脂肪酶的应用进展

刘明丽，李崇萍，刘琨毅,，安江珊，马燕，赵明,

1.云南农业大学龙润普洱茶学院（昆明 650201）；2.西南中药材国家地方联合工程研究中心，药用植物生物学重点实验室（昆明 650201）；3.宜宾职业技术学院五粮液与食品工程学院（宜宾 644003）

脂肪酶（Lipase EC 3.1.1.3）是一类特殊的酯酶，能水解三酰甘油酯为脂肪酸、二酸甘油酯及甘油等，其天然底物一般是不溶于水的长链脂肪酸酰基酯[1]。它的分子由亲水、疏水两部分组成，活性中心靠近分子疏水端，结构中的催化活性中心是由丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸/谷氨酸组成的催化三联体结构[2]，催化反应后可使酯类化合物的分解、合成和酯交换，从而形成芳香酯。另外，作为一种重要的生物催化剂，可催化不同底物的水解和合成反应，这些催化反应一般具有立体选择性、副反应少、反应条件温和、不需辅酶及可用于有机溶剂等特点[3]，这个特性保证其在食品加工、饲料工业、乳制品、生物医药、生物柴油、洗涤剂等多个领域都有着广泛应用。该文就微生物脂肪酶的来源与制备，以及其在食品工业等领域的应用进行综述，以期为脂肪酶的相关研究提供参考与借鉴。

1 脂肪酶的来源与制备

脂肪酶广泛存在于动物、植物组织及多种微生物，种类最多的脂肪酶存在于微生物，而国内外已报道的微生物脂肪酶来源有细菌、酵母和真菌等。据统计产脂肪酶的微生物属，包括细菌28个属，真菌23个属[4]。由于真菌脂肪酶具有高效、反应条件温和、无毒等优点远比细菌脂肪酶多，因而得到快速发展[5]。真菌脂肪酶主要源于黑曲霉（Aspergillus niger）、南极假丝酵母（Candida antarctica）、根霉（Rhizopus arrhizus）、米曲霉（Thermomyces Lanuginosus）、皱褶假丝酵母（Candida rugosa）等[6]；细菌脂肪酶主要源于假单胞菌属（Pseudomonas）、芽胞杆菌属（Bacillus）、伯克霍尔德菌（Burkholderia）等[7]。由于微生物资源丰富、种类多、繁殖快，工业化生产脂肪酶的时间短，且成本低纯度高，因此微生物脂肪酶是工业用脂肪酶的重要来源。

要获得脂肪酶，首先要分离出能够产酶的微生物，因此一套好的菌株分离及筛选方法显得尤为重要。Haq等[8]从石油污染的土壤中分离到一株脂肪酶产生菌为短杆菌属（Brevibacterium）；肖海群[9]从50份不同地点采集含油的土样中，在以橄榄油为底物、溴甲酚紫为指示剂的平板培养基上分离、筛选到两株脂肪酶产生菌，包括裂殖酵母属和假丝酵母属；Cai等[10]从富油土壤中分离到8株产脂肪酶菌株，其鉴定为假单胞菌属。

微生物脂肪酶的生产主要有液态发酵和固态发酵2种方法，而大多工业生产上常采用液体深层培养法生产脂肪酶。为筛选高产脂肪酶的液态发酵工艺，刘斌等[11]采用豆饼粉和麸皮对根霉脂肪酶液态发酵条件进行研究，接种量2 mL（1×107CFU），28 ℃培养时，可获得较高脂肪酶活力。穆文侠等[12]对产碱性脂肪酶的海洋青霉菌采用液态发酵，培养基组成包括葡萄糖，大豆油，蛋白胨等，发酵条件进行优化后脂肪酶的活力可达17.43 U/mL。Benjamin等[13]利用液态发酵在酵母培养基中添加尿素、麦芽糖、橄榄油和矿物质生产脂肪酶，使得脂肪酶最大合成量为12.55 U/mL。另外，为筛选高产脂肪酶的固态发酵工艺，Babu等[14]采用不同的混合底物对固态发酵生产胞外脂肪酶进行研究，优化培养基的含水量、含碳量和含氮量等参数，最终脂肪酶活性最高可达9.3 U/g。Imandi等[15]研究在固体发酵条件下，利用溶脂酵母生产胞外脂肪酶，对培养基的培养时间、接种量、初始含水量和碳水平等参数进行优化，使得发酵4 d后脂肪酶活性最高可达18.58 U/g。杨金梅等[16]研究茶叶固体发酵中18株散囊菌的水解酶活性，其中平板检测中有6个菌株表现脂肪酶活性。因此，可以看出采用固液态发酵生产微生物脂肪酶，在工业生产中是较为常用的方法。

