脂类的化学

第一节　脂类的化学

脂类是广泛存在于自然界的一大类物质，它们在化学组成和结构上虽然可以有很大差异，但都有一个共同特性，即难溶于水而易溶于乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂。脂类的这种特性主要是由其结构组成中碳氢成分含量高所决定的。

一、脂类的概念和分类

脂类是脂肪和类脂的总称，脂肪是三脂肪酸甘油酯或称甘油三酯，类脂包括固醇及其酯、磷脂及糖脂等。脂类是一类根据溶解性质定义的生物有机分子，它们是动物和植物体的重要组成部分。

对大多数脂类而言，其化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。组成脂类的主要元素有碳、氢、氧，有些还含有氮、磷和硫。

通常脂类按化学组成分为三类，即单纯脂、复合脂、衍生脂。

（1）单纯脂　是由脂肪酸和醇类形成的酯，如甘油三酯及高级醇和脂肪酸形成的蜡。

（2）复合脂　除脂肪酸和醇之外，还含有其他成分，如含有糖的糖脂；含有磷酸和胆碱等成分的磷脂。

（3）衍生脂　包括了由前两类衍生或水解的产物，与脂类关系密切，且具有脂类一般性质的一大类物质，有固醇类、萜类，以及脂蛋白、脂多糖、脂肪酸、甘油等。

二、脂类的生理功能

脂类是组成生物体的重要成分，脂肪和类脂在人体内的分布很不相同。脂肪常以大块组织的形式分布于皮下结缔组织、腹腔的大网膜和肠系膜等处，且多以乳化状的微粒存在于细胞浆中。人体脂肪的含量易于受营养和运动等因素的影响而变化，一般占体重的10%～20%。类脂是构成细胞生物膜的重要结构和功能成分，通常占膜重的50%以上。

脂类的生理功能因其成分、组成和部位等的不同，而发挥不同的生理功用和效能，主要有以下几方面：

（1）贮能供能　脂肪是贮存能量和供应能量的重要物质。氧化1g脂肪所释放的能量约37.7kJ，是氧化1g糖或蛋白质释放能量的2倍多。人体20%～30%的能量就是由脂肪提供的。如果摄取的营养物质超过了正常的需要量，那么大部分要转变成脂肪并在适宜的组织中积累下来；而当营养不够时，又可以对其进行分解供给机体能量。

（2）构成生物膜的主要成分　细胞膜、核膜和各种细胞器的膜总称为生物膜。参与构成生物膜骨架的主要是磷脂、胆固醇、膜蛋白等。脂类作为细胞的表面物质，不仅可起到屏障、选择性通透作用，还与细胞识别、组织免疫等有密切关系。现在脂质体也被用作药物载体，以提高药物的组织特异性和药物效能。

（3）协助脂溶性维生素和必需脂肪酸的吸收　有些生物活性物质必须溶解于脂质中才能在机体中运输并被机体吸收利用。脂类可协助脂溶性维生素A、维生素D、维生素E、维生素K和胡萝h素等的吸收。必需脂肪酸是指机体需要，但自身不能合成，必须要靠食物提供的一些多烯脂肪酸，植物油中含有较多的必需脂肪酸。

（4）保护和保温作用　在生物机体表面的脂类物质能有效防止机体机械损伤与热量散发，可作为绝缘层抵御低温、振动等对生物体的伤害。

（5）高效生物活性作用　类固醇激素（包括雄激素、雌激素、肾上腺皮质激素）等含量虽很少，但却具有专一的重要生物活性。此外，有一些还是重要的载体、信使物质，以及酶的辅助因子或激活剂等。它们都具有极高的生物活性。

三、脂肪的结构和性质

生物体内含有的脂类主要有脂肪、脂肪酸、磷脂、糖脂、固醇等，这些脂类不但化学结构有差异，其性质和功能也有所不同。甘油、脂肪酸及其组成的脂肪是构成脂类物质的重要化学基础。

1.脂肪酸

生物体内的脂肪酸多以结合形式存在，如甘油三酯、磷酸、糖脂等；少数以游离状态存在。

表4-1　天然存在的一些脂肪酸

脂肪酸是由一条长的烃链和羧基组成的羧酸，在天然脂肪酸的烃链中，碳原子的数目绝大多数是双数的，并且大多数含16个或18个碳原子。依据其烃链上是否含有双键（或三键）而分为饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸两类（表4-1）。

饱和脂肪酸的碳链完全为氢所饱和，如软脂酸、硬脂酸、花生酸等；不饱和脂肪酸的碳链则含有不饱和的双键。

根据人体能否自身合成又可分为营养必需脂肪酸和非必需脂肪酸。必需脂肪酸因人体不能合成，故需依赖食物提供，如亚油酸（18∶2）、亚麻酸（18∶3）和花生四烯酸（20∶4）等多种不饱和脂肪酸。

脂肪酸和含脂肪酸化合物的物理和化学性质主要取决于脂肪酸烃链的长度与不饱和程度。烃链越长，溶解度越低；而在室温条件下许多饱和脂肪酸为蜡状固体，同样链长的不饱和脂肪酸则为油状液体。此外，化学构象的不同，也会造成其理化性质的差别。

脂肪酸是体内合成甘油三酯和甘油磷脂的重要原料。必需脂肪酸是机体正常生长发育、代谢所必需的物质，尚具有抗氧化、抗血栓、抗炎及增强机体免疫力的作用。

2.甘油三酯

甘油三酯也称三酰甘油或中性脂肪，是1分子甘油和3分子脂肪酸结合而成的酯，其结构通式为：

R¹、R²、R³代表脂肪酸的烃链，它们可以相同，也可以不同。相同的称为单纯甘油酯，不同则称为混合甘油酯。

常温下含不饱和脂肪酸多的脂类呈液态，称为油；含不饱和脂肪酸少的呈固态，则称为脂，因此总称为油脂。自然界中，植物性油含不饱和脂肪酸比动物性油多，在普通室温下以液态形式存在，动物性油脂多数以固态形式存在。

纯的甘油三酯为无色、无味、无臭的稠状液体或蜡状固体；密度低于水，多在0.91～0.94g/cm³；不溶于水，易溶于乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂，放也称作脂溶剂；其熔点与其所含脂肪酸有关，一般含较多不饱和脂肪酸者熔点较低。

在酸、碱或脂肪酶的作用下，甘油三酯能够水解为脂肪酸和甘油。其中在碱溶液中水解的重要产物之一是脂肪酸盐（如钠盐、钾盐），俗称皂，因此油脂的碱水鳃作用被称作皂化作用。

油脂分子中的不饱和脂肪酸也和游离脂肪酸一样，能够与氢或卤素发生加成反应。其中油脂中的双键与氢发生加成称为氢化，食品工业中的人造黄油和半固体的烹调脂，就是利用氢化反应将液态的植物油转变成了固态的脂。不饱和油脂与卤素中的溴或碘发生加成而生成饱和卤化脂的过程，称为卤化。

长时间暴露在空气中的天然油脂常产生异味，这种现象称为酸败，主要是油脂中不饱和成分发生自动氧化，产生过氧化物，进而降解成具有挥发性的醛、酮、酸等物质所致。另外，微生物的作用，也是油脂产生异味的重要原因。酸值（价）是用来表示酸败程度的重要指标，即中和1g油脂中的游离脂肪酸所需KOH的质量（mg）。