微生物油脂结构分析及安全性的研究进展

范馨文,吕淑霞,2,*,赵雄伟,孙剑锋

(1.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110161; 2.沈阳农业大学生物科学技术学院,辽宁沈阳 110161; 3.河北农业大学科教兴农中心,河北保定 071000; 4.河北农业大学食品科技学院,河北保定 071000)



微生物油脂结构分析及安全性的研究进展

范馨文1,吕淑霞1,2,*,赵雄伟3,孙剑锋4

(1.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110161; 2.沈阳农业大学生物科学技术学院,辽宁沈阳 110161; 3.河北农业大学科教兴农中心,河北保定 071000; 4.河北农业大学食品科技学院,河北保定 071000)

通过国内外对微生物菌种的安全性分析以及微生物油脂的安全性评价,并对微生物油脂的脂肪酸组成与甘三酯结构进行研究,以及对微生物油脂氧化动力学、结晶动力学等物性的分析比较,提出微生物油脂结构与安全性的关联性,并对目前微生物油脂的应用进行了简单的介绍。分析微生物油脂的安全性与油脂结构之间的关系对微生物油脂在食品行业方面的应用具有重要意义。

微生物油脂,结构分析,安全性

微生物油脂(microbial oils)又称单细胞油脂(single cell oil),主要由酵母菌、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳源、氮源、辅以无机盐发酵产生的油脂[1]。甘油三酯(Triacylglycerol,TAG),亦称甘三酯,是微生物油脂中最主要的成分[2],根据脂肪酸的种类不同可以将甘油三酯分为单甘油酯,对称性甘油酯及非对称性甘油酯,油脂的安全性、营养特性及功能特性主要是由甘油骨架上的脂肪酸种类及分布情况决定的。其次,微生物油脂结构分析还包括油脂的物性学分析,油脂的理化性质对其品质、营养特性及安全性方面具有重要影响,尤其是油脂的热稳定性、氧化动力学、结晶动力学等,为油脂产品的开发利用奠定了基础。因此,基于微生物油脂的安全性评价和营养学分析,对于微生物油脂的结构鉴定至关重要。近年来,国内对微生物油脂的研究主要集中在微生物的发酵培养条件选择以及油脂的提取精炼过程[3],对微生物油脂的发酵条件、提取优化、微生物的筛选等内容研究较多,而对于微生物油脂的营养价值及结构分析的研究鲜有报道,尤其是微生物油脂的安全性应备受关注。在美国、日本等国家,已经开始逐渐研究微生物油脂的食用性及安全性,且已经开发出花生四烯酸、DHA微藻粉、亚油酸等产品并应用于功能食品中。尽管一些功能性食品已经问世,但是对于微生物油脂的结构分析,油脂的结构与安全性的关系,油脂的结晶融化行为与结构的探索仍是研究的重点。因此,微生物油脂的品质、营养价值和安全性将成为今后研究的重要方向,具有广阔的研究前景。本文主要从产油微生物的菌体种类、脂肪酸组成与甘油三酯结构分析等方面阐述微生物油脂结构分析与安全性研究的最新进展情况。

表1　常见油脂微生物(部分)

1　食用微生物油脂的安全性

微生物油脂要想作为一种新型功能性油脂被人们所接受,其安全性至关重要,微生物油脂的安全性主要包括在发酵过程中菌种的安全性以及对发酵产生的油脂安全性。

1.1产油微生物的种类

目前国内外研究最多应用于食品中的产油微生物主要是单细胞藻类,主要利用裂壶藻(Schizochytrium)等发酵生产DHA油并应用于功能性食品中,尤其是婴幼儿的奶粉中[4]。但并非所有的产油藻类都得到了安全认证,我国卫生部相继批准了寇氏隐甲藻(Crypthecodinium)、裂壶藻(Schizochytrium)、吾肯氏壶藻(Ullkeniaamoeboida)为食用性安全藻类,利用它们发酵产生的DHA藻油同时被批准为新资源食品[5]。很多企业利用藻类生产DHA、ARA功能性油脂已经相对成熟,并且纯度较高,已投入生产,并应用于婴儿奶粉等功能性食品中。

