淺談嗜熱脂肪芽孢桿菌脂肪酶應(yīng)用研究進(jìn)展

韓 偉

(河南護(hù)理職業(yè)學(xué)院 河南 安陽 455000)

1 嗜熱脂肪芽孢桿菌概述

嗜熱脂肪芽孢桿菌，屬于嗜熱性芽孢桿菌，其最高生長溫度高達(dá)65 ～75℃，最適生長溫度為56～60℃，為需氧菌，但在空氣中生長良好，具備兼性厭氧菌的特性，在pH6.8～7.2的培養(yǎng)基生長良好。嗜熱脂肪芽孢桿菌為革蘭陽性菌，細(xì)菌呈長桿狀、底端呈圓形，細(xì)菌在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上菌落呈米黃色，菌落邊緣不整齊，表面濕潤且粗糙。嗜熱脂肪芽孢桿菌為產(chǎn)芽孢菌，芽孢一般呈橢圓或者是柱狀，芽孢用孔雀石綠染色后呈現(xiàn)綠色。嗜熱脂肪芽孢桿菌廣泛存在于自然界中，比較容易識別，而且對人體沒有危害性，屬于正常菌群，產(chǎn)生的芽孢無毒、無致病性且無熱原，對壓力蒸汽的抵抗力幾乎是所有微生物中最強(qiáng)，因此常用于驗(yàn)證滅菌設(shè)備的性能和滅菌效果，被歐洲、美國、日本等國家的藥典作為熱力滅菌生物指示劑的標(biāo)準(zhǔn)菌株收錄，我國衛(wèi)生部也將該菌株作為壓力蒸汽滅菌效果評價標(biāo)準(zhǔn)檢測菌株列入《消毒與滅菌效果的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)》和《消毒技術(shù)規(guī)范》(2002版)，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局也將其作為濕熱滅菌生物指示劑列入《醫(yī)療保健產(chǎn)品滅菌生物指示劑》標(biāo)準(zhǔn)中。嗜熱脂肪芽孢桿菌繁殖體營養(yǎng)要求不高，普通的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基細(xì)菌體即可生長，該菌在代謝過程中會產(chǎn)生脂肪酶，脂肪酶是重要的工業(yè)酶制劑品種之一，可以催化解脂、酯交換、酯合成等反應(yīng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。本文通過對嗜熱脂肪桿菌產(chǎn)生的脂肪酶的特性、產(chǎn)生條件、應(yīng)用范圍等方面的進(jìn)行綜述，希望對脂肪酶應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供研究方向。

2 脂肪酶概述

脂肪酶，又稱三?；视王；饷?，基本組成單位為單純的氨基酸，通常只有一條多肽鏈，催化活性由蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定。脂肪酶可以水解甘油三酯的酯鍵，將甘油三酯分解為甘油二酯、單甘油酯、甘油和脂肪酸?？伤獾牡孜镆话銥椴蝗苡谒拈L鏈脂肪酸酰基酯如三脂酰甘油酯等，催化反應(yīng)后可完成酯類化合物的分解、合成、酯交換，形成芳香酯。另外，脂肪酶作為催化劑可以催化底物的水解反應(yīng)和合成反應(yīng)，且完成的催化反應(yīng)不需要輔酶，反應(yīng)的條件相對溫和，反應(yīng)過程中副反應(yīng)少，這些特性優(yōu)勢使脂肪酶在油脂加工、食品、醫(yī)藥、日化等工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

3 嗜熱脂肪芽孢桿菌產(chǎn)脂肪酶發(fā)酵條件

脂肪酶可在多種微生物中代謝產(chǎn)生，主要的產(chǎn)酶菌為霉菌和細(xì)菌，嗜熱脂肪芽孢桿菌就是一種典型的產(chǎn)脂肪酶菌株。嗜熱脂肪芽孢桿菌培養(yǎng)基配比(g/L)：蛋白胨10，酵母提取物5，氯化鈉10。pH7.0，65℃水浴搖床培養(yǎng)嗜熱脂肪芽孢桿菌。培養(yǎng)細(xì)菌所提取脂肪酶活性與溫度、pH等均有關(guān)系 ，在pH為8.5的Tris-鹽酸緩沖液(0.05mol/L)中，溫度保持55℃脂肪酶的活性最高。

