反式脂肪酸生成机理的研究

李昌模 张钰斌 李 帅 邓盈盈 许 冲 王冠华 王 硕

（天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457）

反式脂肪酸生成机理的研究

李昌模 张钰斌 李 帅 邓盈盈 许 冲 王冠华 王 硕

（天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457）

反式脂肪酸的危害越来越被人们所熟知。反式脂肪酸的形成机理也各不相同。食品中的反式脂肪酸主要来自于反刍动物代谢过程中生成与食品加工过程中形成的反式结构的脂肪酸。反刍动物体内的反式脂肪酸是由氢化细菌-丁酸弧菌酶促氢化作用下形成。植物油氢化工艺中，在金属催化剂参与下产生反式异构体。在高温烹调条件下，发现反式脂肪酸含量不断增加，通过量子化学密度泛函理论推导（能量计算）与试验验证相结合，发现在150°或更高的温度下油酸发生异构化生成反式油酸。

反式脂肪酸 危害 机理

1 反式脂肪酸概述

反式脂肪酸（trans fatty acid，TFA）是碳链上含有一个或以上非共轭反式双键的不饱和脂肪酸及所有异构体的总称，它是一种羧酸类化合物，由碳氢组成的烃类基团连结羧酸基团所构成，如图1所示。由顺式双键形成的不饱和脂肪酸室温下一般呈现液态，如植物油；然而反式双键形成的不饱和脂肪酸室温下一般呈现固态。大部分天然不饱和脂肪酸的双键是以顺式几何构型存在。天然的反式脂肪酸存在于反刍动物体内，或者产生于经过加工处理的食品中（如氢化油脂，烹调油脂）。

图1 脂肪酸中碳-碳、碳-氢结合的平面构型

研究表明，饮食中反式脂肪酸代谢效应类似于饱和脂肪酸［1］。在美国平均摄入的反式脂肪酸大约是 7 g／d，范围 5～27 g／d［2］。2013年，我国国家食品安全风险评估中心正式公示了其2年内的调查和评估结果，显示中国人通过膳食摄入的反式脂肪酸所提供的能量占膳食总能量的0.16%，北京和广州的居民为0.34%，远低于WHO（世界卫生组织）建议的1%的限值，也显著低于西方发达国家居民的摄入量。但同时称，仍有0.4%的城市居民摄入量已经超过WHO的建议值。所以反式脂肪酸影响人体健康的问题仍然不容忽视［3］。

2 反式脂肪酸生成来源及产生机理

膳食中反式脂肪酸约有90%是单不饱和脂肪酸，其中只有很少一部分为双烯不饱和脂肪酸和其它多不饱和脂肪酸。膳食中的反式脂肪酸主要有以下几种来源。

2.1 天然来源——反刍动物（牛、羊）肉、脂肪、乳及乳制品

反刍动物脂类代谢的重要场所是瘤胃，它的代谢过程主要包括分解脂肪、饲料中不饱和脂肪酸的氢化及合成微生物脂肪3个方面［4］。研究发现，在反刍动物瘤胃中存在很多的微生物，瘤胃微生物对日粮中的多不饱和脂肪酸（PUFA）发生生物氢化作用产生饱和脂肪酸，反式脂肪酸、共轭脂肪酸及其异构体，异构化效率取决于胃瘤中的脂肪酸含量、种类与胃瘤的pH值，其氢化效率较高［5］。

通过传统研究［4，6］和近些年来的一些体内［7］、体外［8］和培养［9］研究试验已经基本确定 C18∶3n-3和C18∶2n-6的主要和部分次要瘤胃微生物氢化路径（图2）。发现瘤胃中最主要的氢化细菌是丁酸弧菌（Butyrivibrio fibrisolvens）［10-14］，研究发现其中的溶纤维丁酸弧菌直接参与脂肪酸的代谢。饲料中脂肪主要以甘油三酯的形式存在，进入到胃瘤中大部分甘油三酯被脂肪酶迅速分解生成游离脂肪酸参与酶促氢化过程。如图2所示，脂肪酸的瘤胃微生物氢化过程主要包括异构化以及加氢步骤：首先，PUFA在异构化酶的作用下生成具有共轭顺-9，反-11（9c，11t）的异构化产物，其中 C18∶3n-3型脂肪酸主要为9c，11t，15c C18∶3，而 C18∶2n-6型脂肪酸为9c，11t C18∶2；随后，这些异构化产物的 cis双键逐步被氢化，2个过程中最主要的中间产物是11t C18∶1；最后，11t C18∶1被氢化为终产物C18∶0。由图2可知，C18∶2n-6和C18∶3n-3在瘤胃微生物的酶促氢化作用下不仅生成饱和脂肪酸C18∶0，而且会产生很多PUFA和单不饱和脂肪酸（MUFA）异构体，尤其是反式和共轭脂肪酸［4，15］，且有研究表明这些中间产物的种类因饲料组成的不同而产生较大差异，而这些差异最终会在各种条件下体现于体脂肪与乳脂肪中［16-19］。

