高含量ω-3多不饱和脂肪酸鱼油甘油酯的制备与研究概况*

2023-01-07江洲

福建轻纺 2022年6期

江洲

（福建省特种水产配合饲料重点实验室福建天马科技集团股份有限公司，福建福清 350308）

深海鱼油富含二十碳五烯酸（EPA）与二十二碳六烯酸（DHA）等多种ω-3多不饱和脂肪酸，是海洋生物脂质的重要组成部分，具备许多对人体有益的生理功能，在防治心脑血管疾病、促进大脑和视网膜形成、延缓脑的衰老及抗炎、抑制过敏反应等方面发挥重大作用，是全世界公认的高附加值的药品、营养保健食品和水产饲料原料，市场成熟度高。近年来ω-3脂肪酸含量≥50%的鱼油甘油酯型产品在国外面世，与普通鱼油产品相比它具有食用安全性好、天然和生物利用率高的特性，属于高端鱼油药品和保健品。因此，高含量ω-3多不饱和脂肪酸的甘油酯型鱼油产品的研发和制备，不仅可以满足鱼油行业结构调整和产品升级需求，而且顺应全球消费市场对高端鱼油产品日益增长的需要，成为食用油脂加工业新的经济增长点。

1 深海鱼油产品类型及升级

深海鱼油中ω-3多不饱和脂肪酸的重要生理功能被明确后，作为食用油脂的深海鱼油产品发展主要经历了三个阶段。

第一个阶段始于上世纪七十年代，这一阶段的鱼油产品主要是天然的甘油三酯型深海鱼油。加工工艺是将鱼肉蒸煮、挤压后得到粗制鱼油，再通过脱胶、脱酸、脱色和脱臭等精炼工艺获得纯化的鱼油甘油三酯。其中鱼油产品的ω-3多不饱和脂肪酸含量为15%～30%。

第二个阶段始于上世纪80年代。由于化学合成技术和分离技术的发展，工业上将ω-3脂肪酸为 25%左右的鱼油甘油三酯和甲醇或乙醇进行化学合成反应，生成鱼油甲酯或乙酯，再经过分子蒸馏进一步提纯得到ω-3脂肪酸含40%～80%的甲酯型或者乙酯型鱼油产品。由于该产品的黏度低并且ω-3 脂肪酸含量较高，因此受到消费者青睐，并逐渐占据了国内外鱼油保健产品的主要市场。在同一时期，作为药品的高浓缩EPA和DHA乙酯面世，例如：挪威Pronova Biocare公司研发EPA和DHA含量高达84%的多烯乙酯处方药Omacor，主要用于治疗再发性心肌梗死；日本的持田制药研发EPA和 DHA含量高达96%的多烯乙酯处方药Epadel，用于治疗动脉硬化和高血脂[1]。

第三个阶段始于上世纪 90 年代。现代医学研究表明乙酯型鱼油在人体胃肠道内的消化吸收率低，并且对于婴幼儿以及酒精过敏症患者可能会存在食品安全性的潜在风险[2]，而ω-3脂肪酸的甘油酯比乙酯更容易被人体吸收，在消化道内的水解速率更高且更加安全，其功能性研究表明甘油酯型鱼油的生物利用率比乙酯型鱼油高70%左右[3]。另一方面，天然形式的甘油三酯型鱼油的存在形式最符合配药学规则，比如EPA的甘油三酯形式更适合用于抑制血栓的制剂[4]，甘油三酯的形式也更适合于婴幼儿食品，因为ω-3脂肪酸在母乳中就是以甘油三酯的形式存在的[20]。因此，高含量ω-3多不饱和脂肪酸的甘油酯型鱼油产品具有了食用安全性好、天然和生物利用率高的特性而备受关注，成为目前全球鱼油产业新的经济增长点。

