解脂耶氏酵母在食品工業(yè)中的應用！

解脂耶氏酵母是一類非常規(guī)酵母，由于該酵母*的理化性質、代謝特點被廣泛應用于各個行業(yè)。因其屬于廣泛認為是安全的(generally regarded as safe，GRAS)微生物而被廣泛應用于食品工業(yè)。文中主要對該酵母在食品工業(yè)中的應用進行總結，介紹其在生產奶類和肉制品中的應用，參與芳香族化合物生產，引起食品fubai，生產多元醇以及有機酸，生產表面活性劑和乳化劑，作為單細胞脂類及單細胞蛋白，食品垃圾的降解及轉化。旨在闡明解脂耶氏酵母在食品工業(yè)中的重要性及廣闊的應用前景。

解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)是一種非常規(guī)酵母，屬于半子囊菌類(Hemiascomycetes)。該酵母的抗逆性較強，可耐受高鹽、低溫以及過高的酸堿環(huán)境，因此在自然界中分布廣泛，可以從海邊、油田等環(huán)境中分離得到。解脂耶氏酵母有很強的分解疏水化合物的能力，但其可利用的糖類、醇類、糖醇以及有機酸非常少，只能利用葡萄糖、甘油、醋酸鹽以及乙酰氨基葡萄糖苷為碳源進行生長。與傳統(tǒng)的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)相比，解脂耶氏酵母有很多*的理化性質、代謝特點以及基因結構，引起了研究人員的興趣，并對其開展了大量的研究。主要集中在以下幾個方面：細胞的二型性、線粒體復合物I、過氧化物酶體、脂類的堆積，脂肪酶的產生，分子生物學工具，生物轉化疏水脂肪酸、異源表達和分泌蛋白質、合成有機酸，治理環(huán)境及工業(yè)中的污染等。

能夠應用于食品工業(yè)中的微生物必須為非致病菌并且被廣泛認為是安全的(generally regarded as safe，GRAS)，解脂耶氏酵母被美國食品*(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)認定為此類微生物，廣泛應用于食品工業(yè)。該酵母之所以被認為是安全的有以下原因：(1)它可以從奶酪、肉以及禽肉中分離得到；(2)酵母菌體可以作為安全營養(yǎng)供給；(3)它可以作為食品以及飼料來使用；(4)可以用來生產不同的食品添加劑。本文對解脂耶氏酵母在食品工業(yè)中應用的研究進展進行了總結。

一、解脂耶氏酵母在肉類和奶制品的應用

干香腸的味道主要來自于鹽、在發(fā)酵過程中產生的酸以及代謝糖、蛋白質、脂類過程中所產生的小分子化合物，而酵母菌在這個過程中發(fā)揮的作用是不容忽視的。例如PATRIGNANI等人發(fā)現(xiàn)，在食品發(fā)酵過程中酵母菌可快速降低有效水分的含量，而水分含量的快速降低會減少食品微觀結構以及組分的改變程度，保持食品的z佳口感和營養(yǎng)。不同酵母產生的不同脂肪酶和蛋白酶的活性對食品的感官、風味和香氣的影響都比較大，因此在香腸的生產過程中采用新的微生物發(fā)酵劑對食品的質量、口感、色澤以及營養(yǎng)都是至關重要的。解脂耶氏酵母有很強的蛋白質水解能力和脂肪分解能力，這就為該酵母應用于干香腸的生產過程奠定了基礎。有研究表明，解脂耶氏酵母分解蛋白質分泌產生大量的胞外游離脂肪酸如：油酸、亞油酸、十五烷酸、棕櫚酸、十七烷酸、二十二烷酸等，這些游離的脂肪酸將在很大程度上提升干香腸的風味。與其他酵母相比，解脂耶氏酵母的抗逆性更強，它可以耐受低溫、高滲透壓，因此該酵母可在干香腸的發(fā)酵過程中生長良好，發(fā)揮很好的發(fā)酵功能。

奶酪的香味主要由各種揮發(fā)性化合物組成，這些化合物是各種微生物在分解凝乳中的糖類、脂類以及蛋白質的過程中產生，因此微生物的種類不同則造成奶酪的風味不同。解脂耶氏酵母中含有的大量脂肪酶和酯酶，因此被認為是在奶酪成熟過程中發(fā)揮重要作用的分解脂肪的菌株之一。解脂耶氏酵母以凝乳為底物進行發(fā)酵可以產生高品質的富含游離脂肪酸(丙酸、丁酸、亞油酸甘油三酯等)的奶酪，這不僅提高了奶酪的品質，更提高了奶酪的口感和風味。例如在解脂耶氏酵母的參與下可以將三丁酸甘油酯轉化為丁酸，而這一特點使奶酪具有特殊的香氣，由此做成的切達干酪及卡門培爾乳酪深受廣大消費者的喜愛。HÉBERT等人通過轉錄組、代謝物分析以及VSC分析法研究了解脂耶氏酵母對硫化物的代謝過程。結果表明，解脂耶氏酵母攜帶有可以合成揮發(fā)性硫化合物的基因，而該揮發(fā)性硫化合物的產生增加了奶酪的芳香味，從而進一步改善奶酪的口感和風味。

