微生物油脂研究进展及展望

1、微生物油脂研究进展及展望李 建1,刘宏娟2,张建安2,刘 建1(1.长安大学化学工程系,陕西西安710054; 2.清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084摘要:系统介绍了微生物产油脂资源的探索,微生物发酵产油脂的优点及生产工艺;论述了国内外微生物油脂的最新研究进展,并对微生物油脂生产生物柴油工业前景进行了展望。关键词:微生物油脂;发酵;生物柴油中图分类号:S216;Q815文献标识码:A文章编号:0253-4320(2007S2-0133-04Progress in and prospect of microbial lipid production by fermentationL

2、I Jian 1,LI UHong -juan 2,Z HANG Jian -an 2,LIU Jian 2(1.Department of Applied Chemistry,Chang .an University,Xi .an 710054,China;2.Institute of Nuclear and New Energy T echnology,Tsinghua University,Beijing 100084,ChinaAbstract :In this paper,the microbial lipid material exploring,the advan tages o

3、f microbial lipid production by fermentation and its production process are introduced.The novel study progress in microbial lipid production at home and aboard is described,and the application of microbial lipid in biodiesel production is also forecasted.Key w ords :microbial lipid;fermen tation;bi

4、odiesel收稿日期:2007-08-30作者简介:李建(1981-,女,硕士生;张建安(1964-,男,博士,副教授,研究方向为生物化工和生物质能源,010-*,zhangjats 。目前国内外对于生物柴油制备的研究主要集中于植物油或餐饮废弃油脂方面,但利用植物油为原料成本高,其成本占总生产成本的70%85%。以餐饮废弃油为原料,也存在原料难以收集和运输的困难,这些都严重制约了生物柴油的产业化进程,因此寻找一种廉价的原料成为了生物柴油产业化的关键。许多微生物,如酵母、霉菌和藻类等在一定条件下能将碳水化合物转化为油脂储存在菌体内,称为微生物油脂。过去曾因为技术经济原因,单细胞油脂很少有规模化

5、生产的报道。但是,随着工业生物技术的发展,微生物油脂发酵从原料到过程都不断取得新进展。最近,美国国家可再生能源实验室(NREL的报告特别指出微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向1。1 产油脂微生物资源的探索111 微生物油脂简介微生物油脂2又叫单细胞油脂(SCO,是酵母、霉菌和藻类等产油微生物在一定条件将碳水化合物转化并储存在菌体内的油脂,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C 16和C 18为主的脂肪酸。多不饱和脂肪酸(PUFAs是含有2个或2个以上双键且碳原子数为1622的直链脂肪酸,主要包括

6、C -亚麻酸(GLA、双高度C -亚麻酸(DGLA、花生四烯酸(ARA、二十碳五烯酸(EPA和二十二碳六烯酸(DHA。P UFAs 可以广泛应用于医药、食品、化妆品和饲料等领域,其主要来源有植物、鱼油、微藻和微生物。由于微生物具有生长周期短、培养简单、PUFAs 含量高等特点,因而利用微生物生产PU -FAs 成为近年来国内外的研究热点。112 国内外研究进展关于微生物产生油脂的研究已有半个多世纪的历史。国外对于微生物油脂的研究工作起步较早,最早可追溯到第一次世界大战期间,当时德国准备利用内孢霉属和单细胞藻类镰刀属的某些菌种生产油脂,以解决食用油匮乏问题,后因战争爆发而中止研究。随后美国、日本

7、等也开始研究微生物油脂的生产。第二次世界大战前夕,德国科学家筛选到了高产油脂的斯达氏油脂酵母、黏红酵母属、曲霉属以及毛霉属等微生物,并进行规模生产。后来发现利用微生物生产普通油脂成本太高,无法与动、植物来源的油脂相竞争。有关微生物油脂的探索此后一度集中在获取功能性油脂,如富含多不饱和脂肪酸的油脂。1986年,日本和英国等国家率先推出含微生物GLA 油脂的保健食品、功能性饮料和高级化妆品等产品,微生物油脂实用化已迈出了第一步3。进#133#第27卷增刊(2现代化工Nov.20072007年11月Modern Chemical Industry入90年代,特种油脂的发展越来越受人们的重视。Stew

