微生物油脂結構分析及安全性的研究進展

范馨文,呂淑霞,2,*,趙雄偉,孫劍鋒

(1.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110161; 2.沈陽農業大學生物科學技術學院,遼寧沈陽 110161; 3.河北農業大學科教興農中心,河北保定 071000; 4.河北農業大學食品科技學院,河北保定 071000)

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微生物油脂結構分析及安全性的研究進展

范馨文1,呂淑霞1,2,*,趙雄偉3,孫劍鋒4

(1.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110161; 2.沈陽農業大學生物科學技術學院,遼寧沈陽 110161; 3.河北農業大學科教興農中心,河北保定 071000; 4.河北農業大學食品科技學院,河北保定 071000)

通過國內外對微生物菌種的安全性分析以及微生物油脂的安全性評價,并對微生物油脂的脂肪酸組成與甘三酯結構進行研究,以及對微生物油脂氧化動力學、結晶動力學等物性的分析比較,提出微生物油脂結構與安全性的關聯性,并對目前微生物油脂的應用進行了簡單的介紹。分析微生物油脂的安全性與油脂結構之間的關系對微生物油脂在食品行業方面的應用具有重要意義。

微生物油脂,結構分析,安全性

微生物油脂(microbial oils)又稱單細胞油脂(single cell oil),主要由酵母菌、霉菌、細菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳源、氮源、輔以無機鹽發酵產生的油脂[1]。甘油三酯(Triacylglycerol,TAG),亦稱甘三酯,是微生物油脂中最主要的成分[2],根據脂肪酸的種類不同可以將甘油三酯分為單甘油酯,對稱性甘油酯及非對稱性甘油酯,油脂的安全性、營養特性及功能特性主要是由甘油骨架上的脂肪酸種類及分布情況決定的。其次,微生物油脂結構分析還包括油脂的物性學分析,油脂的理化性質對其品質、營養特性及安全性方面具有重要影響,尤其是油脂的熱穩定性、氧化動力學、結晶動力學等,為油脂產品的開發利用奠定了基礎。因此,基于微生物油脂的安全性評價和營養學分析,對于微生物油脂的結構鑒定至關重要。近年來,國內對微生物油脂的研究主要集中在微生物的發酵培養條件選擇以及油脂的提取精煉過程[3],對微生物油脂的發酵條件、提取優化、微生物的篩選等內容研究較多,而對于微生物油脂的營養價值及結構分析的研究鮮有報道,尤其是微生物油脂的安全性應備受關注。在美國、日本等國家,已經開始逐漸研究微生物油脂的食用性及安全性,且已經開發出花生四烯酸、DHA微藻粉、亞油酸等產品并應用于功能食品中。盡管一些功能性食品已經問世,但是對于微生物油脂的結構分析,油脂的結構與安全性的關系,油脂的結晶融化行為與結構的探索仍是研究的重點。因此,微生物油脂的品質、營養價值和安全性將成為今后研究的重要方向,具有廣闊的研究前景。本文主要從產油微生物的菌體種類、脂肪酸組成與甘油三酯結構分析等方面闡述微生物油脂結構分析與安全性研究的最新進展情況。

表1　常見油脂微生物(部分)

1　食用微生物油脂的安全性

微生物油脂要想作為一種新型功能性油脂被人們所接受,其安全性至關重要,微生物油脂的安全性主要包括在發酵過程中菌種的安全性以及對發酵產生的油脂安全性。

1.1產油微生物的種類

目前國內外研究最多應用于食品中的產油微生物主要是單細胞藻類,主要利用裂壺藻(Schizochytrium)等發酵生產DHA油并應用于功能性食品中,尤其是嬰幼兒的奶粉中[4]。但并非所有的產油藻類都得到了安全認證,我國衛生部相繼批準了寇氏隱甲藻(Crypthecodinium)、裂壺藻(Schizochytrium)、吾肯氏壺藻(Ullkeniaamoeboida)為食用性安全藻類,利用它們發酵產生的DHA藻油同時被批準為新資源食品[5]。很多企業利用藻類生產DHA、ARA功能性油脂已經相對成熟,并且純度較高,已投入生產,并應用于嬰兒奶粉等功能性食品中。

