微生物油脂的应用价值及研究进展概况

微生物油脂的应用价值及研究进展概况摘要：微生物油脂是近年来的一个热门课题。本文综述了微生物油脂的概念，研究历史及现状。通过与植物、动物油脂比较阐述微生物油脂对人类身体健康的重要性等说明微生物油脂的应用价值。展望了微生物油脂在食用油脂、生物柴油、功能性油脂等方面的广阔应用前景。关键词：微生物油脂；多不饱和脂肪酸；应用价值；功能性油脂；Abstract:microbialoilsisahottopicinrecentyears.Thisarticlestatestheconceptofmicrobialoils,studyinghistoryandcurrentconditions.Comparedwiththeplantfat,animalfatandmicrobeoiltohumanhealththatexplanationtheapplicationofmicrobialoils.AndForecastthemicrobeoilinedibleoil,bio-dieseloil,functionaloil.Keyword:Microbialoils;Polyunsaturatedfattyacid;Application;FunctionalOils;微生物油脂(microbialoils)又称单细胞油脂(SCO：singlecelloil)，是由酵母、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在菌体内产生的大量油脂。当前，人口的增长使得不断增加的油脂需求量与自然资源严重短缺的矛盾日益尖锐，特别是随着日趋严重的全球性能源短缺与环境恶化，使得人们不得不从环境保护与资源开发的角度出发，积极开发替代化石燃料的可再生新能源，如生物柴油(脂肪酸甲酯)就是一种具有很大发展潜力的可再生清洁能源。目前，无论是食品油脂，还是生物柴油原料油脂的主要来源仍然是植物以及动物脂肪，但是利用动物油脂、植物油脂已经不能完全满足人们的食用和生活中各种油脂的需求。所以开辟微生物油脂这一新的油脂资源的开发和研究，不仅丰富了传统的油脂工业技术，而且也将是工业化生产油脂的一个重要途径[1]。与动、植物油脂的生产相比，微生物油脂的生产有许多优点：(1)微生物细胞增殖快、生长周期短；(2)微生物生长所需的原料丰富，且能利用农副产品及食品工业、造纸工业中产生的废弃物，起到保护环境作用；(3)所需劳动力少，同时不受季节、气候变化的限制；(4)能连续大规模生产，降低成本；(5)利用细胞融合、细胞诱变等方法，能使微生物产生更能符合人体需要的高营养油脂或某些特定脂肪酸组成油脂，如二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)、g-亚麻酸(GLA)和花生四烯酸(AA)、类可可脂等[2]。１.微生物油脂的研究进展概况第一次世界大战前，德国科学家就曾试图利用酵母、单细胞藻类和菌类生产油脂，以缓解当时食用油脂供应不足的状况，后因战争爆发而中止了研究[3]。其后美国对微生物油脂也作过研究。利用微生物生产油脂的研究，从20世纪40年代发现高产油脂的斯达凯依酵母(Lipomycesstarkeyi)、粘红酵母、曲霉属及毛霉属等微生物开始。20世纪80年代初，日本成功建立发酵法工业化生产长链二元酸的新技术，结束用蓖麻油裂解合成十三碳二元酸历史。1986年日本、英国又首先推出含g-亚麻酸(GLA)微生物油脂的保健食品、功能性饮料、高级化妆品等。自20世纪90年代以后，特种油脂的发展愈来愈受到重视；而且相继从丝状真菌、细菌、酵母和微藻类中，寻找到能生产许多特种油脂的菌种，并取得突破，为进一步形成生产力提供技术依据[4]。国内60年代就有过用霉菌和酵母生产油脂的报导，但研究较多的是在90年代，其研究重点集中在开发微生物功能性油脂方面。