细菌油脂

微生物功能油脂的研究

董欣荣曹健

从影响微生物油脂合成的重要因素、微生物油脂的制备、微生物油脂的定性分析、产品的理化指标和质量指标、微生物生产功能油脂等几个方面综述了国内外微生物功能油脂的研究。

微生物;功能润滑脂;制造

分类号ts 218+438+0

来自微生物的功能性脂肪和油

董欣荣曹健

(郑州粮食学院生物工程系,郑州450052)

本文综述了微生物生产油脂、生产过程中的重要影响因素、产品的定性分析、理化性质和质量特性以及国内外微生物在制备功能性油脂中的应用。还研究了从微生物生产功能性脂肪和油。

关键词微生物;功能性脂肪和油;生产

0的前言

微生物油也叫单细胞油。在一定条件下,许多微生物,如细菌、霉菌、酵母菌和藻类,在细菌中可以产生大量的油脂。一些干基细菌含有70%以上的油脂,这些油脂具有与普通植物油相似的脂肪酸组成(见表1) [1]。微生物油脂的研究始于第一次世界大战期间。为了解决当时石油资源的短缺,德国利用解脂内孢菌生产油脂,随后美国开始生产微生物油脂,但没有实现产业化。直到二战前夕,德国科学家筛选出适合深层培养的菌株,开始在德国工业化生产微生物食用油。

表1一些微生物油脂的脂肪酸组成

菌株12:014:016:016:18:018:18。

念珠菌0-TR 32-15448-

酿酒隐球菌

(陆地隐球菌)- tr 36 1 14 36 8 tr

红酵母属

(Rhdotorula glatiuis)-1816601224∶01%

不规则rhythium 16261552656a 20∶07%

解脂内孢菌-2 25 70 17 47 5 1

麦角甾酮23 62 19 8-18:1-羟基42%

串珠镰刀菌-1 14-1 30 42 1

米黑毛霉-1 20 4 6 48 16 5a

少根根霉tr 1 18 4 1 29 16 tra

解淀粉衣藻-30.7 2.6 0.8 4.1 35.3 7.5b 16:2 16.2%

16∶3 2.7%

高山被孢霉

毛霉菌b b b b b b b 150

20∶3 3%

20∶4 30%

20∶5 15%

说明:A-γ-亚麻酸;b-未知;tr-trace;br-支链酸;-———OH羧酸

微生物油脂的生产与动植物油脂的生产相比有很多优势:1,微生物适应性强,繁殖速度快,生产周期短;2.微生物生长所需的原料丰富多样,尤其是农副产品、食品工业和造纸工业中产生的废弃物,如亚硫酸盐浆、木质糖化液、废糖液、淀粉制造废液等。,这也保护了环境;3.微生物法生产油脂,省工省力,不受场地、气候、季节影响,一年四季连续生产。4.利用不同菌种和培养基产品成分变化大的特点,特别适合开发一些功能性油脂。例如富含油酸、γ-亚麻酸、花生四烯酸、EPA、DHA、角鲨烯、二羧酸和可可脂替代品的油。此外,由于人口的增长,对石油的需求与自然资源的严重短缺之间的矛盾日益尖锐,开辟新的油源——微生物油更具有现实意义[2,3]。

目前微生物产油的技术可行性不是太大,主要是经济可行性。微生物产油受多种因素影响,产油菌株有限。只有那些干基含油量高、油脂转化率高的微生物才有利用价值。目前筛选的干基微生物含油量一般为30% ~ 60%,少数为70% ~ 80%。油脂转化率一般为15%,个别菌株达到20% ~ 25%。因此,一般微生物油脂的经济价值无法与植物油竞争,对微生物油脂的研究主要集中在利用微生物生产经济价值高的特种营养油脂和特种工业油脂。这类油的主要营养成分在天然动植物油中很少甚至不存在,但具有很大的生理功能和特殊用途,所以我们统称为微生物功能油。目前,日本已经实现了微生物提油生产可可脂和酵母发酵生产代可可脂。日本和英国出现了霉菌产生的γ-亚麻酸油,还发现了富含花生四烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸、碳酸和蓖麻油酸油的真菌和藻类菌株[1,6,21]。微生物功能油脂作为动植物油脂的必要补充,在促进人类健康方面发挥着越来越重要的作用,因此对微生物功能油脂的研究具有重要意义。

1是影响微生物油脂合成的重要因素。

碳氮比1.1中等

油脂的产量由细胞油脂含量和细胞收获量的乘积决定。微生物产油过程可分为两个阶段:细胞增殖阶段和产油阶段。这两个阶段所用培养基的C/N比不同,细胞增殖期氮营养要相对高,以获得足够的细菌细胞;产油期,在获得足够的细菌细胞后,加入碳营养物质,为细菌积累大量油脂创造条件[9]。

