周红茹 金 俊 杨 娇 金青哲

油脂中3－氯丙二醇酯形成的化学反应机制

周红茹 金 俊 杨 娇 金青哲

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室江南大学食品学院，无锡 214122)

3－氯丙二醇酯是油脂及油脂食品在热加工过程中生成的副产物，目前被认为是潜在的食品安全危害因子之一。本文介绍了油脂中3－氯丙二醇酯形成的3种化学反应机制，普遍认为是氯离子的亲核进攻导致了3－氯丙二醇酯的形成。其中，第1种机制认为氯离子亲核反应的中间体环酰氧鎓离子是3－氯丙二醇酯的前体;第2种机制认为是亲核的氯离子直接攻击甘油骨架上的酯基或质子化羟基;第3种机制认为缩水甘油酯可能作为氯离子亲核反应的中间体而成为其前体。

3－氯丙二醇酯 环酰氧鎓离子 缩水甘油酯 形成机制

3－氯丙二醇酯(3－monochloropropane－1，2－diol esters，3－MCPD酯)是油脂在热加工过程中形成的副产物，目前被认为是潜在的食品安全危害因子之一。在食品加工、储藏中，尤其在机体内有关酶作用下，3－MCPD酯可能水解生成游离的3－氯丙醇(3－MCPD)从而显示毒性［1］。

Davídek等［2］于1980年首次在酸水解植物蛋白(HVP)中发现3－MCPD酯，但并未引起普遍关注。3－MCPD酯广泛存在于食品，尤其是精炼油脂及其油脂食品中，则是最近几年才被注意到的事。Svejkovská等［3］于2004年报道了多种加工食品中存在3－MCPD酯，Zelinkova等［4］于2006年报道了精炼油脂中普遍存在3－MCPD酯。现在，欧美多个实验室已从多种食品中分离出氯丙醇酯类物质，其中最普遍的是3－MCPD酯，其余氯丙醇酯物质如2－MCPD酯、1，3－ 二氯丙醇酯(1，3－DCP酯)和2，3－ 二氯丙醇酯(2，3－DCP酯)虽也有检出，但含量很低。

了解油脂体系中3－MCPD酯的形成机制，对于采取有效措施防止和减少油脂食品中3－MCPD酯的形成十分重要。

目前主要提出了3种3－MCPD酯的形成机制，普遍认为是氯离子的亲核进攻导致了3－氯丙二醇酯的形成。第1种机制认为氯离子亲核反应的中间体环酰氧鎓离子是3－MCPD酯的前体;第2种机制认为是亲核的氯离子直接攻击甘油骨架上的酯基或质子化羟基;第3种机制认为缩水甘油酯可能作为氯离子亲核反应中的中间体而成为3－MCPD酯的前体。

油脂中亲核试剂氯离子的来源比较广泛，含氯的包装材料(如聚氯乙烯PVC、聚偏二氯乙烯PVDC)，油脂在精炼过程中使用的各种加工辅料(如水、酸、碱液、脱色土等)，以及食用油脂在使用(尤其煎炸)过程中由食品或原料引入的含氯的调味剂或添加剂(氯化钠、氯化钙、氯化镁等)。另外，油料作物生长过程中从土壤中吸收的含氯无机盐类、以及残留的含氯杀虫剂，在油料种子加工的过程中也会部分进入到油脂原料中。

1 环酰氧鎓离子中间体机制

此机制认为TAG、DAG、MAG是形成3－MCPD酯的前体物质，环酰氧鎓离子是反应过程中的中间体，亲核试剂氯离子攻击环酰氧鎓离子的环结构，将环打开，从而形成3－MCPD酯。

Collier等［5］基于对醋酸存在条件下3－MCPD与2－MCPD比率变化的观察，首次提出了环酰氧鎓离子是游离氯丙醇形成过程中的中间体。Rahh［6］等采用FTIR监测到了60℃以上条件下三棕榈酸甘油酯中环酰氧鎓离子的形成，该反应用Lewis酸ZnCl2催化，在约1 651 cm－1处观察到了环酰氧鎓离子的特征吸收峰，此特征吸收峰又进一步通过同位素13C标记羰基碳进行了证实。

