微生物油脂

•前言•开发生物油脂的重要意义•国内外对油脂开发的情况•生物油脂简介•微生物油脂的产油机理•生产工艺及培养步骤•生物油脂的利用和展望前沿•随着石化资源日益枯竭，石油价格的不断上涨石油供求矛盾日渐突出，寻找和开发石化资源的替代能源具有重要的战略意义。•而现在科研工作者将生物柴油作为新一代替代物。它主要是利用微生物油脂生产的。生物柴油是重要的液体可再生能源产品之一，其化学成分主要是甲醇（或乙醇），可以代替全部或部分石化柴油，生物柴油具有能量密度高，润滑性好，储运安全，抗爆性好，燃烧充分等优良使用性能和再生性，环境友好性特点。•目前,国际上生产生物柴油的原料仍以植物油为主,原料成本占总生产成本的70%～85%,，这严重地制约了生物柴油的产业化进程。一些微生物菌体油脂含量超过其细胞干重的70%,因此利用微生物油脂为原料制备生物柴油在未来生物柴油产业中将发挥重要作用。开发微生物油脂的意义•微生物油脂资源是可无限再生产的资源。而石油的开采量仅供人类50年的使用。因此，石油化工产品逐渐向油脂化学产品转移也是必然的。•通过微生物发酵，把农副产品及其食品工业的造纸工业中产生的废弃物都可加以利用，同时还保护了环境。•生产微生物油脂不受场地、不受季节和气候变化，不受原料生产的影响，一年四季除设备维修外，都可连续生产。随着人口的增加，人们对油腊的需求量逐年增长，微生物油脂可以弥补不足。•具有功能性，从丝状真菌中提取富含多不饱和脂肪酸如r一亚麻花生四烯酸、EPA、DHA等保健微生物油脂。不饱和脂肪酸的作用•1.调节血脂高血脂导致高血压、动脉硬化、心脏病、脑血栓、中风等疾病的主要原因，鱼油里的主要成分EPA和DHA，能降低血液中对人体有害的胆固醇和甘油三脂；能有效地控制人体血脂的浓度；并提高对人体有益的高密度脂蛋白地含量。维持低浓度血脂水平对保持身体健康，预防心血管疾病、改善内分泌都起着关键的作用。•2.清理血栓降低血液黏稠度，增进红细胞携氧的能力。鱼油中的EPA，还有防止血小板粘连、凝聚的功能，因此它可以有效防止血栓的形成，预防中风。•3.免疫调节补充EPA、DHA。可以增强机体免疫力，提高自身免疫系统战胜癌细胞的能力。日本的研究发现鱼油中的DHA能诱导癌细胞“自杀”。•4.维护视网膜提高视力补充足够的DHA对活化衰落的视网膜细胞有帮助，对用眼过度引起的疲倦、老年性眼花、视力模糊、青光眼、白内障等疾病有治疗作用。DHA可提供视觉神经所需营养成分，并防止视力障碍。•5.补脑健脑DHA是大脑细胞形成发育及运动不可缺少的物质基础。人有记忆力、思维功能都有赖于DHA来维持和提高。补充DHA可促进脑细胞充分发育，防止智力下降，健忘及老年痴呆等。•6.改善关节炎症状减轻疼痛Omega-3系列不饱和脂肪酸可以辅助形成关节腔内润滑液，提高体内白细胞的消炎杀菌的能力，减轻关节炎症状，润滑关节，减轻疼痛。•国内利用微生物生产多不饱和脂肪酸油脂是从上世纪80年代末开始的。1988年上海工业微生物研究所利用M102菌株进行发酵生产γ-亚麻油酸，含量为8.0%。•1993年南开大学生物系用深黄被孢霉为出发菌株,经紫诱变后,在发酵生产γ-亚麻酸,菌体得率为29.3%,油脂含量达44.7%,其中γ-亚麻酸含量达9.44%。•武汉烯王生物工程有限公司曾于2000年引进中国科学院等离子体物理研究所的花生四烯酸高产菌发酵技术,在50t罐生产时,花生四烯酸含量在50%以上,干菌体得率超过3%,总油脂超过30%。•2003年施安辉等通过对粘红酵母GRL513生产油脂的研究发现,最终油脂产量可达菌体干重的67.2%•国外对于微生物油脂的研究工作起步较早,早在第一次世界大战前,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研究。•在20世纪40年代,人们发现了高产油脂的斯达凯依酵母、粘红酵母、曲霉属及毛霉属。