利用微藻生產(chǎn)單不飽和脂肪酸——棕櫚油酸

汪 輝 周文俊 劉天中

（中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所藻類生物技術(shù)中心，青島 266101）

利用微藻生產(chǎn)單不飽和脂肪酸——棕櫚油酸

汪 輝 周文俊 劉天中

（中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所藻類生物技術(shù)中心，青島 266101）

汪輝，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所副研究員，碩士生導(dǎo)師。從事微藻生物技術(shù)研究，研究方向為微藻代謝工程改造與規(guī)模培養(yǎng)工藝優(yōu)化。

E-mail:wanghui@qibebt.ac.cn

劉天中，研究員，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所藻類生物技術(shù)中心主任，中國科學(xué)院生物燃料重點實驗室副主任。研究方向為藻類生化工程。主要研究領(lǐng)域為：①微藻能源工程，包括產(chǎn)能微藻種的選育與性狀評價、微藻大規(guī)模培養(yǎng)工藝、微藻高效培養(yǎng)光生物反應(yīng)器、微藻油脂的提取與精制、微藻生物柴油制備、微藻能源技術(shù)集成與工藝放大；②微藻環(huán)境工程，包括生活和工業(yè)廢水的微藻處理、燃煤廢氣二氧化碳的固定利用；③微藻高值產(chǎn)品工程，包括微藻色素、微藻蛋白、微藻多糖等的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。

E-mail:liutz@qibebt.ac.cn

棕櫚油酸（C16:1Δ9）具有重要的營養(yǎng)和醫(yī)藥價值，進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)已是勢在必行。目前棕櫚油酸主要來源于生物合成。大田栽培的普通油料作物中棕櫚油酸含量很低，而棕櫚油酸含量高的野生植物存在資源少的問題，因此利用棕櫚油酸含量高且能夠規(guī)模培養(yǎng)的微藻來進(jìn)行棕櫚油酸的生產(chǎn)已成為生物技術(shù)和可再生資源研究的一個熱點領(lǐng)域。文章介紹了棕櫚油酸的原料來源，并結(jié)合筆者實驗室對黃絲藻棕櫚油酸的研究，綜述了微藻棕櫚油酸的優(yōu)勢及其合成途徑，最后初步展望了微藻棕櫚油酸研究的發(fā)展方向。

棕櫚油酸（C16:1Δ9）是一種由16個碳原子組成且含1個雙鍵的ω-7單不飽和脂肪酸，在營養(yǎng)、醫(yī)藥和工業(yè)上具有重要的應(yīng)用價值。棕櫚油酸能夠降低C-反應(yīng)蛋白（CRP）的水平，通過減少炎癥降低心臟疾病、中風(fēng)的風(fēng)險；增加細(xì)胞膜的流動性，降低血液中低密度脂蛋白膽固醇（LDL）含量，減少血管中粥樣硬化斑塊形成而造成的阻塞血管，從而防止心律失常和減少高血壓等。另外，棕櫚油酸已被證明能提高人體對胰島素的敏感性，對糖尿病、代謝綜合征有效，且沒有明顯的副作用。目前，美國幾個大型生物制藥公司（Innovix Pharm公司、Tersus Pharmaceuticals生物制藥公司）和營養(yǎng)品公司（Source Naturals公司、New Chapter公司、Sibu Beauty公司），以及丹麥的Pharma Nord公司等都在大力開發(fā)棕櫚油酸為主的ω-7脂肪酸的保健產(chǎn)品及醫(yī)藥制劑，部分產(chǎn)品已成功上市。在工業(yè)上，棕櫚油酸可直接用于高效生產(chǎn)工業(yè)需求量較大的辛烯。我國人口快速老齡化，患糖尿病、高血脂癥等代謝綜合征人口數(shù)量增長迅速，將產(chǎn)生對棕櫚油酸為主的ω-7脂肪酸的保健產(chǎn)品及醫(yī)藥制劑的巨大需求。同時，棕櫚油酸因其是單不飽和脂肪酸，具有非常好的抗低溫和抗氧化特性，適于制取優(yōu)質(zhì)生物柴油。

鑒于棕櫚油酸等ω-7脂肪酸在人類健康、醫(yī)藥上的獨特價值以及可作為再生資源的重要性，有關(guān)棕櫚油酸生物合成的研究日漸增多?，F(xiàn)結(jié)合筆者研究團(tuán)隊對微藻棕櫚油酸的研究，從棕櫚油酸的原料來源、微藻棕櫚油酸的優(yōu)勢及微藻棕櫚油酸合成途徑3個方面介紹利用微藻生產(chǎn)保健用不飽和脂肪酸——棕櫚油酸的最新研究進(jìn)展，以期為未來微藻棕櫚油酸產(chǎn)品的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1　棕櫚油酸的原料來源

