微生物脂肪酶的性質及應用

汪玲

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430000）

脂肪酶在多種動植物及微生物中都廣泛存在，可以通過分離提取的方式獲得。1834年，生物學家在兔子體中最先發現了脂肪酶，之后于1871年發現了植物中存在的脂肪酶[1]。微生物脂肪酶具有生產周期短、對環境要求低、產量高且易提取等特點，近年來成為研究的重點。如今，已發現的產脂肪酶微生物已多達65個屬。

1 微生物脂肪酶的優點

能夠產生脂肪酶的微生物種類預計要遠超過65個屬，這不僅是因為微生物的種類較多，而現階段的研究重點主要聚焦在能夠產生經濟或社會效益的微生物屬上；還因為受限于現階段的檢測方法等技術問題，并不將產量低下的產酶微生物列入。即便是兩種微生物在屬級別極為相似，但他們也可能產生不同類型的脂肪酶。可用于脂肪酶生產的微生物種類繁多且產量相對都較高，因而相比于動植物脂肪酶，微生物脂肪酶的應用場景更加廣泛。

2 微生物脂肪酶的活性影響因素

微生物脂肪酶有多種特性，其中產生作用的物質也相對繁多，有著十分寬泛的溫度、濕度、酸堿度、溶劑等適應范圍，能夠在較為寬泛的條件下保持活性，因而蘊含著巨大的應用價值。

2.1 溫度及酸堿度

來源不同的脂肪酶，對溫度與酸堿度的適應范圍有很大區別。通常，脂肪酶的最適pH值為5～12，來源于真菌或細菌的脂肪酶，活性保持范圍可以擴大到3～12，溫度適應范圍為 20～70 ℃[2]。

2.2 有機溶劑

脂肪酶的活性保持范圍不僅局限于水中，在各種常見的溶劑中也可以保持活性?，F有的研究表明，大多數常見的溶劑能夠降低脂肪酶的活性。在某種程度上說明，這也影響了其可應用的范疇，但是通常情況下并不會使其失活。此外，也有一些常見溶劑能夠激發某些特定脂肪酶的活性。例如，與脂化反應及脂的酸解等相關的脂肪酶，能夠在乙醇、甲醇等溶劑中保持穩定，因此可用于生物汽油等行業領域；甲苯等溶劑對AGP-03脂肪酶甚至有激活效果。甲醇、乙醇等溶劑雖然對各類微生物脂肪酶有一定的抑制性，但脂肪酶均能在其中保持穩定，且同一種溶劑在不同濃度下會反應出不同程度的抑制性。米黑根毛霉脂肪酶(Rhizomucor mieheilipase)在10%～15%濃度的乙醇或丁醇溶劑中，活性受到十分明顯的抑制，達到了30%～45%[3]。在不同的溶劑中，脂肪酶受抑制的特性不同，這一特性為其在有機化學產品制取行業中的廣泛應用奠定了理論基礎。

2.3 金屬離子

不同金屬離子對脂肪酶活性的影響是不同的。例如，鈣離子對眾多脂肪酶有激活作用。相關理論對這一現象的解釋為鈣離子能夠和脂肪酸結合，從而在水油臨界點生成更多的脂肪酸，進而改變其在該臨界點的活性[4]。然而，銅離子對不同脂肪酶的影響有著很大的不同。銅離子能夠激活NCIM 3639脂肪酶的活性，但對其他絕大部分脂肪酶都產生抑制作用。而汞離子與鐵離子對絕大部分脂肪酶都表現為抑制作用。

2.4 脂肪酶抑制劑

抑制劑是指對某些特定的酶有抑制作用從而降低甚至殺滅其活性的物質。抑制作用分為可逆與不可逆兩種。最初，研究脂肪酶抑制劑主要是為了了解其構造與酶學性質。但隨著研究的深入，人們發現抑制劑對于藥學研究有著重要意義，其最典型的應用主要有針對肥胖疾病等與脂肪相關的各類疾病。

2.5 底物特異性

在底物中含有甘油酯的情況下，脂肪酶對底物的特異性主要有3種：無特異性、鏈長特異性以及位置特異性。鏈長特異性是指脂肪酶只會有選擇地對某些鏈長范圍的脂肪酸進行水解；位置特異性是指只對甘油酯中某些位置的脂肪酸進行水解，其典型代表是一或三位，通常也被稱為專一性脂肪酶。

