淺談嗜熱脂肪芽孢桿菌脂肪酶應用研究進展

韓 偉

(河南護理職業學院 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的培養基生長良好。嗜熱脂肪芽孢桿菌為革蘭陽性菌，細菌呈長桿狀、底端呈圓形，細菌在營養瓊脂培養基上菌落呈米黃色，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，因此常用于驗證滅菌設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準菌株收錄，我國衛生部也將該菌株作為壓力蒸汽滅菌效果評價標準檢測菌株列入《消毒與滅菌效果的評價方法和標準》和《消毒技術規范》(2002版)，國家質量監督檢驗檢疫總局也將其作為濕熱滅菌生物指示劑列入《醫療保健產品滅菌生物指示劑》標準中。嗜熱脂肪芽孢桿菌繁殖體營養要求不高，普通的營養瓊脂培養基細菌體即可生長，該菌在代謝過程中會產生脂肪酶，脂肪酶是重要的工業酶制劑品種之一，可以催化解脂、酯交換、酯合成等反應，廣泛應用于工業生產。本文通過對嗜熱脂肪桿菌產生的脂肪酶的特性、產生條件、應用范圍等方面的進行綜述，希望對脂肪酶應用的進一步研究提供研究方向。

2 脂肪酶概述

脂肪酶，又稱三酰基甘油酰基水解酶，基本組成單位為單純的氨基酸，通常只有一條多肽鏈，催化活性由蛋白質的結構決定。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。可水解的底物一般為不溶于水的長鏈脂肪酸酰基酯如三脂酰甘油酯等，催化反應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和合成反應，且完成的催化反應不需要輔酶，反應的條件相對溫和，反應過程中副反應少，這些特性優勢使脂肪酶在油脂加工、食品、醫藥、日化等工業中應用廣泛。

3 嗜熱脂肪芽孢桿菌產脂肪酶發酵條件

脂肪酶可在多種微生物中代謝產生，主要的產酶菌為霉菌和細菌，嗜熱脂肪芽孢桿菌就是一種典型的產脂肪酶菌株。嗜熱脂肪芽孢桿菌培養基配比(g/L)：蛋白胨10，酵母提取物5，氯化鈉10。pH7.0，65℃水浴搖床培養嗜熱脂肪芽孢桿菌。培養細菌所提取脂肪酶活性與溫度、pH等均有關系 ，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 脂肪酶在工業中的應用

4.1脂肪酶在醫藥生產中的應用

脂肪酶是人體脂肪代謝最基本的催化酶，可以促進脂肪的代謝分解，降低血脂，可以通過外部調節脂肪酶幫助人體消化作用，促進人體新陳代謝。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，可用于預防和治療高血脂。由于脂肪酶可以作為藥物作用靶點、標記物，所以可以將脂肪酶作為脂血病、胰腺炎等疾病的臨床檢驗依據。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，可利用這些特性進行消旋體藥物的手性拆分研究，手性拆分反應條件溫和、副作用少、耗能低，比物理、化學拆分法更具有工業應用潛力。研究表明脂肪酶可對二芳基丙酸類藥物進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，工業中利用芽孢桿菌分泌的脂肪酶，以凝膠基質為底物經過國定化后，在55℃，pH9.5的條件下，可以高度轉化水楊酸甲酯，在藥物生產中已廣泛應用。

4.2脂肪酶生產脂肪酸

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中廣泛應用的原料。花生油、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，提高油脂的營養價值。脂肪酶的催化反應條件相對溫和，可以在自然的溫度和壓力下進行，催化反應的產物顏色、氣味好，且副反應少。傳統工業條件下的高溫環境可以將不飽和脂肪酸氧化，而脂肪酶催化反應條件溫和可以直接產生不飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸是可以有效調節人體代謝活動，還可以提高智力，預防、治療心腦血管方面的疾病。此外傳統工業用蒸汽裂解法以蓖麻油為原料生產蓖麻酸，但是此過程中會有脫水、內酯化等副反應，為避免此類情況，工業中可利用脂肪酶通過水解作用產生蓖麻油，實現蓖麻油生產的新工藝。

