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生物技术在油脂行业的应用—陈洪涛 第二届中国油脂与健康高级论坛

发布日期:2019-01-28 中国油脂网

 陈洪涛1王力清2甄成3李燕杰3周勇2杨天奎1
 
(1大连理工大学生命科学与技术学院大连116024;2广东产品质量监督检验研究院佛山528300;3辽宁晟麦实业股份有限公司本溪117004)
 
摘要:本文综述了生物技术在油脂加工及废弃物处理、微生物油脂、昆虫油脂、油脂检测方面的应用,并根据综述,提出了其中存在的一些问题及展望。
 
关键词:生物技术、油脂行业、应用
 
作者简介:陈洪涛,(1976-),男,在读博士,主要从事油脂及相关产品开发工作
 
通讯作者:杨天奎,男,教授,博士生导师,(Email)tkyang@dlut.edu.cn
 
生物技术主要包括酶工程、发酵工程、细胞工程、组织培养技术和基因工程技术等,已广泛地应用于粮油食品加工的许多领域,生物技术将成为粮油食品工业中的重要组成部分。
 
一、生物技术在油脂加工中的应用
 
传统的油脂加工工艺一般包括:油脂提取(机榨或浸出)、脱胶、脱酸、脱色、脱臭、脱蜡等。现在生物技术在油脂加工中的应用也越来越广泛,并且逐渐扩展到结构脂生产、浓缩脂肪酸生产等。
 
1、在油料预处理及油脂提取中的应用
 
利用复合纤维素酶处理植物组织,可以降解植物细胞壁的纤维素骨架,崩溃植物细胞壁,使植物细胞内有效成分充分游离,提高细胞内物质的提取率。Sosulski等[1]对Canola菜籽进行酶解处理后,再用己烷浸出可明显缩短时间,提高出油率。对Canola菜籽进行酶处理再压榨,未经酶处理的油料压榨出油率仅72%,经过酶处理后可达90%~93%。王瑛瑶等[2]进行了水酶法提取花生蛋白质和花生油的研究。这些研究为水酶法应用于同时进行油脂和蛋白质的分离作了理论上和实践上的尝试。
 
RuchiGaur等[3]采使用商业化酶Protizyme™处理后,用三相萃取方法提取了芒果仁、大豆、米糠中的油脂,提取率可以分别达到79%,98%和86%(w/w)。与现有的溶剂浸出提油的方法相比,提取速度更快,而且使用的溶剂比常用的正己烷的毒性小。
 
酶法提油根据不同类型的工艺还具有缩短提油时间,提高设备利用率;提高油脂质量及粕的利用价值;减少浸出溶剂用量,降低溶剂消耗等特点[4]。
 
2、酶法脱胶
 
酶法脱胶是利用磷脂酶将毛油中的非水化磷脂水解掉一个脂肪酸,生成具有良好亲水性的溶血性磷脂,可以方便地利用水化的方法除去。目前,用于酶法脱胶的酶主要有磷脂酶A1和磷脂酶A2两种。Novozymes公司先后推出了两种实现产业化生产的磷脂酶A1:LecitaseNovo和LecitaseUltra。研究结果表明,对于初始含磷量为150.6mg/kg的菜籽油,经过LecitaseUltra的作用磷含量可降至10mg/kg以下[5]。杨博等[6]人利用LecitaseNovo对大豆油进行脱胶处理后,毛油中的含磷量低于8mg/kg。
 
3、酶法脱酸
 
在食用油脂精炼工艺中,由于毛油中通常含有较高的游离脂肪酸(FFA),故需采取措施进行脱酸以提高油脂品质。通常采用的脱酸方法有化学碱炼法和物理精炼法。近10年来,一种高新技术--生物精炼(酶促酯化),主要包括酶促FFA酯化,应用于高酸值油脂的脱酸,已引起了有关学者的关注。从炼耗和油品质量出发来考虑,生物精炼与常规的碱炼、脱色、脱臭工艺结合或与物理精炼工艺结合起来应用,是处理高酸值油的一种潜在技术[7,8]。
 
4、酶法脱色
 
一些油脂的脱色要求较高,要求无色,一般方法不能达到此目的。而酶与色素直接作用,从而脱去油脂颜色,同时又容易和油脂分离。将生物酶应用于油脂的脱色,既有利于环保也有利于操作。脂肪氧合酶(LOX)对色素有漂白作用可使β-胡萝卜素和叶黄素这样的色素共同氧化,对叶绿素也有漂白作用[9]。
 
