脂肪酶的應用進展

劉明麗，李崇萍，劉琨毅,，安江珊，馬燕，趙明,

1.云南農業大學龍潤普洱茶學院（昆明 650201）；2.西南中藥材國家地方聯合工程研究中心，藥用植物生物學重點實驗室（昆明 650201）；3.宜賓職業技術學院五糧液與食品工程學院（宜賓 644003）

脂肪酶（Lipase EC 3.1.1.3）是一類特殊的酯酶，能水解三酰甘油酯為脂肪酸、二酸甘油酯及甘油等，其天然底物一般是不溶于水的長鏈脂肪酸?；1]。它的分子由親水、疏水兩部分組成，活性中心靠近分子疏水端，結構中的催化活性中心是由絲氨酸-組氨酸-天冬氨酸/谷氨酸組成的催化三聯體結構[2]，催化反應后可使酯類化合物的分解、合成和酯交換，從而形成芳香酯。另外，作為一種重要的生物催化劑，可催化不同底物的水解和合成反應，這些催化反應一般具有立體選擇性、副反應少、反應條件溫和、不需輔酶及可用于有機溶劑等特點[3]，這個特性保證其在食品加工、飼料工業、乳制品、生物醫藥、生物柴油、洗滌劑等多個領域都有著廣泛應用。該文就微生物脂肪酶的來源與制備，以及其在食品工業等領域的應用進行綜述，以期為脂肪酶的相關研究提供參考與借鑒。

1 脂肪酶的來源與制備

脂肪酶廣泛存在于動物、植物組織及多種微生物，種類最多的脂肪酶存在于微生物，而國內外已報道的微生物脂肪酶來源有細菌、酵母和真菌等。據統計產脂肪酶的微生物屬，包括細菌28個屬，真菌23個屬[4]。由于真菌脂肪酶具有高效、反應條件溫和、無毒等優點遠比細菌脂肪酶多，因而得到快速發展[5]。真菌脂肪酶主要源于黑曲霉（Aspergillus niger）、南極假絲酵母（Candida antarctica）、根霉（Rhizopus arrhizus）、米曲霉（Thermomyces Lanuginosus）、皺褶假絲酵母（Candida rugosa）等[6]；細菌脂肪酶主要源于假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽胞桿菌屬（Bacillus）、伯克霍爾德菌（Burkholderia）等[7]。由于微生物資源豐富、種類多、繁殖快，工業化生產脂肪酶的時間短，且成本低純度高，因此微生物脂肪酶是工業用脂肪酶的重要來源。

要獲得脂肪酶，首先要分離出能夠產酶的微生物，因此一套好的菌株分離及篩選方法顯得尤為重要。Haq等[8]從石油污染的土壤中分離到一株脂肪酶產生菌為短桿菌屬（Brevibacterium）；肖海群[9]從50份不同地點采集含油的土樣中，在以橄欖油為底物、溴甲酚紫為指示劑的平板培養基上分離、篩選到兩株脂肪酶產生菌，包括裂殖酵母屬和假絲酵母屬；Cai等[10]從富油土壤中分離到8株產脂肪酶菌株，其鑒定為假單胞菌屬。

微生物脂肪酶的生產主要有液態發酵和固態發酵2種方法，而大多工業生產上常采用液體深層培養法生產脂肪酶。為篩選高產脂肪酶的液態發酵工藝，劉斌等[11]采用豆餅粉和麩皮對根霉脂肪酶液態發酵條件進行研究，接種量2 mL（1×107CFU），28 ℃培養時，可獲得較高脂肪酶活力。穆文俠等[12]對產堿性脂肪酶的海洋青霉菌采用液態發酵，培養基組成包括葡萄糖，大豆油，蛋白胨等，發酵條件進行優化后脂肪酶的活力可達17.43 U/mL。Benjamin等[13]利用液態發酵在酵母培養基中添加尿素、麥芽糖、橄欖油和礦物質生產脂肪酶，使得脂肪酶最大合成量為12.55 U/mL。另外，為篩選高產脂肪酶的固態發酵工藝，Babu等[14]采用不同的混合底物對固態發酵生產胞外脂肪酶進行研究，優化培養基的含水量、含碳量和含氮量等參數，最終脂肪酶活性最高可達9.3 U/g。Imandi等[15]研究在固體發酵條件下，利用溶脂酵母生產胞外脂肪酶，對培養基的培養時間、接種量、初始含水量和碳水平等參數進行優化，使得發酵4 d后脂肪酶活性最高可達18.58 U/g。楊金梅等[16]研究茶葉固體發酵中18株散囊菌的水解酶活性，其中平板檢測中有6個菌株表現脂肪酶活性。因此，可以看出采用固液態發酵生產微生物脂肪酶，在工業生產中是較為常用的方法。