高含量ω-3多不饱和脂肪酸的甘油酯型鱼油产品的经济附加值高，但是长期以来，我国鱼油产品市场大都被进口产品占据。本地产品以乙酯型鱼油和低含量ω-3多不饱和脂肪酸鱼油为主，而同期北美、西欧、日本等地区利用生物技术生产的高含量ω-3多不饱和脂肪酸甘油酯型鱼油已实现商品化，并且销售规模不断扩大。我国的高含量ω-3甘油酯型鱼油的开发正处在初始阶段，受技术和成本所限，还未形成商业化生产规模，只有个别企业投入了试生产阶段，年产量仅为百公斤左右，缺乏市场竞争力。受新冠疫情的影响，2020年以来欧美各国的食品级鱼油生产受到极大影响，给我国的食品级鱼油行业创造了良好的机会。2021年我国的食品级原料鱼油的进口量超过5万吨，比上一年进口量增加近一倍，这充分说明了食品级鱼油需求旺盛。因此，应抓住机遇，加快行业结构调整和产品升级，适应全球市场对高含量ω-3脂肪酸的甘油酯型鱼油产品日益增长的需求。

2 高含量ω-3脂肪酸甘油酯型鱼油的制备方法

高含量ω-3脂肪酸的甘油酯型鱼油产品是目前鱼油保健品的发展趋势，其制备工艺成为目前鱼油深加工关键技术之一。目前，实验室与实际生产中采用的制备方法有传统的物理化学方法和生物技术合成法[5,6]。

2.1 低温结晶法

低温结晶法是在低温条件下，根据不同类型的脂肪酸熔点不同以及在过冷有机溶剂中的溶解度差异而进行分离的一种方法，因此又被称为冬化法或溶剂分离法。通常情况下，脂肪酸在有机溶剂中的溶解度与碳链长度成反比，与双键数成正比[7,8]。

罗庆华等采用低温结晶法提高鳡鱼油内的EPA和DHA含量，利用乙醇为溶剂，通过正交实验优化，在料液比为1∶6，结晶温度为-30 ℃，结晶时间为5 h的最佳工艺条件下对鳡鱼油进行处理，得到的鳡鱼油产物内的多不饱和脂肪酸含量提高了 25%左右，其中EPA和DHA总含量提高了4%左右[9]；张红燕等通过低温结晶法对金枪鱼油处理后，EPA和DHA总含量由处理前的29.05%上升到32.20%[10]。

低温结晶法的优点在于设备简单、投资小、操作方便安全，并且因为特殊的低温环境，能够使鱼油中的成分得到有效保留，适用于中小规模生产。但该法能耗较大，有机溶剂浪费严重并造成污染，并且ω-3脂肪酸含量的富集程度不高，因此常作为其他方法的辅助手段来使用[11,12]。

2.2 酶法制备高含量ω-3脂肪酸甘油酯型鱼油

脂肪酶技术在食用油脂工业应用已近半个世纪。脂肪酶反应的作用条件温和、催化效率高、专一性强、产物易于分离，因此非常适用于容易高温氧化的ω-3脂肪酸的加工和处理[13-17]。微生物是脂肪酶的重要来源，产酶菌株主要集中在根霉（Rhizopus）、曲霉（Aspergillus）、假丝酵母（Candida）、毛霉（Mucoraceae）、须霉（Phycomyces）和假单胞菌（Pseudomonas）等 65个属的微生物[18]。脂肪酶除了能够催化甘油酯水解外，还能够催化酯交换、酯化、酸解以及醇解等多种反应，在深海鱼油产品的制备生产中起到了关键作用。目前采用脂肪酶技术制备高含量ω-3脂肪酸甘油酯型鱼油，脂肪酶选择性水解法、脂肪酶酯化法和脂肪酶酯交换法是三种常用工艺路线。

