芝麻木脂素是芝麻中特有的生理活性物质，通常以苯丙素氧化聚合而成的二聚体形式存在，主要包括芝麻素、芝麻林素、芝麻酚、细辛素、芝麻素酚。其中，芝麻林素是芝麻木脂素中重要的抗氧化成分。芝麻林素由两个亚甲基二氧基苯和一个双并四氢呋喃环组成，其中一个苯基通过乙缩醛氧桥和四氢呋喃相连，该结构导致其稳定性较差，在高温条件下容易发生断裂从而转化为芝麻酚。

河南工业大学粮油食品学院的于渝梦、马宇翔、汪学德*等 以芝麻林素为原料，通过选择合适的反应溶剂避免芝麻籽或芝麻油中酯类成分对提取过程的影响，以及其他木脂素成分的干扰，在此基础上，考察不同反应条件对芝麻酚生成的影响，并进一步研究其转化动力学及反应机制，以期为芝麻油加工行业生产出高芝麻酚含量的产品提供理论指导和数据支持。

01

标准曲线的绘制

根据每种化合物在高效液相色谱中的保留时间不同，对芝麻酚和芝麻林素进行定性，采用外标法进行定量。芝麻酚和芝麻林素标准品高效液相色谱图见图2。其中，芝麻酚、芝麻林素的保留时间分别为8.83、23.27 min，标准曲线方程分别为y＝18 192x-16 458（R 2 ＝0.999 9）、y＝13 386x-12 250（R 2 ＝0.999 9）。

02

反应介质的选择

为了实现高温条件，需要选择一种合适的高沸点溶剂作为反应发生的介质。考虑到油酸和丙三醇是甘油三酯的重要组成成分，且丙二醇具有与丙三醇相似的理化性质，因此，选择油酸、丙三醇和丙二醇作为芝麻油的模拟反应体系。在反应温度为160 ℃、底物含量为1.0 mg/g的条件下，考察了芝麻酚和芝麻林素在3 种体系中随时间变化的规律，并以芝麻酚的生成率为指标，选择最合适的反应介质。

由图3a可知，在丙三醇体系中，当反应时间为100 min时，芝麻林素转化率初次达到100%，表明此时芝麻林素被完全转化。其中当反应时间为50 min时，芝麻林素转化率已经达到84.67%，这表明芝麻林素转化速率在反应初期较快，但随着反应底物的消耗有所减缓。芝麻酚生成率随反应时间的延长呈先上升后下降的趋势，这是因为芝麻酚在生成的同时，也在不断地聚合为芝麻酚二聚体，当前者反应速率小于后者时，芝麻酚的生成率便呈一定的下降趋势，且芝麻酚生成率这种随时间变化的趋势与其在芝麻籽或芝麻油中相符。当反应时间为50 min时，芝麻酚生成率最大，为25.35%，但与芝麻林素的转化率相比仍然有一定的差距，这同样是芝麻酚的聚合所导致。

由图3b、c可知，在油酸体系和丙二醇体系中，芝麻林素转化率随反应时间延长不断增加，芝麻林素未被完全转化。当反应时间为75 min时，两种体系中芝麻酚生成率均达到最大，分别为2.57%和1.76%，远远小于丙三醇体系芝麻酚最大生成率（25.35%），这可能与反应物和反应介质表面之间的接触有关，也可能与反应物在反应介质中的溶解度有关。以上研究结果表明芝麻酚在丙三醇体系中的生成效果最好，因此选择丙三醇作为后续研究的反应介质。

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底物含量的影响

底物含量影响化学反应速率，对底物含量进行考察，有利于更好地研究芝麻林素转化过程。图4a、b分别为其他条件相同的情况下（反应介质为丙三醇，反应温度为160 ℃），不同芝麻林素底物含量（0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mg/g）对芝麻林素转化率和芝麻酚生成率的影响。从图4a可以看出，当底物含量为0.3、0.5、0.8 mg/g时，芝麻林素在75 min内完全转化；当底物含量为1.0、1.5 mg/g时，芝麻林素在100 min内完全转化，即芝麻林素的转化时间和底物含量呈正比，这可能与单位时间内的活性位点数不断增加有关。由图4b可知，芝麻酚生成率和底物含量的相关性并不显著，这种情况与Lu Caicai等的研究结果相似，考虑到芝麻林素的初始含量为0.5 mg/g时，芝麻酚有最大生成率，最终选择底物含量为0.5 mg/g用于进一步的研究。

