微生物发酵生产油脂研究进展
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摘要: 微生物发酵产生油脂是开拓油脂新资源的一条好途径。简要地介绍了产生油脂微物生资源的探索, 微生物发酵产生油脂的优点, 特种油脂的功能, 培养条件等因素对微生物产生油脂的影响及微生物产生油脂过程中的生化研究。
关键词: 微生物；发酵；油脂
一 前言
目前，用于生产油脂的原料主要来源于石油和动植物等, 而石油储藏量却在逐年减少, 动植物的养殖业和种植业日益饱和, 因比多渠道开发其他油脂资源就成为必然。经过几十年来科技工作者的共同努力, 已探明微生物发酵产生油脂是开拓油脂新资源的一条好途径。
二 产油脂微生物资源的探索
微生物产生油脂研究已有半个多世纪的历史。第二次世界大战期间,由于连年战火，油脂奇缺，德国科学家们就开始了微生物生产油脂的研究工作，并发现了高产油脂的斯达油脂酵母(Lipomycetarkeyi)，粘红酵母属(Rhodotorulaglutinis)，曲霉属(Aspergillus) 以及毛霉属(Mucor)等微生物。80年代初，日本成功地建立了发酵法工业化生产长链二元酸的新技术， 结束了以蓖麻油裂解合成十三碳二元酸的历史。1986年，日本和英国等国家率先推出含微生物γ-亚麻酸(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[1]。之后我国上海工业微生物研究所也利用微生物发酵生产了GLA。
进入90年代，特种油脂的发展越来越受人们的重视。罗玉萍等[2]分离到一株高产棕榈油酸的酵母，总脂中棕榈油酸含量高达50.14%。Matsunaga等筛选到两株Cyanobacteria总脂中棕榈油酸的含量分别达54.4%和54.5%。这些工作为利用微生物发酵生产棕榈油酸提供了广阔的前景；Stewdansk和Radevan分别筛选到产生花生四烯酸(AA)的真菌,它们总脂中AA的含量达到42%～55%[3,4]；1996年Yazawa[5]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(EPA)，其产量达24%～40%，被认为是EPA 的一种新资源。1996年Nakahara等从海水中分离到一株Schizochytriumsp.SR21，其二十二碳六烯酸(DHA)产量达到每天2g/L。1996年Singh等在优化培养基上对Thraustochytrium ATCC28210 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[6]。据文献报道，产特种油脂的微生物主要有三类，即真菌、藻类和细菌等。
三 微生物发酵产生油脂的优点及特种油脂的功能
微生物发酵产生油脂是一条开发新油源的好途径。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，生活所占空间小，不受原料和产地的限制等。另外，通过微生物发酵也能把一些农副产品及其废弃物等碳水化合物转换为可利用的油脂，在环境卫生方面具有现实的意义。
利用微生物发酵法可以得到各种类型的脂肪酸。有单烯不饱和酸，如棕榈油酸等；多烯不饱和酸,如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等；及羟基脂肪酸、支链脂肪酸等。这些脂肪酸的功能主要可归纳为以下几个方面：抗炎症作用[7]；抑制肿瘤细胞的形成、扩散和转移[8]；预防和治疗心血管疾病，尤其是糖尿病患者的心血管疾病[9]；降血脂、降血压等功能[10]；多不饱和酸还能调节皮肤正常的生理功能, 具有护肤作用等。
四 培养条件等因素对微生物产生油脂的影响
实验证明, 不同种属的微生物其产油脂量、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、油脂成分及含量也不尽相同。与此相关的培养条件主要有碳源、氮源、温度等，其中以碳源的影响为最大。
4.1 碳源对产生油脂的影响
微生物高产油脂的一个关键因素，就是培养基中碳源充足而其他营养成分缺乏，在这种状况下, 微生物菌株主要将过量的碳水化合物转化为脂类。目前发酵生产食用级脂类的碳源主要有葡萄糖、淀粉、糖蜜和乙醇等。但通常采用的碳源是葡萄糖, 因为葡萄糖作为碳源所生产的菌体生物量高，且产脂量也高。
