微生物油脂

粗放种植的高糖植物,如甘薯、木薯 和菊芋等,也是微生物油脂技术的优 良原料,其中甘薯耐瘠、耐旱,抗风力 强,适应性强,产量高。例如：微生物 油脂发酵技术可实现菊芋全生物量利 用,每公顷滩涂地年种植的菊芋平均 可生产5t油脂,远远高于种植油料作 物的产油量。
20:16:53
能源作物
高糖植物
菌体培养方法
20:16:52
乙酰CoA羧化酶和去饱和酶是两个主要 的催化酶。
乙酰CoA羧化酶催化脂肪酸合成的是一种限速酶,
此酶是由 多个亚基组成的以生物素作为辅基的复合酶。 乙酰CoA 羧 化酶结构中有多个活性位点, 如乙酰CoA 结合位点、ATP 结合位点、生物素结合位点等。因此该酶能为乙酰CoA、 ATP 和生物素所激活。另外,丙酮酸盐对该酶有轻微的激活 作用, 磷酸盐对该酸的活性有较低程度的抑制作用。 去饱和酶是微生物通过氧化去饱和途径生成不饱和酸的关 键酶, 去饱和作用是由一个复杂的去饱和酶系来完成的。
微生物产油脂所需劳动力低，占地面积小，且不受场地、气候和季节变化等的限制．能连续 大规模生产。
微生物生长所需原材料来源丰富且便宜，可利用农副产品、食品加工及造纸业的废弃物(如 乳清、糖蜜、木材糖化液等)为培养基原料，十分有利于废物再利用和环境保护。
微生物油脂的生物安全性好。
微生物油脂组成和植物油脂相似，可替代植物油脂制取生物柴油，降低生物柴油制取成本 。
微生物油脂及其研究
周志华
2014.10.31
20:16:52
目录
研究背景
微生物油脂简介 生物油脂简介
微生物产油产油工艺和要点
微生物产油利用与展望
20:16:52
研究背景
随着石化资源日益 枯竭，石油价格的 不断上涨石油供求 矛盾日渐突出，寻 找和开发石化资源 的替代能源具有重 要的战略意义。
20:16:52
不同的菌株和培养基的产品构成变化较大，适合开发一些功能性油脂，从丝状真菌中提取富 含多不饱和脂肪酸，如r一亚麻花生四烯酸、EPA、DHA等保健微生物油脂。
20:16:52
多不饱和脂肪酸
1.调节血脂 2.清理血栓 3.免疫调节 4.维护视网膜提高视力
5.补脑健脑
6.改善关节炎症状减轻疼痛
现在科研工作者将生物柴油作为新一代 替代物。 生物柴油是重要的液体可再生能源产品 之一，其化学成分主要是甲醇（或乙 醇），可以代替全部或部分石化柴油。 生物柴油具有能量密度高，润滑性好， 储运安全，抗爆性好，燃烧充分等优良 使用性能和再生性，环境友好性特点。
20:16:52
生物柴油缺陷
目前,国际上生产生物柴油的原料仍以植物油为 主, 原料成本占总生产成本的70%～85%，这严重 地制约了生物柴油的产业化进程。一些微生物菌 体油脂含量超过其细胞干重的70%,因此利用微生 物油脂为原料制备生物柴油在未来生物柴油产业 中将发挥重要作用。
20:16:52
所以开辟微生物油脂这一新的油脂 资源的开发和研究,不仅丰富了传统 的油脂工业技术,而且也将是工业化 生产油脂的一个重要途径。
20:16:52
微生物油脂简介
微生物油脂(microbial oils)又称单细胞油脂 (SCO=single cell oil),是由酵母、霉菌、细菌 和藻类等微生物在一定的条件下,利用碳水化 合物、碳氢化合物等作 为碳源,在菌体内产生的大量油脂。
20:16:52
微生物油脂组成成分
微生物的油脂跟动植物类似,以两种形式存在,一种是体
国外研究
20:16:52
国内研究
我国在20世纪60年代就有生产油脂的报道，但研 究较多的是在90年代,其研究重点也集中在开发 功能性油脂方面。
1993
年南开大学生物系用深黄被孢霉为出发菌株, 经紫诱变后,在发 酵生产γ- 亚麻酸, 菌体得率为29.3%, 油脂含量达44.7%, 其中γ亚麻酸含量达9.44%。 2003 年施安辉等通过对粘红酵母GRL513 生产油脂的研究发现, 最终 油脂产量可达菌体干重的67.2%。
培养条件
……
菌种Baidu Nhomakorabea
20:16:53
碳源和氮源
碳源是微生物产油脂的一个关键因素