其中国内利用微生物生产多不饱和脂肪酸油脂是从上世纪80年代末期开始的[1]。在我国，从事微生物油脂研究的有华中科技大学生命科学院、中国热带农业科学院热带作物生物技术国家重点实验室等，他们在微生物油脂富含多不饱和脂肪酸（简称PUFAs)方面的研究取得一定进展。中国科学院等离子体物理研究所第四研究室的专家利用低等离子辐射诱变方法，筛选出富含花生四烯酸的高产菌种，武汉烯王生物工程有限公司进一步研究并利用这一技术，实现了工业化生产。武汉福星生物药业有限公司目前已实现大规模工业化生产富含AA（花生四烯酸）的微生物油脂[5]。微生物细胞通常仅含有2％～3％油脂，随着人们对微生物研究深入，发现某些微生物在特定条件下培养，干菌体含油率可达30％，甚至60％，如此之高含油量使微生物油脂实际开发成为可能。尤其引人注目的是，某些微生物还可产生具有生理活性功能的二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)，g-亚麻酸(GLA)和花生四烯酸(AA)等脂肪酸[6]，在人们日益关注自身健康今天，具有保健功能油脂开发拥有广阔发展前景。尤其是根据各种微生物产油的培养条件及产油机理而研究微生物混合培养生产油脂、开发利用微生物油脂进行功能性油脂的生产、利用工业(特别是食品工业的)废水及废气进行微生物培养生产油脂、利用微生物油脂为生物柴油提供原料油脂等方面的研究更是具有巨大的开发潜力[1]。２.微生物油脂的生产工艺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[7]。微生物油脂一般按如下工艺生产[8]：原料灭菌菌体培养菌体收集干燥预处理菌种筛选油脂提取微生物毛油精炼成品油脂目前研究用于生产微生物油脂菌种主要有藻类、酵母和霉菌。具体如下：在各种藻类中，金藻纲、黄藻纲、硅藻纲、绿藻纲、隐藻纲和甲藻纲中藻类都能产生高含量多不饱和脂肪酸。常见产油酵母有：浅白色隐球酵母、弯隐球酵母、斯达氏油脂酵母、茁芽丝孢酵母、产油油脂酵母、胶粘红酵母、类酵母红冬孢等。常见产油霉菌有：土霉菌、紫癜麦角菌、高梁褶孢黑粉菌、高山被孢霉、深黄被孢霉等[4]。３.微生物油脂的应用价值３.１微生物油脂在食用油脂方面的应用传统的食用油脂主要是来源于动、植物的油脂。在当今工业生产高速发展以及世界人口不断增加的情况下，食用油脂呈现出供不应求的趋势。针对这一情况，科学家正在进行借助生物技术手段，利用微生物发酵方法，把使用价值较低的农副产品和食品工业的废弃物转化为食用油脂的研究，为食用油脂的来源开辟了一条令人振奋的新道路。在高浓度碳源(300g/L)的培养条件下,菌体系数高达40.1,干菌脂肪含量为53%。如按每升培养液生产100g干菌计算，食用油脂生成量为50g/L。依此推算，1000m3利用微生物生产食用油脂，除微生物菌体油脂含量高外，还有许多优点：微生物细胞增殖快，生产周期短；微生物生长所需的原料丰富，价格便宜，如淀粉和糖类，特别是食品工业和造纸行业的废弃物都可以利用，从而减少了环境污染；用微生物方法生产食用油脂，比传统农业种植生产食用油脂所需的劳动力少，而且不受季节和气候变化的限制；能连续大规模生产，生产成本低；可以利用微生物细胞融合和细胞诱变等高科技方法，使微生物合成生产出比动、植物油脂更符合人体需要的高营养食用油脂或具有某些特定脂肪酸的油脂[9]。３.２微生物油脂在功能性油脂方面的应用利用微生物生产油脂其成本高于一般动植物油脂生产成本，因此，该技术应用主要集中在高附加值油脂产品方面，如富含g-亚麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA的油脂；羟基脂肪酸及糖脂、代可可脂等。这类油脂主要营养成分在天然动植物油脂中存在量很少，甚至不存在，但具有较强生理功能和特殊用途，因而我们统称为微生物功能性油脂[9]。