8、dansk 和Radevan 分别筛选到产生ARA 的真菌,产生的总脂中ARA 的质量分数达到42%55%。1996年Stredanska 等4从Pacificmarkarel 的肠内容物中分离到一株叫SCRC -2378的海生细菌,能产生一种多烯不饱和酸,即二十碳五烯酸,其质量分数达24%40%,被认为是EPA 的一种新资源。1996年,Singh 等在优化培养基上对Thraustochy triu -m ATCC 28210进行培养,5d 后DHA 产量达到1061mg/L 。研究者还发现某些海藻和硅藻也能生产出较高产量的EPA 和DHA 5。我国在20世纪60年代就有生产油脂的报道,但研

9、究较多的是在90年代,其研究重点也集中在开发功能性油脂方面6。1995年,罗玉萍等7分离到一株高产棕榈油酸的酵母,总脂中棕榈油酸质量分数高达50114%。1998年菌物系统报道,以拉曼被孢霉SM541为原始菌株,经过紫外线复合氯化锂诱变处理,得到突变株SM541-9,其生物量由1216g/L 提高到2818g/L,油脂质量浓度由518g/L 提高到1517g/L,花生四烯酸质量浓度由321mg/L 增加到623mg/L 8。2003年,施安辉、周波通过对黏红酵母GRL531生产油脂发酵条件的探讨发现,油脂产量可达菌体干质量的6712%。清华大学缪晓玲9通过异养转化细胞工程技术获得了脂类含量高达

10、细胞干质量55%的异养藻细胞。曲威等10以斯达氏油脂酵母为出发菌株,经紫外线诱变选育出了一株高产油脂的优良酵母菌株,生物量可达2412g/L,油脂质量浓度1416g/L 。李永红等11采用均匀设计和单因子试验法,通过摇瓶培养所得菌体油脂质量浓度高达7611%,脂肪得率系数可达2217。孔祥莉等12研究了斯达氏油脂酵母利用葡萄糖-木糖混合糖为碳源生长和油脂积累特性,发酵120h 后混合糖利用率、生物量和菌体油脂质量分数分别达9915%、1910g/L 和5216%。随着生物柴油产业的兴起,微生物油脂作为生物柴油的油源已引起人们的关注。墨玉欣等13以一株酵母菌为产油菌株,利用其发酵的油脂通过甲醇转

11、酯化在碱催化剂下制备生物柴油,经气相色谱分析,其生物柴油的主要组成是软脂酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯,其质量分数分别为19177%、21132%、42151%、6189%。里伟等14以一株高产油脂圆红冬孢酵母菌(Rhodosporidum to ru -loides Y4#干菌粉为原料,分别研究了无溶剂体系 中三步甲醇法及在叔丁醇介质体系中脂肪酶催化合成生物柴油,生物柴油得率可达90%左右。由于一些产油微生物具有转化五碳糖为油脂的性质15-16,这一特性尤其适用于木质纤维素的全糖利用。而木质纤维素资源又具有来源丰富、品种多、再生时间短等优点。因此,利用产油微生物转化木质纤维素水解液

12、为微生物油脂,再通过转酯化制备生物柴油可降低生物柴油的成本,同时也将秸秆、高梁杆、蔗渣等废弃物进行合理利用。近年来,随着现代生物技术的发展,利用物理化学诱变已获得具有高产油能力的产油微生物资源。目前,日本、德国、美国等国家已有商品菌油或相应下游加工产品面市。因此,微生物油脂是具有广阔前景的新油脂资源,有望从根本上解决制备生物柴油的原料问题。2 微生物发酵产油脂的优点及生产工艺211 微生物发酵产油脂的优点作为植物油品和动物油品的替代品,产油微生物正在得到广泛的研究和应用。微生物油脂有植物油脂和动物油脂不可比拟的优势:¹微生物油脂资源是可无限再生的资源,而石油的开采量仅供人类50年使用

13、,因此,石油化工产品逐渐向油脂化学产品转移也是必然的;º与大豆油、棕榈油、葵花籽油等商品油相比,微生物油脂营养价值更高;»能利用便宜的或零成本的原料进行生产,农副产品及其食品工业、造纸工业中产生的废弃物都可加以利用,保护了环境;¼微生物油脂的生产不受季节、气候、地理环境的限制;½微生物油脂含有植物、动物不能合成或少量合成的脂肪酸,如C -亚油酸(GLA、亚麻酸、花生四烯酸(ARA、二十碳五烯酸(EPA和二十二碳六烯酸(DHA等;¾微生物有氧化、脱饱和、氢化等新陈代谢能力,能改进PUFAs 的结构,且能形成油脂及其他产品如蛋白质、维生素、抗氧化剂

