微生物油脂开发及研究

微生物油脂开发及研究摘　要：微生物油脂是一种应用前景广阔的新型油脂资源,正越来越受到人们的重视,该文对产油微生物常见种类、产油机理、微生物油脂的特点及产油微生物的必备条件，微生物油脂的开发应用现状等方面进行了综述,展望了其研究的发展前景。关键词：微生物油脂；开发应用现状；生物柴油；研究发展前景1引言微生物油脂(microbialoils)又称单细胞油脂(singlecelloil，SCO)，是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂为碳源，在菌体内产生的大量油脂。微生物油脂主要是由不饱和脂肪酸(PUFAs)组成的甘油三酯(TAG)，在脂肪酸组成上与植物油如菜籽油、棕榈油、大豆油等相似，是以C16和C18为主的脂肪酸。在一定的条件下，很多微生物如细菌、霉菌、酵母菌及藻类等可在菌体内产生大量油脂，有的干菌体含油量高达60%以上。微生物油脂的研究和开发，不仅丰富了传统的油脂工业技术，而且是工业化生产油脂的一个重要途径。尤其在目前人口增长使得油脂需求量与自然资源严重短缺的矛盾日益尖锐的情况下，开辟新油源—微生物油脂更具有重要的理论和实际意义[1]。1.1产油微生物种类能够生产油脂的微生物有酵母、霉菌、细菌和藻类等，其中真核的酵母、霉菌和藻类能合成与植物油组成相似的甘油三酯，而原核的细菌则合成特殊的脂类。目前研究得较多的是酵母、藻类和霉菌。现在用于生产多不饱和脂肪酸的微生物主要为藻类、细菌和真菌，由于细菌产量低，所以目前主要集中在藻类和真菌[2]。1.2微生物产生油脂机理微生物产生油脂过程，本质上与动植物产生油脂过程相似，都是从利用乙酰COA羧化酶的羧化催化反应开始，经过多次链的延长，或再经去饱和酶的一系列去饱和作用等，完成整个生化过程。其中去饱和酶是微生物通过氧化去饱和途径、生成不饱和脂肪酸的关键酶，该过程称之为脂肪酸氧化循环。Kendrack等发现苹果酸能促进卷枝毛霉(Mucorcircinelloides)微粒体的去饱和作用，使GLA含量增高，这可能是苹果酸酶为去饱和作用而提供NADPH 结果。综合目前国外的研究，粘红酵母油脂合成的机理可分为4个环节：两个前体乙酰COA和3-磷酸甘油的形成；甲羟戊酸的合成，乙酰COA形成脂酰COA和鞘脂；以甲羟戊酸为前体合成甾醇、类胡萝卜素和碳水化合物；以乙酰COA和3-磷酸甘油为前体合成磷脂酸、甘油二脂、甘油三脂和磷脂[3]。2微生物油脂的特点及产油脂微生物必备条件2.1微生物油脂的特点(1)微生物适应性强，生长繁殖迅速，生长周期短，代谢活力强，易于培养和品种改良。(2)微生物产油脂所需劳动力低，占地面积小，且不受场地、气候和季节变化等的限制，能连续大规模生产。(3)微生物生长所需原材料来源丰富且便宜，可利用农副产品、食品加工及造纸业的废弃物(如乳清、糖蜜、木材糖化液等)为培养基原料，十分有利于废物再利用和环境保护。(4)微生物油脂的生物安全性好。(5)可利用不同的菌株和培养基的产品构成变化较大的特点，尤其适合开发一些功能性油脂，如富含油酸、γ-亚麻酸、AA、EPA、DHA、角鲨烯、二元羧酸等的油脂以及代可可脂[3]。2.2产油脂微生物必备条件(1)具备或改良后具备合成油脂能力，油脂积累量大，含油量稳定在50%(体积分数)以上，且油脂转化率不低于15%。(2)能进行工业化深层培养，培养装置简单。(3)生长速度快，抗污染能力强。(4)油脂易提取。3微生物油脂的制备工艺[4]微生物油脂的生产工艺流程如下：菌种筛选→原料→灭菌→菌体培养→菌体收集→预处理→油脂提取→精炼→成品油脂4微生物油脂开发应用现状4.1食品工业4.1.1奶与奶制品一些产油霉菌产生油脂后，可以用高油酸的葵花籽油调整花生四烯酸的浓度至40%生产的高ARA油（ARASCO），也可以用高油酸的葵花籽油调整DHA的浓度至40%制成高DHA油（DHASCO）。 ARASCO和DHASCO允许在婴儿食品中使用[5]。目前在欧洲、中东、南亚和澳洲的市场上有许多使用ARASCO和DHASCO的婴儿食品。这些产品较那些不含此类必需脂肪酸的婴儿配制食品，更利于婴儿神经系统和视觉系统的发育。在美国DHASCO也被制成胶囊产品，能显著提高DHA水平，降低血脂，提高血中高密度脂蛋白胆固醇的含量，但不影响低密度脂蛋白胆固醇的含量，使乳母的乳中DHA含量大幅提高，从而明显提高喂养婴儿的血液DHA含量。从被孢霉属真菌油脂中提取出的γ-亚麻酸[6]，添加到奶或奶粉中可提高其营养价值，使之接近母乳。亨氏公司、贝因美、飞鹤乳业、银桥乳业等知名乳品企业已添加了武汉福星生物药业有限公司生产的富含AA的微生物油脂。