其次,应用较多的产油微生物为霉菌,应用于食品中的霉菌主要用于发酵生产不饱和脂肪酸,国内外大多数企业利用被孢霉属生产亚麻酸、花生四烯酸等微生物油脂,并作为食品添加剂应用于食品中。

另一类产油微生物为酵母,一般油酸是酵母中最丰富的脂肪酸,其次是亚油酸[6]。因此国外有研究人员利用假丝酵母(Candidacurvata)发酵油酸,测定其甘三酯组成后发现可替代可可脂并应用于食品中[7]。

目前应用最少的为细菌,主要有嗜酸乳杆菌(L.AcidophilusCRL640)等[8-9]。细菌在食品中的应用很少,原核的细菌主要是合成一些特殊的脂类如可可脂,代可可脂等,因此研究不多。主要的产油微生物见表1。

1.2微生物油脂的安全性评价

微生物产生的油脂中是否含有有毒有害物质如反式脂肪酸等物质,是需要科研人员通过一系列实验验证的,只有确保微生物油脂的安全性,才能为今后微生物油脂代替植物油脂的可行性提供基础。

目前,国内的研究学者对微生物油脂中可能含有的有害物质进行初步研究。陈明锴等人[10]对微生物油脂微胶囊(含有20%亚油酸和10% γ-亚麻酸)进行毒理实验,通过急性毒性实验,遗传毒性实验和30 d喂养实验,观察其安全性,最终的结果表明:以无特定病原体级(Specific Pathogen Free,SPF)昆明种小鼠为实验目标,对其进行经口灌胃给药,小鼠骨髓嗜多染红细胞微核实验,小鼠精子畸形实验以及30 d喂养实验,最后得出灌胃剂量为13.2 g/kg时小鼠在两周内并未出现中毒现象,也未死亡;通过致突变实验结果呈现阴性,通过30 d喂养实验各小鼠的生理生化指标均表示正常,因此实验初步证明含有20%亚油酸和10% γ-亚麻酸的微生物油脂微胶囊安全无毒。

杜芳芳等人[11]对微生物油脂中氯丙醇酯的可能性进行了阐述,分析了微生物油脂中氯丙醇酯的可能形成原因:第一,长时间发酵的微生物油脂经过提取分离后所得到的毛油中可能会含有一部分氯离子,在进行下一步精炼加工时可能会将含氯的物质引入微生物油脂中。其实氯离子不易进入油脂中,但是当生产体系里含有盐类、含磷化合物、甘油、甘一酯、甘二酯、类胡萝卜素等物质时,氯离子与油脂作用形成3-MCPD酯的可能性会大大加强。第二,高温处理是油脂精炼过程中的关键因素,这也是形成氯丙醇酯的重要原因。

国外的一些研究人员同样对微生物油脂的安全性进行初步研究,相关学者对微生物发酵产生的花生四烯酸进行了毒性分析;欧洲食品安全局对真菌产生的ARA进行急性毒性、慢性毒性、及与雌激素受体的结合活性的研究,结果表明其真菌产物安全无毒,且不皂化物和甾醇的结合性较低[12];Lina等[13]、Fukazawa等[14]及H Streekstra等[15]对ARA油脂的亚慢性毒性、基因毒性、潜在变应原性进行实验分析,结果表明高山被孢霉发酵产生的ARA油脂无毒性,同时也不存在基因毒性,并且其潜在变应原性较低,可认为不存在;Rahn AKK等[16]及Zulkurnain M等[17]对于食用油脂中氯离子的进入方式进行研究,结果表明氯离子的形成及进入反应体系中是造成油脂安全性最重要的原因之一,氯离子是形成氯丙醇酯的前提,因此有效去除氯离子及如何避免氯离子的进入是目前很多学者的研究重点。