其次,應用較多的產油微生物為霉菌,應用于食品中的霉菌主要用于發酵生產不飽和脂肪酸,國內外大多數企業利用被孢霉屬生產亞麻酸、花生四烯酸等微生物油脂,并作為食品添加劑應用于食品中。

另一類產油微生物為酵母,一般油酸是酵母中最豐富的脂肪酸,其次是亞油酸[6]。因此國外有研究人員利用假絲酵母(Candidacurvata)發酵油酸,測定其甘三酯組成后發現可替代可可脂并應用于食品中[7]。

目前應用最少的為細菌,主要有嗜酸乳桿菌(L.AcidophilusCRL640)等[8-9]。細菌在食品中的應用很少,原核的細菌主要是合成一些特殊的脂類如可可脂,代可可脂等,因此研究不多。主要的產油微生物見表1。

1.2微生物油脂的安全性評價

微生物產生的油脂中是否含有有毒有害物質如反式脂肪酸等物質,是需要科研人員通過一系列實驗驗證的,只有確保微生物油脂的安全性,才能為今后微生物油脂代替植物油脂的可行性提供基礎。

目前,國內的研究學者對微生物油脂中可能含有的有害物質進行初步研究。陳明鍇等人[10]對微生物油脂微膠囊(含有20%亞油酸和10% γ-亞麻酸)進行毒理實驗,通過急性毒性實驗,遺傳毒性實驗和30 d喂養實驗,觀察其安全性,最終的結果表明:以無特定病原體級(Specific Pathogen Free,SPF)昆明種小鼠為實驗目標,對其進行經口灌胃給藥,小鼠骨髓嗜多染紅細胞微核實驗,小鼠精子畸形實驗以及30 d喂養實驗,最后得出灌胃劑量為13.2 g/kg時小鼠在兩周內并未出現中毒現象,也未死亡;通過致突變實驗結果呈現陰性,通過30 d喂養實驗各小鼠的生理生化指標均表示正常,因此實驗初步證明含有20%亞油酸和10% γ-亞麻酸的微生物油脂微膠囊安全無毒。

杜芳芳等人[11]對微生物油脂中氯丙醇酯的可能性進行了闡述,分析了微生物油脂中氯丙醇酯的可能形成原因:第一,長時間發酵的微生物油脂經過提取分離后所得到的毛油中可能會含有一部分氯離子,在進行下一步精煉加工時可能會將含氯的物質引入微生物油脂中。其實氯離子不易進入油脂中,但是當生產體系里含有鹽類、含磷化合物、甘油、甘一酯、甘二酯、類胡蘿卜素等物質時,氯離子與油脂作用形成3-MCPD酯的可能性會大大加強。第二,高溫處理是油脂精煉過程中的關鍵因素,這也是形成氯丙醇酯的重要原因。

國外的一些研究人員同樣對微生物油脂的安全性進行初步研究,相關學者對微生物發酵產生的花生四烯酸進行了毒性分析;歐洲食品安全局對真菌產生的ARA進行急性毒性、慢性毒性、及與雌激素受體的結合活性的研究,結果表明其真菌產物安全無毒,且不皂化物和甾醇的結合性較低[12];Lina等[13]、Fukazawa等[14]及H Streekstra等[15]對ARA油脂的亞慢性毒性、基因毒性、潛在變應原性進行實驗分析,結果表明高山被孢霉發酵產生的ARA油脂無毒性,同時也不存在基因毒性,并且其潛在變應原性較低,可認為不存在;Rahn AKK等[16]及Zulkurnain M等[17]對于食用油脂中氯離子的進入方式進行研究,結果表明氯離子的形成及進入反應體系中是造成油脂安全性最重要的原因之一,氯離子是形成氯丙醇酯的前提,因此有效去除氯離子及如何避免氯離子的進入是目前很多學者的研究重點。

2　微生物油脂結構分析的研究

2.1脂肪酸組成與甘三酯結構分析

我國對于微生物油脂的研究大多數集中在對微生物油脂產量加工方面的研究,對其油脂的脂肪酸組成成分分析只進行了簡單的氣相分析,而對于其甘三酯的組成及結構的測定研究較少,尤其是對于微生物油脂與植物油的甘三酯結構分析比較鮮有報道。孫協軍[18]等人通過對鹽藻粉,螺旋藻粉和小球藻粉的油脂提取,利用氣相色譜法分析了三種藻油的脂肪酸組成,結果表明,3種微藻主要的脂肪酸組分均由C16～C18之間的飽和及不飽和脂肪酸組成。其中的鹽藻和小球藻油主要由棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等脂肪酸組成。