2 脂肪酶的應用

脂肪酶作為一種重要的生物催化劑，可催化不同底物的水解和合成反應。這個催化特性使它在食品加工、乳制品、飼料工業、生物能源、生物醫藥、洗滌劑、紡織品等領域均有應用，尤其是在食品方面的應用更為廣闊。

2.1 脂肪酶在食品工業的應用

2.1.1 脂肪酶在面食加工中的應用

近幾年，以酶制劑代替代學品作為面粉改良劑成為熱點。脂肪酶作為面包粉添加劑酶制劑，利用它催化甘油三酯水解生成甘油二酯、甘油一酯或甘油，可使面團的筋力增強，增大面包的體積和提高面包的入爐急脹等。Li等[17]采用動態流變儀和掃描電鏡對添加根霉脂肪酶的面團流變特性和微觀結構進行測定，結果表明根霉脂肪酶提高含面筋的強度和彈性。魏巍等[18]研究在面粉中添加脂肪酶等酶制劑對烘焙品質的影響，試驗結果表明脂肪酶添加量在10～20 mg/kg時老化速度較慢。錢忠英等[19]探究重組疏棉狀嗜熱絲孢菌脂肪酶能明顯增大面包比容，降低面包硬度，氣味和組織結構的感官得分也是最佳。隨著食品工業的快速發展，脂肪酶在食品工業中面食方面的其他應用將越來越廣泛。

2.1.2 脂肪酶在酒類加工中的應用

脂肪酶被證實可合成一系列芳香酯[20-21]，可用于白酒增香或強化發酵復糟酒等。如李站勝等[22]以濃香型白酒丟糟為研究對象，研究南極假絲酵母脂肪酶B的反應時間等工藝條件對復糟酒酯化效果的影響，結果表明添加脂肪酶的增酯增香效果好。翟磊等[23]對不同發酵階段的大曲樣品進行產脂肪酶的微生物菌種的篩選與鑒定，結果發現其中產脂肪酶微生物是形成特殊風味物質的關鍵，為產脂肪酶提供出發菌株，也為芝麻香型白酒香氣成分的解析奠定理論基礎。王丹丹等[24]為探究白酒中四大酯的可逆合成與分解規律，采用南極假絲酵母脂肪酶在水相和有機相中進行酯化反應，試驗結果表明對白酒風味酯的形成原理及生產合成具有參考價值。

2.1.3 脂肪酶在肉類加工中的應用

隨著食品生物技術的發展，利用酶法合成的類似香料的風味化合物，可在肉品加工時添加，不僅能使肉的保鮮時間加長，也可以改善肉的品質[25]。脂肪酶作為工業重要酶制劑之一，能使酯類化合物的分解、合成從而形成芳香酯，因而在肉類加工中具有應用潛力。封莉等[26]為提高高溫短時烘烤的中式香腸的品質，在肉中添加脂肪酶分析中式香腸脂質降解及揮發性風味物質等的影響，結果表明添加脂肪酶能有效加速中式香腸中的脂肪降解和脂肪氧化，促進香腸中脂質來源的揮發性風味物質的生成。Krasnoshtanova[27]通過從肉制品加工副產品中提取酶解蛋白和脂類水解酶提高工業物質酶解效率。You等[28]研究酶學方法在食品加工中的應用，表明脂肪酶是可用于對傳統的肉制品進行改良以生產出更均衡的功能性肉制品。因此，在肉制品加工過程中添加脂肪酶，不僅可以增加風味前體物質的積累，還有利于促進肉制品風味物質的生成。

2.1.4 脂肪酶在茶葉加工中的應用

趙和濤[29]分析茶葉中的酶及在制茶中的應用，概述茶葉中水解酶的酯酶類，其中脂肪酶為重要代表。Patti等[30]采用不同來源的脂肪酶篩選Mucor miehei脂肪酶制備3-O-?；瘍翰杷?，其中包含2種合成途徑，通過制備得到3-O-棕櫚酰化兒茶素。向小樂[31]采用2種不同方式超聲作用，研究脂肪酶催化茶葉籽油水解的工藝條件，最終優化的工藝條件使水解率達72.25%。方洪楓等[32]利用混菌發酵綠茶產脂肪酶，研究脂肪酶活性對酯型兒茶素的水解作用，結果表明脂肪酶對EGCG和ECG的生物轉化將為兒茶素代謝途徑的研究和單體兒茶素的生產起到促進作用。在不同的茶葉加工過程中，不同的酶催化、氧化和水解都會導致茶葉品質的形成。而茶葉脂質作為脂肪酶的底物，在整個加工過程中脂類物質含量與種類不同可能導致脂肪酶水解茶葉中部分的有效成分，但具體作用于那些脂類化合物及酯類途徑均未知，后續需進一步研究以促進酶學在茶學中的應用與發展。

