微生物油脂的應(yīng)用價(jià)值及研究進(jìn)展概況

微生物油脂的應(yīng)用價(jià)值及研究進(jìn)展概況摘要：微生物油脂是近年來的一個(gè)熱門課題。本文綜述了微生物油脂的概念，研究歷史及現(xiàn)狀。通過與植物、動(dòng)物油脂比較闡述微生物油脂對人類身體健康的重要性等說明微生物油脂的應(yīng)用價(jià)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廣闊應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：微生物油脂；多不飽和脂肪酸；應(yīng)用價(jià)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)又稱單細(xì)胞油脂(SCO：singlecelloil)，是由酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物在一定的條件下，利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭鳛樘荚?，在菌體內(nèi)產(chǎn)生的大量油脂。當(dāng)前，人口的增長使得不斷增加的油脂需求量與自然資源嚴(yán)重短缺的矛盾日益尖銳，特別是隨著日趨嚴(yán)重的全球性能源短缺與環(huán)境惡化，使得人們不得不從環(huán)境保護(hù)與資源開發(fā)的角度出發(fā)，積極開發(fā)替代化石燃料的可再生新能源，如生物柴油(脂肪酸甲酯)就是一種具有很大發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉?。目前，無論是食品油脂，還是生物柴油原料油脂的主要來源仍然是植物以及動(dòng)物脂肪，但是利用動(dòng)物油脂、植物油脂已經(jīng)不能完全滿足人們的食用和生活中各種油脂的需求。所以開辟微生物油脂這一新的油脂資源的開發(fā)和研究，不僅豐富了傳統(tǒng)的油脂工業(yè)技術(shù)，而且也將是工業(yè)化生產(chǎn)油脂的一個(gè)重要途徑[1]。與動(dòng)、植物油脂的生產(chǎn)相比，微生物油脂的生產(chǎn)有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)微生物細(xì)胞增殖快、生長周期短；(2)微生物生長所需的原料豐富，且能利用農(nóng)副產(chǎn)品及食品工業(yè)、造紙工業(yè)中產(chǎn)生的廢棄物，起到保護(hù)環(huán)境作用；(3)所需勞動(dòng)力少，同時(shí)不受季節(jié)、氣候變化的限制；(4)能連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本；(5)利用細(xì)胞融合、細(xì)胞誘變等方法，能使微生物產(chǎn)生更能符合人體需要的高營養(yǎng)油脂或某些特定脂肪酸組成油脂，如二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)、g-亞麻酸(GLA)和花生四烯酸(AA)、類可可脂等[2]。１.微生物油脂的研究進(jìn)展概況第一次世界大戰(zhàn)前，德國科學(xué)家就曾試圖利用酵母、單細(xì)胞藻類和菌類生產(chǎn)油脂，以緩解當(dāng)時(shí)食用油脂供應(yīng)不足的狀況，后因戰(zhàn)爭爆發(fā)而中止了研究[3]。其后美國對微生物油脂也作過研究。利用微生物生產(chǎn)油脂的研究，從20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)油脂的斯達(dá)凱依酵母(Lipomycesstarkeyi)、粘紅酵母、曲霉屬及毛霉屬等微生物開始。20世紀(jì)80年代初，日本成功建立發(fā)酵法工業(yè)化生產(chǎn)長鏈二元酸的新技術(shù)，結(jié)束用蓖麻油裂解合成十三碳二元酸歷史。1986年日本、英國又首先推出含g-亞麻酸(GLA)微生物油脂的保健食品、功能性飲料、高級化妝品等。自20世紀(jì)90年代以后，特種油脂的發(fā)展愈來愈受到重視；而且相繼從絲狀真菌、細(xì)菌、酵母和微藻類中，尋找到能生產(chǎn)許多特種油脂的菌種，并取得突破，為進(jìn)一步形成生產(chǎn)力提供技術(shù)依據(jù)[4]。