1．1 前体物质形成环酰氧鎓离子的途径

在酸催化条件下，环酰氧鎓离子可通过TAG、DAG或MAG酯羰基的内部亲核进攻以及甘油骨架上离去基团的同步分离而形成。当前体物质为MAG时离去基团是质子化羟基(水)，前体物质为TAG时离去基团是羧酸基，前体物质为DAG时，离去基团可以是羧酸基，也可以是水。尽管从分子大小来看，质子化羟基(水)是更好的离去基团，但油脂体系是疏水环境，相比之下，羧酸基基团的离去倾向可能会更大些。

DAG可通过两种途径形成环酰氧鎓离子。

一是在酸性条件下，通过DAG酯羰基的内部亲核进攻以及甘油骨架上离去基团羧酸基的同步分离而形成(图1)。

二是在酸性条件及邻近的DAG酯基的邻助作用下，质子化羟基(水)同步分离，形成环酰氧鎓离子中间体(图2)。

与DAG的反应历程相似，1－MAG和2－MAG通过环化也可以得到环酰氧鎓离子(图3)。

图3 MAG形成环酰氧鎓离子过程(R=酰基)

TAG可通过两种途径形成环酰氧鎓离子。

一是在酸性条件下，通过TAG酯羰基的内部亲核进攻以及甘油骨架上离去基团羧酸基的同步分离而形成(图4)。

图4 TAG形成环酰氧鎓离子过程(R=酰基)

二是在酸性条件下，TAG水解失去一分子脂肪酸生成DAG，DAG也可进一步水解生成MAG;DAG或MAG在酸性条件下，同步分离羧酸基或质子化羟基(水)，形成环酰氧鎓离子(图5)。值得一提的是，3－MCPD二酯在酸性条件下也可以形成环酰氧鎓离子5(图6)。

图5 TAG形成环酰氧鎓离子过程(R=酰基)

图6 3－MCPD二酯形成环酰氧鎓离子6的过程(R=酰基)

1．2 环酰氧鎓离子的共轭稳定结构及其开环后的产物

由DAG及MAG生成的环酰氧鎓离子的共轭稳定结构如图7所示。

图7 环酰氧鎓离子1～4的共轭稳定结构(R=酰基)

3－MCPD二酯生成的环酰氧鎓离子的共轭稳定结构如图8所示，此含氯的环酰氧鎓离子含环酰氧鎓离子5和6两种，且处于平衡状态。

图8 环酰氧鎓离子5和6的共轭稳定结构(R=酰基)

环酰氧鎓离子能在3个不同的位点发生反应，如图9～图11中a、b、c所示。

在氯离子、羟基等亲核试剂进攻C－4(b)和C－5(a)情况下，环酰氧鎓离子1和2的共轭稳定结构被开环，并生成3－MCPD酯(图9)。

氯离子对C－5的进攻(a)较容易，这是因为该位点C原子富电子且空间位阻小。因此，由DAG生成的环酰氧鎓离子共轭稳定结构开环后的主要产物是3－MCPD二酯。氯离子进攻C－4(b)可得到2－MCPD二酯。

环酰氧鎓离子3和4共轭稳定结构开环后的产物见图10。与DAG类似，由MAG生成的环酰氧鎓离子共轭稳定结构开环后的主要产物是3－MCPD－2－酯。3－MCPD－2－酯与3－MCPD－1－酯可以相互转化，在体系中它们处于平衡状态;3－MCPD单酯之间的异构化与MAG之间的异构化类似。氯离子进攻C－4(b)可得到2－MCPD单酯。

环酰氧鎓离子5和6共轭稳定结构开环后的产物见图11。羟基(水)进攻由3－MCPD双酯生成的环酰氧鎓离子的共轭稳定结构，将环打开，可得到3－MCPD－1－酯和3－MCPD－2－酯;氯离子打开该环酰氧鎓离子的共轭稳定结构可得到二氯丙醇酯(DCP酯)。图11列出了3－MCPD双酯生成的环酰氧鎓离子被亲核试剂羟基或氯离子进攻开环后的可能产物。

图9 环酰氧鎓离子1和2共轭稳定结构开环后的产物(R=酰基)

2 氯离子直接亲核取代机制

在盐酸催化酸解条件下，TAG的酰基被氯离子直接亲核取代，生成3－MCPD二酯。类似的，偏酰基甘油(DAG、MAG)的羟基也可被氯离子直接亲核取代生成氯丙醇酯，见图12。

3 缩水甘油酯中间体机制

2009年，Weiβhaar等［7］报道了精炼油脂中存在缩水甘油脂肪酸酯，最近发现，在精炼棕榈油和棕榈油配方食品中缩水甘油酯含量相对较高。初步研究表明，缩水甘油酯在精炼油脂中的出现可能与其DAG含量相关［8］。

