1、本科毕业论文 文献综述 环境科学 微生物油脂的资源化利用现状与发展前景 摘要： 微生物油脂又称单细胞油脂，组成上和植物油类似，是一种新的油脂资源，近年来是许多科学家的研究热点。 本文 根据国内外报道 阐述微生物油脂特点、组成 等内容 ，着重对微生物油脂在食品、医药、生物柴油等方面的 资源化利用现状进行了分析，并对微生物油脂的发展前景进行展望。 关键 词 ： 微生物油脂；资源化利用；发展前景 近年来，随着社会工业进程的推进和人口的剧增，全球油脂资源供应也是十分紧张， 所以 科学家们不得不积极开发替代化石燃料的可再生新能源，如生物柴油 （ 脂肪酸甲酯 ） 就是一种具有很大发展潜力的可再生清洁能源
2、1-3。 目前，无论是食用油脂，还是生物柴油原料油脂的主要来源仍然是植物和动物脂肪，但是从动植物体内提取脂肪已经不能完全满足人们日常生活对油脂的需求 4。所以对微生物油脂这一新的油脂资源的开发和研究，不仅丰富了传统的油脂工业技术，而且也将是工业化生产油脂的一个重要途径 5,6。 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 7。产脂菌株分为四类 ，包括 细菌、霉菌、酵母菌、藻类 8-11。其中以 对酵母菌和丝状霉菌的研究居多 12-14。 1 微生物油脂 微生物油脂又称单细胞油脂，即微生物以碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂为碳、氮源，辅以
3、无机盐生产的油脂和另一些有商品价值的脂质 15。大部分微生物油脂的脂肪酸组成和一般植物油相近，以 C16 和 C18 系脂肪酸如油酸、棕榈酸、亚油酸和硬脂酸为主 16。 1.1 微生物油脂的特点 利用微生物生产油脂有许多特点，微生物细胞分裂快，生长周期短；微生物生长所需的营养来源广泛且低廉如淀粉、糖类等；微生物可以利用一些工业废水生产油脂，所以对环境起到一定的保护 作用。此外，生产微生物油脂所需成本低，不受季节、气候、地理等限制。并且可利用细胞融合、细胞诱变等高科技方法生产出更适合人类使用的油脂的菌株 2,4,17。 1.2 微生物油脂的组成 微生物油脂主要以两种形态存在，一种为结合态，是作为
4、细胞结构一部分的体质脂，它存在于细胞质中，且含量非常恒定。另一种为游离态，是脂肪粒或脂滴，它以 贮存脂形式 存在于细胞质中 17,18。 微生物油脂中甘油三酯占了较重的比例，大约为 95 。其他脂质不常见，如细菌合成的油脂聚酯、蜡、聚 - -羟丁酸等。 酵母和霉菌还可 产生 各种类胡萝卜 素、 甾醇、脂酰基鞘氨 醇类神经鞘脂及糖脂 。总之，微生物油脂 和植物油相类似，其脂肪主要成分是甘油三酸酯和游离脂肪酸，包含 C16和 C18 17,19。 2 微生物油脂的破碎与提取 提取产脂微生物中油脂采用何种细胞破碎技术是直接影响到油脂产率的关键因素之一 20。真菌尤其是霉菌具有坚韧的细胞壁，有一部分甚
5、至与蛋白质或糖类结合，难以分离，不能直接获得油脂或者只能获得少量油脂 21。 因此， 细胞破碎方法至关重要。 目前主要采用的细胞破碎方法有酸热法 22、超声波破碎法 23、反复冻融破碎法等。 如韩玉玺，于长青 利用超声辅助提取丝状真菌被孢霉中的油脂，研究表明超声波功率为 110W、时间为 40 分钟时油脂的提取率最高 24。 其次是油脂的提取， 微生物油脂的提取方法主要有索氏法、超临界 CO2 萃取法、酸热法和有机溶剂法。四种真菌油脂提取方法中最常用的是索氏法，该方法油脂得率最高，但是是最耗时的，且样品需先经烘干处理、样品的需要量也大。不过，在高产菌株的复筛条件优化时因其准确高效的特点可以采用