國內(nèi)60年代就有過用霉菌和酵母生產(chǎn)油脂的報(bào)導(dǎo)，但研究較多的是在90年代，其研究重點(diǎn)集中在開發(fā)微生物功能性油脂方面。其中國內(nèi)利用微生物生產(chǎn)多不飽和脂肪酸油脂是從上世紀(jì)80年代末期開始的[1]。在我國，從事微生物油脂研究的有華中科技大學(xué)生命科學(xué)院、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，他們在微生物油脂富含多不飽和脂肪酸（簡稱PUFAs)方面的研究取得一定進(jìn)展。中國科學(xué)院等離子體物理研究所第四研究室的專家利用低等離子輻射誘變方法，篩選出富含花生四烯酸的高產(chǎn)菌種，武漢烯王生物工程有限公司進(jìn)一步研究并利用這一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。武漢福星生物藥業(yè)有限公司目前已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)富含AA（花生四烯酸）的微生物油脂[5]。微生物細(xì)胞通常僅含有2％～3％油脂，隨著人們對微生物研究深入，發(fā)現(xiàn)某些微生物在特定條件下培養(yǎng)，干菌體含油率可達(dá)30％，甚至60％，如此之高含油量使微生物油脂實(shí)際開發(fā)成為可能。尤其引人注目的是，某些微生物還可產(chǎn)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-亞麻酸(GLA)和花生四烯酸(AA)等脂肪酸[6]，在人們?nèi)找骊P(guān)注自身健康今天，具有保健功能油脂開發(fā)擁有廣闊發(fā)展前景。尤其是根據(jù)各種微生物產(chǎn)油的培養(yǎng)條件及產(chǎn)油機(jī)理而研究微生物混合培養(yǎng)生產(chǎn)油脂、開發(fā)利用微生物油脂進(jìn)行功能性油脂的生產(chǎn)、利用工業(yè)(特別是食品工業(yè)的)廢水及廢氣進(jìn)行微生物培養(yǎng)生產(chǎn)油脂、利用微生物油脂為生物柴油提供原料油脂等方面的研究更是具有巨大的開發(fā)潛力[1]。２.微生物油脂的生產(chǎn)工藝微生物產(chǎn)生油脂過程，本質(zhì)上與動(dòng)植物產(chǎn)生油脂過程相似，都是從利用乙酰CoA羧化酶的羧化催化反應(yīng)開始，經(jīng)過多次鏈的延長，或再經(jīng)去飽和酶的一系列去飽和作用等，完成整個(gè)生化過程。其中去飽和酶是微生物通過氧化去飽和途徑、生成不飽和脂肪酸的關(guān)鍵酶，該過程稱之為脂肪酸氧化循環(huán)[7]。微生物油脂一般按如下工藝生產(chǎn)[8]：原料滅菌菌體培養(yǎng)菌體收集干燥預(yù)處理菌種篩選油脂提取微生物毛油精煉成品油脂目前研究用于生產(chǎn)微生物油脂菌種主要有藻類、酵母和霉菌。具體如下：在各種藻類中，金藻綱、黃藻綱、硅藻綱、綠藻綱、隱藻綱和甲藻綱中藻類都能產(chǎn)生高含量多不飽和脂肪酸。常見產(chǎn)油酵母有：淺白色隱球酵母、彎隱球酵母、斯達(dá)氏油脂酵母、茁芽絲孢酵母、產(chǎn)油油脂酵母、膠粘紅酵母、類酵母紅冬孢等。常見產(chǎn)油霉菌有：土霉菌、紫癜麥角菌、高梁褶孢黑粉菌、高山被孢霉、深黃被孢霉等[4]。３.微生物油脂的應(yīng)用價(jià)值３.１微生物油脂在食用油脂方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的食用油脂主要是來源于動(dòng)、植物的油脂。在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)高速發(fā)展以及世界人口不斷增加的情況下，食用油脂呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的趨勢。針對這一情況，科學(xué)家正在進(jìn)行借助生物技術(shù)手段，利用微生物發(fā)酵方法，把使用價(jià)值較低的農(nóng)副產(chǎn)品和食品工業(yè)的廢棄物轉(zhuǎn)化為食用油脂的研究，為食用油脂的來源開辟了一條令人振奮的新道路。在高濃度碳源(300g/L)的培養(yǎng)條件下,菌體系數(shù)高達(dá)40.1,干菌脂肪含量為53%。如按每升培養(yǎng)液生產(chǎn)100g干菌計(jì)算，食用油脂生成量為50g/L。