1.2 pH值

产油的最适pH值因微生物的类型而异,对酵母而言为3.5至6.0,对霉菌而言为中性至碱性。构巢曲霉在pH 2.8 ~ 7.4培养时,油酸含量随pH值的升高而增加。然而,培养的含油酵母的营养培养基的初始pH值越接近中性,处于稳定期的细胞的脂质含量越高[7]。

1.3无机盐和微量元素

一般来说,对于真菌来说,增加无机盐和微量元素的量,可以提高产油速度和产油量。Carrid等人对构巢曲霉的研究表明,通过调节血浆中Na+、Mg2+、so42-和PO43 -的含量比例,可使含油量从25% ~ 26%(生成率6.7 ~ 7.9)提高到51%(生成率17.2)。一个油脂酵母产油的实验证明,提高培养基中铁离子的浓度可以加速油脂的合成,而提高锌离子的浓度(有些菌株需要维生素B)可以增加积累。

1.4温度

生油最适温度大多在25℃左右。温度可以影响油脂的组成和含量,培养温度低时不饱和脂肪酸的含量会增加。

1.5培养时间

培养时间对油脂的合成也很重要。如黑曲霉、米曲霉、根霉、红酵母和酿酒酵母,最适培养时间分别为3天、7天、7天、5天和6天。培养时间不足,微生物细胞总数达不到最大值,影响出油量;培养时间过长,个别微生物会变形自溶,形成的油脂在培养基中难以收集,也会影响出油率。

1.6孢子数

当细菌生长期孢子过多时,单细胞出油率可能较低。细胞内堆积过多的油脂会使细菌失去增殖能力。因此,在培养产油细菌时,应达到最佳孢子数量,以维持细菌的增殖能力和产油生理状态。

1.7氧气供应

微生物需要氧气来从底物糖合成油和不饱和脂肪酸,因此它们必须提供足够的氧气。

1.8加

添加脂肪酸合成的中间体或能形成中间体的二羰基化合物,如乙醇、乙酸盐、乙醛等,可增加含油量。

微生物油脂的制备

2.1菌株选择

用于生产微生物油脂的菌株需要以下条件:

(1)改良后具有合成油脂或脂肪的能力,油脂积累量大,含油量稳定在50%以上,油脂转化率不低于15%。

(2)农副产品、工业废水和废弃物可以利用。

(3)繁殖力强,不易被杂菌污染,易沉淀、过滤、分离油脂。

(4)具有良好的风味,食用无害,易于消化吸收。

(5)用于工业生产时,能适应工业深层培养,装置简单[4,5]。另外,不同的菌株,不同的培养条件,不同的产品。部分菌株油脂的脂肪酸组成、种类和甘油三酯组成见表1和表2。

表2微生物油脂的立体特异性分析

润滑脂sn 14:0 16:0 16:17:0 17:1 18:0 1 65438。

分枝杆菌1 1 8 9 tr 2 7 60-7 1 1 1 1 1

snegmatis 2 7 57 13 2 1 6 9-1 tr tr 1 tr

3 1 7 7 tr tr 16 18-6 7 7 18 7

(油酵母)1 3 1 4 8-4 61 10 10-

脂肪菌2-12-889

lipoferus 3 6 29 13 - - 9 37 6 - - -

- -

2.2培养基

待制备的培养基包括斜面培养基、种子液体培养基、基础摇瓶培养基、发酵培养基等。斜面培养基是培养该菌株的常用培养基;种子培养基和基础培养基成分变化不大,主要是稳定菌种特性;发酵培养基应增加碳源比例,减少氮源比例,同时增加通气速率,使细菌充分合成油脂[28,29]。

制备中使用的碳源有乳糖、葡萄糖、果糖、蔗糖、石蜡、废糖蜜、纸浆工业废水、木材水解产物、淀粉厂废水等。氮源包括铵盐、尿素、硝酸盐、氨基酸、酵母水、玉米浆等。无机盐包括KH2 PO4、MgSO4、CaCl2等。生长素包括酵母提取物、蛋白胨等。如果我们想通过突变来改良菌株,我们需要准备一个突变培养基。使用的诱变剂是亚硝基胍、N-甲基-N-亚硝基胍、硫酸二乙酯、紫外线、激光和离子束。