2　微生物油脂结构分析的研究

2.1脂肪酸组成与甘三酯结构分析

我国对于微生物油脂的研究大多数集中在对微生物油脂产量加工方面的研究,对其油脂的脂肪酸组成成分分析只进行了简单的气相分析,而对于其甘三酯的组成及结构的测定研究较少,尤其是对于微生物油脂与植物油的甘三酯结构分析比较鲜有报道。孙协军[18]等人通过对盐藻粉,螺旋藻粉和小球藻粉的油脂提取,利用气相色谱法分析了三种藻油的脂肪酸组成,结果表明,3种微藻主要的脂肪酸组分均由C16～C18之间的饱和及不饱和脂肪酸组成。其中的盐藻和小球藻油主要由棕榈酸、油酸、亚油酸和亚麻酸等脂肪酸组成。

胡珺等[5]采用气质联用法(GC-MS)对富含花生四烯酸的微生物油脂的两种形态(液态油和固态脂)的脂肪酸和甘油三酯的组成进行了测定,最终结果表明,在液态微生物油中共鉴定出了42种分子质量的TAG,在固态脂中共鉴定出49种分子质量的TAG。在其液态油中,甘油三酯类型主要以UUU型为主(U为不饱和脂肪酸),占总体比例的40.5%(固态脂为34.9%),在固态脂中,甘油三酯类型以SUU型为主(S为饱和脂肪酸),占总体比例的41.3%(液态油为32.4%),TAG类型的不同,很有可能是导致两种状态理化性质不同的原因。

目前国内对微生物油脂结构的研究多停留在对油脂的脂肪酸组成及甘三酯组成分析方面,在国外,已有学者将结构与理化性质联系在一起,进行深入的研究。Edmund D Co等[19-20]研究了单细胞藻油结构与理化性质的关系,实验比较了两种不同分子组成单细胞藻油的功能性,分别测定藻油A和藻油B的脂肪酸组成、甘三酯结构、微观结构及机械性能,结果表明两种不同组成的脂肪酸结构其熔点可以是相似或一致的,他们的机械性能可以与甘三酯的结构无关,即当条件达到一致时,即使两种藻油的甘三酯结构不同,但是其熔点相似。相反,当两种藻油的甘三酯结构相似,其机械性能有一定的差别,这可能是由于其微观结构的形态学所导致的。

2.2微生物油脂的物性学分析

油脂的理化性质对于油脂的品质以及应用都非常重要,尤其是油脂的热稳定性、氧化动力学、结晶动力学等为油脂产品的开发利用奠定了基础。油脂的融化性质、结晶性质等性质与甘三酯的聚合程度有很大的关系,因此油脂的物性与甘三酯结构密切相关。目前对于食用油的理化性质如氧化动力学,结晶动力学等研究日益深入,但是对于微生物油脂的物性学分析研究正处于起步阶段,而微生物油脂的物性学分析对于微生物油脂产品的开发和利用具有重要意义。

目前,用于研究油脂物性学最常用的方法就是差式扫描热量法(DSC),很多学者正在研究将DSC结合其他的检测手段共同应用于油脂物性分析中。DSC可以记录油脂随不同温度的变化而发生的结晶、融化、晶型转变等各种由于相变所引起的热流变化,从而达到测定油脂的成分组成、结晶动力学和氧化动力学等理化特性[21],不同的晶体结构对于油脂的应用很重要。不同的温度下,在油脂中会出现同质多晶现象,同一种油脂在不同的结晶条件下可以生成不同的晶体[22],甘油三酯存在α、β′、β三种不同的晶型,其稳定性逐渐增大。不同的晶型对于油脂产品的口感不同,因此,油脂的同质多晶体在油脂工业中的用途非常多,可以根据特殊晶型的油脂制备不同产品的口感要求。借助DSC检测手段,研究微生物油脂物性学,为微生物油脂结构与安全性关联系研究提供技术支持。

