有機(jī)相酶法制備溶血磷脂工藝

孫清瑞，張東杰*，劉志明，鹿保鑫，王 琴，張清榮

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

有機(jī)相酶法制備溶血磷脂工藝

孫清瑞，張東杰*，劉志明，鹿保鑫，王 琴，張清榮

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

以大豆?jié)饪s磷脂為原料，通過(guò)響應(yīng)面分析法研究有機(jī)相酶法制備溶血磷脂的工藝條件，得出溶血磷脂酸值與影響因素間的回歸模型，根據(jù)模型進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。同時(shí)，用紅外光譜法和高效液相色譜法對(duì)所得磷脂進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在正己烷有機(jī)相中利用磷脂酶A1制備溶血磷脂的最佳工藝參數(shù)：反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間13h、加酶量4%、加水量17%、磷脂質(zhì)量濃度24g/100mL，該條件下磷脂酸值為73.8mg KOH/g。該脫油溶血磷脂中磷脂酰膽堿和1-酰基-溶血磷脂酰膽堿含量分別為6.79%和4.45%。

溶血磷脂；磷脂；磷脂酶A1；響應(yīng)面分析法

大豆磷脂除具有生理活性外，還具有乳化、增溶、潤(rùn)濕等性能，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域[1]。溶血磷脂是僅含有一個(gè)脂肪酰基的磷脂[2-8]，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，溶血磷脂保留了普通磷脂的雙親兩性結(jié)構(gòu)，更在一定程度上改變了由于親水親油平衡值(hydrophil and lipophile balance，HLB)偏低而致普通磷脂應(yīng)用范圍受限制的狀況[9]。同時(shí)溶血磷脂的一些特殊性能亦引起生理藥理學(xué)家的極大興趣，因此極具開(kāi)發(fā)價(jià)值[10-12]。在有機(jī)相中進(jìn)行酶促反應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：1)微生物不易存活；2)反應(yīng)物不易變質(zhì)；3)可以更好的保持酶活；4)有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)較低，方便脫溶。磷脂酶A1(lectiase ultra)是一種羧酸酯水解酶，經(jīng)基因改造的米曲霉深層發(fā)酵而得的，其基因供體為尖孢鐮刀霉和棉狀嗜熱絲孢菌，因此具有酶源廣的優(yōu)點(diǎn)。它能催化磷脂水解生成2-酰基-溶血磷脂和脂肪酸，但2-酰基-溶血磷脂會(huì)部分發(fā)生酰基位移生成1-酰基-溶血磷脂。

在有機(jī)相中利用磷脂酶A1催化大豆?jié)饪s磷脂水解制備溶血磷脂，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行磷脂酸值比較以探討適宜的反應(yīng)條件，并對(duì)溶血磷脂進(jìn)行紅外光譜和高效液相色譜分析，以期為開(kāi)發(fā)大豆磷脂深加工產(chǎn)品提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆?jié)饪s磷脂 九三糧油工業(yè)集團(tuán)；磷脂酶A1(lectiase ultra，酶比活力為9800U/mL) 丹麥Novo公司；正己烷、石油醚、無(wú)水乙醇(均為分析純) 天津市科密歐試劑有限公司；氫氧化鉀(分析純) 天津市大茂試劑廠。標(biāo)準(zhǔn)品1,2-二棕櫚酰-Sn-甘油-3-磷脂酰膽堿(PC)、1-棕櫚酰-Sn-甘油-3-磷脂酰膽堿(1-LPC) 美國(guó)Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum GX2000傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)PerkinElmer公司；1200S液相色譜儀 美國(guó)Agilent公司；HA121-50-01超臨界萃取設(shè)備 南通華安超臨界萃取有限公司；DF-1集熱式攪拌器 金壇虹盛儀器廠；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮儀器廠；TD4A離心機(jī)長(zhǎng)沙英泰儀器廠。

1.3 酶解磷脂及脫油溶血磷脂的制備

用正己烷將適量的濃縮磷脂溶解，控制一定的磷脂質(zhì)量濃度、加酶量、反應(yīng)時(shí)間、加水量(pH6的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液)，反應(yīng)溫度50℃，于集熱式攪拌器中(200r/min)反應(yīng)，反應(yīng)液經(jīng)離心(4000r/min)和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(50℃，30min)脫溶后得到產(chǎn)品，用氫氧化鉀無(wú)水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)其酸值。

