范馨文,呂淑霞,2,*,趙雄偉,孫劍鋒

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽 110161; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧沈陽 110161; 3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科教興農(nóng)中心,河北保定 071000; 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,河北保定 071000)

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微生物油脂結(jié)構(gòu)分析及安全性的研究進(jìn)展

范馨文1,呂淑霞1,2,*,趙雄偉3,孫劍鋒4

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽 110161; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧沈陽 110161; 3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科教興農(nóng)中心,河北保定 071000; 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,河北保定 071000)

通過國內(nèi)外對微生物菌種的安全性分析以及微生物油脂的安全性評(píng)價(jià),并對微生物油脂的脂肪酸組成與甘三酯結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以及對微生物油脂氧化動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)等物性的分析比較,提出微生物油脂結(jié)構(gòu)與安全性的關(guān)聯(lián)性,并對目前微生物油脂的應(yīng)用進(jìn)行了簡單的介紹。分析微生物油脂的安全性與油脂結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系對微生物油脂在食品行業(yè)方面的應(yīng)用具有重要意義。

微生物油脂,結(jié)構(gòu)分析,安全性

微生物油脂(microbial oils)又稱單細(xì)胞油脂(single cell oil),主要由酵母菌、霉菌、細(xì)菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳源、氮源、輔以無機(jī)鹽發(fā)酵產(chǎn)生的油脂[1]。甘油三酯(Triacylglycerol,TAG),亦稱甘三酯,是微生物油脂中最主要的成分[2],根據(jù)脂肪酸的種類不同可以將甘油三酯分為單甘油酯,對稱性甘油酯及非對稱性甘油酯,油脂的安全性、營養(yǎng)特性及功能特性主要是由甘油骨架上的脂肪酸種類及分布情況決定的。其次,微生物油脂結(jié)構(gòu)分析還包括油脂的物性學(xué)分析,油脂的理化性質(zhì)對其品質(zhì)、營養(yǎng)特性及安全性方面具有重要影響,尤其是油脂的熱穩(wěn)定性、氧化動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)等,為油脂產(chǎn)品的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。因此,基于微生物油脂的安全性評(píng)價(jià)和營養(yǎng)學(xué)分析,對于微生物油脂的結(jié)構(gòu)鑒定至關(guān)重要。近年來,國內(nèi)對微生物油脂的研究主要集中在微生物的發(fā)酵培養(yǎng)條件選擇以及油脂的提取精煉過程[3],對微生物油脂的發(fā)酵條件、提取優(yōu)化、微生物的篩選等內(nèi)容研究較多,而對于微生物油脂的營養(yǎng)價(jià)值及結(jié)構(gòu)分析的研究鮮有報(bào)道,尤其是微生物油脂的安全性應(yīng)備受關(guān)注。在美國、日本等國家,已經(jīng)開始逐漸研究微生物油脂的食用性及安全性,且已經(jīng)開發(fā)出花生四烯酸、DHA微藻粉、亞油酸等產(chǎn)品并應(yīng)用于功能食品中。盡管一些功能性食品已經(jīng)問世,但是對于微生物油脂的結(jié)構(gòu)分析,油脂的結(jié)構(gòu)與安全性的關(guān)系,油脂的結(jié)晶融化行為與結(jié)構(gòu)的探索仍是研究的重點(diǎn)。因此,微生物油脂的品質(zhì)、營養(yǎng)價(jià)值和安全性將成為今后研究的重要方向,具有廣闊的研究前景。本文主要從產(chǎn)油微生物的菌體種類、脂肪酸組成與甘油三酯結(jié)構(gòu)分析等方面闡述微生物油脂結(jié)構(gòu)分析與安全性研究的最新進(jìn)展情況。

表1　常見油脂微生物(部分)

1　食用微生物油脂的安全性

微生物油脂要想作為一種新型功能性油脂被人們所接受,其安全性至關(guān)重要,微生物油脂的安全性主要包括在發(fā)酵過程中菌種的安全性以及對發(fā)酵產(chǎn)生的油脂安全性。

