超聲波作用下大豆磷脂的羥基化改性研究

李 紅 孫東弦 徐 蘋(píng) 申瑞玲 劉延奇 張 華

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院1，鄭州 450002）（河南新百維食品科技有限公司2，新鄉(xiāng) 453000）

超聲波作用下大豆磷脂的羥基化改性研究

李 紅1孫東弦2徐 蘋(píng)1申瑞玲1劉延奇1張 華1

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院1，鄭州 450002）（河南新百維食品科技有限公司2，新鄉(xiāng) 453000）

本研究將超聲波技術(shù)應(yīng)用于大豆?jié)饪s磷脂羥基化改性，提出了一種制備羥基化改性大豆磷脂的新工藝。以濃縮大豆磷脂為原料，研究了超聲波作用下乳酸加入量、雙氧水加入量和反應(yīng)時(shí)間3個(gè)因素對(duì)磷脂羥基化改性的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)確定了磷脂羥基化改性的最佳工藝條件：加入4%（m／m磷脂）的乳酸、20%（v／m磷脂）濃度為30%的雙氧水、在室溫（約為25℃）、功率為200 W下進(jìn)行超聲波反應(yīng)，經(jīng)過(guò)40 min后，磷脂的碘值由原來(lái)的94.2 gI／100 g降低至22.9 gI／100 g。

大豆磷脂 羥基化 超聲波 碘值 正交試驗(yàn)

大豆磷脂是大豆油精煉過(guò)程中毛油水化脫膠的副產(chǎn)物，是脂肪酸甘油酯通過(guò)磷酸根與膽堿或膽胺等不同的基團(tuán)相連接生成的化合物，其主要成份有：磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰絲氨酸（PS）等（結(jié)構(gòu)式如圖1）［1］。因其結(jié)構(gòu)同時(shí)具有親水和疏水基團(tuán)，磷脂是一種良好的天然乳化劑［2］；同時(shí)，磷脂又是動(dòng)植物生物膜的重要組成部分，參與細(xì)胞的代謝和神經(jīng)細(xì)胞之間的信息傳遞，而且是某些膜系酶的輔酶或激活劑，對(duì)生物膜的生物活性和機(jī)體正常代謝有重要的調(diào)節(jié)功能［3］；此外，大豆磷脂含有豐富的不飽和脂肪酸、膽堿、肌醇等營(yíng)養(yǎng)成分，是一種純天然的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，對(duì)脂肪代謝、肌肉生長(zhǎng)、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和體內(nèi)抗氧傷害等方面發(fā)揮相當(dāng)重要的作用，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、皮革、飼料、紡織、化妝品等許多領(lǐng)域［4］。

然而，由于大豆磷脂產(chǎn)品組成不同，各組分有獨(dú)特的性能，使其表現(xiàn)出的物理化學(xué)性質(zhì)和功能性質(zhì)有很大的差異，特別是粗制品不能表現(xiàn)出專一的功能性質(zhì)，如PC能促進(jìn)O／W型乳化液的形成，PE能促進(jìn)W／O型乳化液的形成，二者相互有抑制作用，結(jié)果導(dǎo)致了大豆磷脂的親水親油平衡值（HLB值）低，乳化性不強(qiáng)，極大限制了磷脂的一些應(yīng)用［5－6］。此外，由于天然磷脂分子中含有較多的不飽和脂肪酸，在空氣中易氧化，進(jìn)而影響了它的使用效果。因此，要想拓寬大豆磷脂的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)大豆磷脂進(jìn)行改性尤為重要。目前常用的磷脂改性方法主要有物理法、化學(xué)法和生物酶法3種［7－8］。羥基化改性就是大豆磷脂的一種重要的化學(xué)改性方法，是在磷脂分子不飽和脂肪酸碳碳雙鍵上引入2個(gè)羥基的反應(yīng)（如圖2），磷脂經(jīng)羥基化后碘值降低，穩(wěn)定性提高，親水能力增強(qiáng)，功能性質(zhì)得到改善［9］。國(guó)內(nèi)有關(guān)磷脂羥基化改性方法的研究很少，僅李桂華等［10］報(bào)道了一篇有關(guān)羥基化改性磷脂的研制方面的文章，因此，非常有必要對(duì)磷脂的羥基化改性方法進(jìn)行深入研究，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)磷脂羥基化改性的不足。

