您好,歡迎來到中國油脂網 !

登錄| 注冊| 我的訂單| 我的購物車(0)| 幫助中心
微信公眾號

029-88626849

生物技術在油脂行業的應用—陳洪濤 第二屆中國油脂與健康高級論壇

發布日期:2019-01-28 中國油脂網

 陳洪濤1王力清2甄成3李燕杰3周勇2楊天奎1
 
(1大連理工大學生命科學與技術學院大連116024;2廣東產品質量監督檢驗研究院佛山528300;3遼寧晟麥實業股份有限公司本溪117004)
 
摘要:本文綜述了生物技術在油脂加工及廢棄物處理、微生物油脂、昆蟲油脂、油脂檢測方面的應用,并根據綜述,提出了其中存在的一些問題及展望。
 
關鍵詞:生物技術、油脂行業、應用
 
作者簡介:陳洪濤,(1976-),男,在讀博士,主要從事油脂及相關產品開發工作
 
通訊作者:楊天奎,男,教授,博士生導師,(Email)[email protected]
 
生物技術主要包括酶工程、發酵工程、細胞工程、組織培養技術和基因工程技術等,已廣泛地應用于糧油食品加工的許多領域,生物技術將成為糧油食品工業中的重要組成部分。
 
一、生物技術在油脂加工中的應用
 
傳統的油脂加工工藝一般包括:油脂提取(機榨或浸出)、脫膠、脫酸、脫色、脫臭、脫蠟等。現在生物技術在油脂加工中的應用也越來越廣泛,并且逐漸擴展到結構脂生產、濃縮脂肪酸生產等。
 
1、在油料預處理及油脂提取中的應用
 
利用復合纖維素酶處理植物組織,可以降解植物細胞壁的纖維素骨架,崩潰植物細胞壁,使植物細胞內有效成分充分游離,提高細胞內物質的提取率。Sosulski等[1]對Canola菜籽進行酶解處理后,再用己烷浸出可明顯縮短時間,提高出油率。對Canola菜籽進行酶處理再壓榨,未經酶處理的油料壓榨出油率僅72%,經過酶處理后可達90%~93%。王瑛瑤等[2]進行了水酶法提取花生蛋白質和花生油的研究。這些研究為水酶法應用于同時進行油脂和蛋白質的分離作了理論上和實踐上的嘗試。
 
RuchiGaur等[3]采使用商業化酶Protizyme™處理后,用三相萃取方法提取了芒果仁、大豆、米糠中的油脂,提取率可以分別達到79%,98%和86%(w/w)。與現有的溶劑浸出提油的方法相比,提取速度更快,而且使用的溶劑比常用的正己烷的毒性小。
 
酶法提油根據不同類型的工藝還具有縮短提油時間,提高設備利用率;提高油脂質量及粕的利用價值;減少浸出溶劑用量,降低溶劑消耗等特點[4]。
 
2、酶法脫膠
 
酶法脫膠是利用磷脂酶將毛油中的非水化磷脂水解掉一個脂肪酸,生成具有良好親水性的溶血性磷脂,可以方便地利用水化的方法除去。目前,用于酶法脫膠的酶主要有磷脂酶A1和磷脂酶A2兩種。Novozymes公司先后推出了兩種實現產業化生產的磷脂酶A1:LecitaseNovo和LecitaseUltra。研究結果表明,對于初始含磷量為150.6mg/kg的菜籽油,經過LecitaseUltra的作用磷含量可降至10mg/kg以下[5]。楊博等[6]人利用LecitaseNovo對大豆油進行脫膠處理后,毛油中的含磷量低于8mg/kg。
 
3、酶法脫酸
 
在食用油脂精煉工藝中,由于毛油中通常含有較高的游離脂肪酸(FFA),故需采取措施進行脫酸以提高油脂品質。通常采用的脫酸方法有化學堿煉法和物理精煉法。近10年來,一種高新技術--生物精煉(酶促酯化),主要包括酶促FFA酯化,應用于高酸值油脂的脫酸,已引起了有關學者的關注。從煉耗和油品質量出發來考慮,生物精煉與常規的堿煉、脫色、脫臭工藝結合或與物理精煉工藝結合起來應用,是處理高酸值油的一種潛在技術[7,8]。
 