2 脂肪酶的应用

脂肪酶作为一种重要的生物催化剂，可催化不同底物的水解和合成反应。这个催化特性使它在食品加工、乳制品、饲料工业、生物能源、生物医药、洗涤剂、纺织品等领域均有应用，尤其是在食品方面的应用更为广阔。

2.1 脂肪酶在食品工业的应用

2.1.1 脂肪酶在面食加工中的应用

近几年，以酶制剂代替代学品作为面粉改良剂成为热点。脂肪酶作为面包粉添加剂酶制剂，利用它催化甘油三酯水解生成甘油二酯、甘油一酯或甘油，可使面团的筋力增强，增大面包的体积和提高面包的入炉急胀等。Li等[17]采用动态流变仪和扫描电镜对添加根霉脂肪酶的面团流变特性和微观结构进行测定，结果表明根霉脂肪酶提高含面筋的强度和弹性。魏巍等[18]研究在面粉中添加脂肪酶等酶制剂对烘焙品质的影响，试验结果表明脂肪酶添加量在10～20 mg/kg时老化速度较慢。钱忠英等[19]探究重组疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶能明显增大面包比容，降低面包硬度，气味和组织结构的感官得分也是最佳。随着食品工业的快速发展，脂肪酶在食品工业中面食方面的其他应用将越来越广泛。

2.1.2 脂肪酶在酒类加工中的应用

脂肪酶被证实可合成一系列芳香酯[20-21]，可用于白酒增香或强化发酵复糟酒等。如李站胜等[22]以浓香型白酒丢糟为研究对象，研究南极假丝酵母脂肪酶B的反应时间等工艺条件对复糟酒酯化效果的影响，结果表明添加脂肪酶的增酯增香效果好。翟磊等[23]对不同发酵阶段的大曲样品进行产脂肪酶的微生物菌种的筛选与鉴定，结果发现其中产脂肪酶微生物是形成特殊风味物质的关键，为产脂肪酶提供出发菌株，也为芝麻香型白酒香气成分的解析奠定理论基础。王丹丹等[24]为探究白酒中四大酯的可逆合成与分解规律，采用南极假丝酵母脂肪酶在水相和有机相中进行酯化反应，试验结果表明对白酒风味酯的形成原理及生产合成具有参考价值。

2.1.3 脂肪酶在肉类加工中的应用

随着食品生物技术的发展，利用酶法合成的类似香料的风味化合物，可在肉品加工时添加，不仅能使肉的保鲜时间加长，也可以改善肉的品质[25]。脂肪酶作为工业重要酶制剂之一，能使酯类化合物的分解、合成从而形成芳香酯，因而在肉类加工中具有应用潜力。封莉等[26]为提高高温短时烘烤的中式香肠的品质，在肉中添加脂肪酶分析中式香肠脂质降解及挥发性风味物质等的影响，结果表明添加脂肪酶能有效加速中式香肠中的脂肪降解和脂肪氧化，促进香肠中脂质来源的挥发性风味物质的生成。Krasnoshtanova[27]通过从肉制品加工副产品中提取酶解蛋白和脂类水解酶提高工业物质酶解效率。You等[28]研究酶学方法在食品加工中的应用，表明脂肪酶是可用于对传统的肉制品进行改良以生产出更均衡的功能性肉制品。因此，在肉制品加工过程中添加脂肪酶，不仅可以增加风味前体物质的积累，还有利于促进肉制品风味物质的生成。

2.1.4 脂肪酶在茶叶加工中的应用

赵和涛[29]分析茶叶中的酶及在制茶中的应用，概述茶叶中水解酶的酯酶类，其中脂肪酶为重要代表。Patti等[30]采用不同来源的脂肪酶筛选Mucor miehei脂肪酶制备3-O-酰基化儿茶素，其中包含2种合成途径，通过制备得到3-O-棕榈酰化儿茶素。向小乐[31]采用2种不同方式超声作用，研究脂肪酶催化茶叶籽油水解的工艺条件，最终优化的工艺条件使水解率达72.25%。方洪枫等[32]利用混菌发酵绿茶产脂肪酶，研究脂肪酶活性对酯型儿茶素的水解作用，结果表明脂肪酶对EGCG和ECG的生物转化将为儿茶素代谢途径的研究和单体儿茶素的生产起到促进作用。在不同的茶叶加工过程中，不同的酶催化、氧化和水解都会导致茶叶品质的形成。而茶叶脂质作为脂肪酶的底物，在整个加工过程中脂类物质含量与种类不同可能导致脂肪酶水解茶叶中部分的有效成分，但具体作用于那些脂类化合物及酯类途径均未知，后续需进一步研究以促进酶学在茶学中的应用与发展。

