甘油二酯的合成及純化研究進展

高正松，王保成，徐松泉，李 歡

(南京威爾藥業集團股份有限公司，江蘇 南京 210042)

甘油二酯，亦稱甘二酯或二脂肪酸甘油酯，可由甘油三酯(Triacylglycerol，TAG)中一個脂肪酸醇解為羥基所得，也可由兩分子脂肪酸與丙三醇(甘油)酯化后得到，英文名稱為diacylglycrol或diglyceride，簡寫為DAG或DG。按照酰基供體脂肪酸與甘油羥基的結合位置不同，甘油二酯可以分為兩種立體異構體，其分子結構式如圖1所示，其中R或R1是飽和或不飽和脂肪酸基。

圖1 甘油二酯的兩種結構示意圖

屬于油脂天然成分的甘油二酯，含量通常小于甘油三酯的5%。日本營養學家Yasukawa[1]研究發現，在體內代謝過程中，甘油二酯，特別是1,3-甘油二酯，其代謝特征不同于甘油三酯。1,3-甘油二酯獨特的代謝特征，使其在預防肥胖方面有著一定的作用。

圖2 甘油三酯體內代謝途徑

體內代謝過程中(圖2)，甘油三酯主要有兩條代謝途徑，分別為：(1)甘油三酯經胰脂肪酶催化水解，生成1,3-甘油二酯，1,3-甘油二酯經胰脂肪酶進一步水解，生成1(3)-甘油單酯，1(3)-甘油單酯經過β-氧化生成人體所需的能量；(2)甘油三酯經胰脂肪酶催化水解生成1,2(2,3)-甘油二酯，1,2(2,3)-甘油二酯可經胰脂肪酶水解生成2-甘油單酯，也可以與體內的游離脂肪酸在酰基轉移酶的催化下，重新生成甘油三酯。2-甘油單酯會重新和游離脂肪酸被酰基轉移酶酯化為1,2(2,3)-甘油二酯，進而被繼續酯化為甘油三酯。當甘油三酯沒有被及時消耗轉化為能量，便會積蓄在人體內，對人體健康造成危害[2-4]。1,3-甘油二酯的消化途徑則防止體內脂肪累積[5-7]。因此食用含有1,3-甘油二酯的油脂具有降低脂肪積累、防止體重增加的效果。

1,3-甘油二酯不同于甘油三酯的獨特代謝方式，使得其具有重要的潛在價值。1,3-甘油二酯不僅可以作為保健油脂，還可以作為醫藥輔料、化妝品輔料、藥物合成中間體等，市場廣闊，經濟價值可觀。1,2-甘油二酯作為1,3-甘油二酯的同分異構體，雖然代謝方式有別于1,3-甘油二酯，但是其作為食用油脂的重要成分，同樣被廣泛地應用于食品行業中。

天然存在的甘油二酯很少，主要是通過油脂的產后修飾技術獲得。就方式而言，產后修飾可以由生物催化劑實現，也可由傳統的化學催化劑完成。產后修飾技術所得的甘油二酯，在純度和選擇性上很難滿足現階段醫藥輔料、化妝品輔料和藥物合成中間體的需求，故研究者們將目光投向了合成法制備甘油二酯的領域。本文從不同的合成路線出發，介紹了幾種1,3-甘油二酯和1,2(2,3)-甘油二酯的合成方法，并對其后續的純化方法進行了簡要闡述。

1 1,3-甘油二酯的合成

從制備機理看，1,3-甘油二酯的制備方法主要分為酶法與化學合成法兩種[8-11]。酶合成法的優勢在于環境友好、無污染、耗能小；化學合成法的優勢在于利用特定的合成底物與催化劑，可定點催化合成高純度的1,3-甘油二酯。