4、酶法脫色
 
一些油脂的脫色要求較高,要求無色,一般方法不能達到此目的。而酶與色素直接作用,從而脫去油脂顏色,同時又容易和油脂分離。將生物酶應用于油脂的脫色,既有利于環保也有利于操作。脂肪氧合酶(LOX)對色素有漂白作用可使β-胡蘿卜素和葉黃素這樣的色素共同氧化,對葉綠素也有漂白作用[9]。
 
5、酶法生產單甘酯和甘二酯
 
甘油單酯是一種重要的表面活性劑,目前主要以天然油脂的甘油解反應的化學法生產,該工藝在超過200℃的高溫下進行,以堿為催化劑進行反應,產物為單甘酯和二甘酯(各占45%)。但化學法生產具有以下缺點:①高溫條件下反應,能耗高;②高溫導致油脂降解,產生焦糊味和深褐色。
 
日本與德國在20世紀90年代分別開發了酶法生產單甘酯的新工藝,其產率達到80%,目前已經大規模生產。利用酶法生產單甘酯與化學方法相比,其專一性高,可大大簡化產物分離提取工藝,減少生產成本。我國譚天偉等人[10]對此也進行了研究,他們利用固定化脂肪酶反應器中催化制備單甘酯,轉化率可以達到76%。
 
6、酶法酯交換生產結構脂
 
結構脂即指甘三酯通過結合新的脂肪酸,改變脂肪酸的位置或分布而重新構建的脂質,具有各組成脂肪酸的特性,可增強其在食品、營養和治療方面的功能。結構脂的生產方法主要有化學法和酶法。化學法生產結構脂存在很多缺點,如反應溫度較高,脂肪酸消耗量大等,此外化學法只能得到隨機插入的混合甘三酯,并易生成副產物。在酶法生產過程中,由于脂肪酶具有位置和立體專一性,其產物的化學組成和結構較化學法得到的更具有可預測性,且更易純化,同時反應產生的副產物較少,有益環保。
 
ShimadaY等[11]研究了將德氏根霉(Rhizopusdelemar)脂肪酶固定在陶器載體上,用于各種油脂和辛酸的酸解反應,研究發現,為了增加辛酸的插入率,將收集得到的甘三酯與后面循環中的辛酸進行反應,循環幾次之后發現,位于1,3-位的脂肪酸可被完全取代,而2-位的脂肪酸幾乎保持不變,終產物純度較高。
 
此外,SoumanouMM等[12]和SchmiU[13]等研究出兩步合成1,3-二辛酸-2-油酸甘三酯的方法。第一步,在1,3-位置特異性脂肪酶的作用下,將純的三油酸甘油酯脫酰基得到2-油酸單甘酯,再通過低溫結晶將其分離;第二步,2-油酸單甘酯在特異性脂肪酶催化作用下與辛酸重新酯化,得到目的產物1,3-二辛酸-2-油酸甘三酯,該方法的關鍵在于抑制酰基轉移的發生。
 
M.V.Reshma等[14]采用固定化的1,3位脂肪酶催化棕櫚硬脂和米糠油混合物進行酯交換,得到零反式脂肪酸的起酥油。而常規的起酥油生產工藝是將植物油進行部分氫化,導致產生較多反式脂肪酸。酶法生產的起酥油具有更好的安全性。
 
由于酶法合成結構脂仍存在著酶價格較高、酶利用率低、酶本身穩定性差及易受干擾等問題,結構脂的酶法生產技術仍需進行深入研究。目前尚需進一步確定結構脂對免疫系統的影響,明確結構脂在體內的代謝過程,發展結構脂的生產技術,拓展結構脂的應用領域[15]。
 