谢贺等[23]对人造奶油的结晶行为进行研究分析,运用DSC法测定油脂的非等温结晶过程,最后得出人造奶油中的棕榈硬脂的融化性质较好,在低温保存的条件下不会有液态油析出。根据谢贺等的思路可以分析得出,研究微生物油脂的物性学可以为今后微生物油脂的生产及产业化提供理论依据。

Edmund D Co等[20]和Joséphine K等[24]研究了单细胞藻油理化性质与结构的关系,文中采用DSC研究两种类型微藻油的热力学变化,并结合X-衍射分析出微藻油的微观结构。最后得出了微藻油不同的结晶动力变化与其甘三酯结构有关,并且PPO甘三酯结构的晶型可以促进油脂的稳定性。

根据相关学者对微生物油脂及植物油的物性学研究分析可以得出,油脂的物性学与油脂的甘三酯结构有一定的关系,具体联系有待于学者进一步研究。

3　微生物油脂在食品方面的研究进展

目前微生物油脂在食品中的应用主要集中在开发ARA单细胞油脂及DHA单细胞油脂,并将其应用于婴幼儿奶粉中。美国、加拿大、澳大利亚等其他欧洲国家早在1994年就已经批准将ARA、DHA作为食品添加剂应用于在孕婴食品中,迄今为止,在美国市场将近90%的婴幼儿奶粉中都含有ARA、DHA。在我国,卫生部已经通过了马泰克DHA藻油的新资源食品认证,推荐普通人群的DHA口摄人量为160 mg,孕期和哺乳期妇女为200～300 mg[25]。2010年3月,我国卫生部批准ARA单细胞油脂和DHA单细胞油脂作为新资源食品,在符合相关要求条件下允许应用在婴幼儿食品[26]。目前,国内的亨氏、亚华乳业、贝因美等食品厂已经开始将微藻油添加到奶粉中,以提高产品中DHA含量。

对于微生物油脂在食品中的应用,很多研究者正在积极的探讨中,表2中列举了微生物油脂应用于食品中的研究进展情况。从表2中可以看出,目前应用于食品中的微生物油脂主要是微藻类,对于其发酵条件的研究已经非常成熟,但是对于油脂结构与功能性质的关系仍需要进一步探索。

表2　微生物油脂在食品方面的研究进展情况

4　结论

目前对于微生物油脂的菌种培育方法主要采用常规的微生物培养方法,很多学者尝试利用不同的发酵废弃原料以期提高产油量,并且可以解决废弃物的再利用问题。在我国,油脂的加工提取工艺已经逐渐趋于成熟,对于微生物油脂的提取工艺主要采用溶剂提取法,这与植物油的提取方法相似,目前由少部分菌种发酵出的油脂已经被广泛应用于功能性食品中,成为一种商业化产品。但同时存在着一定的问题,微生物油脂与植物油脂的差别是什么？其甘三酯结构是否不同？若有不同则其对安全性有何影响？利用微生物发酵产生的油脂能否替代植物油,从而满足食用油脂市场的需求？这些问题有待于学者们进一步研究。

从生物角度上分析,不同微生物发酵产生的油脂结构变化与微生物自身的发酵代谢机理研究较少,而采用生物技术手段发酵的特殊油脂其生物稳定性较低的问题还有待于进一步解决。对于微生物油脂的可食用性是目前研究的热点,但是对于微生物油脂的结构与安全性的关系研究较少,微生物油脂与植物油的甘三酯结构分析比较研究更是鲜有报道,而对于微生物油脂是否能成为新型的食用油,其品质与安全性非常重要,微生物油脂中氯丙醇酯含量研究,饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸及反式脂肪酸等有害物质的研究及减少方法将会成为今后研究的方向,因此研究微生物油脂的结构变化及其安全性还需要大量研究人员共同努力完成。

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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，在读博士研究生，研究方向:油脂化学,E-mail:fanxinwen@163.com。

吕淑霞(1963-)，女，博士，教授，研究方向:微生物生化与分子生物学,E-mail:lushuxia@syau.edu.cn。

TS225.6

A

1002-0306(2016)10-0368-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.068