2.3培养方法

2.3.1菌株激活

将保藏的菌株转移到斜面培养基上,在28℃培养4天。

2.3.2种子液的制备

活化后的菌种用少量无菌水冲洗,置于装有种子液体培养基的三角瓶中,在24 ~ 30℃、转速150 ~ 300 r/min下培养2 ~ 5 d。培养温度、时间和振荡速度取决于菌株的类型和数量。通常种子液体培养基的液体含量为65438+三角瓶的0/5。

2.3.3摇瓶培养

用与(2)相同体积的三角瓶,装有1/5体积的种子液培养基,接种种子液2 ~ 3 ml。温度和转速同(2),培养时间比(2)长1 ~ 2 d。

2.3.4大罐发酵

液体体积为填充体的2/3,接种量为5%,罐压为0.5 kg/cm2,搅拌速度提高到原来的2倍,罐温同上。有时为了逐渐诱导产脂,可采用三级发酵的方法,使培养基的营养供给趋于逐渐增加碳源,减少氮源,增加通气速率,pH值逐渐接近微生物合成油脂的最佳值。

2.4菌体收集

镜检后,将培养好的细菌用滤布(纱布、凉布)过滤,用蒸馏水洗涤三次,称湿,部分湿菌60℃烘干,称干,测定湿菌水分含量。当收集到大量细菌时,使用离心法。

2.5提油前的菌种预处理和菌油提取

微生物油脂存在于坚韧的细胞壁中,其中一部分以脂蛋白和脂多糖的形式存在,因此在油脂提取前必须对细菌进行预处理。预处理方法主要有四种:(1)干电池研磨法(用砂研磨细胞);(2)干菌稀盐酸* * *蒸煮法(* * *蒸煮使细胞分解便于取油);(3)菌株自溶(50℃保温2 ~ 3d);(4)细菌蛋白变性法(用乙醇或丙醇使结合蛋白变性)[10]。此外,还有使用高压均质、球磨、膨胀、高渗透压和其他处理来破裂细菌的方法。

用于提油的有机溶剂主要有乙醚、异丙醚、氯仿、乙醚-乙醇、石油醚、氯仿-甲醇等。萃取后,通过真空蒸馏回收溶剂。

3微生物油脂的定性分析

苏丹黑染色后,细菌内的脂肪颗粒呈蓝紫色或蓝灰色,而细菌呈红色。根据脂肪颗粒的大小,可以初步判断脂肪含量,也可以用来确定最佳产油时间[5]。

微生物油脂各项理化指标和质量指标的测定

采用AOCS法,分析指标主要包括以下几个方面:(1)折射率;(2)比重;(3)透明度;(4)嗅觉和味觉;(5)湿气;(6)酸值;(7)过氧化值;(8)碘的价格;(9)颜色;(10)2 80℃实验;(11)脂肪酸组成;(12)甘油三酯;(13)不皂化物。

5.利用微生物生产功能性油脂。

微生物通过细胞融合、细胞突变等手段,可以生产出比动植物油脂更符合人类需求的高营养油脂或由某些特定脂肪酸组成的油脂[27]。现描述如下:

5.1油酸和亚油酸

亚油酸是人体必需的脂肪酸,可通过δ 6脱氢酶的作用转化为人体所需的γ-亚麻酸。虽然这种油在植物中很常见,但只有红花油和葵花油的亚油酸含量在70%以上。据报道,以纤维素为碳源培养丝状真菌黄伞,产生的亚油酸含量高达71.8% ~ 76.3%[11]。国外有报道,利用解脂内孢菌工业化生产富含油酸和亚油酸的油脂。微生物油脂中油酸和亚油酸经常共存,可占总脂肪的65% ~ 78%,与很多植物油非常相似。此外,熔点、折光率、比重、酸值、过氧化值、皂化值、碘值等理化特性的分析结果也与植物油接近[9]。

对38株假丝酵母的全细胞脂肪酸分析表明,这些酵母菌的油酸含量为34% ~ 69%,亚油酸含量为5% ~ 34%,部分菌株的棕榈油酸含量为65,438+05.9% [2,3]。产油酵母红酵母合成的油脂。和丝孢酵母属。主要由油酸组成,脂肪酸组成类似于普通植物油中的橄榄油和菜籽油[2,13]。

5.2γ-亚麻酸

GLA天然少量存在,只存在于乳脂和特殊野生植物的种子中。人体△ 6脱氢酶的存在和活性常受肥胖、癌症、病毒感染、衰老等健康营养因素的影响,使亚油酸不能转化为GLA,使PG(前列腺素)不能顺利合成,从而导致动脉硬化、血栓形成、糖尿病等。因此,富含GLA的油是一种保健油[6544

