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溶血磷脂应用研究进展

溶血磷脂应用研究进展

赛尔畜牧网 2017-05-25 16:24:55 |

[导读]  溶血磷脂是磷脂质的一种,具有较强的表面活性和胶体性质,其独特的分子结构有利于其深入细胞膜

本文相关专题:赛尔饲料工业201705

黄小燕,朱滔,王根虎

上海亘泰实业集团有限公司

  溶血磷脂是磷脂质的一种,具有较强的表面活性和胶体性质,其独特的分子结构有利于其深入细胞膜,能够改善细胞的通透性,加速皮肤的新陈代谢,在细胞代谢和细胞膜渗透调节方面起着重要作用。在发达国家已有商品化生产。溶血磷脂在食品、化妆品、医学、畜牧业等领域都有广泛的应用前景。本文就溶血磷脂的来源、结构、营养性功能、制备以及对畜禽的影响进行综述。

  1 磷脂的来源

  磷脂是磷脂酰甘油酯的简称,普遍存在于动植物细胞的原生质和生物膜中,是构成动物和植物细胞的主要成分,对生物膜的生物活性和机体的正常代谢有重要的调节功能。磷脂按来源分为植物磷脂和动物磷脂,植物中广泛存在于大豆、油菜、葵花等油料种子中,其中以大豆的磷脂含量最高,为全豆的1.6%~2.0%,而动物中主要存在于蛋黄、牛奶、动物体脑组织、肝脏、肾脏及肌肉中,并以蛋黄的磷脂含量最高,大约为8%~10%,其中磷脂酰胆碱的含量可达70%。

  食用、制药及饲料工业中使用的磷脂多数来自大豆油的下脚料。这主要有以下两个原因:第一,大豆来源广泛,为磷脂的提取提供了丰富的原料,且价格低廉;而蛋黄磷脂在价格上比大豆磷脂昂贵得多;第二,大豆磷脂不含胆固醇,且不饱和脂肪酸与胆碱含量比蛋黄磷脂高,正好符合现在人们追求健康的需要,大豆磷脂产品中除了主要磷脂成分外,还含有油、甾醇、游离碳水化合物等微量组分,这些物质在磷脂的进一步精制中可除去。

  2 溶血磷脂的结构

  磷脂甘油酯是磷脂酸的衍生物,其结构通式如下:

图1 磷脂的结构通式

  上式中R1、R2代表长碳链脂肪酸,R1、R2可以相同也可以不同。根据结合基团的不同磷脂可分为磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酸(PA)、磷脂酰甘油(PG)、双磷脂酰甘油(DPG)与各种溶血磷脂等,如表1所示。磷脂的结构式如图1所示。

  溶血磷脂是磷脂失去一个脂肪酸酰基的产物,其分子结构中不仅保留了普通磷脂的亲水、亲油基团,还因为疏水基团的减少而明显增加了它的亲水性能。由此溶血磷脂一定程度上改变了由于HLB值(亲水疏水平衡值)偏低而使普通磷脂应用范围受限制的状况,较普通磷脂有更好的水分散性,适于制备水包油型乳状液。溶血磷脂的结构式如图2所示。

图2 溶血磷脂结构式(Lysophospholipid)

  3 溶血磷脂的营养性功能

  磷脂是细胞结构和生物膜的主要成分,能维护细胞膜的完整性,因此对机体细胞内DNA、RNA和蛋白质之间的信息流,细胞能量的形成和胞间通信或信号转导等基础的生物学过程起重要作用。尤其是富含多不饱和脂肪酸的磷脂,能显著增强细胞膜的流动性。细胞膜流动性降低和细胞膜完整性的破坏,以及细胞膜修复机制的损伤可引发一系列疾病。

  3.1 具有乳化特性

  磷脂是一种极性脂类,有疏水基团(脂肪酸部分)和亲水基团(磷酸部分),因此具有表面活性剂特性。溶血磷脂分子结构中除保留了亲水、疏水基团外,又因非极性基团和易氧化的不饱和双键结构的减少而明显增加了亲水性能和稳定性。体外试验证实,溶血磷脂乳化体系在高温、低pH、高离子浓度环境下都有良好稳定性,乳化形成的油脂颗粒直径更小。动物试验表明,日粮中添加磷脂或溶血磷脂能起到良好的乳化作用,可提高油脂在动物肠道内的消化和吸收。