7、油脂酶催化生產脂肪酸
 
將油脂與水一起在催化劑作用下生成脂肪酸和甘油的反應叫油脂水解反應,它在脂肪酸與肥皂工業上廣泛應用。傳統的油脂水解反應使用無機酸、堿及金屬氧化物等化學物質作為催化劑,需要高溫、中高壓、長時間及設備耐腐蝕的條件,其成本高、能耗大、操作安全性差,而且產物脂肪酸顏色深或發生熱聚合,不適用于熱敏性油脂,如含共軛酸的油脂、易發生共軛化的油脂、易發生脫水的含羥基酸的油脂或含高不飽和脂肪酸的油脂及魚油等。而以生物酶作催化劑的酶促水解則正好克服上述缺點,而且可以具有選擇性,因此有利于減少副反應、提高目標產品脂肪酸的質量和收率[16]。
 
8、酶法富集不飽和脂肪酸
 
酶法富集多不飽和脂肪酸主要是利用多數脂肪酶對長碳鏈的多不飽和脂肪酸的作用性弱的特點。富集方法有:
 
1)兩步酶法。第一步用對脂肪酸專一性差的脂肪酶將含PUFA的油脂完全水解,第二步用對PUFA催化性弱的脂肪酶催化承解液中非PUFA的游離脂肪酸酯化,再分離,來獲得富含PUFA的脂肪酸。YShimada等用單胞菌脂肪酶水解含GLA22.2%的黑加倉籽油。再用代氏根霉脂肪酶催化水解溶液中脂肪酸與月桂醇酯化反應,可使游離脂肪酸中GLA的純度提高到70%,二次酯化可進一步將其純度提高到93%[17]。
 
2)對含PUFA的油脂進行進擇性水解,減少甘油酯中非PUFA的脂肪酸含量,從而得到富含PUFA的甘油酯。這一方法也被用于對蘇子油和月見草籽油中的ALA和GLA的富集[18]。
 
二、微生物油脂
 
微生物油脂除主要含有甘油三脂外,與一般植物油脂相比,還含有較多量其它脂質成分。目前對微生物油脂研究和開發主要集中在利用微生物生產高附加值的特殊用途功能性油脂方面。利用微生物可生產含各種類型脂肪酸油脂,有單不飽和脂肪酸,如棕櫚油酸、油酸等;多不飽和脂肪酸,如亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸(AA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等;這些具有特殊生物功能和特殊用途的功能性油脂在促進人類健康方面具有越來越重要作用[19,20]。更重要的是微生物油脂生物安全性好,更有利于健康,這一點可抵消其價格略高缺陷。
 
γ-亞麻酸(γ-linolenicacid,GLA)、AA含量高的微生物相繼在日本、英國、法國、新西蘭等國投入工業化生產,日本、英國已有AA發酵產品投入市場。20紀90代以來,開發利用微生物進行功能性油脂生產已成為一大熱點,如利用深黃被孢霉進行GLA生產,及利用微生物培養生產EPA、DHA等營養價值高,且具有特殊保健功能的油脂研究[21]。
 
我國在這方面起步較晚,武漢烯王生物工程有限公司曾于2000年引進中國科學院等離子體物理研究所的花生四烯酸高產菌發酵技術,在50t罐生產時,花生四烯酸含量在50%以上,干菌體得率超過3%,總油脂超過30%[22]。
 
利用微生物生產油脂具有很多優點[23]:微生物細胞生長繁殖快、生產周期短、代謝活動旺盛、易于培養;生長所需原料豐富,價格便宜,如淀粉和糖類,還可利用食品工業和造紙行業廢棄物,如廢糖蜜、木材糖化液等,而減少環境污染。用微生物發酵生產油脂,比傳統農業生產油脂所需勞動力少,且不受季節和氣候變化影響,能連續大規模生產,這些優點為微生物油脂生產提供廣闊前景。同時,由于天然AA、EPA、DHA多富集于海洋動物油脂中,資源十分有限;且多不飽和脂肪酸具多種生理功能,其產品具有相當高經濟價值。
 
三、昆蟲油脂
 
昆蟲的脂肪含量非常豐富,如JulietaRamosE博士對墨西哥86種食用昆蟲的營養成分分析表明昆蟲脂肪(干體)的平均含量為26.77±16.04%[24]。諸多研究結果顯示:昆蟲干體的脂肪含量一般在10%以上,許多昆蟲的脂肪含量達30%,有的甚至高達77%。
 