6、。 超临界 CO2萃取法是新一代化工分离技术，即 在 超临界状态 下，将超临界二氧化碳与待分离的物质接触，使其有选择性地把 极性 大小、 沸点 高低和分子量 大小的成分依次萃取出来。 它在常温条件下进行提取，可以有效防止热敏性物质的氧化和逸散，无溶剂残留，成本低且工艺简单、操作方便。因此此方法应用广泛，在真菌油脂提取中已有不少采用超临界 CO2萃取法的报道。比如李丽娜，于长青利用超临界 CO2萃取微生物油脂中 ARA25。王莉娟等人采用超临界二氧化碳法萃取丝状真菌油脂 26。此法提取效果较索氏法差，但是油脂的脂肪酸组成及含量相近且样品需要量小。 酸热法是参考胡萝卜素提取的方法而建立的一种方法
7、27。其原理是利用盐酸对菌体细胞进行处 理，使原本紧密的细胞变得疏松，然后再经沸水浴和冰浴进一步破坏细胞结构，最后用有机溶剂萃取出油脂。该方法操作简单、快速、样品不需要任何前处理，且单位时间可处理大量样品。 有机溶剂法最为简单，但是油脂提取效果最差，因为它的细胞破碎效果差，故提取油脂的能力就大大下降。不过在工业生产中，经过机械破碎后的菌体可以考虑采用有机溶剂浸提油脂。 微生物油脂的破碎与否对于微生物油脂的产率有着极大的影响，不同的破碎方法有不同的效果。另外，微生物油脂的提取包括了多种方法，索氏提取法应用最为普遍，超临界 CO2 萃取法成本低，操作简便 ，具有相当大的应用前景，而酸热法的油脂得率
8、高，有机溶剂法对于已破碎的菌体可方便提取。总之各种方法有各自的优点，可以根据不同优点采用不同的方法。 3 微生物油脂的开发利用 利用微生物生产油脂是一种新的油脂生产方法。半个世纪以来，科学家一直在努力研究微生物油脂如菌种筛选、改良及培养工艺的摸索。目前，微生物油脂在食品、医药、水产养殖和生物柴油原料等方面均有所涉及 28。 3.1 微生物油脂在食品中的开发利用 微生物油脂包含了亚麻酸（ GLA）、 a-亚麻酸（ LAL）、花生四烯酸（ ARA）、廿碳五烯酸（ EPA）及廿二 碳六烯酸（ DHA）等不饱和脂肪酸。其中 ARA和 DHA是大脑和神经系统不可缺少的营养物质， 研究发现喂养适量 ARA
9、 和 DHA 的婴儿的智商比没有用此喂养的婴儿的智商高 7 分 （ 贝蕾智力量表试 ） 29。一般，牛奶中或婴儿配方奶中不含有这两种脂肪酸 ， 因此在婴幼儿奶粉 中 适当添加有利于婴幼儿智力 和神经系统 的发 育 。 例如， 从 1994 年 迄今为止， 美国、加拿大、澳大利亚和英国及其他欧洲围家先后批准在孕婴食品中添加 ARA、 DHA30。我国也在 1994 年将 ARA 列为营养强化剂 ， 允许在婴幼儿配方食品中使用。 2010年 3月，我国卫生部批 准 ARA-SCO 和 DHA-SCO 为新资源食品，在符合相关要求条件下允许在婴幼儿食品巾使用 31。 可见，在婴幼儿奶粉中添加 DHA
10、和 ARA已基本被全世界所采纳， DHA和 ARA对婴幼儿智力的开发和神经系统的良好发育起到了重要作用。 微生物油脂是继植物油脂、动物油脂之后开发出来的又一人类食用油脂新资源。早在第一次世界大战期间，德国利用产脂内孢霉以解决当时的油源匮乏。而后在第二次世界大战前夕，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食用油。近几年，科学家研究发现微藻 富含 甘油三酯，且其甘油三酯的结构与 普通蔬菜油甘油三酯的结构类似，故可以作为食用油而满足人们对食用油脂的需要。 此外，微生物油脂在其他食品行业也有一定的价值。在糕点内添加适当的微生物油脂，有利于改善糕点的口感和质感，用富含亚油酸的微生物油脂
11、作为糕点的油脂来源，会对高血压、动脉硬化起到积极的预防效果。 不饱和脂肪酸油脂是人体的必须脂肪酸，它可以 预防心脏病和某些癌症 ，还是 人类大脑和神经系统不可缺少的营养物质 ，而这些脂肪酸原料主要来源于深海鱼油中，其稳定性差、且受季节、气候等影响，价格昂贵。如今，利用微生物生产油脂， 生产周期短，生产的油脂质量稳定， 精制成本低 。微生物油脂作为 食品强化剂、添加剂 对人体的 健康有着积极的影响 。正 因为微生物油脂 有如此多的优点 才能被广泛的应用在食品医疗保健行业 ， 所以应大力开发研究富含多不饱和脂肪酸的微生物。 3.2 微生物油脂在生物柴油中的开发利用 生物柴油是以生物体油脂为原料，通