將在優(yōu)化條件下得到的酶解磷脂經(jīng)脫溶后，再經(jīng)超臨界CO2流體萃取得到脫油溶血磷脂(萃取條件為萃取溫度52℃、萃取壓力35MPa、萃取時(shí)間5.4h)。

1.4 磷脂酸值測(cè)定[14]

參照AOCS Ja6-55的方法測(cè)定。

1.5 單因素分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取磷脂質(zhì)量濃度、反應(yīng)時(shí)間、加水量、加酶量4因素，以酸值為磷脂水解程度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.6 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取磷脂質(zhì)量濃度、反應(yīng)時(shí)間、加水量、加酶量4因素，以酸值為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)(表1)，研究制備溶血磷脂的最佳工藝參數(shù)。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Factors and their levels tested in response surface analysis

1.7 溶血磷脂的紅外光譜分析

用傅里葉變換紅外光譜儀分析溶血磷脂官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。金屬陶瓷棒光源，中紅外碲鎘汞(MCT)檢測(cè)器，測(cè)定范圍為370～4000cm-1，分辨率為4cm-1，掃描次數(shù)為4次。

1.8 脫油溶血磷脂的液相色譜分析[15]

參照GB/T 22506—2008《酶改性磷脂中1-和2-溶血磷脂酰膽堿的測(cè)定》中方法。所用色譜柱為Agilent ZORBAX-NH2(250mm×4.6mm，5μm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素分析試驗(yàn)

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷脂水解的影響

控制反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度50℃、磷脂質(zhì)量濃度20g/100mL、加水量100%、加酶量5%，結(jié)果如圖1所示。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，酶和磷脂結(jié)合幾率增大，反應(yīng)生成脂肪酸逐漸增多，但該條件下，16h后，反應(yīng)體系基本處于平衡狀態(tài)，酸值增加不明顯。但以濃縮磷脂的相對(duì)平均分子質(zhì)量800計(jì)算，加之其起始酸價(jià)，完全生成溶血磷脂的酸值應(yīng)為80mg KOH/g左右。在此研究體系中，考慮到該酶可能進(jìn)一步催化1-酰基-溶血磷脂水解生成其完全脫酰基產(chǎn)物，從而水解產(chǎn)物酸值可能遠(yuǎn)超過(guò)80mg KOH/g，因此其他單因素試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間選為24h。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷脂水解的影響Fig.1 Effect of reaction time on phospholipid hydrolysis

2.1.2 加酶量對(duì)磷脂水解的影響

控制反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度50℃、磷脂質(zhì)量濃度20g/100mL、加水量100%、反應(yīng)時(shí)間24h，結(jié)果如圖2所示。加酶量1%～3%時(shí)，酸值有顯著的變化。而加酶量3%～9%時(shí)，酸值的增加趨勢(shì)較前一范圍相對(duì)平緩一些。可能是由于初始時(shí)加酶量少，酶不能充分催化底物，當(dāng)加酶量增加，酶與底物的接觸機(jī)率增加，酸值變化較快。而加酶量達(dá)到一定值時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 加酶量對(duì)磷脂水解的影響Fig.2 Effects of enzyme dosage on phospholipid hydrolysis

2.1.3 磷脂質(zhì)量濃度對(duì)磷脂水解的影響

控制反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度50℃、加水量100%、加酶量5%、反應(yīng)時(shí)間24h，結(jié)果如圖3所示。磷脂質(zhì)量濃度15～25g/100mL時(shí)，水解產(chǎn)物的酸值顯著增加。而當(dāng)磷脂質(zhì)量濃度達(dá)到25g/100mL以后，酸值開(kāi)始下降。可能原因是在較低的磷脂質(zhì)量濃度下，反應(yīng)體系易于分散均勻，酶分子與磷脂分子易于接觸，反應(yīng)程度較好。隨著磷脂質(zhì)量濃度的增大，磷脂分散困難，所以其酸值隨著磷脂質(zhì)量濃度的增大而降低。

圖3 磷脂質(zhì)量濃度對(duì)磷脂水解的影響Fig.3 Effect of substrate concentration on phospholipid hydrolysis

2.1.4 加水量對(duì)磷脂水解的影響

控制反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度50℃、磷脂質(zhì)量濃度20g/100mL、加酶量5%、反應(yīng)時(shí)間24h，結(jié)果如圖4所示。加水量10%～20%時(shí)，酸值上升，而后隨加水量增加酸值降低。可能原因是酶水解過(guò)程中，一方面，由于酶的反應(yīng)需要水的參與，以維持體系中磷脂酶的活性。當(dāng)水量過(guò)大時(shí)，將降低有機(jī)相的局部酶濃度，導(dǎo)致酸值逐漸降低。

