摘要：? 綜述了培養(yǎng)微生物生產(chǎn)油脂的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀, 產(chǎn)油微生物利用可再生資源,得到的微生物油脂與植物油脂具有相似的脂肪酸組成,有的還含有豐富的多不飽和脂肪酸,具有廣闊開發(fā)應用前景。討論了產(chǎn)油影響因素，對微生物油脂的制備、影響因素及開發(fā)利用等方面做了綜述。展望了采取微生物混合培養(yǎng)方法生產(chǎn)油脂技術研究的發(fā)展前景。

關鍵字：微生物油脂； 產(chǎn)油微生物；研究歷史；制備工藝；發(fā)展前景

1. ??產(chǎn)油微生物及微生物油脂概述

某些微生物在一定條件下能將碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂等碳源轉(zhuǎn)化為菌體內(nèi)大量貯存的油脂,如果油脂含量能超過生物總量20 % ,即稱為產(chǎn)油微生物(Oleaginousmicroorganisms)[1]。

微生物油脂(microbial oils) 又稱單細胞油脂(SCO = single cell oil) ,是由酵母、霉菌、細菌和藻類等微生物在一定的條件下,利用碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂作為碳源,在菌體內(nèi)產(chǎn)生的大量油脂[2]?。

2. ?微生物油脂的研究歷史及現(xiàn)狀

當前,人口的增長使得不斷增加的油脂需求量與自然資源嚴重短缺的矛盾日益尖銳,特別是隨著日趨嚴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。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物脂肪,但是利用動物油脂、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,而且也將是工業(yè)化生產(chǎn)油脂的一個重要途徑[3]?。

2.1?? ?國外微生物油脂的研究狀況

第一次世界大戰(zhàn)前,德國科學家就曾試圖利用酵母、單細胞藻類和菌類生產(chǎn)油脂,以緩解當時食用油脂供應不足的狀況,后因戰(zhàn)爭爆發(fā)而中止了研究。其后美國對微生物油脂也作過研究[4]。利用微生物生產(chǎn)油脂的研究,從20 世紀40 年代發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)油脂的斯達凱依酵母、粘紅酵母、曲霉屬及毛霉屬等微生物開始。20 世紀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,結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γ2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,為進一步形成生產(chǎn)力提供技術依據(jù)[5]?。最新文獻報道在氮源缺陷型培養(yǎng)基中,深黃被孢霉表現(xiàn)出了顯著的生長活性(其生物量達3519 gPL) 和高糖攝入量,即使培養(yǎng)基的初始濃度很高(如100 gPL) 也如此。待氮源耗盡后,真菌菌體中將會大量積累脂肪(能達菌體干重的50 %～55 %) ,從而導致培養(yǎng)結果是得到一個可觀的油脂產(chǎn)量1811 gPL 。總菌體干重和油脂得率都得到大幅度的增加(每消耗1g 葡萄糖分別增加0134g 和0117g) 。所得到的微生物油脂中,其γ2亞麻酸的質(zhì)量分數(shù)為:315 %±110 % ,即相當于每g 干菌體可以得到16~19 mgγ2亞麻酸(GLA) ,每L 培養(yǎng)基液可得到γ2亞麻酸的最大質(zhì)量濃度為01801g[6]?。

2.2 國內(nèi)微生物油脂的研究狀況

國內(nèi)60 年代就有過用霉菌和酵母生產(chǎn)油脂的報導,但研究較多的是在90 年代,其研究重點集中在開發(fā)微生物功能性油脂方面[7]?。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80 年代末期開始的。1988 年上海工業(yè)微生物研究所報道了γ2亞麻酸油脂的發(fā)酵生產(chǎn),其γ2亞麻酸占油脂總量的810 %。1993 年張峻等人選到一株被孢霉的突變株M6 ,其菌體得率為25 % ,油脂含量為3218 % ,γ2亞麻酸含量為8184 %。同年,據(jù)南開大學生物系報道,他們用深黃被孢霉As 313410 為出發(fā)菌株,經(jīng)紫外誘變得變異株,在10 L 罐中發(fā)酵產(chǎn)生GLA 時,菌體得率為2913 % ,油脂含量達4417 % ,其中GLA含量達9144 %。據(jù)1998 年菌物系統(tǒng)報道,以拉曼被孢霉( Mortierella ramanniana) SM541 為原始菌株,經(jīng)過紫外線復合氯化鋰誘變處理,得到突變株SM54129 ,其生物量由1216 gPL 提高到2818 gPL ,油脂含量由518 gPL 提高到1517 gPL ,AA 含量由321 mgPL 增加到623 mgPL ,傳代實驗表明,SM54129 具有良好的遺傳穩(wěn)定性。2003 年施安輝、周波通過對粘紅酵母GRL513生產(chǎn)油脂最佳小型工藝發(fā)酵條件的探討發(fā)現(xiàn),最終油脂產(chǎn)量可達菌體干重的6712 %。油脂成份分析結果為: 33131 %的棕櫚酸; 3180 %的油酸;0120 %的γ2亞油酸; 2160 % 的EPA 和3160 % 的DHA[8]?。清華大學吳慶余、繆曉玲通過異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細胞工程技術獲得了脂類含量高達細胞干重55 %的異養(yǎng)藻細胞[9]?。