图2 C18∶2n-6和C18∶3n-3的瘤胃微生物主要氢化推断路径［20］

在反刍动物进食区域里发现一种异构化酶，它导致了不饱和脂肪酸的顺反异构化。通过还原酶的氢化作用反式脂肪酸在反刍动物的瘤胃中产生，并传递到乳脂以及自身脂肪当中［21-24］。

2.2 植物油氢化加工——氢化植物油、起酥油

天然存在的动植物油脂中一般都含有各种不饱和脂肪酸，它们化学性质活泼，易发生加成、氧化、聚合等反应，影响到油脂的品质。其表现在：1）降低了油脂的熔点，是油脂在常温下呈液态，影响运输和贮存；2）降低了油脂的稳定性，因为油脂存放过程中会与氧，光以及微生物作用，产生醛酮类化合物以及各种氧化产物和不良气味，严重影响油脂品质。为了克服油脂中不饱和脂肪酸带来的这些缺点，我们常将动植物油脂进行氢化，其原理是：在金属催化剂（例如镍、铜等）作用下，油脂中不饱和脂肪酸双键加氢使其饱和化。目前氢化是应用最广泛的油脂改性方法，这一改良方法提高了油脂的饱和度及熔点，增加了油脂中固体脂肪含量，提高油脂的热稳定性和抗氧化稳定性，延长油脂保存期，还可通过控制氢化工艺条件和氢化程度来生产不同用途的专用油脂基料油，以增加油脂的用途［25］。但是，在氢化过程中，产生反式脂肪酸，这对于油脂氢化技术是一个严峻的考验。

如图3所示，油脂氢化机理中最具代表性的是Streitwiser等［26］提出的油脂氢化模型，该模型认为油脂氢化过程可以分为4个步骤：1）氢气分子在油脂中扩散并溶解；2）氢分子被催化剂表面活化中心吸附，形成氢-金属催化剂活性中间体；3）不饱和双键与氢-金属催化剂活性中间体形成金属-π络合物；4）金属-碳σ键中间体吸附氢并同时解吸，形成饱和烷烃。1个氢原子的添加使部分双键饱和并有机会自由旋转成为方向改变的几何异构体，这是由于“活化中心”两侧的氢具有很高的反应活性，金属-碳σ键中间体上σ键的可旋转性，以及油脂氢化时受压力、催化剂以及温度的影响使顺式结构容易发生异构化形成反式结构。

Min［27］也提出了半氢化／脱氢路径。在氢化过程中，氢原子可以加入到双键的末端，形成自由基位点，自由基位点受到催化剂的约束。此位点化学性质不稳定，如果催化剂部分被氢原子覆盖，氢原子邻近的碳原子发生消除反应，从而使双键再生或者导致位置异构体的形成。氢化过程中形成的自由基可以自由旋转，双键重新形成伴随着顺势或者反式结构的形成。

图3 Streitwiser油脂氢化机理模型

图4 Min油脂氢化机理模型

在大豆油、菜籽油等植物油中，主要存在的脂肪酸分别为 C18∶3，C18∶2和C18∶1脂肪酸。这些植物油经过氢化加工可以形成多种双键位置和空间构型不同的脂肪酸异构体，其中以反式C18∶1脂肪酸为主，其占总反式脂肪酸的54%～82%，反式双键位置主要分布在 Δ4～Δ16之间，并以 Δ9t C18∶1、Δ10t C18∶1和Δ11t C18∶1这3种形式为主。反式脂肪酸的含量和组成在不同的油脂产品中变化很大，其原因主要是由于所用的原料油的不同，以及氢化加工的程度和技术不同而导致。通常情况下植物油中含有较少反式脂肪酸，固化脂肪中则含较多反式脂肪酸，平均约占总脂肪的30%，如豆油、色拉油和人造奶油中反式脂肪酸含量一般在5%～45%之间，最高可达到65%［28］。近年来随着食用油脂的加工工艺技术的提高，反式脂肪酸在食用油脂中的含量在逐渐降低。

2.3 植物油的精炼工艺

工业化生产食用油脂主要采用压榨法和浸出法。植物油传统压榨法或浸出法制取的毛油中含有游离脂肪酸、胶质、色素等杂质，需经精炼过程去除。油脂的脱臭过程在真空、高温条件下进行，顺式脂肪酸在高温、金属离子等因素影响经过异构化作用而生成不同类型的反式脂肪酸［29］。在高温条件下，不饱和脂肪酸中的双键容易被破坏，发生异构化生成反式脂肪酸的同时有一部分发生不饱和键断裂生成短碳链的挥发性化合物。