•1986年,日本和英国首先推出了含γ-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。•20世纪90年代以后,特种油脂的发展愈来愈受重视,研究人员相继从丝状真菌、细菌、酵母和微藻类中,开发了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了技术依据。•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、氮源、辅以无机盐生产的油脂和另一些有商业价值脂质。在适宜条件下,某些微生物产生并储存的油脂占其生物总量的20%以上,具有这样表型的菌株称为产油微生物。具有潜在商业化价值，可应用于营养保健品、药物、水产养殖饲料和生物柴油原料等方面。微生物生产油脂的特点•(1)微生物生长周期短，生长繁殖快，代谢活力强。适应性强，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)不同的菌株和培养基的产品构成变化较大，适合开发一些功能性油脂，如富含油酸、一亚麻酸、AA、EPA、DHA、角鲨烯、二元羧酸等的油脂以及代可可脂。•(6)微生物油脂组成和植物油脂相似，可替代植物油脂制取生物柴油，降低生物柴油制取成本。微生物油脂和成途径微生物油脂积累大体分为两个阶段.发酵培养的前期为细胞增殖期,这个时期微生物要消耗培养基中的碳源和氮源,以保证菌体代谢旺盛和增殖过程.在这一阶段中细胞和合成油脂,但主要用于细胞骨架的组成,即以体质脂形式存在.当培养基中碳源充足而某些营养成分缺乏是,菌体细胞分裂速度锐减,微生物基本不再进行细胞繁殖,而过量的碳元素继续被细胞吸收,在细胞中经糖酵解途径进入三羧酸循环,同时甘油三酯的积累过程被激活.产生机制•微生物产生油脂的过程本质上与动植物产生油脂的过程相似,都是从利用乙酰CoA羧化酶的羧化催化反应开始,经过多次链的延长及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。•乙酰CoA羧化酶和去饱和酶是两个主要的催化酶。乙酰CoA羧化酶催化脂肪酸合成的是一种限速酶,此酶是由多个亚基组成的以生物素作为辅基的复合酶。乙酰CoA羧化酶结构中有多个活性位点,如乙酰CoA结合位点、ATP结合位点、生物素结合位点等。因此该酶能为乙酰CoA、ATP和生物素所激活。另外,丙酮酸盐对该酶有轻微的激活作用,磷酸盐对该酸的活性有较低程度的抑制作用。去饱和酶是微生物通过氧化去饱和途径生成不饱和酸的关键酶,去饱和作用是由一个复杂的去饱和酶系来完成的。微生物油脂的制备工艺•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→成品油脂菌种的筛选•能够产生油脂的的微生物有酵母、霉菌、细菌、藻类。目前研究的较多的是酵母、霉菌、藻类，能够产生油脂的细菌则较少。不同的菌种，产生微生物的油脂脂肪酸组成均不同。•产脂细菌:嗜酸乳杆菌•产脂霉菌:深黄被孢霉，高山被孢霉，卷枝毛霉，嗜酸乳杆菌，米曲霉，土曲霉雅致枝霉三孢布拉氏霉等•产脂酵母:假丝酵母，浅白色隐球酵母，胶粘红酵母，产油油脂酵母等•产制藻类:盐生杜氏藻，粉核小球藻，等鞭金藻，三角和指藻，新月菱形藻等菌种的筛选•用于工业化生产油脂的菌株必须具备以下条件:•①油脂积蓄量大,含油量应达50%左右,油脂生成率高,转化率不低于15%•②能适应工业化深层培养,装置简单•③生长速度快,杂菌污染困难•④风味良好、食用安全无毒、易消化吸收细菌生产油脂•细菌是最简单,最小的微生物细胞.大多数产油细菌在高葡萄糖时产生不饱和的甘油三脂,但大多数细菌不产生甘油三酯而是积累复杂的脂类.加之产生于细胞外膜上,提取困难,因此产油细菌无工业意义。霉菌和酵母生产油脂•霉菌和酵母被认为是良好的产油微生物.从80年代开始,大量的研究报道就集中到了霉菌和酵母。