依此推算，1000m3利用微生物生產(chǎn)食用油脂，除微生物菌體油脂含量高外，還有許多優(yōu)點(diǎn)：微生物細(xì)胞增殖快，生產(chǎn)周期短；微生物生長所需的原料豐富，價(jià)格便宜，如淀粉和糖類，特別是食品工業(yè)和造紙行業(yè)的廢棄物都可以利用，從而減少了環(huán)境污染；用微生物方法生產(chǎn)食用油脂，比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)食用油脂所需的勞動(dòng)力少，而且不受季節(jié)和氣候變化的限制；能連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低；可以利用微生物細(xì)胞融合和細(xì)胞誘變等高科技方法，使微生物合成生產(chǎn)出比動(dòng)、植物油脂更符合人體需要的高營養(yǎng)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應(yīng)用利用微生物生產(chǎn)油脂其成本高于一般動(dòng)植物油脂生產(chǎn)成本，因此，該技術(shù)應(yīng)用主要集中在高附加值油脂產(chǎn)品方面，如富含g-亞麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA的油脂；羥基脂肪酸及糖脂、代可可脂等。這類油脂主要營養(yǎng)成分在天然動(dòng)植物油脂中存在量很少，甚至不存在，但具有較強(qiáng)生理功能和特殊用途，因而我們統(tǒng)稱為微生物功能性油脂[9]。由于微生物油脂制造成本較高，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)還無法與動(dòng)植物油脂相競爭。因此目前對微生物油脂研究和開發(fā)主要集中在利用微生物生產(chǎn)附加值高的功能性油脂和特殊用途油脂方面[8]。但研究開發(fā)單細(xì)胞油脂以彌補(bǔ)動(dòng)植物油脂之不足，同時(shí)開展功能性油脂的研究并從絲狀真菌中提取多不飽和脂肪酸如g-亞麻酸、花生四烯酸等，具有重要的理論和實(shí)際意義：（1）花生四烯酸(AA)花生四烯酸一般存在于陸地動(dòng)物油脂和一些植物油中，但含量極低。它是合成前列腺素前體，其代謝產(chǎn)物PG、TX、LT具有調(diào)節(jié)脈管阻塞、血栓、傷口愈合、炎癥及過敏等生理功能。1979年，Lizuka等發(fā)現(xiàn)青霉屬Penicilliumcyaneum在細(xì)胞內(nèi)明顯積累花生四烯酸，用烷烴作為主要碳源培養(yǎng)，其花生四烯酸含量為0.2mg／g(干細(xì)胞)[10]。我國研究起步較晚，1997年朱法科等以一株被孢霉為出發(fā)菌株，經(jīng)紫外誘變獲得AA高產(chǎn)菌，AA得率達(dá)0.83g（2）g-亞麻酸(GLA)亞麻酸是人體必需脂肪酸之一，具有明顯降血脂和降低膽固醇作用，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健食品、高級化妝品中。英國科學(xué)家使用爪哇鐮刀菌，以小麥淀粉生產(chǎn)葡萄糖作為培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，g-亞麻酸含量高達(dá)16％[11]。我國上海工業(yè)微生物研究所張秀魯[12]等利用Mlo2菌株發(fā)酵生產(chǎn)g-亞麻酸，其含量占總脂肪酸8％。（3）類可可脂可可脂是一種價(jià)格較貴油脂，其甘油三酯組成主要為POS51.9％、SOSl8.4％、POP6.5％(P：棕桐酸，S：硬脂酸，O：油酸)。荷蘭利用假絲酵母屬、類酵母屬、紅酵母屬、油脂酵母屬等l4個(gè)屬酵母變異種生產(chǎn)類可可脂及其代用品，以N一甲基一N一亞硝基胍誘變后得到高產(chǎn)菌種，經(jīng)培養(yǎng)，油脂含量達(dá)30％，且其中95％甘油三酯具有P37.6％、S14.3％、O37.5％脂肪酸組成[13]。（4）EPA和DHA天然EPA、DHA主要富集在深海魚油中，其具有重要生理功能：(1)預(yù)防和治療動(dòng)脈粥樣硬化、血栓及高血壓；(2)防治乳腺癌、前列腺癌和結(jié)腸癌；(3)治療氣喘、關(guān)節(jié)炎、周期性偏頭痛等；(4)促進(jìn)嬰兒神經(jīng)系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)發(fā)育。