  3.2 参与脂类代谢

  磷脂是脂蛋白的主要组分之一,参与机体内的脂肪转运,在脂类代谢中发挥重要的作用。研究表明,外源磷脂对动物有提高血清高密度脂蛋白胆固醇水平和降低血浆胆固醇水平,调节体脂沉积的作用。磷脂调节血脂和重新分配脂肪的作用对于控制畜禽的脂肪代谢相关疾病和调控肉品质有重要意义。

  3.3 增强免疫力

  细胞膜上的磷脂与细胞的流动性有关,免疫细胞膜流动性改变可引起膜上酶和受体功能的改变,因此膜上磷脂的变化会导致细胞免疫功能的改变。大鼠食用大豆磷脂酰胆碱能改变中性粒细胞的脂肪酸的组成和含量,还能增强中性粒细胞的噬菌作用和杀死白色念珠菌。Perrin等(2006)报道溶血磷脂胆碱与各种抗原共同免疫时可起佐剂作用,诱导体液和细胞免疫应答。体外试验表明溶血磷脂样分子对癌细胞有选择性细胞毒性。邵邻相(2003)发现日粮中添加大豆磷脂能提高小鼠淋巴细胞的百分数,提高机体免疫力。Ngwenya等(1986)通过体内发现溶血磷脂酰胆碱可显著增强小鼠的腹膜巨噬细胞的扩散和摄取能力,但体外试验表明溶血磷脂酰胆碱只对巨噬细胞的扩散有促进作用。

  3.4 具有体内抗氧化作用

  随着动物年龄的增长,生物膜极易受到机体代谢产生的自由基攻击而损伤。卵磷脂可修复损伤的生物膜,并可溶解和清除某些过氧化脂质,从而活化细胞、改善内分泌,达到延缓衰老的效果。研究表明,幼鱼体内抗氧化酶活性随着饲料卵磷脂水平的升高而升高,并有助于DNA损伤的修复。此外,大豆卵磷脂能够增加小鼠红细胞中超氧化物歧化酶(SOD)和全血中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性。

  3.5 其他作用

  溶血磷脂是一种很好的乳化剂、食品添加剂和抗菌剂。其亲水性、润湿能力、乳化性、乳化稳定性、乳化耐热性、耐酸性、乳化抗盐性等性能与普通磷脂相比都有显著改善。在高温和低温、低pH条件下都能保持良好的乳化性,并且不受盐浓度的影响,能适用于多种场合。在食品工业中,以溶血磷脂替代磷脂作为乳化剂已成为一种发展趋势,日本已将溶血磷脂列入天然食品添加剂名录,在化妆品、医药、化工、军事、航天等各个方面也有广泛的用途。

  溶血磷脂具有广谱的抗菌性能和多方面的营养功能。真菌类易引起食品腐败,可以在杀菌前向食品中加入微量溶血磷脂加以抑制。用含溶血磷脂的添加剂作为食品的表面抗菌涂层,可以延长食品的货架期。溶血磷脂分子的楔形结构有利于其深入细胞膜,改善细胞的通透性,加速皮肤的新陈代谢,使受损的表皮细胞更替加快,具有贮藏稳定性好、抗菌和皮肤保湿的效果。在化妆品中加入1%~5%的溶血磷脂,可以增加化妆品的保质期,防止化妆品乳化分层,减小对皮肤的刺激,具有良好的去污除臭活性。由于溶血磷脂中所含胆碱和肌醇的生理活性,可以活化皮肤的呼吸。溶血磷脂中羟基的亲水性可保持皮肤的湿润。溶血磷脂现在已广泛添加到雪花膏、口红、香水、香皂、洗发水、冷霜、润肤、剃须膏、唇膏和头发调理剂、双氧奶等化妆品中。在医学上,溶血磷脂具有抗艾滋病毒的作用。爱滋病毒HIV-1的体外研究发现,HIV-1在表达到受体细胞过程中需要透过自身的糖蛋白外壳,融合到宿主细胞的细胞核中。加入毫摩尔数量级的溶血磷脂可影响病毒蛋白与宿主细胞的结合,从而抑制病毒的感染。溶血磷脂的衍生物如烷基溶血磷脂已发展成为一类新兴的抗肿瘤药物,可以防治肿瘤。溶血磷脂也可用于皮肤病治疗,如含凡士林10%、溶血磷脂0.3%、酪蛋白钠0.3%和其他成分的霜剂对皮肤搔痒症,特别是对因遗传性异位过敏性皮炎而产生的搔痒非常有效。另外,溶血磷脂在对植物保鲜、催熟等方面也有独特的作用。

