微生物脂肪酶的性質(zhì)及應(yīng)用

汪玲

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北武漢 430000）

脂肪酶在多種動植物及微生物中都廣泛存在，可以通過分離提取的方式獲得。1834年，生物學(xué)家在兔子體中最先發(fā)現(xiàn)了脂肪酶，之后于1871年發(fā)現(xiàn)了植物中存在的脂肪酶[1]。微生物脂肪酶具有生產(chǎn)周期短、對環(huán)境要求低、產(chǎn)量高且易提取等特點，近年來成為研究的重點。如今，已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)脂肪酶微生物已多達(dá)65個屬。

1 微生物脂肪酶的優(yōu)點

能夠產(chǎn)生脂肪酶的微生物種類預(yù)計要遠(yuǎn)超過65個屬，這不僅是因為微生物的種類較多，而現(xiàn)階段的研究重點主要聚焦在能夠產(chǎn)生經(jīng)濟或社會效益的微生物屬上；還因為受限于現(xiàn)階段的檢測方法等技術(shù)問題，并不將產(chǎn)量低下的產(chǎn)酶微生物列入。即便是兩種微生物在屬級別極為相似，但他們也可能產(chǎn)生不同類型的脂肪酶。可用于脂肪酶生產(chǎn)的微生物種類繁多且產(chǎn)量相對都較高，因而相比于動植物脂肪酶，微生物脂肪酶的應(yīng)用場景更加廣泛。

2 微生物脂肪酶的活性影響因素

微生物脂肪酶有多種特性，其中產(chǎn)生作用的物質(zhì)也相對繁多，有著十分寬泛的溫度、濕度、酸堿度、溶劑等適應(yīng)范圍，能夠在較為寬泛的條件下保持活性，因而蘊含著巨大的應(yīng)用價值。

2.1 溫度及酸堿度

來源不同的脂肪酶，對溫度與酸堿度的適應(yīng)范圍有很大區(qū)別。通常，脂肪酶的最適pH值為5～12，來源于真菌或細(xì)菌的脂肪酶，活性保持范圍可以擴大到3～12，溫度適應(yīng)范圍為 20～70 ℃[2]。

2.2 有機溶劑

脂肪酶的活性保持范圍不僅局限于水中，在各種常見的溶劑中也可以保持活性。現(xiàn)有的研究表明，大多數(shù)常見的溶劑能夠降低脂肪酶的活性。在某種程度上說明，這也影響了其可應(yīng)用的范疇，但是通常情況下并不會使其失活。此外，也有一些常見溶劑能夠激發(fā)某些特定脂肪酶的活性。例如，與脂化反應(yīng)及脂的酸解等相關(guān)的脂肪酶，能夠在乙醇、甲醇等溶劑中保持穩(wěn)定，因此可用于生物汽油等行業(yè)領(lǐng)域；甲苯等溶劑對AGP-03脂肪酶甚至有激活效果。甲醇、乙醇等溶劑雖然對各類微生物脂肪酶有一定的抑制性，但脂肪酶均能在其中保持穩(wěn)定，且同一種溶劑在不同濃度下會反應(yīng)出不同程度的抑制性。米黑根毛霉脂肪酶(Rhizomucor mieheilipase)在10%～15%濃度的乙醇或丁醇溶劑中，活性受到十分明顯的抑制，達(dá)到了30%～45%[3]。在不同的溶劑中，脂肪酶受抑制的特性不同，這一特性為其在有機化學(xué)產(chǎn)品制取行業(yè)中的廣泛應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

2.3 金屬離子

不同金屬離子對脂肪酶活性的影響是不同的。例如，鈣離子對眾多脂肪酶有激活作用。相關(guān)理論對這一現(xiàn)象的解釋為鈣離子能夠和脂肪酸結(jié)合，從而在水油臨界點生成更多的脂肪酸，進(jìn)而改變其在該臨界點的活性[4]。然而，銅離子對不同脂肪酶的影響有著很大的不同。銅離子能夠激活NCIM 3639脂肪酶的活性，但對其他絕大部分脂肪酶都產(chǎn)生抑制作用。而汞離子與鐵離子對絕大部分脂肪酶都表現(xiàn)為抑制作用。

2.4 脂肪酶抑制劑

抑制劑是指對某些特定的酶有抑制作用從而降低甚至殺滅其活性的物質(zhì)。抑制作用分為可逆與不可逆兩種。最初，研究脂肪酶抑制劑主要是為了了解其構(gòu)造與酶學(xué)性質(zhì)。但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)抑制劑對于藥學(xué)研究有著重要意義，其最典型的應(yīng)用主要有針對肥胖疾病等與脂肪相關(guān)的各類疾病。

2.5 底物特異性

在底物中含有甘油酯的情況下，脂肪酶對底物的特異性主要有3種：無特異性、鏈長特異性以及位置特異性。鏈長特異性是指脂肪酶只會有選擇地對某些鏈長范圍的脂肪酸進(jìn)行水解；位置特異性是指只對甘油酯中某些位置的脂肪酸進(jìn)行水解，其典型代表是一或三位，通常也被稱為專一性脂肪酶。

3 脂肪酶的應(yīng)用前景

3.1 食品行業(yè)