圖4 加水量對(duì)磷脂水解的影響Fig.4 Effect of water content on phospholipid hydrolysis

2.2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

根據(jù)表1的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照預(yù)定的反應(yīng)條件，對(duì)大豆?jié)饪s磷脂進(jìn)行酶解反應(yīng)，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，以酸值為響應(yīng)值(Y)，經(jīng)Design Expert 6.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，依據(jù)編碼因素得到的回歸方程為：Y＝71.10－0.65A－2.14B＋2.80C＋10.88D－3.40A2＋0.77B2－2.03C2－2.56D2＋1.16AB＋3.58AC＋1.51AD－1.57BC－2.40BD－0.25CD。

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

該模型的可靠性分析可從方差分析和確定系數(shù)兩方面考慮。對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(表3)，模型的P值小于0.05，所以回歸模型顯著，模型確定系數(shù)為R2＝0.9799，失擬項(xiàng)P＝0.0973＞0.05，表明失擬不顯著，該模型穩(wěn)定。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，可以對(duì)制備溶血磷脂條件進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和分析。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

由表3可知，在一次項(xiàng)中反應(yīng)時(shí)間和磷脂質(zhì)量濃度，二次項(xiàng)中加水量的平方、反應(yīng)時(shí)間的平方及加水量×磷脂質(zhì)量濃度對(duì)酸值影響顯著。依據(jù)回歸模型可以預(yù)測(cè)在反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間13h、磷脂質(zhì)量濃度24g/100mL、加酶量4%、加水量17%條件下，溶血磷脂酸值最高可達(dá)75.8mg KOH/g。在該預(yù)測(cè)條件下驗(yàn)證得溶血磷脂酸值為73.8mg KOH/g，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差小于5%。預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間良好的擬合性證實(shí)了該模型的有效性。

2.3 溶血磷脂的紅外光譜分析

圖5 溶血磷脂紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of lysophospholipids

溶血磷脂的定性分析采用紅外光譜法，其譜圖見(jiàn)圖5。參照陳斌斌等[16]在水相中制備的溶血磷脂紅外光譜圖，分析可知3386cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)峰；2930cm-1和2857cm-1為甲基、亞甲基C—H的伸縮振動(dòng)峰；1738cm-1是—CO—O—中酯羰基C＝O伸縮振動(dòng)引起；1224cm-1和1058cm-1分別是P＝O伸縮振動(dòng)峰和P—O—C的伸縮振動(dòng)峰。以上特征與溶血磷脂結(jié)構(gòu)相符。

2.4 脫油溶血磷脂的液相色譜分析

圖6 標(biāo)準(zhǔn)品PC和1-LPC液相色譜圖Fig.6 HPLC chromatogram of PC and 1-LPC standards

由圖6可知，1,2-二棕櫚酰-Sn-甘油-3-磷脂酰膽堿(PC)和1-棕櫚酰-Sn-甘油-3-磷脂酰膽堿(1-LPC)的出峰時(shí)間分別為6.895、11.062min。圖7為脫油溶血磷脂液相色譜圖。由外標(biāo)法(其中PC標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y＝67666x－7807，R2＝0.9885；1-LPC標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y＝51651x－2482，R2＝0.9873)計(jì)算得該脫油溶血磷脂中磷脂酰膽堿和1-酰基-溶血磷脂酰膽堿含量分別為6.79%和4.45%，表明利用磷脂酶A1酶解濃縮磷脂所生成的2-酰基-溶血磷脂酰膽堿發(fā)生了酰基位移。

圖7 脫油溶血磷脂液相色譜圖Fig.7 HPLC chromatogram of defatted lysophospholipids

3 結(jié) 論

在正己烷有機(jī)相中，磷脂酶A1催化大豆?jié)饪s磷脂水解制備溶血磷脂的最佳工藝參數(shù)為反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間13h、加酶量4%、加水量17%、磷脂質(zhì)量濃度24g/100mL，該條件下磷脂酸值為73.8mg KOH/g。該脫油溶血磷脂中磷脂酰膽堿和1-酰基-溶血磷脂酰膽堿含量分別為6.79%和4.45%。

[1]PENG Lifeng, XU Xuebing, MU Huiling, et al. Production of structured phospholipids by lipase-catalyzed acidolysis: optimization using response surface methodology[J]. Enzyme and Microbial Technology 2002,31(4): 523-532.