3?????? ?微生物油脂的制備工藝

3.1 微生物合成油脂的影響因素

影響微生物合成油脂的因素有很多。首先是菌種問題。不同的微生物,其產(chǎn)生油脂的含量及油脂脂肪酸組成均不同(如表1 所示)[10]?。然后是培養(yǎng)條件的變化,如溫度、培養(yǎng)時間(不同微生物的最佳培養(yǎng)時間也不相同,如黑曲霉、米曲霉、根霉、紅酵母、釀酒酵母的最佳培養(yǎng)時間分別為3、7、7、5、6 d) 、培養(yǎng)基質(zhì)(微生物發(fā)酵產(chǎn)油脂大體分二個階段,即菌體增殖期和油脂積累期。發(fā)酵培養(yǎng)的前期為細胞增殖期,這個時期微生物要消耗培養(yǎng)基中的氮源,吸收利用蛋白質(zhì),以保證菌體代謝旺盛。接著菌體細胞分裂速度劇增,以消耗碳氮源為主,并合成積累大量油脂,這個時期為油脂積累期。微生物高產(chǎn)油脂的一個關鍵因素是培養(yǎng)基的碳源充足而其它營養(yǎng)成份缺乏,在這種情況下,微生物菌體不再進行細胞增殖,而是將過量的碳水化合物轉(zhuǎn)為脂類[6]?) 、酸度(酵母最適pH 值為315～610 ,霉菌為中性至微堿性,藻類一般適宜中性或微堿性培養(yǎng)) 、通氣量等。

表1 　不同菌種在同樣培養(yǎng)條件下的油脂含量[10]

3.2 微生物油脂的制備工藝

微生物油脂的生產(chǎn)工藝流程如下[3]?:

菌種篩選→原料→滅菌→菌體培養(yǎng)→菌體收集→預處理→油脂提取→精煉→成品油脂

4.? 發(fā)展前景與展望

隨著科學技術的進步和生物科學的發(fā)展,微生物油脂的研究正逐漸被重視,尤其是根據(jù)各種微生物產(chǎn)油的培養(yǎng)條件及產(chǎn)油機理而開發(fā)利用微生物油脂進行功能性油脂的生產(chǎn)、利用工業(yè)(特別是食品工業(yè)的) 廢水及廢氣進行微生物培養(yǎng)生產(chǎn)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是具有廣闊的前景。根據(jù)各種產(chǎn)油微生物的培養(yǎng)條件及生長特性可以嘗試微生物混合培養(yǎng)生產(chǎn)油脂。例如粘紅酵母培養(yǎng)的初始pH 值為510~610 ,培養(yǎng)后期pH 值下降到210~310 為了保證油脂的含量培養(yǎng)期間需要將pH值回調(diào)至512~515[11]?,而魚腥藻野生藻的最適pH值為615~715 ,培養(yǎng)期間需要加入HEPES 緩沖液以防pH 值升高而使藻種光合活性降低,生長受到抑制[12]?；另外酵母培養(yǎng)生產(chǎn)油脂過程中需要不斷通(氧) 氣以促進油脂特別是不飽和油脂的形成[13]?,而在培養(yǎng)過程中呼吸排出CO2 ,而微藻可以利用光合作用而產(chǎn)生氧氣,并且需要通入CO2 (或加入NaHC2O3 ) 作為碳源[12]。由此可見,要是利用它們的協(xié)同效應二者混合培養(yǎng)則是微生物油脂的一個新的研究方向。開發(fā)利用微生物進行功能性油脂的生產(chǎn)已經(jīng)成為當今的一大熱點,如利用深黃被孢霉進行γ2亞麻酸的生產(chǎn)[14]?,以及利用微生物培養(yǎng)生產(chǎn)EPA、DHA等營養(yǎng)價值高且具有特殊保健功能的功能油脂的研究。

因此,微生物產(chǎn)油脂領域具有廣闊的研究發(fā)展空間。隨著化石資源日益枯竭和世界各國能源供應形勢日趨嚴峻, 微生物油脂的研究技術在不斷趨向成熟,而且將成為新世紀油脂工業(yè)的一個發(fā)展方向,使油脂行業(yè)的加工范圍更加廣闊,并在促進人類保健方面、解決人類能源問題中將起著越來越重要的作用。通過微生物轉(zhuǎn)化和利用基于碳水化合物的可再生資源已成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求,使微生物產(chǎn)油的研究領域取得更快的發(fā)展。

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