1.1 酶法制備1,3-甘油二酯

酶法合成1,3-甘油二酯的方法主要包括甘油解法、酯交換法、直接酯化法[12]。

1.1.1 甘油解法制備1,3-甘油二酯

酶催化甘油解法是以甘油三酯和甘油為原料，在1,3-特異性脂肪酶的催化下制備1,3-甘油二酯的反應(圖3)。Gotog等[13]以特異性脂肪酶Lipase 3A為催化劑，以菜籽油、大豆油和甘油為原料，成功制備了含量在40%以上的1,3-甘油二酯。Kahveci等[14]以甘油和菜籽油為原料，諾維信435為催化劑，制備了含量在40%～50%的1,3-甘油二酯。Valerio等[15]以同樣的酶為催化劑，以甘油和橄欖油為原料，在乳化體系下，最終得到了含量僅為17%的1,3-甘油二酯。Yamane等[16]以氫化牛油和甘油為原料，通過不斷析出固體的方法，在78 h后得到了含量為90%的1,3-甘油二酯產物。Liao等[17]將甘油和三油酸甘油酯以1：2的摩爾比混合，加入一定量溶劑后，在Lipozyme IM-77的催化作用下，反應24 h后，制備得到了含量最大值為40%的1,3-甘油二酯。

甘油解法雖然工藝簡單，但耗時長，產物純度低，而且產品得率低，因此不適合用于生產1,3-甘油二酯。

圖3 甘油解法制備1,3-甘油二酯

1.1.2 酯交換法制備1,3-甘油二酯

酶催化酯交換法制備1,3-甘油二酯以甘油三酯和甘油單酯(或脂肪酸甲酯)為原料，在特異性脂肪酶的催化下，生成1,3-甘油二酯(圖4)。Weber等[18]以菜籽油和甘油單酯為原料，以脂肪酶Lipozyme RM IM為催化劑，成功制備了含量為75%的1,3-甘油二酯。杜偉等[19]在叔丁醇溶液中，以特異性酶催化了甘油單酯的酯交換反應，通過對反應溫度和反應時間的探究，得到了含量大于75%的1,3-甘油二酯產物。李磊等[20]以旋轉蒸發儀為反應容器，以脂肪酶Lipozyme RM IM為催化劑，催化了米糠油和甘油單酯的酯交換反應，最終得到了含量為27%的1,3-甘油二酯。Blasi等[21]以Novozyme 435為酯交換催化劑，通過一鍋兩步法制備了最終含量為60%的1,3-甘油二酯。

圖4 酯交換法制備1,3-甘油二酯

酯交換法制備1,3-甘油二酯的本質為兩步反應的復合反應，第一步是甘油三酯的水解反應，第二步是水解后的酯化反應。在酯交換法制備1,3-甘油二酯的過程中，如何實現復合反應中水解和酯化的平衡是難點，且酶催化酯交換法制備1,3-甘油二酯的原料成本較高，故不宜工業化生產。

1.1.3 酯化法制備1,3-甘油二酯

酶催化酯化法制備1,3-甘油二酯是以甘油和脂肪酸為原料，以特異性脂肪酶為催化劑，制備1,3-甘油二酯，在酯化過程中，會生成相應的副產物甘油三酯、1,2-甘油二酯和甘油單酯等(圖5)。Rosu等[22]以甘油和乙酸為原料，以固定化脂肪酶為催化劑，在沒有溶劑的條件下，制備了1,3-二乙酸甘油酯。在反應8 h以后，甘油二酯的含量可達84%。李湘等[23]以諾維信435為催化劑，調整油酸和甘油的比例為2.27：1，在真空除水的條件下反應6 h，可以得到含量為70%的甘油二酯產物。Wang等[24]以磷脂酶A1為催化劑催化制備了1,3-甘油二酯的合成，在反應4 h后，可獲得最終含量為43%的甘油二酯產物。Liu等[25]用同樣的磷脂酶A1為催化劑，催化了油酸和甘油的酯化反應，通過調整油酸與甘油的比例為1：5，在4%催化劑含量下，40 ℃反應1.5 h，可得純度為54%的1,3-甘油二酯。Duan等[26]和Watanabe等[27]利用特異性脂肪酶，均成功催化了1,3-甘油二酯的合成，Watanabe在真空條件下除去生成的水，反應3 h后即得到了含量為70%的1,3-甘油二酯產物。