由于微生物油脂制造成本较高，尚未实现大规模工业化生产，现还无法与动植物油脂相竞争。因此目前对微生物油脂研究和开发主要集中在利用微生物生产附加值高的功能性油脂和特殊用途油脂方面[8]。但研究开发单细胞油脂以弥补动植物油脂之不足，同时开展功能性油脂的研究并从丝状真菌中提取多不饱和脂肪酸如g-亚麻酸、花生四烯酸等，具有重要的理论和实际意义：（1）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)[10]。我国研究起步较晚，1997年朱法科等以一株被孢霉为出发菌株，经紫外诱变获得AA高产菌，AA得率达0.83g（2）g-亚麻酸(GLA)亚麻酸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，g-亚麻酸含量高达16％[11]。我国上海工业微生物研究所张秀鲁[12]等利用Mlo2菌株发酵生产g-亚麻酸，其含量占总脂肪酸8％。（3）类可可脂可可脂是一种价格较贵油脂，其甘油三酯组成主要为POS51.9％、SOSl8.4％、POP6.5％(P：棕桐酸，S：硬脂酸，O：油酸)。荷兰利用假丝酵母属、类酵母属、红酵母属、油脂酵母属等l4个属酵母变异种生产类可可脂及其代用品，以N一甲基一N一亚硝基胍诱变后得到高产菌种，经培养，油脂含量达30％，且其中95％甘油三酯具有P37.6％、S14.3％、O37.5％脂肪酸组成[13]。（4）EPA和DHA天然EPA、DHA主要富集在深海鱼油中，其具有重要生理功能：(1)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。美国MartekBioscience’S公司研究人员发现硅藻异养菌Nitzschiaalba是一种很好EPA生产菌，在机械搅拌罐培养64h后，菌体浓度达到45g～48g／L，硅藻油含量高达干重50％，EPA占油总量4％～5％。日本筛选、养殖一种海藻Chlorellamimutissma，其脂肪酸中含99％EPA[14]。３.３微生物油脂在生物柴油方面的应用生物柴油是由可再生的油脂原料，诸如植物或动物油脂，经合成（酯交换）所得的长链脂肪酸甲酯，可代替柴油的一种环保燃料油。经实验证明生物柴油可直接用于现有的柴油引擎而保燃料油。经实验证明生物柴油可直接用于现有的柴油引擎而不需做任何改动。利用微生物油脂资源生产生物柴油具有能量密度高、含硫量低、燃烧充分、润滑性能好等液体能源产品所期望的优良性能，还具有可再生、易生物降解、储运安全、抗爆性好等特点，所以可作为优质的石化柴油代用品。目前在美国、欧洲和亚洲的一些国家和地区已开始建立商品化生物柴油基地，并把生物柴油做为代用燃料广泛使用[15]。微生物油脂是当前研究领域的热点，而其中的微藻油脂则更是一个亮点。微藻的太阳能利用效率高、个体小、营养丰富、生长繁殖迅速、对环境的适应能力强、容易培养，因此受到人们的重视。另外，微藻中不但油脂含量可观，而且直接从微藻中提取得到的油脂成分与植物油相似。因此具有广泛的应用价值，不仅可以替代石油作为生物柴油直接应用于工业上，还可以作为植物油的替代[1]。３.４微生物油脂在其他方面的应用３.４.１奶与奶制品从被孢霉属真菌油脂中提取出的g-亚麻酸，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花生四烯酸的微生物油脂。３.４.２糕点在冷冻糕点中，都含有一定量的油脂，油脂既能作为油脂源又有利于产品的质构与口感，用富含亚油酸的微生物油作为油脂来源，可使亚油酸及其他活性物质产生协同增效作用，对高血压、动脉硬化起到积极的预防效果。面包制作和酱油新产品中也有应用。３.４.３乳化饮料以富含不饱和脂肪酸的功能性油脂为油相，用乳糖酶对脱脂乳中的乳糖进行水解，以此溶液为水相，添加适量乳化剂，制成水包油型乳化饮料代替牛乳，既可避免乳糖不适症，又可预防动脉硬化。３.４.４饲料工业．