圖1 常見(jiàn)磷脂的結(jié)構(gòu)（其中R1，R2為C14～C18的長(zhǎng)碳鏈脂肪烴）

圖2 磷脂羥基化反應(yīng)

近年來(lái)，超聲波技術(shù)在食品加工領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)大能量加速細(xì)胞壁的破裂和物料中有效成分的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，可明顯增強(qiáng)非均相體系的混合效果，促進(jìn)分子間接觸反應(yīng)，從而達(dá)到提高反應(yīng)速度的目的［11］。目前，有關(guān)超聲波輔助加快化學(xué)反應(yīng)的報(bào)道較多，如彭?xiàng)睿?2］曾報(bào)道超聲波能明顯加速脂肪酶對(duì)L－抗壞血酸脂肪酸酯合成反應(yīng)的催化作用；Stavarache等［13］研究了超聲波技術(shù)在植物油酯交換反應(yīng)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)超聲波能有效地縮減反應(yīng)時(shí)間。但將超聲波應(yīng)用到磷脂羥基化中的研究鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)，考察了乳酸、雙氧水與時(shí)間對(duì)超聲波作用下大豆磷脂羥基化反應(yīng)的影響，確定了合成羥基化改性磷脂的最佳工藝條件，對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)羥基化改性大豆磷脂具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 原料和試劑

大豆磷脂：河南新百維食品科技有限公司。

硫代硫酸鈉、碳酸鈉、重鉻酸鉀、碘化鉀、鹽酸、冰乙酸、環(huán)己烷、一氯化碘、乳酸、雙氧水等試劑均為分析純：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器

梅特勒AL204／01型電子天平：梅特勒－托利多儀器有限公司；SB－5200DT超聲波清洗機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市科瑞儀器有限公司；DHG－9053A型電熱式恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏儀器有限公司；RE－52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生物儀器總廠；SHZ－2000型循環(huán)水式真空泵：鞏義市英予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 羥基化改性磷脂的合成方法

稱取一定量的大豆?jié)饪s磷脂（初始碘值為94.2 gI／100 g）于圓底燒瓶中，加入一定量的乳酸和30%雙氧水，置于200W的超聲波清洗器中，在常溫下進(jìn)行羥基化反應(yīng)一定時(shí)間，待反應(yīng)結(jié)束后加入適量40%的堿液中和，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器連續(xù)真空脫水，至大豆磷脂不再產(chǎn)生氣泡為止，測(cè)定羥基化產(chǎn)物的碘值。

1.4 碘值的測(cè)定［14］

碘值是測(cè)定脂類物質(zhì)中的不飽和脂肪酸含量的一種方法，碳鏈中的不飽和雙鍵，可與鹵素（Cl2，Br2或I2）作用，不飽和雙鍵數(shù)目越多，吸收的鹵素也越多，因此，可以根據(jù)脂類吸收碘的量確定其不飽和度。規(guī)定每100克脂質(zhì)，在一定條件下所吸收的碘的克數(shù)，稱為該脂類物質(zhì)的碘值。碘值愈高，不飽和脂肪酸的含量愈高。

1.4.1 碘值測(cè)定方法

稱樣按表1所示，準(zhǔn)確稱取充分干燥的樣品于潔凈干燥的500 mL碘量瓶中，加入10 mL氯仿充分溶解試樣，用移液管準(zhǔn)確加入25 mL韋氏試劑，迅速蓋好碘量瓶塞，搖勻并用蒸餾水封好瓶口，放在25℃暗處?kù)o置1 h。取出后立即加入20 mL 10%的碘化鉀溶液和100 mL蒸餾水，即刻用0.1 mol／L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，待淺黃色試樣溶液消失時(shí)，加1 mL 1%淀粉指示液，此時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)黑色，繼續(xù)滴定，直至藍(lán)色剛好消失，為滴定終點(diǎn)，記下消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)。同時(shí)做平行及空白試驗(yàn)。

