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化為菌體內大量貯存的油脂,如果油脂含量能超過(guò)生物總量20 % ,即稱(chēng)為產(chǎn)油微生物(Oleaginousmicroorganisms)。

微生物油脂(microbial oils) 又稱(chēng)單細胞油脂(SCO = single cell oil) ,是由酵母、霉菌、細菌和藻類(lèi)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,在菌體內產(chǎn)生的大量油脂。

2.  微生物油脂的研究歷史及現狀

當前,人口的增長(cháng)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(zhù)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(kāi)發(fā)的角度出發(fā),積極開(kāi)發(fā)替代化石燃料的可再生新能源。無(wú)論是食品油脂,還是生物柴油原料油脂的主要來(lái)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(mǎn)足人們的食用和生活中各種油脂的需求。所以開(kāi)辟微生物油脂這一新的油脂資源的開(kāi)發(fā)和研究,不僅豐富了傳統的油脂工業(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[3] 。

2.1    國外微生物油脂的研究狀況

第一次世界大戰前,德國科學(xué)家就曾試圖利用酵母、單細胞藻類(lèi)和菌類(lèi)生產(chǎn)油脂,以緩解當時(shí)食用油脂供應不足的狀況,后因戰爭爆發(fā)而中止了研究。其后美國對微生物油脂也作過(guò)研究。利用微生物生產(chǎn)油脂的研究,從20 世紀40 年代發(fā)現高產(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(kāi)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(cháng)鏈二元酸的新技術(shù),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(lái)愈受到重視；而且相繼從絲狀真菌、細菌、酵母和微藻類(lèi)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。最新文獻報道在氮源缺陷型培養基中,深黃被孢霉表現出了顯著(zhù)的生長(cháng)活性(其生物量達3519 gPL) 和高糖攝入量,即使培養基的初始濃度很高(如100 gPL) 也如此。待氮源耗盡后,真菌菌體中將會(huì )大量積累脂肪(能達菌體干重的50 %～55 %) ,從而導致培養結果是得到一個(gè)可觀(guān)的油脂產(chǎn)量1811 gPL ?？偩w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 培養基液可得到γ2亞麻酸的最大質(zhì)量濃度為01801g。

2.2 國內微生物油脂的研究狀況

國內60 年代就有過(guò)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(diǎn)集中在開(kāi)發(fā)微生物功能性油脂方面[7] 。其中國內利用微生物生產(chǎn)多不飽和脂肪酸油脂是從上世紀80 年代末期開(kāi)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,據南開(kāi)大學(xué)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(shí),菌體得率為2913 % ,油脂含量達4417 % ,其中GLA含量達9144 %。據1998 年菌物系統報道,以拉曼被孢霉( Mortierella ramanniana) SM541 為原始菌株,經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)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(shí)驗表明,SM54129 具有良好的遺傳穩定性。2003 年施安輝、周波通過(guò)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,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。清華大學(xué)吳慶余、繆曉玲通過(guò)異養轉化細胞工程技術(shù)獲得了脂類(lèi)含量高達細胞干重55 %的異養藻細胞。

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(wèn)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)。然后是培養條件的變化,如溫度、培養時(shí)間(不同微生物的最佳培養時(shí)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時(shí)間分別為3、7、7、5、6 d) 、培養基質(zhì)(微生物發(fā)酵產(chǎn)油脂大體分二個(gè)階段,即菌體增殖期和油脂積累期。發(fā)酵培養的前期為細胞增殖期,這個(gè)時(shí)期微生物要消耗培養基中的氮源,吸收利用蛋白質(zhì),以保證菌體代謝旺盛。接著(zhù)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(gè)時(shí)期為油脂積累期。微生物高產(chǎn)油脂的一個(gè)關(guān)鍵因素是培養基的碳源充足而其它營(yíng)養成份缺乏,在這種情況下,微生物菌體不再進(jìn)行細胞增殖,而是將過(guò)量的碳水化合物轉為脂類(lèi) ) 、酸度(酵母最適pH 值為315～610 ,霉菌為中性至微堿性,藻類(lèi)一般適宜中性或微堿性培養) 、通氣量等。

表1 　不同菌種在同樣培養條件下的油脂含量

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:

菌種篩選→原料→滅菌→菌體培養→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(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生物科學(xué)的發(fā)展,微生物油脂的研究正逐漸被重視,尤其是根據各種微生物產(chǎn)油的培養條件及產(chǎn)油機理而開(kāi)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。根據各種產(chǎn)油微生物的培養條件及生長(cháng)特性可以嘗試微生物混合培養生產(chǎn)油脂。例如粘紅酵母培養的初始pH 值為510~610 ,培養后期pH 值下降到210~310 為了保證油脂的含量培養期間需要將pH值回調至512~515,而魚(yú)腥藻野生藻的最適pH值為615~715 ,培養期間需要加入HEPES 緩沖液以防pH 值升高而使藻種光合活性降低,生長(cháng)受到抑制；另外酵母培養生產(chǎn)油脂過(guò)程中需要不斷通(氧) 氣以促進(jìn)油脂特別是不飽和油脂的形成,而在培養過(guò)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。由此可見(jiàn),要是利用它們的協(xié)同效應二者混合培養則是微生物油脂的一個(gè)新的研究方向。開(kāi)發(fā)利用微生物進(jìn)行功能性油脂的生產(chǎn)已經(jīng)成為當今的一大熱點(diǎn),如利用深黃被孢霉進(jìn)行γ2亞麻酸的生產(chǎn),以及利用微生物培養生產(chǎn)EPA、DHA等營(yíng)養價(jià)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(lǐng)域具有廣闊的研究發(fā)展空間。隨著(zhù)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(shù)在不斷趨向成熟,而且將成為新世紀油脂工業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向,使油脂行業(yè)的加工范圍更加廣闊,并在促進(jìn)人類(lèi)保健方面、解決人類(lèi)能源問(wèn)題中將起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。通過(guò)微生物轉化和利用基于碳水化合物的可再生資源已成為社會(huì )經(jīng)濟可持續發(fā)展的要求,使微生物產(chǎn)油的研究領(lǐng)域取得更快的發(fā)展。