12、过分解、酯化而得到的长链脂肪酸甲酯32，是一种可以替代普通柴油使用的环保、可再生能源。生物柴油的油脂原料来自植物油脂 （ 大豆油、玉米油、棕榈油等 ） 、动物油脂、微藻脂肪酸以及废弃食用油 （ 地沟油 ） 等。目前，世界主要生物柴油生产国都依据本国种植业特色，选 择不同原料制备生物柴油。欧盟、美国等国主要以菜籽油、大豆油以及芥末籽油为原料制备生物柴油，日本利用煎炸废油及牛油脂为原料生产生物柴油。韩国、印度、马来西亚等东南亚国家以棕榈油作为发展生物柴油的重要原料 33。我国目前主要是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和麻风树等油料木果实以及动物油脂、废餐饮油等为原料制备生物柴油。但是由于原材料本身特
13、点的局限性以及其较差的经济性，远不能满足经济发展所需的生物柴油量 34。 后来，科学家发现类似植物油 、低成本的 微生物 油脂 作为 发展和生产生物柴油 的原料具有相当高的可行性 。 利用 微生物油脂制备生物柴油中，微生物种类主要为酵母菌、霉菌、藻类，尤其以藻类的开发研究为热点。 藻类具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点 35，研究表明藻类是制备生物油燃料的良好材料36。 据报道， 我国清华大学缪晓玲博士利用正己烷从异养生长的小球藻细胞中提取获得了大量油脂。这些异养微藻油脂在 30 、醇油物质的量比为 56:1以及浓硫酸催化条件下经酯交换反应 4h可形成高质量的生物
14、柴油 37。 目前，利用藻类生产生物柴油正处于从实验室走向规模工业化生产的过渡阶段。一些科研机构和大型能源 公司开始把精力转向利用藻类来开发第二代生物燃料，并且一些大型项目正在向此方向进发，准备做大规模商业性投产。比如 2004年，美国启动了“微型曼哈顿计划”，由大量科研机构共同承担技术开发，大力支持以绿藻为原料生产生物柴油 38。 除此之外，利用酵母、霉菌生产生物柴油原料具有相当大的可行性。培养酵母、霉菌所需的营养来源广泛、成本低、对生长环境要求不高，且具有较高的产脂率。 由此看来， 利用微生物油脂生产生物柴油 具有广阔的前景。 最近美国国家可再生能源实验室 （ NREL） 报告 也 特别指
15、出 ， 微生物油脂发酵可能是生物柴油产业 和生物经济重要研究方向。产油微生物生产的生物柴油清洁、高效、可再生，不含石蜡，闪点高，燃烧性能和效率要高于普通柴油。此外，微生物还可以利用一些工业废水、废渣生产油脂，一定程度上保护了我们周边的环境同时在解决人类能源问题上也起到了一定的作用。 3.3 微生物油脂在医药方面的开发利用 微生物油脂包含多种不饱和脂肪酸，这些脂肪酸对人体的健康具有积极的作用。在医疗方面， 人体 会因 缺乏 PUFAs 产生某些疾病，或者说某些疾病伴随着PUFAs 的含量减少而产生，而 适当地 补充 PUFAs 则可治疗某些疾病。例如，在新生儿湿疹的治疗 中，给患处涂抹小麻油或红
16、花油 （ 含亚油酸 ） ，可很快见效，这是患儿缺乏 PUFAs所致 39。 除此之外，这些多不饱和脂肪酸还具有降低血脂、血清胆固醇， 治疗局部炎症 等作用，因而被制作成营养素类的保健品。比如 食用适量富含 PUFAs 微生物油脂，可明显降低高脂、高胆固醇血症患者血浆内的脂质和胆固醇水平，同时提高血浆内载脂蛋白 A（ apoA） 和高密度脂蛋白 （ HDL） 水平。 由此可见，微生物油脂在医药工业中主要表现为两方面，一方面是在医疗方面，它是作为一种治疗手段，在较短时间内达到效果。另一方面是作为保健品，它对人体起调节 、预防的作用。 3.4 微生物油脂在饲料、饵料中的开发利用 微生物油脂在饵料中有