2.2.1 脂肪酶水解法

大部分的脂肪酶具有Sn-1,3位置选择性，在水解脂肪时能够有选择地先将Sn-1,3位的脂肪酸水解。研究表明深海鱼油甘油三酯的Sn-2位通常连接EPA或者DHA等多不饱和脂肪酸，其他脂肪酸通常连接在Sn-1,3位上。因此可以利用特异性脂肪酶水解鱼油，将大部分Sn-1,3位的脂肪酸水解下来，从而使甘油酯型鱼油中的EPA和DHA含量得到提高。

石红旗等人采用脂肪酶水解法提高鳀鱼油内的EPA和DHA含量，以国产假丝酵母酶催化水解反应，经过优化在脂肪酶用量为300 u/g油，反应温度为45 ℃，反应时间为12 h，油水比为0.4 mg/g 油，乳化剂为Ca(OH)2 的条件下水解鳀鱼油，得到EPA和DHA分别为34.0%和13.9%的鳀鱼油产品[19]。朱东奇等人以重组米根霉脂肪酶催化水解反应水解鳀鱼油，得到产物鱼油甘油三酯含量为39.38%，甘油二酯含量为32.09%，甘油一酯含量为2.60%，并且甘油二酯中的DHA含量达到19.70%，甘油一酯中的DHA含量达到25.20%，与未水解鳀鱼油相比，DHA含量大幅提升[20]。

2.2.2 脂肪酶酯化法

脂肪酶酯化法是在脂肪酶的催化作用下，单烯脂肪酸和饱和脂肪酸会优先与醇发生酯化反应，从而以游离脂肪酸的形式使未反应的EPA和DHA得到富集，此外，还可以通过脂肪酸与醇发生酯化反应生成甘油酯，使得EPA和DHA保留在甘油酯链上与其他脂肪酸分离。刘书成等人采用酶促酯化法提高黄旗金枪鱼油中的EPA和DHA含量，利用Novozyme 435酶催化酶促酯化反应，经过优化在反应温度为40 ℃，初始水分含量为0.5%，酶添加量为25 mg，反应时间为24 h的最优条件下得到了甘油二酯含量为56.06%，甘油三酯为31.25%，甘油一酯为12.07%的黄旗金枪鱼产品，其中EPA含量达到了13.49%，DHA含量达到了73.36%[21]。

2.2.3 脂肪酶酯交换法

脂肪酶酯交换法也称为脂肪酶转酯法，是利用具有酯交换活力的脂肪酶催化甘油酯型鱼油与游离脂肪酸、短链醇或者另一种脂肪酸酯类发生酰基交换反应。按照底物不同，脂肪酶转酯法可以分为酸解反应、醇解反应和酯—酯反应三种类型。郭正霞等人采用酯交换反应制备高EPA和DHA含量的甘油酯型鱼油，采用国产固定化假丝酵母脂肪酶催化反应，用正交实验对反应参数进行优化，得到了最佳的反应温度为60 ℃，反应时间为24 h，反应底物质量比为5∶4，加酶量为80 U时，制得了EPA和DHA含量分别为33.40%和13.10%的甘油酯型鱼油产品[22]。李金章等人用酯交换反应法制备高EPA和DHA含量的甘油酯型鱼油，分别采用K酶和TL IM酶催化反应，通过正交实验优化得到2种酶的最适作用条件，其中K酶在反应温度为40 ℃，加酶量为6%，反应时间为18 h，底物摩尔比为2∶1时，得到产物甘油酯型鱼油EPA和DHA总含量为45.58%；TL IM 酶在反应温度为60 ℃，加酶量为6%，反应时间为18 h，底物摩尔比为 2∶1 时，得到产物甘油酯型鱼油EPA和DHA总含量为 42.66%[23]。

3 甘油酯型鱼油产品的分离

通过酶法制备的甘油酯型鱼油产品，终产物含有游离脂肪酸和脂肪酸甲、乙酯以及甘油等物质[24]。这些物质的存在无益于产品的品质，甚至还会加速产品的氧化变质，如游离脂肪酸会加速油脂氧化。传统工业中用到的碱炼法仅能对游离脂肪酸进行去除，而伴随着油脂工业的发展进步，诞生了诸如减压蒸馏法和分子蒸馏法等更有效的方法，这些方法不仅能够去除游离脂肪酸，还能够去除脂肪酸乙酯等物质。