1.1產(chǎn)油微生物的種類

目前國內(nèi)外研究最多應(yīng)用于食品中的產(chǎn)油微生物主要是單細(xì)胞藻類,主要利用裂壺藻(Schizochytrium)等發(fā)酵生產(chǎn)DHA油并應(yīng)用于功能性食品中,尤其是嬰幼兒的奶粉中[4]。但并非所有的產(chǎn)油藻類都得到了安全認(rèn)證,我國衛(wèi)生部相繼批準(zhǔn)了寇氏隱甲藻(Crypthecodinium)、裂壺藻(Schizochytrium)、吾肯氏壺藻(Ullkeniaamoeboida)為食用性安全藻類,利用它們發(fā)酵產(chǎn)生的DHA藻油同時(shí)被批準(zhǔn)為新資源食品[5]。很多企業(yè)利用藻類生產(chǎn)DHA、ARA功能性油脂已經(jīng)相對成熟,并且純度較高,已投入生產(chǎn),并應(yīng)用于嬰兒奶粉等功能性食品中。

其次,應(yīng)用較多的產(chǎn)油微生物為霉菌,應(yīng)用于食品中的霉菌主要用于發(fā)酵生產(chǎn)不飽和脂肪酸,國內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)利用被孢霉屬生產(chǎn)亞麻酸、花生四烯酸等微生物油脂,并作為食品添加劑應(yīng)用于食品中。

另一類產(chǎn)油微生物為酵母,一般油酸是酵母中最豐富的脂肪酸,其次是亞油酸[6]。因此國外有研究人員利用假絲酵母(Candidacurvata)發(fā)酵油酸,測定其甘三酯組成后發(fā)現(xiàn)可替代可可脂并應(yīng)用于食品中[7]。

目前應(yīng)用最少的為細(xì)菌,主要有嗜酸乳桿菌(L.AcidophilusCRL640)等[8-9]。細(xì)菌在食品中的應(yīng)用很少,原核的細(xì)菌主要是合成一些特殊的脂類如可可脂,代可可脂等,因此研究不多。主要的產(chǎn)油微生物見表1。

1.2微生物油脂的安全性評(píng)價(jià)

微生物產(chǎn)生的油脂中是否含有有毒有害物質(zhì)如反式脂肪酸等物質(zhì),是需要科研人員通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的,只有確保微生物油脂的安全性,才能為今后微生物油脂代替植物油脂的可行性提供基礎(chǔ)。

目前,國內(nèi)的研究學(xué)者對微生物油脂中可能含有的有害物質(zhì)進(jìn)行初步研究。陳明鍇等人[10]對微生物油脂微膠囊(含有20%亞油酸和10% γ-亞麻酸)進(jìn)行毒理實(shí)驗(yàn),通過急性毒性實(shí)驗(yàn),遺傳毒性實(shí)驗(yàn)和30 d喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn),觀察其安全性,最終的結(jié)果表明:以無特定病原體級(jí)(Specific Pathogen Free,SPF)昆明種小鼠為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),對其進(jìn)行經(jīng)口灌胃給藥,小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核實(shí)驗(yàn),小鼠精子畸形實(shí)驗(yàn)以及30 d喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn),最后得出灌胃劑量為13.2 g/kg時(shí)小鼠在兩周內(nèi)并未出現(xiàn)中毒現(xiàn)象,也未死亡;通過致突變實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)陰性,通過30 d喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)各小鼠的生理生化指標(biāo)均表示正常,因此實(shí)驗(yàn)初步證明含有20%亞油酸和10% γ-亞麻酸的微生物油脂微膠囊安全無毒。

