微生物油脂及其生产工艺的研究进展
2007-10-29 22:21:32   来源：生物加工过程   评论：0 点击：

　　微生物油脂(microbial oils)又称单细胞油脂(single cell oil,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。与传统的油脂生产工艺相比较,利用微生物生产油脂具有油脂含量高、生产周期短、生产成本低等优点并且可以利用细胞融合、细胞诱变等技术,使微生物生产的油脂比重、植物油脂更符合人们对高营养油或某些特定脂肪酸油脂的需求[1~2]。近半个世纪以来,世界上许多国家与地区如美国、英国和荷兰等都在这方面取得了较大成果。在欧洲、中东、南亚和澳洲等地已允许将某些微生物油脂添加到婴儿食品中[3]。随着人口的日益增长,使得油脂需求量的增加与自然资源严重短缺的矛盾愈发尖锐。因此,开辟微生物油脂这一新的油脂资源更具有重要的现实意义。
1　微生物油脂的特点及组成
1·1　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。
1·2　微生物油脂的组成
油脂是微生物生命活动的代谢产物之一,微生物油脂也和动植物油脂一样以两种形式存在,一种是体质脂形式,即作为细胞的结构组成部分而存在于细胞质中,在微生物中含量非常恒定,如微生物细胞膜上的磷脂;另一种形式是贮存脂形式,油脂在微生物细胞内以脂滴或脂肪粒形式贮存于细胞质中。微生物油脂中甘油三酯体积分数约占95%,其他脂质(如糖脂、甘油一酯、甘油二酯)约占10%。少数不常见脂质,如硫脂(硫酸脑苷脂,脑硫脂)、肽脂、甾醇、羟基脂、蜡酯、甘油硫酸酯、醚酯等,在细菌(包括古细菌)中也有发现。酵母和霉菌还可生产各种类胡萝卜素、甾醇、脂酰基鞘氨醇类神经鞘脂及糖脂。
微生物油脂的脂肪酸组成和一般植物油基本相同,大部分为偶数碳数,尤其棕榈酸、油酸、亚油酸和硬脂酸的含量很高,但有些微生物油脂中多不饱和脂肪酸如亚麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA等含量特别高,如表1所示。
 

2　产油脂微生物
2·1　产油脂微生物必备条件[5]
(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)食用安全,具有良好的风味和消化吸收性;(4)生长速度快,抗污染能力强;(5)油脂易提取。
2·2　常见产油微生物种类[6]
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。
在各种藻类中,金藻纲、黄藻纲、硅藻纲、绿藻纲、隐藻纲和甲藻纲中的藻类都能产生高含量多不饱和脂肪酸,其中常见的产油藻类有硅藻和螺旋藻。常见的产油酵母有浅白色隐球酵母(油脂体积分数65%)、弯隐球酵母(油脂体积分数58%)、斯达氏油脂酵母(油脂体积分数63%)、茁芽丝孢酵母(油脂体积分数65%)、产油油脂酵母(油脂体积分数64%)、胶粘红酵母(油脂体积分数72%)等。常见的产油霉菌有土霉菌(油脂体积分数57%)、紫癜麦
角菌(油脂体积分数31%~60%)、高粱褶孢黑粉菌(油脂体积分数41%)、高山被孢霉、深黄被孢霉等。常见的产油细菌有棒状杆菌、分枝杆菌、诺卡氏菌等。
3　微生物油脂的生产工艺
3·1　生产工艺流程
微生物油脂的生产工艺流程如下[7]:
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→成品油脂在微生物油脂中,其主要组成为甘油三酯和游离脂肪酸,同时还有一些非极性物质;另外还有部分微量成分没有分辨出来。但是这些油脂还不能直接食用,因为微生物油脂具有一定的毒性,只有去毒后,方可供食用。
3·2　生产工艺要点
3·2·1　菌种培养条件
生产微生物油脂主要原料为下列几类物质:碳源,如葡萄糖、果糖、蔗糖等;氮源,如铵盐、尿素等;无机盐。这些原料在食品加工、造纸行业的废料中十分丰富,可加以利用。微生物培养方法可采用液体培养法、固体培养法及深层培养法,但以深层培养法最常用。研究所用的微生物多为细菌、丝状真菌及酵母。
菌种的培养条件直接影响到油脂生成量的高
低,影响微生物合成油脂的因素有很多。首先是菌种问题,不同的微生物,其产生油脂的含量及油脂脂肪酸组成均不同,如表2所示[8]。