美國MartekBioscience’S公司研究人員發(fā)現(xiàn)硅藻異養(yǎng)菌Nitzschiaalba是一種很好EPA生產(chǎn)菌，在機(jī)械攪拌罐培養(yǎng)64h后，菌體濃度達(dá)到45g～48g／L，硅藻油含量高達(dá)干重50％，EPA占油總量4％～5％。日本篩選、養(yǎng)殖一種海藻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應(yīng)用生物柴油是由可再生的油脂原料，諸如植物或動(dòng)物油脂，經(jīng)合成（酯交換）所得的長鏈脂肪酸甲酯，可代替柴油的一種環(huán)保燃料油。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明生物柴油可直接用于現(xiàn)有的柴油引擎而保燃料油。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明生物柴油可直接用于現(xiàn)有的柴油引擎而不需做任何改動(dòng)。利用微生物油脂資源生產(chǎn)生物柴油具有能量密度高、含硫量低、燃燒充分、潤滑性能好等液體能源產(chǎn)品所期望的優(yōu)良性能，還具有可再生、易生物降解、儲(chǔ)運(yùn)安全、抗爆性好等特點(diǎn)，所以可作為優(yōu)質(zhì)的石化柴油代用品。目前在美國、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)已開始建立商品化生物柴油基地，并把生物柴油做為代用燃料廣泛使用[15]。微生物油脂是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而其中的微藻油脂則更是一個(gè)亮點(diǎn)。微藻的太陽能利用效率高、個(gè)體小、營養(yǎng)豐富、生長繁殖迅速、對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)、容易培養(yǎng)，因此受到人們的重視。另外，微藻中不但油脂含量可觀，而且直接從微藻中提取得到的油脂成分與植物油相似。因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，不僅可以替代石油作為生物柴油直接應(yīng)用于工業(yè)上，還可以作為植物油的替代[1]。３.４微生物油脂在其他方面的應(yīng)用３.４.１奶與奶制品從被孢霉屬真菌油脂中提取出的g-亞麻酸，添加到奶或奶粉中可提高其營養(yǎng)價(jià)值，使之接近母乳。亨氏公司、貝因美、飛鶴乳業(yè)、銀橋乳業(yè)等知名乳品企業(yè)已添加了武漢福星生物藥業(yè)有限公司生產(chǎn)的富含花生四烯酸的微生物油脂。３.４.２糕點(diǎn)在冷凍糕點(diǎn)中，都含有一定量的油脂，油脂既能作為油脂源又有利于產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)與口感，用富含亞油酸的微生物油作為油脂來源，可使亞油酸及其他活性物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同增效作用，對高血壓、動(dòng)脈硬化起到積極的預(yù)防效果。面包制作和醬油新產(chǎn)品中也有應(yīng)用。３.４.３乳化飲料以富含不飽和脂肪酸的功能性油脂為油相，用乳糖酶對脫脂乳中的乳糖進(jìn)行水解，以此溶液為水相，添加適量乳化劑，制成水包油型乳化飲料代替牛乳，既可避免乳糖不適癥，又可預(yù)防動(dòng)脈硬化。３.４.４飼料工業(yè)．微生物油脂在對蝦、蛋雞的飼料添加劑新產(chǎn)品中也有應(yīng)用。粗制品作為微生物飼料添加劑加入飼料中，可明顯提高畜禽的消化吸收率，改善肉類和蛋的品質(zhì)等。３.４.５醫(yī)療方面大量的研究結(jié)果表明：人體缺乏PUFAs將產(chǎn)生某些疾病，或者說某些疾病伴隨著PUFAs的含量減少而產(chǎn)生，而補(bǔ)充PUFAs則可預(yù)防或治療某些疾病。例如，在新生兒濕疹的治療中，給患處涂抹小麻油或紅花油(含亞油酸)，可很快見效，這是患兒缺乏PUFAs所致。嬰幼兒嚴(yán)重缺乏DHA和AA，可造成永久性智力低下和視力障礙。6～12歲兒童出現(xiàn)皮膚騷癢，眼角干燥，上課注意力不集中，數(shù)學(xué)成績下降，與其血漿內(nèi)AA和DHA含量低下有明顯的正相關(guān)。精神分裂癥患者體內(nèi)AA含量較正常人低許多。