近年來(lái)，能源過(guò)度消耗和使用化石燃料帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新的、對環(huán)境無(wú)害的非石油類(lèi)能源及清潔可再生能源迫在眉睫。生物柴油因其獨特優(yōu)越性，作為化石燃料潛在替代能源，其開(kāi)發(fā)研究越來(lái)越受到研究者的關(guān)注和青睞。 目前，國內外對于生物柴油制備的研究主要集中于動(dòng)、植物油或餐飲廢棄油脂方面，但利用動(dòng)植物油為原料成本高，其成本占總生產(chǎn)成本的70%~85%。以餐飲廢棄油脂為原料，也存在原料難以收集和運輸的困難，這些都嚴重制約了生物柴油的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，因此尋找一種廉價(jià)的原料成為了生物柴油產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。過(guò)去曾因為技術(shù)經(jīng)濟原因，單細胞油脂很少有規?；a(chǎn)。但是，隨著(zhù)工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展，微生物油脂發(fā)酵從原料到過(guò)程都不斷取得新進(jìn)展。
微生物油脂(Microbialoils)又稱(chēng)單細胞油脂(single cell oils，sco)，是由酵母、霉菌、細菌和藻類(lèi)微生物在一定條件下將碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂等轉化為微生物體內貯存的油脂，主要是由不飽和脂肪酸(PUFAs)組成甘油三酯(TAG)，其脂肪酸組成與植物油（如棕櫚 油、大豆油、菜籽油等）相似，是以C16和C18為主脂肪酸，如硬脂酸，油酸，亞油酸和棕櫚酸。微生物資源豐富，種類(lèi)繁多，油脂含量高，其中一些種類(lèi)可合成高達50％～70％的油脂，且產(chǎn)油微生物還具有碳源利用廣譜，生長(cháng)速度快，不受季節影響，容易大規模培養等特點(diǎn)。因此，微生物油脂具有很好開(kāi)發(fā)前景，在未來(lái)生物柴油生產(chǎn)中具有重要作用。
01 常見(jiàn)的產(chǎn)油微生物種類(lèi)
20世紀40年代研究者發(fā)現產(chǎn)油微生物，目前研究較多的是酵母菌、霉菌和藻類(lèi)，產(chǎn)油細菌比較少，這些菌體油脂含量一般占細胞干重20%以上。 常見(jiàn)的產(chǎn)油酵母菌：淺白色隱球酵母(Cryptococcusalbidus)、彎隱球酵母(Cryptococcus albidum)、彎假絲酵母(Candidacurvata)、斯達氏油脂酵母(Lipomycesstarkeyi)、茁芽絲孢酵母 (Trichospironpullulans)、產(chǎn)油油脂酵母(Lipomyces lipofer)、膠粘紅酵母(Rhodotorulaglutinis)、類(lèi)紅冬孢酵母(Rhodosporidiumtomloides)等，油脂含量可達菌體干重的 30％～70％。 常見(jiàn)的產(chǎn)油霉菌：土霉菌(Asoergullus terreus)、紫癜麥角菌(Clavicepspurpurea)、高梁褶孢黑粉菌(Tolyposporiumehrenbergii)、高山被孢霉 (Mortierellaalpina)、深黃被孢霉(Mortierella isabellina)等，油脂含量可達菌體干重的 25％～65％。 藻類(lèi)油脂：許多海洋微藻及巨藻都能產(chǎn)生油脂，常見(jiàn)產(chǎn)油海藻有 螺旋藻(Sph'ulina)和硅藻(Diatom)。微藻個(gè)體小、生長(cháng)繁殖快、對外界環(huán)境適應力強、產(chǎn)油培養過(guò)程容易，對太陽(yáng)能的利用效率高。另外，微藻中油脂含量較高，直接提取得到的油脂組分與植物油類(lèi)似，可替代石油作為生物柴油的原料用于工業(yè)生產(chǎn)，也可以作為植物油的替代品。 可產(chǎn)油的細菌：分枝桿菌(Mycobactenum)和棒狀桿菌 (Corynebacterium)等。但細菌油脂開(kāi)發(fā)有一定難度，大多數產(chǎn)油細菌不產(chǎn)甘油三酯，而是積累復雜類(lèi)脂，如磷脂與糖脂。另外，細菌油脂集中于細胞外膜上，給提取帶來(lái)一定難度。
微生物油脂作為可再生清潔能源的資源，與常規植物油和動(dòng)物油生產(chǎn)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：微生物細胞生長(cháng)十分迅速、生長(cháng)周期較短；微生物生長(cháng)所需原料來(lái)源比較廣泛，能利用一些價(jià)格低廉的農業(yè)廢 棄物或農副產(chǎn)品，在培養微生物的同時(shí)還有益于環(huán)境保護；微生物油 脂生產(chǎn)可人工高效調控，需要勞動(dòng)力少，且不受季節、場(chǎng)地、環(huán)境變 化等的影響；能連續大規模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低。微生物油脂生產(chǎn)的這些獨特優(yōu)點(diǎn)，為生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)提供可行性，是工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油一個(gè)重要途徑。