迄今，棕櫚油酸大多來源于生物合成。目前，野生植物是棕櫚油酸產(chǎn)品的主要原料，如New Chapter公司、Pharma Nord公司和Sibu Beauty公司等，都選擇從沙棘果（Hippophae rhamnides. L）中提取分離棕櫚油酸。沙棘的種子中僅含4.4%的棕櫚油酸，但其果肉中則可積累24.9%的棕櫚油酸7。沙棘果肉的油脂可分餾成液相（20%）和固相，液相可富集53%的棕櫚油酸8。另外，原產(chǎn)于亞馬遜雨林、南美洲和中美洲熱帶地區(qū)的木質(zhì)藤本植物——貓爪草（Doxantha unguiscati）種子含有64%的棕櫚油酸9。另一種熱帶植物——澳洲堅果（Macadamia integrifolia）的棕櫚油酸含量為30%。然而，在這些高積累ω-7脂肪酸的野生植物中，絕大多數(shù)因種子小、產(chǎn)量低和地理分布窄等原因，不能像普通油料作物那樣進(jìn)行大規(guī)模種植和商業(yè)化生產(chǎn)。

大田栽培的大豆等油料作物種子的主要成分包括棕櫚酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）和亞油酸（C18:2），而僅含微量的棕櫚油酸（＜2%）510，難以滿足人類食用和工業(yè)的需求（表1）。近些年人們發(fā)現(xiàn)一些酵母細(xì)胞（Rhodotorula glutinis、Cryptococcus podzolicus、Trichosporon porosum、Pichia segobiensis）能夠積累超過20%的油脂，其脂肪酸組分與大田作物的成分相似1112。

2　微藻生產(chǎn)棕櫚油酸的優(yōu)勢

表1　幾種典型油料作物的脂肪酸組成及含量

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微藻具有生化合成脂肪酸的能力，被作為一些珍貴脂肪酸的新來源而受到廣泛重視（表2）。其中，某些微藻細(xì)胞內(nèi)的棕櫚油酸比例可達(dá)20%～30%，部分微藻的棕櫚油酸可以超過總脂肪酸的50%。如藍(lán)藻中的顫藻（Oscillatoria sp.）細(xì)胞可積累高達(dá)54.5%的棕櫚油酸13，真眼點藻綱（Eustigmatophyceae）的大真眼點藻（Eustigmatos magnus）和波氏真眼點藻（Eustigmatos polyphem）中棕櫚油酸的含量能占到細(xì)胞內(nèi)總脂肪酸含量的39.6%～57.8%。中國科學(xué)院青島生物能源所微藻生物技術(shù)團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)了黃藻門的黃絲藻（Tribonema sp.）具有高含油（＞50%干重）、高含棕櫚油酸（＞50%總脂肪酸）的特性～。不同于其他單細(xì)胞微藻，黃絲藻是一種節(jié)狀多細(xì)胞組成的絲狀體，藻絲長度最大可達(dá)3mm，這種大尺寸的絲狀體結(jié)構(gòu)賦予了其具有可在大規(guī)模培養(yǎng)下抵抗輪蟲等原生動物的污染以及可經(jīng)濟采收等優(yōu)良的工業(yè)應(yīng)用性狀，因而更適于通過大規(guī)模培養(yǎng)來生產(chǎn)棕櫚油酸。

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表2　不同種類微藻的脂肪酸組成及含量

相對于其他傳統(tǒng)油料資源，利用微藻來生產(chǎn)包括棕櫚油酸在內(nèi)的珍貴脂肪酸具有多方面優(yōu)勢。①一般微藻的總脂含量可達(dá)干重質(zhì)量的20%～50%，如油質(zhì)綠藻在正常和外界脅迫情況下的平均總脂含量分別為25.5%和45.7%。②微藻具有生物量大、生物周期短的特點。③微藻種類繁多，廣泛分布在淡水和海水中，因此可用海水培養(yǎng)，能耐受一些極端環(huán)境，不占用耕地。④微藻能夠吸收并利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排放出的大量CO2和氮化物，還可利用廢水中氮、磷等，具有固碳減排效應(yīng)。⑤某些微藻能夠利用葡萄糖、醋酸鈉等有機碳源，可以在短時間內(nèi)積累大量的生物質(zhì)，這為建立微藻高值化合物的大規(guī)模快速生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