微生物油脂在对虾、蛋鸡的饲料添加剂新产品中也有应用。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。３.４.５医疗方面大量的研究结果表明：人体缺乏PUFAs将产生某些疾病，或者说某些疾病伴随着PUFAs的含量减少而产生，而补充PUFAs则可预防或治疗某些疾病。例如，在新生儿湿疹的治疗中，给患处涂抹小麻油或红花油(含亚油酸)，可很快见效，这是患儿缺乏PUFAs所致。婴幼儿严重缺乏DHA和AA，可造成永久性智力低下和视力障碍。6～12岁儿童出现皮肤骚痒，眼角干燥，上课注意力不集中，数学成绩下降，与其血浆内AA和DHA含量低下有明显的正相关。精神分裂症患者体内AA含量较正常人低许多。高血压患者、高脂、高胆固醇血症患者体内AA含量较正常人低；食用适量富含PUFAs微生物油脂，可明显降低高脂、高胆固醇血症患者血浆内的脂质和胆固醇水平，同时提高血浆内载脂蛋白A(apoA)和高密度脂蛋白(HDL)水平。喂养适量AA和DHA的婴儿的智商比没有用此喂养的婴儿的智商高7分(贝蕾智力量表测试)[16]。总之，微生物油脂的研究正方兴未艾，从食用到粉末涂料、可塑剂、润滑油、香料和农药等生产的出发原料和精细化工中间体，有着广泛的用途。４.微生物油脂的研究展望利用微生物生产油脂是一种全新的油脂生产方法半个多世纪以来，国外科学家进行了大量的科学研究，如菌种的筛选和改良、培养工艺的摸索和微生物油脂的制取、精炼、脱毒等。目前它的前景已逐渐明朗。利用微生物生产食用油脂已开始走出实验室，出现企业化的萌芽及正规化生产的趋势[9]。利用微生物油脂资源生产生物柴油具有能量密度高、含硫量低、燃烧充分、润滑性能好等液体能源产品所期望的优良性能，还具有可再生、易生物降解、储运安全、抗爆性好等特点，所以可作为优质的石化柴油代用品。产油微生物具有资源丰富、油脂含量高、生长周期短、碳源利用谱广、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。目前中国、日本、德国、美国等国已有商品微生物菌油或相应下游加工产品面市，但成本还较高。利用产油微生物转化废弃木质纤维素资源可降低成本，有利于环境保护和社会经济可持续发展[14]。世界能源组织(IEA)表示，保守地估计，到2030年全球将有20％的能源由生物能源替代，这一目标将是极具挑战性的[17]，为了达到这一目标，必须大力开发生物柴油原料以大幅降低生物柴油成本。利用工业废水、废气培养微生物并添加适当培养物进行油脂的生产是一项一举多得之事，一方面能够处理废水、废气等而起到环境保护的作用，另一方面因为能够生产油脂而解决人类资源短缺的问题[1]。含多不饱和脂肪酸的微生物油脂在未来营养品市场上将大有潜力，目前欧美和日本已有相关产品上市。我国在这方面起步较晚，但也已开始发展起来，如武汉烯王生物工程有限公司引进中科院等离子体物理研究所的花生四烯酸高产菌发酵技术，进行50t罐生产，花生四烯酸含量在50％以上。由此可见，微生物油脂的研究将成为新世纪油脂工业的一个发展方向，它将使油脂行业的范围更加广阔，在促进人类保健方面也将起着越来越重要的作用[2]。专家认为目前的研究应注重降低微生物油脂的生产成本，即寻找低廉的原料，筛选更有效的菌株，减少油脂提取步骤或采用新的提取方法等。若其具有价格上的优势，便可以获得广阔的市场，而且，更易于被素食者所接受。微生物油脂的发展前景十分广阔，除了作为食品强化剂、添加剂形式销售外，还可以制成软胶囊形式，则附加值更高。还能进一步浓缩，甚至进一步分离成单离脂肪酸，可获得高额利润[16]。在自然资源日益贫乏今天，对新资源研究开发必将成为全世界关注热点。微生物油脂正是作为一种新型油脂新资源出现在我们面前，相信随着其生产技术日趋完善，微生物油脂必定具有广阔发展参考文献[1]薛飞燕,张栩,谭天伟.微生物油脂的研究进展及展望.生物加工过