甘油二酯的合成、代谢及应用研究进展

万思迪，朱恩恒，向 霞，黄遵锡,2,3

(云南师范大学生命科学学院1，昆明 650500) (云南能源持续开发利用教育部工程中心2，昆明 650500) (云南省生物质能与环境生物技术重点实验室3，昆明 650500)

油脂是人体不可缺少的营养素，但摄入过多，会加剧肥胖人群的产生。甘油二酯(DAG)是一种由两个高级脂肪酸连接在甘油骨架上的油脂，比甘油三酯(TAG)少一个酯键连接的高级脂肪酸，根据脂肪酸酰基与甘油骨架上羟基连接位置不同DAG分为3种异构体[3]，其分子结构式如图1所示。临床研究显示，当DAG质量分数大于27.3%，每天摄入2.5 g DAG时，可以促进餐后脂肪代谢，抑制脂肪积累[1]。 国家卫生健康委员会发布的文件中要求DAG油中其质量分数达到40%以上，食用量≤30 g/d，使用范围不包括婴幼儿食物[2]。目前，由于天然的DAG含量较少、生产成本高、价格昂贵等的原因，DAG产品并未被多数人食用。

图1 DAG 3种异构体化学结构式

由于生产DAG需要多学科集成技术，主要生产商一般都将DAG制备技术作为商业秘密。1999年，分别来自日本和美国的两家公司开展战略合作，销售DAG油[4]。2004年，中国植物油料加工和油脂加工技术研究发展规划意见提出将DAG作为重点研发对象[5]。王宝维等[6]研究利用鹅、鸭油高效固定化酶解制备DAG的工艺技术体系，开发出具有降脂、消炎、补钙等功能的鹅鸭油源DAG产品，DAG提纯率达到92.57%。目前，我国已上市的DAG食用油中含80%DAG和20%TAG。DAG除了在食品工业出露头角，在医药、化妆品和化工行业也有重要应用，因此未来DAG将会成为各工业领域关注的重点。它作为一种新的具有开发性的原料，本文对DAG的代谢、合成、检测、应用现状及食用安全性进行综述。

1 甘油二酯在人体内的代谢

油脂的代谢主要发生在小肠中，TAG和DAG利用相同的酶来完成代谢，但两者结构的差异导致最终的代谢产物不同。1,2-DAG和2,3-DAG的代谢方式与TAG相同。TAG在小肠中经sn-1,3 特异性胰腺酶水解后生成2-MAG与游离脂肪酸(FFA)，2-MAG与FFA重新组装成TAG，后被小肠上皮细胞吸收组装成乳糜微粒(CM)流入血液被肝脏吸收[7]。1,3-DAG在小肠中被胰腺酶水解生成1-MAG、FFA、甘油，之后和胆盐结合形成胶束被小肠上皮细胞重新吸收利用合成少量的TAG，由于该过程主要经过甘油3-磷酸途径且酰基辅酶A对1-MAG底物特异性差，合成的大量TAG只能储藏在小肠上皮细胞的细胞质中[8](图2)。

2 甘油二酯的合成

目前，国内外制备DAG的常见方法有化学法、生物酶法等，都不同程度存在污染环境、能耗过多、成本过高等问题。与化学法制备DAG相比，生物酶法制备在产率、纯度、反应时间和安全性等方面结果更好[9]。然而要将酶法应用到DAG工业化生产中，需要进一步研究和改进，如利用固定化脂肪酶催化成本过高、反应条件、反应器的设计、反应后如何获得高纯度的DAG等[10]。

图2 TAG和DAG在人体内的代谢

2.1 化学法制备甘油二酯

化学法制备DAG是以化学甘油解为主，以甘油和脂肪酸为原料在200～260 ℃的温度下利用碱性催化剂进行的。研究表明虽然高温下MAG和DAG的生成速率有所提高，但不适合生产富含DAG的热敏性脂肪酸，低温化学甘油解克服了这个缺点[11]，表1列出了在高温、低温下利用化学法制备DAG的方法。