图5 顺式油酸C18∶1异构化机制［33］

Kemeny等［30］研究了菜籽油在204～230℃下脱臭2～8 h后的反式脂肪酸含量的变化。研究发现，不同的脱臭温度和时间会引起亚油酸和亚麻酸的异构化；反式亚油酸含量（与总反式脂肪酸相比）变化范围从＜1%增加到约6%，而反式亚麻酸含量（与总反式脂肪酸相比）从＜1%增加到约65%。

Tasan等［31］研究发现，葵花籽油经过精炼工艺使反式脂肪酸的含量迅速增加。化学精炼葵花籽油的平均反式脂肪酸含量增加＜1%，主要发生于脱臭阶段，然而物理精炼的反式脂肪酸含量增加了2.5%，主要发生于脱色和水蒸汽蒸馏阶段。

2.4 食品加工过程中温度的影响

不良的烹饪习惯也是导致油脂中反式脂肪酸生成的一个重要原因。在日常生活中，许多人习惯在烹饪时将油加热到冒烟，由于油的温度较高，油脂异构化产生的反式脂肪酸较多，而且一些经过反复煎炸的油，油温更是远远高于发烟点的温度，会积累较多的反式脂肪酸，而且还会产生其他具有挥发性的醛、酮、醇等化合物，严重影响了油脂的品质。在高温条件下发生的不饱和脂肪酸异构化，主要由高于活化能的热能作用下使顺式结构发生异构化。

Li等［32］研究了热引发大豆油中非共轭亚油酸（C18∶2）cis／trans异构化的机制。通过在2个温度下（180℃和220℃）加热大豆油，发现9c，12t C18∶2和9t，12c C18∶2是加热的大豆油中的主要反式同分异构体。氢化大豆油中的反式脂肪酸与加热过程中形成的反式脂肪酸种类差别，主要由其形成机制不同所导致。

Li等［33］研究了纯油酸甘油三酯（C18∶1）cis／trans异构化反应。利用量子化学密度泛函理论（DFT）对其形成机制进行了理论推理并通过试验验证，发现顺式油酸在145.46℃下发生了焓变（放热现象），与反式油酸生成时属于放热反应相吻合。同时在150℃下加热1 h时检测到了反式脂肪酸的存在而在145℃加热3 h仍没有检测到反式脂肪酸的存在。利用密度泛函理论对顺式与反式油酸的键能进行了计算分析，得出9c C18∶1和9t C18∶1能量差为7.6 kJ／mol。从9c C18∶1转换到9t C18∶1的能垒为 294.5 kJ／mol，其值大于亚油酸（284.2 kJ／mol或者 286.4 kJ／mol）［32］。所以，在高温条件下油酸比亚油酸更难以异构化。反应能量计算与Christy［34］在活化能的图解描述一致。

然而，热引发异构化的机制仍然需要进一步讨论，以2-丁烯为模型研究发现C═C双键的直接旋转导致π键的断裂，最后形成一个非常不稳定的双自由基产物，通过旋转形成反式结构［35］。Wakako Tsuzuki也研究了三油酸甘油酯经产生自由基跨过能垒（以2-丁烯为模板）使双键异构化的机制［36］。

3 总结与展望

随着人们生活水平的提高，对反式脂肪酸所带来的潜在危害越来越重视，反式脂肪酸问题已经成为有关食品安全事件的一个热门话题。主要阐述了反式脂肪酸的来源以及形成机制，旨在从反式脂肪酸生成机理方面寻找控制反式脂肪酸产生的方法，从而抑制反式脂肪酸的形成，降低食用安全风险。通过分析反式脂肪酸形成机理，发现热加工过程中控制温度是阻止反式脂肪酸生成的有效手段，其中顺式油酸的异构化温度控制在145℃以下即可达到无反式油酸的目的，对于多不饱和脂肪酸的异构化控制温度仍需进一步研究。

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Mechanism of Formation of Trans-Fatty Acids

Li Changmo Zhang Yubin Li Shuai Deng Yingying Xu Chong Wang Guanhua Wang Shuo
（College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457）

The hazards of trans-fatty acids are well known by people increasingly.The formation mechanisms of trans-fatty acids are different in various food processes.Trans-fatty acid in food are produced by ruminantmetabolism and food processing.The trans-fatty acids in the body of ruminantare formed under the action of hydrogenating bacteria-Butyrivibrio.The trans-fatty acids isomer during the hydrogenation process of vegetable oil is formed in linewith the contribution ofmetal catalysts.On the condition of high temperature cooking，the level of trans-fatty acids could be found to increase through a combined theoretical derivation of quantum chemistry in Density Functional Theory（DFT）.With the experimental verification，some studies have found that the oleic acid can isomerize into trans-fatty oleic acid at150℃or a higher temperature.

trans-fatty acids，hazards，mechanism

TS221

A

1003-0174（2015）07-0141-06

“十二五”国家科技支撑计划（2012BAD33B02）

2014-02-13

李昌模，男，1971年出生，副教授，功能性油脂开发与食用油脂加工过程中有害因子形成机理