  溶血磷脂的价格约是普通磷脂的两倍,但用量少,效果好,性能优越,可以通过磷脂改性制备。由于我国磷脂产品的开发起步较晚,现有的磷脂公司规模小、产品单一,部分磷脂产品不得不依赖进口,因此从世界磷脂市场产品来看,我国需要加快对磷脂改性产品的开发,不仅要开发食用磷脂,还要开发特殊用途的磷脂产品,逐步形成磷脂产品的多样化、专用化和系列化,以扩大磷脂产品在食品、医药、化妆品、生物制剂等领域的应用。

  溶血卵磷脂(磷脂酰胆碱)是目前研究最多也最具生物活性的磷脂,是生物利用率最好、最高的胆碱来源,临床医学的研究表明胆碱与必需营养物质一样重要。磷脂酰胆碱能够提供充分的胆碱与人体内的乙酰基合成乙酰胆碱,加快大脑神綷-细胞间的信息传递速度,达到提高记忆力、增强智力、促进大脑发育、预防老年痴呆等作用。

  4 溶血磷脂的制备

  目前,美国、日本通过各种磷脂酶对磷脂进行改性,其中磷脂酶A、磷脂酶D水解及酯交换生产溶血磷脂与丝氨酸磷脂已实现工业化生产。很多国际知名油脂公司都宣称其溶血磷脂产品采用酶技术工艺,如Degussa,Loders Croklaan,Cereol,Central Soya和Taiyo Kagaku等。可用于生产溶血磷脂的反应途径很多,包括水解、醇解、酯化等。目前制备溶血磷脂多采用磷脂酶或脂肪酶催化水解磷脂的方法。大豆磷脂与蛋黄磷脂是最普遍采用的溶血磷脂制备原料。

  4.1 磷脂酶水解制备溶血磷脂的研究现状

  磷脂酶A1化水解磷脂制备溶血磷脂是界面反应,磷脂在水中较难分散,磷脂酶A1游离到磷脂胶束和水的界面,酶的活性部位和磷脂胶束结合后,发生水解,反应中不需要金属离子的参与,反应界面的大小直接影响反应速度和水解程度。管伟举等人采用磷脂酶A1水解大豆浓缩磷脂,通过单因素实验、响应面实验方法得到了磷脂酶A水解大豆磷脂最佳工艺条件,并采用气相色谱仪分析水解前后磷脂脂肪酸组成,发现硬脂酸完全水解,棕桐酸含量从20.2%降低至5.1%。王大海等人研究了反应温度、加酶量、底物比(水/磷脂,ml/g)、反应时间对磷脂酶A1水解大豆浓缩磷脂的影响。采用正交设计方法,确定了各因素影响的显著性顺序为:底物比>反应温度>反应时间>加酶量;确定了磷脂酶A1水解大豆浓缩磷脂的最佳工艺条件,在此条件下产物酸值达129.6mgKOH/g。