圖5 酯化法制備1,3-甘油二酯

Fig.5 Preparation of 1,3-diacylglycrol by esterification

直接酯化法具有反應時間短、產物純度高、反應步驟簡單等優勢，對于制備高純度的1,3-甘油二酯具有重要的意義。

1.2 化學合成法制備1,3-甘油二酯

化合合成法制備1,3-甘油二酯的優勢在于，當反應底物特定，在特定的催化劑催化下，可以高效制備高純度的1,3-甘油二酯。

2001年，Imanishi等[28]從1,3-二羥基丙酮出發，與脂肪酸在堿催化下合成1,3-二甘油酯丙酮，再通過硼氫化鈉對2位羰基進行還原，最終得到1,3-甘油二酯(圖6)。

圖6 1,3-二羥基丙酮與脂肪酸反應制備1,3-甘油二酯

2011年，Harbige等[29]同樣從1,3-二羥基丙酮出發，合成了用于治療神經疾病藥物的重要中間體1,3-甘油二酯。

2014年，Sonoke等[30]以1,3-二羥基丙酮二聚體為原料，通過與醇縮合制得1,3-二甘油酯丙酮，再利用還原試劑將1,3-二甘油酯丙酮還原為1,3-甘油二酯(圖7)。這種先縮合再還原的方法可以高效制備1,3-甘油二酯。

圖7 1,3-二羥基丙酮二聚體為原料制備1,3-甘油二酯

2014年，Narine等[31]從丙酮縮甘油出發，與酰氯反應首先制備兩端羥基被保護的甘油單酯，甘油單酯在酸性條件下脫保護，脫保護后的甘油單酯與另一摩爾當量的酰氯反應，制備1,3-甘油二酯(圖8)。該方法的優勢在于可以制備1,3位不對稱的甘油二酯。當R1與R2相同時，又可以制備高純度的對稱的1,3-甘油二酯。

圖8 丙酮縮甘油為原料制備1,3-甘油二酯

2 1,2-甘油二酯的合成

1,2-甘油二酯多以化學合成法制備，利用特定的底物和催化劑，可以高效制備高純度的1,2-甘油二酯。

1991年，Charles Mioskowski等[32]以丙酮縮甘油為原料，先利用3,4-二甲氧基芐基氯對羥基進行保護，之后在酸性條件下將丙酮保護的羥基進行脫保護，使1,2號位的羥基裸露。將3號位羥基被保護的甘油與脂肪酰氯反應，制備3號位羥基保護的1,2-甘油二酯。再對3號位羥基進行脫保護，得到目標產物1,2-甘油二酯(圖9)。制備后的高純1,2-甘油二酯被成功地用于新型脂質體的制備。

圖9 丙酮縮甘油為原料制備1,2-甘油二酯

2007年，Richard等[33]從縮水甘油出發，利用叔丁基二甲基氯硅烷對縮水甘油的羥基進行保護，羥基保護后的縮水甘油在雅格博森催化劑的催化下與手性醋酸鈷反應，得到手性的羥基被保護的甘油，被保護的甘油在DMAP催化下與油酸反應，得到1,2號位的油酸酯產物，最后將保護羥基的叔丁基二甲基硅烷脫去，得到手性的1,2-二油酸甘油酯(圖10)。該法的優勢在于可以得到手性的1,2-二油酸甘油酯，但是雅格博森催化劑難以買到，同時在縮水甘油開環的過程中產率較低，不適宜放大生產。

圖10 縮水甘油為原料制備1,2-甘油二酯

2016年，肖勇翔等[34]在發明專利《1,2-二酰甘油及其中間體的制備方法》中介紹到，先將丙酮縮甘油的羥基利用氯甲酸-9-芴基甲酯進行保護，再在酸性條件下對保護后的丙酮縮甘油中丙酮保護的兩個羥基進行脫保護，脫保護后的產物與脂肪酸進行酯化，最后對酯化產物進行脫保護即可得到1,2-甘油二酯。

圖11 以氯甲酸-9-芴基甲酯保護丙酮縮甘油制備1,2-甘油二酯

2017年，韓麗娟等[35]以3-氯甘油為原料，與醋酸鈉反應生成3-醋酸甘油單酯，將3-醋酸甘油單酯在堿性催化劑催化下與脂肪酸進行反應，制備1,2-二脂肪酰-3-醋酸甘油酯，最后將上述甘油三酯在甲醇溶液中與碳酸鉀進行反應，得到1,2-甘油二酯。該法制備1,2-甘油二酯的優勢在于反應步驟相對較短，利于放大生產。