杜芳芳等人[11]對微生物油脂中氯丙醇酯的可能性進(jìn)行了闡述,分析了微生物油脂中氯丙醇酯的可能形成原因:第一,長時(shí)間發(fā)酵的微生物油脂經(jīng)過提取分離后所得到的毛油中可能會(huì)含有一部分氯離子,在進(jìn)行下一步精煉加工時(shí)可能會(huì)將含氯的物質(zhì)引入微生物油脂中。其實(shí)氯離子不易進(jìn)入油脂中,但是當(dāng)生產(chǎn)體系里含有鹽類、含磷化合物、甘油、甘一酯、甘二酯、類胡蘿卜素等物質(zhì)時(shí),氯離子與油脂作用形成3-MCPD酯的可能性會(huì)大大加強(qiáng)。第二,高溫處理是油脂精煉過程中的關(guān)鍵因素,這也是形成氯丙醇酯的重要原因。

國外的一些研究人員同樣對微生物油脂的安全性進(jìn)行初步研究,相關(guān)學(xué)者對微生物發(fā)酵產(chǎn)生的花生四烯酸進(jìn)行了毒性分析;歐洲食品安全局對真菌產(chǎn)生的ARA進(jìn)行急性毒性、慢性毒性、及與雌激素受體的結(jié)合活性的研究,結(jié)果表明其真菌產(chǎn)物安全無毒,且不皂化物和甾醇的結(jié)合性較低[12];Lina等[13]、Fukazawa等[14]及H Streekstra等[15]對ARA油脂的亞慢性毒性、基因毒性、潛在變應(yīng)原性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明高山被孢霉發(fā)酵產(chǎn)生的ARA油脂無毒性,同時(shí)也不存在基因毒性,并且其潛在變應(yīng)原性較低,可認(rèn)為不存在;Rahn AKK等[16]及Zulkurnain M等[17]對于食用油脂中氯離子的進(jìn)入方式進(jìn)行研究,結(jié)果表明氯離子的形成及進(jìn)入反應(yīng)體系中是造成油脂安全性最重要的原因之一,氯離子是形成氯丙醇酯的前提,因此有效去除氯離子及如何避免氯離子的進(jìn)入是目前很多學(xué)者的研究重點(diǎn)。

2　微生物油脂結(jié)構(gòu)分析的研究

2.1脂肪酸組成與甘三酯結(jié)構(gòu)分析

我國對于微生物油脂的研究大多數(shù)集中在對微生物油脂產(chǎn)量加工方面的研究,對其油脂的脂肪酸組成成分分析只進(jìn)行了簡單的氣相分析,而對于其甘三酯的組成及結(jié)構(gòu)的測定研究較少,尤其是對于微生物油脂與植物油的甘三酯結(jié)構(gòu)分析比較鮮有報(bào)道。孫協(xié)軍[18]等人通過對鹽藻粉,螺旋藻粉和小球藻粉的油脂提取,利用氣相色譜法分析了三種藻油的脂肪酸組成,結(jié)果表明,3種微藻主要的脂肪酸組分均由C16～C18之間的飽和及不飽和脂肪酸組成。其中的鹽藻和小球藻油主要由棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等脂肪酸組成。

胡珺等[5]采用氣質(zhì)聯(lián)用法(GC-MS)對富含花生四烯酸的微生物油脂的兩種形態(tài)(液態(tài)油和固態(tài)脂)的脂肪酸和甘油三酯的組成進(jìn)行了測定,最終結(jié)果表明,在液態(tài)微生物油中共鑒定出了42種分子質(zhì)量的TAG,在固態(tài)脂中共鑒定出49種分子質(zhì)量的TAG。在其液態(tài)油中,甘油三酯類型主要以UUU型為主(U為不飽和脂肪酸),占總體比例的40.5%(固態(tài)脂為34.9%),在固態(tài)脂中,甘油三酯類型以SUU型為主(S為飽和脂肪酸),占總體比例的41.3%(液態(tài)油為32.4%),TAG類型的不同,很有可能是導(dǎo)致兩種狀態(tài)理化性質(zhì)不同的原因。

