微生物脂肪酶的性质及应用

汪玲

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430000）

脂肪酶在多种动植物及微生物中都广泛存在，可以通过分离提取的方式获得。1834年，生物学家在兔子体中最先发现了脂肪酶，之后于1871年发现了植物中存在的脂肪酶[1]。微生物脂肪酶具有生产周期短、对环境要求低、产量高且易提取等特点，近年来成为研究的重点。如今，已发现的产脂肪酶微生物已多达65个属。

1 微生物脂肪酶的优点

能够产生脂肪酶的微生物种类预计要远超过65个属，这不仅是因为微生物的种类较多，而现阶段的研究重点主要聚焦在能够产生经济或社会效益的微生物属上；还因为受限于现阶段的检测方法等技术问题，并不将产量低下的产酶微生物列入。即便是两种微生物在属级别极为相似，但他们也可能产生不同类型的脂肪酶。可用于脂肪酶生产的微生物种类繁多且产量相对都较高，因而相比于动植物脂肪酶，微生物脂肪酶的应用场景更加广泛。

2 微生物脂肪酶的活性影响因素

微生物脂肪酶有多种特性，其中产生作用的物质也相对繁多，有着十分宽泛的温度、湿度、酸碱度、溶剂等适应范围，能够在较为宽泛的条件下保持活性，因而蕴含着巨大的应用价值。

2.1 温度及酸碱度

来源不同的脂肪酶，对温度与酸碱度的适应范围有很大区别。通常，脂肪酶的最适pH值为5～12，来源于真菌或细菌的脂肪酶，活性保持范围可以扩大到3～12，温度适应范围为 20～70 ℃[2]。

2.2 有机溶剂

脂肪酶的活性保持范围不仅局限于水中，在各种常见的溶剂中也可以保持活性。现有的研究表明，大多数常见的溶剂能够降低脂肪酶的活性。在某种程度上说明，这也影响了其可应用的范畴，但是通常情况下并不会使其失活。此外，也有一些常见溶剂能够激发某些特定脂肪酶的活性。例如，与脂化反应及脂的酸解等相关的脂肪酶，能够在乙醇、甲醇等溶剂中保持稳定，因此可用于生物汽油等行业领域；甲苯等溶剂对AGP-03脂肪酶甚至有激活效果。甲醇、乙醇等溶剂虽然对各类微生物脂肪酶有一定的抑制性，但脂肪酶均能在其中保持稳定，且同一种溶剂在不同浓度下会反应出不同程度的抑制性。米黑根毛霉脂肪酶(Rhizomucor mieheilipase)在10%～15%浓度的乙醇或丁醇溶剂中，活性受到十分明显的抑制，达到了30%～45%[3]。在不同的溶剂中，脂肪酶受抑制的特性不同，这一特性为其在有机化学产品制取行业中的广泛应用奠定了理论基础。

2.3 金属离子

不同金属离子对脂肪酶活性的影响是不同的。例如，钙离子对众多脂肪酶有激活作用。相关理论对这一现象的解释为钙离子能够和脂肪酸结合，从而在水油临界点生成更多的脂肪酸，进而改变其在该临界点的活性[4]。然而，铜离子对不同脂肪酶的影响有着很大的不同。铜离子能够激活NCIM 3639脂肪酶的活性，但对其他绝大部分脂肪酶都产生抑制作用。而汞离子与铁离子对绝大部分脂肪酶都表现为抑制作用。

2.4 脂肪酶抑制剂

抑制剂是指对某些特定的酶有抑制作用从而降低甚至杀灭其活性的物质。抑制作用分为可逆与不可逆两种。最初，研究脂肪酶抑制剂主要是为了了解其构造与酶学性质。但随着研究的深入，人们发现抑制剂对于药学研究有着重要意义，其最典型的应用主要有针对肥胖疾病等与脂肪相关的各类疾病。

2.5 底物特异性

在底物中含有甘油酯的情况下，脂肪酶对底物的特异性主要有3种：无特异性、链长特异性以及位置特异性。链长特异性是指脂肪酶只会有选择地对某些链长范围的脂肪酸进行水解；位置特异性是指只对甘油酯中某些位置的脂肪酸进行水解，其典型代表是一或三位，通常也被称为专一性脂肪酶。