昆蟲不僅脂肪含量豐富,而且其脂肪酸組成也相當理想,許多昆蟲含有大量的不飽和脂肪酸,比如亞油酸和α-亞麻酸[25]。研究表明[26],一些昆蟲油脂,如黃粉蟲幼蟲、家蟋雌成蟲、家蠶雄蛹、家蠅幼蟲等的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的比例趨近于當今營養學家們推薦的人體食用脂肪酸最佳比例標準,可作為天然的優質營養保健調和食用油。
 
另外,在昆蟲油脂中含有磷脂和一些脂溶性維生素等天然活性產物。從已報道的幾種食用昆蟲體內富含有胡蘿卜素,維生素A、D、E、K等,這些天然活性產物均具有極為重要的生理作用。
 
昆蟲油脂中存在著自然界較為少見的奇數碳脂肪酸,其中以十五碳酸、十七碳酸較為多見。白蟻成蟲、家蠅幼蟲、家蠅成蟲、螞蝗中十七碳酸(17:0)比例均達到2%以上。研究表明,奇數碳脂肪酸具有獨特的生理活性功能,特別是發現它們具有較強的抗癌活性。因此,一些研究者對昆蟲油脂中奇數碳脂肪酸的富集及分離提取產生了濃厚的興趣。
 
四、生物技術處理含油脂廢水
 
油脂廢水是一種重要的水污染源。傳統的廢水處理方法投資大、流程復雜,且存在二次污染的可能,微生物能將油脂作為生長的碳源和能源物質利用,從而消除油脂污染,因此對油脂廢水進行微生物處理,操作簡便,費用低廉,特別是不產生二次污染,備受人們關注。
 
生物處理的關鍵是菌種的選育,如采用誘變育種、雜交育種、原生質體融合、基因工程等技術。高效菌株的篩選通常是在實驗室中對降解油脂的微生物菌種進行人工分離,篩選出其中降解能力強的高效菌株,然后進行快速培育增殖,這是當前選育高效降解廢水中油脂微生物的研究熱點。K.Vijayaraghavan等[27]采用基于活性污泥的好氧方法處理棕櫚油廠污水,得到了較好的效果。
 
五、生物技術處理油脂脫色廢白土
 
用微生物處理廢白土可充分利用資源且不會造成二次污染,是處理廢白土的理想方法。Park等人[28]將含有40%棕櫚油的脫色廢白土用作絲狀真菌的培養基生產核黃素。研究結果表明,不經過脫油的脫色廢白土直接作為絲狀真菌的培養基,所產核黃素的濃度是以純棕櫚油為培養基的1.5倍;且80%的油都被真菌所利用,脫色廢白土的顏色也由最初的黑色逐漸變為黃色。劉紹等[29]人用微生物處理廢白土的研究發現,根霉、米曲霉、酵母菌、毛霉均能分解廢白土中的油脂,其中毛霉分解效果最好,在最佳條件下經過96h處理,可使廢白土含油率從29.46%降低至3.67%。
 
六、生物技術在油脂檢測中的應用
 
1、油脂中轉基因成分檢測
 
現在國內市場上的大豆油大部分都是從國外進口的轉基因大豆加工而成的。而現在對于轉基因食品的安全性還沒有一致的看法。我國的國家標準也要求使用轉基因原料的油脂要在標簽上進行標注。而轉基因成分檢測就是使用PCR技術對油脂中的殘留DNA片段進行擴增之后進行定性。
 
2、酶聯免疫檢測技術
 
如花生油中黃曲霉毒素的檢測,利用具有高度專一性的單克隆抗體或多克隆抗體設計的黃曲霉毒素的免疫分析方法:將已知抗原吸附在固態載體表面,洗除未吸附抗原,加入一定量抗體與待測樣品(含有抗原)提取液的混合液,競爭培養后,在固相載體表面形成抗原抗體復合物。洗除多余抗體成分,然后加入酶標記的抗球蛋白的第二抗體結合物,與吸附在固體表面的抗原抗體結合物相結合,再加入酶底物,在酶的催化作用下,底物發生降解反應,產生有色物質,通過酶標檢測儀測出酶底物的降解量,從而推知被測樣品中的抗原量。
 