圖11 3-氯甘油為原料制備1,2-甘油二酯

3 甘油二酯的純化方法

1,3-甘油二酯的制備過程中，會產生1,2-甘油二酯、甘油三酯、甘油單酯等副產物；在利用化學法制備1,2-甘油二酯的過程中，同樣會因為反應的不完全而生產甘油單酯等副產物，所以需對制備后得到的產物進行純化分離，才可以得到高純度的甘油二酯。目前純化甘油酯的方法主要有以下四種：超臨界CO2萃取法、溶劑結晶分離法、分子蒸餾法和柱層析法[36]。

3.1 超臨界CO2萃取法

超臨界流體兼具氣、液、固三相的特性，不僅有著氣體的流動性優勢，又兼具液體的溶解能力和低粘度特性，因此，超臨界流體可以作為優異的萃取溶劑使用。CO2在超臨界狀態，可以依據待分離物質的沸點高低、極性大小、溶解性的不同、對于熱敏感性的差異，達到高效分離物質的目的。在甘油二酯的制備過程中，可以依據超臨界CO2獨特的萃取性能，將甘油二酯目標產物與甘油單酯、甘油三酯等雜質分離萃取出來，達到純化甘油二酯的目的。雖然超臨界CO2萃取法對于環境無污染、萃取效率高，但是使CO2處于超臨界狀態并用于萃取的成本太高，不適用于工業化放大生產。

3.2 重結晶分離法

重結晶分離法是依據待分離物質在重結晶溶劑中的溶解度差異，從而實現依次從重結晶溶解中結晶析出達到分離的目的[37]。在甘油二酯的制備過程中，目標產物甘油二酯與雜質在特定溶劑中的溶解度不同，依舊這一特性，選擇合適的重結晶溶劑進行重結晶，達到分離純化甘油二酯的目的。重結晶方法雖然簡單，但選擇合適的重結晶溶解是個較大的難點。

3.3 分子蒸餾法

分子蒸餾是一種特殊的液-液分離技術。分子蒸餾技術依靠不同物質在高真空下平均自由程的差別來進行分離[38-40]。近年來，重結晶、柱層析等傳統分離技術所使用的大量溶劑，給分離物質、環境帶來了污染，因此環境友好型的分子蒸餾工藝越來越受到科研工作者和醫藥化工企業的關注，在油脂產業領域，分子蒸餾技術也得到了廣泛的應用[41-42]。鄒冬芽等[43]將分子蒸餾技術引入甘油二酯的分離純化中，得到了最終收率為77%的高純度甘油二酯。朱思啟等[44]在甘油單酯的分子蒸餾純化工藝中，通過改變蒸餾溫度、真空度、刮板轉速、進料速率等因素，得到了最終含量為93%的最佳分子蒸餾工藝。王衛飛等[45]在甘油二酯的分子蒸餾純化工藝中，通過對真空度、蒸餾溫度等條件的探索，得到了最優的分子蒸餾工藝，在最佳工藝條件下，可以得到純度為98%的終產物。

分子蒸餾法具有受熱時間短、耗能低、產品色澤好、純度高等優點，在1,3-甘油二酯的純化中可以用此方法分離反應中產生的相應副產物。

3.4 柱層析法

柱層析法，又稱為色譜柱法，是根據待分離物質在固定相上的吸附能力不同而分離的方法。柱層析法需要選擇合適的固定相和流動相，利用流動相的洗脫，實現待分離物質在固定相上的吸附→解吸→再吸附→再解吸過程，從而達到分離純化目的[46]。Maekawa等[47]將離子交換樹脂作為固定相，選擇合適的溶劑作為洗脫劑對甘油單酯進行洗脫分離，得到了最終純度為95%的甘油單酯產品。Zinnen等[48]用柱層析分離技術，實現了甘油單酯、甘油雙酯、甘油三酯的高效分離。

4 結 語

合成法制備甘油二酯的發展，彌補了天然甘油二酯在食品、醫藥等行業的空缺。本文總結了1,3-甘油二酯的酶合成法、化學合成法以及1,2(2,3)-甘油二酯的化學合成法，并歸納了甘油二酯的純化手段，為后續甘油二酯的合成及純化提供了參考。