目前國內(nèi)對微生物油脂結(jié)構(gòu)的研究多停留在對油脂的脂肪酸組成及甘三酯組成分析方面,在國外,已有學(xué)者將結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)聯(lián)系在一起,進(jìn)行深入的研究。Edmund D Co等[19-20]研究了單細(xì)胞藻油結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)比較了兩種不同分子組成單細(xì)胞藻油的功能性,分別測定藻油A和藻油B的脂肪酸組成、甘三酯結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能,結(jié)果表明兩種不同組成的脂肪酸結(jié)構(gòu)其熔點(diǎn)可以是相似或一致的,他們的機(jī)械性能可以與甘三酯的結(jié)構(gòu)無關(guān),即當(dāng)條件達(dá)到一致時(shí),即使兩種藻油的甘三酯結(jié)構(gòu)不同,但是其熔點(diǎn)相似。相反,當(dāng)兩種藻油的甘三酯結(jié)構(gòu)相似,其機(jī)械性能有一定的差別,這可能是由于其微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)所導(dǎo)致的。

2.2微生物油脂的物性學(xué)分析

油脂的理化性質(zhì)對于油脂的品質(zhì)以及應(yīng)用都非常重要,尤其是油脂的熱穩(wěn)定性、氧化動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)等為油脂產(chǎn)品的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。油脂的融化性質(zhì)、結(jié)晶性質(zhì)等性質(zhì)與甘三酯的聚合程度有很大的關(guān)系,因此油脂的物性與甘三酯結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前對于食用油的理化性質(zhì)如氧化動(dòng)力學(xué),結(jié)晶動(dòng)力學(xué)等研究日益深入,但是對于微生物油脂的物性學(xué)分析研究正處于起步階段,而微生物油脂的物性學(xué)分析對于微生物油脂產(chǎn)品的開發(fā)和利用具有重要意義。

目前,用于研究油脂物性學(xué)最常用的方法就是差式掃描熱量法(DSC),很多學(xué)者正在研究將DSC結(jié)合其他的檢測手段共同應(yīng)用于油脂物性分析中。DSC可以記錄油脂隨不同溫度的變化而發(fā)生的結(jié)晶、融化、晶型轉(zhuǎn)變等各種由于相變所引起的熱流變化,從而達(dá)到測定油脂的成分組成、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和氧化動(dòng)力學(xué)等理化特性[21],不同的晶體結(jié)構(gòu)對于油脂的應(yīng)用很重要。不同的溫度下,在油脂中會(huì)出現(xiàn)同質(zhì)多晶現(xiàn)象,同一種油脂在不同的結(jié)晶條件下可以生成不同的晶體[22],甘油三酯存在α、β′、β三種不同的晶型,其穩(wěn)定性逐漸增大。不同的晶型對于油脂產(chǎn)品的口感不同,因此,油脂的同質(zhì)多晶體在油脂工業(yè)中的用途非常多,可以根據(jù)特殊晶型的油脂制備不同產(chǎn)品的口感要求。借助DSC檢測手段,研究微生物油脂物性學(xué),為微生物油脂結(jié)構(gòu)與安全性關(guān)聯(lián)系研究提供技術(shù)支持。

謝賀等[23]對人造奶油的結(jié)晶行為進(jìn)行研究分析,運(yùn)用DSC法測定油脂的非等溫結(jié)晶過程,最后得出人造奶油中的棕櫚硬脂的融化性質(zhì)較好,在低溫保存的條件下不會(huì)有液態(tài)油析出。根據(jù)謝賀等的思路可以分析得出,研究微生物油脂的物性學(xué)可以為今后微生物油脂的生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化提供理論依據(jù)。

Edmund D Co等[20]和Joséphine K等[24]研究了單細(xì)胞藻油理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,文中采用DSC研究兩種類型微藻油的熱力學(xué)變化,并結(jié)合X-衍射分析出微藻油的微觀結(jié)構(gòu)。最后得出了微藻油不同的結(jié)晶動(dòng)力變化與其甘三酯結(jié)構(gòu)有關(guān),并且PPO甘三酯結(jié)構(gòu)的晶型可以促進(jìn)油脂的穩(wěn)定性。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者對微生物油脂及植物油的物性學(xué)研究分析可以得出,油脂的物性學(xué)與油脂的甘三酯結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系,具體聯(lián)系有待于學(xué)者進(jìn)一步研究。