当培养基中碳源充足而其它营养成分缺乏时, 微生物菌 株会将过量的碳水化合物转化为脂类。 培养产油微生物的碳源谱广, 但最适合细胞生长和油脂 合成的碳源是葡萄糖, 以葡萄糖为碳源所生产的菌体生 物量高,产脂量也高。
氮源的主要作用是促进细胞的生长
菌，米曲霉，土曲霉雅致枝霉 三孢布拉氏霉等
产脂酵母:假丝酵母，浅白色隐球酵母，胶粘红酵母，产油
油脂酵母等
产脂藻类:盐生杜氏藻，粉核小球藻，等鞭金藻，三角和指
藻，新月菱形藻等
20:16:52
菌种筛选
用于工业化生产油脂的菌株必须具备以下条件:


油脂积蓄量大, 含油量应达50%左右, 油脂生成率高, 转化率不低于15%
20:16:52
产生机制
微生物产生油脂的过程本质上与动 植物产生油脂的过程相似, 都是从利 用乙酰CoA 羧化酶的羧化催化反应 开始, 经过多次链的延长及经去饱和 酶的一系列去饱和作用等, 完成整个 生化过程。其中去饱和酶是微生物 通过氧化去饱和途径生成不饱和脂 肪酸的关键酶, 该过程称之为脂肪酸 氧化循环。
酵母菌 产油
藻类
20:16:53
菌体培养
微生物生长所需养料：
碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖、石蜡等
氮源：铵盐、尿素、玉米浆、硝盐等
无机盐类：氯化钾、硫酸镁以及铁、锌等离子 生长因子 水
微生物油脂生产原料
20:16:53
在工业化生产中,常常产 生的废液如糖蜜、乳清 、废糖液、豆制品工业 废液、黑废液(造纸工业 中含有戊糖和己糖的亚 硫酸纸浆)以及食品加工 中新产生的废料、废液 等都是制造微生物油脂 很好的原料。
目前,无论是食品油脂,还是生物柴油原料油脂的 主要来源仍然是植物以及动物脂肪,但是利用动 物油脂、植物油脂已经不能完全满足人们的食用 和生活中各种油脂的需求。
按照我国当前运输燃油消耗量估算，以生物柴油 完全替代石化燃料需要相应种植大豆 27,605×104 hm2，占现有耕地面积 225.5% ；种 植油菜7,524×104 hm2，占耕地61% ；种植麻疯 树2,666×104 hm2，占耕地22%。巨大的种植量和 种植面积在我国难以实现，寻找高油脂含量的新 油源意义重大。
高C/N 有利于菌体生长, 低C/N有利于油脂的 积累, 此外氮源的种类也会影响油脂的积累。
黄建忠等人进行的不同氮源影响细胞油脂合成的试验 表明, NH4NO3、尿素等适于细胞生长但不适合油脂的合 成; 蛋白胨、牛肉膏不适于细胞生长但利于油脂合成; 酵母膏不仅适宜细胞生长, 而且是油脂合成的最佳氮 源。
能适应工业化深层培养, 装置简单 生长速度快, 杂菌污染困难 风味良好、食用安全无毒、易消化吸收
20:16:52
菌种筛选
细菌 霉菌和
• 大多数产油细菌在高葡萄糖时产生不饱和的甘油三 脂,但大多数细菌不产生甘油三酯而是积累复杂的脂 类.加之产生于细胞外膜上,提取困难,因此产油细菌 无工业意义。 • 被认为是良好的产油微生物.霉菌和酵母产的油脂为 16个碳原子和18个碳原子, 与许多植物油脂相似; 脂肪 酸几乎都是不饱和的脂肪酸。从80年代开始,大量的 研究报道就集中到了霉菌和酵母。 • 在酵母、霉菌等真核微生物中,某些产油种属能积累 占其生物总量70%以上的油脂,其中以甘油三酯 (Triacylgcerol,TAC)为主, 约占80%以上,磷脂约占10% 以上。 • 微藻的太阳能利用效率高、个体小、营养丰富、生长 繁殖迅速、对环境的适应能力强、容易培养,因此受到 人们的重视。另外，微藻中不但油脂含量可观，而且 直接从微藻中提取得到的油脂成分与植物油相似, 因 此具有广泛的应用价值, 它不仅可以替代石油作为生 物柴油直接应用于工业上, 还可以作为植物油的替代 品。
工业废料
某些具有高效光合作用能力的植物能快速生长,积累 生物量,经过处理即得到碳水化合物,是油脂发酵的理 想原材料。我国南方的芒获类植物(包括芒属和获属) 具有适应能力强、生长迅速、可连续多年收获、产量 高、生产成本低等优势。如果利用微生物转化技术, 油脂产量可达5t/亩(1亩=666.7m2),比现有其他任何 油料植物的都高。现在欧洲一些国家像英国、德国 等已利用耕地栽培自行选育的芒荻作新能源植物,以 取代煤、汽油发电,供乡村居 民和小型工厂用电。