4 脂肪酶在工業(yè)中的應(yīng)用

4.1脂肪酶在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

脂肪酶是人體脂肪代謝最基本的催化酶，可以促進(jìn)脂肪的代謝分解，降低血脂，可以通過外部調(diào)節(jié)脂肪酶幫助人體消化作用，促進(jìn)人體新陳代謝。同時脂肪酶可以作為藥物治療局部炎癥，另外日本專利報道，脂肪酶可以分解血液中的乳糜顆粒和低密度的脂蛋白，可用于預(yù)防和治療高血脂。由于脂肪酶可以作為藥物作用靶點(diǎn)、標(biāo)記物，所以可以將脂肪酶作為脂血病、胰腺炎等疾病的臨床檢驗(yàn)依據(jù)。由于脂肪酶具有高立體選擇性，具有位置選擇性和底物專一性，可利用這些特性進(jìn)行消旋體藥物的手性拆分研究，手性拆分反應(yīng)條件溫和、副作用少、耗能低，比物理、化學(xué)拆分法更具有工業(yè)應(yīng)用潛力。研究表明脂肪酶可對二芳基丙酸類藥物進(jìn)行選擇性水解和拆分，如臨床中的布洛芬、萘普森等藥物。水楊酸甲酯是止痛藥、退燒藥的重要組成成分，工業(yè)中利用芽孢桿菌分泌的脂肪酶，以凝膠基質(zhì)為底物經(jīng)過國定化后，在55℃，pH9.5的條件下，可以高度轉(zhuǎn)化水楊酸甲酯，在藥物生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。

4.2脂肪酶生產(chǎn)脂肪酸

脂肪酶可通過水解作用將油脂降解為脂肪酸和甘油，脂肪酸和甘油是化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的原料?；ㄉ?、橄欖油、大豆油、蓖麻油等各種植物油，牛、羊、豬等各種動物脂肪都可以作為脂肪酶的水解底物。而且利用脂肪酸的特異性可以有選擇的水解特定的酯鍵和脂肪酸，提高油脂的營養(yǎng)價值。脂肪酶的催化反應(yīng)條件相對溫和，可以在自然的溫度和壓力下進(jìn)行，催化反應(yīng)的產(chǎn)物顏色、氣味好，且副反應(yīng)少。傳統(tǒng)工業(yè)條件下的高溫環(huán)境可以將不飽和脂肪酸氧化，而脂肪酶催化反應(yīng)條件溫和可以直接產(chǎn)生不飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸是可以有效調(diào)節(jié)人體代謝活動，還可以提高智力，預(yù)防、治療心腦血管方面的疾病。此外傳統(tǒng)工業(yè)用蒸汽裂解法以蓖麻油為原料生產(chǎn)蓖麻酸，但是此過程中會有脫水、內(nèi)酯化等副反應(yīng)，為避免此類情況，工業(yè)中可利用脂肪酶通過水解作用產(chǎn)生蓖麻油，實(shí)現(xiàn)蓖麻油生產(chǎn)的新工藝。

4.3脂肪酸在皮革、紡織工業(yè)中的應(yīng)用

在皮革生產(chǎn)加工中，皮革和毛皮有一層緊密相連的殘余脂肪層，傳統(tǒng)工藝中是用石灰石處理，但效果不理想。脂肪酶可以將這層脂肪層水解，這種工藝不會損傷皮革的厚度和牢固度，而且會使皮毛豐滿柔軟、彈性好。脂肪酶在絹紡脫脂方面也有良好的效果，研究表明解脂假絲酵母脂肪酶可以將絹紡原料中的油脂含量由10%減少到0.5%，且不會影響絹絲的纖維強(qiáng)度。在皮革、紡織工業(yè)生產(chǎn)中，脂肪酶可以分解掉儀器元件上的油污，提高產(chǎn)品的潔凈度和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.4脂肪酶在生物能源的應(yīng)用

隨著社會的不斷發(fā)展，人類對石油、燃?xì)狻⒚禾康饶茉吹囊蕾囋絹碓綇?qiáng)，這些能源作為不可再生能源在不斷消耗，太陽能、風(fēng)能等能源的應(yīng)用技術(shù)還不成熟，開發(fā)生物能源是社會發(fā)展趨勢，其中生物柴油是發(fā)展比較迅速的一種能源。生物柴油是指以動物油脂、植物油、垃圾油等各種油脂為原料，選擇適用的脂肪酶，在合適的溫度、Ph等條件下，經(jīng)過水解、酯化，最終產(chǎn)生單甘酯和脂肪酸。脂肪酸與短鏈醇進(jìn)一步酯化生成脂肪酸烷基酯，目前最典型的生物石油是脂肪酸甲酯，相對于傳統(tǒng)石油，生物石油可再生，易于降解，且無毒，使用過程中沒有二氧化硫的排放，可以有效緩解全球溫室效應(yīng)。

