第08章利用异养微生物进行多元不饱和脂肪酸生产马寅斐教程.doc

PAGE  PAGE 81 第八章 利用异养微生物进行多元不饱和脂肪酸生产 引言 目前，含n-3的多元不饱和脂肪酸，如二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），在医疗和流行病领域的使用取得了显著疗效。EPA在细胞膜的活动中起到诸多至关重要的功能，在细胞的新陈代谢方面，为细胞液交换提供基础。因此，在治疗人类诸多疾病，如风湿性关节炎，心脏病，癌症，精神分裂症和人格分裂等，具有重要疗效。这些研究导致了EPA产品在工业化生产中备受关注。 深海鱼油作为富含EPA的产品广泛热销，然而，从鱼油中提出的高纯度EPA很贵。微生物，包括藻类，低等浮游生物以及海洋细菌，是EPA的最初生产者。鱼类通常通过食物链来富集EPA，因此，人们开始努力研究如何利用微生物来直接生产EPA。这篇文章的主要总结了利用微生物，尤其是利用微海藻来生产EPA的研究进展。 EPA 结构，研究和认识 EPA是一种重要的不饱和脂肪酸，另一种重要的不饱和脂肪酸是DHA。EPA和DHA的化学结构在图8.1中表示。在活细胞中，EPA广泛存在于中性脂质，糖脂和磷脂质。EPA存在于不同脂类主要还取决于活细胞的活性，如温度和盐分。 EPA作为一种引导和调节机体功能的花生酸类前导体，对于人类和高等级生物具有重要作用。如同前列腺素、凝血恶烷和白三烯一样，花生酸类也是一种像荷尔蒙一样的物质。花生四烯酸和EPA均为花生酸类的前导体（图8.2）。然而，通过这两种脂肪酸形成的花生酸类物质却在结构和功能方面均大相径庭，甚至有时相互拮抗。平衡地摄入EPA和花生四烯酸能有效阻止花生酸类混乱，有效治疗许多疾病和代谢混乱。 EPA是一种潜在的消炎药。一种可能的机理为，由EPA形成的花生酸类通过形成了白三烯5而替代了由花生四烯酸形成的花生酸类。因此，有效减少了风湿性关节炎患者体内的白三烯4含量（图8.2）。在大量细胞反应过程中，n-6花生酸类较n-3花生酸类有较强的影响，并且作用方式不同。EPA同时能够影响心脏活动，保护人们较少心血管疾病的发病率。例如，EPA可以有效减少血脂含量，预防动脉粥状硬化。EPA还可以影响心率和心脏的化学反应，减少了心脏病和心率紊乱的发病率。EPA能有效减少血栓的发病率通过减少血液中引起血栓的纤维蛋白原。最近，医学实验表明EPA对于治疗精神分裂和双重人格具有重要作用。 生物合成 不饱和脂肪酸的生物合成通过一系列的化学反应（图8.3）被分割成2步。第一步是分解油酸。基本上所有的生物系统，包括那些在微生物，昆虫，高等级动植物，都能通过乙酰辅酶A的羧化作用合成不饱和脂肪酸。乙酰辅酶A是通过糖分解酶作用于醋酸盐或者丙酮酸盐而合成，然后转化成丙二酰辅酶A，这种酶可以通过缩合反应来增加酰基形成硬脂酸。 第二部是油酸脱氢成为亚油酸，并进一步脱氢形成α-亚油酸。n-9、n-6、n-3脂肪酸族均是通过这些前体进行脱氢或伸长反应形成的。这三族脂肪酸的生物合成过程见图8.3。三种母体脂肪酸，油酸、亚油酸和α-亚油酸互相竞争△6脱氢酶。这三者的关系是由酶通过基质和可用基质的数量来决定何种新陈代谢路径是主要的。总体来看，首先△6脱氢酶是一个限制步骤，α-亚油酸与△6更为亲密，其次分别是亚油酸和油酸。大多数微生物、细菌及昆虫等生物可以发生脱氢或伸长反应来合成不饱和脂肪酸，他们天生可以合成相关这些不饱和脂肪酸。相比之下，许多高等植物和动物缺乏这样的酶，所以很少产生C18以上的不饱和脂肪酸。 总而言之，EPA可以通过n-6循环或者n-3循环来合成。一些微生物种，如高山被孢霉和畸雌腐霉，主要通过n-6途径而不是n-3途径，因为这些微生物具有高活性的△12和△17脱氢酶，这两种脱氢酶可以将花生四烯酸转化为EPA。所以，将富含花生四烯酸的亚麻仁油作为基料，这些微生物可以利用其前体合成EPA。 起源 鱼油 鱼油是一种传统的EPA来源，但是利用鱼油来加工医疗中使用的EPA过程中存在很多缺点。 鱼油的质量取决于鱼的种类，捕鱼的时节和地点。深海鱼油是一种具有多种不同链长和不饱和度的混合型油脂。然而，在医疗领域，要求生产的不饱和脂肪酸是纯EPA。甚至油脂中仅仅含有EPA和DHA或者EPA和花生四烯酸都不太适合用于医疗，因为他们具有不同的药效，甚至具有不同的结构。而且，从低等鱼类中提取的EPA纯化过程需要很多物理反应，费用昂贵的大规模前处理及高效液相色谱分析等。并且鱼油有其特有的味道和香味。深海鱼油储备也受季节和气候影响，在有些地区甚至限制长期过度捕鱼。并且，在鱼油中还会存在很多有毒的化学合成物质及像水银等富集的重金属，这些有毒物质会富集在鱼的肝脏中，而鱼油正是从其中提取出来的。这些因素均限制了利用鱼油来提取EPA或者DHA，目前，只能通过微生物渠道来生产。 微生物 海洋细菌通过长期的演化过程，脱离深海环境，能够