农 业 秸 秆
我国是人口众多的农业大国,农作物秸秆年产 量约7亿t,居世界之首。但相当一部分农作物 秸秆仍被弃置或者焚烧,其本身蕴藏着丰富的 能源未充分开发利用。秸秆通过预处理后,其 中的纤维素和半纤维素在催化剂的作用下水 解,分别转化为五碳糖和六碳糖,经过简单提 纯可以获得浓度较高的糖液。而这些糖液可 用于微生物发酵的原料,从而获得可制取生物 柴油的微生物油脂。
质脂形式,作为细胞的结构组成部分存在于细胞中,在微 生物中含量十分恒定,如细胞膜上的磷脂;另一种形式是 储存脂形式,油脂在微生物细胞内以脂肪粒或脂滴形式 存在于细胞质中。
微生物油脂中甘油三酯占95%,其他脂质约占10%。
微生物生产油脂优点
微生物生长周期短，生长繁殖快，代谢活力强。适应性强，易于培养和品种改良。
20:16:52
花生四烯酸
国外对于微生物油脂的研究工 作起步较早,随后美国、日本等也开始研究 最早可追溯到第 一次世界大战期间 ,当时德国 微生物油脂的生产。第二次世 准备利用内孢霉属和单细胞藻 后来发现利用微生物生产普通 界大战前夕,德国科学家筛选 类镰刀属的某些菌种生产 油脂成本太高,无法与动、植 到了高产油脂的斯达氏油脂酵 物来源的油脂相竞争。有关微 油脂,以解决食用油匮乏问题 , 1986年,日本和英国等国家率 母、黏红酵母属、曲霉属以及 进入90年代,特种油脂的发展越来 后因战争爆发而中止研究。 生物油脂的探索此后一度集中 先推出含微生物 GLA油脂的保 Stewdansk和 毛霉属等微生物,并进行规模 越受人们的重视。 在获取功能性油脂 ,如富含多 健食品、功能性饮料和高级化 生产。 Radevan分别筛选到产生AA的真菌, 不饱和脂肪酸的油脂。 妆品等产品,微生物油脂实用 产生的总脂中AA的质量分数达到 化已迈出了第一步。 42%~55%。 1996年Stredanska等从 Pacificmarkarel的肠内容物中分 离到一株叫SCRC-2378的海生细菌, 能产生一种多烯不饱和酸,即二十 碳五烯酸,其质量分数达24%~40%, 被认为是EPA的一种新资源。
20:16:52
产脂工艺及要点
20:16:52
产脂微生物
能够产生油脂的的微生物有酵母、霉菌、细菌、藻类。目前 研究的较多的是酵母、霉菌、藻类，能够产生油脂的细菌则 较少。不同的菌种，产生微生物的油脂脂肪酸组成均不同。
产脂细菌:嗜酸乳杆菌 产脂霉菌:深黄被孢霉，高山被孢霉，卷枝毛霉，嗜酸乳杆
微生物培养可采用液体培养法、固体 培养法和深层培养法。
微生物油脂的生产工艺流程
菌体筛选
原料
灭菌
发酵
菌体收集
成品油脂
油脂提炼
油脂提取
预处理
20:16:53
工艺要点
菌种
不同种属的微生物产油脂量,油脂成分及含量各不相同。
培养
培养时间 温度 pH 培养条件 通气量
而就同一种微生物菌株,在不同培养条件下, 其产油脂量,油脂成分及含量也各不相同。产 油菌种是生产微生物油脂的关键,而培养基组 成,培养时间,温度,pH值等,又是影响各类菌 种油脂得率的重要因素,必须综合考虑。
20:16:52
微生物油脂积累大体分为两个阶段.
细胞增殖期: 这个时期微生物要消耗培养基中的碳源和 氮源,以保证菌体代谢旺盛和增殖过程.在 这一阶段中细胞合成油脂,但主要用于细胞 骨架的组成,即以体质脂形式存在. 产油阶段： 当培养基中碳源充足而某些营养成分缺乏 是,菌体细胞分裂速度锐减,微生物基本不 再进行细胞繁殖,而过量的碳元素继续被细 胞吸收,在细胞中经糖酵解途径进入三羧酸 循环,同时甘油三酯的积累过程被激活.
20:16:52
国内研究
随着生物柴油产业的兴起,微生物油脂作为 生物柴油的油源已引起人们的关注。
里伟等以一株高产油脂圆红冬孢酵母(Rhodosporidum toruloidesY4#)干菌粉为原料,分别研究了无溶剂体系中三步甲醇法及 在叔丁醇介质体系中脂肪酶催化合成生物柴油,生物柴油得率可达 90%左右。