4.5脂肪酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用

脂肪是畜禽機(jī)體的重要組成部分，也是機(jī)體重要的能量儲備庫，當(dāng)畜禽機(jī)體需要能量時，脂肪酶可以通過水解作用將動物機(jī)體內(nèi)的脂肪水解并產(chǎn)生大量的能量，可以滿足畜禽不同階段的能量需求，動物飼料中添加動物脂肪或植物油，不但可以減少飼料生產(chǎn)過程中的粉塵，還可以改善飼料的外觀，增加動物的食欲。但是動物飼料中的油脂必須在脂肪酶的催化下分解為脂肪酸、甘油單酯，才能被動物機(jī)體吸收利于。國家明令禁止在飼料中添加生長劑，脂肪酶就是首選的生長劑替代品，研究表明在飼料中添加脂肪酶可以顯著提高禽畜的增重速度，還可以有效防止動物腹瀉，提高飼料的吸收率，而且在飼料中添加脂肪酶分解產(chǎn)生的脂肪酸有特殊的風(fēng)味和香味，還可以提高動物的食欲。

4.6脂肪酶在紙漿造紙中的應(yīng)用

造紙過程中，紙漿中會含有三酯酰甘油、蠟等疏水性成分，這些疏水性性成分會在干燥柱上沉積，從而影響造紙的質(zhì)量。脂肪酶可以通過水解作用去除90%的三酰酯甘油，從而提高造紙的質(zhì)量。同時在廢紙重加工過程中，需要去除廢紙中的油墨，油墨中含有大量的三酰酯甘油，所以在除墨過程中加入脂肪酶可以有效脫墨，而且可以提高紙的白度。

4.7脂肪酶在洗滌業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用

衣服污垢中油性污垢難以去除，如食用植物油、奶油、黃油、化妝品油，還包括人體體表分泌的油脂。目前我國洗滌衣物基本是自然水溫洗滌，在低溫、弱堿性的條件下油污難以去除。在洗衣機(jī)、餐具洗潔精的配方中加入可以分解油脂的脂肪酶，脂肪酶能將甘油三酯水解為更容易去除的甘油和脂肪酸，可以提高對油脂污垢的去除效果。脂肪酶的添加可以減少洗滌劑中表面活性劑和助劑的用量，不僅可以高效去污，還有利于減少表面活性劑的使用，更環(huán)保。

4.8脂肪酶在食品加工中的應(yīng)用

油脂類、糖酯類食物是人們喜愛的食物，也是人體所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。但是此類食物的口感外觀跟脂肪酸在甘油骨架的位置、飽和度有關(guān)，碳鏈長度對其有影響。而脂肪酶具有位置特異性，可以改造脂肪酸的構(gòu)成位置，從而提高脂類食物的性質(zhì)。隨著人們對食物質(zhì)量要求的不斷提高，脂肪酶已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品改良和食品保鮮等方面。在焙烤食品加工中脂肪酶應(yīng)用廣泛，在制作面包的生面團(tuán)中加入脂肪酶，脂肪酶水解甘油三酯，將其分解為甘油二酯、甘油單酯、脂肪酸，這些成分可以改善面團(tuán)的流變學(xué)特性，從而增大面包體積使其更加松軟，對面包芯有二次增白的效果。脂肪酶同時還可以對面團(tuán)起到良好的調(diào)理作用，延緩面團(tuán)的腐敗延長保質(zhì)期。

4.8.1脂肪酶可以生產(chǎn)代可可脂

可可脂是從天然可可豆中提取而來的天然油脂，可可脂在25℃左右為固態(tài)，溫度高于35℃就會融化，是制作巧克力的原材料，但是可可豆的產(chǎn)量受氣候、地理位置等多因素的影響，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到人們的需求，工業(yè)中以棕櫚油、菜籽油、茶樹油豆油等為底物通過脂肪酶對其改造，生產(chǎn)出與可可脂口感、特性非常相似的代可可脂。

