要多种方法联合使用才会达到理想的效果.张汆等[53]运用硝酸银-硅胶色谱柱从花椒籽油中分离α-亚麻酸，其纯度达到96%以上.张春燕等[54]利用负载银离子的D72树脂分离纯化蚕蛹油中α-亚麻酸，结果α-亚麻酸含量提高到92.0%，回收率为83.9%，纯化效果明显.

1.3.4 超临界流体萃取脂肪酸

超临界流体萃取脂肪酸是利用超临界流体溶解能力与其密度的关系，利用压力、温度对溶解能力进行影响,使其有选择地把极性、沸点、相对分子质量不同的成分萃取出来，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成气体，将萃取物析出，达到分离目的.通常使用CO2作为提取剂，这是由于其较低的临界压力和温度以及不活泼的化学性质.这种工艺的优越性将会使其在α-亚麻酸制取领域占据重要作用.Rui L.Mendes等[55]采用超临界CO2从螺旋藻中萃取γ-亚麻酸，比较了用单纯的CO2和用乙醇与干物质的混合提取以及采用Bligh和Dyer的方法提取[56]，发现采用100%的乙醇比纯CO2萃取的γ-亚麻酸和脂质的产率高，而采用混合溶剂萃取的方法产率是最高的，这是由于脂类与细胞膜相连，需要包含醇类的溶剂来抵消脂类与蛋白质之间的氢键和离子作用力.此外，超临界流体萃取所用溶剂清洁、无毒、低廉，与传统的蒸汽蒸馏和溶剂提取相比，能够很好地保留脂肪酸一些令人喜欢的品质，将脂肪酸的芳香成分损失降到最低.Shaokun Tang等[57]用这个方法从微藻中提取了脂质，再结合尿素包合富集多不饱和脂肪酸也取得了比较好的效果.Rui L.Mendes等[58]还比较了超临界CO2萃取与有机溶剂乙醇、丙酮、正己烷和三氯甲烷、甲醇、水的混合物，发现丙酮提取的亚麻酸含量最高，但是权威认证丙酮在食品工业中不能使用，因此能够被认可的制取亚麻酸的是乙醇.Cao等[59]研究了运用超临界流体提取油脂，然后用高速逆流色谱来分离脂肪酸，比较了用纯CO2以及在CO2中加入10%的乙醇做调节剂后的得率，发现后者的得率和用传统的溶剂提取法相当，但是产品颜色变深，这可能是由于提取出了原花色素.因此在提取含有诸多活性物质的样品时需要注意采用的溶剂可能会提取出一些杂质.并且采用高速逆流色谱用各种两相溶剂来分离脂肪酸，发现采用庚烷-乙腈-乙酸-甲醇（4∶5∶1∶1，V/V）是最好的分离脂肪酸的两相溶剂，分离的单一脂肪酸的纯度超过95%.沈晓京等[60]采用超临界二氧化碳萃取和低温浓缩技术相结合富集亚麻酸，此工艺在低温的环境中，亚麻酸不会产生异构化，并且浓缩的亚麻酸没有异味，对人体和环境无害，副产品还可以再利用.最主要是整个工艺将脂肪酸提取与分离连续完成，溶剂消耗少，萃取时间短，提取率高，全自动化操作，所得产品符合药品和功能性食品的要求，适于工业化生产，但是超临界萃取很难将相对分子质量与α-亚麻酸相近的脂肪酸及其单烯酸、二烯酸分离开，并且对设备要求比较高.

2 问题及解决对策

2.1 原料来源方面

我国含有α-亚麻酸的油料作物很少，含量最多的主要是紫苏籽和亚麻籽，而这些油料的种植区域很少，只有黑龙江、新疆、甘肃、内蒙、宁夏这几个省区大面积种植亚麻籽，并且这些地方大部分种植的是传统品种，产量较低，不能保证充足的原料供应.同时，亚麻籽适宜于在干燥寒冷的气候下生长，也限制了其在全国范围内的广泛种植.因此筛选、选育用于发酵生产亚麻酸的微生物资源，利用基因工程技术改造现有资源以及培养高含量和适应性强的油料很有必要，同时鼓励更多地区广泛种植富含亚麻酸的经济作物；加强政府的政策引导，加大培育富含α-亚麻酸的油料品种的投入，调整当今农业种植结构，这也是农民脱贫致富的途径；大力宣传其作为经济作物的开发价值和市场前景，采取“公司+基地+农户”的形式，带动农民种植积极性，通过加强技术培训和技术指导等促进富含亚麻酸油料产业的持续健康发展.