表1 碘價(jià)數(shù)值與試樣用量

1.4.2 結(jié)果計(jì)算

碘值按每100 g樣品吸收碘的質(zhì)量（g）表示時(shí)，由下式計(jì)算：

式中：I.V.為碘值／gI／100 g；c為硫代硫酸鈉溶液的標(biāo)定濃度／mol／L；V0為空白試驗(yàn)所消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積／mL；V1為試樣試驗(yàn)所消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積／mL；M為試樣的質(zhì)量／g

1.5 半價(jià)時(shí)間的測(cè)定［15］

準(zhǔn)確稱取1.000 g羥基化磷脂和9.000 g大豆油于50 mL燒杯中，在50℃時(shí)加熱攪拌混勻，在100 mL具塞量筒中，加入50 mL水，水溫50℃，將混合均勻的樣品液移入量筒中，在20 s內(nèi)將量筒上下倒置20次，使其形成乳狀液，將量筒置于50℃的恒溫烘箱中，測(cè)定分離出一半水的時(shí)間（即為半價(jià)時(shí)間），顯然半價(jià)時(shí)間越長(zhǎng)，乳化穩(wěn)定性越好，羥基化磷脂的親水性越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 乳酸加入量對(duì)磷脂羥基化程度的影響

乳酸作為一種催化劑，能為反應(yīng)提供一個(gè)酸性環(huán)境，還可防止H2O2的分解，此外，乳酸還作為試劑，參與磷脂羥基化反應(yīng)，因此，控制乳酸的用量對(duì)反應(yīng)的順利進(jìn)行非常重要。以磷脂質(zhì)量計(jì)算，乳酸的加入量取1%、2%、3%、4%、5%5個(gè)水平。雙氧水加入量為15%，200W超聲波作用下反應(yīng)30 min后測(cè)定羥基化改性磷脂的碘值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)乳酸加入量＜3%時(shí)，隨乳酸加入量的增加，產(chǎn)品的碘值逐漸減小，說(shuō)明磷脂分子中脂肪酸的不飽和度逐漸降低，即羥基化程度不斷升高；當(dāng)乳酸加入量＞3%時(shí)，隨乳酸加入量增加，產(chǎn)品的碘值反而逐漸增加，可能是由于在過(guò)量乳酸的存在下，生成的羥基化磷脂脫水產(chǎn)生不飽和雙鍵的緣故，說(shuō)明并不是乳酸加入量越多越好，因此，乳酸加入量定為3%。

圖3 乳酸加入量對(duì)羥基化程度的影響

2.1.2 雙氧水加入量對(duì)磷脂羥基化程度的影響

雙氧水在磷脂的羥基化反應(yīng)中起到氧化乳酸為過(guò)氧酸的作用，以磷脂質(zhì)量計(jì)算，雙氧水加入量選擇5%、10%、15%、20%、25%5個(gè)水平，加入3%的乳酸，200W超聲波作用下反應(yīng)30 min后測(cè)定羥基化改性磷脂的碘值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙氧水加入量對(duì)羥基化程度的影響

由圖4可看出，隨雙氧水的加入量增加，反應(yīng)產(chǎn)物的碘值逐漸降低，說(shuō)明磷脂羥基化程度不斷提高，但當(dāng)雙氧水加入量超過(guò)20%時(shí)，反應(yīng)后磷脂的碘值又略有升高，因此，選擇雙氧水的加入量為20%最為合適。

2.1.3 時(shí)間對(duì)羥基化程度的影響

反應(yīng)時(shí)間選取 5、10、20、30、40和 50 min 6個(gè)水平，乳酸加入量為3%，雙氧水加入量為20%，200 W超聲波作用下反應(yīng)，結(jié)束后測(cè)定羥基化改性磷脂的碘值，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)羥基化程度的影響

由圖5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)物的碘值逐漸降低，但當(dāng)超過(guò)30 min后，碘值變化程度不大，因此，選擇反應(yīng)30 min。

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇乳酸加入量、雙氧水加入量、反應(yīng)時(shí)間3個(gè)主要影響因素，每個(gè)因素分別選取3個(gè)水平（表2），建立 L9（33）正交試驗(yàn)（表 3），以產(chǎn)物的碘值作為比較結(jié)果，確定羥基化改性的最佳合成工藝條件。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