4.2 氮源及碳氮比对产生油脂的影响
氮源的作用是促进细胞的生长, 在严重缺氮的条件下，可观察到细胞内脂类的积累。赵人俊等[11]在研究被孢霉M14菌株产脂条件时，认为无机氮有利于不饱和脂肪酸产生，有机氮有利于细胞增殖，低C/N比有利于菌丝体产量的提高，高C/N比则促进菌体细胞内的油脂合成。
4.3 温度对产生油脂的影响
温度调节脂肪酸成分，是由于细胞对外界温度变化的一种适应性反应。通常情况下不饱和脂肪酸的熔点比饱和脂肪酸低, 短链脂肪酸比长链脂肪酸低。因此当菌株从高温转移到低温生长时，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；而当温度升高时，平均链长就增长。这些变化都是为了保证细胞膜的正常流动性和通透性[12]。
4.4 其他因素对产生油脂的影响
Cohen等发现有几种吡定族的除草剂能抑制脂肪酸去饱和，SAN9785是ω3脱饱和的最有效抑制剂。1996年Khozin等研究表明，除草剂SAN9785能降低Red alga 和Porphyridiumcruentum的EPA产量, 却同时又能将Eustigmatohyte和Monoduubterraneus的EPA产量从54%增到81%。pH 值的变化对微生物产生油脂的影响也较大，一般最适产生油脂的pH值与其最适生长pH值相一致。不同的干燥方式也能影响脂肪酸成分的变化[13]。实验还证明，NaCl浓度、菌体稀释率、苯酚浓度、日照等对一些菌株产生油脂也有影响[6,12,14]。
微生物产生油脂过程的生化研究微生物产生油脂过程与动植物产生油脂过程相似，都是从乙酰CoA羧化酶催化羧化的反应开始，然后经过多次链延长，或再经过去饱和作用等完成了整个生化过程。在此过程中, 有两个主要的催化酶，即乙酰CoA 羧化酶和去饱和酶。乙酶CoA 羧化酶催化脂肪酸合成的第一步，是第一个限速酶。此酶是由多个亚基组成的复合酶，以生物素作为辅基。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，生物素结合位点等等。因此该酶能为乙酰CoA、ATP和生物素所激活。ADP 是该酶AT P 的竞争性抑制剂，抗生物素蛋白作用于生物素而抑制了该酶的活性，丙二酸单酰CoA 起反馈抑制作用。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。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。70年代中期，科研人员就发现酵母微粒体中的去饱和酶系主要由三个酶组成，即NADH—Cytb5还原酶，Cytb5和末端去饱和酶。NADH—Cytb5还原酶是一种黄素蛋白，其催化作用是将电子从NA DH传至Cytb5。Cytb5只作为去饱和酶的电子供体，对去饱和并未起到实质性的作用，而去饱和酶才是产生不饱和酸的关键。在脂肪酸链延长机理方面，人们也作了一些探索。Heath等[15]在研究E.coli菌株时发现，循环过程中有关的酶主要有ACP转酰基酶(fabO)β-酮酰基-ACP合成酶Ⅲ(fabH）、β-酮酰基-ACP还原酶( fabG)、β-羟癸酰-ACP脱水酶(fabA) 和烯酰-ACP 还原酶( fabI)，其中fabH和fabI在链延长循环中引发脂肪酸合成。
五 微生物发酵产生油脂的前景
利用微生物发酵产生油脂具有比动植物更大的优越性，它不受时间和空间的限制，能大量生产人们所需的脂肪酸。到目前为止，虽然日本、英国等国家已有γ-亚麻酸、双高γ-亚麻酸和花生四烯酸的发酵产品问世，但除γ-亚麻酸外的其他特种油脂，目前均未能实现工业化生产。因此其他脂肪酸, 特别是不饱和脂肪酸还需要人们去努力开发和探索。总的来说，微生物产生油脂研究还处在起步阶段，还有待于去发现和分离更多更有效的高产油脂的菌株，还有待去对微生物产脂的生理及调控机理作更深的研究。由于生物技术的飞速发展，人们可以通过基因克隆、基因突变和细胞融合等手段来获取大量的高产油脂的菌株，也可以借助反应器技术提高发酵效率。
因此，以微生物为资源生产脂肪酸，特别是不饱和脂肪酸在医药学、营养学、生物学等方面具有广阔的应用前景。
参考文献
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