  磷脂酶A2水解磷脂的一般条件是:在含氯化钙、由二氯甲烷和水构成的水包油型乳状液体系中加入天然磷脂和磷脂酶A2,在40℃温度下持续搅拌24h,水解得到溶血磷脂,包括溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺、溶血磷脂酰肌醇等。汪勇等人研究了磷脂酶A2在水相(富水、贫水)中水解大豆浓缩磷脂的最佳工艺条件,水解时间和水解速度的关系。富校轶等人确定了磷脂酶A2水解浓缩大豆磷脂的最佳技术条件,为酶水解磷脂的生产与应用提供了理论性依据。M.A.P.Morgado等人采用非水相反应体系,即磷脂先溶解于有机溶剂中,再加入少量水和乳化剂,加酶反应,在水解时会产生较多的脂肪酸。刘晔等人研究了利用反胶团体系制备溶血磷脂的方法,在AOT(二辛基琥珀酸磺酸钠)/异辛烷反胶团体系中,利用磷脂酶A2在优化条件下80min内完成反应,转化率可以达到90%以上。

  目前,工业上利用磷脂酶A2生产的溶血磷脂产品在低pH、高盐浓度的系统中具有较好的亲水和乳化性能。但对于工业化生产,磷脂酶A2水解生产的溶血磷脂产品中含有较多的脂肪酸。

  4.2 脂肪酶改性制备溶血磷脂的研究现状

  4.2.1 脂肪酶水解

  脂肪酶(Triacylglycerol lipase,EC3.1.1.3)能水解甘油三酯键,是生物体内一类重要的代谢酶,广泛存在于动物肝脏、植物种子和微生物中。与磷脂酶等其他酶类相比,脂肪酶价格相对较为便宜,生物来源丰富,包括动物、植物、微生物等,微生物脂肪酶具有较高的催化活性和稳定性,易于生产,是商品脂肪酶的主要来源,部分脂肪酶产品的信息如表2所示。其天然底物为长链脂肪酸酯(如各种油脂等),可以在异相系统(油、水界面)或有机相中起作用,并且具有一定的位置专一性。近年来,脂肪酶产生菌选育、微生物脂肪酶分离纯化及脂肪酶固定化技术已有长足进展,商品化脂肪酶产品已达几十种之多。另外,脂肪酶以其来源广、催化功能多以及催化底物广泛(酯、酸、醇、酸酐、酰胺等都可以成为它的底物)的优势使其成为生物技术及有机合成方面应用最广泛的一类酶。

  具有1,3-位专一性的脂肪酶能选择性地水解磷脂1-位酰基,它可以代替磷脂酶A1使用,在有机溶剂中可以直接催化磷脂与脂肪酸或油脂的酯交换反应,生成新的磷脂。在脂肪酶催化磷脂和脂肪酸的酯交换反应里,加水量是影响反应的一个重要因素。因为加水量既影响酶催化活力,又影响副反应水解反应的程度。加水量过低,酶无法发挥催化活力,抑制了酯交换反应;加水量过高,则促进了水解反应。

  美国采用脂肪酶与磷脂酶混合催化磷脂水解制备了溶血磷脂、甘一酯和甘二酯。国内孙清瑞等以脂肪酶Novozym 435为催化剂,正已烷为溶剂,探讨了以大豆磷脂为原料制备溶血磷脂的影响因素,并得到最佳工艺条件:底物浓度为25%(W/V)、加水量20%、反应温度为51℃、加酶量为6.6%。该条件下磷脂水解后的酸值可达到77.8mgKOH/g。

  4.2.2 脂肪酶醇解

  磷脂醇解改性的产物包括溶血磷脂及与醇相应的脂肪酸酯。国外一些学者对磷脂醇解改性进行了研究。如Lipozyme IM-60及脂肪酶TLL可以催化磷脂辛醇醇解反应制备溶血卵磷脂,但酶的活性随醇的碳链长度减小而下降。M.Ghosh等研究了脂肪酶催化大豆磷脂甘油解制备溶血磷脂及催化醇解大豆磷脂制备溶血磷脂和各种醇的脂肪酸酯的过程。等摩尔混合的大豆磷脂、醇与10%的(按重量计算的反应)miehei毛霉脂肪酶在55℃下反应24小时,该产品通过柱层析法分离后,去除脂肪酶,溶血磷脂的摩尔转化率为69%~78%。但对溶血磷脂产品的精制及反应过程中生成的甘油磷酸胆碱(GPC)含量的变化未多作讨论。

  与水解法生产溶血磷脂相比,醇解法可以在溶剂体系和非溶剂体系(将磷脂溶于醇中,而不采用烃类有机溶剂溶解磷脂)中进行,产品精制时,副产物脂肪酸低级醇酯容易从产物中除去。