04

反应温度的影响

反应温度是影响芝麻林素转化为芝麻酚的重要因素，一方面，温度的升高会加快反应体系内分子的运动速度，从而影响化学反应速率；另一方面，温度的升高会减小流体内部的摩擦力，从而影响反应介质的黏度。其他条件相同的情况下（反应介质为丙三醇，底物含量为0.5 mg/g），反应温度（160、170、180、190、200 ℃）对芝麻林素转化率和芝麻酚生成率的影响如图5所示，温度的升高显著增加了芝麻林素的转化速率，这可能与丙三醇的黏度降低相关。且芝麻酚的生成率与温度呈正比关系，当温度为160 ℃时，芝麻酚最大生成率为29.97%；当温度为200 ℃时，芝麻酚最大生成率可达32.10%，这是因为温度的升高影响了芝麻林素转化为芝麻酚以及芝麻酚的聚合过程，且芝麻酚生成率随温度变化的趋势与其在芝麻籽或芝麻油的变化趋势相符。

05

反应动力学分析

按式（3）～（5）对芝麻林素在160～200 ℃范围内的含量变化进行零级、一级、二级反应动力学方程的拟合。由表1可知，各级动力学方程的R2分别在0.861 6～0.969 8、0.980 0～0.999 4、0.782 1～0.969 6之间，这表明芝麻林素在不同温度下的转化属于一级化学反应。基于一级反应拟合方程，芝麻林素在不同温度点的反应方程拟合如图6所示。

符合一级动力学的化学反应具有稳定的半衰期和十分之一衰期，其中半衰期（t1/2）为反应过程中底物含量降低一半所需要的反应时间，按式（8）计算；十分之一衰期（t9/10）为反应过程中底物含量降低十分之一所需要的反应时间，按式（9）计算。二者有助于监测反应过程，是考察动力学性质的重要参数。由表2可知，芝麻林素在不同温度条件下的反应速率常数排列顺序为k160 ℃＜k170 ℃＜k180 ℃＜k190 ℃＜k200 ℃，即反应速率常数和温度呈正相关，其中温度每增加10 ℃，反应速率常数约增加一倍。此外，芝麻林素的t1/2和t9/10随温度的升高呈现逐渐降低的趋势，当温度为160 ℃时，t1/2为24.635 6 min，t9/10为3.746 9 min；当温度为200 ℃时，t1/2为2.020 2 min，t9/10为0.307 3 min，均缩短约为原来的1/12。

根据速率常数与温度变化的关系，得到ln k和1/T的拟合关系，如图7所示，根据斜率计算出该反应活化能为（104.50±4.32）kJ/mol。有研究表明，磷钨酸催化芝麻素转化为细辛素的反应活化能为（105.25±0.05）kJ/mol，说明芝麻林素在高温条件下的转化与芝麻素在磷钨酸催化条件下的转化难易程度相近。

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LC-MS/MS分析

6.1 相关产物结构分析

对转化过程中相关产物进行分析，有助于理清化学反应路径，使反应物按设计的反应途径进行，从而使芝麻酚获得较高产率。图8为正、负离子模式下的总离子流。通过质谱在线高分辨数据库检索及相关文献报道，并结合化合物保留时间和MS/MS碎片信息等，最终鉴别出4 个相关产物，分别为芝麻酚、产物P、芝麻酚二聚体及芝麻林素（表3）。