5、酶法生产单甘酯和甘二酯
 
甘油单酯是一种重要的表面活性剂,目前主要以天然油脂的甘油解反应的化学法生产,该工艺在超过200℃的高温下进行,以碱为催化剂进行反应,产物为单甘酯和二甘酯(各占45%)。但化学法生产具有以下缺点:①高温条件下反应,能耗高;②高温导致油脂降解,产生焦糊味和深褐色。
 
日本与德国在20世纪90年代分别开发了酶法生产单甘酯的新工艺,其产率达到80%,目前已经大规模生产。利用酶法生产单甘酯与化学方法相比,其专一性高,可大大简化产物分离提取工艺,减少生产成本。我国谭天伟等人[10]对此也进行了研究,他们利用固定化脂肪酶反应器中催化制备单甘酯,转化率可以达到76%。
 
6、酶法酯交换生产结构脂
 
结构脂即指甘三酯通过结合新的脂肪酸,改变脂肪酸的位置或分布而重新构建的脂质,具有各组成脂肪酸的特性,可增强其在食品、营养和治疗方面的功能。结构脂的生产方法主要有化学法和酶法。化学法生产结构脂存在很多缺点,如反应温度较高,脂肪酸消耗量大等,此外化学法只能得到随机插入的混合甘三酯,并易生成副产物。在酶法生产过程中,由于脂肪酶具有位置和立体专一性,其产物的化学组成和结构较化学法得到的更具有可预测性,且更易纯化,同时反应产生的副产物较少,有益环保。
 
ShimadaY等[11]研究了将德氏根霉(Rhizopusdelemar)脂肪酶固定在陶器载体上,用于各种油脂和辛酸的酸解反应,研究发现,为了增加辛酸的插入率,将收集得到的甘三酯与后面循环中的辛酸进行反应,循环几次之后发现,位于1,3-位的脂肪酸可被完全取代,而2-位的脂肪酸几乎保持不变,终产物纯度较高。
 
此外,SoumanouMM等[12]和SchmiU[13]等研究出两步合成1,3-二辛酸-2-油酸甘三酯的方法。第一步,在1,3-位置特异性脂肪酶的作用下,将纯的三油酸甘油酯脱酰基得到2-油酸单甘酯,再通过低温结晶将其分离;第二步,2-油酸单甘酯在特异性脂肪酶催化作用下与辛酸重新酯化,得到目的产物1,3-二辛酸-2-油酸甘三酯,该方法的关键在于抑制酰基转移的发生。
 
M.V.Reshma等[14]采用固定化的1,3位脂肪酶催化棕榈硬脂和米糠油混合物进行酯交换,得到零反式脂肪酸的起酥油。而常规的起酥油生产工艺是将植物油进行部分氢化,导致产生较多反式脂肪酸。酶法生产的起酥油具有更好的安全性。
 
由于酶法合成结构脂仍存在着酶价格较高、酶利用率低、酶本身稳定性差及易受干扰等问题,结构脂的酶法生产技术仍需进行深入研究。目前尚需进一步确定结构脂对免疫系统的影响,明确结构脂在体内的代谢过程,发展结构脂的生产技术,拓展结构脂的应用领域[15]。
 
7、油脂酶催化生产脂肪酸
 
将油脂与水一起在催化剂作用下生成脂肪酸和甘油的反应叫油脂水解反应,它在脂肪酸与肥皂工业上广泛应用。传统的油脂水解反应使用无机酸、碱及金属氧化物等化学物质作为催化剂,需要高温、中高压、长时间及设备耐腐蚀的条件,其成本高、能耗大、操作安全性差,而且产物脂肪酸颜色深或发生热聚合,不适用于热敏性油脂,如含共轭酸的油脂、易发生共轭化的油脂、易发生脱水的含羟基酸的油脂或含高不饱和脂肪酸的油脂及鱼油等。而以生物酶作催化剂的酶促水解则正好克服上述缺点,而且可以具有选择性,因此有利于减少副反应、提高目标产品脂肪酸的质量和收率[16]。
 
8、酶法富集不饱和脂肪酸
 
酶法富集多不饱和脂肪酸主要是利用多数脂肪酶对长碳链的多不饱和脂肪酸的作用性弱的特点。富集方法有:
 
1)两步酶法。第一步用对脂肪酸专一性差的脂肪酶将含PUFA的油脂完全水解,第二步用对PUFA催化性弱的脂肪酶催化承解液中非PUFA的游离脂肪酸酯化,再分离,来获得富含PUFA的脂肪酸。YShimada等用单胞菌脂肪酶水解含GLA22.2%的黑加仓籽油。再用代氏根霉脂肪酶催化水解溶液中脂肪酸与月桂醇酯化反应,可使游离脂肪酸中GLA的纯度提高到70%,二次酯化可进一步将其纯度提高到93%[17]。
 