由表3的分析結(jié)果可得在200 W的超聲波作用下，磷脂羥基化的最佳工藝條件為A3B2C3，即4%的乳酸，20%的雙氧水，反應(yīng)時(shí)間40 min。各因素對(duì)碘值影響的主次順序?yàn)锳＞C＞B，乳酸加入量羥基化程度的影響最為顯著，其次是反應(yīng)時(shí)間，雙氧水的加入量對(duì)羥基化程度的影響較小。

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出的最佳工藝條件，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。即在反應(yīng)體系中加入磷脂質(zhì)量4%的乳酸，20%的雙氧水，200 W超聲波作用下反應(yīng)40 min后，得到羥基化產(chǎn)物的碘值如表4所示。由表4可以看出在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)所得到的羥基化改性磷脂的碘值為22.9 gI／100 g，與大豆?jié)饪s磷脂碘值（94.2 gI／100 g）相比，碘值降低較多，說(shuō)明經(jīng)過(guò)反應(yīng)大量磷脂發(fā)生了羥基化。

表4 大豆磷脂羥基化反應(yīng)條件的驗(yàn)證試驗(yàn)

2.4 磷脂羥基化對(duì)其親水性能的影響

為了研究羥基化改性后磷脂親水性的變化，測(cè)定了羥基化改性前后磷脂乳濁液的半價(jià)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 羥基化前后磷脂乳濁液的半價(jià)時(shí)間

由表5可以看出，與原料磷脂相比，羥基化后的大豆磷脂乳濁液的半價(jià)時(shí)間明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明羥基化后大豆磷脂乳濁液的穩(wěn)定性增強(qiáng)，親水性能提高。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，乳酸加入量、雙氧水加入量和反應(yīng)時(shí)間均對(duì)超聲波作用下磷脂的羥基化反應(yīng)產(chǎn)生一定影響，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了200 W超聲波作用下磷脂羥基化改性的最佳工藝條件為：4%的乳酸，20%的雙氧水，溫度為室溫，反應(yīng)時(shí)間為40 min，此時(shí)，羥基化改性磷脂的碘值由最初的94.2 gI／100 g降至22.9 gI／100 g，說(shuō)明羥基化改性后磷脂的不飽和度得到明顯降低，羥基化改性后大豆磷脂乳濁液的半價(jià)時(shí)間明顯提高，表明改性后磷脂的親水性能增強(qiáng)。

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Hydroxylated Modification of Soybean Phospholipids in Ultrasonic Wave Conditions

Li Hong1Sun Dongxian2Xu Ping1Shen Ruiling1Liu Yanqi1Zhang Hua1
（School of Food and Biological Engineering Zhengzhou University of Light Industry1，Zhengzhou 450002）（Henan Newbestway Food technology Co.Ltd2，Xinxiang 453000）

An ultrasonic wave assisted process to prepare hydroxylated soybean phospholipids has been studied in the paper.The influencing factors such as lactic acid amount，30%hydrogen peroxide and reaction time have been determined through Single Factor Method test and the process parameters were optimized by orthogonal experiment.The results showed that with presence of 4%lactic acid（m／m），the hydroxylated soybean phospholipids could be obtained in soybean phospholipids reaction on condition of20%hydrogen peroxide（V／m）assisted by ultrasonic power（200 W）for 40 min at room temperature simultaneously.The iodine value of the hydroxylated phospholipidswas reduced from 94.2 to 22.9 gI／100 g.The study has theoretical and practical importance to the industrial production of hydroxylated soybean phospholipids.

soybean phospholipids，hydroxylation，ultrasonic wave，iodine value，orthogonal experiment

TS229

A

1003－0174（2015）11－0110－05

“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃（2012BAD37B06），鄭州市2011年度科技計(jì)劃項(xiàng)目（112PPTGY249－4），2011年度河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（201103）；鄭州輕工業(yè)學(xué)院2010年校級(jí)骨干教師資助項(xiàng)目（201008），2013年度鄭州輕工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201310462086）

2014－05－15

李紅，女，1978年出生，副教授，脂質(zhì)分析及改性