七、生物技術在油脂行業應用中存在的問題
 
1、微生物油脂方面存在的問題
 
隨著生物科學技術的發展,微生物油脂的研究將逐步走向成熟,尤其是根據各種產油微生物的培養條件及產油機理,研究微生物混合培養生產油脂,開發利用微生物油脂進行功能性油脂的生產,利用工業(特別是食品工業的)廢水及廢氣進行微生物培養生產油脂,利用微生物油脂為生物柴油提供原料油脂等方面的研究具有廣闊的應用前景。但是需要繼續研究微生物油脂提取純化技術,為微生物油脂大規模工業化生產打下基礎。
 
2、酶輔助提取油脂方面存在的問題
 
縱觀國內外的研究可以發現,許多文獻中都提到了復合酶可以提高提油效果,卻沒有涉及各組成酶的具體比例,如何確定各酶的最佳比例,以達到提高出油率和降低酶成本的雙重目的,還有待研究。雖然酶的造價不斷降低,但酶的成本相對于油脂行業來說仍然較高,現今的酶解工藝都是在酶解結束后通過鈍化酶達到使酶失活的目的,這無疑是一種資源的浪費,如何回收酶以降低生產成本也成為能否推動水酶法工藝向前發展的關鍵問題。
 
3、酶法精煉的問題
 
酶作為生物催化劑具有高效性、高選擇性、反應條件溫和等優點,被公認為對環境無害綠色催化劑。將酶技術應用到油脂精煉工業中,將很大程度上解決環境污染問題。現隨生物工程、基因工程和固定化酶技術不斷進步,已部分解決了酶源不足、酶使用成本高、穩定性差和易失活等問題,為酶在油脂工業中利用鋪平了道路。因此,酶技術在油脂工業生產中將有廣闊應用前景,代表未來油脂工業發展方向。
 
4、酶促酯交換的問題
 
利用脂肪酶催化交酯化改變油脂的結構,不僅提高了低質油脂的價值,而且改善了脂質的營養和功能性質。但由于脂肪酶價值昂貴,生產成本高,還沒有在工業化大生產中得到推廣。因此,在今后的研究中,一方面通過不斷選育優質菌種及選擇合適的酶固定化技術,提高脂肪酶活力和穩定性,促進構造脂質的合成效率,另一方面,選擇適宜的反應器和分離手段,降低成本,生產更多的改性油脂以滿足人們日益增長的營養需求。
 
八、生物技術在油脂中的應用展望
 
生物技術的快速發展將改變油脂行業傳統的生產模式,提高生產效率。生物技術在油脂中的大量應用,使原來比較惡劣的生產條件變得比較溫和,可以減少或避免反式脂肪酸等的生成,在油脂安全方面也具有很大的用武之地,生物技術在油脂工業中必將會有更為光明的未來。
 