3.1 碱炼法去除游离脂肪酸

酯交换反应得到的产物鱼油中含有一定量的游离脂肪酸，游离脂肪酸不仅会产生刺激性气味，而且还加速中性油的水解酸败以降低油脂的物理化学稳定性，必须尽量除去。碱炼法是目前工业上脱除游离脂肪酸的传统方法，它的原理是采用氢氧化钠或者氢氧化钾等强碱来中和油脂中的游离脂肪酸，所生成的皂则可以将其他杂质吸附，然后在沉降的过程中使得游离脂肪酸与中性油得到有效分离[25-27]。姚尧等人采用碱炼法脱除猪网油中的游离脂肪酸，通过正交实验优化，得到反应的最佳参数，在碱液质量分数为21%，超碱量为0.1%，碱炼时间为70 min 和碱炼初温为45 ℃时，碱炼产物的酸价从6.25 mgKOH/g 降至0.12 mgKOH/g[28]。碱炼法的操作简单、效果明显，但是碱炼法仅能够脱除游离脂肪酸，而对甲、乙酯型鱼油和甘油等物质无法脱除，因此存在一定的局限性。

3.2 减压蒸馏分离

减压蒸馏法是工业上常用的分离甘油酯和脂肪酸的方法，减压蒸馏的原理主要是依据游离脂肪酸、乙酯与甘油酯的沸点不同，并且负压条件能够降低物质的沸点，使其在远低于常压沸点的温度下沸腾气化，有利于降低多不饱和脂肪酸的氧化。减压蒸馏操作简单、普及较广、效率较高，负压条件使加热温度降低，能耗也得到降低，在油脂工业中的应用广泛。胡永员等人采用减压蒸馏法分离人乳脂替代品，在220～300 ℃的温度范围内进行分离，得到蒸馏后的人乳脂替代品中的甘油酯较蒸馏前约提高了71%，酸价为8.6 mgKOH/g[29]。

3.3 分子蒸馏分离

分子蒸馏利用不同分子在高真空的条件下有效直径不同，其加热逸出液面后分子运动的平均自由程不同来实现物质分离，是一种新型的液—液分离方法，能够有效分离油脂等高沸点、高粘度和高热敏性的物质。分子蒸馏具有蒸馏温度较低、受热时间较短、清洁环保等优点，因此被广泛应用于制药、食品、化工等行业，是一种绿色高效的工业生产方法[30-33]。通过分子蒸馏法结合脂肪酶法生产ω-3脂肪酸产品在工业生产中已经得到初步应用。Patricia Fregolente等人采用分子蒸馏法分离大豆油酶促酯化反应产物中的甘油单酯，使用离心式分子蒸馏设备，在体系压强为24 Pa，转速为1350 r/min，温度为250 ℃的条件下得到纯度为81%的甘油单酯[34]。María Teresa Sanz等学者采用分子蒸馏法分离沙丁鱼油酶促酯交换反应产物中的甘油单酯，在底物比甘油∶沙丁鱼油为1.5∶1，温度为50 ℃，时间为2 h，酶添加量为5%的条件下进行酶促酯化，在体系压强为1.0～0.3 kPa条件下采用3步分子蒸馏分离产物，第一步蒸馏温度为110 ℃，进料速率为1 mL/min 的条件下除去了游离脂肪酸和甘油；第二步蒸馏温度155 ℃，进料速率为1 mL/min 的条件下得到了纯度为91%甘油单酯和5.7%的甘油二酯混合物，ω-3脂肪酸含量为31%；第三步蒸馏温度为125 ℃，进料速率为 1 mL/min的条件下进一步提高了甘油单酯中ω-3脂肪酸的含量[35]。