表1 化学法制备甘油二酯

2.2 酶法制备甘油二酯

2.2.1 酯化法制备甘油二酯

该方法主要通过利用游离脂肪酸与甘油在脂肪酶催化下生成DAG和少量的TAG、MAG(图3)。徐扬等[18]利用偏甘油酯脂肪酶G50催化甘油和脂肪酸酯化反应制得44.74%的DAG且产物中没有TAG生成。陈佳子等[19]采用MAG和癸酸为原料，以脂肪酶Novozyme 435为催化剂，经过一系列工艺优化后制得37.3%的DAG。然而由于脂肪酸与甘油混溶性差导致脂肪酶表面会覆盖甘油而不能完全与底物结合，所以为了提高反应速率可以在反应体系内加入溶剂，CO2-丙酮体系能提高甘油和棕榈酸的酶促酯化反应，Tai等[20]利用该体系最终在50 ℃及不同浓度脂肪酶Novozym 435的催化下都获得不同含量的DAG。利用该法制备DAG关键是除去酯化反应产生多余的水，真空驱动-气泡模式反应器被证实能达到除水的效果，Liu等[21]在气泡柱反应器中用脂肪酶Lipozyme 435催化甘油与脂肪酸酯化，在无溶剂系统中快速生产得57.9%的DAG。

图3 酯化法制备甘油二酯

2.2.2 甘油解法制备甘油二酯

甘油解法制备DAG是工业上应用较为广泛的生物酶催化方法，以TAG和甘油为原料在脂肪酶的催化下产生DAG(图4)，且反应过程温和、副产物少、不会产生缩水甘油酯。Diao等[22]利用脂肪酶Novozym 435催化猪油与甘油，在45 ℃下反应8 h制得质量分数为61.76%的DAG。在生产中，必须克服底物(甘油和油相)之间的不混溶性，利用固定化酶的技术能加快其反应速率。利用SBA-15固定的黑根霉脂肪酶催化大豆油和甘油后，产生的DAG质量分数从15.45%提高至59.03%；利用SBA-15固定的南极假丝酵母脂肪酶分别催化大豆油、玉米油和甘油，得到质量分数达50%以上的DAG[23-26]。

图4 甘油解法制备甘油二酯

2.2.3 酯交换法制备甘油二酯

该法主要是通过以TAG和MAG(或脂肪酸甲酯、乙酯)为原料在特异性脂肪酶的作用下制备DAG(图5)，该法制备DAG成本较高，不适用于工业生产。孟祥河等[27]利用脂肪酶Lipozyme RM IM在无溶剂体系中催化SCA乙酯和甘油酯交换，在探究反应条件后制得质量分数55.5%的DAG。李磊等[28]在旋转蒸发仪中用脂肪酶Lipozyme RM IM催化米糠油和油酸甘油单酯的酯交换反应得到质量分数为27.6%的DAG。黄楚楚等[29]利用固定化脂肪酶TL IM催化共轭亚油酸乙酯和单油酸甘油酯，在无溶剂体系中发生酯交换反应制备得65%的DAG。杜伟[30]在叔丁醇溶液中利用固定化脂肪酶TL IM催化MAG与脂肪酸甲酯发生酯交换，最终得到质量分数高于70%的甘油二酯DAG产物。

图5 酯交换法制备甘油二酯

2.2.4 酶促水解制备甘油二酯

酶促水解制备DAG文献报道并不多，其主要涉及2个反应即脂肪或油的部分水解产物或FFA浓缩的部分水解产物，然后在特异性脂肪酶的存在下用甘油酯化部分水解产物中的FFA。该方法过程比较简单，主要通过控制其反应条件生产高含量的DAG，如Babicz等[31]在超声辐照条件下利用脂肪酶催化棕榈油部分水解生产DAG；吴克刚等[32]以花生油为原料，通过正交实验得出脂肪酶不完全水解制备DAG的最佳条件，在此最佳条件下制备得到质量分数为57.84%DAG。或选择高催化效率的酶，研究表明在以大豆油为原料时，脂肪酶ROL酶的催化效率最高[33]。李桥妹等[34]利用固定化脂肪酶 Lipozyme RMIM催化苍子核仁油部分水解制备DAG，最终得到比原油含量提高2.76倍的产物。