關(guān)于微生物產(chǎn)生油脂的研究已有半個(gè)多世紀的歷史。國外對于微生物油脂的研究工作起步較早,最早可追溯到第一次世界大戰期間 ,當時(shí)德國準利用內孢霉屬和單細胞藻類(lèi)鐮刀屬的某些菌種生產(chǎn)油脂 ,以解決食用油匱乏問(wèn)題,后因戰爭爆發(fā)而中止研究。隨后美國、日本等也開(kāi)始研究微生物油脂的生產(chǎn)。第二次世界大戰前夕, 德國科學(xué)家篩選到了高產(chǎn)油脂的斯達氏油脂酵母、黏紅酵母屬、曲霉屬以及毛霉屬等微生物,并進(jìn)行規模生產(chǎn)。后來(lái)發(fā)現利用微生物生產(chǎn)普通油脂成本太高,無(wú)法與動(dòng)、植物來(lái)源的油脂相競爭。有關(guān)微生物油脂的探索此后一度集中在獲取功能性油脂, 如富含多不飽和脂肪酸的油脂。1986年,日本和英國等國家率先推出含微生物GLA油脂的保健食品、功能性飲料和高級化妝品等產(chǎn)品,微生物油脂實(shí)用化已邁出了第一步。進(jìn)入90年代,特種油脂的發(fā)展越來(lái)越受人們的重視。Stewdansk 和Radevan分別篩選到產(chǎn)生ARA的真菌,產(chǎn)生的總脂中ARA的質(zhì)量分數達到42%～55%。1996年Stredanska等從Pacificmarkarel的腸內容物中分離到一株叫SCRC-2378的海生細菌,能產(chǎn)生一種多烯不飽和酸,即二十碳五烯酸,其質(zhì)量分數達24%～40%,被認為是EPA的一種新資源1996年,Singh等在優(yōu)化培養基上對Thraustochy triu- mATCC28210進(jìn)行培養, 5d后DHA產(chǎn)量達到1061mg/L。研究者還發(fā)現，某些海藻和硅藻也能生產(chǎn)出較高產(chǎn)量的EPA和DHA。
我國在 20 世紀 60 年代就有生產(chǎn)油脂的報道 , 但研究較多的是在90年代,其研究重點(diǎn)也集中在開(kāi) 發(fā)功能性油脂方面。由于一些產(chǎn)油微生物具有轉化五碳糖為油脂的性質(zhì),這一特性尤其適用于木質(zhì)纖維素的全糖利用。而木質(zhì)纖維素資源又具有來(lái)源豐富、品種多、再生時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。因此 ,利用產(chǎn)油微生物轉化 木質(zhì)纖維素水解液為微生物油脂 ,再通過(guò)轉酯化制備生物柴油可降低生物柴油的成本,同時(shí)也將秸稈、高梁桿、蔗渣等廢棄物進(jìn)行合理利用。
近年來(lái),隨著(zhù)現代生物技術(shù)的發(fā)展,利用物理化學(xué)誘變已獲得具有高產(chǎn)油能力的產(chǎn)油微生物資源。目前,日本、德國、美國等國家已有商品菌油或相應下游加工產(chǎn)品面市。因此,微生物油脂是具有廣闊 前景的新油脂資源,有望從根本上解決制備生物柴油的原料問(wèn)題。
隨著(zhù)化石資源日益枯竭和世界各國能源供應形勢日趨嚴峻,生物柴油的制備和應用是國內外生物能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn),而其原料的來(lái)源更是人們急需解決的問(wèn)題。產(chǎn)油微生物因具有資源豐富、油脂含量高、生長(cháng)周期短、碳源利用廣、能在多種培養條件下生長(cháng)等特點(diǎn)而受到人們廣泛的重視。此外,以木質(zhì)纖維素等可再生資源為原料,利用產(chǎn)油微生物轉化制備微生物油脂,可降低生產(chǎn)成本,解決制約生物柴油工業(yè)化的原料瓶頸。隨著(zhù)現代生物技術(shù)的發(fā)展,將可能獲得更多的微生物資源,應充分利用現代分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和生物化工技術(shù)的最新成果,加快對產(chǎn)油微生物菌種篩選、改良、代謝調控和發(fā)酵工程的研究。如通過(guò)對野生菌進(jìn)行誘變、細胞融合和定向進(jìn)化等手段能獲得具有更高產(chǎn)油能力或油脂組成中富含稀有脂肪酸的突變株,從而提高產(chǎn)油微生物的應用效率。另一方面, 開(kāi)發(fā)利用微生物油脂進(jìn)行功能性油脂的生產(chǎn)仍是研究熱點(diǎn), 因此,微生物油脂的研究技術(shù)將成為新世紀油脂工業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展方向,使油脂行業(yè)的加工范圍更加廣闊,并將在解決人類(lèi)能源問(wèn)題、促進(jìn)人類(lèi)保健方面起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。