4.1.2可可脂[7]可可脂是世界上最贵重的油脂之一，其甘三酯组成主要为β-POS51.9%、β-SOS18.4%、β-POP6.5%(P：软脂酸，S：硬脂酸，O：油酸)。利用微生物制取可可脂包括两个方面：①利用微生物酶催化油脂酯交换，达到可可脂要求的甘三酯组成，可制得类可可脂；②在一定条件下培养微生物，使其在菌体内产生理化性质与可可脂接近的代可可脂。荷兰[8]利用假丝酵母属、类酵母属、红酵母属、油脂酵母属等14个属的酵母变异种生产可可脂及其代用品，以N-甲基-N-亚硝基胍诱变后，经培养油脂含量4min，样品质量为4.5~5.0g时，其水分含量接近干燥法所测结果。4.2饲料工业最近，一种菌体油脂含量48%，其中DHA为25%的微藻[9](Sehizoehytrium属)已进人商品化生产。该菌体无需抽提油脂即可直接应用，作为饲料添加剂，生产高n-3多不饱和脂肪酸的产品。如其粗制品作为微生物饲料添加剂加入饲料中，可明显提高畜禽的消化吸收率，改善肉类和蛋的品质等。证据显示提高膳食中的n-3多不饱和脂肪酸对人体健康有很多益处。此外从该微藻中也可提取油脂，精制成40%DHA油脂产品，批量售给添加剂厂，或制成胶囊。4.3医疗方面主要是从丝状真菌中提取的富含多不饱和脂肪酸[10]，如γ-亚麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA等保健微生物油脂。4.3.1γ-亚麻酸(，γ-GLA)γ一亚麻酸[11] 是人体必需脂肪酸之一，具有明显降血脂和降低胆固醇作用，已被广泛应用于医药、保健食品、高级化妆品中。英国科学家使用爪哇镰刀菌，以小麦淀粉生产葡萄糖作为培养基进行发酵生产，γ一亚麻酸含量高达16％。我国上海工业微生物研究所张秀鲁等利用M102菌株发酵生产亚麻酸，其含量占总脂肪酸8%。4.3.2花生四烯酸(AA)花生四烯酸一般存在于陆地动物油脂和一些植物油中，但含量极低。它是合成前列腺素前体，其代谢产物PG、TX、LT具有调节脉管阻塞、血栓、伤口愈合、炎症及过敏等生理功能。1979年，Lizuka等[12]发现青霉属Penicilliumcyaneum在细胞内明显积累花生四烯酸，用烷烃作为主要碳源培养，其花生四烯酸含量为0.2mg/g(干细胞)。我国研究起步较晚，1997年朱法科等[13]以一株被抱霉为出发菌株，经紫外诱变获得AA高产菌，AA得率达0.83g/L。4.3.3EPA和DHA[14]天然EPA、DHA主要富集在深海鱼油中，其具有重要生理功能：(l)预防和治疗动脉粥样硬化、血栓及高血压；(2)防治乳腺癌、前列腺癌和结肠癌；(3)治疗气喘、关节炎、周期性偏头痛等；(4)促进婴儿神经系统和视觉系统发育。1988年Shimizu等利用高山被孢霉生产EPA，在12℃的低温下培养，可积累15%以上的EPA。1993年Tareonkitmongkol等利用高山被孢霉IS-4的12位脱饱和酶缺陷突变株，将α-亚麻酸转化为EPA，EPA含量达64mg/g干菌体。许多海生藻油脂中EPA和DHA含量都非常高，如金藻纲、黄藻纲、哇藻纲、红藻纲、褐藻纲、绿藻纲、绿枝藻纲、隐藻纲中的一些微藻。4.4处理含油脂废水油脂废水是一种重要的水污染源[15]。目前对于这类废水的处理，物理方法如筛滤、沉淀、隔油等和化学方法如絮凝、吸附、电解具有投资大、流程复杂、且存在二次污染的可能。微生物能将油脂作为生长的碳源和能源物质利用，从而消除油脂污染。因此，对油脂废水进行微生物处理，操作简便，费用低廉，特别是不产生二次污染，倍受人们关注。目前常用的是洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderiacepacia)X4菌株。4.5制备生物柴油随着化石资源日益枯竭和世界各国能源供应形势日趋严峻，生物柴油[16]的制备和应用是国内外生物能源领域研究的重点。利用产油微生物转化制备微生物油脂，可降低生产成本，解决制约生物柴油工业化的原料瓶颈。相对于传统的生物柴油，微生物柴油具有以下优势：1.原材料微生物油脂不受气候及土地资源的影响，由于采用发酵工艺，易于大规模连续化生产。2.可以与污水治理工程相结合，大大降低微生物油脂的生产成本。高静等用吸附法固定化假丝酵母脂肪酶（CandidiaSP.99125），然后在石油醚体系中催化废油脂（FFA达46.57%）合成生物柴油 ，转化率在70%以上。此项技术已经投入生产，生产过程不仅不产生污染，还有治理污染的功效。属于可再生能源生产和污水治理相结合的双效生物工程技术，因而具有显著的社会效益。5微生物油脂的研究方向与展望[17]一方面，开发利用微生物进行功能性油脂的生产已经成为当今的一大热点，如利用深黄被孢霉进行γ-亚麻酸的生产，以及利用微生物培养生产EPA、DHA等营养价值高且具有特殊保健功能的功能油脂的研究。