传统上,GLA主要从月见草的种子油中提取。Bernhard和Albercht于1948年首次从布氏根霉的菌丝体脂肪中鉴定出真菌CLA,其含量达到16%。Nugtern证明其结构与月见草籽油GLA相似。19年,64年的节目发现藻菌纲的菌株含有GLA,但不含α-亚麻酸。最近,日本Ona水泥公司生物工程实验室的Morio Hiramo和东京农业技术大学生物工程系的Yunki M iura培育了螺旋藻和小球藻。NKG4240产生GLA,其含量可达总脂肪酸的10% [15]。

在发酵生产GLA中,1985年,奥萨马·铃木等人利用被孢霉、被孢霉、拉曼被孢霉和小花被孢霉,以高浓度葡萄糖(60 ~ 400 g/L)为碳源进行发酵培养,菌体含油量达到35% ~ 70%,其中GLA占3% ~ 16544。1987年,龙一昆道用美国白蛾发酵生产GLA,GLA含量达到18%。英国使用爪哇镰孢菌,用小麦淀粉产生的葡萄糖作为发酵的培养基。产品经提纯达到食用标准,γ-三醋酸甘油酯含量高达65438±06%。约翰&;Starge有限公司产量达到100 t/a [4,26]。从1986开始,英国SSL by Factory of stur ge Biochemicals和日本光化学公司上市了微生物GLA产品,主要用于医药、保健食品、功能性饮料和高级化妆品[11]。

上海工业微生物研究所利用M102菌株在500L发酵罐中生产GLA,GLA含量达到8%。在1993中,南开大学生物系以被孢霉As3.3410为出发菌株,通过紫外诱变获得一株突变菌株。福建师范大学生物工程学院以被孢霉as 3.3141998为出发菌株,在1 0L发酵罐中发酵生产GLA,菌体得率为29.3%,含油量为44.7%,GLA含量为9.44%。经紫外线、硫酸二乙酯和亚硝基胍联合诱变后,在60m3发酵罐中进行三级发酵,该菌含油量高达79。2% [16].

5.3花生四烯酸

AA传统上来源于鱼油,但含量极低,一般低于0.2%(W/W)。AA和二十碳五烯酸(EPA)是花生四烯酸代谢的重要中间体,其在营养学和医学上的地位受到世界范围的关注,主要是因为二十碳五烯酸的代谢产物PG、TX和LT具有调节血管阻塞、血栓形成、伤口愈合、炎症和过敏等生理功能[1]。1990 Buranova等发现几种被孢霉能聚集二十碳三烯酸(DGLA)和AA,并在一定条件下产生EPA。20世纪80年代以来,GLA和AA含量较高的微生物油脂在日本、英国、法国、新西兰等国家投入工业化生产,AA发酵产品在日本和英国投放市场[17]。一株被孢霉。通过紫外诱变获得高产菌株,AA产量达到0.83 g/L..研究还指出,不同时间(3-5天)培养的菌丝体在室温下老化65438±05d,菌丝体总脂含量从65438±08% ~ 30%增加到36% ~ 465438±0%;菌丝体中AA含量从1.1% ~ 2.6%增加到2.6% ~ 3.7% [18]。

5.4二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)

天然EPA和DHA通常在海洋动物和海洋浮游植物中含量丰富。EPA和DHA属于ω-3多不饱和脂肪酸(PUFA),生理功能为:(1)防治动脉粥样硬化、血栓形成和高血压。(2)治疗哮喘、关节炎、周期性偏头痛、银屑病和肾炎。(3)治疗乳腺癌、前列腺癌和结肠癌。目前,ω-3 PUFA的商业来源是海鱼及其油。鱼油中ω-3 PUFA的组成和含量因鱼的种类、季节和地理位置而异。大多数鱼油为了提高其氧化稳定性,往往要经过氢化、调配等步骤,从而破坏EPA和DHA。

Shimizu等人在1988中提出高山被孢霉是EPA产生的潜在来源。当它在65438±02℃的低温下生长时,能积累65438±05%以上的EPA。破囊壶菌是一种海洋真菌,DHA含量为34%。许多海藻可以产生高EPA和DHA含量的油。金藻门、金藻门、蜡藻门、红藻门、褐藻门、绿藻门、隐藻门、真海鞘门的一些藻类都含有高EPA。甲藻中DHA含量较高,而甲藻中环甲藻中EPA和DHA含量较高[15]。