3 脂肪酶的应用前景

3.1 食品行业

油脂和糖酯类食物在人类食谱中占有重要位置，也是人体中一种必须营养物质。随着人们生活质量的不断提高，对于脂类食物的品质要求也逐渐提高，鉴于脂肪酶所具有的位置特异性，人们可以通过改造脂肪酸的构成位置来改善脂类食物的各种性质。例如，可以采用改造糖酯脂肪酸碳链长的方法来调整其亲水性，经过改造的糖酯可以成为水包油型或油包水型乳化剂，可以作为食品添加剂，具有可降解、无味、无嗅等性质，现在已经广泛应用于食品改良和食品保鲜等领域。

可可脂可以从天然植物可可豆中提取，是一种天然油脂，具有浓郁的香味，在25 ℃左右呈固态，而在温度高于35 ℃时处于全融状态，这一个特性也使其成为制作巧克力相关产品的关键原料。但是，天然可可脂的产量受限于天气、地理位置等多种因素，产量无法满足人们的需求，因此可以通过脂肪酶改造的方式生产替代品。其主要替代品有代可可脂和类可可脂两大类。Dutt等人[5]使用杆菌RK-3生成的sn-1,3专一性脂肪酶对棕榈油进行改造，得到了与天然可可脂类似的代可可脂；Abigor等人[6]以豆油为底物，成功催化合成了类可可脂 。

3.2 洗涤行业

相关研究表明，衣物上的污渍以油脂类污渍为主。脂肪酶对脂类物质有着较好的水解作用，因而其在洗涤业中有着十分广泛的应用。在洗涤剂中添加的脂肪酶通常具有较好的碱性环境适应性，其最合适的酸碱度为7～12。产生碱性脂肪酶的微生物在碱性环境中可以稳定存在，如不动杆菌（Acinetobactersp.）在汰渍洗涤剂中的最大活性可以达到110%。然而，并非所有产脂肪酶的微生物都能够稳定存在于所有碱性环境中，如B. licheniformis在碱性环境中很不稳定，甚至会失活。因此，洗涤行业的相关研究还需要继续深入。

3.3 环保行业

随着社会的发展，各类环境问题大量产生，厨余垃圾已经成为城市生活垃圾的重要组成部分，而脂肪酶能够有效降解各类厨余垃圾中的油脂。此外，各类不可降解的塑料制品对环境造成严重破坏，使得生物降解技术得到了人们越来越多的关注。脂肪酶具有水解聚乙酸内酯的性质，因此早在20世纪90年代，发达国家就将脂肪酶应用于塑料制品的降解中。

3.4 生物能源行业

与化石能源相比，生物能源是一种更为清洁的能源，因其构成中不含硫及芳香烃类物质，燃烧后对环境的破坏很小。同时，合成生物能源的原料来源十分广泛，因而在环境保护与能源的可持续发展方面有着十分重要的意义。

生物柴油是一种典型的生物能源，主要有化学制取与酶制取两种工艺。前者的工艺更为复杂，且单位产量的能耗更高，而后者则克服了这些缺点。溶脂光杆菌（Photobacterium lipolyticumM37）脂肪酶可以催化棕榈油与乙醇反应，生产生物柴油，在45 ℃、pH为7.5的条件下，生产效率能够接近80%。

3.5 化妆品行业

很多化妆品公司采用脂肪酶对以肉蔻酸异丙酯、棕榈酸异丙酯等为主要成分的护肤品及化妆品等的制取工艺进行改造，与化学手段生产的产品相比，这种生物技术制得的产品中有害物质更少，更有利于人们肌肤的健康。

3.6 药品行业

脂肪酶催化反应具有高立体选择性和底物专一性等诸多特性，将其应用于消旋体药物的生物法手性拆分是现阶段的研究热点之一。例如，水杨酸甲酯在止痛药的制取方面有着重要应用，Basheer等[7]从在芽孢菌中提取的脂肪酶能够在50 ℃及酸碱度为9的条件下将83%的水杨酸甲酯转化。脂肪酶在药品行业中的巨大潜力仍有待发掘。

4 展望

脂肪酶的行业应用场景虽然十分广泛，但其制取工艺仍有待提高。现阶段，两个重要的阻碍是其稳定性的不足与制造成本的居高不下。因此，研究新的低成本制取技术是现阶段研究的关键。随着技术的发展，这些问题有望得到良好的解决。例如，借助基因改造技术，可以将改造过的脂肪酶和目标载体进行连接，从而得到产量与活性双高的脂肪酶产品。另外，脂肪酶的固定化现象被发现后成为了一项研究热点。最近的研究结果表明，固化后的脂肪酶无论是在稳定性方面还是在易控性方面都表现得更好。因此，脂肪酶固化技术的研究可以为以后脂肪酶的商业化应用提供巨大的潜能。