　　另外,菌种培养过程中C/N比、氮源浓度、温度、培养时间、pH值、氧气、微量元素和无机盐类浓
度等因子均对油脂的生产率和积累量有影响。C/N比对油脂的积累影响较大,一般情况下,培养基中含氮量越高,则细胞中蛋白质含量越高,而且氮含量越高,油脂积累量越高。有报道将黑曲霉、米曲霉、少根曲霉、红酵母和酿酒酵母在20,25,30,35,40,50℃条件下培养5 d,研究温度对微生物生产油脂的影响;结果表明,最适温度为25~30℃;当温度超过50℃时,所有菌类的油脂产量都将减少。这可能是由于微生物酶在高温条件下部分失活的缘故,减弱了微生物体内物质合成的反应速度[1]。在适宜的培养条件下,微生物生长繁殖速度非常快,大约20~30 min就可以分裂繁殖1次,使菌体数目增长很快。经过一段时间的培养后,菌体数目增长速度保持稳定,然后逐渐下降,最后出现负增长率。这是由于在培养后期,微生物出现菌体变形、自溶等现象,培养基质中营养物质逐渐耗尽,使菌体数目减少。因此,培养时间的长短对微生物油脂的产量影响很大。当培养时间不足时,微生物菌体总数达不到最大量,影响了油脂产量,培养时间过长时,微生物个体发生变形、自溶,使已形成的油脂进入培养基质中而难于收集,同样影响了油脂产量。在实际生产中,应根据不同菌种、同一菌种的不同生产阶段,提供适宜于菌体细胞增殖和油脂积累的不同条件,从而获得较高的油脂生成量。例如粘红酵母培养的初始pH值为5·0~6·0,培养后期pH值下降到2·0~3·0;为了保证油脂的含量,培养期间需要将pH值回调至5·2~5·5[9]。而鱼腥藻野生藻的最适pH值为6·5~7·5,培养期间需要加入HEPES缓冲液以防pH值升高而使藻种光合活性降低,生长受到抑制[6];另外酵母培养生产油脂过程中需要不断通气以促进油脂特别是不饱和油脂的形成[1],而在培养过程中呼吸排出CO2;而微藻可以利用光合作用产生氧气,并且需要通入CO2(或加入NaHCO3)作为碳源[10]。此外,适当增加无机盐和微量元素的使用量,可提高真菌产油速度和产油量。但需注意,任何无机盐及微量元素的增加剂量都是有限的,不宜过多。

3·2·2　预处理
在微生物油脂的生产过程中,菌体的预处理是关键工艺。微生物油脂大多存在于由较坚韧的细胞壁所包裹的菌体细胞内,部分与蛋白质或糖类结合以脂蛋白、脂多糖的形式存在,较难分离出来,因此在提取油脂前必须对菌体进行前处理。预处理方法主要有掺砂共磨法(将干菌体与砂子一起进行研磨)、与盐酸共煮法(共煮使细胞分解有利于获得油)、菌体自溶法(让菌体在50℃下保温2~3 d)和蛋白质溶剂变性法(用乙醇或丙醇使结合蛋白变性)、反复冻融[11]、超声波破碎等方法。但有资料报道[12],目前国内常用的掺砂共磨法因易造成菌体细胞物质的损失而使菌体实际产油量降低,故提出采用湿菌体过滤、细纱磨碎后烘干制取油脂的新工艺,其油脂得率比干法提高6·12%。
3·2·3　油脂提取
目前,研究者常采用的油脂提取方法有:酸热法、索氏提取法、超临界CO2萃取法(SCF-CO2法)、有机溶剂法。有报道用4种提取方法提取真菌油脂,对比结果表明有机溶剂最为简便易行,但由于细胞破碎能力差而不能有效提取细胞内油脂,因此油脂提取效果最差;索氏法油脂得率最高,但耗时也最长,样品需先烘干处理,样品的需要量也大;SCF-CO2法提取真菌油脂的效果虽较索氏法略差,但油脂的脂肪酸组成及含量相近,且样品需要量小,样品处理能力较索氏法大为提高;酸热法操作简单、快速,样品不需任何处理,且提取的真菌油脂中营养必需脂肪酸含量较索氏法及SCF-CO2法提取的油脂高,但无法有效提取细胞膜中富含的多不饱和脂肪酸[13]。用于油脂浸提的溶剂应该使全部油脂物质都能溶解而且要求有足够的极性使其与细胞膜、脂蛋白等连接键破坏而得以提取[14],常见的溶剂主要有乙醚、异丙醚、氯仿、乙醚-乙醇、石油醚、氯仿-甲醇等。磨碎的微生物干菌体由于颗粒较细,浸提时溶剂渗透性极差,混合油不易沥出,因此在浸提前可对干菌体进行造粒处理,这样能提高浸出设备利用率,混合油中粉末少,毛油质量好,浸出系统管道不易堵塞。需要注意的是,造粒时须严格控制温度,最好不高于50℃,以防止油脂氧化[15],浸提后通过减压蒸发回收溶剂。
3·2·4　油脂精炼
微生物油脂的精炼工艺与食用植物油基本相同,主要包括水化脱胶、碱炼、脱色、脱臭等工序。精炼后的油脂其分析指标包括:气味和滋味、色泽、水分、比重、透明度、酸价、碘价、过氧化值、脂肪酸组成、甘油三酯组成等[16]。
4　微生物油脂的研究方向与展望
随着科学技术的进步和生物科学的发展,微生物油脂的研究正方兴未艾,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、微生物柴油提供原料油脂等方面的研究更具有广阔的前景。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[17],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油脂的研究。此外,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。
总之,微生物油脂的研究技术在不断趋向成熟,而且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。