如图9a所示，化合物1在正离子模式下准分子离子[M+H]+为139.063 3（与理论值139.172 7比较，误差为-7.86×104），在MS/MS中出现质荷比109.031 0、93.031 6、95.047 5。母离子裂解途径可能为脱去CH2O得到质荷比109.031 0[M+H-CH2O]+，再丢失一个氧原子得到质荷比93.031 6；或直接脱去CO2得到质荷比95.047 5[M+H-CO2]+。

如图9b所示，化合物2在正离子模式下准分子离子[M+H]+为233.468 5（与理论值233.321 8比较，误差为6.29×104），在MS/MS中出现质荷比181.418 1、127.351 8、75.252 1。母离子裂解途径可能为脱去C3O得到质荷比181.418 1[M+H-C3O]+，再脱去C3H2O得到质荷比127.351 8，进一步丢失C4H4得到质荷比75.252 1。

如图9c所示，化合物3在正离子模式下准分子离子[M+H] + 为277.174 5（与理论值277.337 6比较，误差为-5.88×10 4 ），在MS/MS中出现质荷比231.142 8、215.143 4、165.059 5、123.010 3、119.027 9、78.994 7。母离子裂解途径可能为脱去CH 2 O 3 得到质荷比215.143 4[M+H-CH 2 O 3 ] + ，脱去C 4 H 2 得到质荷比165.059 5，再丢失CH 2 O 2 得到质荷比119.027 9，最后脱去C 2 O得到质荷比78.994 7；或者先脱去CH 2 O 2 得到质荷比231.142 8[M+H-CH 2 O 2 ] + ，进一步脱去C 6 H 4 O 2 得到质荷比123.010 3。

如图9d所示，化合物4在负离子模式下准分子离子[M-H] - 为369.123 6（与理论值369.470 8比较，误差为-9.39×10 4 ），在MS/MS中出现质荷比263.006 9、178.908 4、120.810 3。对二级质谱进行分析推测出母离子裂解途径为脱去C 6 H 2 O 2 得到质荷比263.006 9[M-H-C 6 H 2 O 2 ] - ，进一步丢失C 4 H 4 O 2 得到质荷比178.908 4，最后再丢失C 3 H 6 O 得到质荷比120.810 3。

6.2 转化路径分析

通过上述结构分析并结合之前的文献报道可以得出：高温条件下，以芝麻林素为底物的反应系统包括两条转化路径（图10）。路径一是芝麻酚的生成过程：芝麻林素分子中的乙缩醛氧桥结构受热发生断裂，其中一个亚甲基二氧基苯基和双并四氢呋喃环相连形成了产物P，另一个亚甲基二氧基苯基则和OH发生碰撞生成了芝麻酚；路径二为芝麻酚的转化过程：两分子芝麻酚分别在C2位置处脱氢并发生聚合生成了芝麻酚二聚体。因此在实际生产中，通过控制反应条件抑制芝麻酚的聚合，可能成为提高芝麻酚生成率的突破点。

结 论

高温条件下芝麻林素转化为芝麻酚的过程中，丙三醇是理想的反应介质；反应温度和反应时间对芝麻酚生成率影响显著，当底物含量为0.5 mg/g、反应温度为200 ℃、反应时间为15 min时，芝麻酚有最大生成率（32.10%）；芝麻林素在不同温度条件下的转化符合一级反应动力学方程特征，且反应速率常数k和反应温度呈正相关，t1/2和t9/10与反应温度呈负相关，通过阿伦尼乌斯方程计算出该反应活化能为（104.50±4.32）kJ/mol；LC-MS/MS分析结果表明，以芝麻林素为底物的反应系统包括两条转化路径：一是芝麻林素裂解为芝麻酚和产物P，二是两分子芝麻酚聚合生成芝麻酚二聚体。本研究可为高温条件下芝麻林素转化为芝麻酚提供数据支撑，为企业生产出高芝麻酚含量的芝麻油提供参考。

本文《高温条件下芝麻林素转化为芝麻酚的规律及其反应机制》来源于《食品科学》2024年45卷11期，作者：于渝梦，马宇翔，张晨霞，汪学德。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20231012-090。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：小娴；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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