[2]VIKBJERG A F, MU Huiling, XU Xuebing. Parameters affecting incorporation and by-product formation during the production of structured phospholipids by lipase-catalyzed acidolysis in solvent-free system[J]. J Mol Cat B, 2005, 36(1/6): 14-21.

[3]VIKBJERG A F, MU Huiling, XU Xuebing. Elucidation of acyl migration during lipase-catalyzed production of structured phospholipids[J]. J Am Oil Chem Soc, 2006, 83(7): 609-614.

[4]HAAS M J, SCOTT K, JANSSEN G. Enzymatic phophatidylcholine hydrolysis in organic solvents: an examination of selected commercially available lipase[J]. J Am Oil Chem Soc, 1994, 71(5): 483-490.

[5]KIM J, LEE C, OH J, et al. Production of egg yolk lysolecithin with immobilized phospholipaseA2[J]. Enzyme and Microbial Technology,2001 29(10): 587-592.

[6]KIM I, GARCIA H S, CHARLES G, et al. Synthesis of structured phosphatidylcholine containingn-3 PUFA residues via acidolysis mediated by immobilized phospholipase A1[J]. J Am Oil Chem Soc, 2010,87(11): 1293-1299.

[7]王迎新, 遲玉杰. 蛋黃磷脂酶解進(jìn)程的測(cè)定[J]. 食品科學(xué), 2009, 30(7): 114-117.

[8]KIM J H A , KIM B G. Lipase-catalyzed synthesis of lysophophatidylcholine using organic cosolvent for in situ water activity control[J]. J Am Oil Chem Soc, 2000, 77(7): 791-797.

[9]劉曄, 裘愛(ài)泳. 溶血磷脂的性能研究[J]. 中國(guó)油脂, 1999, 24(5): 48-50.

[10]SAUBHIK S , WANG Zeneng, RUSSELL T, et al. Biology of LPA in health and disease[J]. Seminars in Cell and Developmental Biology,2004, 15(5): 503-512.

[11]KERN R, JOSELEAU-PETIT D, MADHAB K, et al. Chattopadhyay chaperone-like properties of lysophospholipids[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications 2001, 289(5): 1268-1274.

[12]RAYNAL P, MONTAGNER A, DANCE M, et al. Lysophospholipids and cancer: current status and perspectives[J]. Pathologie Biologie,2005, 53(1): 57-62.

[13]羅貴民, 曹淑桂, 張今. 酶工程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002: 17-18.

[14]鄭州工程學(xué)院油脂化學(xué)教研室. 油脂分析方法[M]. 鄭州: 鄭州工程學(xué)院出版社, 1996: 171-172.

[15]GB/T 22506—2008酶改性磷脂中1-和2-溶血磷脂酰膽堿的測(cè)定[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[16]陳斌斌, 谷克仁. 水相體系中磷脂酶A1改性大豆磷脂的研究[D]. 鄭州: 河南工業(yè)大學(xué), 2010.

Enzymatic Hydrolysis of Phospholipids for Preparing Lysophospholipids in Organic Phase

SUN Qing-rui，ZHANG Dong-jie*，LIU Zhi-ming，LU Bao-xin，WANG Qin，ZHANG Qing-rong
(College of Food, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

This study deals with the optimization of process conditions for the hydrolysis of phospholipids with phospholipase A1in hexane for preparing lysophospholipids using response surface methodology. A regression model for acid value of lysophospholipids was established with respect to four hydrolysis parameters. Meanwhile, lysophospholipids were analyzed by infrared spectroscopy and high performance liquid chromatography. The optimal process parameters for preparing lysophospholipids were determined as 50 ℃ of temperature, 13 h of reaction time, 4% of phospholipase A1, 17% of water, and 0.24 g/mL of substrate concentration. The acid value and the contents of phophatidylcholine and 1-acyl-lysophophatidylcholine in the obtained lysophospholipids were 73.8 mg KOH/g, 6.79% and 4.45%, respectively.

lysophospholipids；phospholipids；phospholipase A1；response surface methodology (RSM)

TS229

A

1002-6630(2012)18-0123-04

2011-07-21

黑龍江省農(nóng)墾總局科技攻關(guān)項(xiàng)目(HNKXIV-02-07)

孫清瑞(1976—)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)槭称芳庸ぜ夹g(shù)與資源利用。E-mail：sqr16@163.com

*通信作者：張東杰(1966—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：zdj66@yahoo.com.cn