二、解脂耶氏酵母生產γ-癸內酯

γ-癸內酯(γ-Decalactone, GDL)存在于多種水果及乳制品中，具有濃郁的桃香和椰子香，是認可的安全的食品添加劑和藥品添加劑，廣泛應用于食品、香料等行業(yè)。目前主要采用發(fā)酵法來生產天然的γ-癸內酯，在發(fā)酵菌種的選擇上解脂耶氏酵母有其*的youshi。解脂耶氏酵母主要以蓖麻油酸為底物，蓖麻油酸在酵母細胞的氧化物酶體中降解，通過4步β-氧化合成GDL的直接前體4-羥基癸酸，然后4-羥基癸酸經過脫水、環(huán)化z終生成γ-癸內酯。在降解過程中首先由乙酰輔酶A氧化酶催化進行diyi步的β-氧化，在這個過程中有6種不同的酰基-CoA氧化酶(Aox1p-AoX6p)參與，這6種酶各有其不同的特點，分別由POX1-POX6六個基因編碼。其中Aox1p、Aox6p參與二元酸的降解，Aox2p有較強的酶活性，主要作用于長鏈脂肪酸，Aox3p則作用于短鏈脂肪酸，除參與β-氧化外也可參與到GDL的降解過程，降低GDL產量，Aox4p和Aox5p作用有限。因此研究者試圖通過改造菌株來增加γ-癸內酯的產量，研究發(fā)現(xiàn)在提高Aox2p的活性的同時降低Aox3p活性可以有效增加GDL的產量。

除了改造菌株以外，優(yōu)化生產過程的參數(shù)也可以提高GDL的產量。有研究表明，在相同的底物濃度下，以傳統(tǒng)的發(fā)酵模式進行生產可以得到GDL的產量為168 mg/(L·h)，而采用新的饋料式發(fā)酵的產量為220 mg/(L·h)。另一方面通過細胞固定化也可以提高GDL的產量。將細胞固定在多聚物DuoUM上，經過264 h的發(fā)酵可以得到1597±34 mg/L的產物，摩爾轉化率為29%。而不固定的游離細胞在發(fā)酵120 h后得到的產物質量濃度為(954±7) mg/L。細胞固定化不僅可以延長細菌的發(fā)酵時間，也可以有效防止已經產生的γ-癸內酯被細胞再次消耗，從而提高產量。在微生物生產過程中，高密度的微生物數(shù)量需要足夠的氧氣才能進行正常的新陳代謝，因此傳氧速率同樣會影響細胞發(fā)酵產生GDL的過程。在生產過程中，主要通過增加通氣速率、提高攪拌速率來提高發(fā)酵液的體積傳質系數(shù)Kla，從而進一步提高傳氧速率。GOMES等人發(fā)現(xiàn)Kla值與GDL的產量有直接相關性的，在攪拌速率和通氣速率分別保持在400 r/min和0.6 vvm時，Kla值為70/h，此時GDL產量達到z大為(141±21) mg/L。在該條件下，菌株的生長較快，但γ-癸內酯的得率并不高，這是由于在氧氣較充足的情況下有部分γ-癸內酯轉化為其他產品，因此該工藝還有待進一步提高。

三、解脂耶氏酵母引起的食品fubai及其控制

人們經常從變色和fubai的禽肉相關食品中分離得到多種酵母，這些酵母與食品顏色和品質的改變有直接關系，解脂耶氏酵母由于其耐酸、耐低溫、產氣的特性而成為其中的主要微生物。有研究表明，解脂耶氏酵母在5 ℃冷藏的食品的fubai過程中起到重要作用，并且屬于禽肉中的優(yōu)勢fubai菌。吳海虹等人在漲袋的泡椒鳳爪中分離得到解脂耶氏酵母，并認為該酵母也屬于泡椒鳳爪的優(yōu)勢fubai菌。由于其耐酸，產氣，故在大量繁殖過程中造成食品的漲袋。因此人們越來越重視解脂耶氏酵母在食品中的安全控制問題。