脂肪酶水解產物的脂肪酸類本身就具有香氣，對茶葉展現的香氣有重要貢獻，而且還是芳香揮發物的重要前體物質，氧化降解后可產生其他環狀香氣產物，如茉莉酮和茉莉酸甲酯等[33-35]。馬超龍等[36]分析茶葉加工過程中脂肪酸氧化降解對茶葉香氣品質的影響，其中普洱茶樣品中不飽和脂肪酸占脂肪酸總量的76.69%，對香氣品質具有重要影響。劉勤晉等[37]分析普洱茶香味成分，其香氣成分大多為脂肪酸和其他化合物在制造過程中氧化降解的產物。另外，微生物參與的后發酵是普洱茶等黑茶加工的關鍵環節，前期筆者課題組應用宏蛋白組學技術，在普洱茶發酵樣品中鑒定到多個脂肪酶，這些脂肪酶是否參與發酵中脂肪酸等物質的變化，進而影響茶葉香氣有待進一步研究[38]。

2.2 脂肪酶在飼料工業的應用

脂肪酶是脂肪代謝最基本的酶，在飼料工業中可以改善動物內源性消化酶不足的缺點，促進脂肪的消化及動物的快速生長。在生物體內，脂肪酶的主要作用是消化分解外來的脂肪，促進細胞內脂類的分解代謝。Tan等[39]研究表明在含高脂的飼料中添加脂肪酶不僅可以提高豬、禽等4%～10%的增重速度和2%～7%飼料利用率，還可以減少糞便的排泄量。楊玉靜[40]、劉德海等[41]、程瑛等[42]對脂肪酶在飼料工業的應用與研究進行綜述，表明在飼料中添加脂肪酶酶能釋放脂肪酸，提高飼料的香味和風味。隨著時代的發展，養殖人員對飼料數量的需求不斷增加，為滿足動物快速正常生長的需求，就必須要不斷提高飼料的消化與利用，使脂肪酶成為一種必需的飼料添加劑。

2.3 脂肪酶在生物能源中的應用

脂肪酶可以催化酯交換、酯轉移、水解等反應，主要作用是可以促進油脂水解、酯交換和酯化反應進行[43]。在油脂工業中，生物柴油以前主要以動植物油脂為原料制造可再生能源，現在大力發展大型海洋藻類資源作為原料替代部分燃料，有利于解決中國能源缺少的問題。最典型的生物柴油是脂肪酸甲酯，用脂肪酶作催化劑制備生物柴油是一系列水解和酯化的過程，具有反應條件溫和、甘油易回收和無廢物產生等優點，受到越來越多的關注。Bharathiraja等[44]利用海洋大型藻類為材料，以重組畢赤酵母作為催化劑開發生物柴油，結果表明穩定構建的畢赤酵母生產生物柴油的產率達到85%以上，反應結束時依然保持其脂肪酶活性。因此，采用酶法合成生物柴油是一個有潛力的生物催化過程，也是將脂肪酶用于商業生產生物柴油的一個重要方向。

2.4 脂肪酶在洗滌劑工業中的應用

日常生活中洗滌劑配方中的表面活性劑主要為脂肪酶。由于許多衣物上的脂肪食品污漬大多由甘油三酯組成，而甘油三酯又是脂肪酶的天然底物，所以脂肪酶的去污效果主要表現在它能分解油脂生成親水性的脂肪酸[45]。Bacha等[46]從橄欖油廠土壤中分離到一株產熱堿性脂肪酶的菌株，在40 ℃預培養1 h后，表現出良好的穩定性及與各種商業洗滌劑的相容性，該結果表明該脂肪酶可作為洗滌劑配方添加劑的潛力。Chauhan等[47]采用響應面對金黃色葡萄球菌脂酶作為洗衣粉添加劑的除油效果進行建模和優化，得出以0.69%洗滌劑、47.37 U脂肪酶、pH 7.2、溫度37.18 ℃的工藝參數。過去十幾年的研究更多的是去了解洗滌過程中污漬去除的機理及去污效果的工藝優化，而今后的目標更多的應該是傾向于挖掘更高效、更穩定性的新型脂肪酶以應用于工業。

作為一種生物催化劑，脂肪酶除了在上述工業中的應用，也包括在生物醫藥、食用油脂、乳制品、紡織品、化妝品、皮革加工等工業領域中的應用。

3 結語與展望

近年來，隨著現代分子生物學突飛猛進的發展，脂肪酶相關研究不斷進步。目前已測定和克隆表達了米根霉[48]、南極假絲酵母[49]、黑曲霉[50-51]、枯草芽孢桿菌[52]、疏綿狀嗜熱絲孢菌[53]等眾多的微生物脂肪酶基因序列，今后可多從基因工程方面著手，研究特殊環境中耐高溫、耐酸、耐堿的微生物脂肪酶的性質、結構及其功能。特殊環境的脂肪酶可能在油脂化工、生物柴油、洗滌劑、造紙工業、皮革加工、聚合物合成等領域的具有更重要的應用價值。隨著酶學研究的進步，肪酶特性研究不斷深入，脂肪酶在食品等工業領域的應用將更加廣闊。