油脂和糖酯類食物在人類食譜中占有重要位置，也是人體中一種必須營養(yǎng)物質(zhì)。隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對于脂類食物的品質(zhì)要求也逐漸提高，鑒于脂肪酶所具有的位置特異性，人們可以通過改造脂肪酸的構(gòu)成位置來改善脂類食物的各種性質(zhì)。例如，可以采用改造糖酯脂肪酸碳鏈長的方法來調(diào)整其親水性，經(jīng)過改造的糖酯可以成為水包油型或油包水型乳化劑，可以作為食品添加劑，具有可降解、無味、無嗅等性質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品改良和食品保鮮等領(lǐng)域。

可可脂可以從天然植物可可豆中提取，是一種天然油脂，具有濃郁的香味，在25 ℃左右呈固態(tài)，而在溫度高于35 ℃時處于全融狀態(tài)，這一個特性也使其成為制作巧克力相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵原料。但是，天然可可脂的產(chǎn)量受限于天氣、地理位置等多種因素，產(chǎn)量無法滿足人們的需求，因此可以通過脂肪酶改造的方式生產(chǎn)替代品。其主要替代品有代可可脂和類可可脂兩大類。Dutt等人[5]使用桿菌RK-3生成的sn-1,3專一性脂肪酶對棕櫚油進(jìn)行改造，得到了與天然可可脂類似的代可可脂；Abigor等人[6]以豆油為底物，成功催化合成了類可可脂 。

3.2 洗滌行業(yè)

相關(guān)研究表明，衣物上的污漬以油脂類污漬為主。脂肪酶對脂類物質(zhì)有著較好的水解作用，因而其在洗滌業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。在洗滌劑中添加的脂肪酶通常具有較好的堿性環(huán)境適應(yīng)性，其最合適的酸堿度為7～12。產(chǎn)生堿性脂肪酶的微生物在堿性環(huán)境中可以穩(wěn)定存在，如不動桿菌（Acinetobactersp.）在汰漬洗滌劑中的最大活性可以達(dá)到110%。然而，并非所有產(chǎn)脂肪酶的微生物都能夠穩(wěn)定存在于所有堿性環(huán)境中，如B. licheniformis在堿性環(huán)境中很不穩(wěn)定，甚至?xí)Щ?。因此，洗滌行業(yè)的相關(guān)研究還需要繼續(xù)深入。

3.3 環(huán)保行業(yè)

隨著社會的發(fā)展，各類環(huán)境問題大量產(chǎn)生，廚余垃圾已經(jīng)成為城市生活垃圾的重要組成部分，而脂肪酶能夠有效降解各類廚余垃圾中的油脂。此外，各類不可降解的塑料制品對環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，使得生物降解技術(shù)得到了人們越來越多的關(guān)注。脂肪酶具有水解聚乙酸內(nèi)酯的性質(zhì)，因此早在20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國家就將脂肪酶應(yīng)用于塑料制品的降解中。

3.4 生物能源行業(yè)

與化石能源相比，生物能源是一種更為清潔的能源，因其構(gòu)成中不含硫及芳香烴類物質(zhì)，燃燒后對環(huán)境的破壞很小。同時，合成生物能源的原料來源十分廣泛，因而在環(huán)境保護與能源的可持續(xù)發(fā)展方面有著十分重要的意義。

生物柴油是一種典型的生物能源，主要有化學(xué)制取與酶制取兩種工藝。前者的工藝更為復(fù)雜，且單位產(chǎn)量的能耗更高，而后者則克服了這些缺點。溶脂光桿菌（Photobacterium lipolyticumM37）脂肪酶可以催化棕櫚油與乙醇反應(yīng)，生產(chǎn)生物柴油，在45 ℃、pH為7.5的條件下，生產(chǎn)效率能夠接近80%。

3.5 化妝品行業(yè)

很多化妝品公司采用脂肪酶對以肉蔻酸異丙酯、棕櫚酸異丙酯等為主要成分的護膚品及化妝品等的制取工藝進(jìn)行改造，與化學(xué)手段生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，這種生物技術(shù)制得的產(chǎn)品中有害物質(zhì)更少，更有利于人們肌膚的健康。

3.6 藥品行業(yè)

脂肪酶催化反應(yīng)具有高立體選擇性和底物專一性等諸多特性，將其應(yīng)用于消旋體藥物的生物法手性拆分是現(xiàn)階段的研究熱點之一。例如，水楊酸甲酯在止痛藥的制取方面有著重要應(yīng)用，Basheer等[7]從在芽孢菌中提取的脂肪酶能夠在50 ℃及酸堿度為9的條件下將83%的水楊酸甲酯轉(zhuǎn)化。脂肪酶在藥品行業(yè)中的巨大潛力仍有待發(fā)掘。

4 展望

脂肪酶的行業(yè)應(yīng)用場景雖然十分廣泛，但其制取工藝仍有待提高?，F(xiàn)階段，兩個重要的阻礙是其穩(wěn)定性的不足與制造成本的居高不下。因此，研究新的低成本制取技術(shù)是現(xiàn)階段研究的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問題有望得到良好的解決。例如，借助基因改造技術(shù)，可以將改造過的脂肪酶和目標(biāo)載體進(jìn)行連接，從而得到產(chǎn)量與活性雙高的脂肪酶產(chǎn)品。另外，脂肪酶的固定化現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后成為了一項研究熱點。最近的研究結(jié)果表明，固化后的脂肪酶無論是在穩(wěn)定性方面還是在易控性方面都表現(xiàn)得更好。因此，脂肪酶固化技術(shù)的研究可以為以后脂肪酶的商業(yè)化應(yīng)用提供巨大的潛能。