研究表明在低溫儲存易被解脂耶氏酵母污染的食品時加入2%的乳酸或在4%膝草等植物煮出來的汁中浸泡可有效抑制該酵母的生長，這些植物中的某些成分能有效延長解脂耶氏酵母生長的遲緩期，從而降低生長速率，減少污染。而采用這些植物制作出的精油，如百里香精油、馬郁蘭精油、牛至精油同樣可以抑制解脂耶氏酵母的生長，因此可以作為食品添加劑使用從而降低食品的fubai率。在食品中加入月桂酰葡萄糖可以破壞該酵母形成生物膜，抑制生長。納塔爾鏈霉菌產生的納塔霉素是一種天然抗真菌多烯類化合物，已被用于加入到奶制品中抑制酵母和真菌的污染，在其質量濃度為50 mg/L時可以有效抑制解脂耶氏酵母的生長。綜上，解脂耶氏酵母雖然與各種污染的食品都有關系，但通過添加一些物質可以有效地抑制其生長，因此該酵母在食品工業(yè)中的應用前景是非常廣泛的。

四、解脂耶氏酵母用于有機酸的合成

解脂耶氏酵母在富含碳源的培養(yǎng)基中可以產生大量的有機酸，如檸檬酸、異檸檬酸、α-酮戊二酸(α-KGA)、丙酮酸、琥珀酸等，這些有機酸在食品行業(yè)中的應用非常廣泛。

長期以來，檸檬酸作為食品、藥品添加劑被廣泛應用于食品藥品行業(yè)。早在20世紀80年代，人們就發(fā)現(xiàn)解脂耶氏酵母是生產檸檬酸youshi菌株之一。由于該酵母可以利用的底物范圍非常廣泛，因此可以采用工業(yè)及農業(yè)中的一些生產廢棄物來作為底物發(fā)酵生產檸檬酸，一方面降低成本，另一方面節(jié)約資源、變廢為寶，解決環(huán)境污染問題。目前人們主要通過分子生物學手段改造菌株、改變發(fā)酵底物、改進工藝參數(shù)等方法來提高檸檬酸的產量。

在19世紀70年代，人們開始使用解脂耶氏酵母生產α-KGA。人們發(fā)現(xiàn)能合成α-KGA的酵母菌株不能合成維生素B1中的嘧啶環(huán)，因此在VB1缺乏的條件下，酵母不能生長，但此時可以氧化底物產生大量的α-KGA。z近的一次研究發(fā)現(xiàn)菌株VKM Y-2412在z佳培養(yǎng)條件下生產的α-KGA的量可以達到49 g/L。當以乙醇為底物，在鋅離子和鐵離子存在時，保持高通氣率、pH=3.5時可以得到更高的獲得率，達到72 g/L。KAMZOLOVA等人以菜籽油為底物生產α-KGA，當滿足以下發(fā)酵條件：硫胺素密度0.063 μg/g(cells)，pH=3.5，溫度30 ℃，通氧率50%，底物質量濃度20～60 g/L，α-KGA的產量為102.5 g/L。除了改變發(fā)酵底物，改良發(fā)酵工藝外，也有研究人員通過改造菌株，使用工程菌來提高α-KGA的產量。YIN等人使用1株VB1合成突變菌株來生產α-KGA，雖然提高了產量，但得到的產品中含有大量的丙酮酸，限制了其在工業(yè)生產中的應用。為了進一步提高α-KGA的產量，降低丙酮酸的含量，有研究者將釀酒酵母和米根霉中的丙酮酸羧化酶基因在解脂耶氏酵母WSH-Z06菌株中過量表達構成重組菌株Y.lipolytica-ScPYC1以及Y.lipolytica-SpPYC2。在搖瓶培養(yǎng)時，α-KGA的產量分別提高了24.5%和35.3%，而丙酮酸的含量則分別降低51.9%和69.8%，進一步優(yōu)化培養(yǎng)條件，α-KGA的z大得率為62.5 g/L，較原始的報道提高了28%。

工業(yè)中也經常使用解脂耶氏酵母為發(fā)酵菌株，通過兩步法生產琥珀酸(通過氧化α-KGA)。首先以乙醇為底物合成中間產物α-KGA，然后用過氧化氫氧化產生琥珀酸。采用該方法生產的琥珀酸的z高產量為63.4 g/L，并且純度較高。另外也有研究者試圖通過改造菌株來直接生產琥珀酸，例如YUZBASHEV等人通過敲除琥珀酸脫氫酶亞基而直接獲得琥珀酸，在搖瓶中培養(yǎng)時琥珀酸的z高產量達到45 g/L。該方法可通過發(fā)酵微生物直接獲得琥珀酸，免除了兩步法中的復雜操作，但由于菌株生長條件要求較高，因此其在工業(yè)生產中的應用有待進一步的開發(fā)。