17、所涉及。 ARA、 EPA和 DHA属于不饱和脂肪酸同时也是 水生动物卵巢中卵磷脂、精子中的磷脂酰乙醇胺以及卵母细胞等的主要组成成分，能够影响产卵率、卵径大小、孵化率及存活率等，能够维持细胞通透性，增强消化酶活性，从而促进水生动物的生长，还可以通过控制与免疫相关的酶活性以及类二十烷的产生而增强水生动物机体的免疫能力。例如， ARA可以通过调节皮质醇以及其他未知途径调节水生动物抵抗各种应激的能力。 微生物油脂在虾、蛋鸡的饲料添加剂新产品中 也有 涉及 。粗制品作为微生物饲料添加剂加入饲料中，可明显提高畜禽的消化吸收率，改善肉类和蛋的品质。在饲料工业中 利用 微生物油脂 不仅 成本低 、 对人体无
18、害 而且 又可以改善畜禽肉类的品质 。可见这种粗制品 正是人们所追求的安全添加剂。 总体而言，微生物油脂在食品、生物柴油、医药、饲料领域均起到了一定的作用。微生物油脂包含了各种脂肪酸，这些脂肪酸无论是作为食品添加剂还是作为药品、保健品，都对人体具有无可争议的益处。此外，微生物油脂因生产成本低、微生物生长周期短且受影响因素少，是生物柴油的理想原料。总之，微生物油脂的前景广泛，并 且将在人类各个方面占据越来越重要的地位，而我们也应该大力开发研究微生物油脂。 4 微生物油脂的研究方向与前景展望 随着科学技术的进步和生物科学的发展，微生物油脂的开 发技术也在不断的趋向成熟。如今，微生物油脂用于油脂的生
19、产已经成为现实，其开发研究方向包含了几个方面。比如继续 寻找或改良高产油脂菌种 ， 含油量稳定在 50以上且油脂转化率不低于 15 ； 优化微生物发酵产油脂工艺 ；大力 开发利用微生物油脂进行功能性油脂的生产 ；降低产油微生物培养成本，如利用廉价碳源等，促进微生物油脂产业化发展。 此外，我们应充分利用基因 工程、诱变育种和细胞工程等手段改造产油菌株，获得高油脂突变菌株。另外，我们应深入研究温度、 pH、碳源、氮源、碳氮比、无机盐等条件，以此降低成本，提高油脂产率。再者，继续优化油脂提取纯化技术，为微生物油脂工业化生产奠定基础。 在生物柴油方面，也存在许多的方向需要我们深入研究。比如，如今利用藻
20、类生产微生物油脂研究广泛。微藻既可以利用光能进行光合自养培养，可以直接利用有机物进行异养培养，也可以进行混合营养培养，然而异养生长方式生长效率和脂肪含量更高。而小球藻是一种可以通过改变其培养基的化学成分使其生长方式改变而进 行自养或异养的绿藻，由此产生的油脂所需成本低。由此可见，怎样改变培养基成分使小球藻生长方式发生变化将是一个新的研究方向。 目前，微生物油脂的发展前景十分广阔，在食品方面，除了被作为食品添加剂、强化剂销售外，还可以制成软胶囊形式，则附加值更高。还可进一步浓缩，甚至进一步分离成单离脂肪酸，其价格极为昂贵，可获得巨额利润。除此之外，微生物油脂还可以作为粉末涂料、可塑剂、润滑油、香
21、料和农药等生产的出发原料和精细化工中间体。 总之，微生物油脂的研究技术在不断地趋向成熟，而且将成为新世纪油脂工业的一个发展方向，使油脂行 业的加工范围更加广阔，并在促进人类保健方面、解决人类能源问题中将起着越来越重要的作用。 5 结语 微生物油脂是人类的又一新的油脂来源，是目前国内外学者的研究热点。本文首先对微生物油脂的概念进行阐述，分析微生物油脂的特点，以此表明微生物油脂的生产具有可行性而且很可能 是工业化生产油脂的一个重要途径 ，然后对微生物油脂的组成进行了概况。再介绍微生物油脂的破碎和提取方法，分析四种提取方法的优缺点。最后着重对微生物油脂在食品、生物柴油、医药、饲料方面的资源化利用进行
22、综述和展望。 总之，微生物油脂生长周期短，营养来源广泛且 低廉，生产成本低，可以治疗和预防一些疾病，可以为生物柴油提供原料等等。可见，微生物油脂生产将在人类食品、保健和能源方面占据越来越重要的地位。 参考文献 1 朱建良 ,张冠杰 .国内外生物柴油研究生产现状及发展趋势 J.化工 报 刊 ,2004,18(1):23-27. 2 易绍金 ,郑义平 .产油微生物的研究及其应用 J.中外能源 ,2006,11(2):90-94. 3 Gemma Vicente, L. Fernando Bautista.Biodiesel production from biomass of an oleagin