  4.2.3 脂肪酶催化酯化

  脂肪酶可催化催化甘油磷酯酰化合物与脂肪酸酯化生成溶血磷脂,如甘油磷酯酰胆碱(GPC)可酯化生成溶血磷脂酰胆碱。Kim等在无溶剂体系中利用脂肪酶Lipozyme IM催化GPC酯化合成了LPC,研究表明向无溶剂体系中添加微量含水的溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)能够显著提高反应效率和得率,LPC的转化可达到90%。从Candida antarctica获得的固定化脂肪酶B即Novozym 435能有效催化合成溶血卵磷脂。Virto等研究了Novozym 435在无溶剂体系或50%(v/v)正丁醇存在下催化L-α-甘油磷脂酰胆碱与月桂酸乙烯酯进行酯交换从而得到溶血卵磷脂,转化率可高达95%以上。

  由于成本较高,这种方法不用于食用级溶血磷脂的生产。

  5 日粮中添加溶血磷脂对畜禽的影响

  5.1 改善生产性能和养分利用率

  磷脂作为外源乳化剂添加到日粮中,对于改善动物的生长和对脂肪的利用率的效果并不完全一致,可能与动物日龄、脂肪来源、磷脂产品形式和添加量、以及试验持续时间等因素有关。

  5.1.1 猪

  Jones等(1992)研究了含不同脂肪(占日粮的10%)的断奶仔猪日粮中,用磷脂或溶血磷脂替代脂肪的10%可显著提高牛油的消化率(P<0.007);分别用磷脂或溶血磷脂替代牛油的5%、10%和30%的试验又表明大豆粗磷脂对仔猪断奶后14天的牛油消化率的改善效果优于溶血磷脂(P<0.008)。Overland等(1994)报道磷脂对生长猪的总能和其它营养物质(N、总P、Ca和Mg)的表观消化率和存留率没有影响,降低C16:0脂肪酸的表观回肠消化率(P<0.10)及C14:O(P<0.05)和C18:2(P<0.10)脂肪酸的全肠表观消化率。Jin等(1998)的研究表明,含牛油的断奶仔猪日粮中添加磷脂,断奶后0~7天的日增重比对照组(牛油组)提高7.2%,显著提高了总能、干物质、粗脂肪和粗蛋白的消化率(P<0.05),Danek等(2005)在断奶仔猪日粮中添加0.1%磷脂进行为期28天的试验,结果发现磷脂可提高仔猪对粗脂肪、粗蛋白、粗纤维和粗灰分等营养物质的代谢率,断奶后一周内这种作用更明显。这可能与仔猪消化系统逐步发育完善有关。Xing等(2004)的研究表明,含5%猪油的日粮中添加0.02%或0.1%溶血卵磷脂显著提高仔猪断奶后15天~35天和0~35天的日增重(P<0.05),但不影响平均日采食量和料肉比;0.02%溶血卵磷脂添加量可提高脂肪的代谢率,随着添加量的升高,干物质、总能、粗蛋白和总磷的消化率呈线性下降(P<0.01)。张兆琴等(2006)在35日龄断奶仔猪日粮中添加卵磷脂发现,大豆卵磷脂不提高35日龄断奶仔猪对含豆油或猪油日粮的养分(干物质、粗蛋白和粗脂肪)消化率,但可改善仔猪的料肉比和能量利用率。

  5.1.2 牛

  有研究证实,添加磷脂可显著改善犊牛对人造奶中非乳脂的消化率。磷脂还可添加到奶牛的日粮中,提高日粮的能量水平,改善高产奶牛的泌乳能力和繁殖能力。陈红等(2006)在基础日粮中分别添加1%、2.5%和4%大豆磷脂,对荷斯坦奶牛进行为期100天的试验,结果表明,1%和2.5%大豆磷脂组的平均产奶量高于对照组(P<0.01),2.5%组奶牛达到泌乳高峰的时间短,而且高峰持续时间长,该组平均每头奶牛净增利润最高。此外,用卵磷脂替代反刍动物日粮中的纯油,可避免纯油对瘤胃发酵带来的副作用,特别是纤维降解,还可以降低瘤胃蛋白的降解。由于大豆磷脂中富含的亚油酸抑制纤维降解菌的活性,有人推荐在反刍动物日粮中添加亚油酸含量低的芸苔卵磷脂。刘德玉(2013)等试验报道添加0.30%溶血卵磷脂能显著提高种公牛采精次数、精子密度、鲜精活力以及冻后活力、冻精产量。