•霉菌中脂肪酸类型比酵母丰富很多。大多数霉菌油脂含量在20%-25%之间.美霉菌主要用于生产高比列的不饱和脂肪酸。同时需注意的是,不同霉菌的脂肪酸的组成有很大差别。•酵母在脂肪酸的分布模式上相当单一,绝大多数仅有C16和C18脂肪酸,与许多植物油脂相似,其中基本的饱和脂肪酸是软脂酸,基本的不饱和脂肪酸是油酸,也有少数含有单不饱和脂肪酸棕榈油酸,多不饱和脂肪酸也存在于酵母中.酵母中油酸含量一般丰富。•产油酵母能在各种碳源上生长良好,如蔗糖,糖蜜,乳糖等。酵母转化碳水化合物为油脂的理论33%,但实际有20%左右,虽然数值上看很低,但在所有生物油脂生产中已经很高了。菌体的培养微生物油脂的培养原料：•碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖、石蜡等•氮源有铵盐、尿素、玉米浆、硝盐等•无机盐类有氯化钾、硫酸镁以及铁、锌等离子另外，食品工业的废弃物，如淀粉厂的废水、糖厂的废糖蜜、乳品厂的乳清等，也是产油微生物的好原料。菌体的培养•微生物培养可采用液体培养法、固体培养法和深层培养法。培养过程影响微生物油脂积累的因素•不同种属的微生物产油脂量,油脂成分及含量各不相同。而就同一种微生物菌株,在不同培养条件下,其产油脂量,油脂成分及含量也各不相同。产油菌种是生产微生物油脂的关键,而培养基组成,培养时间,温度,PH值等,又是影响各类菌种油脂得率的重要因素,必须综合考虑。㈠碳源和氮源对菌体产油脂的影响⒈碳源是微生物产油脂的一个关键因素,当培养基中碳源充足而其它营养成分缺乏时,微生物菌株会将过量的碳水化合物转化为脂类。目前最常用的碳源是葡萄糖,因为以葡萄糖为碳源可获得更高的菌体生物量,而且其价格相对于其它碳源更便宜,有利于降低成本。⒉氮源的主要作用是促进细胞的生长,高C/N有利于菌体生长,低C/N有利于油脂的积累,此外氮源的种类也会影响油脂的积累。㈡培养时间对菌体产油脂的影响•微生物细胞的油脂含量随微生物生长阶段的不同而有显著差异,如油脂酵母的油脂含量在生长对数期较少,在生长对数期末期开始急剧增加,至稳定期初期达到最多。•培养时间的长短也是一个影响因素,培养时间不足,菌体总数少而影响油脂产量;培养时间过长,细胞变形、自溶,合成的油脂进入培养基中难以收集,同样影响油脂产量。•此外,不同微生物的最佳培养时间也不相同。02468黑曲霉米曲霉根霉红酵母酿酒酵母天系列1㈢温度对菌体产油脂的影响•温度的改变之所以能调节脂肪酸成分,是由于细胞对外界温度的变化会产生一种适应性反应。•通常情况下,不饱和脂肪酸的熔点比饱和脂肪酸低,短链脂肪酸的熔点比长链脂肪酸低。•因此当菌株从高温转移到低温时,细胞膜中不饱和脂肪酸及短链脂肪酸含量增加,主要是棕榈油酸或油酸等含量的增加;当温度升高时,平均链长就增长,有利于细胞膜的正常流动和增强其通透性。㈣pH值对菌体产油脂的影响•不同种类的微生物,产油的最适pH值也不同。酵母产油的最适pH值为3.5～6.0,霉菌的为中性至微碱性。构巢曲霉在pH值为2.8～7.4下培养时,随pH值上升,油酸含量增加。油脂酵母培养基的初始pH值越接近中性,稳定期菌体的油脂含量越高。•在培养过程中不断调整pH值,使微生物处于其最适pH值范围内,可有效地提高微生物的产油量。㈤通气量对菌体产油脂的影响•油脂是由基质的糖类还原而成,当微生物产生油脂时,必须供给大量氧气,不饱和脂肪酸的生物合成也需要大量氧气。•研究发现,产油真菌在供氧不足的条件下,甘油三酯的合成会强烈受阻,并引起磷脂和游离脂肪酸大量积累;在通气条件下,游离脂肪酸会部分转化成含有2个或3个双键的脂肪酸,从而使不饱和脂肪酸大量增加。㈥无机盐对菌体产油脂的影响•对真菌而言,适当增加无机盐和微量元素的添加量可提高油脂合成速度和产油量。•据国外科研杂志报道,在培养基中适当增加Na,K,Mg等元素含量,构巢曲霉的油脂积累量可25%～26%提高到50%～51%。•日本长沼等