由于亲电子的环氧结构，缩水甘油酯具有烷基化性能，可直接与亲核试剂发生反应，见图13。

由此，缩水甘油酯有可能是3－MCPD酯形成(氯离子开环)过程中的中间体，但此假说还未得到彻底证实。

图12 TAG、DAG被Cl阴离子直接取代形成3－MCPD酯的过程(R=酰基)

图13 缩水甘油酯的氧环被氯离子亲核进攻形成3－MCPD酯的过程(R=酰基)

4 结语

油脂中3－MCPD酯的出现引起了业界广泛关注，本文所介绍的3种3－MCPD酯的形成机制中，环酰氧鎓离子中间体已被研究者监测到，但大多数反应过程仍需大量试验数据的支持，探求油脂中3－氯丙二醇酯形成的化学反应机制，有助于在实际生产、储藏以及使用过程中减少或避免3－MCPD酯生成。

［1］Hamlet C G，Sadd P A，Crews C，et al．Occurrence of 3－chloro－propane－1，2－diol(3－MCPD)and related compounds in foods:A review［J］．Food Additives and Contaminants，2002，19(7):619－631

［2］Davídek J，Velíšek J，Kubelka V，et al．Glycerol chlorohydrins and their esters as products of the hydrolysis of tripalmitin，tristearin and triolein with hydrochloric acid［J］．Lebensmittel－Untersuchung und－Forschung，1980，171:14－17

［3］SvejkovskáB，Novotny O，DivinováV，et al．Esters of 3－chloropropane －1，2－diol in foodstuffs［J］．Czech Journal of Food Sciences，2004，22(5)，190－196

［4］Zelinkova Z，Svejkovska B，Velisek J，et al．Fatty acid esters of 3－chloropropane－1，2－diol in edible oils［J］．Food Additives and Contaminants，2006，23(12)，1290－1298

［5］Collier PD，Cromie D D O，Davies A P．Mechanism of formation of chloropropanols present in protein hydrolysates［J］．Journal of American Oil Chemists Society，1991，68(10)，785－790

［6］Rahn A K K，Yaylayan V A．Monitoring cyclic acyloxonium ion formation in palmitin systems using infrared spectroscopy and isotope labelling technique［J］．European Journal of Lipid Science and Technology，2011，113(3):330－334

［7］Weißhaar R，Perz R．Fatty acid esters of glycidol in refined fats and oils［J］．European Journal of Lipid Science and Technology，2009，112(2)，158－165

［8］Collison M W．Direct determination of MCPDesters and glycidyl esters by LCMS．Berlin:OVID－Association of the oilseed crushing and oil refining Industry in Germany，2010，A-vailable at:http://www．ovid－verband．de/fileadmin/user_upload/ovid－verband．de/downloads/ADM_Collison．pdf［accessed September 2010］．

The Chemical Reaction Mechanism of 3－MCPD Esters Formed in the Oil

Zhou Hongru Jin Jun Yang Jiao Jin Qingzhe
(State Key Laboratory of Food Science and Technology School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122)

3－MCPD esters is a by－product during the thermal processing of oils and fatty food．Nowadays，3－MCPD esters is considered as a kind of potential food safety hazard factors．This paper describes three kinds of the chemical reaction mechanism of 3－MCPD esters formed in the oil．Generally speaking，the nucleophilic reaction of chloride ions leads to the formation of 3－MCPD esters．The first mechanism regards the acyloxonium ion as the precursor of 3－MCPD esters，while the acyloxonium ion is a reactive intermediates formed before the nucleophilic reaction of chloride ions．The second mechanism considers that the ester group or a protonated hydroxyl group of the glycerol carbon atoms is directly nucleophilic attacked by the chloride ion which leads to the formation of 3－MCPD esters．The third mechanism accounts that glycidol ester might be a reactive intermediates before nucleophilic reaction of chloride ions，which can be regarded as the precursor of 3－MCPD esters．

3－MCPD esters，acyloxonium ion，glycidol ester，formation mechanism

TS221

A

1003－0174(2012)10－0118－05

“十一五”国家科技支撑计划(2010BAD01B07)，“十二五”国家科技支撑计划(2011BAD02B03、2012BAK 08B03)

2012－02－28

周红茹，女，1980年出生，博士，脂质科学与技术

金青哲，男，1962年出生，教授，油脂化学