脂肪酶水解产物的脂肪酸类本身就具有香气，对茶叶展现的香气有重要贡献，而且还是芳香挥发物的重要前体物质，氧化降解后可产生其他环状香气产物，如茉莉酮和茉莉酸甲酯等[33-35]。马超龙等[36]分析茶叶加工过程中脂肪酸氧化降解对茶叶香气品质的影响，其中普洱茶样品中不饱和脂肪酸占脂肪酸总量的76.69%，对香气品质具有重要影响。刘勤晋等[37]分析普洱茶香味成分，其香气成分大多为脂肪酸和其他化合物在制造过程中氧化降解的产物。另外，微生物参与的后发酵是普洱茶等黑茶加工的关键环节，前期笔者课题组应用宏蛋白组学技术，在普洱茶发酵样品中鉴定到多个脂肪酶，这些脂肪酶是否参与发酵中脂肪酸等物质的变化，进而影响茶叶香气有待进一步研究[38]。

2.2 脂肪酶在饲料工业的应用

脂肪酶是脂肪代谢最基本的酶，在饲料工业中可以改善动物内源性消化酶不足的缺点，促进脂肪的消化及动物的快速生长。在生物体内，脂肪酶的主要作用是消化分解外来的脂肪，促进细胞内脂类的分解代谢。Tan等[39]研究表明在含高脂的饲料中添加脂肪酶不仅可以提高猪、禽等4%～10%的增重速度和2%～7%饲料利用率，还可以减少粪便的排泄量。杨玉静[40]、刘德海等[41]、程瑛等[42]对脂肪酶在饲料工业的应用与研究进行综述，表明在饲料中添加脂肪酶酶能释放脂肪酸，提高饲料的香味和风味。随着时代的发展，养殖人员对饲料数量的需求不断增加，为满足动物快速正常生长的需求，就必须要不断提高饲料的消化与利用，使脂肪酶成为一种必需的饲料添加剂。

2.3 脂肪酶在生物能源中的应用

脂肪酶可以催化酯交换、酯转移、水解等反应，主要作用是可以促进油脂水解、酯交换和酯化反应进行[43]。在油脂工业中，生物柴油以前主要以动植物油脂为原料制造可再生能源，现在大力发展大型海洋藻类资源作为原料替代部分燃料，有利于解决中国能源缺少的问题。最典型的生物柴油是脂肪酸甲酯，用脂肪酶作催化剂制备生物柴油是一系列水解和酯化的过程，具有反应条件温和、甘油易回收和无废物产生等优点，受到越来越多的关注。Bharathiraja等[44]利用海洋大型藻类为材料，以重组毕赤酵母作为催化剂开发生物柴油，结果表明稳定构建的毕赤酵母生产生物柴油的产率达到85%以上，反应结束时依然保持其脂肪酶活性。因此，采用酶法合成生物柴油是一个有潜力的生物催化过程，也是将脂肪酶用于商业生产生物柴油的一个重要方向。

2.4 脂肪酶在洗涤剂工业中的应用

日常生活中洗涤剂配方中的表面活性剂主要为脂肪酶。由于许多衣物上的脂肪食品污渍大多由甘油三酯组成，而甘油三酯又是脂肪酶的天然底物，所以脂肪酶的去污效果主要表现在它能分解油脂生成亲水性的脂肪酸[45]。Bacha等[46]从橄榄油厂土壤中分离到一株产热碱性脂肪酶的菌株，在40 ℃预培养1 h后，表现出良好的稳定性及与各种商业洗涤剂的相容性，该结果表明该脂肪酶可作为洗涤剂配方添加剂的潜力。Chauhan等[47]采用响应面对金黄色葡萄球菌脂酶作为洗衣粉添加剂的除油效果进行建模和优化，得出以0.69%洗涤剂、47.37 U脂肪酶、pH 7.2、温度37.18 ℃的工艺参数。过去十几年的研究更多的是去了解洗涤过程中污渍去除的机理及去污效果的工艺优化，而今后的目标更多的应该是倾向于挖掘更高效、更稳定性的新型脂肪酶以应用于工业。

作为一种生物催化剂，脂肪酶除了在上述工业中的应用，也包括在生物医药、食用油脂、乳制品、纺织品、化妆品、皮革加工等工业领域中的应用。

3 结语与展望

近年来，随着现代分子生物学突飞猛进的发展，脂肪酶相关研究不断进步。目前已测定和克隆表达了米根霉[48]、南极假丝酵母[49]、黑曲霉[50-51]、枯草芽孢杆菌[52]、疏绵状嗜热丝孢菌[53]等众多的微生物脂肪酶基因序列，今后可多从基因工程方面着手，研究特殊环境中耐高温、耐酸、耐碱的微生物脂肪酶的性质、结构及其功能。特殊环境的脂肪酶可能在油脂化工、生物柴油、洗涤剂、造纸工业、皮革加工、聚合物合成等领域的具有更重要的应用价值。随着酶学研究的进步，肪酶特性研究不断深入，脂肪酶在食品等工业领域的应用将更加广阔。