五、解脂耶氏酵母生產糖醇

糖醇是相應的單糖經催化氫化及pengqinghuana還原為相應的多元醇。糖醇雖然不是糖但具有某些糖的屬性。目前開發(fā)的主有山梨糖醇、木糖醇、甘露糖醇、麥芽糖醇、赤蘚糖醇、乳糖醇等，這些糖醇對酸、熱有較高的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生非酶褐變反應 ，成為低熱值食品甜味劑，廣泛應用于低熱值食品配方。國外已把糖醇作為食糖替代品，廣泛應用于食品工業(yè)中。赤癬糖醇是FDA批準的在*廣泛使用的食品添加劑，主要作用是替代蔗糖使用。解脂耶氏酵母因其*的youshi目前也被廣泛應用于生產赤癬糖醇。

解脂耶氏酵母既可以發(fā)酵底物直接生產赤癬糖醇也可以在生產檸檬酸的過程中以次要產品的形式獲得赤癬糖醇。解脂耶氏酵母生產赤癬糖醇可用的底物非常多，如葡萄糖、果糖以及甘油等。日本的三菱公司z早以甘油為底物生產赤癬糖醇，但發(fā)現(xiàn)對甘油的利用率并不高。當甘油濃度為200 g/L時，采用菌株ATCC 8661搖瓶培養(yǎng)得到的產物濃度為43.2 g/L。為了進一步提高甘油利用率，人們進一步優(yōu)化發(fā)酵條件，并尋找高產菌株。研究發(fā)現(xiàn)在低pH值(pH=3.0)時解脂耶氏酵母產生的赤癬糖醇濃度較高，而在高pH值下產量降低。在適宜的pH值下，甘油質量濃度為300 g/L，菌株Wratiaslavia K1生產的赤癬糖醇的質量濃度為170 g/L，比以葡萄糖為底物時的產量提高了6倍。也有研究者分別以高純度甘油的和粗甘油為底物生產赤癬糖醇，結果表明以高純度甘油為底物時，赤癬糖醇的產量較高。

在缺乏VB1的培養(yǎng)基中培養(yǎng)解脂耶氏酵母時，赤癬糖醇的產量降低，而高NaCl(濃度為2.5%)可以提高其產量。另外，解脂耶氏酵母也被廣泛應用于生產甘露醇，這表明解脂耶氏酵母有生產不同的食品添加劑的潛能。

六、解脂耶氏酵母用于合成單細胞油脂

單細胞油脂(single cell oil，SCO)又稱微生物油脂(microbial oils)，是由酵母、霉菌、細菌和藻類等微生物在一定條件下利用碳水化合物、碳氫化合物和普通油脂為碳源、氮源、輔以無機鹽生產的油脂和另一些有商業(yè)價值脂質。單細胞油脂的成分與人們從動物和植物中提取的油脂的成分基本是一致的，并且含有更多的人體必需的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)。解脂耶氏酵母是一類產油微生物，即可以在體內堆積大量的油脂，因此被用來生產單細胞油脂。由于其youxiu的表現(xiàn)，該酵母目前已被認為是生產生物油的模式生物，對其研究熱點主要集中在發(fā)酵底物的選擇，重組菌株的構造以及作為膳食補充劑的應用。

解脂耶氏酵母可以利用多種底物來生產SCO，尤其是一些廉價、低成本的物質，如工業(yè)廢水、甘蔗渣、揮發(fā)性的脂肪酸等。以葡萄糖為底物生產生物油，當葡萄糖質量濃度為40 g/L時，得到的生物量為31 g/L，油脂含量為12.4 g/L(約占總生物量的40%)。其他的一些揮發(fā)性酸，如丁酸、丙酸以及它們的混合物也可以被用于生產SCO，該方法得到脂質在成分上與植物油相同。另外一些酵母菌株也可以使用地溝油或者廢機油為底物來生產生物油。如來自海洋的菌株NCIM3589以0.43 g/g地溝油為底物時產生的生物油質量濃度為100 g/L。其中飽和和單不飽和脂肪酸的含量與傳統(tǒng)的植物油相同。