4.8.2研制母乳化結(jié)構(gòu)脂

母乳為嬰兒的生長提供了豐富多樣的營養(yǎng)，由于健康、經(jīng)濟(jì)等原因很多孩子無法進(jìn)行母乳喂養(yǎng)，嬰兒的配方奶粉成了母乳的替代品，理想的配方奶粉都是在模仿母乳的結(jié)構(gòu)。由于哺乳階段的不同，種族飲食等方面的不同，導(dǎo)致母乳脂肪中脂肪酸的組成有所不同，但是其共同點(diǎn)是在總脂肪酸中，油酸、棕櫚酸、亞油酸所占的比例基本相同，脂肪酶可以通過催化三棕櫚甘油酯和油酸乙酯反應(yīng)生產(chǎn)OPO，從而完成油脂改性，變?yōu)榻咏溉榈男问?，更利于嬰兒的吸收利用。此外還可以通過改變脂肪酸連德長度，來增加奶粉、奶酪的風(fēng)味。

4.8.3脂肪酶可合成芳香化合物

帶有水果味的芳香劑在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，芳香劑本質(zhì)為具有水果味的短鏈酯，這些短鏈酯可以天然物中提取，也可以人工合成。這些化合物通常為短鏈脂肪酸和醇類物質(zhì)，比如丁酸丁酯、丁酸甲酯就有類似蘋果味和菠蘿味，丁酸乙酯類似草莓味，丁酸異戊酯類似香蕉味。脂肪酶可以在溫和條件下催化合成這些天然香料，生產(chǎn)更高效，也更安全，所以脂肪酶合成芳香化合物應(yīng)用前景明朗。

4.8.4 脂肪酶應(yīng)用于酒類加工

脂肪酶可以通過催化反應(yīng)合成芳香酯，芳香酯類可用來白酒增香，也可以強(qiáng)化發(fā)酵復(fù)糟酒，研究表明產(chǎn)脂肪酶微生物是形成白酒特殊風(fēng)味的關(guān)鍵。

4.8.5脂肪酶應(yīng)用于肉類加工

肉制品加工過程中脂肪酶可以去降解肉類中多于的脂肪，同時還可以改善肉類的風(fēng)味。脂肪酶通過分解、合成酯類化合物形成具有芳香氣味的芳香酯。如在香腸中添加脂肪酶，可以快速將香腸中的脂肪降解，并促進(jìn)脂肪氧化，促進(jìn)形成脂質(zhì)來源的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。所以在肉制品中加入脂肪酶不僅可以積累風(fēng)味前體物質(zhì)，還可以促進(jìn)風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生。

4.8.6脂肪酶應(yīng)用于茶葉加工

茶葉中含有大量的脂類物質(zhì)，在茶葉加工過程中脂肪酶通過催化、氧化、水解作用將茶葉中脂類物質(zhì)降解，其中的水解產(chǎn)物脂肪酸本身具備特殊香氣，對后期茶葉香氣的展現(xiàn)有重要作用，其還是芳香揮發(fā)物的重要的前體物質(zhì)，降解氧化以后會產(chǎn)生茉莉酮等其他香氣產(chǎn)物。研究表明普洱茶中香氣主要來源于氧化降解過程產(chǎn)生的脂肪酸和其他產(chǎn)物。

此外，脂肪酶還可以通過水解產(chǎn)生長鏈脂肪酸酯生產(chǎn)化妝品，產(chǎn)生短鏈脂肪酸酯生產(chǎn)香水香料。脂肪酶在聚酯合成方面也有重要作用。

5 前景與展望

脂肪酶在食品、藥品、飼料等工業(yè)應(yīng)用中，優(yōu)勢明顯。首先脂肪酶的催化活性高，可以高效進(jìn)行生產(chǎn)，其次脂肪酶的反應(yīng)條件溫和，有比較寬的溫度、pH范圍，再次脂肪酶的催化反應(yīng)副反應(yīng)少。而且脂肪酶以天然的油脂為底物，分解產(chǎn)生的化學(xué)物也被認(rèn)定為天然產(chǎn)物。所以脂肪酶在食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域前景明朗。但是目前脂肪酶在工業(yè)上的發(fā)展還有兩大阻礙，第一是脂肪酶產(chǎn)量低，第二是脂肪酶的穩(wěn)定性較差。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將脂肪酶的基因與目標(biāo)載體進(jìn)行連接，提高脂肪酶的活性和產(chǎn)量。另外通過脂肪酶的固定化提高脂肪酶的穩(wěn)定性。所以脂肪酶在工業(yè)上各領(lǐng)域會不斷發(fā)展。