2.2 α-亚麻酸基础应用研究方面

2.2.1 α-亚麻酸制取

目前制取α-亚麻酸的方法较为单一，常规的皂化酸解，工艺控制不当，很可能造成皂化不完全，脂肪酸的颜色较深；酶法水解需要的脂肪酶成本太高，并且脂肪酶的催化条件比较苛刻，水解率相对于皂化酸解不高.而改进皂化工艺，比如加入新型催化剂如相转移催化剂将会使油脂皂化反应在更低的温度下，更短的时间内进行，避免高温使亚麻酸氧化、聚合的问题；运用生物工程技术大力培育产酶微生物，提高脂肪酶的种类产量，对脂肪酶进行固定化使其重复利用，降低生产成本.

2.2.2 α-亚麻酸纯化

低温结晶法需大量单一有机溶剂，并需要将原料油酯化，否则影响产率；吸附分离法中的洗脱剂易增加污染，不宜大规模制备；分子蒸馏需长时间高温处理，可能会造成多烯脂肪酸裂解、聚合等问题；尿素包合法分离纯度较低，包合不完全，并且存在尿素残留等问题；银离子络合纯化法虽然纯度较高，但是产量较小，难以商业化，并且存在重金属残留问题等；超临界流体萃取难以将双键数相近的脂肪酸以及结构相近的脂肪酸分离.对于常规纯化方法存在的诸多问题，新兴工艺纯化备受关注，酶工程的发展将会带动油脂行业实现绿色环保，酶法酯交换纯化亚麻酸工艺能最大程度保留其营养特性，使脂肪酸颜色有所改善；酶法选择性浓缩将大大缩短α-亚麻酸纯化的工艺路线，将会是α-亚麻酸纯化工艺发展的主流趋势.

2.3 新产品、新技术的转化方面

随着对α-亚麻酸研究的深入，虽然对新产品和新技术的开发方面取得了一些进展，但是由于投资成本高，α-亚麻酸加工企业没有形成规模化，综合加工能力不强，缺乏效益的综合调控能力和抵御市场风险的能力，导致研究成果的转化率低.并且目前开发的α-亚麻酸产品主要用于保健品行业，市场定位单一，企业主体创新能力的不足导致产品品种较少，质量不高，限制了在其他行业的应用.因此应加大对α-亚麻酸及其延伸产品在食品、药品及高档化妆品行业应用方面的研究与开发，鼓励企业调整产业结构、产品结构的同时，大力延伸产业和产品的链条；用新技术、新工艺开发出既能体现出地域特点、又能占有市场的α-亚麻酸系列产品，从而增强α-亚麻酸产品的国际市场竞争力.采用技术推动与市场需求相互作用的模式，强调技术和市场的有机结合共同推动技术创新.

2.4 产品质量控制体系

α-亚麻酸产品质量的好坏不仅影响其自身价值，也会决定其市场竞争力.目前我国α-亚麻酸产品加工业的质量标准体系、食品安全体系及质量认证体系、检验监测体系建设还属于空白，并且α-亚麻酸衍生产品的标准亟待完善.近年来各种问题食品，让消费者对新型产品的安全感丧失，因此加强α-亚麻酸系列产品的品质检测和监督至关重要，同时发展绿色、高档产品，提高产品的附加值，例如加工增值、包装增值、服务增值、新概念功能食品增值等，增强油料加工企业在国内、国际市场竞争力.

3 展望

随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，人们对食品的需求不再仅限于解决温饱和必要的色、香、味，而更着重于食品的营养和健康.α-亚麻酸作为人体必需的不饱和脂肪酸，具有很多的生理功能，在医药、保健、食品等领域需求广泛.WHO和FAO也立项在世界范围内联合推广，上世纪90年代以来，西方许多国家如美、法、日等都立法规定，在指定的食品中必须添加α-亚麻酸及代谢物方可销售.由于α-亚麻酸迄今不能人工合成，只能依赖于有限的自然资源，因此，含α-亚麻酸的资源限制和含量问题无法满足市场对高纯度α-亚麻酸的需求.进一步开发和探寻富含α-亚麻酸的自然资源，并深入研究α-亚麻酸的制取与纯技术及其α-亚麻酸延伸产品在食品、药品及高档化妆品行业应用技术，对促进农业产业化、农业资源高效利用以及农产品加工向着精深加工方向发展具有广泛而深远的意义.

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