第一章 前言
1.1 生物技術之應用
生物技術所涵蓋的廣大範圍中，就科技層面的定義而言，可以區分廣義與狹義的生物 技術；廣義的生物技術是總合微生物學、動物學、植物學乃至工程學等科學而成的技術部 門；而狹義的生物技術，指的是新發展的關鍵技術，例如：遺傳工程技術，蛋白質工程技 術等。在著重環境保護、節約能源及開發新資源的今天，生物技術的發展更見其重要性(田，
1998)。生物技術可應用於食品、農業、醫藥、化工、能源及環保等相關產業方面。如圖 1-1 所示脂質生物技術涵蓋了改變油脂脂肪酸或脂質組成及含量之基因工程轉殖技術、在油脂 加工過程中以酵素修飾油脂組成或特性以改善油脂品質及利用微生物生產油脂或進行油脂 生物轉化反應。
圖 1-1 脂質生物技術的主要領域 (Mukherjee et al., 1998)
1.2 酵素催化作用的優點
酵素為可降低化學反應活化能功用之蛋白質，具有催化化學反應之作用。在 37℃下，
利用過氧化氫酵素(Peroxidase)催化過氧化氫之分解反應，其速率約為用鉑(Platinum)當催化 劑的 107倍；而於常溫常壓下，其催化速率更為一般無機觸媒之 108或 1011倍(侯，1993)。
酵素在低溫下具有相當大的催化效果，此點在食品加工應用上非常重要，因為可在較 低溫下，利用酵素來進行食品的加工製造，而不至於破壞食品的品質。以酵素方法修飾油 脂的優點可歸納出(Haraldsson et al., 1997)：
1. 反應效果佳，若為固定化酵素，又具重覆使用之優點。
2. 利用酵素之專一性，可針對不同產品需求而選擇不同酵素。
另外，固定化酵素亦可增加酵素對酸鹼值與熱的穩定性 (Malcata et al., 1992)，且便於 反應中進行自動化控制與連續式操作(陳國誠，1989)。由於以上優點，酵素固定化技術自 位置之酯鍵，是很廣泛使用的一類，如猪胰臟脂解酵素，還有 Aspergillus niger 和 Rhizopus arrhizus 之脂解酵素均屬於此類。
3. 非 專 一 性 : 此 類 酵 素 對 甘 油 酯 醯 基 的 位 置 或 特 殊 脂 肪 醯 基 無 選 擇 性，因此可切除或結合任意位置之酯鍵。如來自於 Penicillium expansum 和 Aspergillus sp.
之脂解酵素均屬於此類。
4. 脂肪酸特異性:此類酵素僅對特別的脂肪酸作用，大部分源自微生物的脂解酵素皆無此特 性，但 Geotrichum candidum之脂解酵素僅能與甘油酯上在第九位置有一順式雙鍵的長 鏈脂肪酸作用，對於飽和脂肪酸或第九位置無雙鍵的脂肪酸則無作用(Macrae, 1983)。
5. 對立體位置具專一性:此類酵素具有分辨三酸甘油酯上 sn-1 和 sn-3 位置的能力。
1.5 酵素催化油脂之反應
酯交換反應一詞包括了反應間醯基轉移的三種反應: (1)酯類與脂肪酸之酸解反應
(Acidolysis) ； (2) 酯 類 與 醇 類 之 醇 解 反 應 (Alcoholysis) ； (3) 相 異 酯 類 之 酯 交 換 反 應 (Interesterification)。酯交換反應由於化學平衡的問題，必須在低水量下操作以提高產率。
由於基質多為疏水性的有機物，使用有機溶劑當作介質可增加基質之溶解度。已有不少研
表 1-1 脂解酵素分類與來源(Villeneuve and Foglia, 1997)
究嘗試藉脂解酵素催化酯交換反應以改變油脂的組成，進而改變其性質以提高其經濟價值。
現行油脂工業中，為獲得較具經濟價值之油脂，大多將天然油脂經化學觸媒(如鹼金屬 或 Alcoholate)催化，進行酯交換反應(Konishi et al., 1993)。然而這些化學觸媒在進行油脂中 之醯基交換時，係以任意方式進行，即在交換醯基之位置不具特異性；因此酯交換後產生 之油脂，其組成較複雜，造成產物分離的困難。若能以酵素催化反應，即可利用酵素之特 異性獲得所要的脂質，因而提高產物的純度，降低分離成本。因反應可在常溫常壓等較溫 和的條件下進行，減少能源及材料的花費，相較於傳統之化學方法，酵素方法對環境的負 擔較低 (Forssell et al., 1993)。脂解酵素催化的主要油脂修飾反應，如圖 1-2 所示。