表2列出了酶法制备DAG所需脂肪酶、底物、溶剂、反应条件以及DAG生成量。

3 甘油二酯的检测方法

3.1 核磁共振

核磁共振(NMR) 是一种化学分析和医学检测技术，在化学、材料学、分子生物学领域被广泛应用。NMR观测原子的方法是将样品置于外加强大的磁场下，大多数核自旋会处于低能态，通过额外施加电磁场来干涉低能态的核自旋转向高能态，再回到平衡态便会释放出射频即NMR讯号。Dayrit等[35]使用31P NMR光谱分析出椰子油中的MAG、DAG的含量，可用于区分初榨椰子油和精制椰子油；龙娟等[36]通过1H NMR监控山茶油甘油解反应过程，建立了MAG、DAG、TAG的特征指标与含量的关系。

表2 酶法制备甘油二酯

3.2 近红外光谱

使用近红外光谱扫描样品，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息[37]。近红外光谱测量方便、快速、高效、准确，因此该技术受到越来越多人的青睐。明朗等[38]使用近红外光谱法检测植物油中的甘油酸酯及游离脂肪酸；Merce等[39]使用近红外光谱法测定出鲑鱼油中的脂肪酸和脂质类如TAG、DAG、FFA 和鲑鱼油中的麦角甾醇等物质。

3.3 薄层色谱

薄层色谱因其成本低、简单、开发时间短、灵敏度高和重现性好等特点，在许多分离混合化合物的实验中是最简单、最通用的方法之一。马巧霞等[40]以正己烷∶乙醚∶甲酸(82∶38∶2)为展开剂检测了脂肪酶催化粗马油合成甘油二酯的含量；Oellig等[41]使用高效薄层色谱-荧光，以正戊烷∶正己烷∶乙醚 (52∶20∶28) 的混合物作为流动相,检测了食品乳化剂中的MAG、DAG、TAG和 FFA。

3.4 液相色谱-质谱联用

液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)是以液相色谱作为分离系统，质谱为检测系统。HPLC-MS的基本优势包括潜在的高分析特异性、对小分子和大分子的广泛适用性、检测速度快、检测灵敏度高以及检测分辨率高等特点，在药物分析、食品分析和环境分析等许多领域也得到了广泛的应用，也应用于DAG的检测。胡谦等[42]利用高效液相色谱-高分辨质谱分析比较茶籽油与橄榄油的甘油酯组成差异，其中在茶籽油中检测到43种TAG和12种DAG，橄榄油中检测到34种TAG和10种DAG；Holcapek等[43]测定了16 种植物油样品中TAG和DAG的组成。

3.5 气相色谱-质谱联用

气相色谱-质谱联用(GC-MS)是以气相色谱进行物质检测，是以惰性气体作为流动相，采用色谱法对被测物质进行检测和分析的具体方法。当检测样品在300 ℃左右时可以使用GC-MS进行分析，因为GC-MS使用EI源得到的质谱信息多，同时毛细管柱的分离效果好[44]。刘放等[45]通过GC-MS检测了使用固定化脂肪酶HMIM催化酱油糟油脂中的游离脂肪酸合成的产物，MAG、DAG、TAG、FFA的含量。