培养基的成分、通风、光照强度、温度和培养时间对EPA和DHA等PUFA的合成和积累起着重要作用。氮源的数量影响饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例。光照不足会增加ω-6脂肪酸的合成,抑制ω-3脂肪酸的合成,微生物PUFA的浓度在对数生长期结束时或稳定期开始时达到最大值。此外,利用基因工程选择菌株,可能会大大增加藻类和真菌生产EPA、DHA等PUFA的潜力,而且藻油中的EPA比鱼油具有更大的氧化稳定性,没有鱼油的气味和味道。

表3产生类可可脂化合物的微生物

细菌干生物量

Pc/g.l-1脂质含量

量/%脂肪酸组成/%1,3-二饱和和3-不饱和

和甘油酯含量/%

16∶0 18∶0 18∶1

红酵母

(圆红孢子虫)12.8 59.8 25.0 12.7 46.4 47.9

亮红酵母8.0 35.8 29.8 11.8 35.5 32.8

解脂内孢菌8.5 10.4 25.1 12.3 47.1 30.6

酒状被孢霉5.0 33.7 27.9 12.7 48.0

被孢霉4.5 565 438+0.3 25.1.1.16.6 44.4

被孢霉属

鳗鲡)3.2 13.4 28.1 16.6 40.8

5.5长链二元酸

长链二元酸广泛用于工业,是生产聚合物、粉末涂料、增塑剂、润滑油、香料和农药的原料和中间体。C10以下的短链二元羧酸在自然界中广泛存在,合成起来比较容易,而C11以上的长链二元羧酸几乎不存在,合成起来比较困难。许多微生物可以通过发酵获得C11 ~ C18饱和及不饱和二元酸,其中以日本的应用最为广泛,并取得了良好的效果。

5.6角鲨烯

角鲨烯资源也非常匮乏,主要存在于深海鲸鱼和鲨鱼的肝脏油中,橄榄油和米糠油的含量也很高。角鲨烯在油中有抗氧化作用,但完全氧化后成为氧促进剂。它的氢化物是钟表等精密机械的优良化妆品基质和润滑剂。以癸烷为碳源,深黄被孢霉发酵油脂中角鲨烯含量可达50 mg/L

5.7代可可脂

可可脂是世界上最有价值的油之一。天然可可脂是从可可豆中通过清洗、去皮和水力提取获得的。其甘油三酯组成为POS52%,SOS19%,POP6%。天然可可脂具有风味好、不易被脂肪分解酶氧化分解、加工粘度适宜、易脱模等特点。,已经成为制作巧克力不可或缺的油脂成分。由于天然可可脂的短缺及其高昂的价格,出现了多种类可可脂和可可脂替代品。微生物制备可可脂包括两个方面:(1)利用微生物酶作为催化剂,催化油脂的酯交换反应,达到可可脂所需的甘油三酯组成。用这种方法可以制备类可可脂。(2)培养微生物菌株以生产具有接近可可脂的物理和化学性质或甘油三酯组成的类可可脂和可可脂替代品。

莫斯科工业研究所对纤细红酵母K-76和球形红酵母L-103生产油脂的研究表明,2位带有油酸的甘油三酯的产率很高,分离得到的油脂的理化性质与可可脂、橄榄油和棉籽油相似。可可脂及其替代品是由属于假丝酵母、类酵母和红酵母的14个酵母品种在荷兰生产的。经过N-甲基-N-亚硝基胍诱变,获得高产菌株。培养后含油量达到30%,95%的甘油三酯有P 37.6%,S 14.3%,O 37。在加拿大,酵母在脱蛋白乳清中培养,通过添加所需晶型得到甘油三酯组成和含量与可可脂相似的类可可脂产品,无需分离即可上市,产品均一稳定[22]。

微生物合成可可脂的研究在日本最多。在一项专利中,将乳酸菌和双歧杆菌接种到由油脂、发酵奶粉和糖制成的混合物中,并按比例添加全脂奶粉、蔗糖、乳糖、磷脂、香料、柠檬酸和天然色素。在低于45℃的温度下发酵后,通过感官检查,所得产品尝起来像酸奶,可以替代可可脂用于食品中[23]。

还有一项专利是在摇瓶中培养一种对芥酸及其衍生物敏感的假丝酵母。培养后测定假丝酵母的甘油三酯组成为18.6%,POS为39.0%,SOS为14.6%,可作为可可脂使用[24]。另一项专利利用被孢霉生产可可脂替代品,效果也非常显著[25]。

综上所述,微生物功能性油脂的研究是21世纪的发展方向,这将使油脂工业的范围更广,也将使微生物应用到更广泛、更重要的领域。

作者简介:董欣荣:女,1973出生,硕士。

作者:郑州粮食学院生物工程系,郑州450052。

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收到日期:1999-06-25