一些廉價的可再生原料如棕櫚油廠的廢水、血清乳膠以及粗甘油也可以作為底物生產生物油。以粗甘油和廢水聯(lián)合作為底物生產生物油，發(fā)酵后生物量達到3.21 g/L，油脂含量達到2.21 g/L(占總生物量的68%)，當生產條件進一步改善時可以得到的生物量和油脂含量分別為5.53 g/L和2.81 g/L。農業(yè)垃圾也可用于生物油的生產，有研究者采用甘蔗渣來培養(yǎng)解脂耶氏酵母酵母菌株PO1g來生產微生物油脂。甘蔗渣被水解后的含糖量為21.38 g/L，加入Ca(OH)2去毒后可用于解脂耶氏酵母的培養(yǎng)。以蛋白胨為氮源可使生物量達到11.42 g/L，其中油脂含量，油脂產量以及油脂的生產能力分別為58.5%，6.68 g/L以及1.76 g/(L·d)。另外脫脂米糠、玉米胚芽蛋白水解物、麥秸水解物都可以作為解脂耶氏酵母的底物來生產生物油脂。

有研究者通過改造菌株，使用工程菌來提高解脂耶氏酵母的生物油脂產量。TAI等人將參與合成甘油三酯的z后一步的酶的基因DGA1過量表達，可以使生物燃油的產量提高4倍。乙酰輔酶a羧化酶催化脂肪酸合成的diyi步，將其編碼基因ACC1進行過量表達，使油脂產量提高了2倍。當將這兩個基因共同過量表達時，使油脂產量提高5倍，使用該重組菌株在培養(yǎng)120 h后油脂含量為61.7%。另外敲除葡萄糖抑制通路的關鍵基因MIG1、異源表達馬克斯克魯維酵母(kluyveromyces marxianus)的基因INU1均可以提高酵母的產油量。

解脂耶氏酵母也可以用于生產膳食補充劑，因其含有豐富的二十二烷六烯酸、花生四烯酸以及γ-亞麻酸，也可以作為模式生物來生產一些特定的脂肪。例如由于解脂耶氏酵母產生的油脂中總硬脂酸的含量較高，因此可以用于生產代可可脂。綜上，解脂耶氏酵母生產生物油脂的過程中，不僅產生的油脂種類較豐富，可利用的底物范圍也非常廣泛，尤其是一些廉價低成本物質以及廢棄物，這不僅節(jié)約了成本，也避免了廢棄物對環(huán)境的污染。

七、解脂耶氏酵母合成單細胞蛋白

單細胞蛋白是一類凝縮的蛋白類產品，含粗蛋白50%～85%，其中氨基酸組分齊全，可利用率高，還含維生素、無機鹽、脂肪和糖類等，其營養(yǎng)價值優(yōu)于魚粉和大豆粉。長期以來，人們采用解脂耶氏酵母來生產單細胞蛋白。人們發(fā)現(xiàn)采用甘油廢料做底物可以生產單細胞蛋白，并且生產出來的產品中賴氨酸、絲氨酸以及脯氨酸的含量遠遠高于蛋蛋白。并且單細胞蛋白營養(yǎng)豐富、并且能增強機體的免疫能力，可作為牲畜、家禽和魚類等的極其優(yōu)良的菌類蛋白飼料。

在另一項研究中，解脂耶氏酵母被用于生產抗菌肽，通過發(fā)酵得到的蛋白含量為45%～49%。為了進一步擴大可用底物的范圍，將外源的馬克斯克魯維酵母的菊糖酶基因在解脂耶氏酵母中表達，所得到的重組菌在含有菊糖的培養(yǎng)基上生長，產生的蛋白的量為47.5%。解脂耶氏酵母菌體也被加入的魚的飼料中，作為花生烯酸的來源補充，人們發(fā)現(xiàn)在飼料中加入20%酵母時，鮭魚的生長速度z快。

八、小結

解脂耶氏酵母因其*的生理特性和酶系統(tǒng)為食品工業(yè)做出了許多貢獻。有很多實驗室都在研究該酵母在食品工業(yè)中的應用，它對肉類制品和乳制品的貢獻是非常巨大的。除了直接參與食品的發(fā)酵風味之外，它還廣泛應用于制備芳香族化合物如γ-癸內酯。有機酸以及在食品工業(yè)中有巨大應用的多元醇也可以使用該酵母進行生產。另外這種GRAS生物富含高不飽和脂肪酸和蛋白質，允許其作為食品并以SCO和SCP的形式進食，廣泛應用于飼料行業(yè)。此外這種酵母產生的多種多樣的表面活性劑以及乳化劑也可應用于食品行業(yè)。食品工業(yè)生產中產生的很多廢棄物也可以被解脂耶氏酵母用作底物來生產多種產品。因此，解脂耶氏酵母已逐漸演變?yōu)橐粋€高效的微生物工廠，并不斷擴大其在食品工業(yè)中扮演的不同角色。更多的應用有待我們進一步的研究發(fā)現(xiàn)。