23、ous fungusJ. Biochemical Engineering Journal,2009(48):22-27. 4 薛飞燕 ,张 栩 ,谭天伟 .微生物油脂的研究进展及展望 J.生物加工过程 ,2005,3(1):23-27. 5 颜 治 ,陈 晶 .微生物油脂及其开发利用研究进展 J.油脂工程 ,2004(3):43-45. 6 薛照辉 ,吴谋成 .微生物油脂进展 J.山西食品工业 ,2002(2):10-11. 7 C Ratledge,JP Wynn.The biochemistry and molecular biology of lipiaccumulation in ol
24、eaginous Microrg anismsJ.Adv Appl Microbiol,2002, 51:1-51. 8 易绍金 ,郑义平 .产油微生物的研究及其应用 J.中外能源 ,2006,11(2):90-94. 9 耿青伟 ,吴开云 ,平秀敏 .利用深黄被孢霉发酵生产油脂的初步研究 J.林业科学研究 , 2010,23(3):336-341. 10 王 敏 ,李市场 ,刘红霞等 .黏红酵母 Rhodotorula glutinis微生物油脂提取工艺研究 J. 中国粮油学报 ,2010,25(6):71-75. 11 宋东辉 ,侯李君 ,施定基 .生物柴油原料资源高油脂微藻的开发利用 J
25、.生物工程学报 ,2008, 24(3):341-348. 12 Li YH,Zhao ZB,Bai FW.High-density cultivation of oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides Y4 in fed-batch cultureJ.Enzyme Microb Technol ,2007,41:312-317. 13 Fakas S, Papanikolaou S, Batsos A, et al. Evaluating renewable carbon sources as substrate for single cell
26、oil production by Cunninghamella echinulata and Mortierella isabellinaJ.Biomass Bioenergy,2009,33:573-580. 14 Dai CC, Tao J, Xie F, et al. Biodiesel generation from oleaginous yeast Rhodotorula glutinis with xylose assimilating capacityJ.Afri J Biotechnol, 2007, 6(18): 2130-2134. 15 咸 漠 ,葛晓萍 .产脂微生物的
27、研究进展 J.青岛化工学院学报 ,2002,23(4):23-26. 16 刘宏娟 ,张建 安 ,墨玉欣等 .利用微生物油脂制备生物柴油 J.化学反应工程与工艺 ,2008,24(3):263-267. 17 董文宾 ,梁西爱 ,代春吉 .微生物油脂及其新的应用研究 J.粮油加工与食品机械 ,2006(3):54-55. 18董欣荣 ,曹 建 ,赵 斌等 .几种真菌油脂的检测与提取 J.郑州工程学院学报 ,2002,23(1):14-18. 19 Chhetri, A.B., Tango, M.S., et al.Non-edible plant oils as new sources for