參考文獻
[1] SOSULSKI K,SOSULSKI F  W. Enzyme-aided vs two stage processing of Canola technology,product quality and cost evaluation[J]. J Am Oil Chem Soc,1993,70(9):825-829.
[2]王瑛瑤,王璋,許時嬰.水酶法從花生中提取油和水解蛋白[J].中國糧油學報,2004,19(5):59-63.
[3] Ruchi Gaur, Aparna Sharma, S.K. Khare,et al. A novel process for extraction of edible oils Enzyme assisted three phase partitioning (EATPP)[J]. Bioresource Technology, 2007, 98:696–699.
[4] Shabtm Y,Gotshal M.,Ramut O.,et al.Enzymatic pretreatment of jojobaseeds to facilitate oil extraction[J].Indian Journal of Chemical Technology,1998(5):124-130.
[5]楊繼國,楊博,李秋生,等.新型磷脂酶Lecitase Ultra用于菜籽油脫膠的研究[ J ].中國油脂,2003,28(12):31-34. 
[6] 楊博,楊繼國,孟慶博,等.Lecitase Novo用于大豆油脫膠的研究[J].中國油脂,2003,28(9):31-34.
[7]Wendy M. Willis and Alejandro G. Marangoni .Assessment of lipase and chemically catalyzed lipid modification strategies for the production of structured lipids[J].Journal of the American Oil Chemists' Society,1999,76(4):443-450. 
[8] XUEBING XU ; FOMUSO Lydia B. ; AKOH Casimir C. Modification of menhaden oil by enzymatic acidolysis to produce Structured lipids : Optimization by response surface design in a packed bed reactor [J],Journal of the American Oil Chemists' Society.2000,77(2):171-176.
[9] R.菲尼馬(王璋等譯).食品化學[M].[美]:中國輕工業出版社.2003:408-410.
[10] 譚天偉,鹿長榮.生物化工現狀及發展趨勢[J].現代化工,2001,21(1):11-15.
[11] Shimada Y,Sugihara A,Nakano H,et al.Fatty acid specificity of rhizopus delemar lipase in acidolysis[J].Journal of fermentation and bioengineering,1997,83(4):321-327.
[12] Soumanou M M,Bornscheuer U T,Schmid R D.Two step enzymatic reaction for the synthetics of pure structured triacylglycedes[J].J.American Oil Chemists Society,1998,75(6):703-710).
[13]Schmi U,Bornscheuer U T,Soumanou M M,et al. Optimization of the reaction conditions in the lipase-catalyzed synthesis of structured triglycerides[J].J.American Oil Chemists Society,1998,75:1527-1531.
[14]M.V. Reshma, S.S. Saritha, C. Balachandran,et al. Lipase catalyzed interesteri?cation of palm stearin and rice bran oil blends for preparation of zero trans shortening with bioactive phytochemicals[J]. Bioresource Technology , 2008,99: 5011–5019.
[15]丁雙,楊江科,閆云君. 質構脂質的研究進展[J].糧食與食品工業,2007,14(1):9-12.
[16]吳秋明,葉興乾,吳丹,等.脂肪酶在食品工業中的應用[J].糧油加工與食品機械,2004,11:72-73.
[17]Y Shimada,A sugihara, et al,  Purification of γ-Linolenic Acid from Borage oil by a two step Enzymatic Method[J]. JAOCS,1997,74(11):1465-1470.
[18] 趙人俊. 月見草油γ-亞麻酸富集研究[J].中國糧油學報,1999,10(2):44-47.
[19] Erwin J,Bloch K.Biosynthesis of unsaturated fatty acids in microorganisms [J] . Science ,1964,143:1006-1012.
[20] Ward OP.Microbial production of long -chain polyunsaturated fatty acids[J].INFORM.,l995,6:683-688.
[21]薛飛燕,張栩等.微生物油脂的研究進展及展望[J].生物加工過程,2005,3(1):23-27. 
[22]薛照輝,吳謀成.微生物油脂進展[J].山西食品工業,2002,(2)10-11.
[23]蒲海燕,賀雅菲,劉春芬,等.微生物功能性油脂研究概況[J].糧食與油脂,2003(11):12-14.
[24]吳時敏, 裘愛泳. 昆蟲功能性脂質與油脂的開發[J].天然產物研究與開發,2000,13(1):52-55.
[25]劉曉庚,廖曉峰,許明生,等.昆蟲油脂及其功能性成分開發利用研究[J].糧食與油脂,2002,(2):24-27.
[26] 劉輝.昆蟲資源的開發與利用[J].飼料與畜牧,2003,(1):32-34.
[27] K. Vijayaraghavan, Desa Ahmad, Mohd Ezani Bin Abdul Aziz. Aerobic treatment of palm oil mill ef?uent[J]. Journal of Environmental Management ,2007 ,82: 24–31.
[28] PARK E Y,KATO A,MING H.Utilization of waste activated bleaching earth containing palm oil in riboflavin production by Ashbya gossypii[J].J Am Oil Chem Soc,2004,81(1):57-62. 
[29]劉紹,黃康平,皮躍勝,等.微生物方法降解廢白土中油脂的初步研究[J].中國油脂,2005,30(4):21-23.
 

上一篇:大豆毛油磷脂組成對磷脂酶A1深度脫膠的影響 下一篇:油脂健康與生活——何東平 第二屆中國油脂與健康高級論壇

足彩进球彩二串一