胡珺等[5]采用氣質聯用法(GC-MS)對富含花生四烯酸的微生物油脂的兩種形態(液態油和固態脂)的脂肪酸和甘油三酯的組成進行了測定,最終結果表明,在液態微生物油中共鑒定出了42種分子質量的TAG,在固態脂中共鑒定出49種分子質量的TAG。在其液態油中,甘油三酯類型主要以UUU型為主(U為不飽和脂肪酸),占總體比例的40.5%(固態脂為34.9%),在固態脂中,甘油三酯類型以SUU型為主(S為飽和脂肪酸),占總體比例的41.3%(液態油為32.4%),TAG類型的不同,很有可能是導致兩種狀態理化性質不同的原因。

目前國內對微生物油脂結構的研究多停留在對油脂的脂肪酸組成及甘三酯組成分析方面,在國外,已有學者將結構與理化性質聯系在一起,進行深入的研究。Edmund D Co等[19-20]研究了單細胞藻油結構與理化性質的關系,實驗比較了兩種不同分子組成單細胞藻油的功能性,分別測定藻油A和藻油B的脂肪酸組成、甘三酯結構、微觀結構及機械性能,結果表明兩種不同組成的脂肪酸結構其熔點可以是相似或一致的,他們的機械性能可以與甘三酯的結構無關,即當條件達到一致時,即使兩種藻油的甘三酯結構不同,但是其熔點相似。相反,當兩種藻油的甘三酯結構相似,其機械性能有一定的差別,這可能是由于其微觀結構的形態學所導致的。

2.2微生物油脂的物性學分析

油脂的理化性質對于油脂的品質以及應用都非常重要,尤其是油脂的熱穩定性、氧化動力學、結晶動力學等為油脂產品的開發利用奠定了基礎。油脂的融化性質、結晶性質等性質與甘三酯的聚合程度有很大的關系,因此油脂的物性與甘三酯結構密切相關。目前對于食用油的理化性質如氧化動力學,結晶動力學等研究日益深入,但是對于微生物油脂的物性學分析研究正處于起步階段,而微生物油脂的物性學分析對于微生物油脂產品的開發和利用具有重要意義。

目前,用于研究油脂物性學最常用的方法就是差式掃描熱量法(DSC),很多學者正在研究將DSC結合其他的檢測手段共同應用于油脂物性分析中。DSC可以記錄油脂隨不同溫度的變化而發生的結晶、融化、晶型轉變等各種由于相變所引起的熱流變化,從而達到測定油脂的成分組成、結晶動力學和氧化動力學等理化特性[21],不同的晶體結構對于油脂的應用很重要。不同的溫度下,在油脂中會出現同質多晶現象,同一種油脂在不同的結晶條件下可以生成不同的晶體[22],甘油三酯存在α、β′、β三種不同的晶型,其穩定性逐漸增大。不同的晶型對于油脂產品的口感不同,因此,油脂的同質多晶體在油脂工業中的用途非常多,可以根據特殊晶型的油脂制備不同產品的口感要求。借助DSC檢測手段,研究微生物油脂物性學,為微生物油脂結構與安全性關聯系研究提供技術支持。

謝賀等[23]對人造奶油的結晶行為進行研究分析,運用DSC法測定油脂的非等溫結晶過程,最后得出人造奶油中的棕櫚硬脂的融化性質較好,在低溫保存的條件下不會有液態油析出。根據謝賀等的思路可以分析得出,研究微生物油脂的物性學可以為今后微生物油脂的生產及產業化提供理論依據。

Edmund D Co等[20]和Joséphine K等[24]研究了單細胞藻油理化性質與結構的關系,文中采用DSC研究兩種類型微藻油的熱力學變化,并結合X-衍射分析出微藻油的微觀結構。最后得出了微藻油不同的結晶動力變化與其甘三酯結構有關,并且PPO甘三酯結構的晶型可以促進油脂的穩定性。