1.6 脂質之重要性
脂質(Lipid)在細胞正常功能上，扮演極重要之角色，除了提供各種代謝反應所需能量 外，某些脂質亦為細胞膜之重要成份，脂質之功能可歸納如下(王，1996)：
1. 供給及儲備能量：脂質為人體能量之主要來源，每公克脂質可提供 9 大卡的熱量，並可 直接或間接被利用，過剩的脂肪則被儲存於脂肪組織(Adipose Tissue)中，當攝取的熱量不 足時，即可立即補充。
2. 提供必需脂肪酸：脂質中含各種必需脂肪酸，無法由體內自行合成，而必須經由食物攝 取。
3. 參與代謝作用：脂質直接或間接參與許多代謝作用。
4. 作為細胞架構的成份：脂質與蛋白質合成脂蛋白(Lipoprotein)為細胞內各種膜的成份，一 些脂質亦為消化道分泌液、激素及神經周邊等組織的組成分。
圖 1-2 脂解酵素催化的主要油脂修飾反應(Villeneuve and Foglia, 1997)
5. 合成激素：如花生四烯酸為前列腺素(Prostaglandins)及白三烯素(Leukotrienes)的前驅物。
6. 保護及絕緣作用：儲存在皮下脂肪層的脂肪，具絕緣作用，可防止體溫迅速發散，維 持正常體溫。而在體內各器官與神經組織四周的脂肪，負責保謢器
官及神經不受外界的震動或撞擊傷害。
7. 攜帶脂溶性維生素：維生素 A、D、E、K 為脂溶性，須先溶解於脂肪才能被吸收。
在食物中之脂質約 95%為三酸甘油酯(Triacylglycerol, TG)。其結構包括 3 個碳原子為 中心的甘油(Glycerol)分子，及 3 個分別接在碳原子羥基上之脂肪酸。而 TG 分子中脂肪酸 的碳數、飽和程度及分子結構等都會影響脂質之特性與對人體的生理功能。
1.7 脂肪酸的分類及構造
脂肪酸(Fatty acid, FA)為一個羧基(Carboxyl Group)及一個偶數碳鏈所組成，在食物脂肪 中存在之脂肪酸多屬於直鏈化合物。脂肪酸依碳鏈長度不同可分為 6 個或 6 個以下碳原子 之短鏈脂肪酸(Short Chain Fatty Acids, SCFA)，8-12 個碳原子之中鏈脂肪酸(Medium Chain Fatty Acids, MCFA)及 14 個或 14 個以上碳原子之長鏈脂肪酸(Long Chain Fatty Acids, LCFA)。脂肪酸也可依飽和度(Degree of Saturation)不同而區分成飽和脂肪酸(Saturated Fatty Acid)及不飽和脂肪酸。飽和脂肪酸上的碳原子皆以單鍵結合；不飽和脂肪酸則可細分為含 一個雙鍵之單元不飽和脂肪酸(Monounsaturated Fatty Acid)及含二個或二個以上雙鍵之多元 不飽和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acid, PUFA)。
脂肪酸可簡單表示成(x：y n-z)：其中 x 表示碳原子數目，y 表示雙鍵數，z 表示由甲基
端算起第一個出現雙鍵的碳原子數目。在人體中的兩大必需脂肪酸為 n-3 系脂肪酸與 n-6 系脂肪酸。常見 n-3 及 n-6 必需脂肪酸有：γ-亞麻油酸(γ-Linolenic Acid；C18:3 n-6；GLA)、
α-亞麻油酸(α- Linolenic Acid；C18:3 n-3；ALA)、亞油酸(Linoleic Acid；C18:2 n-6；LA)、
花生四烯酸(Arachidonic Acid；C20:4 n-6；AA)、二十碳五烯酸(Eicosapentaenoic Acid；C20:5 n-3；EPA)、二十二碳六烯酸(Docosahexaenoic Acid；C22:6 n-3；DHA)。
1.8 結構脂質
1.8.1 結構脂質之定義及應用
結構脂質(Structured Lipids, SL)為經由化學或酵素催化反應以改變 TG 分子上脂肪酸組 成或立體位置所得之脂質。脂質可針對營養上的需求而修飾，應用範圍包括：醫藥治療、