14、、微量元素等;¿利用产油微生物的突变株,可以获得微生物的独特油品或新的脂肪酸;À微生物油脂中的PUFA 可作为功能性食品,而大量的其他脂肪酸可研制成微生物柴油,作为新的生物质能源。212 微生物油脂的生产工艺微生物油脂的生产工艺流程如图1所示。图1 微生物油脂的生产工艺流程#134#现代化工第27卷增刊(2(1产油微生物的特点产油微生物所产油脂应符合预定的要求,如选择产C-亚麻酸的菌株或油脂含量高的菌株等;产油菌株的油脂积累量在50%60%以上,油脂生成率高于15%18%;所产油脂对人、畜安全,并具有良好的风味和消化吸收性;生长速度快,抗污染力强;能利用食品工业的废弃物,菌

15、体细胞易于回收;能适应深层培养以适应工业化大生产的需要;油脂提取操作简单。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。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真菌和藻类。常见的产油酵母有斯达氏油脂酵母(Lipomyces,油脂体积分数63%、胶黏红酵母(Rhodotorula giutinis,油脂体积分数72%、类酵母红冬饱(Rhodos poridium toruloides等。常见的产油霉菌有高山被孢霉(Mortierella alpina和深黄被

16、孢霉(Mortierella isabellina等2。常见的产油海藻有硅藻(Diatom和螺旋藻(Spirulina。(2微生物油脂的生产原料随着工业生物技术的发展,微生物油脂发酵从原料到工艺过程都不断取得新进展,很多原料都可以作为微生物生长所需的发酵培养液,而开发廉价原料也成为人们研究的热点。¹工业废弃物。在工业化生产中,常常产生的废液如糖蜜、乳清、废糖液、豆制品工业废液、黑废液(造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆以及食品加工中新产生的废料、废液等都是制造微生物油脂很好的原料。º农作物秸秆。我国是人口众多的农业大国,农作物秸秆年产量约7亿t,居世界之首17。但相当一部

17、分农作物秸秆仍被弃置或者焚烧,其本身蕴藏着丰富的能源未充分开发利用。秸秆通过预处理后,其中的纤维素和半纤维素在催化剂的作用下水解,分别转化为五碳糖和六碳糖,经过简单提纯可以获得浓度较高的糖液。而这些糖液可用于微生物发酵的原料,从而获得可制取生物柴油的微生物油脂。»高糖植物。粗放种植的高糖植物,如甘薯、木薯和菊芋等,也是微生物油脂技术的优良原料,其中甘薯耐瘠、耐旱,抗风力强,适应性强,产量高。研究发现,木薯主要成分是纤维素,淀粉占35%,葡萄糖占0133%,蔗糖占1%。菊芋的果实含油量26%,其中油酸31%,亚油酸64%,亚麻酸017%,具有良好的干性油特征18。微生物油脂发酵技术可实

18、现菊芋全生物量利用,每公顷滩涂地年种植的菊芋平均可生产5t油脂,远远高于种植油料作物的产油量。¼能源作物。某些具有高效光合作用能力的植物能快速生长,积累生物量,经过处理即得到碳水化合物,是油脂发酵的理想原材料。我国南方的芒获类植物(包括芒属和获属具有适应能力强、生长迅速、可连续多年收获、产量高、生产成本低等优势19。如果利用微生物转化技术,油脂产量可达5t/hm(1hm=66616 m2,比现有其他任何油料植物的都高。现在欧洲一些国家像英国、德国等已利用耕地栽培自行选育的芒荻作新能源植物,以取代煤、汽油发电,供乡村居民和小型工厂用电。(3菌体培养多方面的研究报道20-22表明,不同种