28、 biodiesel production J.2008(9):169-180. 20 孙晓璐 ,孙玉梅 ,曹 芳等 .对产油脂酵母的细胞破碎方法及油脂提取效果的比较 J.河南工业大学学报 (自然科学版 ),2007,28(4):67-69. 21 李元森 ,刘建军 ,赵祥颖 .真菌发酵生产保健油脂的研究进展 J.食品研究与开发 ,2009, 30(1):162-164. 22 孔凡敏 ,赵祥颖 ,田延军等 .酸热法提取酵母油脂条件的研究 J.中国酿造 ,2010(5):143-146. 23 万国福 ,谷 绒 ,唐会 英等 .超声波处理在果胶提取工艺中的应用 J.食品研究发 ,2006(7)
29、:115-119. 24 韩玉玺 ,于长青 .超声辅助提取丝状真菌被孢霉中油脂的工艺研究 J.农产品加工 ,2011(1):51-53. 25 李丽娜 ,于长青 .超临界 CO2 萃取微生物油脂中 ARA工艺条件的优化 J.中国粮油学报 ,2010,25(3):59-64. 26 王莉娟 ,王卫卫 .超临界二氧化碳法萃取丝状真菌油脂 J.微生物学杂志 ,2009,29(5):95-99. 27 杨文 ,吉春明 .一种简单的胞壁破碎方法 ,微生 物学通报 , 1995, 22(1). 28 MIAO Xiaoling,WU Qingyu.Biodiesel production from het
30、emtrophie mieroalgal oilJ.Bioresour Technol,2006,97(6):841-846. 29 董文宾 ,梁西爱 ,代春吉等 .微生物油脂及其新的应用研究 J. 粮食加工与食品机械 ,2006(3):54-56. 30 金青哲 ,王兴国 .几种重要微生物油脂在食品及饲料工业中的应用 J.中国油脂 ,2011,36(2):48-51. 31 中华人民共和国卫生部 2010年第 3号 ， 关于批准 DHA藻油、棉籽低聚糖等 7种物品为新资源食品及其他相关规定的公告 S. 32 贾虎森 ,许亦农 .生物柴油利用概况及其在中国的发展思路 J.植物生态学报 ,200
31、6,30(2):221-226. 33 Demirbas A.Progress and recent trends in biodiesel fuelsJ.Energ Convers Manage, 2009,50(1):14-34. 34 Feiyan Xue, Bin Gao, Yongqiang Zhu, Xu Zhang, Wei Feng, Tianwei Tan.Pilot-scale production of microbial lipid using starch wastewater as raw materialJ. Bioresource Technology,2010
32、(101):6092-6095. 35 许海朋 ,张晓东 , 张杰等 . 利用微藻生产生物柴油的研究进展 J. 现代化工 ,2008,28(10):18-21. 36 Hossain ABMS, Salleh A, Boyce AN, et al. Biodiesel fuel production from algae as renewable energyJ. Am J Biochem Biotechnol, 2008,4(3): 250-253. 37 缪晓玲 ,吴庆余 .藻类异养转化制备生物油燃料技术 J.可再生能源 ,2004(4):41-43. 38 王 萌 ,陈章和 .藻 类生物柴油研究现状与展望 J.生命科学 ,2011,23(1):121-126. 39 Qiang Li, WeiDu, DehuaLiu. Perspectives of microbial oils for biodiesel productionJ. Appl Microbiol Biotechnol,2008, 80: 749-756.