4.3脂肪酸在皮革、紡織工業中的應用

在皮革生產加工中，皮革和毛皮有一層緊密相連的殘余脂肪層，傳統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度。在皮革、紡織工業生產中，脂肪酶可以分解掉儀器元件上的油污，提高產品的潔凈度和產品質量。

4.4脂肪酶在生物能源的應用

隨著社會的不斷發展，人類對石油、燃氣、煤炭等能源的依賴越來越強，這些能源作為不可再生能源在不斷消耗，太陽能、風能等能源的應用技術還不成熟，開發生物能源是社會發展趨勢，其中生物柴油是發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，經過水解、酯化，最終產生單甘酯和脂肪酸。脂肪酸與短鏈醇進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。

4.5脂肪酶在飼料工業中的應用

脂肪是畜禽機體的重要組成部分，也是機體重要的能量儲備庫，當畜禽機體需要能量時，脂肪酶可以通過水解作用將動物機體內的脂肪水解并產生大量的能量，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生的脂肪酸有特殊的風味和香味，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脂肪酶在洗滌業工業中的應用

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、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，更環保。

4.8脂肪酶在食品加工中的應用

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物質。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，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成位置，從而提高脂類食物的性質。隨著人們對食物質量要求的不斷提高，脂肪酶已經廣泛應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用廣泛，在制作面包的生面團中加入脂肪酶，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的流變學特性，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起到良好的調理作用，延緩面團的腐敗延長保質期。

4.8.1脂肪酶可以生產代可可脂

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，溫度高于35℃就會融化，是制作巧克力的原材料，但是可可豆的產量受氣候、地理位置等多因素的影響，產量遠遠無法達到人們的需求，工業中以棕櫚油、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研制母乳化結構脂

母乳為嬰兒的生長提供了豐富多樣的營養，由于健康、經濟等原因很多孩子無法進行母乳喂養，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構。由于哺乳階段的不同，種族飲食等方面的不同，導致母乳脂肪中脂肪酸的組成有所不同，但是其共同點是在總脂肪酸中，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生產OPO，從而完成油脂改性，變為接近母乳的形式，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中應用廣泛，芳香劑本質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，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，生產更高效，也更安全，所以脂肪酶合成芳香化合物應用前景明朗。

4.8.4 脂肪酶應用于酒類加工

脂肪酶可以通過催化反應合成芳香酯，芳香酯類可用來白酒增香，也可以強化發酵復糟酒，研究表明產脂肪酶微生物是形成白酒特殊風味的關鍵。

4.8.5脂肪酶應用于肉類加工

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，并促進脂肪氧化，促進形成脂質來源的揮發性風味物質。所以在肉制品中加入脂肪酶不僅可以積累風味前體物質，還可以促進風味物質的產生。

4.8.6脂肪酶應用于茶葉加工

茶葉中含有大量的脂類物質，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降解，其中的水解產物脂肪酸本身具備特殊香氣，對后期茶葉香氣的展現有重要作用，其還是芳香揮發物的重要的前體物質，降解氧化以后會產生茉莉酮等其他香氣產物。研究表明普洱茶中香氣主要來源于氧化降解過程產生的脂肪酸和其他產物。

此外，脂肪酶還可以通過水解產生長鏈脂肪酸酯生產化妝品，產生短鏈脂肪酸酯生產香水香料。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、飼料等工業應用中，優勢明顯。首先脂肪酶的催化活性高，可以高效進行生產，其次脂肪酶的反應條件溫和，有比較寬的溫度、pH范圍，再次脂肪酶的催化反應副反應少。而且脂肪酶以天然的油脂為底物，分解產生的化學物也被認定為天然產物。所以脂肪酶在食品、藥品、化妝品等領域前景明朗。但是目前脂肪酶在工業上的發展還有兩大阻礙，第一是脂肪酶產量低，第二是脂肪酶的穩定性較差。隨著生物技術的不斷發展，可利用轉基因技術將脂肪酶的基因與目標載體進行連接，提高脂肪酶的活性和產量。另外通過脂肪酶的固定化提高脂肪酶的穩定性。所以脂肪酶在工業上各領域會不斷發展。