3　微生物油脂在食品方面的研究進(jìn)展

目前微生物油脂在食品中的應(yīng)用主要集中在開發(fā)ARA單細(xì)胞油脂及DHA單細(xì)胞油脂,并將其應(yīng)用于嬰幼兒奶粉中。美國、加拿大、澳大利亞等其他歐洲國家早在1994年就已經(jīng)批準(zhǔn)將ARA、DHA作為食品添加劑應(yīng)用于在孕嬰食品中,迄今為止,在美國市場將近90%的嬰幼兒奶粉中都含有ARA、DHA。在我國,衛(wèi)生部已經(jīng)通過了馬泰克DHA藻油的新資源食品認(rèn)證,推薦普通人群的DHA口攝人量為160 mg,孕期和哺乳期婦女為200～300 mg[25]。2010年3月,我國衛(wèi)生部批準(zhǔn)ARA單細(xì)胞油脂和DHA單細(xì)胞油脂作為新資源食品,在符合相關(guān)要求條件下允許應(yīng)用在嬰幼兒食品[26]。目前,國內(nèi)的亨氏、亞華乳業(yè)、貝因美等食品廠已經(jīng)開始將微藻油添加到奶粉中,以提高產(chǎn)品中DHA含量。

對于微生物油脂在食品中的應(yīng)用,很多研究者正在積極的探討中,表2中列舉了微生物油脂應(yīng)用于食品中的研究進(jìn)展情況。從表2中可以看出,目前應(yīng)用于食品中的微生物油脂主要是微藻類,對于其發(fā)酵條件的研究已經(jīng)非常成熟,但是對于油脂結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)的關(guān)系仍需要進(jìn)一步探索。

表2　微生物油脂在食品方面的研究進(jìn)展情況

4　結(jié)論

目前對于微生物油脂的菌種培育方法主要采用常規(guī)的微生物培養(yǎng)方法,很多學(xué)者嘗試?yán)貌煌陌l(fā)酵廢棄原料以期提高產(chǎn)油量,并且可以解決廢棄物的再利用問題。在我國,油脂的加工提取工藝已經(jīng)逐漸趨于成熟,對于微生物油脂的提取工藝主要采用溶劑提取法,這與植物油的提取方法相似,目前由少部分菌種發(fā)酵出的油脂已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于功能性食品中,成為一種商業(yè)化產(chǎn)品。但同時(shí)存在著一定的問題,微生物油脂與植物油脂的差別是什么？其甘三酯結(jié)構(gòu)是否不同？若有不同則其對安全性有何影響？利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的油脂能否替代植物油,從而滿足食用油脂市場的需求？這些問題有待于學(xué)者們進(jìn)一步研究。

從生物角度上分析,不同微生物發(fā)酵產(chǎn)生的油脂結(jié)構(gòu)變化與微生物自身的發(fā)酵代謝機(jī)理研究較少,而采用生物技術(shù)手段發(fā)酵的特殊油脂其生物穩(wěn)定性較低的問題還有待于進(jìn)一步解決。對于微生物油脂的可食用性是目前研究的熱點(diǎn),但是對于微生物油脂的結(jié)構(gòu)與安全性的關(guān)系研究較少,微生物油脂與植物油的甘三酯結(jié)構(gòu)分析比較研究更是鮮有報(bào)道,而對于微生物油脂是否能成為新型的食用油,其品質(zhì)與安全性非常重要,微生物油脂中氯丙醇酯含量研究,飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸及反式脂肪酸等有害物質(zhì)的研究及減少方法將會(huì)成為今后研究的方向,因此研究微生物油脂的結(jié)構(gòu)變化及其安全性還需要大量研究人員共同努力完成。

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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，在讀博士研究生，研究方向:油脂化學(xué),E-mail:fanxinwen@163.com。

呂淑霞(1963-)，女，博士，教授，研究方向:微生物生化與分子生物學(xué),E-mail:lushuxia@syau.edu.cn。

TS225.6

A

1002-0306(2016)10-0368-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.068