高血壓患者、高脂、高膽固醇血癥患者體內(nèi)AA含量較正常人低；食用適量富含PUFAs微生物油脂，可明顯降低高脂、高膽固醇血癥患者血漿內(nèi)的脂質(zhì)和膽固醇水平，同時(shí)提高血漿內(nèi)載脂蛋白A(apoA)和高密度脂蛋白(HDL)水平。喂養(yǎng)適量AA和DHA的嬰兒的智商比沒有用此喂養(yǎng)的嬰兒的智商高7分(貝蕾智力量表測試)[16]。總之，微生物油脂的研究正方興未艾，從食用到粉末涂料、可塑劑、潤滑油、香料和農(nóng)藥等生產(chǎn)的出發(fā)原料和精細(xì)化工中間體，有著廣泛的用途。４.微生物油脂的研究展望利用微生物生產(chǎn)油脂是一種全新的油脂生產(chǎn)方法半個(gè)多世紀(jì)以來，國外科學(xué)家進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，如菌種的篩選和改良、培養(yǎng)工藝的摸索和微生物油脂的制取、精煉、脫毒等。目前它的前景已逐漸明朗。利用微生物生產(chǎn)食用油脂已開始走出實(shí)驗(yàn)室，出現(xiàn)企業(yè)化的萌芽及正規(guī)化生產(chǎn)的趨勢[9]。利用微生物油脂資源生產(chǎn)生物柴油具有能量密度高、含硫量低、燃燒充分、潤滑性能好等液體能源產(chǎn)品所期望的優(yōu)良性能，還具有可再生、易生物降解、儲(chǔ)運(yùn)安全、抗爆性好等特點(diǎn)，所以可作為優(yōu)質(zhì)的石化柴油代用品。產(chǎn)油微生物具有資源豐富、油脂含量高、生長周期短、碳源利用譜廣、能在多種培養(yǎng)條件下生長等特點(diǎn)。微生物油脂生產(chǎn)工藝簡單、高值化潛力大，有利于進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和開發(fā)。目前中國、日本、德國、美國等國已有商品微生物菌油或相應(yīng)下游加工產(chǎn)品面市，但成本還較高。利用產(chǎn)油微生物轉(zhuǎn)化廢棄木質(zhì)纖維素資源可降低成本，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[14]。世界能源組織(IEA)表示，保守地估計(jì)，到2030年全球?qū)⒂?0％的能源由生物能源替代，這一目標(biāo)將是極具挑戰(zhàn)性的[17]，為了達(dá)到這一目標(biāo)，必須大力開發(fā)生物柴油原料以大幅降低生物柴油成本。利用工業(yè)廢水、廢氣培養(yǎng)微生物并添加適當(dāng)培養(yǎng)物進(jìn)行油脂的生產(chǎn)是一項(xiàng)一舉多得之事，一方面能夠處理廢水、廢氣等而起到環(huán)境保護(hù)的作用，另一方面因?yàn)槟軌蛏a(chǎn)油脂而解決人類資源短缺的問題[1]。含多不飽和脂肪酸的微生物油脂在未來營養(yǎng)品市場上將大有潛力，目前歐美和日本已有相關(guān)產(chǎn)品上市。我國在這方面起步較晚，但也已開始發(fā)展起來，如武漢烯王生物工程有限公司引進(jìn)中科院等離子體物理研究所的花生四烯酸高產(chǎn)菌發(fā)酵技術(shù)，進(jìn)行50t罐生產(chǎn)，花生四烯酸含量在50％以上。由此可見，微生物油脂的研究將成為新世紀(jì)油脂工業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向，它將使油脂行業(yè)的范圍更加廣闊，在促進(jìn)人類保健方面也將起著越來越重要的作用[2]。專家認(rèn)為目前的研究應(yīng)注重降低微生物油脂的生產(chǎn)成本，即尋找低廉的原料，篩選更有效的菌株，減少油脂提取步驟或采用新的提取方法等。若其具有價(jià)格上的優(yōu)勢，便可以獲得廣闊的市場，而且，更易于被素食者所接受。微生物油脂的發(fā)展前景十分廣闊，除了作為食品強(qiáng)化劑、添加劑形式銷售外，還可以制成軟膠囊形式，則附加值更高。還能進(jìn)一步濃縮，甚至進(jìn)一步分離成單離脂肪酸，可獲得高額利潤[16]。在自然資源日益貧乏今天，對新資源研究開發(fā)必將成為全世界關(guān)注熱點(diǎn)。微生物油脂正是作為一種新型油脂新資源出現(xiàn)在我們面前，相信隨著其生產(chǎn)技術(shù)日趨完善，微生物油脂必定具有廣闊發(fā)展參考文獻(xiàn)[1]薛飛燕,張栩,譚天偉.微生物油脂的研究進(jìn)展及展望.生物加工過