4 甘油二酯的应用

4.1 在医学方面的应用

肥胖严重威胁人类的健康，与Ⅱ型糖尿病、饮食习惯、生活方式等有关，通过改变饮食习惯能有效控制其发展。研究表明膳食DAG油可促进体重减轻和体脂减少，并可作为饮食疗法的辅助治疗肥胖症[46]。此外，它能促进有益的代谢，如降低血清、肝脏和脂肪中的TAG水平、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇，还能调节心血管疾病风险因素、降低患糖尿病的风险[47]。DAG与蛋白激酶C组成的信号通路在非典型溶血尿毒综合征中也发挥着重要的作用[48]。由于黏膜上皮细胞通过磷脂酸途径吸收膳食DAG，DAG也被制成肠道营养吸收剂，为吸收功能不全的人群和术后患者提供人体必需的多种脂肪酸[49]。

4.2 在食品方面的应用

由于DAG具有提高油脂的可塑性、乳化性、稳定性的功能，富含DAG的油脂被广泛用于食用油和食品加工的原料中，将DAG调成体积分数10%以上的乳化液用于面包等烘烤产品的制作，可获得柔软度好、风味佳、容易脱模的产品，DAG组成的起酥油不仅改善食用品质而且提高加工成品的稳定性[50]。在食品保鲜中，由于DAG主要由不饱和脂肪酸组成，因此凝固点低，能在较低温度条件下保藏食物；另外，DAG具有形成乳液和保水的能力，可以替代使用添加盐和磷酸盐来增加食品保水能力的方法，从而减少对盐的需求以及避免了在食品中添加磷酸盐[51]。DAG良好的溶解性使其在速溶饮品中广泛应用，可以提供更高的风味和稠度丰富的泡沫，即便在较低的固体剂量时也能品味醇厚的口感[52]。此外，DAG在乳液中也有重要应用，DAG添加对奶粉的分散性和冲调性有显著性影响，不仅可以提高其稳定而且可以增加脱脂奶粉的香味，用来替代乳脂可增加酸奶的不饱和脂肪酸含量，改善酸奶的黏弹性和结构特性[53]。

4.3 在化工行业的应用

DAG是极具吸引力的合成起始原料，不仅可用于树脂、磷脂、糖脂、脂蛋白、重构脂质等多种化合物的合成，而且可以作为保湿剂、稳定剂添加到化妆品中，对皮肤有很好的保湿功效。Zhou等[54]认为当洗涤剂胶束成分中混有DAG时，去污能力会增强。Pompei等[55]开发的混有DAG和皮革碎片的热塑性淀粉材料，能为复合材料提供良好的界面。除此之外，DAG也可用于纺织品、皮革、除臭剂等。

5 甘油二酯食用安全性评估

DAG油中含有比普通食用油高10～182倍的聚甘油酯，聚甘油酯与氯离子共存并在高温作用下就会生成氯丙醇酯，二者能在特定的条件下可相互转化，被列为致癌性物质[56]。在200 ℃以上高温过程中，植物油会产生更多的氯丙醇酯和缩水甘油酯，并伴随氯丙醇酯产生，因此缩水甘油酯也被列为对人类具有致癌性的物质[57]。但有研究表明，优化生产工艺可以降低和控制植物油精炼过程中氯丙醇酯和缩水甘油酯的产生[58]。DAG作为一种天然、健康的成分，经过多项动物学实验均未观察到急性或慢性毒性，虽然现在暂未发现DAG的毒性反应，但在其生产过程中伴随生成的缩水甘油酯和氯丙醇酯，仍需要更系统、深入的研究和评价来证明其食用安全性[59]。

6 展望

DAG在各种工业行业有着举足轻重的应用价值，未来仍需加强研究DAG的功能特性，如：1)实验阶段研究表明DAG有益于抗肥胖、改善慢性疾病，但临床研究仍不多见；2)酶法制备DAG中酶制剂种类单一、价格昂贵、催化活性较低，限制了DAG的生产，开发制备经济、高效的酶制剂势在必行；3)工业制备的DAG是从一定浓度的混合脂肪酸甘油酯中纯化得到的，研究定性、定量地检测中间产物的组成和比例是进行DAG工业化技术研究的关键；4)伴随DAG食用油中产生的安全性问题，特别是氯丙醇酯和缩水甘油酯问题仍需要深入研究。