3 脂肪酶的應用前景

3.1 食品行業

油脂和糖酯類食物在人類食譜中占有重要位置，也是人體中一種必須營養物質。隨著人們生活質量的不斷提高，對于脂類食物的品質要求也逐漸提高，鑒于脂肪酶所具有的位置特異性，人們可以通過改造脂肪酸的構成位置來改善脂類食物的各種性質。例如，可以采用改造糖酯脂肪酸碳鏈長的方法來調整其親水性，經過改造的糖酯可以成為水包油型或油包水型乳化劑，可以作為食品添加劑，具有可降解、無味、無嗅等性質，現在已經廣泛應用于食品改良和食品保鮮等領域。

可可脂可以從天然植物可可豆中提取，是一種天然油脂，具有濃郁的香味，在25 ℃左右呈固態，而在溫度高于35 ℃時處于全融狀態，這一個特性也使其成為制作巧克力相關產品的關鍵原料。但是，天然可可脂的產量受限于天氣、地理位置等多種因素，產量無法滿足人們的需求，因此可以通過脂肪酶改造的方式生產替代品。其主要替代品有代可可脂和類可可脂兩大類。Dutt等人[5]使用桿菌RK-3生成的sn-1,3專一性脂肪酶對棕櫚油進行改造，得到了與天然可可脂類似的代可可脂；Abigor等人[6]以豆油為底物，成功催化合成了類可可脂 。

3.2 洗滌行業

相關研究表明，衣物上的污漬以油脂類污漬為主。脂肪酶對脂類物質有著較好的水解作用，因而其在洗滌業中有著十分廣泛的應用。在洗滌劑中添加的脂肪酶通常具有較好的堿性環境適應性，其最合適的酸堿度為7～12。產生堿性脂肪酶的微生物在堿性環境中可以穩定存在，如不動桿菌（Acinetobactersp.）在汰漬洗滌劑中的最大活性可以達到110%。然而，并非所有產脂肪酶的微生物都能夠穩定存在于所有堿性環境中，如B. licheniformis在堿性環境中很不穩定，甚至會失活。因此，洗滌行業的相關研究還需要繼續深入。

3.3 環保行業

隨著社會的發展，各類環境問題大量產生，廚余垃圾已經成為城市生活垃圾的重要組成部分，而脂肪酶能夠有效降解各類廚余垃圾中的油脂。此外，各類不可降解的塑料制品對環境造成嚴重破壞，使得生物降解技術得到了人們越來越多的關注。脂肪酶具有水解聚乙酸內酯的性質，因此早在20世紀90年代，發達國家就將脂肪酶應用于塑料制品的降解中。

3.4 生物能源行業

與化石能源相比，生物能源是一種更為清潔的能源，因其構成中不含硫及芳香烴類物質，燃燒后對環境的破壞很小。同時，合成生物能源的原料來源十分廣泛，因而在環境保護與能源的可持續發展方面有著十分重要的意義。

生物柴油是一種典型的生物能源，主要有化學制取與酶制取兩種工藝。前者的工藝更為復雜，且單位產量的能耗更高，而后者則克服了這些缺點。溶脂光桿菌（Photobacterium lipolyticumM37）脂肪酶可以催化棕櫚油與乙醇反應，生產生物柴油，在45 ℃、pH為7.5的條件下，生產效率能夠接近80%。

3.5 化妝品行業

很多化妝品公司采用脂肪酶對以肉蔻酸異丙酯、棕櫚酸異丙酯等為主要成分的護膚品及化妝品等的制取工藝進行改造，與化學手段生產的產品相比，這種生物技術制得的產品中有害物質更少，更有利于人們肌膚的健康。

3.6 藥品行業

脂肪酶催化反應具有高立體選擇性和底物專一性等諸多特性，將其應用于消旋體藥物的生物法手性拆分是現階段的研究熱點之一。例如，水楊酸甲酯在止痛藥的制取方面有著重要應用，Basheer等[7]從在芽孢菌中提取的脂肪酶能夠在50 ℃及酸堿度為9的條件下將83%的水楊酸甲酯轉化。脂肪酶在藥品行業中的巨大潛力仍有待發掘。

4 展望

脂肪酶的行業應用場景雖然十分廣泛，但其制取工藝仍有待提高。現階段，兩個重要的阻礙是其穩定性的不足與制造成本的居高不下。因此，研究新的低成本制取技術是現階段研究的關鍵。隨著技術的發展，這些問題有望得到良好的解決。例如，借助基因改造技術，可以將改造過的脂肪酶和目標載體進行連接，從而得到產量與活性雙高的脂肪酶產品。另外，脂肪酶的固定化現象被發現后成為了一項研究熱點。最近的研究結果表明，固化后的脂肪酶無論是在穩定性方面還是在易控性方面都表現得更好。因此，脂肪酶固化技術的研究可以為以后脂肪酶的商業化應用提供巨大的潛能。