離脂肪酸及甘油再被吸收。被吸收進入小腸黏膜上皮細胞的脂肪酸及單酸甘油酯等，先合 和種族、血統有關外，母親的飲食也是重要影響因素之一(Jensen, 1998; Clark and Hundrieser, 1993)。在人類母乳脂肪中97-99%是三酸甘油酯也是母乳中的主要能量產生成分，人類母乳 脂肪約含20-25%的棕櫚酸(C16:0)以及30-35%的油酸(C18:1)，其中大約70%之棕櫚酸鍵結在 三酸甘油酯的sn-2位置上(Martin et al., 1993)，而sn-1,3位置主要是不飽和脂肪酸(Schmid et al., 1998)，此種結構對三酸甘油酯是很重要的，因為三酸甘油酯是直接與分解脂肪的酵素 作用而不是以脂肪酸的型式(De Fouw et al., 1994; Lien, 1994; Lien et al., 1997; Summers et al., 1998)。另外，嬰兒食品中主要的結構脂質為1,3-dioleoyl-2-palmitoyl-glycerol (OPO) (Nagao et al., 2001)，而本篇論文研究目的即在利用1,3-位置特異性脂解酵素進行酸解反應合 成此種結構脂質。母乳脂肪的脂肪酸組成與分佈如表1-2所示。
a Values are derived from Lien et al. (1997).
b C12:0, lauric; C14:0, myristic; C16:0, palmitic; C18:0, stearic;
C18:1n-9, oleic; C18:2n-6, linoleic and C18:3n-3, linolenic acids.
c Indicates the percentage of the fatty acids esterified at the sn-2 position, calculated as 【sn-2 fatty acids×100% /
（3×Total fatty acids）】.
d Indicates fatty acid composition at the sn-1,3 positions, calculated as 【3×Total－（sn-2）】/2.
1.12 結構脂質 1,3-dioleoyl-2-palmitoyl-glycerol (OPO)
母乳脂肪吸收優於配方奶可歸因於母乳中 TG 獨特的立體結構。
Carnielli et al. (1995)比較二種配方奶對早產兒脂肪吸收與礦物質平衡之影響；以人工 合成乳脂肪中之 TG，β配方為模擬母乳 TG 中棕櫚酸含量及酯化位置(sn-2)，α配方 類似市面配方奶，棕櫚酸酯化在 sn-1、sn-3 位置，實驗採隨機雙盲、交叉設計，結果
接受β配方早產兒糞便排出較少飽和脂肪酸(14:0、16:0、18:0)，脂肪吸收率較佳，鈣 吸收及鈣保留率均優於α配方，結論：TG 結構類似母乳之配方，可有效改善小腸脂 肪酸吸收與礦物質平衡。反之，若嬰兒食品中的棕櫚酸存在於三酸甘油酯的 sn-1,3 位 置，經由胃和胰臟脂解酵素消化作用後釋放出來形成鈣鹽或鎂鹽，會造成嬰兒消化吸 收不良。
1.13 內容簡介
本研究以酸解反應合成 1,3-dioleoyl-2-palmitoyl-glycerol(OPO)型式的 SL。內容主要分 成三個步驟，(一)以 Lipozyme IM 固定化脂解酵素，催化棕櫚酸與甘油之酯化反應，目的在 得到酸解反應之基質三棕櫚酸甘油酯。(二)因為各種食用油中以橄欖油含有最高量的油酸 (約佔 70-80%)，所以選擇自橄欖油中濃縮油酸，先將橄欖油皂化得到游離脂肪酸(Free Fatty Acid, FFA)，再以低溫溶劑結晶法進行濃縮。(三)以上述所得之三棕櫚酸甘油酯與油酸，在 正己烷中利用 1,3-位置特異性脂解酵素催化進行酸解反應，以得到所要的結構脂質 1,3-dioleoyl-2-palmitoyl-glycerol(OPO)。