微生物功能性油脂作为动植物油脂的必要补充，在促进人类保健方面起着越来越重要的作用，其研究必将成为新世纪油脂工业的一个发展方向。另一方面，当前生物柴油的研究已是世界科研的焦点，而其原料的来源更是人们急切需要解决的问题。植物油脂因为其具有占用耕地面积、生长周期长、受气候影响严重等不足而不能成为生物柴油原料油脂供应的长久之策。如果能够利用微生物生长周期短、不受气候限制、易于实现大规模生产等优点，从而开发利用微生物油脂为生物柴油的生产提供原料油脂。因此，产油微生物的研究，特别是利用产油微生物生产油脂为生物柴油提供原料油脂方面的研究，对解决当今世界各国油脂原料供应问题、促进生物柴油的推广使用、解决环境问题和人类能源问题等都具有重要的意义。总之，产油微生物具有资源丰富、油脂含量高、生长周期短、碳源利用广泛、能在多种培养条件下生长等特点。微生物油脂生产工艺简单，高值化潜力大，有利于进行工业规模生产和开发。随着微生物油脂的研究技术的不断成熟，它将成为新世纪油脂工业的一个发展方向，使油脂行业的加工范围更加广阔，并在促进人类保健方面、解决人类能源问题中将起着越来越重要的作用。参考文献：[1]何东平,郑竟成，吕兴祥.微生物油脂的开发与利用[J]中国油脂，2003，23（6）：28.[2]颜治,陈晶.微生物油脂及其开发利用研究进展[J]粮油加工与食品机，2004,(03).[3]董文宾,梁西爱,代春吉,苗晓洁.微生物油脂及其新的应用研究[J]粮油加工与食品机械,2006,(03).[4]费栓琴.微生物油脂进展[J]西部粮油科技,2001,(02).[5]王萍.微生物油脂生产和应用[J].粮食与油脂，1999，（3）：49-51.[6]ChiaraBigogno,InnaKhozin-Goldberg,SammyBoussiba,etal·Lipidandfattyacid compositionofthegreenoleaginousalgaParietochlorisincisa,therichestplantsourcearachidonicacid[J].Phytochemistry,2002,60:497-503.[7]OgbonnaJC,TanakaH.LightrequirementandphotosyntheticcellcultivationDevelopmentofprocessforefficientlightutilizationinphotobioreactors.Journalofappliedphycology,2000,12,12:207-218.[8]ChiaraBigogno,InnaKhozin-Goldberg,SammyBoussiba,etal.LipidandfattyacidcompositionofthegreenoleaginousalgaParietochlorisincisa,therichestplantsourceofarachidonicacid.Phytochemistry,2002,60,60:497-503.[9]缪晓玲,吴庆余.微藻生物质可再生能源的开发利用[J].可再生能源，2003,(03)[10]王祯旭.微生物油脂生产与利用[J]粮食与油脂,2005,(10).[11]刘煜,阴景喜,闫开明,韩军.微生物油生理功能及制取新技术[J].粮食与油脂，2002,(01),[12]Lizuka.Highcelldensitycultureofmicroalgaeinheterotrophicgrowth[J].TheUniversityofHongKong,1979,14:421-426.[13]王金水，朱法科.食用微生物油脂，天津粮油科技，1992，(1):36一40.[14]董文宾，梁西爱，代春吉，苗晓洁.微生物油脂在油脂生物工程产业化中的应用，粮食科技与经济，2001，(3):6一8.[15]SeraphimPapanikolaou,MichaelKomaitis,GeorgeAggelis.Singlecelloil(SCO)productionbyMortierellaisabellinagrownonhigh-sugarcontentmedia.BioresourceTechnology,2004,95,95:287-291.[16]朱建良,张冠杰.国内外生物柴油研究生产现状及发展趋势[J].化工时刊,2004，18(1):23-27.[17]薛飞燕,张　栩,谭天伟.微生物油脂的研究进展及展望[J].生物加工过程，2005，3(1):23-27.