3　棕櫚油酸在微藻細(xì)胞內(nèi)的生物合成途徑

目前，筆者課題組對黃絲藻轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了高通量測序，在獲得大量基因序列的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能注釋，發(fā)現(xiàn)了在脂肪酸合成和降解中的編碼相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄本，結(jié)合KEGG比對結(jié)果，首次構(gòu)建出黃絲藻棕櫚油酸的生物合成途徑。微藻細(xì)胞內(nèi)棕櫚油酸的生物合成與高等植物相似，以?；d體蛋白（acyl carrier protein，ACP）形式開始于葉綠體（圖1）。乙酰輔酶A羧化酶（ACC）催化乙酰輔酶A和HCO3

-生成丙二酰輔酶A （malonyl-CoA），然后在丙二酰CoA-ACP?；D(zhuǎn)移酶（MAT）的催化下轉(zhuǎn)化為丙二酰-ACP（malonyl-ACP）。在隨后的脂肪酸碳鏈延伸反應(yīng)中丙二酰-ACP作為碳供體與?；?ACP發(fā)生一系列由酮?；?ACP合酶（KAS）催化完成的縮合反應(yīng)。第一個縮合反應(yīng)由β-酮?；?ACP合酶Ⅲ（KASⅢ）催化并生成四碳產(chǎn)物，然后β-酮酰基-ACP合酶Ⅰ（KASⅠ）催化生成六碳到十六碳的不同碳鏈長度的產(chǎn)物。在質(zhì)體中合成的C16:0-ACP代謝有不同分支：一是酯酰-ACP硫酯酶（FAT）將16C脂肪酸側(cè)鏈從ACP上切割下來，形成游離的16C脂肪酸（即棕櫚酸），從質(zhì)體中轉(zhuǎn)出；二是C16:0-ACP在酯酰-Δ 9-ACP去飽和酶（ACP-Δ9D）催化下生成棕櫚油酸-ACP（C16:1Δ9-ACP），之后在FAT作用下從ACP上分離，轉(zhuǎn)出質(zhì)體；三是C16:0-ACP在β-酮?；?ACP合酶Ⅱ（KASⅡ）作用下延長為硬酯酰-ACP（C18:0-ACP）。

圖1　微藻細(xì)胞內(nèi)棕櫚油酸的生物合成途徑

從質(zhì)體中轉(zhuǎn)運出來的C16:1Δ9以及C16:0在位于質(zhì)體外膜的?；?CoA合成酶（ACS）作用下，形成C16:1Δ9-CoA和C16:0-CoA。這些脂肪?；鵆oA從質(zhì)體轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，與磷脂結(jié)合形成C16:1Δ9-PC和C16:0-PC。C16:0-PC在位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的CoA-Δ9D催化下轉(zhuǎn)化為C16:1Δ9-PC。C16:1Δ9-PC在一系列?；D(zhuǎn)移酶的作用下，轉(zhuǎn)入3-磷酸甘油（3PG）分子形成三?；视王ィ═AG）。最后，疏水性的TAG聚集在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)的脂?；鶇^(qū)域，這些富含TAG的脂?；鶇^(qū)域形成“脂質(zhì)凸起”，進(jìn)而從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜分離出來成為油體。

4　研究展望

綜上所述，基于ω-7脂肪酸，尤其是棕櫚油酸在醫(yī)藥保健等方面的重要應(yīng)用價值，進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)已是勢在必行。鑒于大田栽培的普通油料作物中棕櫚油酸含量較低，而棕櫚油酸含量高的野生植物又存在資源量少的問題，利用微藻將是解決棕櫚油酸生產(chǎn)資源的新途徑。微藻黃絲藻油脂和棕櫚油酸含量高，如果能夠?qū)崿F(xiàn)黃絲藻生產(chǎn)棕櫚油酸的規(guī)?；a(chǎn)，將可以解決棕櫚油酸的資源問題，從而為開發(fā)糖尿病、高血脂癥等老齡化疾病的醫(yī)藥保健制劑提供重要原料基礎(chǔ)。

同時，隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，加深對微藻尤其是黃絲藻棕櫚油酸合成代謝途徑以及關(guān)鍵酶基因的認(rèn)識，挖掘有價值的基因元件，使得我們可以利用基因工程手段來調(diào)控普通油料作物種子脂肪酸的代謝途徑、改變脂肪酸的組成，從而提高油料作物的油脂含量，豐富功能脂肪酸的組成，改善油脂品質(zhì)，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、廉價的食用或工業(yè)用棕櫚油酸生化產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.02.003