2)对含PUFA的油脂进行进择性水解,减少甘油酯中非PUFA的脂肪酸含量,从而得到富含PUFA的甘油酯。这一方法也被用于对苏子油和月见草籽油中的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,与一般植物油脂相比,还含有较多量其它脂质成分。目前对微生物油脂研究和开发主要集中在利用微生物生产高附加值的特殊用途功能性油脂方面。利用微生物可生产含各种类型脂肪酸油脂,有单不饱和脂肪酸,如棕榈油酸、油酸等;多不饱和脂肪酸,如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸(AA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等;这些具有特殊生物功能和特殊用途的功能性油脂在促进人类健康方面具有越来越重要作用[19,20]。更重要的是微生物油脂生物安全性好,更有利于健康,这一点可抵消其价格略高缺陷。
 
γ-亚麻酸(γ-linolenicacid,GLA)、AA含量高的微生物相继在日本、英国、法国、新西兰等国投入工业化生产,日本、英国已有AA发酵产品投入市场。20纪90代以来,开发利用微生物进行功能性油脂生产已成为一大热点,如利用深黄被孢霉进行GLA生产,及利用微生物培养生产EPA、DHA等营养价值高,且具有特殊保健功能的油脂研究[21]。
 
我国在这方面起步较晚,武汉烯王生物工程有限公司曾于2000年引进中国科学院等离子体物理研究所的花生四烯酸高产菌发酵技术,在50t罐生产时,花生四烯酸含量在50%以上,干菌体得率超过3%,总油脂超过30%[22]。
 
利用微生物生产油脂具有很多优点[23]:微生物细胞生长繁殖快、生产周期短、代谢活动旺盛、易于培养;生长所需原料丰富,价格便宜,如淀粉和糖类,还可利用食品工业和造纸行业废弃物,如废糖蜜、木材糖化液等,而减少环境污染。用微生物发酵生产油脂,比传统农业生产油脂所需劳动力少,且不受季节和气候变化影响,能连续大规模生产,这些优点为微生物油脂生产提供广阔前景。同时,由于天然AA、EPA、DHA多富集于海洋动物油脂中,资源十分有限;且多不饱和脂肪酸具多种生理功能,其产品具有相当高经济价值。
 
三、昆虫油脂
 
昆虫的脂肪含量非常丰富,如JulietaRamosE博士对墨西哥86种食用昆虫的营养成分分析表明昆虫脂肪(干体)的平均含量为26.77±16.04%[24]。诸多研究结果显示:昆虫干体的脂肪含量一般在10%以上,许多昆虫的脂肪含量达30%,有的甚至高达77%。
 
昆虫不仅脂肪含量丰富,而且其脂肪酸组成也相当理想,许多昆虫含有大量的不饱和脂肪酸,比如亚油酸和α-亚麻酸[25]。研究表明[26],一些昆虫油脂,如黄粉虫幼虫、家蟋雌成虫、家蚕雄蛹、家蝇幼虫等的饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例趋近于当今营养学家们推荐的人体食用脂肪酸最佳比例标准,可作为天然的优质营养保健调和食用油。
 
另外,在昆虫油脂中含有磷脂和一些脂溶性维生素等天然活性产物。从已报道的几种食用昆虫体内富含有胡萝卜素,维生素A、D、E、K等,这些天然活性产物均具有极为重要的生理作用。
 
昆虫油脂中存在着自然界较为少见的奇数碳脂肪酸,其中以十五碳酸、十七碳酸较为多见。白蚁成虫、家蝇幼虫、家蝇成虫、蚂蝗中十七碳酸(17:0)比例均达到2%以上。研究表明,奇数碳脂肪酸具有独特的生理活性功能,特别是发现它们具有较强的抗癌活性。因此,一些研究者对昆虫油脂中奇数碳脂肪酸的富集及分离提取产生了浓厚的兴趣。
 
四、生物技术处理含油脂废水
 
油脂废水是一种重要的水污染源。传统的废水处理方法投资大、流程复杂,且存在二次污染的可能,微生物能将油脂作为生长的碳源和能源物质利用,从而消除油脂污染,因此对油脂废水进行微生物处理,操作简便,费用低廉,特别是不产生二次污染,备受人们关注。
 
生物处理的关键是菌种的选育,如采用诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等技术。高效菌株的筛选通常是在实验室中对降解油脂的微生物菌种进行人工分离,筛选出其中降解能力强的高效菌株,然后进行快速培育增殖,这是当前选育高效降解废水中油脂微生物的研究热点。K.Vijayaraghavan等[27]采用基于活性污泥的好氧方法处理棕榈油厂污水,得到了较好的效果。
 