根據相關學者對微生物油脂及植物油的物性學研究分析可以得出,油脂的物性學與油脂的甘三酯結構有一定的關系,具體聯系有待于學者進一步研究。

3　微生物油脂在食品方面的研究進展

目前微生物油脂在食品中的應用主要集中在開發ARA單細胞油脂及DHA單細胞油脂,并將其應用于嬰幼兒奶粉中。美國、加拿大、澳大利亞等其他歐洲國家早在1994年就已經批準將ARA、DHA作為食品添加劑應用于在孕嬰食品中,迄今為止,在美國市場將近90%的嬰幼兒奶粉中都含有ARA、DHA。在我國,衛生部已經通過了馬泰克DHA藻油的新資源食品認證,推薦普通人群的DHA口攝人量為160 mg,孕期和哺乳期婦女為200～300 mg[25]。2010年3月,我國衛生部批準ARA單細胞油脂和DHA單細胞油脂作為新資源食品,在符合相關要求條件下允許應用在嬰幼兒食品[26]。目前,國內的亨氏、亞華乳業、貝因美等食品廠已經開始將微藻油添加到奶粉中,以提高產品中DHA含量。

對于微生物油脂在食品中的應用,很多研究者正在積極的探討中,表2中列舉了微生物油脂應用于食品中的研究進展情況。從表2中可以看出,目前應用于食品中的微生物油脂主要是微藻類,對于其發酵條件的研究已經非常成熟,但是對于油脂結構與功能性質的關系仍需要進一步探索。

表2　微生物油脂在食品方面的研究進展情況

4　結論

目前對于微生物油脂的菌種培育方法主要采用常規的微生物培養方法,很多學者嘗試利用不同的發酵廢棄原料以期提高產油量,并且可以解決廢棄物的再利用問題。在我國,油脂的加工提取工藝已經逐漸趨于成熟,對于微生物油脂的提取工藝主要采用溶劑提取法,這與植物油的提取方法相似,目前由少部分菌種發酵出的油脂已經被廣泛應用于功能性食品中,成為一種商業化產品。但同時存在著一定的問題,微生物油脂與植物油脂的差別是什么？其甘三酯結構是否不同？若有不同則其對安全性有何影響？利用微生物發酵產生的油脂能否替代植物油,從而滿足食用油脂市場的需求？這些問題有待于學者們進一步研究。

從生物角度上分析,不同微生物發酵產生的油脂結構變化與微生物自身的發酵代謝機理研究較少,而采用生物技術手段發酵的特殊油脂其生物穩定性較低的問題還有待于進一步解決。對于微生物油脂的可食用性是目前研究的熱點,但是對于微生物油脂的結構與安全性的關系研究較少,微生物油脂與植物油的甘三酯結構分析比較研究更是鮮有報道,而對于微生物油脂是否能成為新型的食用油,其品質與安全性非常重要,微生物油脂中氯丙醇酯含量研究,飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸及反式脂肪酸等有害物質的研究及減少方法將會成為今后研究的方向,因此研究微生物油脂的結構變化及其安全性還需要大量研究人員共同努力完成。

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Research progress on the structure and security of the microbial oil

FAN Xin-wen1,LV Shu-xia1,2,*,ZHAO Xiong-wei3,SUN Jian-feng4

(1.College of Food Science,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161,China; 2.College of Bioscience and Technology,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161,China; 3.The Centre of Developing Agriculture through Science and Education,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China; 4.College of Food Science &Technology,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,China)

Microbial safety analysis and microbial oil safety evaluation,the fatty acid composition and triglyceride structure of microbial oils,the physical property of microbial lipid contain oxidation kinetics and crystallization kinetics were analyzed through the domestic and abroad. Compared the relevance of microbiological lipid structure and safety is necessary. Then the research of microbial oils on the current status were introduced. The relationship between the safety of microbial oil and the structure of the grease is important for the application of microbial oil in food industry.

microbial oils;structure analysis;safety

2015-11-09

范馨文(1987-)，女，在讀博士研究生，研究方向:油脂化學,E-mail:fanxinwen@163.com。

呂淑霞(1963-)，女，博士，教授，研究方向:微生物生化與分子生物學,E-mail:lushuxia@syau.edu.cn。

TS225.6

A

1002-0306(2016)10-0368-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.068