19、属的微生物,其油脂含量、油脂成分各不相同;即使同一种微生物在不同的培养条件下,其产油量和油脂成分也不尽相同。与此相关的培养条件主要有碳源、氮源、温度、金属离子、生长时期及菌丝老化、种龄和接种量、温度、pH、通气量、前体与表面活性剂及前体促进剂等。微生物培养可采用液体培养法、固体培养法和深层培养法。研究真菌产脂的发酵条件和发酵工艺对菌种的发酵条件的优化具有重要指导作用。(4微生物油脂的提取和精炼一般微生物可用压榨法和溶剂萃取法提取,但由于真菌油脂多包含在菌体细胞内,在制取真菌油脂时应对菌体细胞进行必要的处理,以得到较高的提取率。目前菌体的处理有下列4种方法:¹干燥菌体与沙一起磨碎;&#

20、186;稀盐酸处理,如将酵母与稀盐酸共煮,则细胞分解便得到油脂,效率很高;»自溶法,将酵母在50e下保温23d,自行消化后回收油脂;¼用乙醇或丙酮使结合蛋白变性。微生物油脂的发展主要集中在微生物的选择和培养条件的优化,而对油脂分离的关注很少,且用于微生物系统的萃取方法常常源自适用于动物和植物组织原料的方法。因此,需要建立适用于微生物油脂回收和纯化的加工方法,这种方法取决于微生物细胞的特性和萃取物的类型。如果微生物油脂用作食用,那么从毒性、处理、安全性和成本方面考虑,溶剂必须是可接受的。超临界流体萃取作为溶剂萃取的一种替代方法,已在真菌刺孢小银克汉霉含GLA 的油的超临界C

21、O2萃取中放大到半工业化的规模。用超临界萃取法获得含GLA的制剂,在制药、医药#135#2007年11月李建等:微生物油脂研究进展及展望和营养领域中有商业应用价值。分离的微生物油脂还需进一步加工,如纯化或精炼以及修饰。微生物油脂的精炼工艺主要包括水化脱胶、碱炼、脱色、脱臭等工序。精炼处理是最大程度地去除原油中的污染物,这些污染物会影响产品的质量和修饰过程的效率。微生物油的纯化和浓缩要求使用操作单元的数量取决于萃取的脂肪酸种类和操作规模,具体步骤包括尿素加合物的形成,在Y型分子筛上的分离,溶剂的冻化、分级结晶,各种色谱技术和脂酶催化反应。应尽量避免蒸馏PUFA 或PUFA酯,以防止双键移动的立体

22、变更、结晶和二聚体形成。如果蒸馏不可避免,必须去除后生成物。修饰过程包括氢化、分级和相互酯化,以便用于拓宽微生物油脂的应用性。3前景及展望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,生物柴油的制备和应用是国内外生物能源领域研究的重点,而其原料的来源更是人们急需解决的问题。产油微生物因具有资源丰富、油脂含量高、生长周期短、碳源利用广、能在多种培养条件下生长等特点而受到人们广泛的重视。此外,以木质纤维素等可再生资源为原料,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。随着现代生物技术的发展,将可能获得更多的微生物资源,应充分利用现代分子生物学、化学生物

23、学和生物化工技术的最新成果,加快对产油微生物菌种筛选、改良、代谢调控和发酵工程的研究。如通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段能获得具有更高产油能力或油脂组成中富含稀有脂肪酸的突变株,从而提高产油微生物的应用效率。另一方面,开发利用微生物油脂进行功能性油脂的生产仍是研究热点,因此,微生物油脂的研究技术将成为新世纪油脂工业的一个新的发展方向,使油脂行业的加工范围更加广阔,并将在解决人类能源问题、促进人类保健方面起着越来越重要的作用。参考文献1Tys on K S,Boz ell J,Wallace R,et al.Biomass oil analysis:Researchneeds an

24、d recommendationsR.NREL/TP510-34796,2004.2蒲海燕,贺稚非,刘春芬,等.微生物功能性油脂研究概况J.粮食与油脂,2003(11:12-14.3郑建仙,耿立萍.功能性食品基料C-亚麻酸J.食品与发酵工业,1996(1:49-54.4Stredanska S,Sajbi dor J.Oligouns aturated fatty acid produc tion by se-lec ted strai ns of inicromycetesJ.Foli a M icrobiology,1992,51(5:357 -359.5Albert R,Luisa G,Vera V,e t al.Eicosapentaenoicn acid-rich biomassproduction by the microalga phaeodatyl um tricornutum i n a continuous flo w reactorJ.Bioresource Technol