五、生物技术处理油脂脱色废白土
 
用微生物处理废白土可充分利用资源且不会造成二次污染,是处理废白土的理想方法。Park等人[28]将含有40%棕榈油的脱色废白土用作丝状真菌的培养基生产核黄素。研究结果表明,不经过脱油的脱色废白土直接作为丝状真菌的培养基,所产核黄素的浓度是以纯棕榈油为培养基的1.5倍;且80%的油都被真菌所利用,脱色废白土的颜色也由最初的黑色逐渐变为黄色。刘绍等[29]人用微生物处理废白土的研究发现,根霉、米曲霉、酵母菌、毛霉均能分解废白土中的油脂,其中毛霉分解效果最好,在最佳条件下经过96h处理,可使废白土含油率从29.46%降低至3.67%。
 
六、生物技术在油脂检测中的应用
 
1、油脂中转基因成分检测
 
现在国内市场上的大豆油大部分都是从国外进口的转基因大豆加工而成的。而现在对于转基因食品的安全性还没有一致的看法。我国的国家标准也要求使用转基因原料的油脂要在标签上进行标注。而转基因成分检测就是使用PCR技术对油脂中的残留DNA片段进行扩增之后进行定性。
 
2、酶联免疫检测技术
 
如花生油中黄曲霉毒素的检测,利用具有高度专一性的单克隆抗体或多克隆抗体设计的黄曲霉毒素的免疫分析方法:将已知抗原吸附在固态载体表面,洗除未吸附抗原,加入一定量抗体与待测样品(含有抗原)提取液的混合液,竞争培养后,在固相载体表面形成抗原抗体复合物。洗除多余抗体成分,然后加入酶标记的抗球蛋白的第二抗体结合物,与吸附在固体表面的抗原抗体结合物相结合,再加入酶底物,在酶的催化作用下,底物发生降解反应,产生有色物质,通过酶标检测仪测出酶底物的降解量,从而推知被测样品中的抗原量。
 
七、生物技术在油脂行业应用中存在的问题
 
1、微生物油脂方面存在的问题
 
随着生物科学技术的发展,微生物油脂的研究将逐步走向成熟,尤其是根据各种产油微生物的培养条件及产油机理,研究微生物混合培养生产油脂,开发利用微生物油脂进行功能性油脂的生产,利用工业(特别是食品工业的)废水及废气进行微生物培养生产油脂,利用微生物油脂为生物柴油提供原料油脂等方面的研究具有广阔的应用前景。但是需要继续研究微生物油脂提取纯化技术,为微生物油脂大规模工业化生产打下基础。
 
2、酶辅助提取油脂方面存在的问题
 
纵观国内外的研究可以发现,许多文献中都提到了复合酶可以提高提油效果,却没有涉及各组成酶的具体比例,如何确定各酶的最佳比例,以达到提高出油率和降低酶成本的双重目的,还有待研究。虽然酶的造价不断降低,但酶的成本相对于油脂行业来说仍然较高,现今的酶解工艺都是在酶解结束后通过钝化酶达到使酶失活的目的,这无疑是一种资源的浪费,如何回收酶以降低生产成本也成为能否推动水酶法工艺向前发展的关键问题。
 
3、酶法精炼的问题
 
酶作为生物催化剂具有高效性、高选择性、反应条件温和等优点,被公认为对环境无害绿色催化剂。将酶技术应用到油脂精炼工业中,将很大程度上解决环境污染问题。现随生物工程、基因工程和固定化酶技术不断进步,已部分解决了酶源不足、酶使用成本高、稳定性差和易失活等问题,为酶在油脂工业中利用铺平了道路。因此,酶技术在油脂工业生产中将有广阔应用前景,代表未来油脂工业发展方向。
 
4、酶促酯交换的问题
 
利用脂肪酶催化交酯化改变油脂的结构,不仅提高了低质油脂的价值,而且改善了脂质的营养和功能性质。但由于脂肪酶价值昂贵,生产成本高,还没有在工业化大生产中得到推广。因此,在今后的研究中,一方面通过不断选育优质菌种及选择合适的酶固定化技术,提高脂肪酶活力和稳定性,促进构造脂质的合成效率,另一方面,选择适宜的反应器和分离手段,降低成本,生产更多的改性油脂以满足人们日益增长的营养需求。
 
八、生物技术在油脂中的应用展望
 
生物技术的快速发展将改变油脂行业传统的生产模式,提高生产效率。生物技术在油脂中的大量应用,使原来比较恶劣的生产条件变得比较温和,可以减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,生物技术在油脂工业中必将会有更为光明的未来。
 
参考文献
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