  5.1.3 禽

  Polin(1980)指出,在日粮中添加2%磷脂可有效提高生长鸡对牛油的代谢率。王若军等(1997)用改性浓缩大豆磷脂替代肉仔鸡日粮中豆油的25%、75%和100%,发现100%替代豆油对肉仔鸡的生产性能没有负面影响,所采用的磷脂产品可完全替代肉鸡日粮中的豆油。许毅等(2004)分别以1%、2%和3%的固体磷脂替代基础日粮中的玉米,发现添加2%和3%固体磷脂组显著提高了前期(0~21日龄)、后期(22日龄~42日龄)和全期(0~42日龄)的体增重(P<0.05)。杨烨等(2005)发现与日粮能量水平相等的大豆油组相比,大豆磷脂显著提高河田鸡9周~16周的日增重和料肉比。Huang等(2007)日粮中添加0.5%大豆磷脂显著提高日增重和饲料转化效率,添加2%大豆磷脂提高日粮中豆油的代谢率。然而Summers等(1981)和Blanch等(1995)则发现日粮中添加0.2%至1%磷脂并无法提高肉仔鸡对牛脂的代谢率及代谢能值,这可能与磷脂添加量不足有关。Azman等(2004)在含4%豆油的肉仔鸡日粮中用大豆磷脂替代豆油的方法进行试验,结果表明大豆磷脂对肉仔鸡的生产性能没有改善作用。杨丹丹等(2008)试验报道,溶血磷脂对肉仔鸡有减少肝脂肪沉积及降血脂作用。

  An等(1997)将60周龄的母鸡分为四组,分别在日粮中添加牛油(对照组)、混合油(红花油和棕搁油)、红花粗磷脂和红花纯化磷脂,进行为期7周的试验,结果表明红花粗磷脂组蛋鸡的产蛋率和日产蛋量均显著高于其它组(P<0.05)。

  5.2 调控脂肪代谢和胴体品质

  王若军等(1997)的试验表明,大豆磷脂可提高肉鸡的屠宰率,降低腹脂和改善肉质。许毅等(2004)采用固体大豆磷脂部分替代肉鸡日粮中的玉米,1%固体磷脂组不同程度提高了屠宰率、全净膛率,降低了公鸡腹脂率,且使公鸡和母鸡的胸肌率最大。杨烨等(2005)报道在日粮中添加大豆磷脂可提高肌内脂肪含量,降低腹脂率、肌肉的滴水损失、烹饪损失和剪切力。An等(1997)发现与饲喂添加牛油日粮的蛋鸡相比,给蛋鸡饲喂红花粗磷脂和红花纯化磷脂分别将肝脏总脂类水平降低57%和52%。这说明磷脂可有效降低肝脏脂肪的沉积,对于预防蛋鸡的脂肪肝综合症有重要的意义。

  5.3 提供胆碱

  Enunert等(1996)用氯化胆碱、液态卵磷脂和去油卵磷脂分别添加到雏鸡日粮中做对比试验发现,三种物质中的胆碱生物学效价相当。胆碱缺乏可引起家禽的骨短粗病。试验证明,日粮中添加卵磷脂还可以预防家禽骨短粗病。

  6 小结

  溶血卵磷脂以其独特的生理功能和表面活性在食品、医药、化妆品、精细化工等行业有着广泛的应用前景。随着对其功能性和营养性研究的深入,以及生产和精制工艺的改进,溶血卵磷脂在食品、医药及其他行业中的应用将越来越广泛。目前磷脂的改性方法包括物理改性、化学改性及酶法改性,酶法改性作为一种绿色、环保的方法有着广泛的发展前景和重要的綷-济和社会价值。

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